基于Workbench高斯移動熱源的船舶艉軸管鏜孔仿真

胡小才，邢峰，鄭佳，劉麗君，劉北英，楊振

（1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.北京科技大學 機械工程學院，北京 100083）

0 引言

大型船舶艉軸管的鏜削分為粗鏜、半精鏜和精鏜3個過程，其中精鏜對精度的要求最高，受切削熱影響的可能性最大。切削溫度的變化，能改變工件材料的性能，影響積屑瘤的產生和消失，以及影響已加工表面質量。因此認識它的變化規律，具有重要的實用意義。為了探究切削熱對艉軸管精鏜階段鏜孔精度的影響，進一步提高鏜孔質量，本文主要對精鏜階段中的切削熱影響進行分析[1-2]。

1 參數及材料

1）熱學性能參數及材料。

艉軸管的材料為鑄鋼，導熱系數為49.8 W/(m·K)，各個面的對流換熱系數為5 W/mm2，室溫為22 ℃。

2）尺寸參數及加工區域。

艉軸管內部分為A、B、C三個區域，如圖1所示。其中A和C為鏜孔區域，B區域不需要進行鏜削。為了提高加工精度，A和C區域的加工要分別進行，鏜孔內徑為800 mm。此次分析針對A區域進行。

圖1 艉軸管內部區域劃分示意

3）切削參數。

根據實際鏜削參數，結合正交實驗，選擇精鏜階段切削參數如表1所示。

表1 鏜削實驗的切削參數

2 有限元分析

為探究船舶艉軸管精鏜階段產生的熱影響，本文運用Workbench對船舶艉軸管進行熱影響分析。分析過程主要包括如下幾個步驟：建立三維模型，設置材料屬性，劃分網格，給定約束，求解。

1）模型建立及材料設置。

利用SolidWorks軟件創建了艉軸管的三維模型并將其存成STEP格式的文件，在利用Workbench進行有限元分析時，通過文件菜單的導入文件命令將其三維模型導入。在Workbench中的Engineering Data界面中，添加新材料cast steel，并將設置好參數的材料賦給模型。

2）網格劃分。

為模型進行網格劃分，添加設置網格大小命令Bodysizing。設置網格大小為50 mm，共包含節點215 269個，單元139 375個，劃分結果如圖2所示。

圖2 網格劃分結果

3）施加約束。

為了使得仿真盡量接近實際鏜削過程中溫度造成的影響。在Workbench中給模型添加移動載荷，這里選用了三維空間下的高斯分布熱源模型[3]：

式中：q（r）為熱流密度，P為熱輸入功率，R為熱源半徑，x、y、z為熱源的坐標位置。

艉軸管鏜孔過程中由切削產生的熱量可以分為3部分：進入工件的熱量、進入刀具的熱量和由切屑帶走的熱量[4]。由于艉軸管鏜孔過程中，切屑并不會及時排出孔外，切屑的熱量仍處于孔內。而傳入刀具的熱量較小，為了簡化計算，可以認為由切削產生的全部熱量會對工件造成影響。所以可得切削熱簡化理想功率為

鏜孔過程中鏜刀刀尖與艉軸管的接觸點位置在不停地變化，在沿著艉軸管內表面做周向旋轉的同時還沿軸向進給。因此高斯分布函數中a、b、c都是關于時間的函數。

式中：r為艉軸管內孔半徑，w為鏜刀旋轉角速度，vf為鏜刀軸向進給速度。

可得高斯分布熱源模型為

取熱源半徑為0.005 m，可計算出精鏜階段時的熱流密度。

由于Workbench中無法直接加載移動高斯熱源函數，因此可利用ANSYS經典模塊中函數編輯器的函數功能處理成命令流后進行加載。導出相應的命令流后，在Workbench中通過Commands(APDL)命令施加在模型A區域內表面。

3 計算結果及分析

分析時間為17 000 s，載荷子步數為1600次，第17 000 s時艉軸管整體溫度分布情況如圖3所示。可以看出，經過鏜削過程后，A區域的鏜孔溫度上升了0.76 ℃，A區域的溫度普遍高于其余區域。從圖3中可以看出，在鏜削過程中，在鏜刀刀尖位置形成高溫區。隨著鏜刀的移動，高溫區也隨之移動。高溫區的熱量快速散發，退出高溫區。

圖3 A區域溫度仿真結果

鏜孔在17 000 s時內外表面溫度如圖4所示，內表面上升了0.76 ℃，外表面上升了0.756 ℃。內外表面上升的溫差符合實際，此現象也一定程度上驗證了仿真的正確性。

圖4 A區域內外表面溫度仿真結果

對整個仿真過程的溫度變化進行分析，可以觀察到存在一些短暫出現的特殊溫度點，如圖5所示。選取第7416 s和16 044 s時的仿真結果如圖6所示，可以看到當出現溫度較高點時存在時間較短，熱量未擴散就已經消失，對鏜孔造成的熱影響較小。

圖5 溫度變化情況

圖6 特殊溫度點仿真結果

圖7 熱變形仿真結果

為了研究鏜削過程中產生的熱量對艉軸管造成的熱變形大小，將以上分析的結果作為熱載荷導入到Static Structural中，取熱膨脹系數為1.081×10-5/℃。分析鏜削熱對艉軸管造成的最終熱變形大小。可以看出熱變形偏向于中間孔壁較薄區域，其中最大的變形量約為6.8 μm。

4 結語

通過有限元仿真技術，對艉軸管A區域進行三維高斯移動熱源仿真，得到了在鏜削過程中艉軸管的溫度分布情況，并以此為載荷得到了艉軸管產生的熱變形大小。可以看出艉軸管整體溫度大約上升了0.76 ℃，內外表面溫度大致相同，此時產生的熱變形為6.8 μm。對鏜削熱進行分析, 并加以控制, 可以提高鏜削精度，為以后相關方面

研究打下一定基礎。