銅鈮納米復(fù)合導(dǎo)線力學(xué)特性與脈沖磁體疲勞失效的關(guān)系研究.pdf

1、脈沖強(qiáng)磁場是現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要工具。作為產(chǎn)生強(qiáng)磁場的核心裝置，脈沖磁體在放電過程中需要反復(fù)承受很強(qiáng)的電磁力與熱沖擊，從而給磁體長期可靠地運(yùn)行帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，高場脈沖磁體的使用壽命仍然是一個(gè)突出問題，各國在該類脈沖磁體的使用上都非常謹(jǐn)慎，導(dǎo)致磁體使用效率的降低。造成以上問題的原因主要有兩個(gè)：一是理論設(shè)計(jì)時(shí)，僅僅關(guān)注磁體單次加載時(shí)的力學(xué)行為，而對其多次加載下的疲勞機(jī)制缺乏深入考量；二是磁體運(yùn)行時(shí)，未對其內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，給及時(shí)、正

2、確地評估其可靠性帶來了很大的困難。解決上述問題需要從設(shè)計(jì)理論和監(jiān)測技術(shù)兩方面入手，深入了解脈沖磁體的疲勞失效機(jī)制，為提高高場脈沖磁體的運(yùn)行可靠性和使用效率提供理論和技術(shù)支持。
　　銅鈮納米復(fù)合導(dǎo)線是高場脈沖磁體的常用導(dǎo)體材料，其力學(xué)性能直接決定脈沖磁體的服役壽命。但目前對該材料性能的研究更多地是停留在微觀層面，缺少對其宏觀力學(xué)特性的系統(tǒng)性考察，使得相關(guān)研究成果無法直接用于磁體結(jié)構(gòu)的疲勞分析。
　　本文以銅鈮納米復(fù)合導(dǎo)線為對象

3、，研究其宏觀力學(xué)特性與脈沖磁體疲勞失效的關(guān)系。主要內(nèi)容有：1)對銅鈮導(dǎo)線的單向拉伸特性、循環(huán)硬化/軟化特性、棘輪效應(yīng)以及疲勞特性進(jìn)行測試，并對不同的工程疲勞模型進(jìn)行討論；2)基于小變形唯象本構(gòu)理論，研究銅鈮導(dǎo)線的本構(gòu)模型及其數(shù)值算法，并利用ANSYS有限元軟件檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇裕?)根據(jù)脈沖磁體的一般性結(jié)構(gòu)特征和彈性力學(xué)理論，分析磁體內(nèi)部對徑向電磁應(yīng)力的分配方式，并研究其在反復(fù)放電過程中的變化規(guī)律；4)以現(xiàn)實(shí)中一個(gè)已發(fā)生疲勞破壞的磁體為實(shí)

4、例，采用 ANSYS軟件進(jìn)行多物理場耦合分析，討論軸向壓力、導(dǎo)線的彎曲預(yù)應(yīng)變、溫度和放電電壓水平對該磁體失效形式的影響，并根據(jù)其真實(shí)的放電歷史預(yù)測其疲勞壽命。
　　通過上述研究工作，本文主要獲得了如下結(jié)果：
　　1)歸納出銅鈮導(dǎo)線疲勞失效的兩種主要形式以及與之相關(guān)的宏觀力學(xué)變量；改進(jìn)了傳統(tǒng)的工程疲勞模型，并給出了獲取模型參數(shù)的方法，使其能夠?qū)Σ煌问降你~鈮導(dǎo)線的疲勞壽命進(jìn)行合理預(yù)測。
　　2)建立了導(dǎo)線的唯象本構(gòu)模

5、型，改進(jìn)了其在率無關(guān)條件下的數(shù)值積分算法，提出了決定導(dǎo)線疲勞失效的一組判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了模型在ANSYS軟件中的嵌入。彷真所得導(dǎo)線的力學(xué)特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了該模型的合理性，可用于磁體失效的分析。
　　3)根據(jù)磁體徑向電磁應(yīng)力的分配方式，總結(jié)出脈沖磁體疲勞失效的三種基本形式；采用本構(gòu)模型和失效判據(jù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了對實(shí)例磁體疲勞壽命的合理預(yù)測，表明該方法具有一定可行性。
　　基于以上結(jié)果，本文從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)層面闡明了由導(dǎo)