CN117236080A - 水冷磁体Bitter片综合应力计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水冷磁体Bitter片综合应力计算方法及系统,方法包括在有限元分析软件中利用无螺旋升角的3维带切缝的若干Bitter片构建简化的线圈模型;对所述线圈模型进行网格划分,得到网格划分节点;对网格划分后的线圈模型施加边界条件和载荷条件后进行仿真,其中,所述边界条件包括对所述线圈模型上下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件以及在所有Bitter片间的接触面设置接触对,所述载荷条件包括将电磁力载入线圈模型的所有节点及在线圈模型的上端面施加轴向力;基于仿真结果,计算Bitter片的应力分布;本发明在兼顾计算量和收敛性的同时获得Bitter片更高精度的应力分布。
Description
技术领域
本发明涉及水冷磁体仿真技术领域,具体涉及一种水冷磁体Bitter片综合应力计算方法及系统。
背景技术
水冷磁体是稳态强磁场实验设施的重要组成部分,是强磁场实验室的主体实验装置,由于其具有磁场强度高、升场速率快等特点,成为了备受关注的极端条件实验平台,水冷磁体目前最高磁场可达40T以上。Bitter片(如图1)和绝缘片(如图2)是组成水冷磁体线圈的两个基本元素,Bitter片上布满冷却水孔,并开有一条沿径向的切缝;按照图3所示的堆叠方式,将Bitter片和绝缘片通过特定规律的错位堆叠形成螺旋上升的电流通道,形成水冷磁体线圈(如图4)。
由于Bitter片要承受巨大电磁力,通常采用高强度高电导的铜合金材料,准确计算Bitter片在电磁力作用下的应力分布是水冷磁体设计的关键。文献“Design of theResistive Insert for the Nijmegen 45 T Hybrid Magnet,IEEE TRANSACTIONS ONAPPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 30, NO. 4, JUNE 2020”中提出Bitter片应力计算采用ANSYS中2维圆周对称模型,但2维圆周对称模型只能计算沿径向的电磁力产生的应力,无法计算垂直于Bitter片平面的轴向电磁压力及Bitter片间相互作用的摩擦力对应力分布的影响,此外2维圆周对称模型忽略了Bitter片上切缝的存在,进而忽略切缝对应力分布的影响。因此Bitter片2维圆周对称模型计算应力误差较大,无法准确计算Bitter片上真实应力分布。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何在兼顾计算量和收敛性的同时获得Bitter片更高精度的应力分布。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的:
本发明提出了一种水冷磁体Bitter片综合应力计算方法,所述方法包括:
在有限元分析软件中利用无螺旋升角的3维带切缝的若干Bitter片构建简化的线圈模型;
对所述线圈模型进行网格划分,得到网格划分节点;
对网格划分后的线圈模型施加边界条件和载荷条件后进行仿真,其中,所述边界条件包括对所述线圈模型上、下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件以及在所有Bitter片间接触面设置接触对,所述载荷条件包括将电磁力载入线圈模型的所有节点及在线圈模型的上端面施加轴向力;
基于仿真结果,计算Bitter片的应力分布。
进一步地,设置所述导体-绝缘片接触对之间的摩擦系数为绝缘接触面摩擦系数,设置所述导体-导体接触对的摩擦系数为导体接触面摩擦系数。
进一步地,所述线圈模型包括由下到上依次布置的若干Bitter片,各所述Bitter片的切缝角度沿同一方向增加。
进一步地,所述线圈模型包括由下到上依次布置的Bitter片DISK1、DISK2、DISK3、DISK4及DISK5,其中DISK1、DISK5的切缝角度均为180度,DISK2、DISK3、DISK4的切缝角度分别为360-a度、0度、a度,a为绝缘片的扇形角度。
进一步地,所述Bitter片DISK1与所述Bitter片DISK2之间接触角度为360-2a至360-a之间的接触对为导体-绝缘片接触对,接触角度为0至360-2a和360-a至360之间的接触对为导体-导体接触对;
所述Bitter片DISK2与所述Bitter片DISK3之间接触角度为360-a至360的接触对为导体-绝缘片接触对,接触角度为0至360-a的接触对为导体-导体接触对;
所述Bitter片DISK3与所述Bitter片DISK4之间接触角度为0至a的接触对为导体-绝缘片接触对,接触角度为a至360的接触对为导体-导体接触对;
所述Bitter片DISK4与所述Bitter片DISK5之间接触角度为a至2a的接触对为导体-绝缘片接触对,接触角度为0至a和2a至360的接触对为导体-导体接触对。
进一步地,所述Bitter片DISK2、DISK3及DISK4均为径向膨胀和切缝悬臂梁式移动的叠加态。
进一步地,所述对所述线圈模型上下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件,包括:
分别对所述线圈模型中位于上、下端面的Bitter片的切缝上对应节点位移进行耦合;
设定下端面Bitter片上所有节点轴向位移为0,限定下端面Bitter片上节点编号最大的节点所有位移都为0。
此外,本发明还提出了一种水冷磁体Bitter片综合应力计算系统,所述系统包括:
模型构建模块,用于在有限元分析软件中利用无螺旋升角的3维带切缝的若干Bitter片构建简化的线圈模型;
模型划分模块,用于对线圈模型进行网格划分,得到网格划分节点;
条件施加模块,用于对网格划分后的线圈模型施加边界条件和载荷条件后进行仿真,其中,所述边界条件包括对所述线圈模型上、下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件以及在所有Bitter片间的接触面设置接触对,其中所述接触对包括导体-绝缘片接触对及导体-导体接触对,所述载荷条件包括将电磁力载入线圈模型的所有节点及在线圈模型的上端面施加轴向力;
应力计算模块,用于基于仿真结果,计算Bitter片的应力分布。
进一步地,设置所述导体-绝缘片接触对之间的摩擦系数为绝缘接触面摩擦系数,设置所述导体-导体接触对的摩擦系数为导体接触面摩擦系数。
进一步地,所述线圈模型包括由下到上依次布置的若干Bitter片,各所述Bitter片的切缝角度沿同一方向增加。
本发明的优点在于:
(1)本发明首先忽略Bitter片在线圈中微小的螺旋升角,在有限元分析软件中建立无螺旋升角的3维带切缝的Bitter片模型,同时设置的边界条件包括在Bitter片间的接触面设置导体-绝缘片接触对及导体-导体接触对来模拟Bitter片间摩擦力的相互作用场景,从而代替线圈模型中的绝缘片结构,实现简化掉模型中的绝缘片结构,通过对若干无螺旋升角的3维带切缝的Bitter片模型进行复制旋转操作组成线圈简化计算模型;简化线圈模型的作用在于:将螺旋面接触转化为平面接触和去除绝缘片结构,提高了有限元计算的收敛性;且由若干Bitter片片组装替代完整线圈,大大减小计算量。并且将轴向电磁力、Bitter片间摩擦力和切缝等因素纳入应力计算,解决了轴向电磁力施加和切缝对应力分布影响的问题,使得所计算的Bitter片应力分布精度更高,更加符合实际应力分布。本发明既能保证线圈模型足够简化又能解决Bitter片2维圆周对称模型的痛点问题。
(2)通过在Bitter片间的接触面设置接触对(Contact pair),设置导体-绝缘片接触对之间的摩擦系数为绝缘接触面摩擦系数,设置导体-导体接触对的摩擦系数为导体接触面摩擦系数,模拟了Bitter片间摩擦力的相互作用场景。
(3)本发明利用5片Bitter片堆叠模拟了Bitter片间摩擦力的相互作用场景,对线圈模型上端面和下端面的Bitter片上的切缝施加对应节点位移耦合条件,计算本质上是去掉切缝,实现了完整360度连续,模拟上端面、下端面的Bitter片在电磁力作用下径向同步膨胀;对于上、下端面之间的Bitter片,将相邻片间沿同一方向增加一个绝缘角度,模拟线圈叠片中真实排布,不对上、下端面之间的Bitter片上的切缝进行任何限制,使得线圈模型中Bitter片的工况与实际水冷磁体线圈中Bitter片的真实工况一致。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明背景技术部分提及的水冷磁体Bitter片结构示意图;
图2是本发明背景技术部分提及的水冷磁体绝缘片结构示意;
图3是本发明背景技术部分提及的水冷磁体线圈的叠片方式示意图;
图4是本发明背景技术部分提及的水冷磁体线圈结构示意图;
图5是本发明实施例提出的一种水冷磁体Bitter片综合应力计算方法的流程示意图;
图6是本发明实施例所构建的线圈模型爆炸图;
图7是本发明实施例中Bitter片DISK1应力分布图;
图8是本发明实施例中Bitter片DISK3应力分布图;
图9是本发明实施例提出的一种水冷磁体Bitter片综合应力计算系统的结构示意图。
图中:
1、Bitter片切缝;2、Bitter定位孔;3、Bitter片冷却水孔;4、绝缘片定位孔;5、绝缘片冷却水孔;6、Bitter片;7、绝缘片;
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图5所示,本发明第一实施例公开了一种水冷磁体Bitter片综合应力计算方法,所述方法包括以下步骤:
S10、在有限元分析软件中利用无螺旋升角的3维带切缝的若干Bitter片构建简化的线圈模型;
需要说明的是,本实施例所具体采用的有限元分析软件为ANSYS。
S20、对所述线圈模型进行网格划分,得到网格划分节点;
S30、对网格划分后的线圈模型施加边界条件和载荷条件后进行仿真,其中,所述边界条件包括对所述线圈模型上、下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件以及在所有Bitter片间的接触面设置接触对,其中所述接触对包括导体-绝缘片接触对及导体-导体接触对,所述载荷条件包括将电磁力载入线圈模型的所有节点及在线圈模型的上端面施加轴向力;
S40、基于仿真结果,计算Bitter片的应力分布。
需要说明的是,相关技术中将水冷磁体线圈简化成Bitter片2维圆周对称模型,它以单个Bitter片为研究对象,但无法计算垂直于Bitter片平面的轴向电磁压力和Bitter片间相互作用的摩擦力对应力分布的影响,忽略了Bitter片上切缝的存在,进而忽略切缝对应力分布的影响。如需获得更高精度的应力分布结果,达到理想的计算精度,则需将水冷磁体完整建模导入有限元计算软件(ANSYS)中进行仿真,由于水冷磁体线圈是由上千片Bitter片和绝缘片错位叠加而成,模型网格数巨大,常规计算机根本无法计算。
本实施例在ANSYS软件中通过APDL语言建立一个无螺旋升角的3维带切缝的Bitter片模型,再由Bitter片模型构建线圈模型,在线圈模型的构建时忽略了Bitter片在线圈中的微小的螺旋升角,并在Bitter片间的接触面设置接触对包括导体-绝缘片接触对及导体-导体接触对,从而实现将螺旋面接触转化为平面接触和去除绝缘片结构,对水冷磁体线圈结构进行必要的简化来保证水冷磁体线圈有限元计算模型的计算量小和收敛性高;并将轴向电磁力、Bitter片间摩擦力和切缝等因素纳入应力计算,实现对Bitter片径向电磁力、轴向电磁力、Bitter片间摩擦力及Bitter片上切缝的模拟,解决了轴向电磁力施加和切缝对应力分布影响的问题,使得所计算的Bitter片应力分布精度更高,更加符合实际应力分布;既能保证线圈模型足够简化又能获得更高精度的应力分布结果。
在一实施例中,设置所述导体-绝缘片接触对之间的摩擦系数为绝缘接触面摩擦系数,设置所述导体-导体接触对的摩擦系数为导体接触面摩擦系数。
本实施例通过不同的摩擦系数定义Bitter片与Bitter片的接触面和Bitter片与绝缘片摩擦面,在线圈模型中简化绝缘片。
在一实施例中,如图6所示,所述线圈模型包括由下到上依次布置的若干Bitter片,各所述Bitter片的切缝角度沿同一方向增加一个绝缘角度。
具体地的,绝缘片的扇形角度,根据线圈实际叠片所确定。
在一实施例中,本实施例具体采用5片带有切缝的3维Bitter片按照特定角度进行组装形成线圈模型,包括由下到上依次布置的Bitter片DISK1、DISK2、DISK3、DISK4及DISK5,其中DISK1、DISK5的切缝角度均为180度,DISK2、DISK3、DISK4的切缝角度分别为360-a度、0度、a度,a为绝缘片的扇形角度。
具体地,所述Bitter片DISK1与所述Bitter片DISK2之间接触角度为360-2a至360-a之间的接触面对为导体-绝缘片接触对,所对应的摩擦系数为fm-i,接触角度为0至360-2a和360-a至360之间的接触面对为导体-导体接触对,所对应的摩擦系数为fm-m;
所述Bitter片DISK2与所述Bitter片DISK3之间接触角度为360-a至360的接触对为导体-绝缘片接触对,摩擦系数为fm-i,接触角度为0至360-a的接触对为导体-导体接触对,摩擦系数为fm-m;
所述Bitter片DISK3与所述Bitter片DISK4之间接触角度为0至a的接触对为导体-绝缘片接触对,摩擦系数为fm-i,接触角度为a至360的接触对为导体-导体接触对,摩擦系数为fm-m;
所述Bitter片DISK4与所述Bitter片DISK5之间接触角度为a至2a的接触对为导体-绝缘片接触对,摩擦系数为fm-i,接触角度为0至a和2a至360的接触对为导体-导体接触对,摩擦系数为fm-m。
在一实施例中,所述对所述线圈模型上、下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件,包括:
分别对所述线圈模型中位于上、下端面的Bitter片的切缝上对应节点位移进行耦合;
设定下端面Bitter片上所有节点轴向位移为0,限定下端面Bitter片上节点编号最大的节点所有位移都为0。
具体地,本实施例分别对DISK1和DISK5切缝的两个面上对应节点位移进行耦合,即两个面上对应节点位移都相等;并设定DISK1下端面上所有节点轴向位移为0,限定DISK1上节点编号最大的节点所有位移都为0即x轴、y轴、z轴方向上的位移均为0。
具体地,通过5片Bitter片组装成5-DISK模型,5片Bitter片堆叠模拟了Bitter片间摩擦力的相互作用场景,5片Bitter片DISK1到DISK5分别的作用为:DISK1和DISK5是最上面和最下面的Bitter片,在DISK1至DISK5中所有接触面间设立接触对,引入摩擦力条件,对DISK1和DISK5上的切缝施加对应节点位移耦合条件,计算本质上是去掉切缝,实现了完整360度连续,模拟DISK1和DISK5在电磁力作用下径向同步膨胀;DISK2、DISK3、DISK4相邻片间沿同一方向增加一个绝缘角度,模拟线圈叠片中真实排布,不对DISK2、DISK3、DISK4切缝进行任何限制,因此DISK2、DISK3、DISK4是径向膨胀和切缝悬臂梁式移动的叠加态。
DISK1只有一面与DISK2接触,DISK1模拟了摩擦力作用下径向膨胀与径向膨胀加切缝悬臂梁式移动的工况;DISK2与DISK1、DISK3接触,DISK2自身径向膨胀加切缝悬臂梁式移动,DISK1径向膨胀,DISK3自身径向膨胀加切缝悬臂梁式移动,DISK2模拟了在摩擦作用下一面径向膨胀一面径向膨胀加悬臂梁式移动的工况;DISK3与DISK2、DISK4接触,DISK3、DISK2、DISK4都是自身径向膨胀加切缝悬臂梁式移动,DISK3模拟了在摩擦作用下双面径向膨胀加悬臂梁式移动的工况,该工况与线圈中Bitter片真实工况一致,因此DISK3的应力状态就是我们需要的真实应力状态。
需要说明的是,本实施例实现对Bitter片径向电磁力、轴向电磁力、Bitter片间摩擦力及Bitter片上切缝的模拟,所计算的Bitter片应力分布精度更高,更加符合实际应力分布,其中图7展示了DISK1在摩擦力作用下形成了局部应力集中现象;图8展示了DISK3切缝存在下应力圆周方向的分布规律。
此外,如图9所示,本发明实施例还公开了一种水冷磁体Bitter片综合应力计算系统,所述系统包括:
模型构建模块10,用于在有限元分析软件中利用无螺旋升角的3维带切缝的若干Bitter片构建简化的线圈模型;
模型划分模块20,用于对线圈模型进行网格划分,得到网格划分节点;
条件施加模块30,用于对网格划分后的线圈模型施加边界条件和载荷条件后进行仿真,其中,所述边界条件包括对所述线圈模型上、下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件以及在所有Bitter片间的接触面设置接触对,所述接触对包括导体-绝缘片接触对及导体-导体接触对,所述载荷条件包括将电磁力载入线圈模型的所有节点及在线圈模型的上端面施加轴向力;
应力计算模块40,用于基于仿真结果,计算Bitter片的应力分布。
在一实施例中,设置所述导体-绝缘片接触对之间的摩擦系数为绝缘接触面摩擦系数,设置所述导体-导体接触对的摩擦系数为导体接触面摩擦系数。
在一实施例中,所述线圈模型包括由下到上依次布置的若干Bitter片,各所述Bitter片的切缝角度沿同一方向增加。
在一实施例中,所述对所述线圈模型上下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件,具体包括:
分别对所述线圈模型中位于上、下端面的Bitter片的切缝上对应节点位移进行耦合;
设定下端面Bitter片上所有节点轴向位移为0,限定下端面Bitter片上节点编号最大的节点所有位移都为0。
需要说明的是,本发明所述水冷磁体Bitter片综合应力计算系统的其他实施例或具有实现方法可参照上述各方法实施例,此处不再赘余。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种水冷磁体Bitter片综合应力计算方法,其特征在于,所述方法包括:
在有限元分析软件中利用无螺旋升角的3维带切缝的若干Bitter片构建简化的线圈模型;
对所述线圈模型进行网格划分,得到网格划分节点;
对网格划分后的线圈模型施加边界条件和载荷条件后进行仿真,其中,所述边界条件包括对所述线圈模型上、下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件以及在所有Bitter片间的接触面设置接触对,其中所述接触对包括导体-绝缘片接触对及导体-导体接触对,所述载荷条件包括将电磁力载入线圈模型的所有节点及在线圈模型的上端面施加轴向力;
基于仿真结果,计算Bitter片的应力分布。
2.如权利要求1所述的水冷磁体Bitter片综合应力计算方法,其特征在于,设置所述导体-绝缘片接触对之间的摩擦系数为绝缘接触面摩擦系数,设置所述导体-导体接触对的摩擦系数为导体接触面摩擦系数。
3.如权利要求1所述的水冷磁体Bitter片综合应力计算方法,其特征在于,所述线圈模型包括由下到上依次布置的若干Bitter片,各所述Bitter片的切缝角度沿同一方向增加。
4.如权利要求3所述的水冷磁体Bitter片综合应力计算方法,其特征在于,所述线圈模型包括由下到上依次布置的Bitter片DISK1、DISK2、DISK3、DISK4及DISK5,其中DISK1、DISK5的切缝角度均为180度,DISK2、DISK3、DISK4的切缝角度分别为360-a度、0度、a度,a为绝缘片的扇形角度。
5.如权利要求4所述的水冷磁体Bitter片综合应力计算方法,其特征在于,所述Bitter片DISK1与所述Bitter片DISK2之间接触角度为360-2a至360-a之间的接触对为导体-绝缘片接触对,接触角度为0至360-2a和360-a至360之间的接触对为导体-导体接触对;
所述Bitter片DISK2与所述Bitter片DISK3之间接触角度为360-a至360的接触对为导体-绝缘片接触对,接触角度为0至360-a的接触对为导体-导体接触对;
所述Bitter片DISK3与所述Bitter片DISK4之间接触角度为0至a的接触对为导体-绝缘片接触对,接触角度为a至360的接触对为导体-导体接触对;
所述Bitter片DISK4与所述Bitter片DISK5之间接触角度为a至2a的接触对为导体-绝缘片接触对,接触角度为0至a和2a至360的接触对为导体-导体接触对。
6.如权利要求4所述的水冷磁体Bitter片综合应力计算方法,其特征在于,所述Bitter片DISK2、DISK3及DISK4均为径向膨胀和切缝悬臂梁式移动的叠加态。
7.如权利要求1所述的水冷磁体Bitter片综合应力计算方法,其特征在于,所述对所述线圈模型上下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件,包括:
分别对所述线圈模型中位于上、下端面的Bitter片的切缝上对应节点位移进行耦合;
设定下端面Bitter片上所有节点轴向位移为0,限定下端面Bitter片上节点编号最大的节点所有位移都为0。
8.一种水冷磁体Bitter片综合应力计算系统,其特征在于,所述系统包括:
模型构建模块,用于在有限元分析软件中利用无螺旋升角的3维带切缝的若干Bitter片构建简化的线圈模型;
模型划分模块,用于对线圈模型进行网格划分,得到网格划分节点;
条件施加模块,用于对网格划分后的线圈模型施加边界条件和载荷条件后进行仿真,其中,所述边界条件包括对所述线圈模型上、下端面的Bitter片的切缝施加对应节点位移耦合条件以及在所有Bitter片间的接触面设置接触对,所述接触对包括导体-绝缘片接触对及导体-导体接触对,所述载荷条件包括将电磁力载入线圈模型的所有节点及在线圈模型的上端面施加轴向力;
应力计算模块,用于基于仿真结果,计算Bitter片的应力分布。
9.如权利要求8所述的水冷磁体Bitter片综合应力计算系统,其特征在于,设置所述导体-绝缘片接触对之间的摩擦系数为绝缘接触面摩擦系数,设置所述导体-导体接触对的摩擦系数为导体接触面摩擦系数。
10.如权利要求8所述的水冷磁体Bitter片综合应力计算系统,其特征在于,所述线圈模型包括由下到上依次布置的若干Bitter片,各所述Bitter片的切缝角度沿同一方向增加。
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Citations (5)
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US3684992A (en) * | 1970-11-18 | 1972-08-15 | Commissariat A L En | Production of magnetic coils for the creation of intense fields |
WO1989003581A1 (en) * | 1987-10-14 | 1989-04-20 | Oxford Advanced Technology Limited | Superconducting structures |
CN105013960A (zh) * | 2015-08-20 | 2015-11-04 | 哈尔滨工业大学 | 基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法 |
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-
2023
- 2023-11-14 CN CN202311510763.6A patent/CN117236080B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Title |
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房震;吴向阳;黄鹏程;程翔宇;高洋;朱加伍;陈文革;: "40T混合磁体外超导磁体支撑结构设计与分析", 低温与超导, vol. 43, no. 11, pages 49 - 53 * |
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