基于Inventor的圍板組裝及吊裝工裝設計

(中國核動力研究設計院反應堆燃料及材料重點實驗室 四川 成都 610000)

前言

乏燃料貯存格架(以下簡稱“格架”)是核電站中燃料操作與貯存系統的重要組成系統，由底板、方管、中子吸收體、圍板等組裝焊接構成。在格架制造后期需要將四塊圍板安裝在格架上端的四周，然后進行圍板間的四條焊縫及圍板與格架八條焊縫的焊接，安裝過程中既要確保圍板高空(約4.4m)組裝過程的便捷性，又要防止圍板之間的焊接對格架精度產生較大影響，如果將單塊圍板分別與格架進行組裝焊接，將會使格架整體產生極大變形。

本文通過對格架結構和圍板裝配特點的分析，制定了組裝焊接方案，先利用工裝將四塊圍板組裝焊接為一個整體，再利用該工裝將圍板組件吊裝裝配在格架上端，然后進行圍板與格架四周焊縫焊接。采用Inventor 軟件開展了專用組裝及吊裝工裝設計，并將圍板連同工裝與格架進行了虛擬裝配，對工裝薄弱結構進行了有限元分析，確保組裝及吊裝工裝的受力狀態和變形情況滿足整體組裝要求和吊裝過程的安全可靠性。

一、組裝及吊裝工裝設計要求

(一)格架及圍板結構技術指標

格架總體尺寸約2175×1695×4400mm，總重約8000kg，主要材料為不銹鋼，外形結構為長方體。

圍板尺寸為2176×380×13mm、1696×380×13mm，兩端分別開有焊接坡口。

(二)工裝設計要求

根據格架及圍板的結構和組裝特點，對圍板組裝及吊裝工裝的設計要求進行了分析，主要需要滿足以下幾點：(1)工裝能實現四塊圍板的組裝，相鄰兩塊垂直度不大于0.2mm；(2)圍板之間焊接收縮變形量約為1～2mm，工裝可以實現長度與寬度方向的調節；(3)工裝的承重不小于2000kg，安全系數不小于1.5；(4)工裝工作過程中最大變形量不大于0.2mm；(5)工裝結構不能過于復雜，需要兼顧設計的經濟性與可靠性。

二、組裝及吊裝工裝結構設計

圍板組裝及吊裝工裝結構如圖1所示，根據圍板的結構特點和吊裝要求，將工裝設計為框架結構，基體采用方鋼拼焊而成，工裝形狀為長方形，對角線增加加強筋，在基體上下表面焊接多段不銹鋼板，并銑平作為基準面。在其中一基準面上布置一系列的定位擋塊，其中一組相鄰擋塊采用螺釘加銷釘與基體連接，另一組相鄰擋塊采用螺釘加腰型孔連接，可根據圍板長度進行適當調節。工裝設置了4個吊耳共8個吊點，基體上、下面分別布置四個，其中正面的四個吊耳主要是方便工裝的搬運，當圍板組裝并焊接完成后，將工裝連同圍板翻轉90°，將正面的四個吊環拆卸安裝在工裝的反面，四周的吊耳置通過鋼絲繩和手動葫蘆與行車的吊鉤連接，通過手動葫蘆實現工裝連同圍板整體水平度的調節，保證了圍板與格架裝配的對中及平穩性。

圖1 組裝工裝結構

組裝及吊裝工裝的使用方式如圖1、2所示，將四塊圍板分別放入工裝的內外定位擋塊的空隙中，通過螺釘進行相鄰圍板垂直度的調節并點焊固定，將內外擋塊通過螺釘頂緊，保證焊接過程中圍板不發生變形，焊接完成后將工裝連同圍板進行翻轉，將鋼絲繩和手動葫蘆與工裝進行連接，通過行車將整體吊起，采用手動葫蘆進行工裝及圍板的水平度調節，達到要求后吊到格架上方開始進行裝配，使用過程中保持行車運行速度平穩，并時刻確保吊裝過程的安全。

圖2 工裝使用方式

為了確保組裝及吊裝工裝的結構強度和剛度的可靠性，采用有限元方法利用軟件Inventor 對工裝的重要承力點和剛度進行了分析，對圍板組裝、焊接及吊裝過程進行了分析，驗證零件尺寸設計的合理性，保證工裝結構設計的合理性和安全性。

三、組裝及吊裝工裝有限元分析

對工裝的重要零件內定位擋塊進行有限元分析，邊界條件設置：邊界約束為底面固定，焊接過程中向內收縮受力為側面10000N，工裝材料為304不銹鋼，模型網格為系統自動劃分，分析結果見圖3。從圖中可以看出，工作狀態下內定位擋塊的最大應力為83.17Mpa，小于工裝材料的許用屈服應力205Mpa，因此工裝的強度滿足要求。工裝的最大變形發生在內定位擋塊的上部位置，變形量為0.13mm，小于0.2mm，滿足工裝的設計和使用要求。

圖3 工裝應力分析

四、結論

圍板組裝及吊裝工裝已經成功應用于格架制造中圍板的裝配，圍板之間組裝精度高，圍板整體與格架裝配順利，工裝結構強度和剛度均滿足實際使用要求。實際應用證明，工裝的結構設計合理，受力狀態分析正確，有效的保證了圍板組裝要求和吊裝過程的安全可靠性。

【參考文獻】

[1]楊彪，何靜等.安裝專用設備吊裝工裝設計[J].中國機械2014 (5) :104-104.

[2]谷明飛等.基于Inventor的燃料組件下管座虛擬設計[J].核動力工程2015 (s2) :82-83。