复合应力状态下YBCO超导带材脱层强度实验研究

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YBCO二代高温超导带材(简称:YBCO超导带)相比低温超导线具有更高的临界转变温度和不可逆磁场及高磁场下优异的载流能力,跟一代高温超导带(主要指Bi系超导材料)相比成本更低、使用温度范围更宽,在超导电缆、超导电机、特别是高场内插磁体等领域具有重要的应用前景,已成为未来超导材料应用的最主要形式。YBCO超导带是一个典型的层合材料,在运行过程中由于电磁力和热应力的作用会出现层间剥离(也称脱层)现象。现有的研究表明,脱层已成为YBCO超导带最主要破坏形式,一旦发生脱层,将引起超导材料临界电流的迅速降低,给超导装置运行带来安全隐患。已有的针对YBCO超导带材脱层强度的研究,不论是实验测量还是数值模拟,均仅考虑简单应力状态(主要是横向拉伸)下的脱层强度,而YBCO超导带在服役过程中,极低温、强电磁场及磁体支撑相互作用引起这一材料的构型发生改变,导致其真实的应力状态是同时承受拉伸和剪切应力的共同作用,增大了材料发生脱层的概率。本硕士学位论文以复合应力状态下的YBCO超导带材的脱层强度为研究对象,通过实验测试和数值模拟,给出了这种复合应力状态下该材料的脱层强度特征。同时,还考虑了剪切作用对YBCO超导带的临界电流退化的影响,主要成果有:首先,设计并研制了对YBCO超导带材进行复合应力状态(倾斜)条件下脱层强度测量的砧头以及相应的焊接固定夹具。以商业化的YBCO超导带为测试对象,开展了室温环境下YBCO超导带倾斜脱层强度的实验测量,实验过程中倾斜角度包括30度,37度,45度,60度四个角度,每组重复30次实验。采用三参数Weibull分布的数据处理方法对实验结果进行统计分析,得到了倾斜角度对YBCO超导带材脱层强度的影响规律。以99%可靠度为判据,给出了不同实验角度下该材料的许可应力。其次,设计了可对YBCO超导带材进行剪切加载的条形砧头和夹具,借此开展了YBCO超导带材在剪切应力作用下临界电流退化的规律研究,通过16组实验给出了剪切作用对该材料临界电流退化的影响特征,同时还用Weibull分布的方法统一表征了样品的剪切破坏强度,同样给出了该材料在99%可靠度下的许可剪应力。最后,基于Abaqus软件,建立了以上两类实验的数值模型,并开展了有限元分析。通过模型计算,给出了YBCO超导带材各层的应力分布特征,弄清了YBCO超导带材在倾斜脱层和剪切破坏过程中的应力演化及分布情况。
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