Page 58 - 《真空与低温》2025年第4期

彭海波等：ITER 超导磁体支撑腿螺栓的强度分析与研究 473

二是用螺栓材料的屈服极限乘上一个安全系数 荷力的作用下更容易发生断裂。并且当螺栓在低温
得到。 下屈服时，材料会发生显著的温度变化（几十度），这
可能会产生锯齿状屈服现象。对于低温引发的螺栓
顶部连接板
材料特性变化的情况，本文应用了 0.75 的安全系
数对螺栓预紧力进行调整优化，以保证更好的结构
安全性能。低温服役条件会导致螺栓预紧力下降，
4 K冷板
这可能会使螺栓发生松动，无法稳固连接顶部连接
G10保温板 板，最后磁体从支撑腿上脱落。为保证螺栓有足够预
底部立柱 紧力固定 FIX_OIS 支撑腿的顶部连接板，将 M64
支架安装平台 螺栓的预紧力回调至初始大小。最后，FIX_OIS 支
撑腿上 M64 螺栓的预紧力最终确定为1 561 850 N，
M64螺栓 M42螺栓
M42 螺栓的预紧力最终确定为 555 000 N。支撑腿
图 2 FIX_OIS 支撑结构 螺栓的编号如图 3 所示。
Fig. 2 The structure of the FIX_OIS support leg
螺栓 编号
1 #

表 1 FIX_OIS 支撑部件的材料 2 #
3 #
Tab. 1 The material of the FIX_OIS support component M64 4 #
1 # 7 # # 5 #
部件 材料 相对磁导率 8 2 # 9 # 10 # # 6 #
#
顶部连接板 SS304 1.005 6 14 # 3 7 # #
13 # 5 # # 8
4 K 冷板 SS304 1.005 12 11 # 4 # 9 # #
M42 10
底部立柱 SS304 1.005 11 #
12 #
G10 保温板 G10 — 13 #
螺栓 铬镍铁合金 718 1.001 14 #

图 3 FIX_OIS 支撑腿螺栓编号示意图
根据董达善等提出的螺栓预紧力公式为：
Fig. 3 Schematic diagram of the number of FIX_OIS
M t
P 0 = （1） support leg bolts
kd
式中： P 0为螺栓预紧力； M t为螺栓拧紧力矩，推荐
2 有限元仿真分析
值参考《德国工业标准螺栓、螺母预紧扭矩推荐
2.1 稳态热-结构耦合分析
[16]
值》 ； k为拧紧力系数； d为螺纹公称直径。
首 先 根据 FIX_OIS 磁 体 支 撑 腿 的 实 际 尺 寸
根据《机械设计手册》 [17] 螺栓预紧力计算公
建立模型，支撑腿长为 1 700 mm，宽为 1 000 mm，
式为：
高为 150 mm。由于螺栓主要承受拉伸载荷，可以
（2）
P 0 = (0.5 ∼ 0.7)σ s A s
将其简化为一个弹性杆模型，在这个模型中，螺栓
式中： σ s为螺栓材料的屈服极限； A s为螺纹部分的
被视为一个具有均匀截面积和弹性模量的弹性圆
危险截面面积。
柱体，其变形和应力分布可以通过弹性力学的基本
螺纹部分的危险截面面积计算公式如下：
原理进行分析。在模拟过程中考虑了各部件之间
d s 2
A s = π （3） 的摩擦接触，其中，金属材料之间的摩擦系数设为
4
式中： d s为螺纹部分危险直径。 C 1 =0.2，螺栓螺纹连接的部分采用不分离接触。由
根据上述方法，得到 FIX_OIS 支撑腿上 M64 于模型简化得比较规则，可以采用六面体自由网格
螺栓的预紧力为 1 561 850 N，M42 螺栓的预紧力为 划分，螺栓部分的网格尺寸设置小一点，以便后续
740 000 N。在对螺栓施加预紧力的过程中，考虑到 提取螺栓部分的应力结果，划分后共有 2 861 279 个
螺栓处于超低温服役环境中，螺栓材料在低温下会 单元、9 865 365 个节点。有限元模型如图 4 所示。
失去其原本的塑性和韧性，而脆性显著增加，在载 在进行应力分析时，为模拟 FIX_OIS 支撑腿在