本申請涉及高溫超導線圈，具體涉及一種高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法。

背景技術(shù)：

1、在高溫超導線圈，如rebco（rare‐earth‐barium‐copper‐oxide，稀土鋇銅氧化物）線圈的制備和運行過程中，線圈內(nèi)部會產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力和應(yīng)變，對于rebco高溫超導帶材來說，如果受到的應(yīng)力超過閾值將發(fā)生損壞，一旦發(fā)生損壞其超導電性就會顯著下降，因此對線圈進行詳細的應(yīng)力分析，對于保護線圈有十分重要的意義。

2、線圈繞制過程中由于繞制張力的施加而產(chǎn)生的繞制應(yīng)力是線圈應(yīng)力分析的難點，現(xiàn)有分析方法包括解析分析法、生死單元法等，其中：

3、對于解析分析法來說，需要通過數(shù)學推導得到應(yīng)力分布，對于大部分非圓型線圈來說，無法通過應(yīng)力控制方程求解出應(yīng)力分布的表達式，因此這種方法的適用范圍非常小，幾乎只適用于圓型線圈，目前只有針對圓型線圈的案例。

4、對于生死單元法（有限元方法的一種）來說，建模時需要按照線圈匝數(shù)進行多層建模并設(shè)置層間接觸，對于多匝數(shù)線圈比較麻煩，此外，每一層的初應(yīng)力或初應(yīng)變需要預(yù)先計算好，或者通過迭代搜索的方式確認，這一過程對于不規(guī)則形狀的線圈來說十分復(fù)雜，目前只有針對少匝（10-20匝）圓型線圈的案例。

5、因此，如何提供一種高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，可以滿足多匝數(shù)（上千匝）、不規(guī)則線圈的繞制應(yīng)力求解成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請的目的是提供一種高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，可以滿足多匝數(shù)（上千匝）、不規(guī)則線圈的繞制應(yīng)力求解。

2、為解決上述技術(shù)問題，本申請?zhí)峁┮环N高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，包括如下步驟：

3、步驟s1：建立骨架模型，并設(shè)置所述骨架模型的材料參數(shù)；

4、步驟s2：對所述骨架模型施加邊界載荷，并對所述骨架模型進行有限元應(yīng)力分析，獲取繞制第一匝線圈時所述骨架模型的應(yīng)力分布結(jié)果；

5、步驟s3：建立線圈模型，并設(shè)置所述線圈模型的材料參數(shù)，所述線圈模型套裝所述骨架模型，所述線圈模型的匝數(shù)為i，i=1；

6、步驟s4：對所述線圈模型施加邊界載荷，并對所述線圈模型進行有限元應(yīng)力分析，獲取繞制第i+1匝線圈時所述線圈模型的應(yīng)力分布結(jié)果；

7、步驟s5：通過外部程序控制所述線圈模型從i=2到i=n-1進行迭代，n為所述線圈模型的總匝數(shù)，每次迭代過程重復(fù)所述步驟s4；

8、步驟s6：綜合繞制每一匝線圈時所述線圈模型的應(yīng)力分布結(jié)果獲取所述線圈模型的最終應(yīng)力分布結(jié)果。

9、本實施例高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，將拆解繞制過程的計算思路和有限元方法可以計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)線圈的優(yōu)點相結(jié)合，將線圈模型中線圈的繞制過程按匝數(shù)拆分為多個部分，每一個部分都對應(yīng)一個有限元模型，即通過分步建模的方法實現(xiàn)模型的動態(tài)變化；同時，通過對骨架模型或具有i匝線圈的線圈模型施加邊界載荷來模擬繞制第一匝或繞制第i+1匝線圈時的作用效果，繞制張力的施加簡單直接；通過外部程序控制線圈模型進行有規(guī)律的迭代，在獲取繞制每一匝線圈時線圈模型的應(yīng)力分布結(jié)果后，綜合所獲得的應(yīng)力分布結(jié)果得到線圈模型的最終應(yīng)力分布結(jié)果，可同時滿足多匝數(shù)（上千匝）、不規(guī)則線圈的繞制應(yīng)力求解，使得本實施例高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法適用范圍更廣。

10、可選地，所述骨架模型和所述線圈模型為二維模型或三維模型。

11、可選地，所述線圈模型的匝數(shù)為多匝，所述線圈模型為多個沿徑向依次套裝的同軸環(huán)。

12、可選地，所述線圈模型的匝數(shù)為多匝，每一匝線圈的厚度相等。

13、可選地，繞制完成的所述線圈模型形成一體結(jié)構(gòu)，相鄰兩匝線圈不會產(chǎn)生相對滑動或分離。

14、可選地，在所述步驟s3中，設(shè)置所述線圈模型的材料參數(shù)具體包括如下步驟：

15、步驟s31，對所述線圈模型建立坐標系，其基矢分別沿所述線圈模型的環(huán)向、徑向和軸向；

16、所述線圈模型沿環(huán)向、徑向和軸向分別設(shè)置對應(yīng)的材料參數(shù)。

17、可選地，在所述步驟s2中，所述邊界載荷的施加位置為所述骨架模型的外邊界的外凸區(qū)域；

18、在所述步驟s4中，所述邊界載荷的施加位置為所述線圈模型的外邊界的外凸區(qū)域。

19、可選地，所述邊界載荷的大小計算為：

20、

21、其中：

22、p—邊界載荷；

23、tw—繞制張力；

24、ρ—施加壓力處的曲率半徑；

25、d—帶材寬度。

26、可選地，所述線圈模型的最終應(yīng)力分布結(jié)果包括所述線圈模型的徑向應(yīng)力分布結(jié)果，所述線圈模型中第i匝線圈的內(nèi)邊界的徑向應(yīng)力分布結(jié)果計算為：

27、從繞制第i匝線圈至繞制第n匝線圈時，第i匝線圈產(chǎn)生徑向應(yīng)力分布結(jié)果的代數(shù)和；

28、所述線圈模型中第i匝線圈的中部或外邊界的徑向應(yīng)力分布結(jié)果計算為：

29、從繞制第i+1匝線圈至繞制第n匝線圈時，第i匝線圈產(chǎn)生徑向應(yīng)力分布結(jié)果的代數(shù)和。

30、可選地，所述線圈模型的最終應(yīng)力分布結(jié)果包括所述線圈模型的環(huán)向應(yīng)力分布結(jié)果，所述線圈模型中第i匝線圈的內(nèi)邊界的環(huán)向應(yīng)力分布結(jié)果計算為：

31、從繞制第i匝線圈至繞制第n匝線圈時，第i匝線圈產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力分布結(jié)果的代數(shù)和，再加上第i匝線圈的初始預(yù)應(yīng)力；

32、所述線圈模型中第i匝線圈的中部或外邊界的環(huán)向應(yīng)力分布結(jié)果計算為：

33、從繞制第i+1匝線圈至繞制第n匝線圈時，第i匝線圈產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力分布結(jié)果的代數(shù)和，再加上第i匝線圈的初始預(yù)應(yīng)力。

技術(shù)特征：

1.一種高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，所述骨架模型（11）和所述線圈模型（12）為二維模型或三維模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，所述線圈模型（12）的匝數(shù)為多匝，所述線圈模型（12）為多個沿徑向依次套裝的同軸環(huán)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，所述線圈模型（12）的匝數(shù)為多匝，每一匝線圈的厚度相等。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，繞制完成的所述線圈模型（12）形成一體結(jié)構(gòu)，相鄰兩匝線圈不會產(chǎn)生相對滑動或分離。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，在所述步驟s3中，設(shè)置所述線圈模型（12）的材料參數(shù)具體包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，在所述步驟s2中，所述邊界載荷的施加位置為所述骨架模型（11）的外邊界的外凸區(qū)域；

8.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，所述邊界載荷的大小計算為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，所述線圈模型（12）的最終應(yīng)力分布結(jié)果包括所述線圈模型（12）的徑向應(yīng)力分布結(jié)果，所述線圈模型（12）中第i匝線圈的內(nèi)邊界的徑向應(yīng)力分布結(jié)果計算為：

10.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，其特征在于，所述線圈模型（12）的最終應(yīng)力分布結(jié)果包括所述線圈模型（12）的環(huán)向應(yīng)力分布結(jié)果，所述線圈模型（12）中第i匝線圈的內(nèi)邊界的環(huán)向應(yīng)力分布結(jié)果計算為：

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及高溫超導線圈技術(shù)領(lǐng)域，提供高溫超導線圈繞制過程中應(yīng)力分布的分析方法，包括：步驟S1：建立骨架模型并設(shè)置材料參數(shù)；步驟S2：對骨架模型施加邊界載荷并進行應(yīng)力分析，獲取繞制第一匝線圈骨架模型應(yīng)力分布結(jié)果；步驟S3：建立線圈模型并設(shè)置材料參數(shù)，線圈模型的匝數(shù)為i，i=1；步驟S4：對線圈模型施加邊界載荷并進行應(yīng)力分析，獲取繞制第i+1匝線圈時線圈模型應(yīng)力分布結(jié)果；步驟S5：通過外部程序控制線圈模型從i=2到i=N?1進行迭代；步驟S6：獲取線圈模型的最終應(yīng)力分布結(jié)果。本申請結(jié)合拆解繞制過程的思路和有限元分析方法，通過外部程序控制線圈模型進行迭代，滿足多匝數(shù)、不規(guī)則線圈的繞制應(yīng)力求解。

技術(shù)研發(fā)人員：李致華,吳蔚
受保護的技術(shù)使用者：上海交通大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6