CN101488159A - 大型船用曲轴车床的运动学与动力学仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型船用曲轴车床的运动学与动力学仿真分析方法，具体步骤是：1.三维几何建模，2.物理加载模拟，3.运动学分析，4.多体动力学分析，5.优化分析。根据仿真分析的结果对曲轴车床加工系统进行合理的评价，如对曲轴的转速，安装误差大小做出调整与控制，以适应机床正常工作的要求，进而对整个模型的加工状态进行科学评价，并以此进行改进与优化；同时仿真分析的结果得到的约束反力载荷数据为曲轴车床进行结构优化分析以及对局部零件如轴承与齿轮等的精确受力状况提供可靠数据信息；得到的轴系扭矩数据对电动机的选取，零件间的反力数据为进行零部件结构优化分析等提供了可靠的保障。

Description

大型船用曲轴车床的运动学与动力学仿真分析方法

技术领域

本发明涉及一种机床的运动学与动力学分析方法，尤其是一种用于曲轴车床的运动学与动力学仿真分析方法。

背景技术

近年来，我国船舶工业飞速发展，中国已成为世界造船大国。大型曲轴是船舶发动机的关键部件之一，随着船舶的动力设备向大功率、高效率、高可靠性、耐用性、低噪音等方向发展，曲轴系统的动态性能要求越来越高。

在对曲轴进行切削加工时，由于曲轴的不对称性和曲轴本身可能存在的尺寸和形位偏差、曲轴自重导致的曲轴变形、曲轴在进行加工安装时产生的几何变形等可能存在的各种变形情况，这些变形及误差都会产生附加动反力等，这就急需对机床进行运动和动力学分析，找出其中的关联规律，为曲轴的精加工时的加工参数提出指导意见，提高曲轴精加工效率和加工质量，提高曲轴专用车床的效率，降低制造成本。同时，由于仿真分析得到的齿轮间的反力，轴承的受到的反力，支架受到的反力等的精确数据，会对这些零部件本身的强度与刚度的分析及优化设计有着特别重要作用。

发明内容

本发明是要提供一种大型船用曲轴车床的运动学与动力学分析方法。

本发明的技术方案是：

一种大型船用曲轴车床的运动学与动力学仿真分析方法，具体步骤如下：

1.三维几何建模

用PRO/ENGINEER软件对大型船用曲轴车床，包括床身，床头架，滑板，支架及相关部件进行单独几何建模，并按零部件关系在PRO/ENGINEER软件中装配成曲轴车床的三维几何模型；

用PRO/ENGINEER软件分别对曲轴的安装误差与自身几何误差进行三维建模；

用PRO/ENGINEER软件进行所有齿轮的参数化建模，并按齿轮间关系装配成车床整机系统的床头箱传动系统；

2.物理加载模拟

在PRO/ENGINEER中装配完成后，将装配好的模型导入到PRO/MECHANISM模块中，首先对组装好的模型进行连接检查装配的连接情况，连接成功后，定义各类连接、齿轮副连接、定义伺服电动机；

3.运动学分析

在以上所有步骤都完成的基础上，在PRO/MECHANISM中创建运动学分析，输出曲轴任意点的位置、速度、加速度；

4.多体动力学分析

在运动学分析的基础上创建多体动力学仿真分析，仿真零部件间的反力，扭矩参数；

5.优化分析

比较曲轴几何变形及安装误差的情况对齿轮的位置、速度、加速度的变化以及曲轴对主轴反作用力的变化，进而对整个模型的加工状态进行科学评价，并以此进行改进。

本发明的有益效果是：根据仿真分析的结果对曲轴车床加工系统进行合理的评价，如对曲轴的转速，安装误差大小做出调整与控制，以适应机床正常工作的要求，进而对整个模型的加工状态进行科学评价，并以此进行改进与优化；同时仿真分析的结果得到的约束反力载荷数据信息为曲轴车床进行结构优化分析以及对局部零件如轴承与齿轮等的精确受力状况提供可靠数据；得到的轴系扭矩数据对电动机的选取，零件间的反力数据为进行零部件结构优化分析等提供了可靠的保障。

附图说明

图1是大型船用曲轴车床的三维几何模型；

图2是曲轴存在一端偏置安装误差时的示意图；

其中：O是指理想安装线，O’是指实际安装线，A是误差

图3是曲轴存在弯曲几何变形时候的示意图；

其中：O是指理想安装线，H是变形量

图4是曲轴一端偏置变形量为4mm情况下对齿轮轴X向径向力曲线图；

图5是曲轴一端偏置变形量为4mm情况下对齿轮轴Y向径向力曲线图；

图6是曲轴一端偏置变形量为4mm情况下对齿轮扭矩曲线图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的大型船用曲轴车床的运动学与动力学分析方法，具体步骤是：

1、三维几何建模：本例用PRO/ENGINEER软件建模。在PRO/ENGINEER软件中对大型船用曲轴车床包括，床身，床头架，滑板，支架等相关部件进行单独几何建模，并按零部件关系在PRO/ENGINEER软件中装配成曲轴车床的三维几何模型，三维几何模型见附图1。

2、曲轴的三维几何建模：曲轴由于尺寸和形位偏差、曲轴红套与自重导致的曲轴变形，曲轴在进行装配时产生的变形等可能存在的各种变形。附图2表示存在安装误差时的曲轴安装示意图，附图3表示了红套中最常见的几何变形，即弯曲变形图。

3、床头箱齿轮的装配：利用PRO/ENGINEER软件中的参数(Parameters)和关系(Relations)对所有齿轮进行参数化建模，值得注意的是这种参数化方法通过方程的曲线对齿轮的轮齿进行造型，生成一个轮齿然后进行阵列，最终生成齿轮的整个造型，利用这种方法生成的齿轮可以经过改变齿轮的齿数、模数、压力角等来生成新的齿轮，可以生成渐开线直齿轮，斜齿轮等，然后在PRO/ENGINEER软件的组件模式下按齿轮间关系装配成车床的床头箱传动系统。

4、物理加载模拟步骤：在PRO/ENGINEER中装配完成后，将装配好的模型导入到PRO/MECHANISM模块中，由于PRO/ENGINEER与PRO/MECHANISM模块的无缝集成，所以在车床三维模型建成后可直接导入PRO/MECHANISM模块中，不存在数据丢失情况，而且节省大量的时间，值得注意的一点是，必须先对组装好的模型进行连接检查装配的连接情况。连接成功后，定义各类连接、齿轮副连接、定义伺服电动机，其中齿轮副连接也是很重要的一步，由于齿轮相对较多，连接时必须弄清楚相连接齿轮间的关系。

5、运动学分析步骤：在以上步骤所有都完成的基础上，在PRO/MECHANISM中创建运动学分析，可以得出任意运动部件的任意点的速度、加速度。

6、多体动力学分析步骤：完成运动学分析的基础上在PRO/MECHANISM中创建动力学分析，根据具体情况定义重力、载荷(切削力等)、质量属性和阻尼器(摩擦力等)，在曲轴偏置的情况下得到的与曲轴连接的齿轮轴受到的径向力、扭矩等，分别见附图4，5，6。最后，对整个模型的加工状态进行科学评价，并以此进行改进。同时，这些反力数据为机床进行结构分析，对零件如轴承，齿轮分析等，并为对电动机的选取提共了精确的力学参数。

Claims (1)

1.一种大型船用曲轴车床的运动学与动力学仿真分析方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)三维几何建模

用PRO/ENGINEER软件对大型船用曲轴车床，包括床身，床头架，滑板，支架及相关部件进行单独几何建模，并按零部件关系在PRO/ENGINEER软件中装配成曲轴车床的三维几何模型；

用PRO/ENGINEER软件分别对曲轴的安装误差与自身几何误差进行三维建模；

用PRO/ENGINEER软件进行所有齿轮的参数化建模，并按齿轮间关系装配成车床整机系统的床头箱传动系统；

(2)物理加载模拟

在PRO/ENGINEER中装配完成后，将装配好的模型导入到PRO/MECHANISM模块中，首先对组装好的模型进行连接检查装配的连接情况，连接成功后，定义各类连接、齿轮副连接、定义伺服电动机；

(3)运动学分析

在以上所有步骤都完成的基础上，在PRO/MECHANISM中创建运动学分析，输出曲轴任意点的位置、速度、加速度；

(4)多体动力学分析

在运动学分析的基础上创建多体动力学仿真分析，仿真零部件间的反力，扭矩参数；

(5)优化分析

比较曲轴几何变形及安装误差的情况对齿轮的位置、速度、加速度的变化以及曲轴对主轴反作用力的变化，进而对整个模型的加工状态进行科学评价，并以此进行改进。

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