CFETR CS模型线圈的工程目标是采用CFETR装置原型CS线圈的导体结构,设计满足最高磁场为12T,磁场最大变化率为1.5T/s,并能符合CFETR超导线圈运行的模型线圈。CS模型线圈采用混合磁体结构,其磁体系统包括2个位于高场区的Nb3Sn线圈和3个位于低场区的NbTi线圈。磁体系统通过预紧系统套装在一起,所有单个线圈之间串联连接。CS模型线圈的物理参数和科学目标与CFETR装置CS线圈保持一致,CS模型线圈将运行在大电流以及高磁场下,线圈不仅需要满足物理运行要求,也应具有较高的力学强度。线圈力学分析及强度评估是线圈设计的重要研究项目之一,为线圈的结构设计合理性提供评判依据。CFETRCS模型线圈采用4.5K的液氦冷却,液氦通过氦进出口注入线圈绕组内部。氦进出口是线圈上应力最大的区域之一,其焊缝为I类焊缝,可借鉴的制造经验不多,其结构设计以及制造工艺研究极具挑战性及现实工程意义。为了验证CS模型线圈设计的合理性与工程可实现性,本文针对现有的线圈结构,采用2D以及3D有限元模型对其进行了在预紧力、热应力以及电磁力等作用下的电磁分析、力学分析以及强度评估。在线圈关键部件氦进出口的研制过程中,分别对氦进出口的结构设计、力学评估、焊接工艺、铠甲上坡口加工工艺以及x射线检测工艺等进行了相关的理论分析与实验研究。根据线圈的工程目标以及初步电磁分析,基于ANSYS对线圈进行了 2D轴对称模型的电磁分析,校核了电磁设计参数;基于2D轴对称模型的力学分析,对线圈铠甲、绝缘以及G10部件在电磁载荷作用下进行了力学评估,其均满足结构强度要求。基于广义胡克定律,采用ANSYS软件建立了计算线圈绕组等效材料属性的有限元模型,求解了绕组等效材料的杨氏模量、泊松比、剪切模量以及热膨胀系数,该计算结果能够与ITER CS线圈的等效属性吻合。根据线圈的结构设计与试验运行要求,通过3D整体有限元模型分析了线圈预紧机构在安装态、低温态以及正常运行态下的应力应变,并利用应力线性化的原理,对线圈预紧部件进行应力评估,其结果均能满足强度要求。同时,根据整体模型计算确定了线圈单根预紧杆的预紧载荷。针对线圈的绝缘系统、高场区跨层导体、线圈终端引线及其支撑等局部结构,建立了 3D的有限元局部分析模型,分析了各部件的在线圈不同运行状态下的应力应变,并基于应力线性化原理对各部件进行力学评估,其结果均能满足强度要求。根据CS模型线圈氦进出口的设计要求,完成了其结构设计。基于结构设计,采用有限元分析方法,完成了氦进出口力学评估以及尺寸优化,验证了其结构设计的合理性。经过大量的研究实验,确定了氦进出口的焊接技术,并详细阐述其焊接工艺评定过程。测试了焊缝试验低温下的力学性能。还发展了铠甲上氦孔加工技术,并研制了相关的制造设备。最后还发展了氦进出口焊缝的x射线检测工艺。目前,相关的工艺研究已成功应用于CFETRCS模型线圈氦进出口 mock-up件的制造。