Тепловые и механические эффекты в многослойных проводящих структурах магнитных систем и электродинамических ускорителях твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи Карпова Ирина Михайловна

УДК 538.244

Тепловые и механические эффекты в многослойных проводящих структурах магнитных систем и электродинамических ускорителях твердых тел

Специальность 01.04.13 - Электрофизика Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Г.А.Шнеерсон

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение..................................................5

1. Процессы в металлических проводниках при взаимодействии их с сильным импульсным магнитным полем. Задачи работы..........13

1.1 Особенности условий работы неподвижных проводников в сильном импульсном магнитном поле.........................13

1.2 Особенности протекания процессов взаимодействия сильного импульсного магнитного поля с движущимися проводниками......28

1.3 Основные характеристики процесса разрушения проводников

в сильном импульсном магнитном поле........................37

1.4 Постановка задач работы.................................50

2. Снижение максимального нагрева неподвижного проводника в сильном импульсном магнитном поле при использовании слоистой проводящей среды.........................................53

2.1 Математическая постановка задачи снижения тепловых нагрузок

в неподвижном многослойном проводнике.....................53

2.2 Оптимизация параметров слоистого проводника по минимуму тепловыделения для импульсных одновитковых соленоидов.......66

2.3 Оценка влияния кривизны поверхности проводника...........90

2.4 Результаты главы.......................................93

3. Исследование возможностей снижения нагрева в установках по ускорению неоднородных проводящих тел ..................... 96

3.1 Моделирование процессов в зоне высокоскоростного контакта

с неоднородной проводимостью.......................................................96

3.2 Обратная задача теории высокоскоростного контакта для ускоряемого тела с анизотропной проводимостью...............110

3.3 Анализ снижения тепловых нагрузок в рельсотроне при использовании результатов оптимизации...................... 122

3.4 Оценка влияния дискретизации свойств среды с ортотропной проводимостью на величину максимального нагрева.............132

3.5 Результаты главы.......................................138

4. Анализ влияния многослойности структуры на характер напряженного состояния токопроводящей системы в рамках теории упругости .... 139

4.1 Роль температурных напряжений в процессе импульсного нагружения соленоида......................................139

4.2 Моделирование процесса термоупругого поведения многослойных проводников под действием импульсного магнитного поля........145

4.3 Перспективы снижения механических нагрузок при использовании биметаллических проводников...............................152

4.4 Результаты главы.......................................166

5. Исследование особенностей поведения токопроводящей системы при многократном нагружении сильным импульсным магнитным полем................................................... 167

5.1 Математическая модель воздействия сильного электромагнитного поля на осесимметричный проводник и его деформирование в процессе повторного нагружения............................. 167

5.2 Оценка ресурса однородных толстостенных соленоидов, выполненных из различных материалов........................178

5.3 Оценка ресурса импульсного соленоида в условиях малоцикловой усталости.................................................194

5.4 Возможность использования многослойных проводников в индукторах многоразового использования......................198

5.5 Результаты главы.......................................208

Заключение..............................................209

Литература...............................................217

Приложение 1.

Связь касательной и нормальной составляющих плотности тока на

границе рельса и ускоряемого тела...........................227

Приложение 2.

Физические характеристики проводниковых материалов.........229

ВВЕДЕНИЕ

Многослойные проводящие системы уже не один десяток лет с успехом используются в различных электротехнических устройствах. Под многослойными проводящими системами следует понимать проводник, состоящий из двух и более слоев различных металлов, каждый из которых может быть отделен от другого тонким слоем изоляции. Традиционной областью применения слоистых материалов является электромашиностроение. Здесь определяющим критерием является изоляция слоев друг от друга, что связано с применением таких систем для изготовления различных массивных деталей - сердечников статора, трансформатора, якоря, полюса. Они набираются из листов электротехнической стали толщиной 0.1- 1мм, которые изолируются друг от друга бумажной или лаковой изоляцией толщиной 0.06-0.04мм [1]. В этом случае предпосылкой использования слоистых систем является способность препятствовать возникновению токов в направлении поперек листов вследствие изолированности проводящих листов друг от друга.

Известны случаи использования и другого свойства многослойных структур - различия физических характеристик проводниковых материалов слоев. В частности, при электромагнитном экранировании [2] наибольшая эффективность достигается при размещении магнитных слоев (стальных, с удельным сопротивлением 5-10"7 Омм) между высоко электропроводными (медными, 1.67-10"8 Ом-м). Аналогичная особенность слоистых структур используется при сжатии магнитного потока многослойным лайнером [3]. Для снижения пластических потерь и получения устойчивого сжатия при низких скоростях лайнеры выгодно изготовлять из тяжелого материала (например, сплав свинца с оловом). Однако проводимость такого сплава невысока, и для увеличения эффективности ус-

корения и снижения потерь потока наружную поверхность лайнера покрывают слоем алюминия, внутреннюю - слоем меди.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что использование многослойных проводников способствует решению целого ряда электротехнических задач, так или иначе связанных с перераспределением плотности тока внутри проводника за счет его многослойности.

С другой стороны, существует целый ряд устройств, работающих в сильном импульсном магнитном поле, предельные параметры которых ограничены характером протекания в них тока. К ним прежде всего следует отнести импульсные одновитковые соленоиды [4,5,6], которые благодаря своей относительно малой индуктивности незаменимы при получении сильных импульсных магнитных полей с малым временем и большой скоростью нарастания. Вследствие этого они широко используются в тех экспериментах по управляемому термоядерному синтезу, где производится сжатие и нагрев плазмы в быстро нарастающем поле (тета-пинчи) [7,8]. Традиционной областью их применения стали физика твердого тела [4] и физика элементарных частиц [9,10]. Одновитковые соленоиды применяют и в технологических процессах при магнитно-импульсной обработке материалов [11]. Кроме этого высокая механическая прочность и простота конструкции одновитковых соленоидов создают им определенные преимущества перед многовитковыми катушками и при получении относительно медленно меняющихся полей (с длительностью Ю^-Ю"3 с) [4]. Между тем, резкая неоднородность распределения тока в проводнике, связанная с импульсным характером генерируемого поля, определяет режим эксплуатации этих устройств и является основным фактором, препятствующим дальнейшему расширению области их использования [5].

Генерация сверхсильных импульсных магнитных полей (свыше 50 Тл) сопровождается неизбежным разрушением соленоида, что является прямым следствием больших величин плотности тока [6]. Разрушение возникает на границе проводящей поверхности, вблизи которой вследствие скин-эффекта концентрируется ток, а значит, происходит сильный нагрев, который сам по себе является сильным разрушительным фактором. Между тем, необходимость более глубокого исследования в различных областях физики и технологии требует повышения предельных параметров (в частности, амплитуд) создаваемых магнитных полей [4,12]. Требования к соленоидам еще более ожесточаются, когда возникает потребность создания на их основе установок многоразового использования. Особенность данных систем заключается в том, что в них разрушение проводника происходит вследствие циклического воздействия магнитного поля, и основной становится задача анализа процессов деформации магнитной системы в условиях повторного нагружения. Следовательно, возникает необходимость ослабления влияния величины генерируемого поля на вызываемые им разрушительные процессы.

Другого рода установкой использования сильных импульсных магнитных полей, предельные параметры которой сильно ограничены концентрацией тока в небольших областях, являются рельсотроны - кон-дукционные ускорители проводящих тел. В этом случае подвижное тело совершает поступательное движение вдоль контактных электродов (рельсов) под действием электромагнитных сил, обусловленных протеканием тока по замкнутому контуру, состоящему из рельсов и ускоряемого тела. Метание макротел с помощью рельсотронных ускорителей конкурирует с методами, связанными с использованием для этих целей взрывчатых веществ или сжатых газов. Возможность регулировать ускоряющую силу путем изменения протекающего тока, а также время уско-

рения за счет варьирования длины ускорителя, дают заметные преимущества электродинамическим ускорителям. Они используются для исследования поведения вещества при сверхвысоких скоростях [13], в военных разработках [14,15], а также при проведении исследовательских работ по проблеме управляемого термоядерного синтеза, когда возникает необходимость инжекции топливных таблеток, разогнанных до скоростей в несколько км/с [16,17].

В рельсовых ускорителях роль токовой перемычки выполняет проводящий поршень (якорь). В соответствии с характером проводимости можно выделить три основных типа поршня: плазменный, металлический и гибридный (сочетающий в себе свойства двух предыдущих), каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки [18-20] и, в силу этого, свои области использования. Результаты экспериментов по электромагнитному метанию твердых тел показали, что устройства, использующие в качестве поршня плазменный якорь, становятся малоэффективными при достижении скоростей порядка 6 км/с. Кроме этого возникают большие трудности в формировании и поддержании плазменного проводника при ускорении массивных тел [18]. Это привело к значительному возрастанию интереса к изучению свойств металлического поршня. Оказалось, что, несмотря на то, что гипотетически при увеличении рабочего тока в рельсах и длины ускорения можно получить сколь угодно большую скорость тела, существуют серьезные препятствия в решении этого вопроса, связанные с характером протекания тока в высокоскоростном скользящем контакте. Здесь имеет место сильная концентрация тока как в рельсах, непосредственно вслед за токовой перемычкой, вызванная по существу обычным скин-эффектом, так и в самом проводнике вблизи окончания контактной зоны. Несмотря на большое время движения метаемого тела в рельсотроне, в течение которого

распределение магнитного поля и тока в якоре успевает установиться, зона сильной концентрации тока не рассасывается и существует на протяжении всего времени процесса. Это явление называют скоростным скин-эффектом, и оно является основной причиной разрушения металлического контакта. Следовательно, и в этом случае перед нами встает задача предотвращения разрушения проводящих тел вследствие омического нагрева, и возникает необходимость воздействия на характер распределения плотности тока в проводнике как первопричины всех явлений.

Подводя итог сказанному, следует обратить внимание на то, что в совершенно различных видах электрофизических установок, использующих сильные импульсные магнитные поля, характерными примерами которых являются неподвижные проводники - одновитковые соленоиды и высокоскоростные металлические контакты в рельсотронах, наблюдаются родственные явления, связанные с характером токораспреде-ления в проводниках. При этом имеется необходимость преодоления существующих препятствий с целью повышения предельных выходных параметров данных устройств и в конечном итоге их эффективности в области применения для исследований различных физических явлений и технологических процессов.

Между тем, сходство рассматриваемых проблем с задачами, успешно решаемыми посредством использования многослойных проводящих систем, о которых было упомянуто ранее, предполагает возможность их использования и в рассмотренных случаях. Это позволяет следующим образом сформулировать цель данной работы:

использование слоистых проводников с программируемой зависимостью проводимости от координаты для улучшения эксплуатационных характеристик и повышения предельных возможностей

магнитных систем и устройств для электродинамического ускорения проводников.

В соответствии с поставленной целью в первой главе проведен анализ физических процессов, происходящих при взаимодействии сильных импульсных магнитных полей с неподвижными проводниками на примере одновитковых соленоидов, обращено внимание на особенности процессов в контактной области рельсовых ускорителей твердых тел. Показана негативная роль концентрации плотности тока, существенно ограничивающая предельные параметры таких устройств. Выполнен обзор литературных данных по возможностям использования многослойных проводников в качестве регулятора протекания тока. Отмечено отсутствие достаточно полного анализа этого процесса. Показаны принципы подхода к анализу напряженного состояния одновитковых соленоидов в сильных импульсных магнитных полях, изложенные в работах по этой теме. Отмечены недостатки применяемых моделей. Сформулированы задачи работы.

Вторая глава посвящена исследованию возможностей снижения максимального нагрева неподвижного проводника в сильном импульсном магнитном поле при использовании слоистой проводящей среды. На основе одномерной постановки задачи проникновения электромагнитного поля в проводник разработана методика и программа оптимизации параметров многослойных проводников (суммарной толщины и удельных сопротивлений слоев), позволяющая для каждого заданного воздействия поля получить модель проводящей среды, обеспечивающую минимальные тепловые нагрузки системы.

В третьей главе на примере модельного рельсотрона проанализированы особенности процессов в зоне высокоскоростного контакта, полученные в рамках двухмерной постановки задачи. В соответствии с проведенным анализом показана целесообразность использования в под-

вижных элементах рельсовых ускорителей проводников с ортотропной проводимостью. Использование слоистых проводников с изоляционными прокладками при соответствующих ограничениях на толщину слоев позволяет смоделировать ситуацию, когда плотность тока в таком проводнике имеет лишь нормальную составляющую. Разработана двухмерная математическая модель ускорения таких проводящих тел. Изложены принципиальные особенности подхода к получению оптимальных зависимостей удельного сопротивления ортотропных проводников, связанные с решением обратной задачи высокоскоростного контакта. Такой подход позволяет определить искомую зависимость на основании задаваемого распределения плотности тока в ускоряемом теле. В приближении квазистационарного магнитного поля получены зависимости удельного сопротивления от координаты, обеспечивающие в ускоряемом теле режимы постоянной плотности тока и постоянной мощности тепловыделения. В соответствии с полученными результатами проведены оценки снижения нагрева в многослойном проводнике с изоляционными прокладками, моделирующем ортотропную проводимость.

четвертой главе в рамках одномерной модели анализируется термоупругое напряженное состояние биметаллического соленоида. Численное исследование влияния механических свойств компонентов проводника (модуля Юнга и теплового коэффициента линейного расширения) на напряженное состояние соленоида свидетельствует о необходимости использования материалов с близкими свойствами.

Показано, что оптимальный выбор проводников по критерию минимума максимального нагрева не приводит к заметному выигрышу в снижении механических нагрузок, если не выходить за рамки модели упругого поведения среды. Поэтому в пятой главе рассмотрены процессы малых упругопластических деформаций одновитковых соленоидов в

сильных импульсных магнитных полях. При этом количество импульсов магнитного поля, приводящее к разрушению соленоида (ресурс), является основной характеристикой магнитных систем. Причинами возникновения трещин на внутренней поверхности одновиткового соленоида могут являться два фактора. Первый определяется прогрессирующим ростом от им