重型数控曲轴车床床身结构分析与优化

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.3MB 62 页 15积分

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摘要

曲轴作为船用发动机的关键部件，一直被视为船用发动机的“心脏”，曲轴

对船舶的发展起着至关重要的作用，而船用大型柴油机曲轴重量大、加工精度要

求高、制造技术难度大，多年来一直依赖进口。近年来，我国船舶工业造船规模

已进入世界前三强，但国内船舶工业所需的船用柴油机曲轴却没有能力自主生产。

“船等机、机等轴”的现状制约着中国船舶工业的持续发展。因此，要结束我国

重型船用曲轴只能依靠进口的历史，发展我国自主知识产权的重型曲轴加工机床

制造业是当务之急。

本文中的项目是上海某机床厂与国外某公司合作开发重型数控曲轴加工车床

项目，为掌握相关技术，形成自有知识产权，对该机床进行全面系统地研究。本

文的主要目的是通过优化机床床身结构，提高床身静刚度。首先运用三维软件

Pro/ENGINEER 对机床整体进行精确三维建模，并应用有限元分析软件

Pro/MECHANICA 模拟机床的实际工况；然后分析得到整机模型的整体变形情况、

床身部分最大变形值和床身两导轨竖直方向相对高度差等数据；在此基础上，根

据机床底座结构刚度理论，设定一系列结构优化方案，对其进行大量的有限元分

析计算，确定影响床身刚度的薄弱环节；在已得到的一系列方案中，以满足生产

工艺允许、节约成本的为前提，最终确定床身优化方案。优化的原则是：在质量

少量增加的同时，床身各项变形量减小，床身刚度提高。最终优化方案使床身质

量增加 6.87%，床身最大变形量减小 36.17%，两导轨面竖直方向相对高度差降低

42.28%。优化后模型满足加工精度要求并得到相关机床行业专家及工程师的认可。

关键词：Pro/MECHANICA 重型曲轴车床刚度有限元分析

ABSTRACT

As a key component, marine crankshaft has been seen as the heart of the ship

engine. Crankshaft plays a vital role in the ship development, and large marine diesel

engine crankshaft is heavy, high-precision, its manufacturing technologies are

complicated, has been to rely on imports. Currently, China's shipbuilding industry has

listed in the top three of the world, but the high-power low-speed marine diesel engine

crankshaft still cannot afford by ourselves yet. In the 21st century, only very few

countries can produce large marine half-combined crankshaft, like Japan, South Korea,

the Czech Republic, Spain. They highly monopolize the international market of marine

crankshaft. The condition that "Ship waits for engine, engine waits for crankshaft"

constraints the development of China's shipbuilding industry. Therefore, in order to end

the import history of China's heavy marine crankshaft, to develop our own technology

of marine crankshaft manufacturing is the order of the day.

In this study, the author researches the stiffness of heavy marine crankshaft lathe

bed. First, we got the whole model’s overall deformation, the largest deformation of the

bed and the relatively height difference of the two guides on the vertical direction.

Second, according to the rigidity theory of the of the lathe’s base structure, we set up a

series of structural optimization plans. Finally, we determined the final bed optimization

plan based on feasibility, cost-effective principles. The weight of the after-optimized

bed model increases 6.87% than the original one, the largest deformation of bed

decreases 36.17%, relatively height difference of the two guides decreases 42.28%. This

result meets the requirement of machining precision.

Key Word: Pro/MECHANICA, Heavy Crankshaft Lathe, Stiffness,

Finite Element Analysis

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 引言 .....................................................................................................................1

§1.2 机床结构计算的发展现状 .................................................................................2

§1.2.1 机床设计发展的几个阶段 ..........................................................................2

§1.2.2 机床制造业的发展趋势 ..............................................................................3

§1.2.3 机床结构计算的国内外研究现状 ..............................................................4

§1.3 重型曲轴加工机床发展现状 .............................................................................5

§1.4 三维建模软件 Pro/ENGINEER 简介 ................................................................ 6

§1.5 本文主要研究内容 .............................................................................................7

第二章有限元理论及 Pro/MECHANICA 简介 ..........................................................9

§2.1 有限元理论基础 .................................................................................................9

§2.1.1 有限元基本概念 ..........................................................................................9

§2.1.2 有限元求解的基本步骤 ..............................................................................9

§2.1.3 自适应技术 p法........................................................................................10

§2.1.4 有限元计算方法比较 ................................................................................12

§2.2 有限元分析软件 Pro/MECHANICA 介绍 ...................................................... 13

§2.2.1 Pro/MECHANICA 总体介绍 ....................................................................13

§2.2.2 Pro/MECHANICA 与其他有限元分析软件的比较 ................................14

§2.2.3 Pro/MECHANICA 有限元分析工作流程 ................................................15

第三章重型数控曲轴车床的三维建模及装配 .......................................................... 17

§3.1 重型数控曲轴车床结构的总体介绍 ...............................................................17

§3.2 重型数控曲轴车床的三维建模及模型简化 ...................................................18

§3.2.1 主轴箱及其底座 ........................................................................................18

§3.2.2 导轨床身 ....................................................................................................19

§3.2.3 中心架及其底座 ........................................................................................19

§3.2.4 尾架 ............................................................................................................20

§3.2.5 曲轴 ............................................................................................................20

§3.2.6 刀具床身 ....................................................................................................20

§3.3 重型数控曲轴加工车床的虚拟装配 ...............................................................21

§3.3.1 曲轴加工车床的装配 ................................................................................21

§3.3.2 曲轴加工车床的装配干涉检查 ................................................................21

第四章重型曲轴车床有限元模型的建立及计算 ...................................................... 23

§4.1 有限元模型的前处理 .......................................................................................23

§4.1.1 有限元模型的简化 ....................................................................................23

§4.1.2 定义材料 ....................................................................................................25

§4.1.3 划分网格 ....................................................................................................25

§4.2 施加边界条件 ...................................................................................................27

§4.2.1 定义约束 ....................................................................................................27

§4.2.2 定义载荷 ....................................................................................................28

§4.3 有限元计算及结果分析 ...................................................................................28

§4.3.1 有限元计算 ................................................................................................28

§4.3.2 整体变形 ....................................................................................................29

§4.3.3 床身变形 ....................................................................................................30

§4.4 本文的优化思想 ...............................................................................................33

第五章车床床身刚度的影响因素分析 ...................................................................... 35

§5.1 提高床身刚度的措施 .......................................................................................35

§5.2 床身材料 ...........................................................................................................36

§5.3 床身壁厚 ...........................................................................................................37

§5.3.1 铸件的壁厚 ................................................................................................37

§5.3.2 床身内部筋板结构分析 ............................................................................38

§5.3.3 结论 ............................................................................................................42

§5.4 承重侧局部分析 ...............................................................................................42

§5.4.1 导轨边缘支撑 ............................................................................................42

§5.4.2 筋板清砂孔尺寸分析 ................................................................................43

§5.4.3 斜筋板分析 ................................................................................................44

§5.4.4 结论 ............................................................................................................46

§5.5 重心分析 ...........................................................................................................46

§5.6 边界条件分析 ...................................................................................................47

§5.7 小结 ...................................................................................................................49

第六章床身优化实现 .................................................................................................. 50

§6.1 床身综合优化方案 ...........................................................................................50

§6.2 验证优化后模型 ...............................................................................................51

第七章全文总结 .......................................................................................................... 53

§7.1 工作总结与结论 ...............................................................................................53

§7.2 问题与展望 .......................................................................................................54

参考文献 .........................................................................................................................55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 58

致谢 .............................................................................................................................59

第一章绪论

§1.1 引言

机床制造业是国家的基础工业之一，在机械制造系统中占有极其重要的地位。

机床作为机械工业的基本生产设备是工业化生产的一个重要组成部分，它的设计

和制造水平直接影响其它机械产品的生产技术水平和经济效益，己经成为衡量一

个国家制造水平的重要标志。本世纪初以来，随着科学技术的飞速发展，对机床

产品的质量要求越来越高，新材料、新技术的应用也同时有了很大发展，国内外

出现了许多新型设计理论和方法，这些都使得现代机床设计思想进入了一个以试

验研究及理论计算为基础的较高级阶段。研究设计程序、规律及设计思维和工作

方法，不仅寻求产品本身的最佳化，还要实现从产品设计到制造、试验、检验的

全过程以至整个系统的最佳化[1]。

数控机床是装备制造业的基础,振兴装备制造业首先要振兴数控机床业。一个

国家数控机床业的水平已经成为衡量该国制造业水平、工业现代化程度和国家综

合竞争力的重要标志,直接关系到国家经济建设和国防安全及战略地位。近几年来,

大重型数控技术和国产大重型数控机床已广泛应用于发电设备、冶金矿山和船舶

等制造业。国产数控重型卧式车床、数控重型立式车床、立式车铣中心、数控落

地镗铣床、大重型数控龙门铣床已得到重型机器制造业的认可,与国外同类机床相

比,具有较强的性价比优势[2-3]。

重型数控曲轴加工车床作为一种重要的船用曲轴加工设备，应用于重型曲轴

毛坯粗加工和半精加工过程中。床身是整个机床的基础零件，承受机械工作时的

全部载荷，床身的刚度是保证整机工作性能和使用寿命的重要影响因素，同时对

工件的加工精度有直接影响。刚度是床身必须满足的重要性能之一。目前由于对

床身的刚度还没有统一的标准，因此研究支承件的刚度往往是通过对床身各种不

同结构方案的刚度比较，来选择较好的设计方案，以便能用较少的材料，获得较

大的床身刚度。了解床身在受力后的变形情况，也有助于对机床进行精度分析[4]。

船用大型发动机曲轴重量大、加工精度要求高、制造技术难度大，这样就对

曲轴加工设备提出了较高的要求。国内车床的设计方法处于经验、类比的设计阶

段，对车床的整体结构和动态性能考虑较少，难以满足目前工程上的需要。因此，

需要引入现代设计方法提高机床的结构设计水平与开发效率。由于床身结构复杂，

不易利用手工计算来进行性能分析，依靠传统的方法不易计算出其刚度变形以及

重型数控曲轴车床床身结构分析与优化

改善其刚度特性。利用虚拟仿真技术，可以精密地进行三维几何与物理建模，能

够在设计阶段预测机床的静态与动态强度与性能，进行最优设计，以较低的成本，

较快的速度，设计制造出高品质的产品。

目前，对大型复杂整机做有限元分析还是一个难题，因为整机模型复杂，划

分的有限元网格数量多，分析计算量又大，所以很难实现。解决方法通常是将模

型尽可能的简化，以减少有限元模型的单元网格的数量。而本文运用有限元分析

软件 Pro/MECHANICA 成功解决了这一难题，因为 Pro/MECHANICA 采用 p方法

计算，在解析过程中仿真系统内部通过自动拉升位移函数的阶次来提高其解析精

度，可以通过划分较少的有限元网格就能得到很高的解析精度。

§1.2 机床结构计算的发展现状

§1.2.1 机床设计发展的几个阶段

随着社会生产的发展和制造技术的进步，机床设计思想也在不断进步、发展

和完善。现代机床设计思想的形成，主要经历了以下几个阶段[2]：

1．经验设计阶段：二十世纪 40 年代中期之前，机床设计思想的主要任务是

解决加工与强度问题，即刀具与工件之间形成某种相对运动，以加工出一定形状

的工件。同时机床零部件还应具有足够的强度，不受破坏。

2．试验设计阶段：在二十世纪 40 年代中期到 60 年代初期，随着科学技术的

发展以及工艺水平的提高，机床设计的任务不仅要解决加工与强度的问题，更主

要的是还要解决机床的精度及各种性能问题。如机床的运动精度、刚度、抗振性、

低速运动平稳性、热变形、噪声和磨损等问题。

3．计算机辅助设计阶段（CAD）：二十世纪 60 年代中期以来，科学技术的新

成就为机床设计提供了大量的测试数据，理论研究也取得了更大发展，特别是电

子计算机的出现和应用，使机床设计方法进入了一个崭新的阶段。在机床的设计

阶段，CAD 技术利用二维平面设计或者三维实体造型软件，对机床进行结构设计，

设计过程中可以根据需求方便地修改几何参数，从而有效地减轻了设计人员的劳

动强度、降低了设计费用。

4．计算机辅助工程阶段（CAE）：CAD 技术在产品的设计阶段发挥了巨大的

作用，但产品开发成败的关键在于产品的性能是否达到了功能要求，这就需要应

用CAE 技术对产品进行结构模拟分析和优化。计算机辅助分析(Computer Aided

Engineering)，也称为计算机辅助工程。这种技术是结合计算技术和工程分析技术

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摘要：

摘要曲轴作为船用发动机的关键部件，一直被视为船用发动机的“心脏”，曲轴对船舶的发展起着至关重要的作用，而船用大型柴油机曲轴重量大、加工精度要求高、制造技术难度大，多年来一直依赖进口。近年来，我国船舶工业造船规模已进入世界前三强，但国内船舶工业所需的船用柴油机曲轴却没有能力自主生产。“船等机、机等轴”的现状制约着中国船舶工业的持续发展。因此，要结束我国重型船用曲轴只能依靠进口的历史，发展我国自主知识产权的重型曲轴加工机床制造业是当务之急。本文中的项目是上海某机床厂与国外某公司合作开发重型数控曲轴加工车床项目，为掌握相关技术，形成自有知识产权，对该机床进行全面系统地研究。本文的主要目的是通过优化机...

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