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1、分類號：O34密級：公開研究生學位論文論文題目（中文）超導電機復合材料的電磁力學行為研究Investigationofelectromagneticand論文題目（外文）mechanicalbehaviorinsuperconductingrotatingmachineandcompositematerials研究生姓名楊俁學科、專業(yè)力學·固體力學研究方向電磁固體力學與智能結(jié)構(gòu)學位級別博士導師姓名、職稱周又和教授，雍華東教授論文工作起止年月2015年9月至2018年12月論文提交日期2018年10月論
2、文答辯日期2018年12月學位授予日期校址：甘肅省蘭州市原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本人所呈交的學位論文，是在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果。學位論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究成果做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責任由本人承擔。論文作者簽名：日期：關(guān)于學位論文使用授權(quán)的聲明本人在導師指導下所完成的論文及相關(guān)的職務作品，知識產(chǎn)權(quán)歸屬蘭州大
3、學。本人完全了解蘭州大學有關(guān)保存、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保存或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)蘭州大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用任何復制手段保存和匯編本學位論文。本人離校后發(fā)表、使用學位論文或與該論文直接相關(guān)的學術(shù)論文或成果時，第一署名單位仍然為蘭州大學。本學位論文研究內(nèi)容：□可以公開□不宜公開，已在學位辦公室辦理保密申請，解密后適用本授權(quán)書。（請在以上選項內(nèi)選擇其中一項打“√”）論文作者簽名：導師簽名：日期：日期
4、：超導電機復合材料的電磁力學行為研究摘要超導電機是使用超導線材或帶材取代傳統(tǒng)導體而制造的電機，相比于傳統(tǒng)電機具有高效率、低重量、低體積的優(yōu)勢。高溫超導材料具有零電阻等優(yōu)異的電磁性能，在電力傳輸、熱核聚變反應堆、超導電機、超導磁體、超導儲能設(shè)備等領(lǐng)域都有十分廣闊的應用前景。超導電機中超導材料的非線性電磁特性使得數(shù)值模擬變得更加復雜和困難。超導材料通常運行在高磁場下并傳輸較大電流，其產(chǎn)生的交流損耗會增加冷卻系統(tǒng)的工作負荷；在電磁體力和外加機械載荷的作用下超導材料可能發(fā)生變形甚至破壞，因此交流損耗和力學響應
5、是制約超導應用的兩個重要因素，需要建立更加有效的數(shù)值模型來對其交流損耗及力學響應進行研究。本文針對超導電機復合材料在工程應用中的關(guān)鍵問題，研究了高溫超導復合帶材、線材以及電纜在外加磁場/傳輸電流情形下的臨界電流、交流損耗及應力應變；建立了一種新的全超導旋轉(zhuǎn)電機數(shù)值模型，計算分析了超導旋轉(zhuǎn)電機運行中產(chǎn)生的交流損耗以及應力分布。首先，針對Bi2223復合帶材在外加機械載荷下?lián)p耗的變化規(guī)律進行了研究。建立了彎曲應變下帶材發(fā)生破壞的理論模型,考慮了Bi2223復合超導帶材的熱殘余應變。使用有限元方法計算了帶材
6、在不同外加磁場及傳輸電流下的電磁場分布和損耗，探究了外加彎曲應變對于損耗的影響。同時還分析了不同磁場和電流條件下，Bi2223帶材芯絲幾何結(jié)構(gòu)對于損耗的影響。其次，研究了Bi2223復合帶材芯絲組分比對于其電磁和力學行為的影響?；谂R界態(tài)模型和自場效應，使用迭代方法計算了帶有不同芯絲組分比的Bi2223復合帶材自場下的臨界電流，并利用變分不等式得到了電流及磁場的分布。通過二尺度展開法計算了不同芯絲組分比下的復合帶材的均勻化等效彈性模量。結(jié)合有限元方法計算出帶材在磁場下產(chǎn)生的磁致伸縮和應力-應變分布，并
7、討論了帶材中容易發(fā)生破壞的區(qū)域。再次，針對高溫超導結(jié)構(gòu)中的電磁及力學行為進行了研究。在超導電機中通常將線材或帶材繞制成電纜或線圈結(jié)構(gòu)，因此復雜的幾何結(jié)構(gòu)給計算增加了難度。分別研究了幾種復雜結(jié)構(gòu)如多芯結(jié)構(gòu)的Bi2212超導圓線、電纜以及陣列結(jié)構(gòu)的REBCO超導帶材的電磁/力學行為。使用了基于臨界態(tài)模型的最小磁能方法計算了這幾種結(jié)構(gòu)在不同外磁場/傳輸電流條件下的電流和磁場分布。給出了電I磁體力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)的應力-應變分布，探討了不同磁場/電流條件下結(jié)構(gòu)中應力變化規(guī)律和峰值位置。分析了幾何結(jié)構(gòu)對于超導體電磁
8、/力學行為的影響。最后，建立了一種新的全超導旋轉(zhuǎn)電機數(shù)值模型并對旋轉(zhuǎn)電機中的電磁和力學行為進行了分析。由于單一的數(shù)值計算方法較難研究帶有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的超導電機，本文基于T-Aformulation和移動網(wǎng)格方法建立了一種新的數(shù)值模型。模型采用各向異性臨界電流密度和冪次律E-J模型，引入了虛擬帶材以計算超導線圈在磁場下的感應電流。將模型與現(xiàn)有的數(shù)值模型進行對比以驗證其有效性，結(jié)果吻合得較好。結(jié)合有限元方法，以電磁體力作為載荷計算出超導線圈的應力分布。針對全超導
