CORC电缆中高温超导带材的损伤行为研究

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由于具有极为优异的电磁特性,超导体被广泛地应用于医疗、能源、交通和国防等各个领域。由二代高温超导带材REBCO缠绕而成的CORC电缆(Conductor on Round Core)具有较高的载流能力以及突出的力学性能。在极端的服役环境中,REBCO带材受缠绕应力、热应力及电磁力等作用,其本身具有的层状复合结构导致其容易发生损伤乃至内部分离的现象,从而进一步影响到CORC电缆的临界电流,甚至引发失超。因此,超导电缆力学损伤行为的研究具有重要的工程应用价值,其能够指导超导电缆的设计并推动整个超导装置的优化。针对上述问题,本文初步模拟了外载作用下CORC电缆的力学响应,探讨了表面带材的局部损伤行为特征。主要的研究内容如下:首先,为了考虑带材制备与CORC电缆绕制过程积累的应力对带材损伤造成的影响,分别模拟了REBCO二代高温超导带材的降温、拉伸与螺旋缠绕的过程。然后,将降温时的残余应力应变分布、拉伸时的带材应力分布以及缠绕后的超导层应变分布等与现有文献的相关结果进行比对,从而初步验证了本文有限元模型的可靠性。另外,分析了参数的变化对于带材降温、拉伸与螺旋缠绕过程中的应力应变所产生的影响。发现当采用不锈钢基底时,带材在降温与缠绕后产生的超导层压缩应变较小,而在拉伸后产生的超导层拉伸应力较大。随后,本文介绍了表征带材损伤行为的内聚力模型(Cohesive Zone Model,CZM)及其本构关系牵引-分离律(Traction-Separation Law)。在此基础之上,建立了CORC电缆的简化模型,并将缠绕后的模拟结果作为初始条件导入到带材内部,模拟了CORC电缆受到外载而发生变形的过程。最后将不同的模拟结果进行比较,给出了不同的加载类型(CORC电缆拉伸与CORC电缆弯曲)与模型参数对带材损伤行为的影响。结果表明CORC电缆的弯曲变形比拉伸变形更易使带材内部产生损伤,且带材的损伤程度随着缠绕角度的增大而增大。
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