人类生产生活对强磁场的需求推动着磁体技术的快速发展,相较于传统的水冷磁体,超导磁体具有低能耗、结构紧凑、质量轻、磁场空间均匀度高等显著优势,在科学研究、能源、医疗等领域展现出巨大潜力。基于高温超导带材研制而成的内插磁体现已成功突破直流稳态磁场记录,同时高温超导带材也因高磁场下的大载流特性以及优异的机械性能,被视为研制下一代超高场磁体最具发展前景的材料。伴随着磁场强度的提升,高场超导磁体技术的发展面临失超和力电性能退化等关键的科学问题,其核心部件的电磁及力学行为研究直接关系到磁体结构的安全性和功能性。从超导装置的实际运行工况出发,本文对基于二代高温超导带材的高温超导线圈的电磁响应、失超行为以及高场下的力电特性开展数值仿真研究,主要研究内容如下:1)基于自洽模型和H法瞬态电磁模型分别研究了高温超导线圈在直流和交变电流工况下的电磁行为,获得了不同电流和外场环境下线圈的电流密度、磁通密度分布,并重点探讨了磁性基底和磁通换向器对线圈在不同外场环境下的临界电流及交流损耗的影响规律。数值结果表明,在交变电流环境中,磁通换向器可以改变附近超导线圈的磁通线分布,使得线圈端部的磁通线向着与带材平行方向发生偏转,降低超导线圈的交流损耗。另外,从降低线圈损耗的角度出发,对磁通换向器的尺寸、材料的磁饱和特性以及与线圈的相对位置等因素开展了细致分析。2)在上述瞬态电磁场模型的基础上进一步引入非线性热传导方程,考虑温度场与电磁行为的耦合特性,基于二代高温超导带材的实际几何构型,建立了表征高温超导线圈热失超及力学特征的二维电磁-热耦合失超模型和弹塑性力学模型,深入研究了失超传播过程中线圈温度场、电流及组分材料应力应变的变化规律。在失超触发和传播过程中,数值结果表明线圈上局部温度和径向应变的变化趋势基本一致,证实了基于应变的失超检测方案的理论可行性。此外,进一步探索了组分材料、环境温度、线圈结构尺寸以及外磁场等因素对线圈失超和力学行为的影响情况。特别指出的是,在高场条件下,线圈极有可能在失超过程中因承受较大的径向拉应力而发生分层脱粘行为。3)针对工程应用中的大型高温超导磁体的屏蔽电流及力学行为进行数值模拟研究。首先结合T-A法和有限元均匀化建模方法构建了超导磁体的电磁场模型,研究高场超导磁体内部屏蔽电流及屏蔽电流作用下电磁力的分布情况。接着,将电磁场模型和考虑匝间接触的弹塑性力学模型相结合,对屏蔽电流和强磁场共同作用下高温超导磁体内的应力应变分布情况进行了细致分析。然后,根据超导磁体制备和运行顺序,进一步计算了在绕制张紧力、冷却过程的热应力以及电磁力共同作用下高温超导线圈的力学响应及退化行为。计算结果表明,屏蔽电流是影响高温超导磁体力学稳定性和局部载流性能的关键因素。最后探讨了不同电流加载历程下高温超导磁体的屏蔽电流效应。4)基于高温超导带材力电退化的耦合特性,进一步考虑励磁充电过程中结构变形对屏蔽电流的影响,结合上述的T-A法、均匀化建模方法以及考虑匝间接触的弹塑性力学模型,发展了针对高温超导线圈的力-电磁双向耦合模型,并将模型由二维扩展到三维,考虑带材临界电流沿长度方向的非均匀分布特征。通过将数值结果与已有的测试数据比照,验证了耦合模型的可靠性。然后进一步利用三维力-电磁耦合模型,分别研究了二代高温超导带材临界电流的非均匀性和应变敏感性对高温超导线圈在不同外场环境下最大载流能力的影响规律,探讨了励磁加载过程中多场耦合作用下的屏蔽电流及应力应变分布情况。数值结果表明,在自场和较低外场条件下,带材临界电流非均匀分布特征对线圈载流能力影响较大,而在高场环境中,带材力电退化特性引起的线圈载流能力下降尤为显著。另外,不同组分材料和局部缺陷等因素均会影响高温超导线圈的力学稳定性。