大型水电站检修组合机床有限元分析与结构优化

作     者：陈文波 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭力;赵明

授予年度：2014年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：水轮机组 组合机床 有限元仿真 模态分析 优化设计 

摘      要：大型水电站水轮机组由于检修时间和现场环境的限制，对水电站机组的转轮、底环、座环等大型结构部件的修复，提出了智能化程度高的现场修复理念。这不仅可以克服机组局部修补精度不高的问题;而且还可以节省大量的人力物力资源，所以设计制造现场水电机组修复的数控多功能组合机床非常有必要。大型水电站机组现场检修的数控多功能组合机床结构复杂，该机床的刚度和振动频率等机械性能关系到机床的加工精度、加工效率和工件表面粗糙度，关系到机床的安全可靠性及使用寿命。有必要对该机床床身结构等进行动静态分析，找出机床床身的最大变形处和最大应力;通过模态分析可以判断振型是否影响该机床加工精度;这样可以对机床床身相关的部位进行优化设计来改进性能。所以本文的研究具有重要的理论与工程意义。 本文对国内外数控机床结构有限元分析与结构优化研究的现状与发展做了全面深入的评述。对ANSYS Workbench平台建立机床结构有限元分析模型做了阐述。本文对水轮机转轮底环止漏环现场加工时的专用组合机床结构进行有限元静力分析与振动模态分析;在此基础上对机床结构进行了优化改进，并且对优化后的机床结构进行了有限元静力分析与振动模态分析。机床结构优化改进后整个机床的静动态特性都有了明显提高，机床总体变形和各个方向的变形有了较为明显的改善，应力集中也有明显的改善，静态性能有了显著提高，机床结构刚度分布较合理;机床固有频率和模态振型也有一定的改善。其次，针对水电机组转轮下环现场加工数控组合机床的悬臂系统，分析计算该加工工况下机床的变形及应力，并以机床设计部门提出的机床刀尖处综合变形0.15mm为目标，提出机床结构的改进措施，增强该机床悬臂系统刚性，减小机床在受切削力时的结构变形，提高机床加工质量;提出了适当降低机床切削力的方案。最后，对大型水电站水电机组转轮现场检修加工数控专用组合机床进行了静特性和振动模态有限元分析。分析结果认为机床刀架刀夹附近刚度需要加强;机床刀架立柱的轨道处安装刀具，因此该处的各方向有限元变形是影响加工精度的重要因素，要引起重视。机床垂直连接臂和刀架部分是薄弱环节，影响加工精度，需要改进提高其固有频率。