阅读说明：本技术 基于分割建模的cicc导体正交各向异性材料特性赋予方法 (CICC conductor orthotropic material characteristic endowing method based on partition modeling ) 是由 许爱华 汪献伟 唐悦 张耀方 王佳伟 朱亚军 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：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。(A CICC conductor orthotropic material characteristic endowing method based on segmentation modeling belongs to the technical field of CICC superconducting magnet orthotropic material characteristic endowing. The method solves the problem that in the prior art, in the process of endowing orthogonal anisotropic material characteristics to the large CICC superconducting magnet, the endowing result accuracy of the material characteristics is influenced due to the integral modeling of the single-cell interturn insulating layer. The method comprises the following steps: creating a back field magnet coil unit cell model, and cutting the unit cell of the coil into 2 horizontal sections, 2 vertical sections and 4 circular arc sections; then, carrying out horizontal and vertical direction array on the unit cell model; applying material characteristics to turn-to-turn insulating layers of all the horizontal segments and the vertical segments; and translating the working plane to the circle center of the inter-turn insulating layer A2 of the arc section, extracting the surface number of the adjacent single-cell inter-turn insulating arc section with the same topological structure and the circle center coordinate II of the arc surface, completing the translation of the working plane and completing the endowment of the material characteristics of the corresponding arc surface.)

基于分割建模的CICC导体正交各向异性材料特性赋予方法

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

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：

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。

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。

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。

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。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

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

图1为大型超导磁体单胞匝间绝缘层的截面示意图；

图2为大型超导磁体单胞截面示意图；

图3为8*15*2绕组模型剖视示意图；

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。)；

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

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：

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。

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。

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；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。

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。

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面方向，y、z方向为平行于纤维平面方向。

通过分割建模的方式，实现了有限元模型中正交各向异性材料特性的准确赋予，有效提高了超导磁体的力学性能计算精度。

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。

本申请中所述的对于匝间绝缘层各部分组成(如水平段、竖直段及各圆弧段)的正交各向异性材料特性的赋予方法，与现有技术中对整体匝间绝缘层结构进行各向异性材料特性的赋予方法相同，均为现有技术，此处不再赘述。

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。

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。

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。如图4所示，以对8*15*2绕组模型中的所有A2圆弧段进行正交异性材料特性的赋予为例，到步骤四时，先将工作平面平移至圆弧段匝间绝缘层A2的圆心(即坐标系11)，然后基于Fortran语言通过三重嵌套*DO循环提取与A2具有相同拓扑结构的相邻匝间绝缘圆弧段(依次为从第一个8*15绕组模型中提取坐标系11开始，依次向上提取该列圆弧段A2的圆心坐标系12、……；提取完本列后，再从坐标系26开始，依次向上提取该列圆弧段A2的圆心坐标系27、……；循环提取完第一个8*15绕组后，再从第二个8*15绕组模型中循环提取坐标系。)

本申请中所涉及的三重嵌套*DO程序关键步骤如下：