基于三维电磁-热-力多物理场强耦合模型的超导磁悬浮振动特性研究

Being passive stability, energy-saved and environment-friendly, high-temperature superconducting (HTS) MagLev vehicle is regarded as a promising candidate for the future transit. On the basis of a number of theoretical and experimental achievements at hand, this proposal is aimed to advance the understanding of the dynamic characteristics of the HTS MagLev vehicle. The first step of this proposal is to establish a three-dimensional strongly coupled electromagnetic-thermo-mechanical model for simulating the dynamic characteristics of the HTS MagLev system, by which the dynamic behaviours of a freely levitated HTS body will be carefully examined. With these foundations, on the purpose of providing scientific criterions upon the high-speed application of the HTS MagLev technology, the dynamic behaviours of the HTS body levitated over a permanent magnet guideway (PMG) in high-speed operations, induced by the inherent nonuniformity of the magnetic field of the PMG, will be particularly explored to reveal (i) the critical conditions that trigger the dynamic instability and (ii) the dependence of the dynamic behaviours on the material properties of HTS, and to suggest the viable measures for improving the stability of the HTS MagLev system after a systematic analysis of the obtained results. This is an interdisciplinary study that contains the subject of the electromagnetism of HTS, heat transfer and mechanical dynamics, and the results achieved by this effort will also be helpful for the dynamic design of the HTS MagLev launch system.

高温超导磁悬浮车具有被动自稳定、节能、环保等优点，有望成为未来轨道交通的重要形式之一。在多年理论和实验研究的基础上，针对目前关于高温超导磁悬浮车振动特性研究的不足，本课题将建立基于三维电磁-热-力多物理场强耦合的高温超导磁悬浮振动计算模型，在对自由悬浮状态下超导悬浮体的振动特性进行充分研究的基础上，重点探索高速运动下永磁轨道磁场不均匀诱发的超导悬浮体振动行为特征及失稳发生的临界条件，阐明振动特性与超导材料性能之间的关系，综合分析高速运动下高温超导磁悬浮的振动稳定性，提出改善高温超导磁悬浮振动稳定性的方法，为高温超导磁悬浮技术高速运行的可行性提供科学判据。这是一项集超导电磁学、传热学和机械动力学为一体的多学科交叉的研究课题，相关成果对高温超导磁悬浮发射系统的动力学特性研究也具有重要的参考价值。

高温超导磁悬浮具有被动自稳定、节能、环保等优点，有望成为未来轨道交通的重要形式 之一。振动特性的研究是高温超导磁悬浮技术工程应用的重要基础，现有的对磁悬浮技术的振动特性研究主要集中于实验测试和基于解析计算的仿真分析。实验测试受实验条件和技术手段限制，很难对复杂的物理现象和多物理场参数关系进行分析；而已有的超导磁悬浮振动解析仿真一般都采用近似单自由度力与位移关系，并且忽略了振动非线性高阶分量，因此只能对振动特性定性分析，对实际应用设计指导价值有限。.针对目前超导磁悬浮技术振动特性研究的不 足，本项目采用了可以克服实验测试与解析仿真局限性的数值仿真方法，建立了考虑高温超导体非线性电磁特性、温度效应的三维电磁—热—力多物理场强耦合高温超导磁浮振动计算模型，实现了电磁场-温度场-运动场内多参数之间的强耦合模拟，以此为基础创建了高温超导磁悬浮振动特性的快速计算模型、以及针对任意形式的高温超导磁悬浮振动特性的三维精确计算模型,较为系统地研究了超导悬浮体在自由悬浮状态、简化激励（如脉冲、简谐激励）作用下以及实际运行典型激励（如横风、地震、轨道不平顺）作用下的振动行为特征、失稳发生的临界条件及其对系统悬浮稳定性的影响规律，并在此基础上探索了提高高温超导磁悬浮振动稳定性的方法，为超导磁悬浮技术可行性及安全性提供一定的科学判据，从而为超导磁悬浮技术在轨道交通、电磁发射等领域应用设计提供重要参考。.在本项目的资助下，课题组发表SCI论文22篇，获授权发明专利3件，负责人入选2017年度优秀青年科学基金资助，培养博士后1名、博士生1名、硕士生7名。1名博士生获IEEE超导委员会暨2018年度应用超导国际会议最佳学生论文奖（中国唯一）。项目组成员18人次出境参加国际学术会议，15人次参加国内学术会议，邀请20余人次国内外专家来依托单位开展学术交流和科研合作。