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核电压力容器工装夹具动态特性探讨

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摘要:本文对一款核电压力容器新型工装夹具进行了参数化建模,利用有限元软件对工装夹具在加工过程中的模态频率和阵型,对模型进行解耦并施加车刀切削力载荷;最后,对响应结果进行分析。分析表明,动态特性分析对改善工装夹具结构强度具有指导意义。

关键词:核电压力容器;工装夹具;模态分析;响应分析

0引言

本文针对最近一款新型可以同时适应上述四种型号的工装夹具解析出工装夹具在加工过程中的模态频率和阵型。在此基础上,对模型进行解耦并施加车刀切削力载荷;最后,对响应结果进行分析。为工装夹具结构设计和优化提供了参考,同时,对加工过程中设定机床花盘转数和机加工切削量提供了理论依据。

1力学方程的解耦与力学方程的建立

为使工装夹具成为一个线性结构,只考虑低阶模态对结构的影响,在建立好车身有限元模型的基础上,采用模态分析法可明显减少计算工作量。

2有限元模型的建立

设定底圈、中圈和上部平台的材料为Q345B结构钢,弹性模量2.06×1011Pa,密度7850kg/m2,泊松比0.28;连接套的材料为35CrMo,弹性模量2.13×1011Pa,密度7870kg/m2,泊松比0.28。现将工装夹具的底面8个腰孔中4个均布成90°固定。机加时,周向切削力和径向进给力分别为Fc≤10kN和Fj≤10kN,采用(阻尼法)进行模态提取,经运算后,提取前4阶固有频率和阵型。

3模态计算分析

经运算后,提取前四阶固有频率和阵型,工装夹具的模态频率(Hz)。当频率为13.384Hz,其振型为扭转,这种自振形式与工装夹具的运动形式非常相近,其变形量为0.17mm,这就要求刀盘的转动频率尽量要避开该频率正负5Hz的振动区间;当频率为38.9999Hz和43.673Hz时,下圈产生自振,其变形量分别为0.127mm和0.167mm,要求避开38.9999Hz~43.673Hz正负5Hz的自振区间。启动机床花盘,使其转数为3r/min~5r/min,激振频率幅值为0.252Hz~0.2821Hz,频率远低于其一阶固有阵型的频率,所以根本不能发生共振。

4响应计算分析

对关键零件的的应力情况所示选取节点42786,该节点位于支撑座上,且该点为垫铁下端垫板与支撑座接触边缘点;与此同时,选择了水平卡爪与工件接触面上的上边线中心点,即,节点59392。现将两点分别定义为点1。分别考虑了密封面加工和出口接管内壁加工处进行加工,施加交变激振力为Fc=10kN和Fj=10kN,进行激振力加载。以点1为例:对X、Y、Z三个方向位移和应力响应曲线进行分析。

4.11点X方向位移响应曲线当切削所产生的激振力频率在固有频率附近,激振力的相位角为180°时,产生的共振效应对X方向上位移的响应最明显,共振位移量为1.5371mm;切削所产生的激振力频率在四阶阵型频率附近产生的共振效应对X方向上应力的响应最明显,其相位角为180°,共振产生的应力仅为5.16×10-2MPa,远小于静力对工装夹具的影响,切削所产生的激振力频率在一阶固有阵型频率附近产生的共振效应对X方向上应变的响应最明显,其相位角为0°共振产生的加速度为4.92×103mm/s2,要求立车从0r/min到5r/min的加速时,当频率为固有频率时,会产生4.92×103mm/s2的额外惯性,但机床0r/min~5r/min的加速时,转动频率为0.083Hz,此时加速度为6.92mm/s2,可忽略不计。

结论

(1)利用模态QRDamped(阻尼法)进行模态提取,找到了工装夹具前四阶的频率和阵型,并利用通过数据采集系统主要包括加速度传感器、DH5902数据采集仪和DH5902盘上测得原动机的激振频率幅值为0.252Hz~0.281Hz,频率远低于其一阶固有阵型的频率,得出根本不能发生共振的结论。

(2)沿径向进给刀具圆周切削时对激振力对工装夹具影响的振动影响最大,从最大形变量都发生在X轴方向上可以看出为1.54mm,都发生在固有频率一阶弯曲阵型附近,这就要求加工时,要控制立车刀盘的转数。当机床花盘转速为3~5转时,可有效避开工装夹具的固有频率,不会产生大的振动,振动响应仅为0.187mm,低于静力对工件变形产生的影响,可放心使用。参考文献[1]王东辉,张静,CAE技术在堆内构件工装设计中的应用[C].现代计算机,2013.06.15.[2]吴寒.海洋钻机应力测试工装设计[C].石油机械,2013.09.10.

作者:张世英;于乐;陈强;李斌;袭荣旺 单位:北方重工集团有限公司

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