数控三轴深孔钻床立柱的有限元分析及优化

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 2.68MB 67 页 15积分
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摘 要
核能发电是一种清洁、高效的能源获取方式，在核能发电项目的建设中需要
一个关键设备——蒸汽发生器管板。立柱是蒸汽发生器管板加工设备——数控三
轴深孔钻床中最关键的受力构件之一，它的强度、刚度等性能直接影响钻削的精
度，同时立柱亦是机床上最重的受力构件之一，对立柱进行分析和优化以期达到
较好的力学特性的同时，节约材料和加工成本，最大程度上发挥材料的利用率的
重要性及必要性显而易见。
本文应用 CAD/CAE 软件完成了钻床立柱结构的实体建模及力学分析。根据数
控深孔钻床的工作原理、立柱的结构特点及立柱的实际工况，结合有限元计算得
到原立柱的动、静态特性，同时结合铸造工艺及刚度、强度余量提出结构优化的
思路。
带支撑筋板的箱型结构是机械行业中的常用结构，立柱结构中布置加强筋是
提高立柱刚度的常用措施，因此对立柱结构的筋板厚度及筋板的布置优化具有十
分重要的意义。本文根据立柱的结构特点，选择了对立柱性能影响较大的参数，
通过基于行为建模及技术的方法，以保证立柱刚度为前提，对立柱进行了以减重
为目的的尺寸优化。
本文应用密度法对立柱结构进行了拓扑优化设计，得出了立柱结构的拓扑形
态结果。拓扑优化云图体现了在约束和荷载作用下结构的材料分布情况，通过拓
扑优化确定了出砂孔的位置。
本文在完成钻床立柱的拓扑优化基础上，综合考虑制造因素，确定了性能更
优的钻床立柱模型，给出了钻床立柱的优化方案并进行了验证与对比。结构优化
后提高了材料的利用率，降低了材料及加工成本。
关键词：数控三轴深孔钻床 立柱 有限元分析 结构优化
ABSTRACT
Nuclear electricity generation is clean, efficient and significant far-reaching
technology. Steam generator tube sheet is the key equipment in the construction of
nuclear power generation power projects. Column is the most critical component of the
CNC three-axis deep hole drilling machine (which is a steam generator tube sheet
processing equipment) and its strength, stiffness and other properties directly affect
the accuracy of drilling, while the column is also the heaviest parts in the machine tool.
In order to achieve better mechanical properties at the same time, to save material and
processing costs and maximize the importance and necessity of the utilization of
materials, analysis and optimization for the column is necessary and beneficial.
In this paper, CAD / CAE software was adopted to build the solid model and
complete the mechanical analysis. According to CNC deep hole drilling machine actual
condition and the structural characteristics of the column, the solution of structural
optimization was proposed combined with the finite element calculation of the original
column of dynamic and static characteristics and the casting process.
The arrangement of ribs and the thickness of the rib in the column affect the
column stiffness obviously, so the thickness of the ribs and rib layout optimization has
a very important significance. Based on the structural characteristics of the column,
parameters which have more impacts on the column stiffness were selected and size
optimization was carried out by behavioral modeling technology for the purpose of
weight reduction under the condition of tolerance of the column stiffness.
Topology optimization of the column structure was carried out by density method
to determine the location of the casting hole. The topology optimization results reflect
the material distribution under the work condition.
Final optimization solution was proposed given the size optimization, topology
optimization and manufacturing factors. The optimized structure is lighter and more
processable than the original design.
Key Words: Deep-Hole Drilling Machine, Column, Finite Element
Analysis, Structure Optimal Design
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ............................................................................................................ 1
§1.1 课题工业背景 ............................................................................................... 1
§1.1.1 核电工业背景 ..................................................................................... 1
§1.1.2 核电蒸汽发生器管板加工技术现状 ................................................... 2
§1.2 课题的来源 ................................................................................................... 2
§1.3 数控三轴深孔钻床 ZK2110*3 简介 ............................................................. 2
§1.4 课题的意义 ................................................................................................... 4
§1.5 国内外结构有限元分析与优化现状 ............................................................ 4
§1.5.1 国内研究现状 ..................................................................................... 4
§1.5.2 国外研究现状 ..................................................................................... 6
§1.6 本文主要工作及架构 ................................................................................... 7
§1.7 本章小结....................................................................................................... 8
第二章 结构优化理论与方法研究.............................................................................. 9
§2.1 弹性体静力学分析 ....................................................................................... 9
§2.1.1 基本物理量及其计算 .......................................................................... 9
§2.1.2 刚度理论 ........................................................................................... 11
§2.1.3 强度理论 ........................................................................................... 11
§2.2 弹性体动力学分析 ..................................................................................... 12
§2.2.1 连续体振动的数值解 ........................................................................ 12
§2.2.2 多自由度系统模态分析 .................................................................... 13
§2.3 结构优化设计 ............................................................................................. 14
§2.3.1 优化设计的模型 ............................................................................... 14
§2.3.2 结构优化的层次 ............................................................................... 15
§2.4 有限单元法 ................................................................................................. 17
§2.4.1 弹性体静力学有限单元法 ................................................................ 17
§2.4.2 弹性体动力学有限单元法 ................................................................ 19
§2.5 本章小结..................................................................................................... 20
第三章 立柱有限元模型的建立 ............................................................................... 21
§3.1 立柱几何模型的建立及简化 ...................................................................... 21
§3.1.1 数控三轴深孔钻床立柱的结构及机械性能 ..................................... 21
§3 .1.2 几何建模软件的选用 ........................................................................ 21
§3.1.3 数控三轴深孔钻床立柱的实体建模 ................................................. 22
§3.2 立柱有限元模型的建立 ............................................................................. 23
§3.2.1 有限元软件的选用............................................................................ 23
§3.2.2 确定单元类型 ................................................................................... 23
§3.2.3 定义材料属性 ................................................................................... 24
§3.2.4 网格划分 ........................................................................................... 24
§3.3 立柱所承受的载荷分析 ............................................................................. 25
§3.4 本章小结..................................................................................................... 25
第四章 初始设计立柱的有限元分析 ........................................................................ 26
§4.1 静力学分析步骤 ......................................................................................... 26
§4.2 静力学求解及结果分析 ............................................................................. 27
§4.2.1 有限元单元大小的考量 .................................................................... 27
§4.2.2 强度分析 ........................................................................................... 27
§4.2.3 刚度分析 ........................................................................................... 28
§4.3 动力学分析步骤 ......................................................................................... 29
§4.4 模态分析的求解及结果分析 ...................................................................... 29
§4.5 本章小结..................................................................................................... 31
第五章 立柱结构的优化 ........................................................................................... 32
§5.1 多目标优化问题的处理 ............................................................................. 32
§5.2 尺寸优化方法的选择 ................................................................................. 33
§5.2.1 基于近似模型的优化方法 ................................................................ 33
§5.2.2 基于行为建模技术的优化方法 ........................................................ 34
§5.3 立柱尺寸优化参数的确定及定界 .............................................................. 35
§5.3.1 优化参数的选择 ............................................................................... 35
§5.3.2 铸造工艺对特征尺寸的约束 ............................................................ 36
§5.4 几何特征解耦 ............................................................................................. 37
§5.5 灵敏度分析 ................................................................................................. 38
§5.5.1 优化参数对立柱质量的灵敏度 ........................................................ 39
§5.5.2 优化参数对立柱刚度的灵敏度 ........................................................ 40
§5.5.3 优化参数对立柱频率的灵敏度 ........................................................ 42
§5.6 立柱结构的尺寸优化 ................................................................................. 44
§5.6.1 Solidworks 尺寸优化步骤 .................................................................. 44
§5.6.2 Solidworks 优化的流程...................................................................... 45
§5.6.3 尺寸优化三要素的确定 .................................................................... 46
§5.6.4 尺寸优化结果及分析 ........................................................................ 47
§5.7 立柱结果的拓扑优化 ................................................................................. 49
§5.7.1 拓扑优化概述 ................................................................................... 49
§5.7.2 拓扑优化步骤 ................................................................................... 50
§5.7.3 拓扑优化结果分析............................................................................ 54
§5.8 立柱的优化方案及结果验证 ...................................................................... 54
§5.8.1 出砂孔铸造工艺约束 ........................................................................ 54
§5.8.2 立柱的优化方案 ............................................................................... 55
§5.8.3 优化前后立柱性能比较 .................................................................... 55
§5.9 本章小结..................................................................................................... 56
第六章 总结与展望 ................................................................................................... 57
§6.1 总结 ............................................................................................................ 57
§6.2 展望 ............................................................................................................ 57
参考文献 .................................................................................................................... 59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................... 63
致 谢 ........................................................................................................................ 64
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题工业背景
§1.1.1 核电工业背景
核能发电是一种清洁、高效的能源获取方式，随着社会经济的不断发展和人
口数量的不断增加，社会对电力的需求量越来越大，目前我国发电装机规模和发
电量均列世界第二位，但电力仍存在供不应求局面。目前在我国的供电结构中核
电只占到总电量 2.15％，而世界平均核能供电已占全球供电的 16％，由此可见我
国核能供电量占总供电量的比重很少，这样的供电结构使得电煤资源与运输之间
的矛盾越来越突出，环境问题日益严重。
随着全球能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等资源消耗速度加快，人们对
环保、节能、无污染认识的逐步提高和技术发展，核电作为一种清洁能源，在我
国得到迅速发展。随着国家一系列鼓励政策的出台，我国的核电发展将步入快车
道。
在核能发电、火力发电项目的建设中需要一个关键设备——蒸汽发生器管板。
特别是核电站中所使用的蒸汽发生器管板是由难以加工的锰镍钼合金材料制成，
其组件具有工件大、重量重、孔数多且深的特点。该类管板对孔径、孔间距、垂
直度要求非常严格，如果有一个孔不符合要求，价值数百万的整块板就报废了。
在核电站、火电站建设中，蒸汽发生器管板的作用是对蒸汽排放管进行稳定
和加固。按照装机容量 100 万千瓦时，需要 4块核电管板、60 万千瓦及 30 万千
瓦各需 3块，火电管板各需 9块来计算，2008 年我国核电装机容量为 925 万千瓦，
需要管板约 150 块。如果以三轴深孔钻床的加工效率来计算，大约需要 18-20 台
左右的机床，按现有进口三轴机床每台 3000 万元计算，市场容量为 5.4-6 亿元人
民币。如果按国务院通过的核电中长期发展规划中提出的 2020 年核电装机总量为
4000 万千瓦时，加工核电管板的三轴钻床需要 80 台，市场容量将达到 24 亿元人
民币。最近国家能源部门的信息显示，中国核电站建设进展超过了原计划，原计
划到 2020 年约 4000 万千瓦现调整约为 6000 万千瓦，机床台数将增加 1/3。除此
以外，锅炉厂、化工厂也使用蒸汽发生器管板。可见，蒸汽发生器管板加工机床
市场容量相当可观。
放眼全球在未来 25 年内，据世界核能协会估计，全球核能发电能力增长将超
数控三轴深孔钻床立柱的有限元分析及优化
2
过75000 万千瓦，这足够供应美、英、法、德、俄等国全年的需要，核能在世界
电力供应中所占比例将增加到 50％。由此可见，随着核电工业的发展，世界范围
内核电管板加工数控三轴深孔钻床需要量越来越大。
§1.1.2 核电蒸汽发生器管板加工技术现状
国内至今在核电管板材料上还没有过关，全靠进口，加工核电管板用的数控
三轴深孔钻床也是空白，这严重制约了我国核电建设的发展速度。
目前在核电蒸汽发生器管板加工设备市场，国际上具有代表性的产品主要是
德国的 BW500-3-1800-CNC 数控三轴深孔钻床，该产品不但价格昂贵，且只具有
钻孔一种功能。
§1.2 课题的来源
本课题来源于上海悦英机械设备制造有限公司和上海理工大学合作的上海市
创新基金项目——核电蒸汽发生器管板数控三轴深孔加工技术及设备。该项目旨
在研发一种满足如上需求的钻床以填补国内在管板加工领域的空白。项目还从经
济、实用的角度出发，将机床的多功能性融入设计，从而能实现钻削、镗削、铣
削的多工种兼备。项目的主要内容有：立柱铸件的设计、静压导轨的设计、新型
钻套的设计、单刃深孔内排屑钻头的设计、镗铣齿轮箱部件的标准化设计、机床
控制系统的设计等。
§1.3 数控三轴深孔钻床 ZK2110*3 简介
深孔钻削加工在机械加工领域中占有非常重要的地位，据统计深孔加工量占
到孔加工量的 40%以上，它是指钻削的孔深和孔径的比值大于 10 的孔加工技术。
深孔钻床按主轴布置情况可分为卧式深孔钻床、立式深孔钻床和三坐标式深孔钻
床。卧式深孔钻床的工作台和主轴箱水平布置；立式深孔钻床的工作台和主轴箱
可以在立柱上垂直移动。本文中数控三轴深孔钻床采用立式结构如图 1.1 所示，
其参数如表 1.1 所示。
摘要：

摘要核能发电是一种清洁、高效的能源获取方式，在核能发电项目的建设中需要一个关键设备——蒸汽发生器管板。立柱是蒸汽发生器管板加工设备——数控三轴深孔钻床中最关键的受力构件之一，它的强度、刚度等性能直接影响钻削的精度，同时立柱亦是机床上最重的受力构件之一，对立柱进行分析和优化以期达到较好的力学特性的同时，节约材料和加工成本，最大程度上发挥材料的利用率的重要性及必要性显而易见。本文应用CAD/CAE软件完成了钻床立柱结构的实体建模及力学分析。根据数控深孔钻床的工作原理、立柱的结构特点及立柱的实际工况，结合有限元计算得到原立柱的动、静态特性，同时结合铸造工艺及刚度、强度余量提出结构优化的思路。带支撑筋...

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