有限元分析在超导磁体设计中的应用
大型超导磁体的场强较强，储能较大，对超导导体的设计，磁体结构，制造工艺等都提出了较高的要求。超导磁体技术一般涉及到电磁、力学、传热等诸多问题，对这几个方面在设计时进行充分的分析是有重要意义的。本文借助于有限元分析软件ANSYS对超导磁体设计中涉及到的这些问题进行了分析计算。
由于电磁性能是超导磁体比较重要的一个方面，在研制这些装置结构时，需要对其进行详尽的电磁分析。一方面基于物理目标的要求需要提供准确的电磁参数；另一方面整个装置基本结构设计都依赖于准确的电磁参数，开展详尽的电磁分析是具体结构设计和分析的基础。本文利用有限元方法对EAST磁场系统进行了详尽的电磁性能分析，分别建立了整体模型和1/16对称模型进行分析。分析结果表明1/16对称模型能得到更好的计算结果，和之前的专业计算软件EFFI的计算结果吻合较好。另外，还计算了GSI超导二级磁体样机的电磁性能，获得其磁场分布和电动力的结果，还得到了其磁场、电感、储能随电流的变化曲线。
同时，把电磁计算中得到的电动力作为载荷条件对其结构进行有限元分析，计算了GSI主要承力结构线圈盒的应力分布和变形情况，计算结果表明线圈盒的强度满足设计要求。此外，在GSI超导二级磁体样机的结构设计中，盛装液氦的容器——液氦槽要承受一定的压力，其设计厚度是5mm，本文利用ANSYS进行分析计算得到了液氦槽在5-10个大气压下的应力分布，计算表明所设计的液氦槽的强度能够满足要求。
超导磁体一般工作在低温下，利用有限元分析软件对其进行传热分析是很必要的，本文用ANSYS软件对GSI超导磁体的几种支撑结构进行了传热分析，为结构设计提供了参考。
复合材料绝缘子是在超导磁体上的一个重要部件，本文主要利用有限元程序对绝缘子力学性能、热学性能和电性能进行了分析与计算。
通过展开一系列的有限元工程计算与分析，掌握了用有限元分析软件——ANSYS解决超导磁体中的具体问题的方法，特别在单元的选择、模型的对称性、网格离散方案，载荷施加策略及求解策略等方面提出了自己的见解与处理技巧，为向类磁体设计计算提供了非常好的参考，提高了设计的可靠性，使有限元分析更好地为结构设计服务。
有限元法
中国科学院合肥物质科学研究院
硕士
核能科学与工程
陈文革
2007
中文
TB332;TM265
77
2011-05-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）