碳纖維復(fù)合材料護環(huán)的制備及加工精度研究.pdf

1、隨著我國電力使用總量的不斷增加,電力供應(yīng)壓力的日益加劇,我國亟待研制可自主生產(chǎn)制造的大容量發(fā)電機組。電機護環(huán)是發(fā)電機中的重要組成部分之一。電機運行時護環(huán)受到來自轉(zhuǎn)子的徑向壓力及自身轉(zhuǎn)動帶來的拉應(yīng)力,所以護環(huán)對力學(xué)性能的要求尤其苛刻。傳統(tǒng)的反磁鋼電機護環(huán)由于加工困難、成本高以及原材料受限等原因,一直是制約我國研制大容量電機的主要因素。更因為在目前發(fā)電機不斷大容量化的環(huán)境下,傳統(tǒng)的反磁鋼護環(huán)的性能已無法滿足更大容量發(fā)電機組的需求,使用復(fù)合材

2、料代替?zhèn)鹘y(tǒng)反磁鋼材料已勢在必行。碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP),因其具有高比強度、比模量等各項突出性能已經(jīng)成為目前在工程應(yīng)用上非常廣泛的一種材料。隨著高性能碳纖維的不斷發(fā)展,碳纖維增強復(fù)合材料的性能進一步提高,這直接使得用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料制造大容量電機護環(huán)成為可能。
　　本文中設(shè)計并制備了600MWe級發(fā)電機用的復(fù)合材料護環(huán)。首先,選擇復(fù)合材料的纖維-樹脂體系,進行復(fù)合材料鋪層設(shè)計,確定護環(huán)尺寸。其次,從受力及熱膨脹效應(yīng)這兩個

3、方面分別對其進行分析,并利用有限元技術(shù)輔助驗證所設(shè)計復(fù)合材料護環(huán)的可靠性。再次,針對復(fù)合材料護環(huán)的結(jié)構(gòu)確定成型技術(shù)及加工設(shè)備,并設(shè)計制造成型時需要的配套模具。最后,完成復(fù)合材料護環(huán)的制備及切削加工。
　　本文還針對復(fù)合材料的切削性能,利用有限元模擬技術(shù)對其進行了研究。
　　(1)通過模擬刀具切削加工復(fù)合材料護環(huán)時,復(fù)合材料產(chǎn)生的受熱變形,研究為保證護環(huán)最終的加工精度,所需提前改變的切削量。模擬結(jié)果表明:針對600MWe級發(fā)電

4、機用復(fù)合材料護環(huán)切削時,為保證切削后試件在常溫時的尺寸精度,在徑向上應(yīng)提前留出0.210mm的切削量,在軸向上提前留出0.243mm的切削量。
　　(2)利用有限元模擬方法(FEM),對復(fù)合材料模型進行正交切削仿真,驗證了復(fù)合材料一般的切削理論,及得到不同纖維方向?qū)η邢鬟^程的影響。仿真結(jié)果表明:1)仿真結(jié)果符合復(fù)合材料切削理論,纖維增強復(fù)合材料在切削時,切削力主要由纖維傳導(dǎo),即纖維承受來自刀具加載的力再傳遞到試件整體;纖維方向角對

5、切削纖維增強復(fù)合材料試樣影響重大。2)當(dāng)纖維方向角為0°時,復(fù)合材料工件受到的切削力最小,隨著方向角的提升,切削力在水平方向和垂直方向都逐漸增大。特別當(dāng)纖維方向角為135°時,切削力最大,波動也較大3)當(dāng)纖維方向角為90°時,復(fù)合材料受到的接觸應(yīng)力最大,而當(dāng)纖維方向角遠離90°時,即纖維越趨近于與切削方向平行時,接觸應(yīng)力越小4)與切削力、接觸應(yīng)力相比,摩擦力的模擬結(jié)果沒有特別突出的趨勢,但可以注意到當(dāng)纖維角度為135°時復(fù)合材料受到的摩