基于Workbench高斯移動熱源的船舶艉軸管鏜孔仿真

胡小才，邢峰，鄭佳，劉麗君，劉北英，楊振

（1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.北京科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

大型船舶艉軸管的鏜削分為粗鏜、半精鏜和精鏜3個過程，其中精鏜對精度的要求最高，受切削熱影響的可能性最大。切削溫度的變化，能改變工件材料的性能，影響積屑瘤的產(chǎn)生和消失，以及影響已加工表面質(zhì)量。因此認(rèn)識它的變化規(guī)律，具有重要的實用意義。為了探究切削熱對艉軸管精鏜階段鏜孔精度的影響，進(jìn)一步提高鏜孔質(zhì)量，本文主要對精鏜階段中的切削熱影響進(jìn)行分析[1-2]。

1 參數(shù)及材料

1）熱學(xué)性能參數(shù)及材料。

艉軸管的材料為鑄鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為49.8 W/(m·K)，各個面的對流換熱系數(shù)為5 W/mm2，室溫為22 ℃。

2）尺寸參數(shù)及加工區(qū)域。

艉軸管內(nèi)部分為A、B、C三個區(qū)域，如圖1所示。其中A和C為鏜孔區(qū)域，B區(qū)域不需要進(jìn)行鏜削。為了提高加工精度，A和C區(qū)域的加工要分別進(jìn)行，鏜孔內(nèi)徑為800 mm。此次分析針對A區(qū)域進(jìn)行。

圖1 艉軸管內(nèi)部區(qū)域劃分示意

3）切削參數(shù)。

根據(jù)實際鏜削參數(shù)，結(jié)合正交實驗，選擇精鏜階段切削參數(shù)如表1所示。

表1 鏜削實驗的切削參數(shù)

2 有限元分析

為探究船舶艉軸管精鏜階段產(chǎn)生的熱影響，本文運用Workbench對船舶艉軸管進(jìn)行熱影響分析。分析過程主要包括如下幾個步驟：建立三維模型，設(shè)置材料屬性，劃分網(wǎng)格，給定約束，求解。

1）模型建立及材料設(shè)置。

利用SolidWorks軟件創(chuàng)建了艉軸管的三維模型并將其存成STEP格式的文件，在利用Workbench進(jìn)行有限元分析時，通過文件菜單的導(dǎo)入文件命令將其三維模型導(dǎo)入。在Workbench中的Engineering Data界面中，添加新材料cast steel，并將設(shè)置好參數(shù)的材料賦給模型。

2）網(wǎng)格劃分。

為模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，添加設(shè)置網(wǎng)格大小命令Bodysizing。設(shè)置網(wǎng)格大小為50 mm，共包含節(jié)點215 269個，單元139 375個，劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3）施加約束。

為了使得仿真盡量接近實際鏜削過程中溫度造成的影響。在Workbench中給模型添加移動載荷，這里選用了三維空間下的高斯分布熱源模型[3]：

式中：q（r）為熱流密度，P為熱輸入功率，R為熱源半徑，x、y、z為熱源的坐標(biāo)位置。

艉軸管鏜孔過程中由切削產(chǎn)生的熱量可以分為3部分：進(jìn)入工件的熱量、進(jìn)入刀具的熱量和由切屑帶走的熱量[4]。由于艉軸管鏜孔過程中，切屑并不會及時排出孔外，切屑的熱量仍處于孔內(nèi)。而傳入刀具的熱量較小，為了簡化計算，可以認(rèn)為由切削產(chǎn)生的全部熱量會對工件造成影響。所以可得切削熱簡化理想功率為

鏜孔過程中鏜刀刀尖與艉軸管的接觸點位置在不停地變化，在沿著艉軸管內(nèi)表面做周向旋轉(zhuǎn)的同時還沿軸向進(jìn)給。因此高斯分布函數(shù)中a、b、c都是關(guān)于時間的函數(shù)。

式中：r為艉軸管內(nèi)孔半徑，w為鏜刀旋轉(zhuǎn)角速度，vf為鏜刀軸向進(jìn)給速度。

可得高斯分布熱源模型為

取熱源半徑為0.005 m，可計算出精鏜階段時的熱流密度。

由于Workbench中無法直接加載移動高斯熱源函數(shù)，因此可利用ANSYS經(jīng)典模塊中函數(shù)編輯器的函數(shù)功能處理成命令流后進(jìn)行加載。導(dǎo)出相應(yīng)的命令流后，在Workbench中通過Commands(APDL)命令施加在模型A區(qū)域內(nèi)表面。

3 計算結(jié)果及分析

分析時間為17 000 s，載荷子步數(shù)為1600次，第17 000 s時艉軸管整體溫度分布情況如圖3所示。可以看出，經(jīng)過鏜削過程后，A區(qū)域的鏜孔溫度上升了0.76 ℃，A區(qū)域的溫度普遍高于其余區(qū)域。從圖3中可以看出，在鏜削過程中，在鏜刀刀尖位置形成高溫區(qū)。隨著鏜刀的移動，高溫區(qū)也隨之移動。高溫區(qū)的熱量快速散發(fā)，退出高溫區(qū)。

圖3 A區(qū)域溫度仿真結(jié)果

鏜孔在17 000 s時內(nèi)外表面溫度如圖4所示，內(nèi)表面上升了0.76 ℃，外表面上升了0.756 ℃。內(nèi)外表面上升的溫差符合實際，此現(xiàn)象也一定程度上驗證了仿真的正確性。

圖4 A區(qū)域內(nèi)外表面溫度仿真結(jié)果

對整個仿真過程的溫度變化進(jìn)行分析，可以觀察到存在一些短暫出現(xiàn)的特殊溫度點，如圖5所示。選取第7416 s和16 044 s時的仿真結(jié)果如圖6所示，可以看到當(dāng)出現(xiàn)溫度較高點時存在時間較短，熱量未擴(kuò)散就已經(jīng)消失，對鏜孔造成的熱影響較小。

圖5 溫度變化情況

圖6 特殊溫度點仿真結(jié)果

圖7 熱變形仿真結(jié)果

為了研究鏜削過程中產(chǎn)生的熱量對艉軸管造成的熱變形大小，將以上分析的結(jié)果作為熱載荷導(dǎo)入到Static Structural中，取熱膨脹系數(shù)為1.081×10-5/℃。分析鏜削熱對艉軸管造成的最終熱變形大小?？梢钥闯鰺嶙冃纹蛴谥虚g孔壁較薄區(qū)域，其中最大的變形量約為6.8 μm。

4 結(jié)語

通過有限元仿真技術(shù)，對艉軸管A區(qū)域進(jìn)行三維高斯移動熱源仿真，得到了在鏜削過程中艉軸管的溫度分布情況，并以此為載荷得到了艉軸管產(chǎn)生的熱變形大小?？梢钥闯鲷狠S管整體溫度大約上升了0.76 ℃，內(nèi)外表面溫度大致相同，此時產(chǎn)生的熱變形為6.8 μm。對鏜削熱進(jìn)行分析, 并加以控制, 可以提高鏜削精度，為以后相關(guān)方面

研究打下一定基礎(chǔ)。