超导磁体多场耦合非线性力学行为与超导性能的相互作用研究

Studying on the multi-stage, multi-field coupling nonlinear mechanical behaviors and the coupling characterization between the superconducting properties and mechanical behaviors of superconducting magnet composite materials are not only the basis of the design and manufacture of superconducting magnet's system (Tokamak), but also the key factor of the superconducting property and the running safety. Moreover, the involved theoretical modeling and quantitative analysis on this kind of multi-scale interaction, multi-field coupling and multi-fold nonlinearity problem have become an important topic or hotspot in the present mechanics area. In this project, some studies will be conducted focused on CICC (the Cable-in-Conduit conductor), the basic structure of the international thermonuclear experimental reactor(ITER) magnets, which include: (1) the characterization of the effective properties of the superconductive magnet composites and the multi-stage solid modeling for CICC structure; (2) the interaction of the mechanical behaviors and the superconductive properties for CICC and its substructures; (3)the electric-magnetic-thermal-fluidic-mechanical coupling characteristics in the quench propagation process. Based on these studies, a multi-stage theoretical model on the characterization of effective properties of superconductive magnet composite materials will be proposed and some features , laws of the interaction of the mechanical behaviors and the superconductive properties of CICC will be revealed. A theoretical frame for solving the multi-field coupling nonlinear problems of superconducting magnet composite materials will be built and developed, which should provide a theoretical support for the design and operation of the large-scale superconductive magnets.

超导磁体复合结构多层级、多场耦合非线性力学行为以及与超导电性耦合特征的研究，不仅是超导磁体系统设计制造成型的基础，也是关乎其超导性能品质和运行安全的关键环节。所涉及的多尺度关联、多场耦合、多重非线性问题的理论建模和定量分析是目前力学学科的前沿课题。本项目将围绕超导电缆导体（CICC）这一构成国际热核聚变实验堆（ITER）磁体系统的基本结构展开如下研究：1) 超导磁体复合结构有效性能的理论预测和多层级力学仿真建模；2) 超导电缆导体及各级子缆结构超导性能与其力学行为的相互作用的研究；3）超导磁体交变损耗、失超传播过程的多层级、多场耦合特征的研究。通过这些研究建立表征超导磁体复合材料有效性能的多层级跨尺度理论模型，揭示超导磁体结构变形和超导性能相互作用的特征和规律，完善超导磁体复合材料和结构的多场耦合非线性力学理论框架与有效的定量分析方法。为大规模超导磁体的设计、制备和安全运营提供理论依据。

本项目紧密围绕超导磁体、电缆导体和超导股线的力电行为、输运性能和交流损耗特征展开相关研究。在超导股线的力学建模和性能表征方面：针对单根多丝绞扭复合股线，在考虑损伤演化和热残余应力等因素的基础上，建立了多丝绞扭股线的三维有限元模型，能够解释超导股线在循环加载和拉伸实验中的“滞回”特征、“平台”特征。在超导磁体力学与应变的相互作用的机制方面：课题组通过理论分析和数值仿真分别研究了多丝超导股线的电流输运性能和力学变形对其超导电性的影响。建立了超导股线稳、瞬态输运模型，预测了超导股线临界电流的退化情形，给出了超导股线内部的磁场分布和电流分布特征。在超导电缆电学特征表征方面：课题组基于Kirchhoff曲杆理论建立了超导股线的三维弹性力学模型（Spring model），研究了轴向热载荷、横向电磁载荷作用下超导股线内部的应变分布特征及其影响因素。给出了超导股线和超导电缆的电学特征、V-I特征曲线。在超导电缆多层级分析及建模方面：针对超导电缆及各级子缆的力学行为，基于ABAQUS软件平台发展了多层级力学模型和仿真程序，研究了超导电缆前三层级子缆结构在拉伸、弯曲、扭转及其组合变形下的应力分布特征及位移曲线；针对真实复杂的超导电缆导体的多层级的磁场分析；发展了快速、简便、层级递推的磁场计算新方法。此外，课题组还对磁体结构在失超过程中的力学变形、超导力磁耦合理论模型及微观机制等方面展开了一定的研究，并取得较好进展。.通过以上研究，课题组建立和完善了超导磁体复合材料和结构的多场耦合非线性力学理论框架，掌握了超导磁体多层级分析的有效的定量分析方法。揭示出了超导磁体结构变形和超导性能相互作用的特征和规律。可为大规模超导磁体的设计、制备和安全运营提供理论支撑的分析手段。在本项目支持下，课题组总计发表SCI论文20篇，培养从事超导力学研究的博士3名，培养毕业硕士2名；在读博士研究生5名，硕士研究生3名。完成了课题的各项研究内容和预设目标。