CN111339707B - 一种Mirror测试结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Mirror测试结构及其设计方法，其包括：铌三锡线圈组件、铁轭组件、垫板组件、预紧组件和铝壳；铁轭组件包括衬垫、上铁芯和下铁芯；下铁芯和上铁芯均采用半圆柱体结构，且上铁芯与下铁芯两侧设置有相匹配的栓孔；衬垫为长方体结构，衬垫两侧设置有凸缘，凸缘与下铁芯相应位置处设置有栓孔；铌三锡线圈组件设置在下铁芯与衬垫之间；垫板组件包括两垫板，分别设置在铌三锡线圈组件与衬垫和下铁芯接触面之间；铝壳包覆在由铌三锡线圈组件、铁轭组件和预紧组件围成的圆柱体结构外部；预紧组件用于按照测试需求对铌三锡线圈组件进行预紧。本发明可以广泛应用于超导磁体测试领域。

Description

一种Mirror测试结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及加速器超导磁体测试设备技术领域，尤其是涉及一种应用于单饼铌三锡(Nb3Sn)异型超导磁体测试的新型Mirror(磁镜)测试结构及其设计方法。
背景技术
随着超导磁体的不断开发应用，铌三锡超导体凭借其高超导转变温度、高上临界磁场和高临界电流密度的特点，成为制作10T以上超导磁体最理想的高场超导材料之一。例如，建成运行于45GHz第四代超导离子源装置FECR研制的核心技术之一就是以铌三锡超导线圈为主要技术特点的异型超导磁体。
目前，针对超导磁体，室温下常规的预紧方式主要有以下两种：1)在线圈外，通过控制紧固带(不锈钢丝或铝丝)绕制张力和厚度的大小来预紧磁体，这种方法只能针对形状规则的几何体；2)通过铝环热套的方式紧固磁体，然而这种方法不能对预紧、测试设备进行反复拆装。
铌三锡是具有脆性的A15晶体结构，材料超导性能易受应变的影响，因此需要严格精确控制施加在铌三锡超导磁体上的预应力。目前国内还没有针对全尺寸铌三锡异型超导线圈的预紧和测试设备。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种Mirror测试结构及其设计方法，该方法能够为全尺寸铌三锡异型超导磁体提供精确的施加预应力和测试的Mirror(磁镜)测试结构。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的第一个方面，是提供一种Mirror测试结构，其包括：铌三锡线圈组件、铁轭组件、垫板组件、预紧组件以及铝壳；所述铁轭组件包括衬垫、上铁芯和下铁芯；所述下铁芯和上铁芯均采用半圆柱体结构，且所述下铁芯上表面设置有与所述铌三锡线圈组件的下表面相匹配的凸型槽，所述上铁芯的下表面设置有与所述衬垫上表面相匹配的凹型槽，所述上铁芯与所述下铁芯两侧设置有相匹配的栓孔；所述衬垫采用长方体结构，所述长方体结构的下表面中部设置有与所述铌三锡线圈组件的上表面相匹配的凹型槽，所述长方体结构两侧设置有凸缘，所述凸缘与所述下铁芯相应位置处均设置有栓孔；所述铌三锡线圈组件设置在所述下铁芯与所述衬垫之间，且所述铌三锡线圈组件包括线圈、芯轴和端靴，所述线圈绕制在所述芯轴上，所述线圈两端与所述端靴相连；所述垫板组件包括第一垫板和第二垫板，且所述第一垫板设置在所述铌三锡线圈组件上表面与所述衬垫之间，所述第二垫板设置在所述铌三锡线圈组件两侧面与所述下铁芯之间；所述预紧组件用于按照测试需求对所述铌三锡线圈组件进行预紧；所述铝壳包覆在由所述铌三锡线圈组件、垫板组件和铁轭组件围成的圆柱体结构外部。
进一步的，所述预紧组件包括金属压力气囊、塞条、拉杆、端板、第一推板和第二推板；所述金属压力气囊设置在所述上铁芯与所述衬垫之间，用于采用Bladder-key技术在所述上铁芯与所述衬垫之间加压使两者分离；所述塞条设置在所述金属压力气囊两侧，用于在所述上铁芯与衬垫分离时塞入所述上铁芯和衬垫之间，对所述铌三锡线圈组件进行径向预紧；所述拉杆包括四根，分别设置在所述上铁芯和下铁芯内；所述第一推板和第二推板叠放设置在所述铌三锡线圈组件的端部，所述第一推板通过顶丝与所述端板相连，所述端板上设置有与各所述拉杆位置相匹配的栓孔，通过螺母与各所述拉杆相连，用于对所述铌三锡线圈组件进行轴向预紧。
进一步的，所述Mirror测试结构包括半尺寸Mirror测试结构和全尺寸Mirror测试结构；所述半尺寸Mirror测试结构所测试的铌三锡异性超导线组件的参数为：内径200mm，外径276mm，长度428.5mm，电流密度343A/mm；所述全尺寸Mirror结构测试所测试的铌三锡异型超导线组件参数为：内径200mm，外径276mm，长度937.4mm，电流密度386A/mm。
进一步的，所述半尺寸Mirror测试结构中，各所述拉杆的位置为：垂直方向：上拉杆距所述Mirror测试结构中心100mm，下拉杆距Mirror测试结构中心100mm；水平方向：上下拉杆距模型中心50mm；所述全尺寸Mirror测试结构中，各所述拉杆的位置为：垂直方向：上拉杆距所述Mirror测试结构中心100mm，下拉杆距所述Mirror测试结构中心115mm；水平方向：上下拉杆距所述Mirror测试结构中心50mm。
本发明的第二个方面，是提供一种Mirror测试结构的设计方法，其包括以下步骤：1)根据待测试超导磁体的相关参数，设计Mirror测试结构；2)利用ANSYS对步骤1)中设计的Mirror测试结构进行二维电磁-结构耦合分析，得到径向优化后的Mirror测试结构及其径向设计参数；3)利用ANSYS对步骤2)中径向优化后的Mirror测试结构进行轴向优化并验证其径向设计参数，得到最终的Mirror测试结构；4)以最终的Mirror测试结构为基础，结合实际工程经验确定的制作余量，得到待测试超导磁体的Mirror测试结构的工程图。
进一步的，所述步骤2)中，利用ANSYS对步骤1)中设计的Mirror测试结构进行二维电磁-结构耦合分析，得到径向优化后的Mirror测试结构及其径向设计参数的方法，包括以下步骤：2.1)确定Mirror测试结构的径向设计参数，所述径向设计参数包括Mirror测试结构的模型尺寸、零件材料、Bladder打压值和径向预紧值；2.2)基于步骤1)确定的Mirror测试结构，建立Mirror测试结构的二维磁场模型，并进行磁场分析，得到磁场分析结果；2.3)基于步骤2.2)中建立的Mirror测试结构的二维磁场模型以及磁场分析结果，进行结构分析，得到结构分析结果；2.4)基于步骤2.2)和步骤2.3)中二维电磁-结构耦合分析出的结果，不断对Mirror测试结构的径向设计参数进行调整，直到优化出理想的Mirror测试结构的径向设计参数。
进一步的，所述步骤2.2)中，进行磁场分析的方法包括以下步骤：2.2.1)对Mirror测试结构的径向设计参数中的模型尺寸、零件材料进行参数化；2.2.2)利用自底向上的建模方式进行建模，得到Mirror测试结构的二维磁场模型；2.2.3)对建立的Mirror测试结构的二维磁场模型进行网格划分、添加电流载荷以及边界条件，并进行磁场计算，得到磁场分析结果。
进一步的，所述步骤2.3)中，进行结构分析的方法包括以下步骤：2.3.1)在Mirror测试结构的二维磁场模型的基础上，得到Mirror测试结构的二维结构模型；2.3.2)对Mirror测试结构的Bladder打压值和径向预紧值进行参数化；2.3.3)为Mirror测试结构的二维结构模型定义接触对，并设置对称边界条件；2.3.4)根据实际装配需求对Mirror测试结构的二维结构模型依次加载压力载荷、径向预紧力、热载荷和线圈电磁力，并得到结构分析结果。
进一步的，所述步骤3)中，利用ANSYS对步骤2)中径向优化后的Mirror测试结构进行轴向优化并验证其径向设计参数，得到最终的Mirror测试结构的方法，包括以下步骤：3.1)确定Mirror测试结构的轴向设计参数，所述轴向设计参数包括轴向预紧值大小和轴向结构参数；3.2)基于步骤2)中的Mirror测试结构的二维结构模型构建三维结构模型，并对三维结构模型进行结构分析，得到结构分析结果；3.3)利用步骤3.2)中的ANSYS三维结构分析计算的结果不断对Mirror测试结构的轴向设计参数进行优化并验证Mirror测试结构的径向设计参数，最终优化出完整的Mirror测试结构模型。
进一步的，所述步骤3.2)中，基于步骤2)中的Mirror测试结构的二维结构模型构建三维结构模型，并对三维结构模型进行结构分析，得到结构分析结果的方法，包括以下步骤：3.2.1)对Mirror测试结构的轴向设计参数进行参数化；3.2.2)对Mirror测试结构的二维结构模型进行拉升，依据自底向上的建模方法建立轴向模型，得到Mirror测试结构的三维结构模型；3.2.3)对Mirror测试结构的三维结构模型进行网格划分、定义接触对，并施加对称边界条件；3.2.4)根据实际装配需求对Mirror测试结构的三维结构模型依次加载压力载荷、径向预紧力、轴向预紧力、热载荷和线圈电磁力，并得到结构分析结果。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明涉及的Mirror测试结构中，衬垫和下铁芯之间设置有栓孔，一方面使得衬垫和下铁芯之间进行定位更加顺利装配，另一方面将外部辅助预紧垫平方式优化为利用Mirror(磁镜)结构的Pad(衬垫)和下铁芯对线圈进行预紧垫平，以实现精确控制。2)本发明对拉杆在上铁芯和下铁芯的位置进行了优化，将上下拉杆距支撑点的力臂不同优化为上下拉杆距支撑点的力臂相同，以实现方便操作。3)本发明设计的Mirror测试结构为判定铌三锡异型超导磁体经过绕制、热处理、环氧浸渍等一系列工艺过程后电磁性能是否能够达到设计指标，提供了必须的测试装置。4)本发明中通过ANSYS二维和三维的计算和优化结果，分别给出了铌三锡异型超导磁体在Bladder打压、径向预紧、轴向预紧、冷却降温到4.3K和加电励磁过程中线圈所承受的最大应力。5)本发明通过ANSYS二维和三维的计算和优化结果，给出了铌三锡异型超导磁体的Bladder打压值、径向预紧值和轴向预紧值，以指导和完成Mirror测试结构的室温装配。通过掌握Mirror(磁镜)结构设计的关键技术，填补了国内该结构在异型超导磁体上应用的技术空白，为未来对异型超导磁体进行精确预紧和测试提供了宝贵的参考价值。因此，本发明可以广泛应用于超导磁体设备技术领域。
附图说明
图1a和图1b是本发明Mirror测试结构的三维模型图(四分之一有限元模型)，图1a是三维立体模型，图1b是三维平面模型；
图2是本发明Mirror测试结构的工程轴向方向截面图；
图3是本发明Mirror测试结构的工程径向方向截面图；
图4是本发明Mirror测试结构的拉杆位置示意图；
图5是本发明线圈外形(上表面)垫平预紧操作示意图；
图6a和图6b是本发明待测试铌三锡异型超导磁体(ANSYS有限元模型)，图6a是三维图，图6b是截面图；
图7是本发明ANSYS二维分析设计及优化流程；
图8是本发明ANSYS三维分析设计及优化流程；
图9a和图9b是本发明Mirror测试结构的二维模型图(二分之一ANSYS有限元模型)，图9a是磁场模型，图9b是结构模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1～图6所示，本发明提供的一种Mirror测试结构，其包括：铌三锡线圈组件1、铁轭组件2、预紧组件3、垫板组件4以及铝壳5。其中，铁轭组件2包括衬垫21、上铁芯22和下铁芯23；上铁芯22和下铁芯23均采用半圆柱体结构，且下铁芯23上表面设置有与铌三锡线圈组件1的下表面相匹配的凸型槽，上铁芯22的下表面设置有与衬垫21上表面相匹配的凹型槽，上铁芯22与下铁芯23两侧设置有相匹配的栓孔；衬垫21采用长方体结构，该长方体结构的下表面中部设置有与铌三锡线圈组件1的上表面相匹配的凹型槽，长方体结构两侧设置有凸缘，凸缘与下铁芯23相应位置处设置有相匹配的栓孔(如图5所示)；铌三锡线圈组件1设置在下铁芯23与衬垫21之间，铌三锡线圈组件1包括线圈11、芯轴12和端靴13，线圈11绕制在芯轴12上，线圈12两端与端靴13相连(如图6a和6b所示)；垫板组件4包括第一垫板41和第二垫板42，且第一垫板41设置在铌三锡线圈组件1上表面与衬垫21之间，第二垫板42设置在铌三锡线圈组件1两侧面与下铁芯23之间；预紧组件3设置在上铁芯22、下铁芯23以及上铁芯22与衬垫21之间，用于按照测试需求对铌三锡线圈组件1进行预紧；铝壳5包覆在由铌三锡线圈组件1、铁轭组件2和垫板组件4围成的圆柱体结构外部。
进一步的，如图1a和图1b所示，预紧组件3包括金属压力气囊(Bladder)31、塞条(Load-keys)32、拉杆33、端板34、第一推板35和第二推板36。其中，金属压力气囊设31置在上铁芯22与衬垫21之间，用于采用Bladder-key技术在上铁芯22与衬垫21之间加压使两者分离；塞条32设置在金属压力气囊31两侧，用于在上铁芯22与衬垫21分离时塞入到上铁芯22和衬垫21之间；拉杆33包括四根，分别设置在上铁芯22和下铁芯23内；第一推板35和第二推板36设置在铌三锡线圈组件1的端部，并叠放在一起，第一推板35通过顶丝与端板34相连，端板34上设置有与拉杆33位置相匹配的栓孔，通过螺母与四根拉杆33相连。
进一步的，Mirror测试结构包括半尺寸Mirror测试结构和全尺寸Mirror测试结构，根据待测铌三锡线圈组件的相关参数而区分，半尺寸Mirror测试结构所测试的铌三锡异性超导线圈的参数为：内径200mm，外径276mm，长度428.5mm，电流密度343A/mm；全尺寸Mirror结构测试的铌三锡异型超导线圈参数为：200mm，外径276mm，长度937.4mm，电流密度386A/mm。
进一步的，如图4a和图4b所示，半尺寸Mirror测试结构中，各拉杆的位置为：垂直方向：上拉杆距模型中心100mm，下拉杆距模型中心100mm；水平方向：上下拉杆距模型中心50mm。全尺寸Mirror测试结构中，各拉杆的位置为：垂直方向：上拉杆距模型中心100mm，下拉杆距模型中心115mm；水平方向：上下拉杆距模型中心50mm。
下面对Mirror测试结构的使用方法做简单介绍：
首先，垫平：如图5所示，预紧前，需对铌三锡线圈外形(即上表面)进行垫平，方法为：在铌三锡线圈组件1和第一垫板41之间铺放压敏纸，再利用衬垫21和下铁芯23之间的螺钉对铌三锡线圈组件1进行预紧，之后松开螺钉取出压敏纸，通过压敏纸颜色显示的深浅，对铌三锡线圈组件1进行垫平，垫平材料可以选择胶带。
其次，预紧：预紧包括室温下的径向方向预紧和轴向方向预紧。径向预紧时，利用Bladder-key技术实现对铌三锡线圈组件1件径向预紧，即向Bladder内注入高压水使衬垫21和上铁芯22之间打开，然后将塞条32插入；轴向预紧时，对4个拉杆33进行预紧，拉杆33的预紧力传递到端板34，再通过第一推板35和第二推板36传递到铌三锡线圈组件1上，进而实现对铌三锡线圈组件1的轴向预紧。
再次，降温冷却：预紧完成后，将Mirror测试结构由300K降到4.3K，降温过程中持续对铌三锡线圈组件1进行预紧。
最后，加电励磁：向铌三锡线圈组件1加电励磁，并测试铌三锡线圈组件的性能。
基于上述Mirror测试结构，本发明还提供一种Mirror测试结构的设计方法，其包括以下步骤：
1)根据待测试超导磁体的相关参数，设计Mirror测试结构。
如图1a和图1b所示，本发明中的超导磁体采用铌三锡线圈组件，根据其相关参数对Mirror测试结构进行设计。本发明以全尺寸Mirror测试结构为例进行介绍。
2)利用ANSYS(大型通用有限元分析软件)对步骤1)中设计的Mirror测试结构进行二维电磁-结构耦合分析，得到径向优化后的Mirror测试结构及其径向设计参数。
如图7所示，具体的，包括以下步骤：
2.1)确定Mirror测试结构的径向设计参数，该径向设计参数包括Mirror测试结构的模型尺寸、零件材料、Bladder打压值和径向预紧值。
具体的，Mirror测试结构的径向设计参数包括：1)径向方向上Mirror测试结构的每个零件尺寸，尤为重要的是Bladder和塞条在Mirror测试结构中的位置及它们自身的宽度、铝壳内径、铝壳厚度；2)Bladder最大打压值；3)径向预应力大小；4)Mirror测试结构中第一垫板41和第二垫板42的材料。
2.2)基于步骤1)确定的Mirror测试结构，建立Mirror测试结构的二维磁场模型，并进行磁场分析，得到磁场分析结果。
具体的，包括以下步骤：
2.2.1)对Mirror测试结构的径向设计参数中的模型尺寸、零件材料进行参数化。
为了能够实现优化，本发明中Mirror测试结构的模型尺寸、预应力全部采用参数化。例如，线圈内径200mm＝A，线圈厚度38mm＝B，那么在建模时线圈外径用A+B代替，即用一组参数来约定尺寸关系。
2.2.2)利用自底向上的建模方式进行建模，得到Mirror测试结构的二维磁场模型。
如图9a所示，为建立的Mirror测试结构的二维磁场模型。该磁场模型包括铌三锡线圈组件1、铁轭组件2、垫板组件4、铝壳5、空气层和边界层。其中，铌三锡线圈1包括线圈11和芯轴12，线圈11绕制在芯轴12上；铁轭组件2包括衬垫21、上铁芯22、下铁芯23；垫板组件4包括第一垫板41和第二垫板42；衬垫21设置在铌三锡线圈组件1上侧，且衬垫21下表面设置有与铌三锡线圈1上表面相匹配的弧形凹槽，衬垫21下表面与铌三锡线圈1上表面之间设置有第一垫板41；下铁芯的上表面设置有与铌三锡线圈下表面相匹配的弧形凸槽，且下铁芯23与铌三锡线圈两侧面之间设置有第二垫板42；铝壳5套设在上铁芯22和下铁芯23外部，空气层和边界层依次设置在铝壳5外。
2.2.3)对建立的Mirror测试结构的二维磁场模型进行网格划分、添加电流载荷以及边界条件，并进行磁场计算，得到磁场分析结果。
本发明中，添加的电流密度为386A/mm；添加的边界条件为在-90°和90°的节点上施加对称边界条件。对Mirror测试结构的二维磁场模型进行网格划分、施加载荷以及磁场计算的方法，为本领域技术人员公知技术，本发明在此不再赘述。为了不影响计算结果，本发明采用规则网格进行划分，并引入接触分析。
2.3)基于步骤2.2)中建立的Mirror测试结构的二维磁场模型以及磁场分析结果，进行结构分析，得到结构分析结果。
具体的，包括以下步骤：
2.3.1)如图9b所示，在Mirror测试结构的二维磁场模型的基础上去掉空气和边界层，得到Mirror测试结构的二维结构模型。
2.3.2)对Mirror测试结构的Bladder(金属压力气囊)打压值和径向预紧值进行参数化，主要包括Bladder最大打压值和径向预应力大小。
2.3.3)Mirror测试结构的二维结构模型定义接触对，并设置对称边界条件。
2.3.4)根据实际装配需求对Mirror测试结构的二维结构模型依次加载压力载荷、径向预紧力、热载荷和线圈电磁力，并得到结构分析结果。
本发明中，对Mirror测试结构在室温Bladder打压(第一载荷步)、径向预紧(第二载荷步)、冷却降温4.3K(第三载荷步)和加电励磁(第四载荷步：输入磁场分析结果)进行分析计算。其中，添加压力载荷时，分别在Bladder与衬垫、上铁芯的接触面上施加均布压力载荷，以模拟Bladder中高压水对Mirror测试结构的径向预紧作用；施加边界条件时，在-90°和90°的节点上施加对称边界条件，并利用接触单元建立接触对，以实现各零部件的载荷传递。为了尽可能真实反映出零部件间的实际接触状态，本发明利用接触单元建立接触对以实现各零部件间的载荷传递，各零件之间都建立了接触对，最重要的一个接触对是：Load-keys和上铁芯之间。其中，定义接触对以及施加对称边界条件的方法，均为本领域技术公知技术，本发明在此不再赘述。
2.4)依据设计原则，基于步骤2.2)和步骤2.3)中利用二维电磁-结构耦合分析出的结果，不断对Mirror测试结构的径向设计参数进行调整，直到优化出理想的Mirror测试结构的径向设计参数。
本发明中，理想的Mirror测试结构应符合以下设计原则：
(a)铌三锡磁体在室温下的等效应力小于100MPa，冷却和加电励磁下的等效应力小于150MPa，且在加电励磁过程中线圈、铁芯、端靴之间始终存在接触压力；
(b)其它结构件的最大应力均控制在许用应力范围内。
3)利用ANSYS(大型通用有限元分析软件)对步骤2)中径向优化后的Mirror测试结构进行轴向优化并验证其径向设计参数，得到最终的Mirror测试结构。
由于二维分析，只能对铌三锡磁体的径向方向进行预应力分析，无法分析出线圈轴向受力情况，因此必须对Mirror测试结构进行三维分析和优化。
3.1)确定Mirror测试结构的轴向设计参数，轴向设计参数包括轴向预紧值大小和轴向结构参数。
Mirror测试结构对设计参数进行调整时，依据设计准则，对以下参数进行调整：1)除线圈外，验证径向方向上Mirror测试结构的每个零件尺寸，尤为重要的是Bladder和塞条在Mirror测试结构中的位置及它们自身的宽度、铝壳内径、铝壳厚度；2)验证Bladder最大打压值；3)验证径向预应力大小；4)除线圈外，验证Mirror测试结构中第一垫板41和第二垫板42的材料；5)轴向预紧值大小；6)轴向结构参数，尤其重要的是拉杆截面尺寸。
3.2)基于步骤2)中的Mirror测试结构的二维结构模型构建三维结构模型，并对三维结构模型进行结构分析，得到结构分析结果。
具体的，包括以下步骤：
3.2.1)对Mirror测试结构的轴向设计参数进行参数化。
3.2.2)对Mirror测试结构的二维结构模型进行拉升，依据自底向上的建模方法建立轴向模型，得到Mirror测试结构的三维结构模型。
如图1a和图1b所示，对二维优化出的径向Mirror模型进行拉升后(以二维最优模型为基础)，依据自底向上的建模方法建立了轴向模型，由于模型具有对称性，所以ANSYS分析计算采用四分之一Mirror测试结构模型。该Mirror测试结构的三维结构模型包括铌三锡线圈组件1、衬垫21、上铁芯22、下铁芯23、垫板41、垫板42、铝壳5、拉杆33、端板34、推板35、推板36和螺母。其中，铌三锡线圈组件1包括线圈11、芯轴12和端靴13，线圈11绕制在芯轴12上，线圈11两端与端靴13相连；衬垫21设置在铌三锡线圈组件1上侧，且衬垫21下表面设置有与铌三锡线圈组件1上表面相匹配的弧形凹槽，衬垫21下表面与铌三锡线圈组件1上表面之间设置有第一垫板41；铌三锡线圈组件1与下铁芯23之间设置有第二垫板42；铝壳5套设在上铁芯22和下铁芯23外部。
3.2.3)对Mirror测试结构的三维结构模型进行网格划分、定义接触对，并施加对称边界条件。其中，网格划分、定义接触对以及施加对称边界条件的方法，均为本领域技术公知技术，本发明在此不再赘述。
3.2.4)根据实际装配需求对Mirror测试结构的三维结构模型进行载荷步加载，并得到结构分析结果。
本发明中，对Mirror测试结构的三维结构模型进行载荷步加载是指分别对Mirror测试结构在室温Bladder打压(第一载荷步)、径向预紧(第二载荷步)、轴向预紧(第三载荷步)、冷却降温到4.3K(第四载荷步)和加电励磁(第五载荷步)进行分析计算。
3.3)依据设计原则，利用步骤3.2)中的ANSYS三维结构分析计算的结果不断对Mirror测试结构的轴向设计参数进行优化并验证Mirror测试结构的径向设计参数，最终优化出完整的Mirror测试结构模型。
4)如图2和图3所示，以最终的Mirror测试结构为基础，结合实际工程经验确定的制作余量，得到待测试超导磁体的Mirror测试结构的工程图。
利用ANSYS计算优化出的Mirror测试结构尺寸，主要考虑零部件之间的定位及装配，最终设计出了Mirror测试结构的工程图。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种Mirror测试结构的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据待测试超导磁体的相关参数，设计Mirror测试结构；
所述Mirror测试结构包括铌三锡线圈组件、铁轭组件、垫板组件、预紧组件以及铝壳；
所述铁轭组件包括衬垫、上铁芯和下铁芯；
所述下铁芯和上铁芯均采用半圆柱体结构，且所述下铁芯上表面设置有与所述铌三锡线圈组件的下表面相匹配的凸型槽，所述上铁芯的下表面设置有与所述衬垫上表面相匹配的凹型槽，所述上铁芯与所述下铁芯两侧设置有相匹配的栓孔；所述衬垫采用长方体结构，所述长方体结构的下表面中部设置有与所述铌三锡线圈组件的上表面相匹配的凹型槽，所述长方体结构两侧设置有凸缘，所述凸缘与所述下铁芯相应位置处均设置有栓孔；
所述铌三锡线圈组件设置在所述下铁芯与所述衬垫之间，且所述铌三锡线圈组件包括线圈、芯轴和端靴，所述线圈绕制在所述芯轴上，所述线圈两端与所述端靴相连；
所述垫板组件包括第一垫板和第二垫板，且所述第一垫板设置在所述铌三锡线圈组件上表面与所述衬垫之间，所述第二垫板设置在所述铌三锡线圈组件两侧面与所述下铁芯之间；
所述预紧组件用于按照测试需求对所述铌三锡线圈组件进行预紧；
所述铝壳包覆在由所述铌三锡线圈组件、铁轭组件和垫板组件围成的圆柱体结构外部；
所述预紧组件包括金属压力气囊、塞条、拉杆、端板、第一推板和第二推板；
所述金属压力气囊设置在所述上铁芯与所述衬垫之间，用于采用Bladder-key技术在所述上铁芯与所述衬垫之间加压使两者分离；
所述塞条设置在所述金属压力气囊两侧，用于在所述上铁芯与衬垫分离时塞入所述上铁芯和衬垫之间，对所述铌三锡线圈组件进行径向预紧；
所述拉杆包括四根，分别设置在所述上铁芯和下铁芯内；
所述第一推板和第二推板叠放设置在所述铌三锡线圈组件的端部，所述第一推板通过顶丝与所述端板相连，所述端板上设置有与各所述拉杆位置相匹配的栓孔，通过螺母与各所述拉杆相连，用于对所述铌三锡线圈组件进行轴向预紧；
所述Mirror测试结构采用半尺寸Mirror测试结构或全尺寸Mirror测试结构；
所述半尺寸Mirror测试结构所测试的铌三锡异性超导线组件的参数为：内径200mm，外径276mm，长度428.5mm，电流密度343A/mm2；
所述全尺寸Mirror结构测试所测试的铌三锡异型超导线组件参数为：内径200mm，外径276mm，长度937.4mm，电流密度386A/mm2；
2)利用ANSYS对步骤1)中设计的Mirror测试结构进行二维电磁-结构耦合分析，得到径向优化后的Mirror测试结构及其径向设计参数；
3)利用ANSYS对步骤2)中径向优化后的Mirror测试结构进行轴向优化并验证其径向设计参数，得到最终的Mirror测试结构；
4)以最终的Mirror测试结构为基础，结合实际工程经验确定的制作余量，得到待测试超导磁体的Mirror测试结构的工程图。
2.如权利要求1所述的一种Mirror测试结构的设计方法，其特征在于：所述步骤2)中，利用ANSYS对步骤1)中设计的Mirror测试结构进行二维电磁-结构耦合分析，得到径向优化后的Mirror测试结构及其径向设计参数的方法，包括以下步骤：
2.1)确定Mirror测试结构的径向设计参数，所述径向设计参数包括Mirror测试结构的模型尺寸、零件材料、Bladder打压值和径向预紧值；
2.2)基于步骤1)确定的Mirror测试结构，建立Mirror测试结构的二维磁场模型，并进行磁场分析，得到磁场分析结果；
2.3)基于步骤2.2)中建立的Mirror测试结构的二维磁场模型以及磁场分析结果，进行结构分析，得到结构分析结果；
2.4)基于步骤2.2)和步骤2.3)中二维电磁-结构耦合分析出的结果，不断对Mirror测试结构的径向设计参数进行调整，直到优化出理想的Mirror测试结构的径向设计参数。
3.如权利要求2所述的一种Mirror测试结构的设计方法，其特征在于：所述步骤2.2)中，进行磁场分析的方法包括以下步骤：
2.2.1)对Mirror测试结构的径向设计参数中的模型尺寸、零件材料进行参数化；
2.2.2)利用自底向上的建模方式进行建模，得到Mirror测试结构的二维磁场模型；
2.2.3)对建立的Mirror测试结构的二维磁场模型进行网格划分、添加电流载荷以及边界条件，并进行磁场计算，得到磁场分析结果。
4.如权利要求2所述的一种Mirror测试结构的设计方法，其特征在于：所述步骤2.3)中，进行结构分析的方法包括以下步骤：
2.3.1)在Mirror测试结构的二维磁场模型的基础上，得到Mirror测试结构的二维结构模型；
2.3.2)对Mirror测试结构的Bladder打压值和径向预紧值进行参数化；
2.3.3)为Mirror测试结构的二维结构模型定义接触对，并设置对称边界条件；
2.3.4)根据实际装配需求对Mirror测试结构的二维结构模型依次加载压力载荷、径向预紧力、热载荷和线圈电磁力，并得到结构分析结果。
5.如权利要求2所述的一种Mirror测试结构的设计方法，其特征在于：所述步骤3)中，利用ANSYS对步骤2)中径向优化后的Mirror测试结构进行轴向优化并验证其径向设计参数，得到最终的Mirror测试结构的方法，包括以下步骤：
3.1)确定Mirror测试结构的轴向设计参数，轴向设计参数包括轴向预紧值大小和轴向结构参数；
3.2)基于步骤2)中的Mirror测试结构的二维结构模型构建三维结构模型，并对三维结构模型进行结构分析，得到结构分析结果；
3.3)利用步骤3.2)中的ANSYS三维结构分析计算的结果不断对Mirror测试结构的轴向设计参数进行优化并验证Mirror测试结构的径向设计参数，最终优化出完整的Mirror测试结构模型。
6.如权利要求5所述的一种Mirror测试结构的设计方法，其特征在于：所述步骤3.2)中，基于步骤2)中的Mirror测试结构的二维结构模型构建三维结构模型，并对三维结构模型进行结构分析，得到结构分析结果的方法，包括以下步骤：
3.2.1)对Mirror测试结构的轴向设计参数进行参数化；
3.2.2)对Mirror测试结构的二维结构模型进行拉升，依据自底向上的建模方法建立轴向模型，得到Mirror测试结构的三维结构模型；
3.2.3)对Mirror测试结构的三维结构模型进行网格划分、定义接触对，并施加对称边界条件；
3.2.4)根据实际装配需求对Mirror测试结构的三维结构模型依次加载压力载荷、径向预紧力、轴向预紧力、热载荷和线圈电磁力，并得到结构分析结果。
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