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脉冲磁体中Zylon纤维复合材料力学性能和磁体力学行为研究

蒋帆  
【摘要】:随着脉冲强磁场下科学研究的飞速发展,一些重要的科学实验对脉冲磁场强度提出更高的要求。目前脉冲磁场的最高强度已突破100 T,然而由于磁体寿命与力学稳定性的问题,实际科学实验研究中使用的脉冲磁体运行的最高磁场水平通常仅为70~80T,更高磁场强度的脉冲磁体并未在科学实验中得到广泛的使用。限制脉冲磁场强度进一步提高和影响高磁场脉冲磁体安全稳定运行的主要原因是磁体内部巨大的电磁应力,脉冲磁体的结构应力分析已成为是高场脉冲磁体设计中最为重要的内容。脉冲磁体经过复杂的加工工艺,工作于高应力、高电压、大电流、极低温等极端条件下,承受电、磁、热、力多因素的循环作用,是一个多物理场耦合的复杂强电磁系统,影响其力学性能及疲劳寿命的因素众多,力学行为及疲劳失效机制异常复杂。追求更高磁场强度、设计更高疲劳寿命和更高可靠性的脉冲磁体,必须对磁体材料的力学性能进行广泛测试,深入分析脉冲磁体复杂的力学行为,了解磁体材料应力应变的分布及演化规律,研究如何减小磁体的变形。因此,本文以用于脉冲磁体结构加固的Zylon纤维复合材料为主要研究对象,对其力学性能及脉冲磁体的力学行为开展仿真分析研究与实验测试工作,主要研究内容和成果概述如下:在Zylon纤维复合材料的力学性能研究方面,提出了采用电磁膨胀环加载对Zylon纤维材料的强度性能进行测试的新方法,该方法真实反映了脉冲磁体中纤维材料的受力状态;建立了电磁膨胀环的多物理场耦合有限元模型,分析了复合膨胀环在电磁加载下的膨胀运动和破坏失效过程,对Zylon纤维复合材料的强度进行了测试分析;基于小型脉冲磁体的破坏性实验,对Zylon纤维复合材料的强度性能进行了进一步的实验验证;开展了单向板Zylon纤维复合材料试件的疲劳测试,对其极限拉伸强度和不同应力水平下的疲劳寿命进行了试验研究;对疲劳载荷作用下,Zylon纤维复合材料刚度性能的衰减退化和损伤演化规律进行了分析。为更好的反映脉冲磁体单元的力学特性,对导体材料建立了循环塑性本构模型,对电磁力载荷反复加载条件下,导体材料表现的循环变形行为进行了模拟。对纤维复合材料,给出了复合材料层合结构的偏轴刚度在有限元分析中的计算和建模方法;采用蔡-吴(Tasi-Wu)张量准则作为强度准则,通过定义应力变量分离复合材料单元的失效模式,对失效材料的刚度参数进行折减,建立了磁体单元的渐进失效分析模型。脉冲磁体结构分析计算的准确性直接取决于电路-磁场-传热等多物理场耦合计算的结果,对此,首先建立了单级脉冲磁体的多物理场耦合分析有限元模型,对脉冲磁体的多物理场耦合特性进行了模拟计算,获得了电流、磁场波形和电流密度、温度分布;以此为基础,将多物理场耦合建模方法拓展到100 T三线圈磁体系统的仿真分析中。在磁体力学行为分析方面,基于耦合拉伸损伤的循环塑性本构模型,分析了导体材料的弯曲预应变而产生的材料损伤对磁体中应力分布的影响。以100 T三线圈磁体系统为例,以各线圈应力均衡的优化控制为目标,研究了各级线圈磁场的最佳分配比例。基于复合材料的渐进失效模型,对磁体单元中纤维复合材料失效过程及失效强度的进行了仿真预测;建立了柱坐标系下层合结构复合材料的应力分析模型,研究了螺旋缠绕层合结构用于磁体绕组加固时的性能。通过磁体单元的循环变形的仿真,分析了循环电磁力加载条件下,导体循环塑性行为对电磁力载荷分配作用机制的影响和磁体材料应力应变的演化规律,指出提高磁体的轴向加固性能是后期磁体设计需要充分关注的内容。


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