طراحی ماشین های دوار کاملا ابررسانا

حالتی از سفر هوایی را تصور کنید که هم مصرف سوخت و هم سازگار با محیط زیست باشد. مدل‌سازی مکانیکی اجزای انتقال گشتاور در ماشین‌های دوار کاملاً ابررسانا به محققان کمک کرده است تا نتایج جدیدی در مورد چگونگی بهینه‌سازی طراحی هواپیما و به طور بالقوه دستیابی به نیروی محرکه الکتریکی بدست آورند. یک تیم تحقیقاتی تنش و توزیع گرما را در این ماشین ها بررسی کردند و نتایج خود را در کنفرانس COMSOL 2013 در بوستون ارائه کردند.

متعادل کردن نیازهای ساختاری و حرارتی

با استفاده از COMSOL Multiphysics، Tingcheng Wu، Guillaume Escamez، Clement Lorin و Philippe J. Mason از گروه مهندسی مکانیک در دانشگاه هیوستون توانستند شبیه‌سازی‌هایی را برای تجزیه و تحلیل چگونگی تأثیر اجزای منفرد ساختار بر عملکرد کلی آن انجام دهند. با اعمال پارامترهای مختلف در طراحی سازه، آنها توانستند به این نتیجه برسند که چه عواملی چه از نظر ساختاری و چه از نظر حرارتی بیشترین تأثیر را بر دستگاه داشته است. بنابراین، آنها می توانند چگونگی دستیابی به تعادل بین این دو را تعیین کنند.

بهینه سازی اجزای انتقال گشتاور

تیم محققین این سازه را به عنوان یک محور روتور که به پنج قسمت مجزا به هم متصل شده توسط پیچ و مهره، مدلسازی کردند. همانطور که در زیر می بینید، به عنوان وسیله ای برای تامین عایق حرارتی، از مواد مختلفی در مناطق خاصی از شفت استفاده شد.

طراحی ماشین های دوار ابررسانا: هندسه شفت.
پیچ و مهره برای اتصال فولاد ضد زنگ با G10، یک ماده فیبر شیشه ای که با هدایت حرارتی کم و تنش تسلیم بالا مشخص می شود، استفاده شد. تصویر توسط T. Wu، G. Escamez، C. Lorin، و P. Mason، و از ارسال پوستر آنها گرفته شده است .

محققان به دنبال تجزیه و تحلیل مسائل مربوط به انتقال حرارت و مکانیک جامدات در این ماشین‌ها، از ماژول انتقال حرارت و ماژول مکانیک سازه برای ایجاد شبیه‌سازی‌های خود استفاده کردند. شکل زیر یافته‌های تیم در مورد دما را نشان می‌دهد و نشان می‌دهد که اجزای G10 بیشترین گرادیان دما را دارند.

توزیع دما در جزء G10 شفت.

در شکل بعدی، پیچ های اتصال بیشترین تنش را در سازه متحمل شدند، عاملی که با کاهش سطح مقطع، کاهش می یابد.

مدلی که مکانیک جامد شفت را نشان می دهد.
شبیه‌سازی‌ها فشار حرارتی و ساختاری را که شفت تحمل می‌کند، به‌ویژه در امتداد پیچ‌های اتصال آن نشان می‌دهد. تصویر توسط T. Wu، G. Escamez، C. Lorin، و P. Mason، و برگرفته از ارائه آنها .

آینده ماشین های دوار کاملاً ابررسانا

با ادامه بودجه و تلاش های ناسا و سایر تیم های تحقیقاتی، پیشرفت در طراحی هواپیما ادامه دارد. از آنجایی که اجزای انتقال گشتاور در ماشین‌های دوار کاملاً ابررسانا همچنان بهینه می‌شوند، محققان در تلاش خود برای توسعه سازه‌هایی با چگالی توان بیشتر و پتانسیل برای نیروی محرکه الکتریکی شتاب بیشتری کسب می‌کنند. علاوه بر اینکه سفر هوایی را به فرآیندی آرام‌تر و کارآمدتر تبدیل می‌کند ، پیاده‌سازی این فناوری راه را برای استفاده بالقوه آن در حمل‌ونقل زمینی نیز هموار می‌کند.