YBCO高场内插线圈的应力分析研究

YBCO内插线圈绕制过程中施加的绕制预紧力、降温过程中的热应力以及通电运行时产生的电磁力,是内插线圈应力的主要机械载荷。内插线圈中YBCO导体中的应力是影响线圈超导性能的主要因素之一。文中采用有限元方法,针对一个25T的YBCO内插线圈,通过建立3D仿真模型,从绕制预紧力、冷收缩和洛伦兹力等应力载荷出发,依次分析了YBCO涂层导体在三种载荷下的应力分布特点。进一步采用细化线圈模型,得到了YBCO带材层状结构中不同材料的应力分布特点。研究结果可为高场内插线圈的工艺设计提供依据。     

CRAFT背场线圈磁体及杜瓦的力学特性分析

背场线圈和杜瓦对CRAFT系统的运行具有重要影响。为了确保系统运行的稳定性,本文基于无力矩理论、线性振动理论和随机振动理论并采用有限元法,对杜瓦和背场线圈的静力学特性、模态响应和随机振动特性进行了研究,研究结果表明磁体系统在地震载荷的冲击下将会产生较大的变形。为此,以磁体及杜瓦的变形为优化目标,采用优化设计方法对磁体及杜瓦在不同载荷下的响应进行研究,从而获得最优设计方案。该研究工作将为后续超导磁体测试平台的加工制造以及抗震优化设计提供理论指导。     

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介绍了HL-2M环向场线圈的基本结构设计及其承受的电磁载荷,分析了水平预加载、中心柱预应力筒以及环向抗扭支撑对线圈匝间剪切应力的影响.结果表明,水平预加载及预应力筒在中心柱内产生的压应力有利于提高中心柱的抗扭刚度;环向支撑刚度增加可减小线圈的面内剪切应力.在正常运行工况下,环向场线圈的最大匝间剪切应力小于8MPa,其结构设计满足线圈强度要求.对于大破裂瞬态事件,匝间最大剪切应力约12MPa,接近绝缘材料的剪切疲劳极限,建议采取破裂抑制措施避免该情况发生.     

15 T高场复合超导磁体低温实验研究

大孔径高均匀度高场磁体是进行超导材料性能测试的必要条件之一.本文主要介绍了15 T高场复合超导磁体的低温励磁实验与结果.该磁体包括两个高性能Nb3Sn线圈、一个ITER Nb3Sn线圈和一个NbTi线圈,分别处于磁体的高、中、低场部分.磁体外径329.9 mm,高度401.44 mm,中心孔径77.5 mm,磁体中心磁场测量值14.94 T,轴向磁场(98％)均匀区测量长度55 mm,超过了磁体设计指标要求的40 mm,测试结果满足设计要求.     

CVD金刚石膜断裂性能测试装置的研究

文章介绍弛一种利用恒载荷速率加载测试金刚石膜断裂性能的试验方法,并建立了国内第一台金刚石膜断裂性能测试的专用装置,该装置利用弹性压头代替传统的刚性压头,可以成功地解决断裂试验的缓慢加载问题,试验装置的最大载荷为500N,可以在5－500N之间获得准确的载荷,误差不大于1％,最小加载速率为0．5N/s,最大加载速率为25N／s,该装置采用计算机控制,可以直接输出试验结果,该装置采用恒载荷速率（0．5N／s 至2N/s)的加载方式测得的断裂性能比用恒位移速率（0．5mm/min和0．05mm/min)加载方式测得的断裂性能更低,适合高脆性,小尺寸金刚石膜试样断裂性能的测试。     

蓄能器壳体的塑性极限载荷和失效分析

结构完整性是液压蓄能器设计制造的重要依据，为确定内压作用下某蓄能器壳体的最大承载能力，采用弹塑性理论分析、数值仿真与试验研究相结合的方法，对壳体塑性极限载荷和失效位置进行研究。结果显示：由于未考虑壁厚的影响，理想弹塑性分析结果明显偏高；尽管忽略了应变强化效应，但是通过荷载因子逐步加载，非线性有限元仿真得出的极限载荷仍然比较接近爆破试验实测值，误差仅为3.5%，并且预测的塑性失效位置与实际破口部位基本一致，说明非线性有限元Risk法能够获得更符合实际的结果，可用于简单薄壁压力容器的分析设计。     

HL-2M 环向场线圈预紧系统设计

针对 HL-2M 装置可拆卸的环向场(TF)线圈结构,在“D”形 TF 线圈外侧上、下两端分别采用水平的预紧机构对 TF 线圈实施预紧,使 TF 线圈在大电流承受较大电磁力的情况下,与 TF 线圈连接螺栓的预应力一起保证连接面不发生分离。由于同步性和一致性的要求,该系统采用液压同步顶升机构,并且采用压力传感器实时检测该预应力值,保证 TF 线圈在整个放电实验阶段的安全,为 HL-2M 装置整体的安全提供保障。     

1.5 T磁感应强度水冷式螺线管线圈结构设计及仿真研究

介绍T量级水冷式螺线管线圈的结构设计及仿真研究工作。采用多层水冷结构设计,对不同温升导致的变形量进行计算并校核,最后利用POISSON程序对线圈磁场进行仿真计算。计算表明:最大温升60℃时,整个结构变形量小于0.07 mm,即探头相对位置变化量可小于0.1 mm;96.6 A电流加载时,中心区最大磁感应强度为1.5 T;0.01%精度轴向磁场宽度为40 mm,0.1%精度轴向磁场宽度为140 mm。从仿真结果来看,设计的水冷式螺线管线圈可满足磁场探头校准测量要求。     

CFETR中心螺线管超导模型线圈预紧机构的优化设计及分析

介绍了中国聚变工程实验反应堆(CFETR)中心螺线管(CS)超导模型线圈,其主要包括Nb₃Sn线圈、NbTi线圈、预紧机构、缓冲区、接头、接头支撑、冷却氦管和氦管支撑等部件。CS模型线圈预紧机构由15个预紧梁、30根预紧杆和支撑板组成。在室温下对预紧机构施加75MN的预紧力,基于ANSYS的电磁分析及优化设计模块进行了预紧机构优化设计和力学分析。力学分析结果表明,预紧机构满足使用要求。     

异型碟形弹簧在武器工程支承结构设计中的应用

碟形弹簧具有轴向结构尺寸小、单位体积材料的变形能大及比较灵活的特陛曲线等特点，在工程上被广泛应用，但运用于武器工程支承结构设计还很鲜见。该碟簧在武器工程支承结构应用中主要起分担横向载荷的作用，与常规碟簧主要承担轴向载荷的特点是有很大差异的。加上其它综合因素的约束，设计面临很大困难。经过广泛技术调研，在理论分析基础上，提出异型碟簧支承形式。在该支承方式的力学计算涉及摩擦、滑动等非线性问题，计算难度较大情况下。通过试验方式对异型碟簧的力学f生能进行研究，得到相关试验数据。     

HL-2M 极向场线圈支撑结构分析评估

基于二维轴对称模型分析了极向场(TF)线圈在单零(SN)、双零(DN)、雪花(SF)和鼎位形下的电磁响 应,并评估了 4 种位形极限工况下支撑的力学性能。分析表明,PF6 线圈在放电初始时刻所受垂直电磁力最大, 可达到 1.9MN。在放电平顶结束时 PF5 线圈所受电磁力最大。在鼎位形下,PF5L 电磁力可达 2.6MN;雪花和双 零位形下,可达到 2.06MN。在这样极端的运行工况下,结构力学计算结果表明 PF 线圈支撑结构出现了局部塑性 变形。采用 ASMEVIII.2 作为评判准则,对局部高应力区进行评估,评估表明结构不存在塑性塌陷和局部失效。 而在上端主辐梁内侧支撑墩位置,螺栓所受轴力最大,需施加大于 50kN 的预紧力。     

一种实现冷原子束聚集的微磁透镜新方案

本文报道了对87Rb冷原子云聚焦的微磁透镜实验．磁透镜的核心部件是一个半径为2mm的微型线圈．当冷原子云沿线圈轴向运动到线圈附近时,线圈产生的非均匀磁场会对原子云实现纵向压缩．在线圈电流加载时间为10ms的情况下,原子云纵向尺寸随线圈电流增加先表现为会聚趋势;在某一电流值（0．9A）之后,表现为扩散趋势．与不加载线圈电流的情形相比较,电流为0．9A时的冷原子云纵向尺寸缩小了一个多量级,透镜焦距约为1．3mm．通过同时调节线圈电流的大小和作用时间,可实现对透镜焦距的调节．同时用数值模拟方法模拟了实验过程,模拟结果与实验结果基本符合．     

铁氧体加速腔螺线管线圈温度测量

利用测温光纤分层缠入到加速腔螺线管线圈中,将螺线管线圈密闭装入铁氧体加速腔,进行与实际的直线感应加速器整机调试一致的加载实验,得到铁氧体加速腔螺线管线圈在加载情况下的温度上升规律。模拟计算以及实验结果表明,在加载时,内层线圈的温升是最高的,从内向外,线圈的温升逐渐减小。为保护实验设备,需要将螺线管线圈的温度控制在60℃以下,模型给出恒流电源在输出80 A时加载时间间隔最小应该在17.5 min。     

强磁场下ITER垂直稳定性线圈的电磁性能研究

垂直稳定性线圈是ITER托卡马克装置中用以维持等离子体垂直稳定性的核心部件,然而该线圈处于强磁环境下,一旦线圈励磁运行以后,线圈电流与外部背景场交互作用激发的电磁载荷将会对线圈产生强烈的电磁冲击.为了分析稳态和瞬态电磁载荷对线圈结构的影响,首先采用电流丝等效模型并基于椭圆积分计算了背景场线圈和等离子体电流的磁场,以及极端运行状态下背景场所诱发的电磁力.在电磁计算的基础上,创建循环对称磁-结构耦合分析模型并采用间接耦合法,将电磁力密度以载荷边界条件插值到结构分析模型,计算评估线圈在稳态电磁载荷下的力学性能.此外,针对脉冲电流引起的电磁疲劳,采用ASME主应力方向恒定的疲劳设计规范,结合Goodman修正法并以无限次循环条件下材料应力强度为评定标准,对线圈各组件的应力进行了评定,结果表明线圈各组件均有足够的安全裕度.该分析方法可为托卡马克其它磁体线圈的电磁性能评估提供参考.     

L波段三维ESR成像系统的研制（Ⅱ）——L波段三维ESR成像系统

叙述了一个L波段（1.05 GHz）用于ESR和ESR成像的装置，用这套自制装置实现了3D ESR成像. 该装置由L波段ESR谱仪、三组梯度场线圈及控制单元和PC机数据采集系统组成. 样品腔是一个3-环2-缝再进入式谐振腔，可放入直径为20 mm、 长30 mm的H₂O样品，空谐振腔的频率是1.05 GHz. 微波振荡频率用自动频率控制（AFC）的方法自动锁在有载腔的频率上. 梯度场线圈沿X-，Y-和Z-轴产生线性梯度场，在中心40 mm球形范围内梯度场强度为2 mT/cm. 依照Lauterbur's方法进行3D ESR 图像重建. 用该系统检测了样品中TEMPO氮氧自由基的3D空间分布. 得到了TEMPO的2D、3D ESR图像、用像素灰度表示的自旋密度分布图及3D ESR-CT图像.     

浅谈非均匀磁场对平面载流线圈的作用

关于平面载流线圈在非均匀磁场中所受的力，通常教科书给出的公式为Ｆ＝Ｐｍ·■Ｂ，此公式显然只适用于小线圈．本文通过对一道习题的分析，总结了载流线圈在磁场中受力的规律，并用虚位移法推出了一个较为普遍的公式：Ｆ＝Ｉ■Φｍ，即处于非均匀磁场中的载流线圈所受合力 Ｆ的大小与线圈所载电流Ｉ成正比，与线圈磁通量的梯度■Φｍ成正比．     

超导离子源铌三锡六极线圈镜像磁场约束结构的优化设计

中国科学院近代物理研究所正在进行国际首台45 GHz全铌三锡超导离子源FECR(Fourth Electron Cyclotron Resonance)磁体的研制,该离子源磁体线圈由六个铌三锡超导六极线圈和四个铌三锡超导螺线管线圈组成。由于单根超导线绕制异形六极线圈(非标准鞍型)技术难度大,且铌三锡超导性能对应力敏感,为了测试单个铌三锡六极线圈性能能否达到设计指标,基于铝合金壳层结构和Bladder-Key精确预紧技术,设计了镜像磁场约束结构。本工作主要阐述了运用ANSYS参数化设计编程对镜像磁场结构进行优化设计的过程和优化后的镜像磁场结构,确定了室温预应力大小,并给出了线圈经过室温预紧、冷却降温和加电励磁后的最大等效应力。进一步结合实际六极线圈制作公差(±0.1 mm),分析和评估了公差对镜像磁场结构中六极线圈预应力施加的影响。     

ITER校正场底部线圈结构的有限元分析

采用有限元法(FEM)研究了ITER装置中超导校正场底部线圈 (BCC)结构的力学性能。针对BCC结构各组合部件三个方向尺寸的巨大差异,将BCC结构均匀化模型和局部细化模型分步组合,通过有限元分析获得了整体结构和薄弱部位各材料的位移场和应力场。针对BCC结构提出了支撑部位螺栓中预紧力的确定方法,用有限元法得出合理的螺栓预紧力,可用于指导BCC结构的安装。     

一种减小梯度线圈产生的涡流的方法

从原理上分析了减小梯度线圈的半径可以减小其在带抗涡流板磁体中引起的涡流.然后采用目标场方法设计了一组半径缩减的梯度线圈，并用Biot-Savart定理计算了这个梯度线圈的梯度线性区.最后通过磁共振成像实验证明了原理中分析得出的结论. 关键词： 梯度线圈 涡流 目标场 流函数     

40Cr钢表面激光熔覆层的磨损性能

 为研究模具钢熔覆层的磨损性能,采用铁基粉在40Cr钢表面进行激光熔覆,以激光熔覆层为上试样,GCr15钢珠为下试样,采用HT－500磨损试验机进行摩擦磨损试验,并与40Cr基体的磨损性能相对比。利用表面形貌仪测量磨痕深度和宽度。研究结果表明：载荷小于250 g时,相同载荷下基体的摩擦系数大。载荷小于300 g时,随磨损时间延长,熔覆层、基体的摩擦系数都随着载荷增加而减小。当载荷为300 g时,基体的摩擦系数在0.563～0.589之间变化,平均值为0.576,且随时间逐渐升高,耐磨性变差;熔覆层的磨擦系数在0.431～0.457之间变化,平均摩擦系数为0.444,磨痕深度和宽度分别是0.65 mm和1.096 μm,且随时间逐渐下降,表现了良好的耐磨性能。当载荷增加到500 g时,平均摩擦系数和磨痕深度比300 g时分别增加了75％和47倍,且摩擦系数逐渐升高,磨损性能下降。