基于Workbench高斯移动热源的船舶艉轴管镗孔仿真

胡小才，邢峰，郑佳，刘丽君，刘北英，杨振

（1.上海外高桥造船有限公司，上海 200137；2.北京科技大学 机械工程学院，北京 100083）

0 引言

大型船舶艉轴管的镗削分为粗镗、半精镗和精镗3个过程，其中精镗对精度的要求最高，受切削热影响的可能性最大。切削温度的变化，能改变工件材料的性能，影响积屑瘤的产生和消失，以及影响已加工表面质量。因此认识它的变化规律，具有重要的实用意义。为了探究切削热对艉轴管精镗阶段镗孔精度的影响，进一步提高镗孔质量，本文主要对精镗阶段中的切削热影响进行分析[1-2]。

1 参数及材料

1）热学性能参数及材料。

艉轴管的材料为铸钢，导热系数为49.8 W/(m·K)，各个面的对流换热系数为5 W/mm2，室温为22 ℃。

2）尺寸参数及加工区域。

艉轴管内部分为A、B、C三个区域，如图1所示。其中A和C为镗孔区域，B区域不需要进行镗削。为了提高加工精度，A和C区域的加工要分别进行，镗孔内径为800 mm。此次分析针对A区域进行。

图1 艉轴管内部区域划分示意

3）切削参数。

根据实际镗削参数，结合正交实验，选择精镗阶段切削参数如表1所示。

表1 镗削实验的切削参数

2 有限元分析

为探究船舶艉轴管精镗阶段产生的热影响，本文运用Workbench对船舶艉轴管进行热影响分析。分析过程主要包括如下几个步骤：建立三维模型，设置材料属性，划分网格，给定约束，求解。

1）模型建立及材料设置。

利用SolidWorks软件创建了艉轴管的三维模型并将其存成STEP格式的文件，在利用Workbench进行有限元分析时，通过文件菜单的导入文件命令将其三维模型导入。在Workbench中的Engineering Data界面中，添加新材料cast steel，并将设置好参数的材料赋给模型。

2）网格划分。

为模型进行网格划分，添加设置网格大小命令Bodysizing。设置网格大小为50 mm，共包含节点215 269个，单元139 375个，划分结果如图2所示。

图2 网格划分结果

3）施加约束。

为了使得仿真尽量接近实际镗削过程中温度造成的影响。在Workbench中给模型添加移动载荷，这里选用了三维空间下的高斯分布热源模型[3]：

式中：q（r）为热流密度，P为热输入功率，R为热源半径，x、y、z为热源的坐标位置。

艉轴管镗孔过程中由切削产生的热量可以分为3部分：进入工件的热量、进入刀具的热量和由切屑带走的热量[4]。由于艉轴管镗孔过程中，切屑并不会及时排出孔外，切屑的热量仍处于孔内。而传入刀具的热量较小，为了简化计算，可以认为由切削产生的全部热量会对工件造成影响。所以可得切削热简化理想功率为

镗孔过程中镗刀刀尖与艉轴管的接触点位置在不停地变化，在沿着艉轴管内表面做周向旋转的同时还沿轴向进给。因此高斯分布函数中a、b、c都是关于时间的函数。

式中：r为艉轴管内孔半径，w为镗刀旋转角速度，vf为镗刀轴向进给速度。

可得高斯分布热源模型为

取热源半径为0.005 m，可计算出精镗阶段时的热流密度。

由于Workbench中无法直接加载移动高斯热源函数，因此可利用ANSYS经典模块中函数编辑器的函数功能处理成命令流后进行加载。导出相应的命令流后，在Workbench中通过Commands(APDL)命令施加在模型A区域内表面。

3 计算结果及分析

分析时间为17 000 s，载荷子步数为1600次，第17 000 s时艉轴管整体温度分布情况如图3所示。可以看出，经过镗削过程后，A区域的镗孔温度上升了0.76 ℃，A区域的温度普遍高于其余区域。从图3中可以看出，在镗削过程中，在镗刀刀尖位置形成高温区。随着镗刀的移动，高温区也随之移动。高温区的热量快速散发，退出高温区。

图3 A区域温度仿真结果

镗孔在17 000 s时内外表面温度如图4所示，内表面上升了0.76 ℃，外表面上升了0.756 ℃。内外表面上升的温差符合实际，此现象也一定程度上验证了仿真的正确性。

图4 A区域内外表面温度仿真结果

对整个仿真过程的温度变化进行分析，可以观察到存在一些短暂出现的特殊温度点，如图5所示。选取第7416 s和16 044 s时的仿真结果如图6所示，可以看到当出现温度较高点时存在时间较短，热量未扩散就已经消失，对镗孔造成的热影响较小。

图5 温度变化情况

图6 特殊温度点仿真结果

图7 热变形仿真结果

为了研究镗削过程中产生的热量对艉轴管造成的热变形大小，将以上分析的结果作为热载荷导入到Static Structural中，取热膨胀系数为1.081×10-5/℃。分析镗削热对艉轴管造成的最终热变形大小。可以看出热变形偏向于中间孔壁较薄区域，其中最大的变形量约为6.8 μm。

4 结语

通过有限元仿真技术，对艉轴管A区域进行三维高斯移动热源仿真，得到了在镗削过程中艉轴管的温度分布情况，并以此为载荷得到了艉轴管产生的热变形大小。可以看出艉轴管整体温度大约上升了0.76 ℃，内外表面温度大致相同，此时产生的热变形为6.8 μm。对镗削热进行分析, 并加以控制, 可以提高镗削精度，为以后相关方面

研究打下一定基础。