Modelado Termo-Mecánico de un Ondulador Superconductor para Láseres de Electrones Libres - Barraza Montiel, Guillermo Alejandro (My University, 2017)
Un ondulador superconductor es el corazón de los láseres de electrones libres (láser de materia). En este trabajo a partir del rediseño conceptual de un ondulador superconductor se implementa un modelo termo-mecánico que se resuelve mediante el análisis de elementos finitos. Se realiza un análisis térmico-estructural transitorio para determinar el estado de esfuerzos en función de la velocidad de enfriamiento del ondulador. Para lograr dicho propósito se implementa un modelo térmico paramétrico no lineal, en el cual se varía el tiempo que tarda el ondulador en alcanzar una temperatura de 4.2 K, considerando una temperatura inicial de 300 K. Igualmente, se comparan los modelos considerando resistencias térmicas entre el polo y las bobinas, con aquellos en los que no se presenta resistencia. Se observa que para los casos donde hay resistencia térmica el Ondulador tarda más tiempo en llegar al estado estacionario. Para el análisis estructural se implementa un modelo de elasticidad lineal y se incorporan los resultados determinados en la simulación térmica. Se compara el esfuerzo máximo experimentado en dos casos extremos: el de enfriamiento de mayor rapidez contra el de menor rapidez. Se encuentra que, para el modelo implementado, los esfuerzos no presentan dependencia con la velocidad de enfriamiento. También, se obtiene la separación que debe existir entre las bobinas y el polo al momento que el sistema alcanza el estado estacionario. Para esto se escogen resortes entre las bobinas y el polo, con una rigidez de 1 N/m. Esta rigidez es seleccionada con la finalidad de encontrar el desprendimiento de las bobinas en el instante que ya no hay adhesión entre éstas y el polo. Se encuentra la elongación de los resortes, siendo del orden de 50 μm. Esta elongación debe compensarse aplicando una carga compresiva alrededor de las bobinas, previa a que el ondulador sea enfriado. Esta carga no es calculada en el presente. La simulación térmica se realiza con Code_Aster y, posteriormente, se compara con ANSYS. Para ello se utilizan mallas con distintos números de elementos, obteniendo diferencias en temperaturas menores a los 0.5 K en cada instante. La simulación mecánica con acople térmico se lleva a cabo completamente en ANSYS.
En el Capítulo 1 se hace una breve introducción al proyecto para el cual está siendo orientado el presente trabajo, así como las instituciones que colaboran actualmente en su desarrollo. En el Capítulo 2 se presentan los antecedentes del proyecto, haciendo hincapié en los dispositivos de inserción superconductores, especialmente los onduladores. Igualmente, se comentan algunos trabajos relacionados con el uso de FEA en tecnologías superconductoras. En el Capítulo 3 se habla brevemente sobre el diseño magnético y mecánico del Ondulador Superconductor. En el capítulo 4 se habla sobre el modelado térmico y mecánico del Ondulador Superconductor. En el se describen las ecuaciones utilizadas para modelar el comportamiento del sistema así como las herramientas utilizadas para simular el fenómeno térmico y mecánico acoplado. En este modelo se pretende observar el estado de esfuerzos a lo largo del tiempo debido a deformaciones térmicas, así como la dependencia de los esfuerzos con la velocidad de enfriamiento del sistema. Adicionalmente, se mide la separación de las bobinas del ondulador con respecto al polo, debido a sus diferencias en coeficientes de expansión térmica. Finalmente, en los Capítulos 5 y 6 se presentan los resultados obtenidos de todos los casos de estudio y se hacen conclusiones al respecto.
Keywords: Superconductor; FEM; Modelado térmico; Modelado mecánico; Elemento Finito