ICS 27.120.99 F 69 DB34 安 徽 省 地 方 标 准 DB 34/T 2844.3—2017 大型低温超导磁体结构部件设计准则 第 3 部分：非金属部件 Design criteria for the main components of low-temperature superconducting magnets Part 3: Nonmetal parts 2017 - 03 - 30 发布 安徽省质量技术监督局 2017 - 04 - 30 实施 发 布 DB34/T 2844.3—2017 前 言 DB34/T 2844《大型低温超导磁体结构部件设计准则》分为三个部分： ——第 1 部分：应力术语； ——第 2 部分：金属部件； ——第 3 部分：非金属部件。 本部分为 DB34/T 2844 的第3部分。 本部分按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。 本部分由中国科学院等离子体物理研究所提出。 本部分由安徽省核聚变工程技术及应用标准化技术委员会归口。 本部分起草单位：中国科学院等离子体物理研究所、安徽省质量和标准化研究院。 本部分主要起草人：宋云涛、郑金星、陆坤、卫靖、戴继勇、张文秋、江峰、李明、吴维越、刘旭 锋、黄雄一、程宁。 I DB34/T 2844.3—2017 大型低温超导磁体结构部件设计准则 1 第 3 部分：非金属部件 范围 DB34/T 2844 的本部分规定了低温超导磁体非金属结构部件的设计规范。 本部分适用于低温超导磁体系统由如下应力引起的失效形式的判定： a) 过度弹性变形，包括弹性失稳； b) 过度塑性变形； c) 脆性断裂； d) 塑性失稳-增量失稳； e) 高应变低周疲劳； f) 结构破坏或磨损导致的电气故障。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 13811-2003 电工术语 超导电性 DB34/T 2844.1 大型低温超导磁体主要结构部件设计准则 第1部分：应力术语 3 术语和定义 GB/T 13811-2003 和 DB34/T 2844.1 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 低电压电绝缘系统 low-voltage insulation system 电压低于 100V 的金属磁体间起涡电流屏障作用的绝缘部件。 3.2 复合材料结构部件 structural component of composite 由一维或二维玻璃纤维增强结构组成的，通过环氧树脂结合的部件。 4 超导磁体主要非金属结构部件 工程用超导磁体中，主要非金属结构部件包括绝缘材料、隔热材料以及线圈的外层保护材料。 5 非金属结构部件设计准则 1 DB34/T 2844.3—2017 5.1 非金属部件 5.1.1 非金属部件的材料 非金属部件包括如下材料构成的部件： ——复合的结构件、热电绝缘系统、填充物、垫片和低摩擦滑动聚合物； ——高压电绝缘系统所用材料包括超导磁体中的匝间、层间和对地的绝缘材料； ——应用在薄层的材料。 5.1.2 非金属部件的绝缘 5.1.2.1 绝缘系统的电压变化的范围是 100 V～30 000 V。 5.1.2.2 对于低压绝缘材料，只要保持传导面的实体分隔，如果绝缘材料出现局部失效是可以被接受 的。 5.1.2.3 许多绝缘材料有一个二维的加强筋（在面内方向），假设最终由于垂直于加强筋的高压绝缘 材料的机械故障导致电击穿，平行于加强筋的局部失效是可以接受的。 5.1.3 非金属部件受到的应力 5.1.3.1 在复合材料和绝缘系统中，临界应力是正应力和剪切应力所决定的。 5.1.3.2 本部分所提应力指的是总应力。 5.2 高压绝缘系统的设计 5.2.1 应力测试准则 5.2.1.1 绝缘材料无金属材料类似的伸缩性能，由几何不连续性引起的局部应力峰值可以被局部裂纹 （尤其是金属表面的分离）所消除。 5.2.1.2 在证明平行于绝缘层的某处裂纹或表面分离可以消除应力的前提下，该处的二次应力、峰值 拉伸和剪切应力可以超过 5.2.3 和 5.2.4 定义的拉伸和剪切应力准则。 5.2.1.3 实践中应通过分析或实验来证明故障的选取方向不会导致在不同电位层之间延伸的裂纹。 5.2.1.4 最终的校验应通过对某个典型的绝缘部分进行机械/电气测试而获得。 5.2.2 垂直于加固平面的许用抗压应力 5.2.2.1 连续绝缘材料板材厚度方向上的许用抗压应力应等于最小极限抗压强度的 1/2，见式（1）： S c  1 2   cs ...................................... (1) 式中： σcs —— 最小静态抗压强度，为平均抗压强度减去10次测量中最小值的数据组的两个标准差 （95.4％百分位）。 5.2.2.2 在疲劳测试数据可用处，抗压疲劳应力允许值 S c 应等于更小的值：在寿命周期数时测得的 极限抗压疲劳强度 σcf 的 1/2 或在 10 倍寿命周期时的极限抗压疲劳强度，见式（2）： Sc ( fatigue)  1 / 2   cf .................................. (2) 缺少疲劳数据时，许用抗压疲劳强度等于静态抗压强度 σcs 的 1/3。 5.2.3 垂直于加固平面的许用拉伸应变 2 DB34/T 2844.3—2017 5.2.3.1 在垂直于金属与复合材料间粘着力的方向上,不允许有一次拉伸应变。二次应变将被限制到极 限拉伸应变的 1/5。 5.2.3.2 邻近粘合剂的绝缘材料内的许用工作拉伸应变为 0.02％。 5.2.3.3 特殊情况下局部分离是允许的，参见本部分 5.2.1 的内容。 5.2.4 许用剪切应力 5.2.4.1 对一种绝缘材料来说，穿过加固平面的静态剪切应力 SSS 和许用疲劳剪切应力 SSf 与特定材 料、所选加工方法、应力加载条件、温度、辐射接触等级等密切相关。 5.2.4.2 绝缘体的剪切强度强烈依赖于外加的抗压应力。 5.2.4.3 通过数据得到的剪切强度的典型变化形式在图 1 中展示。 图1 随一次压缩变化的许用剪切应力形式 5.2.4.4 在零压缩时存在一个粘合剪切强度 τ0，剪切强度线性地增长到一个极限值后保持恒定直到到 达压缩强度限制。 5.2.4.5 曲线的线性部分由式（3）表达，系数 0.5 代表一个安全系数。C2 的值由实验决定，没有安 全系数。 5.2.4.6 压缩的极限值被选定所以相应的极限剪切值是低于实验值的两个系数中的一个，来提供安全 系数。 5.2.4.7 静力学（增长到压缩极限值后超过压缩极限值时为常数）按式（3）计算： Sss   0.5 os    c2 s  Scs  n   ................................ (3)   疲劳（增长到压缩极限值后超过压缩极限值时为常数）按式（4）计算： S sf  0.5 of   c2 f  Scf  n   ............................... (4)   式中： τ0 —— 没有压缩负载并在代表运行条件的温度和核辐照剂量下时，由实验确定的材料最小固有剪 切强度（下标 s 和 f 分别指由静力学和疲劳试验所测得的数据）。此强度代表最小结合剪切强度或复 合材料层间剪切强度。此强度通过试验确定，代表至少六个或多于十个被测试样的最低数据点，平均值 减去2标准差（95.4％百分位）； C2 —— 对所推荐的绝缘材料由试验确定的系数，基于在代表运行条件的温度和核辐照剂量下的组 合剪力和压缩试验。这个常数代表剪切强度随抗压应力变化的斜率； Sc(n) —— 应用的一次抗压应力，下标 s 和 f 分别指由静力学和疲劳试验所测得的数据。 3 DB34/T 2844.3—2017 5.2.4.8 缺乏疲劳数据时，按照式（5）计算： S sf  0.333 os    c2 s  Scs  n   ............................. (5)   5.2.5 加固面上的许用应变 5.2.5.1 5.2.5.2 5.2.5.3 5.2.5.4 平面内的应变为由线圈结构材料施加的二次应力。 绝缘材料所在平面上的最大允许拉伸或压缩应变为 ±0.5％。 应变限制被用来阻止在绝缘片厚度方向上产生微裂纹。 垂直于绝缘材料平面的应变限制不依赖于平面内的应变。 5.3 低压绝缘系统设计 5.3.1 全厚度拉伸和剪切应力 5.3.1.1 低压绝缘系统的全厚度抗拉强度通常被认为是零，但绝缘层可能超出故障点运行，即在绝缘 层内有一个缝隙。 5.3.1.2 层的抗剪粘接强度将同样视为零并且表面起摩擦界面的作用，即表面剪切分离是被允许的。 5.3.1.3 由于缺乏详细的数据，考虑邻近粘合剂的绝缘材料内的许用工作拉伸应变为 0.02％。摩擦系 数的指导值为 0.4。 5.3.1.4 开裂和重大滑移，应进行适当的分析并且表面需要被当作一个“滑移面”。 5.3.1.5 最终的校验应通过对一个典型的绝缘部分进行机械/电气测试而获得。 5.3.2 垂直于加固平面的许用抗压应力 对于静力学和疲劳条件，在全厚度方向上的许用压应力 Scp 等于最小极限静压缩强度的 2/3（一次 加二次），见式（6）： S   2 3  ..................................... (6) cp cs 5.4 复合材料结构部件设计准则 应力极限由两个方向的应力分量来定义。第一个平行于玻璃纤维（所以可能有一个或两个轴），第 二个垂直于玻璃纤维（同样，有一个或两个轴）： a) 对于第一个方向（平行） 对于静力学和疲劳条件，许用压缩和拉伸应力，Stp 和 Scp，分别地，等于最小极限静压缩和拉伸强 度的 1/3（一次加二次应力），见式（7）和式（8）： S  1 3   ..................................... (7) cp cs1 S tp  1 3   ts1 .................................... (8) b) 对于第二个方向（垂直） 1) 对于静力学和疲劳条件，许用压缩应力 Scn 等于最小极限静压缩强度的 1/3（一次加二次 应力），见式（9）： ...................