弯管内表面加工装置设计及其基座结构优化

摘要

AP1000核电主管道中热段弯管是典型的大口径、大长径比弯管，需要在高温、高压、强腐蚀性等环境下长期运转，因此对管道内表面质量有较高要求。但这种弯管内表面属于典型的细长异形腔曲面，其圆弧段内孔利用传统设备难以加工，因此课题组前期提出基于内置导轨的新型内表面加工装置方案，但该方案在各功能具体结构设计、装置定心定位、圆弧形导轨基座设计等问题有待解决。本文主要研究工作如下： 针对前期方案未能对整体装置具体结构进行设计的问题，将装置按功能进行模块划分，改进周向、纵向、基体模块，增加球头铣刀切深进给模块。确定铣削路径参数并计算极限铣削力数值，对装置各功能模块的动力源、执行系统、运动系统等进行详细设计；针对内置导轨在管道内难以精确定心定位的问题，依照高精度六点同轴定理，设计增加装置的6点定位结构。设计结果合理利用了管道内部有限空间并满足大铣削功率的要求。 对圆弧导轨基座的设计需先进行受力分析，从曲线梁微段出发，可得曲梁基本微分方程存在求解过程复杂难以进行后续结构设计的问题。因此通过圆弧梁结构力学解法将基座简化为一固一支的圆弧梁来进行计算，通过理论公式预测圆弧导轨基座变形情况，得出当外载荷加载于F为33.5°时基座变形最大，其最大值点x为33.5°。 基体模块中圆弧导轨基座是弯管内表面加工装置的主要承力部件，其结构和刚性决定着装置加工管道内表面时的尺寸和形状精度。考虑到基座结构的特殊性以及所受的复杂空间外载荷力系，采用基于单纯扭转理论的圆弧梁结构力学解法对基座进行刚度设计，以变形最大值点设计得基座矩形截面尺寸宽为160mm，高为165mm。针对基座所受复杂的空间外载荷力系使基座产生弯、扭、剪综合效应从而用理论公式难以校核的问题，利用力平移定理简化并建立装置的静力学模型，对设计出圆弧导轨基座进行静动态特性分析。结果表明，经刚度设计后基座静动态特性良好，满足使用要求。 基座在管道内靠两边三点支撑装置进行定位与约束，其质量过大将会影响两边支撑的稳定性与装置整体的综合性能。针对基座多工况条件的复杂性以及传统单目标优化方法的局限性，利用折衷规划法与平均频率公式建立考虑基座多工况刚度与前3阶固有频率的优化目标函数；进而，针对基座拓扑优化后结果可制造性差难以进行后续设计加工的问题，建立一种基于等截面约束的变密度拓扑优化模型。拓扑优化结果表明，等截面约束下优化结果材料去除规律明显，可制造性强。针对拓扑优化结果，利用响应面优化法优化基座截面壁厚尺寸。综合优化后结果表明，基座满足刚度、强度使用要求的同时，质量减轻了186.50kg，减重达52.11%，前3阶固有频率均有不同程度的提高。

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