基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法技术

本发明专利技术公开了一种超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法和系统，属于超导电工学建模领域。方法包括：对超导磁体几何建模，为各材料添加对应物理属性；根据超导磁体采取的冷却方式模拟超导磁体运行过程中的冷却环境；对电磁场、温度场、力学场分别进行建模；通过受到电磁热力多场影响的超导带材临界电流密度作为耦合纽带、结合内部热膨胀模块实现超导磁体多场耦合；对所建立几何模型进行网格剖分，通过设置两步求解器进行模型求解。本发明专利技术能够同时计算得到超导磁体运行过程中的电流传播、磁场分布、磁体温升、交流损耗和应力分布，用于超导磁体设计中电磁热力多个方面的稳定性分析与校验，提升了建模效率，对保证超导磁体的稳定运行具有重要意义。行具有重要意义。行具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法


[0001]本专利技术属于超导电工学建模
，更具体地，涉及一种基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法。

技术介绍

[0002]超导电力技术有助于实现电力装置轻量化、小型化、低功耗，并且能提高电力系统的稳定性、安全性和电能质量，具有广阔的应用前景。其中，超导磁体是超导电力装置的核心部件，其稳定性问题是影响超导电力装置安全运行的最关键因素。
[0003]对于超导磁体产生的中心磁场与漏磁场是超导磁体电磁优化设计需要考虑的重要因素。热稳定性问题是影响中小型超导磁体安全运行的关键因素。此外，超导磁体在运行过程中会受到温差导致的热应力和通流导致的电磁应力，超导磁体及其支撑材料在应力作用下需要考虑其许用强度，因此也需要对超导磁体的应力进行分析。因此，超导磁体设计过程中需要综合考虑电磁热力多个方面的稳定性分析与校验，需要一种超导磁体多物理场耦合计算分析模型对超导磁体运行过程中的磁场分布、交流损耗、应力分布进行分析。
[0004]目前的技术存在以下缺陷：
[0005]现有技术多只考虑单一物理场或某几个物理场对超导磁体运行的影响，没有办法同时进行电磁热力多场耦合下超导磁体分析与校验。
[0006]现有技术中电磁热力多场之间为间接耦合或者解耦计算，未充分考虑多个物理场之间的耦合关系。
[0007]现在技术多只考虑温度与磁场对超导带材临界电流的衰退影响，未考虑所受应力对带材临界电流影响，且现有的电磁热模型无法满足超导磁体设计应力校核，不利于装置的安全设计。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法和系统，其目的在于解决现有技术进行超导磁体设计过程中的应力校核、磁场校核与热稳定性分析时，未充分考虑磁场、温度、应力多场耦合关系，完成超导磁体设计过程中的应力校核、磁场校核与热稳定性分析，不符合超导磁体实际运行工况的技术问题。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法，包括：
[0010]S1.超导磁体建模：建立超导磁体装置的几何模型，并为几何模型添加对应的材料属性参数；
[0011]S2.超导磁体冷却环境建模：超导磁体采取传导冷却降温方式时，建立制冷机冷头结构；超导磁体采取冷却介质降温方式时，建立超导磁体装置所处冷却介质的几何模型，添加冷却介质的材料属性参数；
[0012]S3.分别对电磁场、温度场和力学场建模；
[0013]S4.电磁场
‑
温度场耦合：将热源当前产生焦耳热下计算出的温度用于计算电磁场的电流密度；获取在新电流密度下电磁场的磁场强度；获取新磁场强度下电磁场的电流密度，将其用于计算并更新热源产生的焦耳热；
[0014]电磁场
‑
力学场耦合：将当前电磁场计算出的磁场用于计算超导磁体应力；获取在新应力下的超导磁体应变；获取新应变下的超导带材电流密度，将其用于计算并更新磁场；
[0015]温度场
‑
力学场耦合：将当前温度场计算出的温度用于计算应力；获取新的应力应变；获取在新应力应变下的电流密度，计算新电流密度下的热损耗，将热源当前产生焦耳热用于计算出超导磁体实时温度；
[0016]S5.求解待仿真超导磁体电磁热力多物理场耦合计算模型，得到各物理场分布。
[0017]进一步地，超导磁体采取传导冷却降温时，超导磁体与制冷机冷头之间设置接触热阻进行导冷连接，模拟实际冷却过程中超导磁体与制冷机进行热交换。
[0018]进一步地，温度场建模过程具体为：将建立的超导磁体装置模型整体作为固体热源，当超导磁体采取传导冷却降温时，制冷机冷头处设置为热通量进行模拟实际降温过程：当超导磁体采取冷却介质降温时，将超导磁体与冷却介质交界处设置为热通量边界，所述热通量的类型为对流热通量。
[0019]进一步地，力学场的建模过程具体为：
[0020]设置两个固体力学模块，第一个固体力学模块中设置超导线圈及其支撑材料为热膨胀材料，使得超导线圈及其支撑材料可以模拟材料热胀冷缩效应，参考温度为环境温度，实际温度为超导磁体正常运行温度，用以模拟超导磁体冷却降温效果，计算分析超导磁体降温过程中温差导致的热应力；第二个固体力学模块中参考温度与实际温度均设置为超导磁体正常运行温度，同时将第二个固体力学模块中初始预应力与预应变设置为第一个固体模块计算得到的应力与应变表达式，用于模拟超导磁体正常运行过程，计算超导磁体正常运行过程中的综合应力。
[0021]进一步地，步骤S1超导磁体建模过程中，超导线圈采用均质化建模，超导线圈边缘精细化几何建模，超导带材材料属性采用等效复合建模。
[0022]进一步地，步骤S5求解前，对规整几何的超导线圈部分通过映射操作得到四边形网格单元，将非规整几何的其他部分剖分得到三角形网格单元。
[0023]进一步地，电磁场
‑
力学场耦合的具体过程为，
[0024]根据计算超导磁体体积力；fr为超导磁体沿半径方向的单位体积力，fz为沿超导线圈高度的单位体积力，为环向电流密度，Bz、Br分别为沿超导线圈高度与沿半径方向的磁感应强度；
[0025]利用σ＝div f通过计算得到的体积力求解磁体所受应力；σ为应力，div为散度矢量算子；
[0026]通过广义胡克定律求解新磁体应力下的应变结果；
[0027]根据J
c
(B,T,ε)＝Jc0×
f(ε)
×
f(T)
×
f(B)计算应变变化导致的超导带材临界电流密度变化；Jc0表示超导带材的自场临界电流密度，
ε为应变，γ、ε
p
、ε0、ζ为根据带材对不同应力应变影响拟合出的特征参数，f(T)为超导带材临界电流密度与温度的依赖关系式，f(B)为超导带材临界电流密度与磁场的依赖关系式；
[0028]利用超导E
‑
J pow law关系得到新的磁场强度，E
c
为临界失超判据，n为超导指数。
[0029]进一步地，温度场
‑
力学场耦合具体过程为，
[0030]利用根据当前计算出的温度计算应变ε，其中，α为材料热膨胀系数；
[0031]计算应变变化导致的超导带材临界电流密度变化；
[0032]利用超导E
‑
J pow law关系得到新的磁场强度。
[0033]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
[0034]本专利技术利用有限元仿真方法，分别对超导线圈及其支撑结构、冷却环境进行多物理场耦合建模，能够同时计算得到超导磁体运行过程中的电流传播、磁场分布、磁体温升、交流损耗、应力分布，用于超导磁体设计过程中电磁热力多个方面的稳定性分析与校验，相对于单一物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法，其特征在于，包括：S1.超导磁体建模：建立超导磁体装置的几何模型，并为几何模型添加对应的材料属性参数；S2.超导磁体冷却环境建模：超导磁体采取传导冷却降温方式时，建立制冷机冷头结构；超导磁体采取冷却介质降温方式时，建立超导磁体装置所处冷却介质的几何模型，添加冷却介质的材料属性参数；S3.分别对电磁场、温度场和力学场建模；S4.电磁场
‑
温度场耦合：将热源当前产生焦耳热下计算出的温度用于计算电磁场的电流密度；获取在新电流密度下电磁场的磁场强度；获取新磁场强度下电磁场的电流密度，将其用于计算并更新热源产生的焦耳热；电磁场
‑
力学场耦合：将当前电磁场计算出的磁场用于计算超导磁体应力；获取在新应力下的超导磁体应变；获取新应变下的超导带材电流密度，将其用于计算并更新磁场；温度场
‑
力学场耦合：将当前温度场计算出的温度用于计算应力；获取新的应力应变；获取在新应力应变下的电流密度，计算新电流密度下的热损耗，将热源当前产生焦耳热用于计算出超导磁体实时温度；S5.求解待仿真超导磁体电磁热力多物理场耦合计算模型，得到各物理场分布。2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法，其特征在于，超导磁体采取传导冷却降温时，超导磁体与制冷机冷头之间设置接触热阻进行导冷连接，模拟实际冷却过程中超导磁体与制冷机进行热交换。3.根据权利要求2所述的一种基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法，其特征在于，温度场建模过程具体为：将建立的超导磁体装置模型整体作为固体热源，当超导磁体采取传导冷却降温时，制冷机冷头处设置为热通量进行模拟实际降温过程：当超导磁体采取冷却介质降温时，将超导磁体与冷却介质交界处设置为热通量边界，所述热通量的类型为对流热通量。4.根据权利要求3所述的一种基于有限元的超导磁体电磁热力多场耦合仿真建模方法，其特征在于，力学场的建模过程具体为：设置两个固体力学模块，第一个固体力学模块中设置超导线圈及其支撑材料为热膨胀材料，使得超导线圈及其支撑材料可以模拟材料热胀冷缩效应，参考温度为环境温度，实际温度为超导磁体正常运行温度，用以模拟超导磁体冷却降温效果，计算分析超导磁体降温过程中温差导致的热应力；第二个固体力学模块中参考温度与实际温度均设置为超导磁体正常运行温度，同时将第二个固体力学模块中初始预应力与预应变设置为第一个固体模块计算得到的应力与应变表达式，用于模拟超导...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志星，任丽，徐颖，石晶，蔡针铭，李敬东，唐跃进，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：