Page 60 - 《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 475

2.3 仿真结果分析 螺杆作为螺栓紧固连接件中的关键部分，在承
利用 ANSYS 后处理功能，将求解输出方式设 担连接任务时需要承受较大的轴力与剪力，是强度
置为力收敛，求解得到四类工况下支撑腿螺栓的等 失效的易发区域。因此，本文对磁体支撑腿螺栓
效应力云图。根据有限元分析结果显示，在四类工 的强度分析研究主要聚焦于螺杆部分的结构强度，
况中，工况一载荷输入下的 M64 螺栓和 M42 螺栓 以确保其在紧固连接中的可靠性和耐久性。通过
等效应力最大，分别为 1 720.3 MPa 和 2 555.7 MPa， ANSYS 软件提取支撑腿螺栓杆横截面中的力与力
位于螺栓与垫片接触处。这个位置的应力是由螺 矩，得到螺栓杆所受的力与力矩的大小和方向。在
#
栓预紧作用下垫片孔中心边缘的压缩应力集中引 工况一中，1 位置螺栓螺纹与支架安装平台相旋合，
起的。对该位置进行线性化处理，结构强度也满足 螺纹连接部位将给螺栓提供阻止螺栓向上滑出的
要求。 力。其螺栓受力与支撑腿受力如图 7 所示。

B: 静态结构
时间: 1 s
2025/3/25 16:23
C
A 标准地球重力: 9.806 6 m/s 2 B
B 力矩: 2.336 7×10 N·m
6
C 力: 2.119×10 N
6
A

Z
X
Z
X
Y
Y
图 7 工况一时 1 号螺栓受力图与支撑腿受力图
Fig. 7 The force cloud diagram of Bolt No. 1 and the force diagram of the support leg at present

3 螺栓强度校核分析 应力分量并归类，接着将各类应力按同种分量分别

叠加计算其主应力，进而求得各不同类的应力强度，
3.1 ASME 螺栓强度评估方法
最后为了判断螺栓强度是否满足设计要求，参照
螺栓材料的许用应力是评判螺栓强度是否
[9]
BPVC. VIII.2 —2021 与 JB 4732 —1995 螺 栓 强
满足要求的关键部分，本文提到的螺栓材料的设计
应力强度是基于 ASME（Section III） [19] 和 JB 4732— 度校核标准制定螺栓强度的评判准则。设计准则
[10]
1995 。ASME 针对的是核压力容器，其中螺栓 如下：
在组装时的强度大于在工作温度下的强度，并且螺 P m ⩽ 1.0kS m （4）
栓还具有密封功能，而对于处于低温环境下的大型 （5）
P l + Q ⩽ 2.0kS m
超导磁体支撑腿螺栓，情况则正好相反。对于超导
P I + P b + Q ⩽ 3.0kS m （6）
磁体支撑腿螺栓采用的 Inconel 718 材料，其设计
2 2 式中： P m为总体薄膜应力； P l为局部薄膜应力； P b
t
应力强度为设计温度下的屈服强度的 （即 R =
3 3 eL 为弯曲应力； Q为二次应力； S m为螺栓材料的设计
2
×1 035 MPa = 690 MPa）。 许用应力；k 为不同程度损伤极限对应的应力强度
3
将主要承受拉伸载荷的螺栓简化为一个具有 因子（具体数值如表 3 所列）。
均匀截面积和弹性模量的弹性杆模型，在强度分析 通过 ANSYS 有限元分析可以得到四类工况
时，需要综合考虑薄膜应力、弯曲内力和为满足结 下螺栓的最大应力位置大体相当，都位于螺栓与底
构连续性所必需的自平衡应力（即二次应力）。螺 部支架平台间的接触位置。故以该位置为关键截
栓强度评估的详细步骤如下：首先确定螺栓上最大 面，提取螺栓在该截面处的力和力矩，分别为： N、
应力的发生位置，然后计算其在各种载荷作用下的 Q y Q 2 M x M y M 2。螺栓的二次应力加薄膜应
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