80T级脉冲磁体力学特性理论与实验研究

脉冲磁体从绕制到最终破坏失效，材料要承受缠绕引起的预应力、升/降温引起的热应力、塑性变形引起的残余应力以及电磁力作用。磁体所能产生的最高磁场、使用寿命等性能直接受上述因素影响。磁体的性能提高迫切需要对磁体内部力学特性进行深入研究。目前，国际上对脉冲磁体的力学分析均采用零初始状态的静力学分析方法，即只计算磁场峰值时刻的电磁力，完全忽略预应力、热应力、残余应力以及磁场动态过程的影响。因分析模型过于简化，部分材料性能参数不详，导致磁体的实际工作性能与设计预期相差很大。.本项目将研究预应力、热应力、残余应力以及电磁力动态过程分析模型，研究不同作用因素对磁体所能产生的最高磁场以及使用寿命等性能的影响，采用Bragg光栅测量材料在磁场、低温等真实工作环境中的力学性能和磁体应变，为理论分析提供参考依据，并对80T级超强脉冲磁体力学优化问题提出有针对性的解决办法，为更强的磁体研制积累经验。

本项目主要开展80T 级脉冲磁体的理论分析、材料力学特性测试以及磁体测试方面的研究，掌握典型磁体材料的力学特性, 揭示预应力、热应力等不同因素对磁体性能影响的作用机理，建立完善的力学特性分析模型，为80T 级超强脉冲磁体设计与运行提供指导。对于材料测试，本项目提出了背景场法和电磁涨环法，解决了强电磁干扰下传感器选择与植入以及光纤传感器量程有限的问题；对于理论分析，结合材料性能参数建立了适当的分析模型，并用实验验证理论模型的可靠性。取得的重要结果有：.(1)开展了不同填充系数Zylon复合材料静态力学性能测试。结果表明，预应力与降温过程作用时，Zylon复合材料强度取决于填充系数。预应力低（0.1GPa），Zylon体积比低，材料强度低（3.5GPa）；预应力高（0.65GPa），材料强度高（4.6-5GPa），但预应力太高（>1GPa），材料能承担外力的能力下降，强度反而下降（4GPa），降温释放预应力，提高强度。.(2)提出了电磁涨环法测试Zylon复合材料动态力学强度的新方法，完成了不同厚度下6061铝合金-Zylon纤维复合膨胀环的测试，得到临界磁场下Zylon纤维内部的应力峰值在为5.2GPa左右。.(3)开展了小型磁体破坏性测试实验，特别是Zylon复合材料的极限强度性能。通过实验结果和理论结果对比，推测Zylon纤维应力值达5.3 GPa，与电磁涨环法实验结果吻合。.(4)完成了不同温度下CuNb复合材料单向拉伸、三点弯曲、高低周疲劳等测试，结合材料微观结构学，解释了脉冲磁场作用过程中不同温度、加载速率、加载历史对材料强度、疲劳寿命、棘轮效应等方面的影响。.(5)开展了光纤光栅测量磁体应变的实验。实现了脉冲磁体从绕制、降温、加磁场再到升温等过程中的应变状态检测，证明3GPa弹性模量与实验结果吻合很好。.(6)研究了磁体的动态模型，结果表明，动态模型中Zylon上的最大应力增加，对于导体材料来讲，静态分析偏于安全，对于加固材料来讲，动态分析偏于安全。.(7)开展了循环加载塑性变形理论分析。结果表明，磁场增量越小，导体材料等效塑性应变积累越多；加固材料正交各项异性弹性材料，与加载历史无关。.(8)成功实现83T、86T和90T的磁场峰值，磁场强度仅低于美国和德国。.(9)已培养两名博士生；发表论文9篇，录用3篇，已被SCI收录8篇。