Page 57 - 《真空与低温》2025年第4期

472 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

0 引言 1 磁体支撑腿结构设计与螺栓预紧力优化

超导磁体是托卡马克装置中的核心组成部件， 1.1 磁体支撑腿结构
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其工作温度通常在 4～77 K 之间 ，相较于高温环 在对超导磁体进行低温性能测试时，需在测试
境，在低温条件下超导磁体及附属部件材料展现出 平台上搭建一套专用的磁体支撑结构，将大型超导
增强的屈服强度与极限抗拉强度特性。然而，温度 磁体固定在低温测试平台上，确保超导磁体能稳定
降低的同时也伴随着材料断裂韧性的减弱。在材 安全地运行。MCTB 中 PF1 超导磁体线圈由 2、5、
料失效机制的分析中，低温冷脆断裂作为一种失效 7 三个支架支腿支撑，而 TF 超导磁体线圈由 1、3、
模式，相较于塑性屈服而言，其失效评判要求更为 4、6、8 五个支撑腿支撑，磁体支撑腿支撑磁体位
苛刻。为了确保超导磁体在正常工作下的结构安 置如图 1 所示。
全性，通常超导磁体在正式使用之前，将会在低温
测试平台（MCTB）上开展低温性能测试 。磁体支
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撑作为磁体低温测试的关键部件，其结构安全性至 4
关重要，尤其是磁体支撑的预紧连接螺栓，需要详 3 5
细且严格的强度校核流程，以确保螺栓在低温服役 2 8
环境（4～77 K）下能够保持足够的强度和结构安全 7
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性，从而保障超导磁体在整个低温测试平台中能够 6
安全开展低温性能测试和稳定运行。
目前，在评判螺栓的强度时尽管可以参照众多
螺栓强度评判标准 [3-5] ，但这些标准往往要求获取大 图 1 MCTB 磁体支撑腿支撑位置示意图
量的结构、载荷及应力等参数信息，这使得在实际 Fig. 1 Schematic diagram of the support position of the MCTB
magnet support leg
工程场景中应用这些标准特别具有挑战性。而且
对于负载工况复杂的大型支撑结构，一般难以进行 磁体支撑腿的基本结构部件都是相同的，主要
真实情况下的强度测试，在实际工程中往往会采用 是：顶部连接板、G10 保温板、4 K 冷板、底部立柱
仿真分析的方法来评估结构强度。Supar 等 对螺 以及支架安装平台。1 号位置的支撑腿 FIX_OIS 结
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栓在负载下的破坏进行分段分析，利用三维有限元 构由于其自身形状结构的特殊，需要承载更大的负
方法对螺栓连接构件进行了精确的结构响应分析， 载，在遇到运行事故时其螺栓连接结构更容易发生
并根据仿真结果提供了可靠的强度预测。张一凡 破坏。因此，有必要对 FIX_OIS 支撑腿上的螺栓进
[7]
等 通过仿真分析研究螺栓连接梁在不同危险工 行合理选型与强度分析，如果螺栓强度不能满足支
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况下的结构强度及安全性。Ahmad 等 研究了 CFRP 撑腿结构安全性的要求，则修正螺栓尺寸，直至螺
单搭接螺栓接头的模拟损伤与断裂问题，采用扩展 栓强度校验合格。其他位置的支撑结构可以选取
有限元方法（XFEM）模拟裂纹扩展并预测螺栓承 结构强度最弱的支撑腿作为代表进行分析，分析方
载强度。上述研究表明将仿真模拟分析技术应用 法与前者相同。对于固定超导磁体的支撑腿，其所
于解决实际工程中螺栓强度评估问题是非常有效的。 用材料不仅需要保持一定的结构强度，同时也要保
本文针对低温条件下支撑腿螺栓材料特性变 证材料具备较低的相对磁导率，以降低高强度磁场
化以及螺栓连接预紧力下降等情况，对螺栓预紧力 对支撑腿性能的影响。FIX_OIS 支撑结构组成如
进行优化。利用 ANSYS 有限元软件，对支撑腿进行 图 2 所示，FIX_OIS 支撑部件的材料如表 1 所列。
[9]
了热结构耦合分析。根据 BPVC. VIII.2—2021 和 当 FIX_OIS 支撑腿所处的环境温度降低时，其
JB 4732—1995 标准 [10] 对支撑腿螺栓的强度进行了 材 料 的 热 力 学 性 质 会 发 生 变 化 。 不 同 温 度 下，
评估，结果显示其强度达标。为了确保支撑腿结构 FIX_OIS 支撑结构材料 SS304 和 Inconel718 的热导
在磁体放电复杂工况下的安全性和可靠性，本文参 率和热膨胀系数参见文献 [14-15]。

考更为保守的德国 VDI 2230—2015 高强度单螺 1.2 螺栓预紧力计算
栓连接强度校验标准 [11-13] ，对支撑腿螺栓进行了进 常温下预紧力通常有两种设计思路：一是根据
一步的评估，结果显示其结构强度也能满足要求。 实验数据，由螺栓、螺母的拧紧扭矩值计算得到；