基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法技术

一种基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法，属于CICC超导磁体正交各向异性材料特性赋予技术领域。本发明专利技术解决了现有技术中对大型CICC超导磁体进行正交各向异性材料特性赋予过程中，因对单胞匝间绝缘层整体建模而影响材料特性的赋予结果准确性的问题。步骤为：创建背场磁体线圈单胞模型，将线圈的单胞切割为2个水平段、2个竖直段以及4个圆弧段；然后将单胞模型进行水平和竖直方向阵列；再对所有水平段及竖直段的匝间绝缘层施加材料特性；再将工作平面平移至圆弧段匝间绝缘层A2的圆心，提取具有相同拓扑结构的相邻单胞匝间绝缘圆弧段的面编号以及该圆弧面的圆心坐标Ⅱ，完成工作平面平移，完成相应圆弧面材料特性的赋予。料特性的赋予。料特性的赋予。

【技术实现步骤摘要】
基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法


[0001]本专利技术涉及一种基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法，属于CICC超导磁体正交各向异性材料特性赋予


技术介绍

[0002]大型CICC超导磁体单胞(即单匝)的断面结构如图2所示，它包括导体电缆1、导体铠甲层2及匝间绝缘层3，其中的匝间绝缘层采用玻璃纤维增强塑料。由于玻璃纤维增强塑料具有正交各向异性的材料特性，匝间绝缘层结构为单层纤维交织并在其厚度方向上层状堆叠而成，所以位于导体铠甲(不锈钢或者无氧铜)左右两边的竖向匝间绝缘(图1，A1和A5)、上下两边的水平匝间绝缘(图1，A3和A7)以及位于四个圆角的圆弧段匝间绝缘(图1，A2、A4、A6和A8)的材料特性在相同坐标系下是有所差异的。
[0003]现有技术中对于大型CICC超导磁体正交各向异性材料特性赋予过程中，单胞的匝间绝缘通常以一个整体的形式建模，即对单胞匝间绝缘层整体进行正交各向异性材料特性的赋予，这样不仅工作量巨大，还将会直接导致正交各向异性材料特性的赋予结果不够准确，使有限元模型与正交各向异性材料的成型模型不够吻合，严重影响超导磁体的力学性能计算精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决现有技术中对大型CICC超导磁体进行正交各向异性材料特性赋予过程中，因对单胞匝间绝缘层整体建模而影响材料特性的赋予结果准确性的问题，进而提供了一种基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法，它包括如下步骤：
[0007]步骤一、基于ANSYS
‑
APDL创建包含电缆、铠甲层及匝间绝缘层的背场磁体线圈单胞模型，将匝间绝缘层切割为2个水平段、2个竖直段以及4个圆弧段；
[0008]步骤二、将步骤一创建的单胞模型进行水平方向和竖直方向阵列，获得绕组模型；
[0009]步骤三、基于笛卡尔坐标系分别对所有背场磁体匝间绝缘层的水平段及竖直段的匝间绝缘层施加正交各向异性材料特性；
[0010]步骤四、将工作平面平移至圆弧段匝间绝缘层A2的圆心，提取与圆弧段绝缘A2具有相同拓扑结构的相邻单胞匝间绝缘圆弧段的面编号以及该圆弧面的圆心坐标Ⅱ，完成工作平面平移，生成新的局部坐标系，完成相应圆弧面A2正交各向异性材料特性的赋予；
[0011]步骤五、重复步骤四，完成匝间绝缘层圆弧段A4、A6、A8以及与匝间绝缘层圆弧段A4、A6、A8具有相同拓扑结构的其它单胞匝间绝缘层圆弧段正交各向异性材料特性的赋予。
[0012]进一步地，步骤三中，对所有上部水平段、所有下部水平段、所有右侧竖直段及所有左侧竖直段分别施加正交各向异性材料特性。
[0013]进一步地，步骤三中，先选择背场磁体匝间绝缘层的所有右侧竖向段，并基于笛卡尔坐标系Ⅰ对所有的右侧竖向匝间绝缘层施加正交各向异性材料特性；然后选择背场磁体匝间绝缘层的所有上部水平段，将笛卡尔坐标系Ⅰ逆时针旋转90
°
，并基于旋转后的笛卡尔坐标系对所有上部水平匝间绝缘层施加正交各向异性材料特性；再选择背场磁体匝间绝缘层的所有左侧竖向段，将笛卡尔坐标系Ⅰ逆时针旋转180
°
，并基于旋转后的笛卡尔坐标系对所有左侧竖向匝间绝缘层施加正交各向异性材料特性；最后，选择背场磁体匝间绝缘层的所有下部水平段，将笛卡尔坐标系Ⅰ逆时针旋转270
°
，并基于旋转后的笛卡尔坐标系对所有下部水平匝间绝缘层施加正交各向异性材料特性。
[0014]进一步地，步骤四中的与圆弧段绝缘A2具有相同拓扑结构的相邻单胞匝间绝缘圆弧段的面编号以及该圆弧面的圆心坐标均基于Fortran语言通过三重嵌套*DO循环提取。
[0015]本专利技术与现有技术相比具有以下效果：
[0016]本申请通过对线圈的单胞进行分割建模，并利用局部坐标系，实现有限元模型中的匝间绝缘层正交稳中各向异性材料快速、准确赋予，有效提高了超导磁体的力学评估计算精度与效率。相对于现有技术中常规的材料特性赋予方法，本申请具有高度的自动化、可视化，可迁移等特点，可实时观测中间过程的准确性，并可广泛用于各种阵列型复杂产品正交各向异性材料特性的赋予。
附图说明
[0017]图1为大型超导磁体单胞匝间绝缘层的截面示意图；
[0018]图2为大型超导磁体单胞截面示意图；
[0019]图3为8*15*2绕组模型剖视示意图；
[0020]图4为8*15*2绕组模型中匝间绝缘层的圆弧段A2的阵列示意图(其中图左侧部分为右侧图分的局部放大示意，图中所示坐标系为建模过程中计算机生成的坐标系。)；
[0021]图5为对单胞匝间绝缘层各段均赋予正交异性材料特性后形成的成像结果。
具体实施方式
[0022]具体实施方式一：结合图1～5说明本实施方式，一种基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法，它包括如下步骤：
[0023]步骤一、基于ANSYS
‑
APDL创建包含电缆、铠甲层及匝间绝缘层的背场磁体线圈单胞模型，将匝间绝缘层切割为2个水平段、2个竖直段以及4个圆弧段；水平段即对应图1中的A3和A7，竖直段即对应图1中的A1和A5，圆弧段即对应图1中的A2、A4、A6和A8。通过对线圈的单胞进行分割建模，实现分段赋予材料特性。
[0024]步骤二、将步骤一创建的单胞模型进行水平方向和竖直方向阵列，获得绕组模型；绕组模型阵列中单胞和磁体的数量根据实际需求创建，本申请中以8*15*2绕组模型为例进行说明。阵列后各拓扑结构相同的单胞匝间绝缘面编号呈等差数列。
[0025]步骤三、基于笛卡尔坐标系分别对所有背场磁体匝间绝缘层的水平段及竖直段的匝间绝缘层施加正交各向异性材料特性；
[0026]步骤四、将工作平面平移至圆弧段匝间绝缘层A2的圆心，提取与圆弧段绝缘A2具有相同拓扑结构的相邻单胞匝间绝缘圆弧段的面编号以及该圆弧面的圆心坐标Ⅱ，完成工
作平面平移，生成新的局部坐标系，完成相应圆弧面A2正交各向异性材料特性的赋予；此步骤中，将总体坐标系Ⅰ转换为圆柱坐标系Ⅱ，将该新的局部坐标系作为参考系，对该圆弧段划分网格并赋予材料特性，使其单元坐标系和局部坐标系相一致。
[0027]步骤五、重复步骤四，完成匝间绝缘层圆弧段A4、A6、A8以及与匝间绝缘层圆弧段A4、A6及A8具有相同拓扑结构的其它单胞匝间绝缘层圆弧段正交各向异性材料特性的赋予。根据各相邻单胞之间的轴向和径向距离，创建一系列新的局部圆柱坐标系并以此为参考系对相应的圆弧段划分网格，直至所有的圆弧段被划分网格和赋予材料特性。本申请尤其适用于圆弧段数量庞大时的正交各向异性材料特性的快速赋予。
[0028]通过本申请的分割建模方法，对匝间绝缘层各部分定义适当的坐标系，保证x方向为垂直于纤维平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法，其特征在于：它包括如下步骤：步骤一、基于ANSYS
‑
APDL创建包含电缆、铠甲层及匝间绝缘层的背场磁体线圈单胞模型，将匝间绝缘层切割为2个水平段、2个竖直段以及4个圆弧段；步骤二、将步骤一创建的单胞模型进行水平方向和竖直方向阵列，获得绕组模型；步骤三、基于笛卡尔坐标系分别对所有背场磁体匝间绝缘层的水平段及竖直段的匝间绝缘层施加正交各向异性材料特性；步骤四、将工作平面平移至圆弧段匝间绝缘层A2的圆心，提取与圆弧段绝缘A2具有相同拓扑结构的相邻单胞匝间绝缘圆弧段的面编号以及该圆弧面的圆心坐标Ⅱ，完成工作平面平移，生成新的局部坐标系，完成相应圆弧面A2正交各向异性材料特性的赋予；步骤五、重复步骤四，完成匝间绝缘层圆弧段A4、A6、A8以及与匝间绝缘层圆弧段A4、A6、A8具有相同拓扑结构的其它单胞匝间绝缘层圆弧段正交各向异性材料特性的赋予。2.根据权利要求1所述的基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法，其特征在于：步骤三中，对所有上部水平段、所有下部水平段、所有右侧竖直段及所有左侧竖直段分别施加正交各向异性材料特...

【专利技术属性】
技术研发人员：许爱华，汪献伟，唐悦，张耀方，王佳伟，朱亚军，
申请(专利权)人：常州机电职业技术学院，
类型：发明
国别省市：