大型船用曲轴的托架优化方法.pdf

本发明涉及一种大型船用曲轴托架的优化方案，利用有限元技术进行模拟仿真，仿真步骤：建立托架几何模型；网格划分；对仿真模型进行加载和施加边界条件；进行静态结构分析；托架灵敏度分析；通过灵敏度分析得到曲轴托架的优化模型。在全面的考虑了托架加工的工艺可行性，经济性，刚度等综合因素的影响下，通过优化结构提高托架的刚度减小托架变形，从而提高曲轴加工的加工精度，增强了曲轴使用的可靠性。本发明的优点是利用有限元虚拟仿真技术，可以进行多种约束和加载条件下的托架优化分析，通过优化分析得到了曲轴托架的最优的几何模型，减小了产品的开发时间。

1.  一种大型船用曲轴托架的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立三维几何模型，在三维软件PRO/ENGINEER中对托架，曲轴及相关部件进行三维建模，并进行虚拟装配；
(2)进行网格划分，在PRO/ENGINEER软件的子模块PRO/MECHANICA中进行有限元网格划分；
(3)对仿真模型进行加载和约束，根据实际加工工艺情况进行不同情况下的加载和约束；
(4)进行静态结构分析，通过仿真计算得到托架的应力场，应变场，位移场；
(5)对托架的仿真模型进行改进，进行灵敏度分析；在PRO/ENGINEER软件里重新建模，并且进行结构改变后的仿真分析；
(6)确定托架优化模型；在综合考虑成本和刚度的情况下得到优化后的托架模型。

大型船用曲轴的托架优化方法
技术领域
本发明涉及一种应用计算机对大型船用曲轴托架进行仿真计算的优化方法。
背景技术
随着我国船舶工业飞速发展，中国已成为世界造船大国。曲轴作为大型船用柴油机的核心部件“船等机，机等轴”的现状严重制约着我国船舶工业的持续发展。尽快实现大型船用曲轴国产化，提高大型曲轴的生产能力已迫在眉睫。
曲轴加工中由于红套作用产生的几何变形和重力作用引起的变形使曲轴弯曲变形过大，因此减小曲轴加工中的弯曲变形是曲轴加工的关键。而曲轴托架的刚度是影响变形的最关键的零件。优化托架结构提高托架刚度可以对曲轴的重力作用引起的变形进行有效的控制从而提高曲轴的加工精度，增强曲轴工作的可靠性。
随着计算机技术的发展，应用计算机进行仿真计算已成为一种有效的研究手段，可以在产品的设计阶段对复杂零件的结构进行大量的仿真计算，简化了复杂零件的设计开发过程，减少了研究费用，节约了原料与成本，得到最优的零件结构。
发明内容
本发明是要提供一种大型船用曲轴托架的优化方法，通过该优化方案得到曲轴托架的最优化结构，用该优化结果制成的托架对曲轴进行支撑，不仅可以满足曲轴的加工工艺要求，减小曲轴的重力作用引起的变形，而且可以降低制造成本，缩短产品的开发时间。
本发明所提供的大型船用曲轴托架的优化方法，包括以下步骤：
1.建立三维几何模型，在三维软件PRO/ENGINEER中对托架，曲轴及相关部件进行三维建模，并进行虚拟装配；
2.进行网格划分，在PRO/ENGINEER软件的子模块PRO/MECHANICA中进行有限元网格划分；
3.对仿真模型进行加载和约束，根据实际加工工艺情况进行不同情况下的加载和约束；
4.进行静态结构分析，通过仿真计算得到托架的应力场，应变场，位移场；
5.对托架的仿真模型进行改进，进行灵敏度分析；在PRO/ENGINEER软件里重新建模，并进行结构改变后的仿真分析；
6.确定托架优化模型；在综合考虑成本和刚度的情况下得到优化后的托架模型。
本发明的有益效果是：解决了曲轴在加工过程中引起的变形从而提高曲轴加工的加工精度，增强了曲轴使用的可靠性。利用有限元虚拟仿真技术，可以进行多种约束和加载条件下的托架优化分析，通过优化分析得到了曲轴托架的最优的几何模型，减小了产品的开发时间。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是托架的整体几何模型；
图3是托架网格划分；
图4是托架优化前的几何模型
图5是托架优化后的几何模型之一；
图6是托架优化后的几何模型之二；
图7是托架优化前几何模型的优化结果(图中应力云图表示变形等值线，以下相同)；
图8是托架优化模型一的优化结果(质量下降0.7％，刚度提高7.8％)；
图9是托架优化模型二的优化结果(质量增加0.2％，刚度提高9.3％)；
具体实施方式
现结合附图对本申请的分析方法做进一步的说明。
如图1所示，本发明所提供的大型船用曲轴托架的优化方法，包括以下步骤：
第一步，建立三维几何模型，在三维软件PRO/ENGINEER中对托架，曲轴等相关部件进行三维建模，并进行虚拟装配，托架原始结构如图4所示，根据实际加工工艺托架的布置位置和个数将有多种情况，可以根据实际要求进行装配分析。图2给出了二个托架支撑时的几何模型。
第二步，进行网格划分，在PRO/ENGINEER软件的子模块PRO/MECHANICA中划分网格。划分单元格后的模型及结果报告如图3所示。
第三步，对仿真模型进行加载和约束，根据实际加工工艺情况可以对模型进行约束和加载。
第四步，进行静态结构分析，通过仿真计算得到托架的应力场，应变场，位移场等。
第五步，计算分析与优化：对托架的几何模型进行灵敏度分析，在PRO/ENGINEER软件里采用参数化建模，可以方便的进行结构改变后的仿真分析。本实施案例中，通过灵敏度分析可以发现托架上筋板的形状和尺寸，观察孔的尺寸等是影响托架变形关键因素。
第六步，确定托架优化模型；在综合考虑成本，托架刚度和托架加工工艺的情况下确定托架的优化模型(图5)。
综上所述，本发明可以对托架的结构进行了多种结构优化，可以全面的考虑托架加工的工艺可行性，经济性，刚度等综合因素，进行支架的优化设计。
优化结果之一：在质量减小0.7％的条件下，将刚度提高7.8％得到优化模型一如图6所示，优化后的变形结果如图8所示；
优化结果之二：在质量提高0.2％的条件下，将刚度提高9.3％得到优化模型二如图7所示，优化后的变形结果如图9所示。