核电设备燃料篮折弯工艺研究

娄燕鹏 史文祥 杨山坡 赵晓明 唐 磊

洛阳船舶材料研究所 洛阳 471039

摘 要：为解决薄板成型过程中内圆角尺寸较大，不满足使用要求的问题，采用数值分析与理论相结合的方法对钣金件的成型过程进行仿真分析，并提供优化后的成型工艺方案，为类似薄板零件的折弯成型工艺提供新的方法。研究表明：采用在钣金件折弯处铣槽的方式，可有效减小内圆角的尺寸，为降低圆弧与平面交界处的突变，可将槽宽控制为板厚的2 倍，以形成平滑过渡。

关键词：核电设备；燃料篮；薄板成型；折弯圆角

中图分类号：TH162+.1 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）24-0072-04

0 引言

核燃料组件是反应堆燃料装卸料的单元，在尺寸精度、表面状态、清洁度等方面有极高的要求[1]。燃料组件在转运过程中直接接触的承载元件为燃料篮，为防止核燃料组件在转运过程中发生因包壳破损导致的核泄漏事故，燃料篮内壁面应平整光滑，不得有任何毛刺、焊渣等凸出物[2,3]。燃料运输设备的燃料篮与燃料组件的三维模型如图1 所示。

当燃料组件在转运时存在水平与竖直位置的倾翻过程时，为防止燃料组件与燃料篮倾翻过程中碰撞产生线接触，要求燃料篮内壁面圆角不大于燃料组件圆角。

目前在用燃料组件的圆角R=2.5 mm，故要求燃料篮内圆角≤ 2.5 mm，沿图1 中A-A 截面的截面模型如图2所示。

1. 燃料组件 2. 燃料篮

图 1 燃料篮与燃料组件三维模型

1. 燃料篮 2. 燃料组件 3. 燃料篮内圆角 4. 燃料组件圆角

图 2 燃料篮与燃料组件示意图

钣金件在冷弯成型过程中，需要根据待成型坯料材质对实施要点进行具体控制，以保证成型后零件内圆角满足技术要求[4]，根据现有常用数控成型机床的折弯控制精度，不锈钢板材90°折弯时的最小内圆角与板材厚度相当。为满足燃料篮的强度和刚度要求，根据燃料篮的受力分析计算得到燃料篮的壁厚为4 mm，成型后钣金件内圆角尺寸为5 mm，因此需要对燃料篮的成型过程进行研究，钣金件成型示意图如图3 所示。

1. 刀具 2 钣金件 3 模具

图 3 钣金件成型模具示意图

文中以燃料篮钣金件为研究对象对其成型过程进行分析，得到钣金件成型过程中的应力分析，同时对钣金件的成型工艺进行优化，对比分析不同情况下钣金件成型效果得到最优的成型工艺，为后续钣金件折弯成型提供工程化参考。

1 模型建立及边界条件设置

1.1 模型建立及网格化分

采用三维建模软件建立钣金件、模具、刀具的三维模型，并导入Ansys Workbench 有限元分析软件中对其成型过程进行数值分析。钣金件的材料为06Cr18Ni11Ti,板材厚度为4 mm，板材宽度为100 mm，密度为7 750kg/m3，弹性模量为193 GPa，泊松比为0.31，屈服强度≥ 205 MPa，抗拉强度≥ 520 MPa。由于模型中刀具和模具不作为研究对象，故默认其材料为结构钢。

采用非线性静力分析方法对钣金件的成型过程进行有限元分析。将不同元件赋予对应的材料属性，并对模型进行网格划分，由于分析对象为钣金件，故对钣金件的网格进行加密处理，划分完成后的模型如图4 所示。

图 4 结构网格模型

1.2 边界条件设置

为保证结构件模拟成型过程与实际过程一致，对模型进行如下边界条件设置：1）模具底面进行固定约束。2）刀具在垂直方向进行位移约束，移动距离6 mm，移动速度为匀速下降。3）成型过程涉及大变形，打开大挠度控制开关。4）非线性区域设置为钣金件，定义准则为网格类型。模型边界条件设置如图5 所示。

图 5 结构边界条件设置

2 有限元成型分析

对结构模型进行数值计算，得到钣金件成型过程中最大应力随时间变化的曲线，如图6 所示。

图 6 最大应力随时间变化曲线

由图6 可知，随时间推移最大应力值逐渐增加，最大应力与位移呈线性分布趋势，位移最大时刻时钣金件所受应力最大。

分析最大位移时刻钣金件的应力分布，如图7 所示，其中应力＞ 205 MPa 的分布区域为图7 中局部放大区域。

图 7 成型后应力分布云图

由图7 可知，钣金件成型后的较大应力分布区域在折弯圆角处，其应力值大于材料的屈服强度205 MPa，最大应力在内圆角表面，为821 MPa。即成型过程中在外力作用下，钣金件所受应力大于材料屈服强度，导致钣金件产生塑性变形。

3 钣金件成型优化分析

为满足4 mm 厚度钣金件成型后内圆角R ≤ 2.5 mm的技术要求，需要对钣金件的结构进行优化。通过对已往成型过程的工程经验进行总结，并对钣金件的结构进行校核，拟在钣金件折弯处铣一个深0.5 mm 的圆弧，如图8 所示，然后对其成型过程进行有限元分析和试验测试。

图 8 优化后钣金件示意图

为满足内圆角尺寸要求，依据工程经验选取圆弧宽度L 值依次为5 mm、6 mm、7 mm、8 mm，对其进行有限元分析，边界条件与钣金件优化前设置条件一致。依次对以上4 种钣金件进行数值分析，不同时刻的应力分布云图中最大应力随时间变化曲线与优化前一致，呈线性分布趋势，位移最大时刻时钣金件所受应力最大，取最大位移时刻钣金件的应力分布云图，如图9 ～图12 所示，并对其进行分析，其中局部放大图为应力大于205 MPa 的分布区域。根据图9 ～图12 中结构最大应力，绘制出最大应力随宽度L 的关系，如图13 所示。

图 9 L=5 mm 时成型后应力分布云图

图 10 L=6 mm 时成型后应力分布云图

图 11 L=7 mm 时成型后应力分布云图

图 12 L=8 mm 时成型后应力分布云图

图 13 最大应力与圆弧宽度L 的关系

由图13 可知，在不去除材料和去除不同长度材料的情况下，钣金件成型后最大应力均在800 MPa 左右，可见去除的材料对钣金件成型最大应力影响较小。分析图9 ～图12 可知，当L=5 mm 和L=6 mm 时，最大应力位于圆弧与平面交界处外侧，由于圆弧与平面交界处为不连续区域，在受到外力折弯时，交界处受到周围材料挤压时向外突出，并在其外侧形成最大应力点，其中当L=5 mm时凸起明显，当L=6 mm时凸起较为平缓。

当L=7 mm 与L=8 mm 时，最大应力位于圆弧与平面交界处，由于圆弧宽度L 较长，折弯成型后圆弧与平面交界的不连续区域在钣金件内圆角外侧，不连续区域变形量很小，故对周围应力影响较小，其中L=7 mm 时圆弧与平面交界处成型后平滑过渡，当L=8 mm 时内圆角在不连续处略向内凹陷。

4 试验验证

按图8 中钣金件示意图对长200 mm、宽100 mm的4 mm 厚度不锈钢板材进行处理，在其表面铣一深度为0.5 mm 的圆弧，圆弧宽度L 值依次为5 mm、6mm、7 mm、8 mm，并对其进行折弯成型，成型后的实物如图14 所示。

图 14 优化后钣金件成型实物图

由图14 可知，钣金件在折弯处形成一条凹槽，其内圆角基本呈直角，满足燃料运输设备中燃料篮的制造要求。其中L=5 mm 与L=6 mm 时的钣金件折弯处凹槽圆角突变较为明显，且在圆弧与平面交界处微有凸起，当L=7 mm、L=8 mm 时的圆角较为平缓，试验结果与数值模拟结果基本一致。

5 结论

1）采用数值模拟方法对钣金件的成型过程进行研究，其分析结果与试验结果基本一致，对冷弯成型过程具有一定的参考价值。

2）采用在钣金件折弯处铣槽的方式，可有效降低内圆角的尺寸，可为类似零件的折弯成型工艺提供新的方法。

3）采用在折弯处铣槽的方式进行折弯时，首先需考虑去除材料后零件的强度是否满足要求，然后确定铣槽深度，对薄板不锈钢为降低圆弧与平面交界处的突变，建议将槽宽控制为板厚的2 倍，以形成平滑过渡。

参考文献

[1] 秦国安, 朱成虎. 核电站设备制造质量监督检查员手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2001.

[2] 贺小明, 朱雪峰, 翁晨阳, 等. 燃料运输设备机液联合仿真研究[J]. 机床与液压, 2016, 44(9): 132-136.

[3] 赵阿朋, 张强, 张美玲, 等. 核燃料倾翻机动态载荷保护技术及应用[J]. 核动力工程, 2013, 34(4): 130-132.

[4] 苏旭. 钣金件加工工艺的优化设计[J]. 内燃机与配件,2018(18): 121，122.