Nb3Sn超導(dǎo)股線中芯絲斷裂行為的研究.pdf

1、3Nb Sn超導(dǎo)股線具有較高的臨界磁場(chǎng)和優(yōu)良的超導(dǎo)電性，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)際熱核反應(yīng)堆(ITER)項(xiàng)目的托卡馬克裝置內(nèi)部的超導(dǎo)磁體中有較大電流來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行磁約束。超導(dǎo)磁體在托卡馬克裝置中低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)會(huì)承受周期性變化的電磁力和熱應(yīng)力作用，因此超導(dǎo)磁體的基本特性、安全性、有效性等問(wèn)題是整個(gè)核聚變裝置能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。超導(dǎo)磁體中使用的管內(nèi)超導(dǎo)電纜(CICC)是由數(shù)千根3Nb Sn和銅基復(fù)合而成的超導(dǎo)股線經(jīng)過(guò)

2、多級(jí)絞纜而成，應(yīng)變、溫度、磁場(chǎng)等環(huán)境因素的變化會(huì)導(dǎo)致芯絲的斷裂和疲勞損傷。因此，深入研究超導(dǎo)股線的力學(xué)行為有利于超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化并提高其超導(dǎo)性能。
　　本文首先建立了3Nb Sn超導(dǎo)股線在二維平面上的無(wú)限大裂紋模型，考慮了中心裂紋橋接模型受軸向拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用時(shí)的混合型裂紋問(wèn)題。根據(jù)經(jīng)典的Westergaard應(yīng)力函數(shù)方法推導(dǎo)出I型和II型裂紋問(wèn)題中裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋表面相對(duì)張開位移表達(dá)式。探討了裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和施加

3、應(yīng)力對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。同時(shí)對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中可能出現(xiàn)的兩種破壞方式進(jìn)行了分析和對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)三元組模型給出了股線螺距對(duì)能量釋放率和應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。討論了股線螺距、臨界應(yīng)變、纖維斷裂數(shù)目及股線中纖維和基底寬度等各參數(shù)之間的相互影響關(guān)系。另外分析了超導(dǎo)股線多級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)中能量釋放率的變化規(guī)律。
　　在3Nb Sn超導(dǎo)股線復(fù)合材料中，不同區(qū)域分布著許多微小裂紋或孔洞，當(dāng)這些微小裂紋彼此相連后會(huì)導(dǎo)致更加復(fù)雜的斷裂力學(xué)行為。對(duì)此

4、本文考慮了雙共線裂紋模型進(jìn)行了分析。展示了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子和張開位移兩種情況中橋接裂紋數(shù)目和破壞應(yīng)變之間的曲線圖，分別給出了不同纖維、銅絲寬度下微裂紋數(shù)對(duì)施加應(yīng)變的影響，得到了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合的結(jié)果。
　　實(shí)際應(yīng)用中，超導(dǎo)電纜由數(shù)千跟超導(dǎo)股線多級(jí)絞纜而成。復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致對(duì)其力學(xué)行為的研究變得更加繁瑣。在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中循環(huán)加載的電磁力和熱應(yīng)力使股線內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展受到更多參數(shù)的影響。本文根據(jù)彈性細(xì)桿基本理論推導(dǎo)了超導(dǎo)股線螺旋結(jié)構(gòu)各