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基于ANSYS的超导磁体应力数值模拟研究

作　者: 魏钦伟
导　师: 胡基士
学　校: 西南交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 超导磁体应力分析有限元方法 ANSYS 电磁结构耦合
分类号: TM26
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

超导磁体由于其独特的优越性被广泛应用在物理、化学、生物医学等领域。超导磁体运行时其导线电流密度是常规磁体数十倍并产生强磁场,因此磁体内部的应力是非常大的,当应力超过一定值时磁体将遭到破坏,随着超导磁体的规模越来越大,应力计算在磁体设计中变得越来越重要。本文对超导磁体应力进行了数值分析和仿真研究。首先,利用矢量磁位法计算出了超导磁体的磁场空间分布;建立了超导磁体应力分析的各向同性模型和各向异性模型,在不同模型下分析了磁体径向应力和周向应力的分布情况。其次,描述了有限元软件ANSYS的功能、特点及结构组成,分析了该软件在仿真计算方面的优越性。介绍了ANSYS强有力的耦合分析功能,讨论了该功能在分析超导磁体应力时的实现方法。然后,使用ANSYS软件对实验室用小型超导磁体进行了仿真计算,得到了该磁体的周向应力、径向应力和总应变分布,结果表明该线圈按设计电流值运行时,应力值没有超过其允许的应力极值,磁体能够安全稳定运行。然后通过改变载荷进行仿真计算,得出了该磁体的最大可运行电流值,这为磁体安全运行提供了保障。最后,通过理论分析与仿真计算研究了超导磁体的壁厚对磁体应力的影响,结果表明磁体越厚,磁体的应力就会越大,磁体也越容易受到破坏,且薄壁线圈较厚壁线圈具有更好的机械稳定性。在上述研究基础上,对磁体加固方法进行了分析并提出了改进措施。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-10
第1章绪论  10-15
  1.1 研究背景及研究意义  10-12
    1.1.1 研究背景  10-11
    1.1.2 研究意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-13
  1.3 主要工作内容安排  13-15
第2章超导体及超导磁体应用  15-24
  2.1 超导体的基本特性  15-16
  2.2 超导体的三个临界值  16-17
  2.3 超导磁体的应用  17-23
    2.3.1 高能加速器用超导磁体  17-19
    2.3.2 核聚变试验装置中超导磁体  19-20
    2.3.3 超导磁体在生物医学领域中的应用  20-22
    2.3.4 超导磁体在交通领域中的应用  22-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章超导磁体磁场与应力分析及 ANSYS软件  24-44
  3.1 电磁场分析基础  24-28
    3.1.1 电磁场麦克斯韦方程组  24-25
    3.1.2 超导线圈磁场计算数学模型  25-28
  3.2 应力的产生  28-33
    3.2.1 洛仑兹力  28-29
    3.2.2 无限长薄壁线圈绕组内的应力  29-30
    3.2.3 均匀电流密度线圈绕组内的应力  30-33
  3.3 超导线圈应力分析数学模型  33-38
    3.3.1 各向同性弹性模型  33-36
    3.3.2 各向异性弹性模型  36-38
  3.4 有限元软件 ANSYS  38-41
    3.4.1 前处理模块 PREP/7  38-39
    3.4.2 求解模块 SOLUTION  39
    3.4.3 后处理模块 POST1和 POST26  39-41
  3.5 ANSYS电磁结构耦合分析功能  41-43
    3.5.1 耦合分析理论基础  41
    3.5.2 ANSYS耦合方法分类  41-42
    3.5.3 超导磁体应力分析中的耦合方法  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章基于 ANSYS的磁体磁场与应力耦合分析  44-55
  4.1 引言  44
  4.2 建模及参数设置  44-48
    4.2.1 实验室小型低温超导磁体简介  44-46
    4.2.2 模型的建立  46
    4.2.3 磁体复合材料参数选取  46-47
    4.2.4 施加载荷与求解  47-48
  4.3 超导磁体在电磁场作用下的结构响应  48-51
  4.4 不同载荷作用下磁体结构响应  51-54
    4.4.1 应力分布  52-53
    4.4.2 整体分析  53-54
  4.5 本章小结  54-55
第5章壁厚对磁体应力影响  55-64
  5.1 磁体壁厚对超导磁体应力的影响  55-58
  5.2 相同载荷作用下不同壁厚磁体的结构响应  58-61
    5.2.1 应力分布  58-60
    5.2.2 对比分析  60-61
  5.3 超导磁体设计参数的选择范围  61-62
  5.4 磁体加固  62-63
  5.5 本章小结  63-64
结论  64-66
致谢  66-67
参考文献  67-70
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  70

基于ANSYS的超导磁体应力数值模拟研究

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