时变电磁场引起高温超导体内的感应电流对超导体断裂行为影响研究

超导磁体科学是基于非理想Ⅱ类超导体形成的线材、带材、电缆和块材及薄膜，是研究强磁场的产生、能量转换和获得及应用的一门学科。由于超导材料的强电流特征，其在强磁场作用下的电磁力及其作用效果，即强度、弯曲、失稳、振动等基本力学特性的研究也随着超导材料进入实用阶段而日益受到重视。高温超导体的力学属性，如强度、断裂韧度、硬度、延展性，以及临界温度、临界电流密度、临界磁场等对其工业应用有很大的影响。因此，超导体的力学性质受到越来越多学者的关注。本课题拟对高温超导体在外加时变电磁场作用下超导体内部的感应电流对超导体断裂行为的影响展开研究，探讨高温超导体在随时间变化的磁场作用下超导体内的电流分布、电磁场的分布以及高温超导体的磁化；不同的本构关系对感应电流在超导体内分布的影响；进而对超导体断裂行为在考虑感应电流的情形下作出基本研究。

自高温超导体发现以来，超导材料就得到了广泛的应用。高温超导体的力学属性，如强度、断裂韧度、硬度、延展性等对其工业应用有很大的影响。本项目针对高温超导体的非线性电磁物理与多场耦合问题，开展电磁力作用下超导体材料的磁-力耦合下的电磁响应、断裂响应以及超导材料的非均匀性展开理论与数值建模、定量分析、基本实验测量研究，为高温超导材料工程应用中的力学设计提供基本的分析框架和方法。我们研究了高温超导体在电磁力作用下的断裂行为，将高温超导断裂问题的理论建模、定量分析和数值方法诸途径有机的结合在一起，建立超导块材在电磁力作用下的断裂行为基本分析模型和定量程序以及描述超导块材断裂问题的产生机制，分析了电磁力作用下的单裂纹、夹杂问题、平行裂纹以及共线裂纹等情形。此外，根据高温超导材料属性的非均匀性，建立能够有效分析非均匀高温超导体热-力耦合问题的模型，研究了揭皮应力对非均匀高温超导系统的破坏影响，进而对非均匀高温超导体损伤行为与安全运行做出解释。为了进一步研究超导体运行过程中的失超问题，我们初步研究了界面接触问题，用梯度有限元法研究了各种强弱间断界面问题，为以后的界面破坏问题做一些准备。.根据宏观超导物理Bean模型，对于零场冷的超导块材，在磁场下降的过程中，随着施加磁场的增加裂纹尖端的应力强度因子减小；随着共线裂纹之间的距离增加裂纹尖端的应力强度因子减小；较小的裂纹有更明显的屏蔽影响。裂纹尖端的应力强度因子减小随着平行裂纹之间的距离减小；也即平行裂纹越靠近，裂纹尖端的应力强度因子越小。对夹杂问题，数值结果显示弹性夹杂对应的裂纹尖端的应力强度因子总是比刚性夹杂对应的应力强度因子大；由于刚性夹杂的棚栏效应，当裂纹靠近刚性夹杂应力强度因子减小，因此，当裂纹靠近弹性夹杂的时候裂纹更容易传播，并且刚性夹杂可以起到止裂的作用。针对高温超导体的非均匀特性，对高温超导体的杨氏模量、热膨胀系数、热导率等一系列基本参数做了理论预测，建立了热-力耦合的非均匀高温超导材料的理论分析框架，数值计算了揭皮应力对非均匀高温超导系统的破坏影响。根据两种材料界面之间的接触属性，将其间断性划分为强间断界面、弱尖端界面、微尖端界面以及完全连续界面，数值结果表明，界面的尖端程度对温度和应力的分布有很大的影响，这个结果为进一步研究超导体与基体之间界面的破坏问题打下基础。