圆柱型高温超导体内热应力对裂纹扩展影响的研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:simon_sx
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高温超导体因其巨大的实用价值而受到广泛的关注和研究,为了高温超导体在实际中能够得到更好的应用,除了其各种基本特性以外,高温超导体本身还有很多值得研究的重要力学性质。由于高温超导体运行过程中必经的冷却过程,基于弹性力学中热应力问题的研究方法,本文研究了圆柱型高温超导体在冷却过程中的热应力应变的分布,同时由于裂纹对于超导体的制备及应用有着重要的影响,作为力学性质的研究中不可避免的问题,也得到了研究。首先,利用解析法求解了圆柱型超导体置于液氮中冷却的热传导方程模型,得出了温度场的精确分布。并发现超导体内温度在初始时刻很短的时间内快速降低,然后逐渐平缓,直至趋于液氮温度,同时超导体内沿半径方向不同位置具有较大的温度差。其次,采用弹性力学中热应力问题的研究方法,对于不同情形下的材料参数,分析了圆柱型超导体中的热应力应变的分布,并对比了三种材料参数下的结果。当弹性模量为常数时,超导体内径向应力及环向应力都是先增大后减小,同时径向应力与环向应力的最大值都出现在圆柱中心附近,不同的是径向应力始终表现为拉应力,而环向应力则在圆柱中心附近为拉应力,而在靠近边界附近为压应力;径向与环向应变都随着时间逐渐增大,并且越靠近边界变化速度越快。当弹性模量与位置坐标呈指数关系时,径向应力、环向应力以及应变都与弹性模量为常数情况类似,不同的是径向应力最大值出现在了半径的中间位置。而对于热膨胀系数随温度变化的情况,则与弹性模量为常数的情况非常接近。最后,利用应力法,研究了零场冷却的情况下,中心含有贯穿型裂纹的圆柱型超导体内裂纹尖端的热应力强度因子与温度及裂纹尺寸之间的变化关系。应力强度因子随时间先增大后减小,与热应力变化相符,而当冷却时超导体内部与外部温差越大,热应力强度因子的值越大,同时应力强度因子随着裂纹尺寸的增长而增大,温度与裂纹尺寸对热应力强度因子有着重要的显著作用。
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