超导导体的失超行为及力学特性研究

Due to the excellent properties which are irreplaceable by the conventional conductors, the superconductors have great application potential in the nuclear fusion experimental device and medical engineering etc. The superconducting conductor composed of many stacked high temperature superconducting tapes has high current carrying capability, while the quench induced by the local heat disturbance can degrade the electrical and mechanical performances in the tape or even lead to the failure of conductor. It is difficult to detect the quench timely for the reason that the tape has slower quench propagation velocity. Thus, the quench is the key factor which affects the safe operation of the conductor, and improving the thermal stability and achieving the timely quench detection are the main issues in engineering applications. This project aims to carry out theoretical and experimental researches on the quench characteristics and mechanical response in the superconducting conductor: (1) We will establish the multi-field coupling model and propose multiscale computation method with high accuracy; (2) The quench propagation law will be investigated for complicated conditions and different conductors, and the main parameters affecting the thermal stability of conductor will be discussed; (3) By combing the thermal-mechanical coupling, the mechanical response during the quench will be quantitatively characterized. We will analyze the crack growth in the conductor and the effect of crack on the quench behavior; (4) After achieving the accurate and real-time measurements, the approach to quench detection will be improved and the conductor structure will be optimized based on the theoretical and experimental results.

由于具有常规导体无法取代的优异性能，超导体在核聚变实验装置及医疗工程等领域拥有极大的应用潜力。由多根高温超导带材堆叠而成的超导导体具有高的载流能力，但局部热扰动诱发的失超会降低带材的电学及力学性能甚至导体失效。带材较小的失超传播速度使得及时的失超检测较为困难，因此超导导体中的失超是影响其安全运行的关键因素，而提升导体热稳定性并实现及时的失超检测是工程应用中的核心问题。本项目拟针对超导导体中的失超特性及其力学响应展开理论与实验研究：(1)建立多场耦合的理论模型，提出具有高精度的多尺度计算方法;(2)研究复杂条件下不同导体结构中的失超传播规律，探讨影响超导导体热稳定性的主要参数;(3)结合力-热耦合特性定量表征失超过程中的力学响应，分析导体内部裂纹的扩展及裂纹对失超行为的影响;(4)实现极端条件下失超过程的准确及实时测量，结合理论与实验结果改进失超检测方法并优化超导导体结构。

高温超导体在强磁场环境下仍然具有优异的载流能力，由其绕制而成的超导磁体具有体积小、重量轻以及能耗低等突出的优势。目前高温超导体已得到了学术界及工业界的高度关注，其在电力传输、超导电机、超导限流器等领域具有十分广泛的应用前景。本项目针对超导结构中的失超及力学行为，主要开展了超导电磁场的数值模拟、超导结构的失超传播规律以及超导结构损伤破坏的研究。(1) 首先，研究了超导体的电磁场计算及多尺度表征。利用矢量场的分解方法解决了快速傅里叶变换无法处理含传输电流情形的难题，通过引入虚拟带材实现了超导电机定子结构中感应电流的定量表征。结合波印亭定理及纽曼边界条件，解决了T-A法无法处理超导导体中传输电流自由分配的难题，从而对T-A法的应用范围进行了有效的拓展。随后，借助自洽聚类分析法建立了复合材料的多尺度力学模型，定量给出了Roebel导体的等效热导率。(2) 其次，研究了不同超导结构的失超及力学响应。给出了超导绝缘线圈中的失超传播速度和最小失超能，揭示了背景场对失超传播规律的影响。借助电路模型建立了无绝缘线圈的电-磁-热多场耦合模型，定量表征了失超及恢复过程中无绝缘线圈中的温度、电流及应力的分布规律。进一步建立了超导线圈的力-电耦合模型，评估了双向耦合条件下超导线圈中临界电流，解释了高场下无绝缘线圈接触电阻增大的原因。(3) 最后，研究了超导结构中的断裂破坏行为。结合内聚力单元探讨了拉伸及弯曲载荷作用下超导接头结构的力学行为，给出了超导接头端部的应力集中现象并与实验结果吻合良好。利用热-力耦合的内聚力单元，揭示了超导线圈中局部的脱粘损伤行为，定量给出了损伤区域的热传导特性并对线圈结构进行了优化。利用扩展有限元法研究了磁化过程中超导体裂纹的扩展过程，对比了不同超导结构中裂纹扩展路径的差异。基于超导体磁场及位移分布实现了其内部裂纹的探测，对比了两种探测方法识别不同裂纹的有效性。