核電壓力容器工裝夾具動態(tài)特性分析

張世英+于樂++陳強(qiáng)+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(jìn)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(jìn)行解耦并施加車刀切削力載荷；最后，對響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析。分析表明，動態(tài)特性分析對改善工裝夾具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：核電壓力容器；工裝夾具；模態(tài)分析；響應(yīng)分析

中圖分類號：TG142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

本文針對最近一款新型可以同時適應(yīng)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(chǔ)上，對模型進(jìn)行解耦并施加車刀切削力載荷；最后，對響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析。為工裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了參考，同時，對加工過程中設(shè)定機(jī)床花盤轉(zhuǎn)數(shù)和機(jī)加工切削量提供了理論依據(jù)。

1 力學(xué)方程的解耦與力學(xué)方程的建立

為使工裝夾具成為一個線性結(jié)構(gòu)，只考慮低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的影響，在建立好車身有限元模型的基礎(chǔ)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(shè)定底圈、中圈和上部平臺的材料為Q345B結(jié)構(gòu)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(jī)加時，周向切削力和徑向進(jìn)給力分別為Fc≤10kN和Fj≤10kN，采用 （阻尼法）進(jìn)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(dāng)頻率為13.384Hz，其振型為扭轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)動頻率盡量要避開該頻率正負(fù)5Hz的振動區(qū)間；當(dāng)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(fù)5Hz的自振區(qū)間。啟動機(jī)床花盤，使其轉(zhuǎn)數(shù)為3r/min ～5r/min，激振頻率幅值為0.252Hz～0.2821Hz，頻率遠(yuǎn)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(yīng)計算分析

對關(guān)鍵零件的的應(yīng)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(jìn)行加工，施加交變激振力為Fc=10kN和Fj=10kN，進(jìn)行激振力加載。以點1為例：對X、Y、Z三個方向位移和應(yīng)力響應(yīng)曲線進(jìn)行分析。如圖1所示是點1的在X軸方向的響應(yīng)曲線，分別為位移響應(yīng)曲線。

4.1 1點X方向位移響應(yīng)曲線

從圖1和數(shù)據(jù)可以看出點1處，當(dāng)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(yīng)對X方向上位移的響應(yīng)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(yīng)對X方向上應(yīng)力的響應(yīng)最明顯，其相位角為180°，共振產(chǎn)生的應(yīng)力僅為5.16×10-2MPa，遠(yuǎn)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(yīng)對X方向上應(yīng)變的響應(yīng)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(dāng)頻率為固有頻率時，會產(chǎn)生4.92×103mm/s2的額外慣性，但機(jī)床0r/min～5r/min的加速時，轉(zhuǎn)動頻率為0.083Hz，此時加速度為6.92mm/s2，可忽略不計。

結(jié)論

（1）利用模態(tài)QR Damped（阻尼法）進(jìn)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(jī)的激振頻率幅值為0.252Hz～0.281Hz，頻率遠(yuǎn)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(jié)論。

（2）沿徑向進(jìn)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(zhuǎn)數(shù)。當(dāng)機(jī)床花盤轉(zhuǎn)速為3～5轉(zhuǎn)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(yīng)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(xiàn)

[1]王東輝，張靜，CAE技術(shù)在堆內(nèi)構(gòu)件工裝設(shè)計中的應(yīng)用[C].現(xiàn)代計算機(jī)，2013.06.15.

[2]吳寒.海洋鉆機(jī)應(yīng)力測試工裝設(shè)計[C].石油機(jī)械，2013.09.10.endprint