水室封头专用数控机床关键件结构优化及滑枕变形补偿研究

发布时间：2020-06-05 10:45

【摘要】：水室封头作为核电蒸汽发生器等设备的关键部件,是蒸汽发生器与核反应压力容器等其他部件的接口,其形状复杂,加工难度非常大,研制水室封头加工专用数控机床,攻克水室封头高效加工技术难题,是有效推进我国第三代核电装备系列化、批量化生产的重要保障。目前,国内外常采用大型立车、落地铣镗床等通用机床结合变位机来实现水室封头的加工,该方式生产组织环节多、生产周期长,加工与检测设备及辅具制备耗费量大,精度难以保证。针对以上问题,本文提出设计水室封头专用数控机床的高效加工解决方案,并针对机床关键件存在的共性问题,以提高机床零部件综合性能为目标,开展关键件的结构优化设计及滑枕挠曲变形补偿研究。主要研究成果如下:(1)提出核电水室封头专用数控机床高效加工方案。针对水室封头加工工艺需求及现有加工过程中存在的问题,提出水室封头加工专用数控机床的整机结构布局方案;通过有限元分析得到整机的静动态特性,进而确定了机床的薄弱环节及横梁等关键件的结构优化空间。(2)提出基于功能截面分解的横梁多工况拓扑优化方法。针对横梁结构的轻量化需求及传统拓扑优化方法存在的问题,建立横梁多工况刚度评价函数,根据横梁变形量确定各工况权重因子,分别对两个主要承载的功能截面进行二维拓扑优化分析,综合二维功能截面分析结果及初始模型优化结果,完成横梁拓扑结构改进,实现横梁的轻量化设计。(3)提出考虑疲劳寿命的横梁结构尺寸优化设计方法。在横梁拓扑优化基础上,为了确保横梁的可靠性,推导非对称循环下材料的力学参数和寿命之间的对应关系,通过有限元分析计算横梁可靠度为99.9%时的寿命,进而推导出部件可靠度为99.9%时对应寿命的最大应力,并以该最大应力为约束条件进行尺寸优化研究,在保证横梁可靠性基础上进一步实现了轻量化。(4)提出基于TRIZ理论的A轴组件结构改进设计与优化方法。针对机床A轴组件刚度不足的问题,综合利用力学、机械设计、制造工艺学等理论知识,基于TRIZ理论寻找能显著增强A轴组件局部刚度的改进方案,并采用尺寸优化进一步提高其刚度,缩小结合面缝隙,使其满足行业要求。(5)提出可摆动滑枕挠曲变形补偿方法。针对可摆动滑枕的挠曲变形问题,建立滑枕在行程和摆角双重因素影响下的滑枕变形力学模型和补偿力学模型,通过仿真分析,得出滑枕挠曲变形量与其行程和摆角之间的关系曲线,提出可摆动滑枕挠曲变形补偿方法,计算安装附件情况下滑枕变形补偿力,并设计相应的补偿系统。
【图文】：

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核电设备水室封头及其结构图

过程图,水室,封头,材料去除

对于水室封头的加工（如图 1-2 所示），国内外通常采用通用机床配合变位机现，加工环节多、制造周期长，辅具制备成本高，且难以保证精度。在机械加面存在以下四个问题[4,5]：一是高韧性和高强度的低碳低合金钢的切削性能较差是加工余量大，毛坯重约 200~300 吨，，直径 5 米左右，而成品仅 30~50 吨；三要重型加工设备配合专用工作台及辅具；四是封头的尺寸较大，有若干个管嘴撑凸台并且在球面上的分布不规则，刀具路径的规划存在难点。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM623

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