托卡马克装置是目前世界上被公认最有可能实现磁约束核聚变的装置,未来极有可能用此装置实现聚变能发电。其中核聚变装置中最为重要的部件之一是包层系统,包层系统是核聚变装置自持燃烧的根本保证。而包层支撑是将包层系统固定在真空室上的重要部件,它承载着来自包层的所有荷载。由于托卡马克装置运行时垂直位移事件引起的交变电流而产生交变磁场,从而使包层模块产生涡流,涡流感应在包层内形成电磁力。包层支撑作为重要的连接部件除了承受包层上的电磁力以外,由于托卡马克装置运行时,包层上产生的电磁力是非连续的周期性载荷,按照设计要求包层支撑需要承受该电磁荷载作用10000次而不失效,所以需在此电磁力下对包层支撑进行10000次疲劳模拟,从而满足设计要求。包层与包层支撑间通过焊接的形式固定,在对包层支撑进行疲劳测试时,也需对焊接部位焊接性能进行测试,以确保包层支撑设计的安全可靠。为了完成包层支撑结构的设计分析与实验研究,本文主要完成了以下工作内容:1.设计包层支撑。通过对国内外包层支撑相关资料的调研,设计了三种包层支撑结构方案,通过比较最终选择了四机械键形式的包层支撑方案。该方案采用十字切槽的形式,既能满足支撑功能需要,又能够吸收部分热应力,减少支撑结构的变形。2.包层电磁模拟。以ANSYS有限元分析软件为基础,利用APDL参数化语言编程实现包层在垂直位移工况下的电磁模拟。通过瞬态模拟磁体线圈、等离子体与包层间的涡流作用,计算出包层受到的电磁力大小。3.包层支撑在电磁力作用下的应力分析及疲劳模拟。通过将随时间变化而变化的电磁力施加在包层支撑上,分析得到包层支撑最大应力处及最大应力范围。利用ANSYS疲劳模拟模块模拟此最大应力下的应力疲劳,得到10000次疲劳下的疲劳损耗0.00769,满足设计要求。4.包层与支撑间焊缝疲劳实验及焊接性能分析。通过试验研究包层与支撑间的焊接方式及焊接性能。利用疲劳试验机对TIG焊和电子束焊的两种样件分别进行实验,对实验后样件进行无损检测及金相分析。分析及实验结果显示:TIG焊与电子束焊疲劳分析模拟的数据接近;试验前后两种焊接样件焊缝焊透性高;电子束焊样件的母材与焊缝处的组织性能完整,晶粒大小分布基本均匀,TIG焊样件母材与焊缝处组织性能完整,晶粒大小分布较为不规则。故工程应用中,若应力范围较低,可采用TIG焊代替电子束焊。