《Cryogenics》：Thermo-hydraulic and 3D mechanical analysis of the stresses in the electrical insulation of the W7-X non-planar coil during quench
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本文提出了一种用于仿星器非平面线圈(NPC)的三维(3D)有限元法(FEM)建模方法。实现了基于一维(1D)热-水力-电学THEA模型与三维(3D) Ansys Mechanical APDL模型的耦合。在Ansys APDL中实现了三维(3D)仿星器线圈的参
本文提出了一种用于仿星器非平面线圈(NPC)的三维(3D)有限元法(FEM)建模方法。实现了基于一维(1D)热-水力-电学THEA模型与三维(3D) Ansys Mechanical APDL模型的耦合。在Ansys APDL中实现了三维(3D)仿星器线圈的参数化几何生成与网格划分。计算了W7-X线圈在失超过程中绝缘层的最大应力。基于LHD准则，确认了在最恶劣失超情况下电绝缘层的安全性。
论文解读文章
研究背景与目的
磁约束核聚变是实现清洁能源的重要途径，其中仿星器和托卡马克是两大主流技术路线。与托卡马克不同，仿星器完全依靠外部线圈产生约束磁场，无需等离子体电流，因此能够实现稳态运行且等离子体稳定性更高。然而，这一优势是以极其复杂的非平面线圈和轴对称性机器几何结构为代价的。Wendelstein 7-X (W7-X) 是世界上最大的仿星器，其磁体系统由50个非平面线圈(NPC)和20个平面线圈组成。这些线圈采用基于铌钛(NiTi)股线和铝Al6063护套的管内电缆导体(CICC)。
在W7-X的运行中，一个关键的潜在故障场景是失超，即超导态突然转变为正常态。失超过程中产生的巨大热量会导致线圈温度急剧升高，从而在绕组包(WP)及其内部的电绝缘材料（玻璃-环氧树脂(GE)复合材料）中引发显著的热应力。由于GE绝缘材料的剪切强度有限，评估其在最恶劣失超情况下的机械完整性对于线圈的安全运行至关重要。此前的研究多采用均质化的绕组包模型或局部子模型方法，难以全面、精确地预测整个非平面线圈在失超过程中的三维应力分布。因此，本研究旨在开发一种全新的、高保真的三维有限元分析方法，将一维热-水力-电学分析与三维力学分析耦合，以精确评估W7-X非平面线圈在失超过程中电绝缘层的应力状态，并验证其安全性。
研究方法概述
为实现上述目标，研究人员采用了多物理场耦合与参数化建模相结合的策略。首先，利用CryoSoft套件中的THEA代码建立了一个一维(1D)热-水力-电学模型，用于模拟失超的触发和传播过程，并计算出沿导体长度方向的温度分布。其次，在Ansys Mechanical APDL环境中，开发了一套全新的参数化三维(3D)有限元模型。该模型的关键创新在于，它摒弃了传统的均质化绕组包(WP)表示方法，而是通过自底向上的结构化网格技术，详细构建了包含护套、匝间绝缘、层间绝缘以及均质化股线束的真实绕组包几何结构。最后，开发了一个数据映射算法，将THEA一维模型计算出的失超温度场准确地施加到三维力学模型的对应节点上，实现了弱耦合分析。
研究结果
2. 热-水力-电学模型
研究人员建立了W7-X非平面线圈(NPC)四个内层（L1至L4）的THEA模型，模拟了失超过程。结果显示，第一双饼(DL1)的股线峰值温度达到121.9 K，护套峰值温度为114.7 K；第二双饼(DL2)的相应温度分别为84.2 K和84.7 K。玻璃-环氧树脂(GE)绝缘层的温度在第一双饼(DL1)中达到114 K，在第二双饼(DL2)中为84.7 K。更重要的是，相邻层间的绝缘层出现了高达38.5 K的温度差，这被认为是产生高机械应力的关键区域。
3. 三维(3D)力学模型
研究人员成功构建了整个W7-X非平面线圈(NPC)的详细三维(3D)力学模型。该模型包含了详细的绕组包(WP)、外壳、填充材料和接地绝缘(GI)，并通过接触单元实现了非一致界面的连接。通过参数化方法，快速生成了高质量的结构化网格，计算成本完全可控，使得分析失超传播过程中的多个时间点成为可能。
4. 结果
通过将THEA模型计算的温度场映射到三维(3D)力学模型，研究人员分析了失超过程中电绝缘层的应力演变。结果表明，在失超发生约8秒后，绝缘层中出现了最大的剪切应力。基于大型螺旋装置(LHD)的评估准则，研究人员对比了计算得到的最大应力值与绝缘材料的许用应力值，最终得出结论：即使在最恶劣的失超工况下，W7-X非平面线圈(NPC)的电绝缘层仍然是安全的。
讨论与结论
讨论部分指出，本研究提出的方法为未来更复杂的分析奠定了基础。例如，可以进一步考虑预应力和电磁力(EM)的影响，或者将该方法应用于其他仿星器线圈的设计与分析中。虽然当前模型的计算成本是可接受的，但随着模型复杂度的增加，未来可能需要更高效的计算策略。
结论部分翻译如下：
本文提出了一种用于仿星器非平面线圈(NPC)三维(3D)有限元法(FEM)建模的方法论。实现了基于一维(1D)热-水力-电学THEA模型与三维(3D) Ansys Mechanical APDL模型的耦合。在Ansys APDL中实现了三维(3D)仿星器线圈的参数化几何生成与网格划分。计算了W7-X线圈在失超过程中绝缘层的最大应力。基于LHD准则，确认了在最恶劣失超情况下电绝缘层的安全性。
