CICC导体力学性能数值模拟及实验研究

Besides the temperature and magnetic field, the strain and stress state of the superconducting Nb3Sn wires in multi-stage twisted cable-in-conduit conductors (CICCs), as applied in ITER or high field magnets, strongly influence their transport properties. For an accurate quantitative prediction of the performance and a proper understanding of the underlying phenomena, a detailed analysis of the strain distribution along all individual wires is required. For this, the thermal contraction of the different components and the huge electromagnetic forces imposing bending and contact deformation must be taken into account, following the complex strand pattern and mutual interaction by contacts from surrounding strands. We want to propose one numerical model for CICC, which can simulate the strain and stress states of all single wires including interstrand contact force and associated deformation. The simulation results are essential for the analysis and conductor design optimization from cabling to final magnet operation conditions. Recommendations are given for conductor design improvements.

管内电缆导体（CICC）是大型超导磁体的首选导体，如ITER及强磁场装置等。CICC导体由多级扭绞的电缆和不锈钢铠甲组成。导体制造及低温运行过程中，Nb3Sn超导线的应力应变状态影响着导体的性能。超导线的应力应变主要由绞缆，导体热应变，Lorentz力引起。超导电缆结构复杂，线与线之间存在多级扭绞及接触，接触力及接触变形也影响着单线应力应变的变化。本课题将对CICC导体进行力学模型分析，模拟各种状态下电缆及单线的应力应变,同时开展电缆力学性能实验。对CICC导体进行力学性能研究，有利于导体性能分析及设计，优化电缆结构及绞制技术，为CICC导体设计及制造提供理论基础。

管内电缆导体（CICC）是大型超导磁体的首选导体，如ITER及强磁场装置等。CICC导体由多级扭绞的电缆和不锈钢铠甲组成。导体制造及低温运行过程中，Nb3Sn超导线的应力应变状态影响着导体的性能。超导线的应力应变主要由绞缆，导体热应变，Lorentz力引起。超导电缆结构复杂，线与线之间存在多级扭绞及接触，接触力及接触变形也影响着单线应力应变的变化。超导电缆的力学分析对超导电缆的绞制、电缆结构分析及设计具有很大的指导作用。在本课题的支持下，我们首先以微分几何知识建立了超导电缆空间结构模型，并利用空间结构模型对ITER超导电缆进行了空间结构模拟；其次，以空间结构模型和细长杆理论为基础建立了电缆力学轴向拉伸模型，并利用模型开展了ITER CC电缆的应力应变分析，优化了电缆绞制工艺，同时开展了不同节距的Bi2212超导电缆的力学分析，进行了Bi2212超导电缆的结构设计。最后，我们还开展了有限元弹塑性模型，分析了超导材料在压缩过程中的内部应力分布，同时，进行了小节距超导电缆过程中的超导线损伤分析，从理论上给出了小节距超导电缆的绞制工艺的优化办法。2013.10月，在ITER导体会议上，超导电缆的扭转引起了国际超导专家的关注，尤其对ITER电缆来讲，电缆的退扭会引起导体性能的退化。本课题在执行过程中，希望能建立电缆的退扭模型，但是电缆的结构复杂，细长杆理论建立的力学模型不能准确地分析电缆的扭转机理，需要寻求新的方法。但是，在课题的执行过程中，我们建立了大长度电缆的扭转测试装置，能够进行超导电缆在拉力下的扭转圈数的测量。测量数据对超导电缆的扭转分析具有一定的帮助，但对电缆内部的扭转过程不甚明了，需要进一步开展扭转装置的设计工作。. 本课题的执行完成了预定目标，并开展了一部分预定目标中未包含的研究。课题执行过程中，共发表7篇论文，其中6篇SCI，1篇文章发表在Superconductor Science and Technology上。