CN109725529A - 一种半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法，方法包括：(11)复套第一曲拐，以确定曲轴的第一变形；(12)获得最大位移所对应的第一目标曲拐，并判断所述第一变形是否在规定范围内；(13)如果否，在所述第一目标曲拐的开档部位添加套件或者固定该曲拐；(14)判断所述第二变形是否在规定范围内；(15)如果否，通过固定装置对第二目标曲拐添加套件或者固定；(16)对所述第一曲拐后的第二曲拐作为新的第一曲拐，返回执行步骤(11)。应用本发明的实施例，多种变形超过规定范围的情况下，提供套件添加、曲拐固定、更换或者添加套件位置等多重应对变形的方式。

Description

一种半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法

技术领域

本发明涉及曲轴复套过程的变形控制技术领域，尤其涉及一种半组合式大 型船用曲轴复套变形控制模拟方法。

背景技术

大型办组合船用轴由自由端轴颈、输出端轴颈、中间主轴颈和曲拐通过红 套过程拼接而成，因船用曲轴因其重量大、加工精度高、制造难度大的特点， 一直是中国船舶工业技术上的软肋，而红套的质量直接决定了后续精加工的精 度，曲轴的红套通常要经过多次的单、复套过程。

而现有技术中，超大型单体曲轴的红套工艺包括加强曲轴与红套平台之间 的固定连接技术、不等高垫块红套技术等，实现曲轴在红套过程中的可靠性、 安全性以及最终的红套质量，而这些除了电磁感应加热以外，都是主要对于复 套的研究。由于，曲轴的红套通常要经过多次的单、复套,角度误差不断的积累, 严重影响曲轴的直线度，导致曲轴变形。

因此，提供一种能够有效的抑制大型船用曲轴复套变形抑制方法是亟待解 决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方 法，旨在多种变形超过规定范围的情况下，提供套件添加、曲拐固定、更换或 者添加套件位置等多重应对变形的方式。

为了实现上述目的，本发明提供一种半组合式大型船用曲轴复套变形控制 模拟方法，所述方法包括：

(11)复套第一曲拐，并将复套第一曲拐后的参数通过有限元分析工具进 行静力学分析，以确定曲轴的第一变形；

(12)获得最大位移所对应的第一目标曲拐，并判断所述第一变形是否在 规定范围内；

(13)如果否，在第一目标曲拐的开档部位添加套件，并采用所述有限元 分析工具再次进行静力学分析以确定曲轴的第二变形；

(14)判断所述第二变形是否在规定范围内；

(15)如果否，在判断全部曲轴开档位置添加完毕的情况下，通过固定装 置对第二目标曲拐进行固定，并将套件添加位置记录在套件添加矩阵中；

(16)对所述第一曲拐后的第二曲拐作为新的第一曲拐，返回执行步骤 (11)，直至所有曲拐复套结束。

本发明的优选实施方式中，所述方法还包括：

在判断所述第二最大位移不在规定范围内时，判断是否全部曲轴当开档位 置添加完毕；

如果是，通过固定装置对第二目标曲拐进行固定，并将曲拐固定的位置记 录在曲拐固定矩阵中，并返回执行步骤(16)。

本发明的优选实施方式中，所述方法还包括：

将复套结束后的曲轴的参数通过有限元分析工具进行静力学分析，以确定 曲轴的第三变形；

判断所述第三变形是否在规定范围内；

如果是，对曲轴执行：更改第三目标曲拐的固定位置、在曲轴中添加套件 和增加固定曲拐，得到改善后曲轴；

将改善后曲轴的参数通过有限元分析工具进行静力学分析，以确定曲轴的 第四变形；

判断所述第四变形是否在规定范围内；

如果是，将套件添加位置记录在套件添加矩阵中、曲拐固定的位置记录在 曲拐固定矩阵中。

本发明的优选实施方式中，所述方法还包括：

在判断没有全部曲轴开档位置添加完毕的情况下，更换套件添加位置或者 添加套件设置位置。

本发明提供的一种半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法，有益效 果如下：

(1)给出在多种变形超过规定范围的情况下，提供套件添加、曲拐固定、 更换或者添加套件位置等多重应对变形的方式；

(2)如变形不在规定范围内，则在存在最大变形位置的曲拐开档部位添加 套件，后再进行有限元分析判断最大变形是否在规定范围内，同时可更改套件 添加的部位，和在不同的曲拐开档部位同时添加套件。若均不能满足要求则通 过固定最大位移所在的曲拐，来改善变形，若仍不满足则再在相应部位增加套 件，若套件全部添加完毕，仍不满足，则增加固定的曲拐的个数，提高变形应 对的多样性和有效性。

附图说明

图1是曲拐的使用状态示意图；

图2是曲拐的使用状态示意图；

图3是曲拐的使用状态示意图；

图4是曲拐的使用状态示意图；

图5是本发明实施例半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法的一种 流程示意图；

图6是本发明实施例半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法的一种 流程示意图；

图7a、图7b、图8a、图8b、图9a、图9b、图10、图11a、图11b、图 12、图13、图14a、图14b、图15a、图15b、图16、图17a、图17b、图18、 图19a、图19b均为本发明实施例半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟

图20是改善前后效果对比示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本 说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过 另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于 不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1-20。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说 明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实 施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例 可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，显示的是支撑装置示意图，小液压基础平台位置可人工调整， 液压基础平台上的支撑柱的高度是可以调节的，在支撑柱的顶部通过左板和右 板以及底部的连接板形成上面开口的结构，在该结构的内部设有夹紧装置，可 通过左板和右板将曲拐进行夹紧。如图2所示，为曲拐添加套件的示意图，右 侧半圆形的为套件。如图3所示，在操作台的下方为正在进行红套的曲拐，正 在进行红套的曲拐为红套完的曲拐，左边为曲拐固定装置。如图4所示，为具 有两个曲拐固定装置的示意图。

示例性的，固定矩阵和套件添加矩阵的方式来实现对并行的控制，如表1 和表2所示。

表1

曲拐号	1	2	3	4	5	6	7
								1	1	0	0	0	0	0	0
2	0	1	0	0	0	0	0
								3	0	0	1	0	0	0	0
4	0	0	0	1	0	0	0
								5	0	0	1	0	1	0	0
6	0	0	1	0	0	1	0
								7	0	0	1	0	1	0	1

表2

具体的，如图5和图6所示，本发明实施例提供了一种半组合式大型船用 曲轴复套变形控制模拟方法，所述方法包括：

S11：复套第一曲拐，并将复套第一曲拐后的参数通过有限元分析工具进行 静力学分析，以确定曲轴的第一变形。

如图6所示，将曲拐的硬度单元，弹性模量、密度等参数输入到电脑中， 以便通过电脑模拟复套曲拐i。

本发明实施例中所说的第一曲拐是指当前正在复套的曲拐，对于曲轴来说 可以是1号，2号，3号，5号，7号等等。

有限元分析工具具体为有限元分析软件，有限元分析是基于结构力学分析 迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机 结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法。

通过复套第一曲拐，获得曲轴的第一位移。

需要说明的是，为了便于对于变形的优化，提出固定矩阵和套件添加矩阵。

对于固定矩阵，a_ij第i行第j列表示红套第i个曲拐的孔时，是否固定第j个 曲拐，1表示固定，0表示不固定：

令a_i＝(1,0,0,0,0,0,0)，为固定向量，其中，a_i中的7个数值对应7个曲拐， 值为1的项表示红套第i个曲拐的孔时，需要固定的曲拐。

对于，套件添加矩阵，b_ij表示,红套第i个曲拐时，是否在第j个曲拐的开档 中添加套件,1表示添加套件，0表示不添加套件。

假设，令b_i＝(1,0,0,0,0,0,0)，其中，b_i中的7个数值对应7个曲拐，为套件 添加向量，其中为1的项为红套第i个曲拐的孔时，需要添加套件的曲拐。

在不考虑其他因素的情况下，通过复套过程中曲拐各个部分的位移来反应 曲拐的变形，复套第i个曲拐曲轴的位移D_i为：

D_i＝f(a_i,b_i)

S12：获得最大位移所对应的第一目标曲拐，并判断所述第一变形是否在规 定范围内。

另外，需要说明的是曲轴的变形有些数值是在允许范围内的，所以本发明 实施例中设定一个在规定范围内的变形值。当测得的第一变形在规定范围内时， 则不进行处理，否则需要进行处理。

可以理解的是，在获得曲轴的变形所对应的位移D_i过程中，会或的每一个 曲拐的位移，并确定曲拐中的位移最大的曲轴为第一目标曲拐。

S13：如果否，在第一目标曲拐的开档部位添加套件，并采用所述有限元分 析工具再次进行静力学分析以确定曲轴的第二变形。

本领域技术人员可以理解的是，对于复套第i个曲拐，先是只通过液压基础 平台进行底部固定，进行有限元分析，如在规定范围内，则不加任何改善措施。 如不在规定范围内，则确定最大变形位置的曲拐，即第一目标曲拐，并在第一 目标曲拐开档部位添加套件。然后再次采用增加套件后的曲轴进行有限元分析 工具再次进行静力学分析，再次获得曲轴的第二变形。

可以理解的是，整个对曲轴的变形监测是持续的过程，会直至其过程结束。 由于变形监测和控制是需要时间过程的，所以该过程会在一个过程中持续进行 监测，提高变形监测的持续性，提高整个过程的可控性。

S14：判断所述第二变形是否在规定范围内。

S15：如果否，在判断全部曲轴开档位置添加完毕的情况下，通过固定装置 对第二目标曲拐进行固定，并将套件添加位置记录在套件添加矩阵中。

第二目标曲拐可以是最大位移所在的曲拐，进行固定装置来改善变形，也 可以是另外设定的其他曲拐。

另外，在判断所述第二最大位移不在规定范围内时，判断是否全部曲轴当 开档位置添加完毕；如果是，通过固定装置对第二目标曲拐进行固定，并将曲 拐固定的位置记录在曲拐固定矩阵中，并返回执行步骤S16。需要说明的是，在 这种情况下，第二目标曲拐，可以是可更改套件添加的部位，和在不同的曲拐 开档部位同时添加套件，以及通过固定最大位移所在的曲拐，进行固定装置来 改善变形。

本发明的优选实施方式中，所述方法还包括：在判断没有全部曲轴开档位 置添加完毕的情况下，更换套件添加位置或者添加套件设置位置。

S16：对所述第一曲拐后的第二曲拐作为新的第一曲拐，返回执行步骤(11)， 直至所有曲拐复套结束。

然后执行下一个曲拐，也就是第二曲拐的复套过程，并从头开始进行有限 元分析工具的分析，直至所有曲拐作业完毕。

若在通过固定装置对曲拐进行固定以后还是会使得变形超过规定范围时， 本发明的优选实施方式中，所述方法还包括：将复套结束后的曲轴的参数通过 有限元分析工具进行静力学分析，以确定曲轴的第三变形；判断所述第三变形 是否在规定范围内；如果是，对曲轴执行：更改第三目标曲拐的固定位置、在 曲轴中添加套件和增加固定曲拐，得到改善后曲轴；将改善后曲轴的参数通过 有限元分析工具进行静力学分析，以确定曲轴的第四变形；判断所述第四变形 是否在规定范围内；如果是，将套件添加位置记录在套件添加矩阵中、曲拐固 定的位置记录在曲拐固定矩阵中。

如图2所示，更改第三目标曲拐的固定位置、在曲轴中添加套件和增加固 定曲拐，得到改善后曲轴可以一次设置优先级进行，首先更改固定位置如果变 形还是超过固定范围，再进行添加套件，依次进行。

具体的，第三目标曲拐可以是位移最大的曲拐，也可以是还包括其他的曲 拐。

对红套1号曲拐孔有限元分析，通过ANSYS进行有限元分析，soild185单 元，弹性模量2.09e11密度7850，最大的位移，在端部，考虑固定1号曲拐， 图7a是红套1号曲臂改善前，

如图7b所示是改善后，不固定时最大位移为0.179mm在端部，由于在端部 基本满足要求，固不固定均可，本文选择固定。

红套2号曲拐孔有限元分析，在未施加顶端约束时的分析，图8a是红套2 号曲臂改善前，图8b是固定2号曲拐，最大的位移，在端部，考虑固定2号曲 拐，由图20可知，固定2号曲拐后，整体最大位移有了较大改善。

红套3号曲拐孔有限元分析，图9a红套3号曲臂改善前，图9b是改善后， 固定2号曲拐，最大的位移，在端部，考虑固定3号曲拐，9b最大的位移，在 红套孔位置，考虑在1号曲拐处添加套件。图10中，固定3号曲拐，套件1号， 整体最大位移为0.0936mm有了较大改善。

红套4号曲拐孔有限元分析，11a红套4号曲臂改善前，图11b中固定4号曲拐， 图11a中最大的位移，在端部，考虑固定4号曲拐，图11b中最大的位移在红套孔 位置，考虑在1号曲拐处添加套件。图12最大的位移在红套孔位置，考虑在2号 曲拐处添加套件，整体最大位移有了较大改善。图12固定-4号套件-1号，图13 固定-4号、套件-1号、2号。

红套5号曲拐孔有限元分析，图14a红套5号曲臂改善前，图14b固定-5 号，图14a最大的位移，在端部，考虑固定5号曲拐，图14b最大的位移在2 号红套孔上面位置,考虑在2号曲拐处加套件。图15a固定-5号套件2号，图 15b固定-3号5号，图15a效果不大，选择固定3号曲拐,图15b最大的位移在 红套孔位置,再次在1号曲拐处，增加套件，图16，最大位移为0.109mm满足要 求。

6红套6号曲拐孔有限元分析，图17a是红套6号曲臂改善前，图17b是固 定3号5号、套件-1号，由于相对复杂，图17b直接继承红套5时的约束关系 固定3号，5号曲拐，以及在1号曲拐处添加套件。继承后最大位移在6号曲轴 的端部，故考虑固定6号曲拐如图18。如图18经过改善后，满足要求，红套7 号曲拐孔有限元分析，按经验固定7号曲拐，图19a是红套7号曲臂改善前， 图19b固定3号5号7号。

通过以上分析得出最优的曲拐固定和套件添加方案如下表3、表4、表5、和 表6所示。

表3

曲拐号	1	3	4	5	6	7
							1	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0
							3	0	1	0	0	0	0
4	0	0	1	0	0	0
							5	0	1	0	1	0	0
6	0	1	0	1	1	0
							7	0	1	0	1	0	1

表4

曲拐号	1	2	3	4	5	6	7
								1	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0	0
								3	1	0	0	0	0	0	0
4	1	1	0	0	0	0	0
								5	1	0	0	0	0	0	0
6	1	0	0	0	0	0	0
								7	1	0	0	0	0	0	0

表5

曲拐号	1	2	3	4	5	6	7
								固定	1	2	3	4	3、5	3、5、6	3、5、7
套件添加位置	0	0	1	1，2	1	1	1

表6

曲拐号	1	2	3	4	5	6	7
								改善前变形(mm)	0.179	0.957	5.1	15.137	30.822	48.091	61.52
改善后变形	0.0965	0.0962	0.0963	0.0962	0.109	0.109	0.109

通过对改善前后曲轴整体最大位移随着曲拐复套的变化观察可知,对于改 善后的位移，完全可通过调整液压基础平台，来达到曲轴红套的同轴度标准。

对大型船复套装配工艺流程进行了分析和建模仿真，提出三种改进复套过 程中曲轴整体变形的方案，设计了一种改善船用曲轴复套变形的支撑装置，并 整型规划应用其中，通过固定矩阵和套件添加矩阵的优化，提出相对有效的大 型船用曲轴复套变形抑制方案，将曲轴复套过程中整体的最大位移控制在了 0.1mm左右，从而提升曲轴复套过程中基准轴的平稳度，由于复套过后还有曲轴 整体的精加工工序，且当曲轴的放置方式改变之后，曲轴会对之前的变形有所 恢复，因此该最大位移完全满足要求，将对超大型超长冲程、紧凑型曲轴的制 造提供重要参考。如图20中的曲线1和曲线2所示的改善前后对比。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。 任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进 行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所 揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利 要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

(11)复套第一曲拐，并将复套第一曲拐后的参数通过有限元分析工具进行静力学分析，以确定曲轴的第一变形；

(12)获得最大位移所对应的第一目标曲拐，并判断所述第一变形是否在规定范围内；

(13)如果否，在所述第一目标曲拐的开档部位添加套件，并采用所述有限元分析工具再次进行静力学分析，以确定曲轴的第二变形；

(14)判断所述第二变形是否在规定范围内；

(15)如果否，在判断全部曲轴开档位置添加完毕的情况下，通过固定装置对第二目标曲拐进行固定，并将套件添加位置记录在套件添加矩阵中；

(16)对所述第一曲拐后的第二曲拐作为新的第一曲拐，返回执行步骤(11)，直至所有曲拐复套结束。

2.根据权利要求1所述的半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：

在判断所述第二最大位移不在规定范围内时，判断是否全部曲轴当开档位置添加完毕；

如果是，通过固定装置对第二目标曲拐进行固定，并将第二曲拐固定的位置记录在曲拐固定矩阵中，并返回执行步骤(16)。

3.根据权利要求1或2所述的半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：

将复套结束后的曲轴的参数通过有限元分析工具进行静力学分析，以确定曲轴的第三变形；

判断所述第三变形是否在规定范围内；

如果是，对曲轴执行：更改第三目标曲拐的固定位置、在曲轴中添加套件和增加固定曲拐，得到改善后曲轴；

将改善后曲轴的参数通过有限元分析工具进行静力学分析，以确定曲轴的第四变形；

判断所述第四变形是否在规定范围内；

如果是，将套件添加位置记录在套件添加矩阵中、曲拐固定的位置记录在曲拐固定矩阵中。

4.根据权利要求1-3任一项所述的半组合式大型船用曲轴复套变形控制模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：

在判断没有全部曲轴开档位置添加完毕的情况下，更换套件添加位置或者添加套件设置位置。