励磁速度对高温超导块材内部应力分布影响的研究

单畴高温超导块材具有高临界电流密度和强的捕获磁场能力，使得其在超导电工领域有广泛的应用前景。但是高温超导块材属于脆性的陶瓷材料，其机械性能较差。在低温（低于77K）下块材可以捕获10T以上的高磁场，这时受到的电磁应力足够大，能够导致块材破裂。本项目同时采用临界态模型和黏性磁通流动方程研究块材在充磁过程（包括脉冲充磁和场冷却充磁）中内部磁通的运动规律，由此得到的应力分布将与充磁速度相关，这是目前应用临界态模型的研究中无法得到的结果。通过实验研究，验证在典型的易于达到的温度（如：77K、4.2K等）点上应力或应变理论结果的正确性，并根据实验结果修正理论模型使之能够预测不同温度下块材内部的应力分布。本课题将为高温超导块材在低温和需要捕获高磁场的实际应用（如：超导永磁体）提供力学安全性方面的理论判据。

单畴大尺寸高温超导块材具有较高的临界电流密度，在低温下有较强的捕获磁通能力，这使得其在许多领域（如：飞轮储能、磁浮轴承、块材型磁分离设备等）具有广泛的应用前景。在块材充磁过程中，由于磁通钉扎而产生的应力可能导致块材破裂，使得超导电性局部或整体退化。目前，有关磁通钉扎所致磁弹性的理论研究中主要是采用临界态模型，然而临界态模型给出的是块材内部准静态磁通运动时的磁场分布，这些研究中都不包含外磁场的变化速度对应力的影响。本项目同时应用Bean临界态模型和黏性磁通流动方程求解块材在励磁过程中内部的磁场分布，对块材中由于磁通钉扎而产生的应力做了较为全面的研究，尤其是对黏性磁通流动速度（或外磁场变化速度）对应力的影响进行了分析，得到了一些有意义的结果。. 本课题分别对圆柱形和矩形高温超导块材在零场冷却和场冷却下励磁过程中的应力进行了研究。外磁场强度和磁通流动速度对块材内部应力分布的影响是显著的。随着磁通流动速度的增大，块材内部磁场变化的最前端位置点向超导体边缘移动。不同外磁场变化速度下的应力分布与不同磁通流动速度下的应力分布相类似。但是，对于同一条应力分布曲线，由于外磁场变化速度与磁通流动速度成二次函数关系，所以外磁场变化速度值远大于磁通流动速度值。. 此外，本课题还依据流体力学中守恒型积分形式的连续性方程，对圆柱形高温超导块材在磁场作用下所满足的连续性方程进行了修正，通过联立修正后的连续性方程和块材满足的磁场分布方程,分别推导得到外磁场增加和减小过程中圆柱形块材内部的磁场分布。由此进一步得到圆柱形块材在不同冷却条件和不同外磁场变化条件下的径向和环向应力的解析表达式。由于连续性方程的不同以及推导求解方法与之前的方法不同，所以得到的磁场分布解析表达式以及轴向和环向应力的解析表达式均与未修正情形下得到的结果不同。