基于Inventor的圍板組裝及吊裝工裝設(shè)計

(中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)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(tǒng)的重要組成系統(tǒng)，由底板、方管、中子吸收體、圍板等組裝焊接構(gòu)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(jìn)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(chǎn)生較大影響，如果將單塊圍板分別與格架進(jìn)行組裝焊接，將會使格架整體產(chǎn)生極大變形。

本文通過對格架結(jié)構(gòu)和圍板裝配特點(diǎn)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(jìn)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(shè)計，并將圍板連同工裝與格架進(jìn)行了虛擬裝配，對工裝薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，確保組裝及吊裝工裝的受力狀態(tài)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(shè)計要求

(一)格架及圍板結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)

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(jié)構(gòu)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(shè)計要求

根據(jù)格架及圍板的結(jié)構(gòu)和組裝特點(diǎn)，對圍板組裝及吊裝工裝的設(shè)計要求進(jìn)行了分析，主要需要滿足以下幾點(diǎn)：(1)工裝能實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)長度與寬度方向的調(diào)節(jié)；(3)工裝的承重不小于2000kg，安全系數(shù)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(jié)構(gòu)不能過于復(fù)雜，需要兼顧設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

二、組裝及吊裝工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

圍板組裝及吊裝工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)圍板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和吊裝要求，將工裝設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)，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(qiáng)筋，在基體上下表面焊接多段不銹鋼板，并銑平作為基準(zhǔn)面。在其中一基準(zhǔn)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(jù)圍板長度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。工裝設(shè)置了4個吊耳共8個吊點(diǎn)，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(yùn)，當(dāng)圍板組裝并焊接完成后，將工裝連同圍板翻轉(zhuǎn)90°，將正面的四個吊環(huán)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(shí)現(xiàn)工裝連同圍板整體水平度的調(diào)節(jié)，保證了圍板與格架裝配的對中及平穩(wěn)性。

圖1 組裝工裝結(jié)構(gòu)

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(nèi)外定位擋塊的空隙中，通過螺釘進(jìn)行相鄰圍板垂直度的調(diào)節(jié)并點(diǎn)焊固定，將內(nèi)外擋塊通過螺釘頂緊，保證焊接過程中圍板不發(fā)生變形，焊接完成后將工裝連同圍板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，將鋼絲繩和手動葫蘆與工裝進(jìn)行連接，通過行車將整體吊起，采用手動葫蘆進(jìn)行工裝及圍板的水平度調(diào)節(jié)，達(dá)到要求后吊到格架上方開始進(jìn)行裝配，使用過程中保持行車運(yùn)行速度平穩(wěn)，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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)和剛度進(jìn)行了分析，對圍板組裝、焊接及吊裝過程進(jìn)行了分析，驗證零件尺寸設(shè)計的合理性，保證工裝結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)定位擋塊進(jìn)行有限元分析，邊界條件設(shè)置：邊界約束為底面固定，焊接過程中向內(nèi)收縮受力為側(cè)面10000N，工裝材料為304不銹鋼，模型網(wǎng)格為系統(tǒng)自動劃分，分析結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，工作狀態(tài)下內(nèi)定位擋塊的最大應(yīng)力為83.17Mpa，小于工裝材料的許用屈服應(yīng)力205Mpa，因此工裝的強(qiáng)度滿足要求。工裝的最大變形發(fā)生在內(nèi)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(shè)計和使用要求。

圖3 工裝應(yīng)力分析

四、結(jié)論

圍板組裝及吊裝工裝已經(jīng)成功應(yīng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足實(shí)際使用要求。實(shí)際應(yīng)用證明，工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，受力狀態(tài)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(xiàn)】

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