基于熱結構耦合場的船舶艉軸管鏜削機構性能研究

丁振烜，邢峰，鄧嘯塵，劉麗君，劉北英，楊振

（1.北京科技大學 機械工程學院，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鍵裝置，艉軸管的鏜孔質量對整個船舶的行駛安全性起著關鍵性作用。船舶艉軸管的鏜孔工作是在戶外，環境較為惡劣，受太陽輻射等因素的影響，船體內外的溫差和鏜刀在鏜削時產生的熱量會改變鏜削機構表面的溫度場分布，且在鏜削過程中受各方向切削力影響，容易造成鏜削機構變形，從而使加工后的艉軸管變形，嚴重影響加工精度，因此要對鏜削機構進行熱結構耦合分析。熱結構耦合分析的結果可為后續艉軸管的精密鏜削工作打下基礎，進一步提高鏜孔質量。

G.Subramani等[1]在1990年對幾種缸體鏜孔試驗進行了熱影響分析，討論了這些試驗的結果及用溫度數據對溫度模型進行標定的結果。H.Sasahara等[2]在2014年發現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，解決了這些對精鏜加工精度的影響，處理了加工過程中工件的溫度場和熱膨脹問題。

李興山等[3]在2016年針對鏜銑加工中心進給系統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進給系統的熱結構耦合模型，在系統穩態溫度場分析的基礎上對其進行了熱結構耦合分析，分析進給系統的溫度場和熱變形，得出軸承發熱對系統熱變形影響最大，而系統熱變形對機床Y軸精度影響較大的結論。孫軍等[4]在2016年以TX1600G數控鏜銑加工中心的進給系統為研究對象，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%，系統其他零部件的變形減少了約30%。

綜合近年來國內外學者在鏜孔熱影響分析方面的研究可以看出，學者主要在溫度對鏜削加工件和被加工件熱脹冷縮的影響做了研究，并對主要熱源進行了ANSYS穩態溫度場的仿真研究，但缺乏船舶艉軸管鏜削機構熱結構場的研究。本文采用ANSYS Workbench有限元分析軟件中的熱結構耦合場分析法進行數值模擬，考慮溫度分布、鏜削過程中的受力等影響，研究鏜削機構產生的溫度分布和熱變形。

1 鏜削機構描述

本文分析的船舶艉軸管鏜削機構有限元模型如圖1所示，模型參數是按照實際現場結構尺寸1:1繪制、簡化后得到的，可以保證仿真分析的嚴謹性。鏜桿同軸心布置在開合螺母上，鏜桿轉動可帶動整個鏜削機構旋轉進行鏜削，進給開合支座與開合螺母緊固，底座加強筋、鏜刀支撐底座緊固相連后安裝在進給開合支座上，鏜刀進給升降機帶動鏜刀可沿直線運動機構進給和退刀，從而完成船舶艉軸管的鏜孔加工過程。

圖1 鏜削機構示意圖

2 有限元模型描述

熱結構耦合分為直接耦合與間接耦合，由于本文所測參數均為鏜刀勻速運轉加工過程中所得，考慮穩態溫度場與穩態結構場，因此采用間接耦合進行鏜削機構熱結構分析。

2.1 參數及材料

1）結構力學參數包括密度、彈性模量、泊松比，熱學性能參數是材料的導熱系數，耦合參數是各向同性熱膨脹系數，所用材料各參數如表1所示。

表1 各材料的熱力學性能參數

2）切削參數。根據實際鏜削要求、現場溫度測量和正交試驗參數分析結果，選擇表2所示的切削參數。

表2 精鏜加工過程參數

2.2 模型導入及前處理

1）模型處理及材料定義。通過SolidWorks軟件建立艉軸管鏜削機構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熱應力耦合模塊，Geometry中導入模型，在Engineering Data中，添加新材料40Cr、45鋼和Q235A的材料參數，并對模型進行共節點處理，共節點處理廣泛應用于有限元分析中的多結構體建模，可避免使用過多的約束，一定程度上保證了計算結果的正確性和較好的收斂性。

2）網格劃分。使用全局網格控制，單元尺寸Element Size設定為10 mm，為提高分析結果的精度，插入局部網格控制Body-Sizing，單元尺寸Element Size設定為6 mm，為直接受溫度和力載荷影響的結構進行網格加密，網格結果包含222 624個節點、130 258個單元，劃分結果如圖2所示。

圖2 網格劃分結果

2.3 求解設定

1）溫度場邊界條件設定。鏜刀受切削熱溫度浮動不大，取測量均值為120.8 ℃，環境溫度為24.1 ℃，各部分表面與空氣之間存在熱對流，經實驗分析與公式計算，對流散熱系數取650 W/（m2·℃），求解設置溫度場分布和熱流梯度，設定結果如圖3所示。

圖3 溫度邊界設定

2）結構場位移邊界與載荷邊界條件設定。鏜刀刀尖受切向力為115.7 N，徑向力為56.1 N，鏜削機構在沿開合螺母和鏜桿軸向有旋轉自由度，為避免應力集中，采用遠程位移約束，求解設置總變形量，設定結果如圖4所示。

圖4 位移與載荷邊界設定

3 仿真結果與分析

1）先對溫度場求解，得到溫度分布如圖5所示，內部溫度分布如圖6所示。從溫度分布結果可以看出，在熱傳導和熱對流效應影響下，鏜刀溫度基本分布在鏜刀保持架和保持架加強筋結構上。

圖5 溫度分布圖

圖6 內部溫度分布圖

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

2）再將求解的穩態溫度場結果作為初始載荷條件導入到結構場中，繼續對結構場求解，得到鏜削機構的熱結構耦合結果，熱變形結果如圖7和圖8所示。從熱結構耦合場結果可以看出，最大熱變形量為7.1 μm，發生在保持架加強筋結構處。

圖7 總熱變形圖

圖8 剖切面熱變形圖

除保持架加強筋熱變形最大外，受熱應力耦合場影響變形較大的有鏜刀支撐底座、鏜刀進給升降機、鏜刀保持架和鏜刀，變化范圍約為1.1～3.7 μm；其余結構受耦合場影響變形不大，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證了本文仿真結果的正確性，符合實際加工過程中的精度要求，鏜削機構熱變形總體處于可接受范圍內。

4 結論

本文通過有限元軟件ANSYS Workbench對船舶艉軸管鏜削裝置進行了熱結構耦合場仿真，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，可能發生破壞的部位為保持架加強筋處，驗證了此鏜削機構較為合理。因此，在實際加工過程中，注意對保持架加強筋進行定時觀測、調整與更換，保證鏜孔加工精度。為后續艉軸管的精密鏜削工作和實驗參數細化打下基礎，進一步提高鏜孔質量。