核電壓力容器工裝夾具動態(tài)特性分析

張世英+于樂++陳強+李斌+襲榮旺

摘 要：本文對一款核電壓力容器新型工裝夾具進行了參數(shù)化建模，利用有限元軟件對工裝夾具在加工過程中的模態(tài)頻率和陣型，對模型進行解耦并施加車刀切削力載荷；最后，對響應結果進行分析。分析表明，動態(tài)特性分析對改善工裝夾具結構強度具有指導意義。

關鍵詞：核電壓力容器；工裝夾具；模態(tài)分析；響應分析

中圖分類號：TG142 文獻標志碼：A

0 引言

本文針對最近一款新型可以同時適應上述四種型號的工裝夾具解析出工裝夾具在加工過程中的模態(tài)頻率和陣型。在此基礎上，對模型進行解耦并施加車刀切削力載荷；最后，對響應結果進行分析。為工裝夾具結構設計和優(yōu)化提供了參考，同時，對加工過程中設定機床花盤轉數(shù)和機加工切削量提供了理論依據(jù)。

1 力學方程的解耦與力學方程的建立

為使工裝夾具成為一個線性結構，只考慮低階模態(tài)對結構的影響，在建立好車身有限元模型的基礎上，采用模態(tài)分析法可明顯減少計算工作量。

2 有限元模型的建立

設定底圈、中圈和上部平臺的材料為Q345B結構鋼，彈性模量2.06×1011Pa，密度7850kg/m2，泊松比0.28；連接套的材料為35CrMo，彈性模量2.13×1011Pa，密度7870kg/m2，泊松比0.28。現(xiàn)將工裝夾具的底面8個腰孔中4個均布成90°固定。機加時，周向切削力和徑向進給力分別為Fc≤10kN和Fj≤10kN，采用 （阻尼法）進行模態(tài)提取，經(jīng)運算后，提取前4階固有頻率和陣型。

3 模態(tài)計算分析

經(jīng)運算后，提取前四階固有頻率和陣型，工裝夾具的模態(tài)頻率（Hz）見表1。

從表1中可以看出，當頻率為13.384Hz，其振型為扭轉，這種自振形式與工裝夾具的運動形式非常相近，其變形量為0.17mm，這就要求刀盤的轉動頻率盡量要避開該頻率正負5Hz的振動區(qū)間；當頻率為38.9999Hz和43.673Hz時，下圈產(chǎn)生自振，其變形量分別為0.127mm和0.167mm，要求避開38.9999Hz～43.673Hz正負5Hz的自振區(qū)間。啟動機床花盤，使其轉數(shù)為3r/min ～5r/min，激振頻率幅值為0.252Hz～0.2821Hz，頻率遠低于其一階固有陣型的頻率，所以根本不能發(fā)生共振。

4 響應計算分析

對關鍵零件的的應力情況所示選取節(jié)點42786，該節(jié)點位于支撐座上，且該點為墊鐵下端墊板與支撐座接觸邊緣點；與此同時，選擇了水平卡爪與工件接觸面上的上邊線中心點，即，節(jié)點59392。現(xiàn)將兩點分別定義為點1。分別考慮了密封面加工和出口接管內(nèi)壁加工處進行加工，施加交變激振力為Fc=10kN和Fj=10kN，進行激振力加載。以點1為例：對X、Y、Z三個方向位移和應力響應曲線進行分析。如圖1所示是點1的在X軸方向的響應曲線，分別為位移響應曲線。

4.1 1點X方向位移響應曲線

從圖1和數(shù)據(jù)可以看出點1處，當切削所產(chǎn)生的激振力頻率在固有頻率附近，激振力的相位角為180°時，產(chǎn)生的共振效應對X方向上位移的響應最明顯，共振位移量為1.5371mm；切削所產(chǎn)生的激振力頻率在四階陣型頻率附近產(chǎn)生的共振效應對X方向上應力的響應最明顯，其相位角為180°，共振產(chǎn)生的應力僅為5.16×10-2MPa，遠小于靜力對工裝夾具的影響，切削所產(chǎn)生的激振力頻率在一階固有陣型頻率附近產(chǎn)生的共振效應對X方向上應變的響應最明顯，其相位角為0°共振產(chǎn)生的加速度為4.92×103mm/s2，要求立車從0r/min到5r/min的加速時，當頻率為固有頻率時，會產(chǎn)生4.92×103mm/s2的額外慣性，但機床0r/min～5r/min的加速時，轉動頻率為0.083Hz，此時加速度為6.92mm/s2，可忽略不計。

結論

（1）利用模態(tài)QR Damped（阻尼法）進行模態(tài)提取，找到了工裝夾具前四階的頻率和陣型，并利用通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括加速度傳感器、DH5902數(shù)據(jù)采集儀和DH5902盤上測得原動機的激振頻率幅值為0.252Hz～0.281Hz，頻率遠低于其一階固有陣型的頻率，得出根本不能發(fā)生共振的結論。

（2）沿徑向進給刀具圓周切削時對激振力對工裝夾具影響的振動影響最大，從最大形變量都發(fā)生在X軸方向上可以看出為1.54mm，都發(fā)生在固有頻率一階彎曲陣型附近，這就要求加工時，要控制立車刀盤的轉數(shù)。當機床花盤轉速為3～5轉時，可有效避開工裝夾具的固有頻率，不會產(chǎn)生大的振動，振動響應僅為0.187mm，低于靜力對工件變形產(chǎn)生的影響，可放心使用。

參考文獻

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