采用ANSYS 軟件對(duì)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(ITER) 環(huán)氧基復(fù)合材料軸向絕緣子在低溫、內(nèi)氣壓、拉伸載荷作用下的熱應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，并且對(duì)低溫沖擊、內(nèi)氣壓沖擊和拉伸壓縮應(yīng)力沖擊性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 由于絕緣子的絕緣體與金屬導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)不同，由常溫降到液氦溫度時(shí)界面熱應(yīng)力是影響絕緣子氣密性能的主要因素；在室溫到液氮冷熱循環(huán)25次后，承受4 MPa 氦氣內(nèi)壓，2000 N 拉壓載荷下氣密性保持好于1.0 × 10^-9 Pa·m³ /s，能夠滿足ITER軸向絕緣子的技術(shù)要求。

　　耐低溫耐高電壓氦氣密復(fù)合材料軸向絕緣子是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(ITER) 磁體系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在裝置運(yùn)行中軸向絕緣子通過(guò)管路和對(duì)應(yīng)的冷質(zhì)部件構(gòu)成冷卻回路，承擔(dān)整個(gè)磁體系統(tǒng)液氦和液氮的通道，同時(shí)擔(dān)負(fù)對(duì)地絕緣的作用。因此設(shè)計(jì)制作絕緣子的電絕緣材料性能要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和必要的塑性，在低溫下不會(huì)發(fā)生脆裂，耐低溫密封性好；冷熱收縮系數(shù)盡量小，在接頭處不應(yīng)產(chǎn)生太大的熱應(yīng)力，在多次冷熱循環(huán)后，仍能保持所需的機(jī)械強(qiáng)度和真空密封性能，抗冷熱沖擊性好，抗振動(dòng)性好；固化收縮率小，固化后不會(huì)產(chǎn)生大應(yīng)力，引起界面的分離或開裂。

　　采用ANSYS 軟件對(duì)ITER 環(huán)氧基復(fù)合材料軸向絕緣子在低溫、內(nèi)氣壓、拉伸等單一或綜合載荷作用下進(jìn)行熱應(yīng)力有限元仿真分析，并對(duì)低溫沖擊、內(nèi)氣壓沖擊和拉伸壓縮應(yīng)力沖擊等單一或綜合載荷作用下的性能進(jìn)行人工加速老化實(shí)驗(yàn)測(cè)試。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于絕緣子的絕緣體與金屬導(dǎo)體的徑向和環(huán)向熱收縮系數(shù)不同，由常溫降到液氦溫度時(shí)界面熱應(yīng)力是影響絕緣子氣密性能的主要因素；在室溫到液氮冷熱循環(huán)25 次后，承受4 MPa 氦氣內(nèi)壓，2000 N 拉壓載荷下氣密性保持在好于1.0 ×10 ^-9 Pa. m³ /s，能夠滿足ITER 軸向絕緣子的技術(shù)要求。

1、ITER 軸向絕緣子結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

　　ITER 復(fù)合材料軸向絕緣子結(jié)構(gòu)由不銹鋼金屬電極、復(fù)合材料絕緣內(nèi)襯管和外部絕緣加強(qiáng)層三部分構(gòu)成。根據(jù)56 kV 的電性能要求， ITER 軸向絕緣子優(yōu)化截面尺寸如圖1 所示。

圖1 ITER 軸向絕緣子截面尺寸示意圖

　　由于絕緣子不銹鋼金屬電極與復(fù)合材料內(nèi)襯管的連接接頭是機(jī)械載荷最集中的區(qū)域，也是兩種材料的徑向和環(huán)向熱收縮系數(shù)不同，在冷熱循環(huán)沖擊過(guò)程中熱應(yīng)力集中的區(qū)域，在設(shè)計(jì)絕緣子絕緣結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程中應(yīng)綜合設(shè)計(jì)各關(guān)鍵位置，特別是要重點(diǎn)設(shè)計(jì)絕緣內(nèi)襯管和金屬不銹鋼管接頭，這是影響低溫氦氣密性能的關(guān)鍵技術(shù)。具體工藝技術(shù)包括不銹鋼電極表面處理、接頭螺紋密封接頭粘接工藝以及固化成型工藝等。通過(guò)采用優(yōu)化玻璃纖維增強(qiáng)內(nèi)襯管外表面和不銹鋼電極內(nèi)表面的螺紋尺寸，以及夾層低溫環(huán)氧樹脂膠粘劑的熱收縮系數(shù)和厚度，進(jìn)而設(shè)計(jì)界面連接處的徑向和環(huán)向熱收縮系數(shù)，使之與連接的不銹鋼金屬管和內(nèi)襯管的熱收縮系數(shù)接近并滿足一定的配合關(guān)系，避免材料結(jié)構(gòu)件在冷熱循環(huán)沖擊過(guò)程中因熱應(yīng)力集中發(fā)生脆裂而影響電絕緣性能和機(jī)械氦氣密性能。

2、絕緣子低溫應(yīng)力載荷下氣密性實(shí)驗(yàn)

　　室溫和低溫拉壓性能測(cè)試原理如圖6 所示，絕緣子一端固定，另一端直接施加拉壓載荷，內(nèi)部通氦氣，在外部真空腔中采用真空檢漏的方法檢測(cè)絕緣子在拉壓載荷作用對(duì)氣密性能的影響。絕緣子安裝在波紋管真空室內(nèi)，并在兩端焊接密封連接，一端通過(guò)螺母與測(cè)試支架底部法蘭連接，另一端通過(guò)法蘭板螺釘與電子試驗(yàn)機(jī)拉伸桿相連，通過(guò)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)中橫梁的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子拉伸和壓縮的負(fù)荷加載。采用真空機(jī)組和氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)波紋管真空室抽真空和檢漏，根據(jù)受力變化速度，計(jì)劃在10 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)載荷的施加，計(jì)算機(jī)控制拉伸端力載荷施加速度。

圖6 ITER 絕緣子氣密性測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

　　測(cè)試方法是在機(jī)械載荷作用過(guò)程中利用波紋管進(jìn)行氣密性測(cè)試，可以實(shí)時(shí)測(cè)試載荷對(duì)絕緣子性能的影響，但利用波紋管會(huì)增加附加影響，影響測(cè)量結(jié)果需要修正。

　　試驗(yàn)機(jī)調(diào)零是關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，對(duì)波紋管抽真空檢漏后安裝在支架上，使其拉伸桿自由不受力時(shí)調(diào)零，在受拉時(shí)，向上移動(dòng)，在施加力從零線性增大時(shí)再調(diào)零，同理在受壓時(shí)，向下移動(dòng)，在施加力從零線性增大時(shí)再調(diào)零，消除裝置的回程誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 在氦氣漏率為3.2 × 10^-10Pa·m³/s 的本底情況下，分別測(cè)量室溫耐拉力3200 N，調(diào)零等效后相當(dāng)于2000 N 拉伸力，以及4 MPa 內(nèi)氣壓沖擊循環(huán)25 次；液氮溫度耐壓力1400 N，調(diào)零等效后相當(dāng)于2000 N 壓縮力，以及4 MPa 內(nèi)氣壓沖擊循環(huán)25 次的漏率與循環(huán)次數(shù)的變化，受拉載荷和受壓載荷作用下氦氣漏率變化曲線如圖7 所示，最大拉力3200 N 和最大壓縮力1400 N 作用下基本上都是線性關(guān)系，其漏率都小于4 × 10^-10Pa·m³/s，因此滿足絕緣子在2000 N 拉壓載荷以及4 MPa 內(nèi)氣壓疲勞沖擊作用下25 次后，其氦氣漏率好于1.0 ×10^-9Pa·m³ /s，能夠滿足ITER 軸向絕緣子的技術(shù)要求。

圖7 綜合載荷作用下氣密性變化曲線

3、結(jié)論

　　ITER 復(fù)合材料軸向絕緣子的ANSYS 熱應(yīng)力有限元仿真分析以及人工加速氣密性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：

　　(1) 由于絕緣體與金屬導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)不同，最大熱應(yīng)力位于金屬電極和絕緣材料頂端界面處，冷熱沖擊引起的熱應(yīng)力是影響絕緣子氣密性能的主要因素；

　　(2) 與熱應(yīng)力分析結(jié)果相比，最大應(yīng)力和最大熱應(yīng)力位置非常接近，說(shuō)明在熱應(yīng)力設(shè)計(jì)滿足的情況下，2000 N 拉伸載荷對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的影響很小。

　　(3) 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的絕緣子在低溫4.2 K、內(nèi)氣壓4 MPa、拉力2000 N 作用下絕緣子是非常安全的；

　　(4) 在室溫到液氮冷熱循環(huán)25 次后，承受4MPa 氦氣內(nèi)壓，2000 N 拉壓載荷下氣密性保持在1.0 × 10^-9 Pa.m³/s 以上，能夠滿足ITER 軸向絕緣子的技術(shù)要求。