超导电缆是国际热核实验反应堆（ITER）磁体系统的重要组成部分,通常由上千根股线通过多层级扭绞而成,这使得它具有复杂的空间几何构型,同时股线自身具有连续性,而股线间则表现出了典型的离散性,且涉及复杂的多体接触特征。由于超导电缆通常处于强磁场、大电流、极低温等工作环境,其内部股线通常会发生局部变形和非均匀接触等力学行为,进而导致电缆体的超导性能产生退化现象。因此,建立能描述不同层级电缆宏观变形特征的理论模型,并以此预测和分析电缆内部不同尺度上的力学行为,这对提高磁体系统的运行稳定性和优化其结构设计具有重要的意义。本学位论文针对超导电缆的离散性和非线性塑性变形特征,基于离散单元法,提出了一种自下而上构建多级超导电缆三维模型的新方法;针对组分不同、结构各异的不同层级超导电缆,通过在不同功能和材料的单元之间引入有效的接触力定律,构建了考虑股线多级扭绞效应的离散元模型;在此基础上,系统研究了超导电缆在复杂外力和不同运行工况下电缆内部子缆直至股线尺度的局部化变形和非均匀接触等力学行为。学位论文的主要工作如下:1.在对具有空间螺旋结构和复杂组分的超导电缆进行离散元建模时,选择合适的接触力模型对不同功能和材料单元之间的接触变形特征进行准确表征是一个核心问题。本学位论文首先总结了离散元法中最常用的弹塑性接触模型,分析了相关模型在描述球体间接触变形时的优缺点和适用性;通过对球体碰撞过程和接触变形特征的分析,提出了一种改进的弹塑性接触模型,并发展了与之耦合的切向力模型,利用球体正碰和斜碰的实验结果对改进模型进行了验证和参数确定;基于此模型,发展了相应的离散动力学模型及数值计算方法,探讨了计算模型在涉及离散介质的大规模离散元计算中的可行性和有效性。2.基于离散单元法,提出了一种自下而上构建多层级超导电缆数值模型的新方法。考虑超导股线的形状和结构特性,利用连续体的离散化方法,通过在股线内离散粒子间引入特殊的粘结键,构建了可以表征单根股线几何形状和变形特性的DEM模型,并对粘结键的微观参数进行了标定。根据不同层级股线的螺旋线方程,建立了多级电缆的空间几何模型,通过引入球体间接触力定律来表征电缆体内股线之间的相互作用,逐级构建不同层级电缆体的DEM模型。针对高层级电缆提出了电缆压实成型的途径,并给出了内部预应力的消除方法。通过在模型中引入弹塑性接触力定律来表征股线间接触引起的塑形变形效应,解决了高应力水平下三级电缆模型预测结果和实验结果存在偏差的问题。3.基于提出的超导电缆多级建模方法,尝试建立了不同节距下多级电缆的离散元模型。对于低层级的一级和二级电缆,基于离散元模型预测了节距对电缆轴向变形特征及等效杨氏模量、轴向应变分布以及股线间的接触特性的影响规律,并与基于细杆理论得到的弹性变形阶段的理论模型进行了对比,以此讨论了理论模型的局限性。针对三级电缆,研究了不同层级节距对电缆轴向拉伸下力学行为的影响,讨论了电缆的整体变形与电缆内子缆和股线局部变形特征的依赖关系,以及不同层级节距对上述关系的影响规律。4.基于四种不同的三级电缆离散元模型,系统研究了横向循环压缩下电缆的宏观变形特征,基于得到的荷载-位移曲线,分析了电缆的横向塑性变形、等效弹性模量和机械损耗等随着加载循环次数的变化特征。与此同时,给出了电缆内部股线的排列结构、变形分布、股线间接触特征等随着循环加载次数的演化规律,分析了节距和空隙率对电缆内部股线的横向位移以及股线间的接触特征的影响,讨论了影响电缆宏观力学行为和结构稳定性的主要因素。5.基于自下而上的多层级建模方法,通过引入表征不同组分材料变形特征的接触本构方程,构建了含有Cu股线的STP和CWS超导电缆离散元模型。针对CWS电缆中铜股线缠绕方式不同,给出描述其结构的三维几何方程,并发展了相对应的模型压实成型方法。针对一级电缆在轴向拉伸下的变形问题,分析了Cu股线占比和节距对电缆的等效拉伸刚度及电缆内股线间接触特征的影响。给出了热应变和洛伦兹力在DEM模型中的实现途径,通过考虑弯曲应变发展了离散元模型中股线轴向局部应变的等效计算方法。在此基础上,研究了三级电缆在热应变和洛伦兹力作用下其内部的局部变形特征,讨论了铜股线的存在及其缠绕方式对超导电缆稳定性的影响。本学位论文针对具有典型离散性和非均匀接触特征的超导电缆,提出了一种自下而上构建多层级超导电缆三维数值模型的新方法。基于该方法构建的离散元模型被证实可以准确描述不同层级电缆体在外力作用下的宏观变形特征,更为重要的是,上述模型可以被用来定量预测电缆内部子缆直至股线尺度的微细观力学行为。本学位论文开展的研究工作,为揭示和分析不同层级超导电缆在复杂外力作用下的宏观力学行为提供了理论依据和微观机理,同时也为与超导电缆类似的、具有离散特性的复杂多尺度结构的相关问题研究提供了一种行之有效的理论建模途径和定量分析方法。