Nb3Sn超導股線中芯絲斷裂行為的研究.pdf

1、3Nb Sn超導股線具有較高的臨界磁場和優(yōu)良的超導電性，在工程中得到了廣泛應用。國際熱核反應堆(ITER)項目的托卡馬克裝置內部的超導磁體中有較大電流來產(chǎn)生強磁場對等離子體進行磁約束。超導磁體在托卡馬克裝置中低溫、強磁場環(huán)境下運行時會承受周期性變化的電磁力和熱應力作用，因此超導磁體的基本特性、安全性、有效性等問題是整個核聚變裝置能否穩(wěn)定運行的關鍵。超導磁體中使用的管內超導電纜(CICC)是由數(shù)千根3Nb Sn和銅基復合而成的超導股線經(jīng)過

2、多級絞纜而成，應變、溫度、磁場等環(huán)境因素的變化會導致芯絲的斷裂和疲勞損傷。因此，深入研究超導股線的力學行為有利于超導磁體的結構優(yōu)化并提高其超導性能。
　　本文首先建立了3Nb Sn超導股線在二維平面上的無限大裂紋模型，考慮了中心裂紋橋接模型受軸向拉伸應力和剪切應力作用時的混合型裂紋問題。根據(jù)經(jīng)典的Westergaard應力函數(shù)方法推導出I型和II型裂紋問題中裂紋尖端應力強度因子和裂紋表面相對張開位移表達式。探討了裂紋擴展長度和施加

3、應力對應力強度因子的影響。同時對裂紋擴展過程中可能出現(xiàn)的兩種破壞方式進行了分析和對比。在此基礎上，針對三元組模型給出了股線螺距對能量釋放率和應力強度因子的影響。討論了股線螺距、臨界應變、纖維斷裂數(shù)目及股線中纖維和基底寬度等各參數(shù)之間的相互影響關系。另外分析了超導股線多級絞纜結構中能量釋放率的變化規(guī)律。
　　在3Nb Sn超導股線復合材料中，不同區(qū)域分布著許多微小裂紋或孔洞，當這些微小裂紋彼此相連后會導致更加復雜的斷裂力學行為。對此

4、本文考慮了雙共線裂紋模型進行了分析。展示了臨界應力強度因子和張開位移兩種情況中橋接裂紋數(shù)目和破壞應變之間的曲線圖，分別給出了不同纖維、銅絲寬度下微裂紋數(shù)對施加應變的影響，得到了與實驗數(shù)據(jù)比較吻合的結果。
　　實際應用中，超導電纜由數(shù)千跟超導股線多級絞纜而成。復雜的幾何結構導致對其力學行為的研究變得更加繁瑣。在強磁場環(huán)境中循環(huán)加載的電磁力和熱應力使股線內部的裂紋擴展受到更多參數(shù)的影響。本文根據(jù)彈性細桿基本理論推導了超導股線螺旋結構各