高温超导块材在电磁力作用下的断裂特性理论研究

论文摘要

高温超导体中的裂纹问题是超导体力学特性研究的一个重要方面。基于裂纹对超导体应用的限制,本博士论文研究了超导体受电磁力和温度变化引起的热应力对含有裂纹超导体的影响,对无限长超导体和有限长超导体在电磁力和热应力作用下的裂纹问题做了详细的研究。首先,研究了无限长超导体在电磁力作用下,超导体内包含Ⅰ型、Ⅱ型以及混合型裂纹的应力强度因子随磁场的变化关系。分别讨论了零场冷和场冷情形时这三种裂纹的断裂参数随磁场的变化关系,在磁场减小的过程中,超导体内部的裂纹在电磁力的作用下将会有开裂的趋势,开裂趋势反映在应力强度因子与J积分的变化过程中。其次,研究了有限长超导体在电磁力作用下的断裂行为。将无限长超导裂纹问题扩展到有限尺度的超导体上,在零场冷和场冷激励下,讨论了磁化系数和长径比对超导体断裂参数的影响。在磁化系数不变的情形下,超导体尺度越短,应力强度因子越大;磁化系数对较短超导体的应力强度因子有明显的影响,当超导体尺度较长时,磁化系数的影响很小。此外,Ⅰ型应力强度因子的数值大于Ⅱ型应力强度因子的值,这表示裂纹的开裂主要是基于拉伸的Ⅰ型开裂。最后,研究了脉冲场激励和热致对超导体断裂参数的影响。考虑了脉冲场激励下三种类型裂纹在磁化过程中的断裂趋势,随着磁场的减小,应力强度因子增大;由于在脉冲磁场的最大点处超导体整体受最大压力,所以在这一时刻应力强度因子最小且为负值,由这一时刻开始,应力强度因子逐渐增大;最大磁场较大的脉冲场,所对应的应力强度因子变化越快。继而讨论了热致因素对超导断裂问题的影响。从超导态到正常态转变过程中,巨大的温差所引起的热应力对热应力强度因子影响较为明显。随着温度的上升,热应力强度因子增大,这表示在超导体由临界温度向室温的变化过程中,裂纹变得容易开裂。此外,不同的裂纹长度对热应力强度因子也有较大的影响,裂纹长度越长,热应力强度因子越大。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 高温超导简介
• 1.2 超导体力学属性研究现状
• 1.3 超导体断裂问题研究现状
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 断裂力学基本理论和超导理论简述
• 2.1 断裂力学基本概念
• 2.2 裂纹尖端场简介
• 2.3 有限元求解应力强度因子
• 2.4 超导体中磁通钉扎引起的电磁力
• 2.5 有限元模型的验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 超导体在电磁力作用下断裂参数研究
• 3.1 超导体断裂问题研究
• 3.2 模型和基本方程
• 3.3 J积分计算应力强度因子
• 3.4 无限单元基本理论
• 3.5 两种激励下断裂参数研究
• 3.6 电磁力作用下椭圆裂纹扩展研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 有限长超导体在电磁力作用下的裂纹研究
• 4.1 有限长超导体退磁问题概述
• 4.2 有限长超导断裂问题模型和计算方法
• 4.3 两种激励下有限长超导体断裂参数研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 脉冲场激励及热致对超导体断裂参数的影响
• 5.1 脉冲场磁化简介
• 5.2 脉冲场激励下超导体裂纹问题研究
• 5.3 热致超导体裂纹研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文