含斜裂纹矩形超导块材中的断裂行为研究

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在超导电性发现至今的百余年间,科研工作者们的努力探索使得超导体和超导技术均有了巨大飞跃。尤其是在近三十年内,随着一系列高温超导体的出现,超导体在生产实践中发挥的作用越发重要。高温超导体由于其具有较高的临界温度和临界电流密度,使其在实际应用中备受关注。由于超导体已经成为某些行业里不可或缺的技术支撑,因此对其性能也提出了更加严格的要求。我们知道,高温超导体本身是具有高密度缺陷的脆性材料,其在应用中往往处于变化的外磁场中,那么在其体内由于磁通钉扎作用产生的电磁力会对它的机械性能有所影响。这样情况下,超导体容易发生断裂破坏。因此我们在利用其较高临界参数的同时,也要兼顾其安全性和稳定性。本文正是基于此,探究当矩形超导块材内部存在倾斜裂纹时,高温超导块材的断裂特性。事实上,对于带有裂纹的高温超导体的断裂研究已经很早了,很多学者都对此问题提出了相应的见解。在此基础上,本文根据临界态Bean模型研究了复杂的电磁力对超导厚板中穿透性斜裂纹断裂行为的影响。首先根据倾斜裂纹角度确定临界电流的环绕方向,然后得到磁通密度分布形式,最后基于有限元数值方法分别得到针对零场冷却和场冷却两种磁化方式下外场下降时的应力强度因子。由此得到的结果表明裂纹长度和倾斜角度对超导体的破坏有明显的影响。总体来说,Ⅱ型应力强度因子要远小于Ⅰ型因子。因此,对高温超导体的断裂破坏起到主要作用的是Ⅰ型应力强度因子。从磁化方式看,场冷却方式下得到的裂纹尖端处的应力强度因子相比于零场冷却要更大一些。这表明此种磁化方式对超导体产生破坏的可能性更大。文中阐述的结论对于避免超导体的断裂破坏和机械损伤是很有帮助的。
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