基于熱結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)的船舶艉軸管鏜削機(jī)構(gòu)性能研究

丁振烜，邢峰，鄧嘯塵，劉麗君，劉北英，楊振

（1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100024；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200000）

0 引言

船舶艉軸管是支撐螺旋槳軸的關(guān)鍵裝置，艉軸管的鏜孔質(zhì)量對(duì)整個(gè)船舶的行駛安全性起著關(guān)鍵性作用。船舶艉軸管的鏜孔工作是在戶外，環(huán)境較為惡劣，受太陽(yáng)輻射等因素的影響，船體內(nèi)外的溫差和鏜刀在鏜削時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)改變鏜削機(jī)構(gòu)表面的溫度場(chǎng)分布，且在鏜削過程中受各方向切削力影響，容易造成鏜削機(jī)構(gòu)變形，從而使加工后的艉軸管變形，嚴(yán)重影響加工精度，因此要對(duì)鏜削機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析。熱結(jié)構(gòu)耦合分析的結(jié)果可為后續(xù)艉軸管的精密鏜削工作打下基礎(chǔ)，進(jìn)一步提高鏜孔質(zhì)量。

G.Subramani等[1]在1990年對(duì)幾種缸體鏜孔試驗(yàn)進(jìn)行了熱影響分析，討論了這些試驗(yàn)的結(jié)果及用溫度數(shù)據(jù)對(duì)溫度模型進(jìn)行標(biāo)定的結(jié)果。H.Sasahara等[2]在2014年發(fā)現(xiàn)精鏜加工誤差的主要原因之一是氣缸的熱膨脹。通過有限元分析，解決了這些對(duì)精鏜加工精度的影響，處理了加工過程中工件的溫度場(chǎng)和熱膨脹問題。

李興山等[3]在2016年針對(duì)鏜銑加工中心進(jìn)給系統(tǒng)存在的熱載荷引起的熱變形問題，建立TX1600G鏜銑加工中心工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的熱結(jié)構(gòu)耦合模型，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了熱結(jié)構(gòu)耦合分析，分析進(jìn)給系統(tǒng)的溫度場(chǎng)和熱變形，得出軸承發(fā)熱對(duì)系統(tǒng)熱變形影響最大，而系統(tǒng)熱變形對(duì)機(jī)床Y軸精度影響較大的結(jié)論。孫軍等[4]在2016年以TX1600G數(shù)控鏜銑加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出采用中空絲杠來減小熱變形，使絲杠軸的變形減少了約42%，系統(tǒng)其他零部件的變形減少了約30%。

綜合近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鏜孔熱影響分析方面的研究可以看出，學(xué)者主要在溫度對(duì)鏜削加工件和被加工件熱脹冷縮的影響做了研究，并對(duì)主要熱源進(jìn)行了ANSYS穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的仿真研究，但缺乏船舶艉軸管鏜削機(jī)構(gòu)熱結(jié)構(gòu)場(chǎng)的研究。本文采用ANSYS Workbench有限元分析軟件中的熱結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析法進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮溫度分布、鏜削過程中的受力等影響，研究鏜削機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的溫度分布和熱變形。

1 鏜削機(jī)構(gòu)描述

本文分析的船舶艉軸管鏜削機(jī)構(gòu)有限元模型如圖1所示，模型參數(shù)是按照實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸1:1繪制、簡(jiǎn)化后得到的，可以保證仿真分析的嚴(yán)謹(jǐn)性。鏜桿同軸心布置在開合螺母上，鏜桿轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)整個(gè)鏜削機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鏜削，進(jìn)給開合支座與開合螺母緊固，底座加強(qiáng)筋、鏜刀支撐底座緊固相連后安裝在進(jìn)給開合支座上，鏜刀進(jìn)給升降機(jī)帶動(dòng)鏜刀可沿直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)給和退刀，從而完成船舶艉軸管的鏜孔加工過程。

圖1 鏜削機(jī)構(gòu)示意圖

2 有限元模型描述

熱結(jié)構(gòu)耦合分為直接耦合與間接耦合，由于本文所測(cè)參數(shù)均為鏜刀勻速運(yùn)轉(zhuǎn)加工過程中所得，考慮穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場(chǎng)，因此采用間接耦合進(jìn)行鏜削機(jī)構(gòu)熱結(jié)構(gòu)分析。

2.1 參數(shù)及材料

1）結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)包括密度、彈性模量、泊松比，熱學(xué)性能參數(shù)是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，耦合參數(shù)是各向同性熱膨脹系數(shù)，所用材料各參數(shù)如表1所示。

表1 各材料的熱力學(xué)性能參數(shù)

2）切削參數(shù)。根據(jù)實(shí)際鏜削要求、現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量和正交試驗(yàn)參數(shù)分析結(jié)果，選擇表2所示的切削參數(shù)。

表2 精鏜加工過程參數(shù)

2.2 模型導(dǎo)入及前處理

1）模型處理及材料定義。通過SolidWorks軟件建立艉軸管鏜削機(jī)構(gòu)的三維模型并將其保存為x_t格式的文件，在Workbench中選擇Steady-State Thermal熱應(yīng)力耦合模塊，Geometry中導(dǎo)入模型，在Engineering Data中，添加新材料40Cr、45鋼和Q235A的材料參數(shù)，并對(duì)模型進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)處理，共節(jié)點(diǎn)處理廣泛應(yīng)用于有限元分析中的多結(jié)構(gòu)體建模，可避免使用過多的約束，一定程度上保證了計(jì)算結(jié)果的正確性和較好的收斂性。

2）網(wǎng)格劃分。使用全局網(wǎng)格控制，單元尺寸Element Size設(shè)定為10 mm，為提高分析結(jié)果的精度，插入局部網(wǎng)格控制Body-Sizing，單元尺寸Element Size設(shè)定為6 mm，為直接受溫度和力載荷影響的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格結(jié)果包含222 624個(gè)節(jié)點(diǎn)、130 258個(gè)單元，劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 求解設(shè)定

1）溫度場(chǎng)邊界條件設(shè)定。鏜刀受切削熱溫度浮動(dòng)不大，取測(cè)量均值為120.8 ℃，環(huán)境溫度為24.1 ℃，各部分表面與空氣之間存在熱對(duì)流，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析與公式計(jì)算，對(duì)流散熱系數(shù)取650 W/（m2·℃），求解設(shè)置溫度場(chǎng)分布和熱流梯度，設(shè)定結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度邊界設(shè)定

2）結(jié)構(gòu)場(chǎng)位移邊界與載荷邊界條件設(shè)定。鏜刀刀尖受切向力為115.7 N，徑向力為56.1 N，鏜削機(jī)構(gòu)在沿開合螺母和鏜桿軸向有旋轉(zhuǎn)自由度，為避免應(yīng)力集中，采用遠(yuǎn)程位移約束，求解設(shè)置總變形量，設(shè)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 位移與載荷邊界設(shè)定

3 仿真結(jié)果與分析

1）先對(duì)溫度場(chǎng)求解，得到溫度分布如圖5所示，內(nèi)部溫度分布如圖6所示。從溫度分布結(jié)果可以看出，在熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流效應(yīng)影響下，鏜刀溫度基本分布在鏜刀保持架和保持架加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)上。

圖5 溫度分布圖

圖6 內(nèi)部溫度分布圖

鏜刀保持架的溫度梯度最為明顯，變化范圍約為39.667～114.78 ℃；其余部分與外部環(huán)境溫度相差不大，約為24.1～34.912 ℃。

2）再將求解的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)結(jié)果作為初始載荷條件導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)場(chǎng)中，繼續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)求解，得到鏜削機(jī)構(gòu)的熱結(jié)構(gòu)耦合結(jié)果，熱變形結(jié)果如圖7和圖8所示。從熱結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)結(jié)果可以看出，最大熱變形量為7.1 μm，發(fā)生在保持架加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)處。

圖7 總熱變形圖

圖8 剖切面熱變形圖

除保持架加強(qiáng)筋熱變形最大外，受熱應(yīng)力耦合場(chǎng)影響變形較大的有鏜刀支撐底座、鏜刀進(jìn)給升降機(jī)、鏜刀保持架和鏜刀，變化范圍約為1.1～3.7 μm；其余結(jié)構(gòu)受耦合場(chǎng)影響變形不大，范圍約為0～0.79 μm。通過熱變形分布與峰值在一定程度上驗(yàn)證了本文仿真結(jié)果的正確性，符合實(shí)際加工過程中的精度要求，鏜削機(jī)構(gòu)熱變形總體處于可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文通過有限元軟件ANSYS Workbench對(duì)船舶艉軸管鏜削裝置進(jìn)行了熱結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)仿真，得到了溫度梯度和熱變形云圖，在初始溫度載荷與鏜刀受力工況下，求得最大熱變形為7.1 μm，可能發(fā)生破壞的部位為保持架加強(qiáng)筋處，驗(yàn)證了此鏜削機(jī)構(gòu)較為合理。因此，在實(shí)際加工過程中，注意對(duì)保持架加強(qiáng)筋進(jìn)行定時(shí)觀測(cè)、調(diào)整與更換，保證鏜孔加工精度。為后續(xù)艉軸管的精密鏜削工作和實(shí)驗(yàn)參數(shù)細(xì)化打下基礎(chǔ)，進(jìn)一步提高鏜孔質(zhì)量。