大型船用曲轴磨床动静态特性有限元分析

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中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 论文来源及研究意义 ........................................... 1

§1.2 机床设计发展研究与存在问题 ................................... 2

§1.3 本文主要研究内容 ............................................. 3

第二章虚拟样机技术及有限元方法简介 ................................ 7

§2.1 虚拟样机技术 ................................................. 7

§2.2 有限元方法简介 ............................................... 9

§2.2.1 有限元法的基本概念 ....................................... 9

§2.2.2 有限元分析的基本概念及步骤 .............................. 11

§2.3 有限元设计简介 .............................................. 12

§2.4 PRO/ENGINEER&PRO/MECHANICA 软件简介 .......................... 13

§2.5 本章小结 .................................................... 14

第三章大型船用曲轴磨床三维几何建模 ............................... 17

§3.1 大型船用曲轴磨床简介 ........................................ 17

§3.2 磨床整体三维几何建模 ........................................ 18

§3.2.1 床身 .................................................... 19

§3.2.2 磨床头架与尾架 .......................................... 19

§3.2.3 平衡块 .................................................. 20

§3.2.4 曲轴 .................................................... 20

§3.2.5 卡盘 .................................................... 20

§3.3 磨床头尾架三维几何建模 ...................................... 21

§3.3.1 主轴 .................................................... 21

§3.3.2 顶尖 .................................................... 22

§3.3.3 径向液体静压轴承 ........................................ 23

§3.3.4 轴向止推轴承 ............................................ 23

§3.3.5 箱体 .................................................... 24

第四章曲轴磨床头尾架静态有限元分析 ............................... 25

§4.1 物理模型边界条件的定义 ...................................... 25

§4.1.1 物理模型材料的定义 ...................................... 25

§4.1.2 物理模型约束的定义 ...................................... 26

§4.1.3 物理模型载荷的定义 ...................................... 27

§4.1.4 物理模型连接体的定义 .................................... 28

§4.2 有限元网格划分 .............................................. 28

§4.3 有限元计算及结果分析 ........................................ 29

第五章曲轴磨床刚度分析与优化 ..................................... 33

§5.1 机床刚度分析概述 ............................................ 33

§5.2 优化思想与设计流程 .......................................... 34

§5.3 轴向止推轴承位置分析与优化 .................................. 37

§5.3.1 优化设计原理 ............................................ 37

§5.3.2 具体实施方案 ............................................ 38

§5.3.3 优化分析结果 ............................................ 38

§5.4 主轴跨距分析与优化 .......................................... 41

§5.4.1 优化设计原理 ............................................ 41

§5.4.2 具体实施方案 ............................................ 41

§5.4.3 优化分析结果 ............................................ 43

§5.5 箱体筋板布置分析与优化 ...................................... 45

§5.5.1 优化设计原理 ............................................ 45

§5.5.2 具体实施方案 ............................................ 46

§5.5.3 优化分析结果 ............................................ 51

§5.6 综合优化结果 ................................................ 53

第六章大型船用曲轴磨床动态特性分析 ............................... 55

§6.1 曲轴磨床模态特性分析 ........................................ 55

§6.2 模态分析理论 ................................................ 55

§6.3 磨床模态分析应用 ............................................ 57

§6.3.1 磨床模态分析设置 ........................................ 57

§6.3.2 曲轴磨床模态分析结果 .................................... 58

§6.4 本章小结 .................................................... 60

第七章结论与展望 ................................................. 61

§7.1 论文总结 .................................................... 61

§7.2 论文展望 .................................................... 61

参考文献 ............................................................ 63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 67

致谢 .............................................................. 69

第一章绪论

§1.1 论文来源及研究意义

近年来，我国各类机床向大规格化发展已成为突出特点。重大专项中所需高

档数控机床的规格也是趋于大型化、重型化、巨型化。目前，在我国制造的大型

数控切削机床中，数控重型卧式车床的加工直径达到 5米，数控重型立式车床的

加工直径超过 16 米，数控龙门镗铣床的加工宽度超过 5米，数控镗床镗杆主轴直

径达到 320 毫米，立式和卧式加工中心的工作台尺寸超过 l米的不胜枚举。大型锻

压机械中，数控折弯机的折弯长度达到 12 米，数控机械压力机公称压力达到 5000

吨，数控液压机的公称压力达到 l万吨。机床产品大规格化主要也是由于市场需求

推动的结果。在发电设备产品当中，火电机组超过 60 万千瓦，水电机组达到 70

万千瓦，核电机组超过 100 万千瓦，这些发电机组转子的加工需要数控重型卧式

车床，定子的加工需要数控重型立式车床、数控重型镗铣床等[1]。在大型飞机、船

舶等加工制造方面更是需要大量数控龙门镗铣床、龙门五轴联动加工中心、大型

数控曲轴车床、磨床等。尤其是我国现代船舶工业飞速发展，中国已成为世界造

船大国，但船用配套设备一直是我国造船业的软肋。日本、韩国船用配套设备自

给率达到 85%以上，而我国自给率只有 30-40%。其中，大型船用柴油机的核心部

件就是曲轴。2010 年我国需求大型船用半组合曲轴约 310 根，2015 年将达到 473

根。届时，全世界大型船用半组合曲轴仍将供不应求。而目前我国大型船用曲轴

生产能力仅为 50 根左右，只好依靠进口，这严重制约了我国船舶业的发展[2]。为

了尽快实现大型船用曲轴国产化，自主研制曲轴加工机床及相关技术已尤为重要。

大型船用曲轴普遍因其体积大、质量重、加工精度高，一直被视为我国机械

加工领域的瓶颈。对于船用曲轴，磨削加工为最终加工工序，并且加工精度的控

制直接与曲轴质量的优劣相关。所以，提高我国大型船用曲轴磨床切削精度具有

重要意义。而提高曲轴加工精度的主要难点是磨轴径，其加工圆度要求非常精确，

这就决定了曲轴磨床本身的精度必须相当高，从而也就对曲轴磨床的刚度要求非

常高。磨床结构刚度设计的好坏直接影响到磨床加工精度，尤其是机床的两大特

性，即静态性能与动态性能，对磨床精度起到了很重要的影响因素。我国是一个

机床大国，但并非机床强国，磨床保有量非常多，但大部分设计落后，精度较差。

如何快速，经济的改进现有磨床设计，不仅关系到各大磨床生产企业的市场竞争

力，甚至直接关系到我国装备制造业的发展。应用现代化设计手段 CAD/CAE，虚

拟仿真技术和有限元分析方法既可以利用计算机对实体模型进行仿真分析，也可

大型船用曲轴磨床动静态特性有限元分析

以快速完成对磨床模型的各种性能指标评定，从而大大提高设计效率，降低研发

费用，加快产品出新，提高产品市场竞争力。

本论文课题正是以上海某有限公司研制和开发的 MK82160 大型船用数控曲轴

磨床为对象，运用虚拟样机及有限元先进设计技术，在磨床研发设计初期建立磨

床整体样机模型，进一步对模型进行静态与动态性能分析。然后，用数字化形式

代替传统的实物样机试验，优化原始设计方案。最终，达到减少产品研发成本，

提高产品加工质量，提升产品系统性能，以获得优质产品。

§1.2 机床设计发展研究与存在问题

20 世纪中期以来，机械设计由静态和线性分析向动态和非线性分析、由可行

性设计向最优化设计、由手工计算向自动化计算方面过渡，以适应机械产品向高

效、高速、高温、低耗、低成本等现代化发展的需要。为了满足产品性能及质量

不断提高，加快新产品设计及制造速度，缩短研发周期，降低制造成本，提高产

品的竞争力，国外在机械设计方面已开始进入自动化设计阶段[3]。随着计算技术的

发展，特别是电子计算机这种现代化计算工具的逐步使用，解决力学问题的通用

计算方法简单快速，即使很复杂的结构，例如飞机、船舶、汽车等，也可以简化

处理，而且计算速度快、精度高。不仅可以对现有结构进行分析，更重要的是可

以进行综合计算。在设计阶段就可以通过分析找出薄弱环节，并采取相应措施进

行重新设计，直到获得满意的设计结果。

随着机械设计理论方法与技术创新的发展，世界机床设计也随之向高速度化，

高精度化，高复合化方向发展。由经验类比设计方法走向通过试验、模拟计算的

设计阶段。这种现代化设计趋势使机床不但可以大幅度提高加工效率、降低加工

成本，而且还可提高零件表面加工质量和精度，实现多功能，高智能，易柔性等

生产模式。它对现代化制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速度化，高精度

化，高复合化数控机床，加快了机床产业发展步伐。我国在机床设计方面也已开

始了新概念，新方法，新模式设计。过去多年来，机床结构的设计计算一直沿用

一般的结构计算方法，如材料力学、结构力学以及弹性力学等提供的公式进行计

算。虽然这些计算公式的导出大多是依据结构强度方面的理论分析，并辅以试验

方法和测试技术的研究，从而具有一定的科学依据和可靠性，但是由于机床结构

比较复杂，因而在计算时要对计算模型进行很多简化，致使计算精度较差。且若

仅凭借简单的计算工具进行手工计算，则计算繁冗，时间也长。因而长期以来，

第一章绪论

在许多情况下仍是沿用外推或类比的方法进行机床结构的设计。这些方法虽然可

以对某些组成的零部件进行局部的或综合的技术性能试验，但其试验手段和方法

落后，仍不能对机床的整体或复杂零部件进行深入的分析。因此，用上述方法获

得的计算结果大多用做对不同结构性能的定性分析和比较，而在实际结构设计时，

仍取较大的安全系数。结果，使结构尺寸和重量加大，不能很好发挥材料的潜力，

机床结构性能也难得到改进和提高。同时，也降低了图纸设计的一次性成功率，

这也就拖延了研制周期，降低了产品更新速度及市场竞争能力[4]。但随着现代机床

设计思想的逐步完善，如图1-1所示[5]，以及对机床高速度，高精度，高复合设计

水平要求的提高，对材料环保化，结构轻量化，装备巨型化模式的创新，国内外

机床产品未来主要的设计方向，应该包括如下几个方面[6]：

1. 设计对象系统化。全面的、整体的、系统的对待机床设计对象，避免

局部孤立的处理问题。

2. 设计概念模型化。机床设计概念是抽象的。而计算机辅助模型正是对

设计概念高度的概括和模拟，有限元模型是分析和研究的重要形式之

一，借助计算机对设计概念完成从理论到实物，从抽象到具体的处理

手段。

3. 设计过程动态化。在机床的最初设计阶段就要对产品的性能进行预测，

通过对模型结构分析，修改参数，比较相应结果，直至获得满意的设

计方案。

4. 设计结果最优化。通过比较优化设计方案的可靠性，高效性，经济性

等影响因素，选取切实可行的设计结果，以达到最优化设计的目的。

§1.3 本文主要研究内容

本文主要以上海某有限公司 MK82160 大型船用曲轴磨床为研究对象，首先介

绍了我国在大型船用柴油发动机核心零部件曲轴生产加工方面的紧缺状况。进一

步强调了自主设计研发此类大型船用曲轴磨床整机设备的重要意义及难点。尤其

是现阶段我国处于工业化快速发展阶段的背景下，机床行业发展与国外还存在一

定差距，在大型曲轴磨床结构设计，制造技术，加工工艺等方面差距尤为突出。

本课题正是利用现代化设计中的虚拟样机技术与有限元分析方法相结合，运用三

维软件 Pro/ENGINEER 对曲轴磨床进行了整体三维几何建模，并应用其子模块

Pro/MECHANICA 仿真磨床的实际工况，对其进行有限元分析，分别解析了箱体、

主轴及顶尖等对磨床刚度影响。最终，在原始设计的基础上进行结构优化，改善

了顶尖的变形量，提高了磨床的刚度，减轻了磨床重量，完全达到磨削精度要求。

大型船用曲轴磨床动静态特性有限元分析

图1-1 现代机床设计思想发展阶段

论文共分为七章，各章内容安排如下：

第一章：绪论

本章概括叙述了国内外机床行业的发展现状，课题的背景与来源，课题的研

究方法及研究内容。

第二章：虚拟样机技术及有限元方法简介

本章主要介绍了虚拟样机技术及有限元方法及分析基本理论的发展及应用领

域，并对机械设计 CAD/CAE 软件中 Pro/ENGINEER&Pro/MECHANICA 建模及分析软件

不仅要解决加工与强度问题，更主

要是解决机床精度及各种性能，如

运动精度、刚度、抗振性、平稳性、

热变形、噪声及磨损等问题。

解决加工与强度问题，通过

刀具与工件之间形成相对运

动，以加工出一定形状工件。

试验设计阶段

经验设计阶段

计算机辅助设计阶段

计算机辅助工程阶段

CAE 是一种计算机数值仿真与优化设计技

术，其核心为有限元法与虚拟样机仿真学。

在产品设计阶段分析产品的静、动态特性，

模拟产品在未来工作环境的工作状态和运

行情况，提早发现设计缺陷并对其进行修

改，并验证未来产品性能的可行性及可靠

性。对于提高产品设计质量，降低生产成本

和缩短设计周期等都具有重要的实际应用。

价值。

计算机技术应用于机床设计阶段，利

用CAD 二维平面及三维实体造型软

件，对机床进行结构设计，根据需求

修改几何参数，有效减少设计人员的

劳动强度及设计费用。

创新设计

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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论........................................................1§1.1论文来源及研究意义...........................................1§1.2机床设计发展研究与存在问题...................................2§1.3本文主要研究内容.............................................3第二章虚拟样机技术及有限元方法简介................................7§2.1虚拟...

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