專利名稱：大型船用曲軸車床加工工藝優(yōu)化仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車床加工工藝優(yōu)化方法，尤其是一種用于船用曲 軸車床加工工藝優(yōu)化仿真分析方法。
背景技術(shù)：
近年來，我國船舶工業(yè)飛速發(fā)展，中國已成為世界造船大國。但 船用配套設(shè)備一直是我國造船業(yè)的軟肋，日本、韓國船用配套設(shè)備自
給率達到85%以上，而我國自給率只有30-40%。其中，大型船用柴油 機的核心部件就是曲軸。我國大型船用曲軸生產(chǎn)能力為40根左右， 而目前我國每年需要大型船用曲軸預(yù)計可達400根，只好依靠進口 ， 嚴(yán)重制約了我國船舶業(yè)的發(fā)展，，盡快實現(xiàn)大型船用曲軸國產(chǎn)化，自 主研制曲軸加工機床及相關(guān)技術(shù)已尤為重要。
大型船用曲軸生產(chǎn)過程包括鑄造，鍛造，紅套，精加工和系統(tǒng)動 力學(xué)試驗等步驟。由于船用曲軸尺寸長，重量大，剛性差，彎頭多， 形狀復(fù)雜，所以在紅套后產(chǎn)生了幾何形狀變形，再加上自身重力，回 轉(zhuǎn)離心力，刀具切削力和托架支撐力等綜合作用下很容易產(chǎn)生繞曲變 形。這種非常復(fù)雜的繞曲變形和形位偏差相互作用，使得在車削加工 過程中曲軸托架位置布局與支撐順序調(diào)整極為復(fù)雜，到目前為止都是 靠人工進行經(jīng)驗調(diào)整，調(diào)整與加工效率非常低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是要提供一種大型船用曲軸車床加工工藝優(yōu)化仿真方法， 用于提高大型船用曲軸車床加工效率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種大型船用曲軸車床 加工工藝優(yōu)化仿真方法，具體步驟如下
1. 三維幾何建模
利用三維建模軟件，對曲軸車床進行三維幾何建模；
2. 施加物理約束，邊界條件與載荷
在三維幾何模型基礎(chǔ)上，施加物理約束，邊界條件與載荷；
3. 網(wǎng)格劃分
利用有限元軟件對模型進行網(wǎng)格劃分；
4. 有限元求解計算
利用有限元軟件對劃分網(wǎng)格后的模型進行求解計算；
5. 結(jié)果分析與優(yōu)化加工工藝 通過對模型有限元仿真結(jié)果分析，找出影響曲軸加工精度的影響
因素，直到得出加工工藝的優(yōu)化結(jié)果。
上述第一步驟中用PEO/ENGINEER三維軟件對大型船用曲軸 車床床身，頭架，滑板，托架，曲軸以及相關(guān)部件進行單獨幾何建模， 并按零部件關(guān)系裝配成車床加工系統(tǒng)。
上述第二步驟中施加物理約束載荷
(1) 根據(jù)車床各零部件實際材料，對應(yīng)設(shè)置模型的材料屬性；
(2) 車床底面由地腳螺栓固定，施加相應(yīng)的約束條件；
(3) 模擬真實環(huán)境，對車床施加重力載荷與切削力載荷；(4)在曲軸與每個托架之間，設(shè)置接觸連接。
上述第三步驟中利用有限元軟件中的四面體單元自動劃分網(wǎng)格。
上述第四步驟中在PE0/ENGINEER軟件子模塊PE0/MECHANICA 系統(tǒng)中，進行有限元分析求解。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過在PEO/ENGINEER軟件里 對曲軸車床進行三維建模，在其子模塊PEO/MECHAMCA中進行有 限元網(wǎng)格劃分，邊界條件設(shè)定，載荷設(shè)定及有限元分析，得到曲軸車 床加工過程中的曲軸變形，各種零件的應(yīng)力分布等諸多信息，因此就 可以判斷加工工藝是否合理并加以優(yōu)化。本發(fā)明可以考慮到曲軸紅套 后產(chǎn)生的各種幾何變形誤差，以及曲軸自重，切削力等多種情況的影 響，通過仿真分析得到的曲軸變形情況，然后對曲軸車床加工工藝進 行合理評價，達到在大型船用曲軸車床加工曲軸過程中，在加工工藝 流程方面的最合理的支架支撐順序與配置。本發(fā)明的優(yōu)點是克服了過 去曲軸加工過程中，只能依靠經(jīng)驗去進行曲軸加工工藝的制定，從而 導(dǎo)致加工與調(diào)整效率低的缺點。
本發(fā)明可以在曲軸車削前，針對大型船用曲軸的紅套幾何變形情 況，首先進行加工工藝分析，定量的仿真曲軸加工中各種影響因素對 曲軸變形對加工精度的影響，從而優(yōu)化加工工藝。
本發(fā)明為今后大型船用曲軸精加工及優(yōu)化其加工工藝，提高曲軸 精加工效率和加工質(zhì)量，降低制造經(jīng)濟成本提出了指導(dǎo)性意見。


圖l仿真分析方法優(yōu)化流程圖2大型船用曲軸車床三維幾何模型圖3大型船用曲軸托架支撐位置示意圖4大型船用曲軸車床仿真結(jié)果圖。
具體實施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個具體實施例做進一步的說明。 本發(fā)明的大型船用曲軸車床加工工藝優(yōu)化仿真方法，具體步驟如 圖1所示
1. 三維幾何建模在PE0/ENGINEER軟件中對大型船用曲軸車床包 括，床身4，頭架5，滑板3，托架2，曲軸1等相關(guān)部件進行單獨幾 何建模，并按零部件關(guān)系裝配成車床加工系統(tǒng)(圖2)。
2. 物理約束載荷模擬
(1) 根據(jù)車床各零部件實際材料，對應(yīng)設(shè)置模型的材料屬性。
(2) 車床底面由地腳螺栓固定，施加相應(yīng)的約束條件。
(3) 模擬真實環(huán)境，對車床施加重力載荷與切削力載荷。
(4) 在曲軸與每個托架之間，設(shè)置接觸連接。
3. 網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格的劃分是有限元前處理中的主要工作，也是整個有限元分析 效果的關(guān)鍵所在，網(wǎng)格的優(yōu)劣對整個結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的有效性和可靠性 影響很大。曲軸車床結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，利用有限元軟件中的四面體單元 (Solid Tetra)自動劃分即可滿足計算精度要求。
4. 有限元求解計算在PE0/ENGINEER軟件子模塊PE0/MECHANICA系統(tǒng)中，進行有限 元分析求解。得到曲軸車床加工過程中的曲軸變形，各種零件的應(yīng)力 分布等諸多信息(圖4)。
5. 分析加工工藝流程-
托架的功能是支撐曲軸(圖3)，托架支撐位置的不同影響了曲 軸由于重力引起的變形大小。為了減小由于曲軸紅套裝配產(chǎn)生的幾何 變形與重力變形雙因素影響作用，所以，合理的選擇加工工藝中托架 的布置順序是提高曲軸加工精度的關(guān)鍵所在。我們的優(yōu)化步驟是，首 先找到第一個最佳支撐位置，使曲軸整體變形最小。然后順次找出最 小變形的軸頸進行加工，加工后用支架支撐好，依次執(zhí)行下去，就可 以得到優(yōu)化的加工工藝。
6. 計算與優(yōu)化加工工藝流程
根據(jù)實踐經(jīng)驗，曲軸紅套后最典型的幾何變形形狀是整體彎曲變 形，我們以此為例進行說明。假設(shè)最大彎曲變形量為H，我們通過仿 真分析，在H二0mm， lmm， 2mm， 3nrai， 4mm時，全部存在以下共同的 特征。首先支撐6位置時，整體變形最小。此時發(fā)現(xiàn)托架支撐位置以 外的最小變形發(fā)生在位置8處，所以首先加工位置8，然后把托架8 也用支架支撐上去，又可以找到兩個托架6和托架8支撐時曲軸上的 其他軸頸部位的最小變形量。用同樣的方法依次類推，最后得到8個 托架全部支撐上去的布置順序及最優(yōu)加工工藝。
7. 曲軸加工工藝流程結(jié)論 第一步托架6支撐，加工位置8處。第二步托架68支撐，加工位置1處。 第三步托架168支撐，加工位置7處。
第四步托架1678支撐，加工位置2處。 第五步托架12678支撐，加工位置3處。 第六步托架123678支撐，加工位置5處。 第七步托架1235678支撐，加工位置4處。 第八步托架1234578支撐，加工位置6處。
權(quán)利要求
1.一種大型船用曲軸車床加工工藝優(yōu)化仿真方法，其特征在于，具體步驟如下1)三維幾何建模利用三維建模軟件，對曲軸車床進行三維幾何建模；2)施加物理約束，邊界條件與載荷在三維幾何模型基礎(chǔ)上，施加物理約束，邊界條件與載荷；3)網(wǎng)格劃分利用有限元軟件對模型進行網(wǎng)格劃分；4)有限元求解計算利用有限元軟件對劃分網(wǎng)格后的模型進行求解計算；5)結(jié)果分析與優(yōu)化加工工藝通過對模型有限元仿真結(jié)果分析，找出影響曲軸加工精度的影響因素，直到得出加工工藝的優(yōu)化結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型船用曲軸車床加工工藝優(yōu)化仿真方法， 其特征在于上述第一步驟中用PE0/ENGINEER三維軟件對大型船 用曲軸車床床身，頭架，滑板，托架，曲軸以及相關(guān)部件進行單獨幾 何建模，并按零部件關(guān)系裝配成車床加工系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型船用曲軸車床加工工藝優(yōu)化仿真方法， 其特征在于上述第二步驟中施加物理約束載荷具體方法是(1)根據(jù)車床各零部件實際材料，對應(yīng)設(shè)置模型的材料屬性；(2) 車床底面由地腳螺栓固定，施加相應(yīng)的約束條件；(3) 模擬真實環(huán)境，對車床施加重力載荷與切削力載荷；(4) 在曲軸與每個托架之間，設(shè)置接觸連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型船用曲軸車床加工工藝優(yōu)化仿真方法， 其特征在于上述第三步驟中利用有限元軟件中的四面體單元自動劃分網(wǎng)格。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型船用曲軸車床加工工藝優(yōu)化仿真方法， 其特征在于上述第四步驟中在PE0/ENGINEER軟件子模塊 PE0/MECHANICA系統(tǒng)中，進行有限元分析求解。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大型船用曲軸車床加工工藝優(yōu)化仿真方法，在PEO/ENGINEER軟件中對曲軸車床進行三維建模，在其子模塊中進行有限元網(wǎng)格劃分，邊界條件設(shè)定，載荷設(shè)定及有限元分析，得到曲軸車床加工過程中的曲軸變形，各種零件的應(yīng)力分布信息，判斷加工工藝是否合理并加以優(yōu)化。本發(fā)明可以考慮到曲軸紅套后產(chǎn)生的各種幾何變形誤差，以及曲軸自重，切削力等多種情況的影響，通過仿真分析得到的曲軸變形情況，然后對曲軸車床加工工藝進行合理評價，達到在大型船用曲軸車床加工曲軸過程中，在加工工藝流程方面的最合理的支架支撐順序與配置。本發(fā)明克服了過去曲軸加工過程中，只能依靠經(jīng)驗去進行曲軸加工工藝的制定，從而導(dǎo)致加工與調(diào)整效率低的缺點。
文檔編號G06T19/00GK101567092SQ200910046720
公開日2009年10月28日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者周鶴群, 汪中厚, 王偉偉, 曾 范 申請人:上海理工大學(xué)