AbstractFrom previous results of fatigue crack growth and fracture toughness measurements for a NiFe base superalloy, a primary candidate for the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) central solenoid (CS) conduit, we derive an improved magnet life analysis model from the framework of Newman and Raju. For the superalloy conduit with an initial semielliptical surface crack in its thickness direction, the model predicts the evolution of crack aspect ratio for a wide range of initial crack geometries under pure tension and bending fatigue. The prediction of final fracture due to fatigue crack growth using the linear elastic fracture mechanics approach is shown to be underconservative. An alternative model based on Newman's elastic-plastic fracture toughness parameter is derived for the base metal with nearly semicircular cracks. The improved life analysis model taking into account the fatigue and fracture behavior is applied to the ITER CS magnet and the results are compared with these from earlier models. Accounting for the crack shape evolution leads to significantly longer life compared to assuming a constant aspect ratio. For the superalloy base metal we find that the expected fatigue life of Engineering Design Activity (EDA) design of the CS magnet is about eight times the design requirement. Even the Conceptual Design Activity (CDA) design with a free-standing CS meets the life requirement when analyzed by the improved model.
疲労き裂成長および破壊靱性測定の先行結果に基づき、国際熱核融合実験炉（ITER）中心ソレノイド（CS）導管の主要候補材料であるNi-Fe基超合金について、NewmanとRajuの枠組みから改良された磁石寿命解析モデルを導出する。厚さ方向に初期半楕円表面き裂を有する超合金導管について、本モデルは、純引張および曲げ疲労下での広範囲の初期き裂形状に対するき裂アスペクト比の進展を予測する。線形弾性破壊力学アプローチを用いた疲労き裂成長による最終破壊の予測は、非保守的であることが示される。ほぼ半円き裂を有する母材金属に対して、Newmanの弾塑性破壊靱性パラメータに基づく代替モデルを導出する。疲労および破壊挙動を考慮した改良寿命解析モデルをITER CS磁石に適用し、その結果を従来モデルによる結果と比較する。き裂形状の進展を考慮することで、アスペクト比を一定と仮定した場合と比較して寿命が有意に延長することが示される。母材金属については、工学設計活動（EDA）設計のCS磁石の予測疲労寿命は設計要求値の約8倍である。さらに、改良モデルによる解析では、概念設計活動（CDA）設計の自立型CS磁石も寿命要求を満たすことが示される。