CN110321631B - 一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法，包括如下步骤：分析确定影响柴油机机身质量特征加工质量的关键影响因素，使用响应曲面法建立质量特征与关键影响因素之间的响应面模型，通过蒙特卡罗仿真评估质量特征加工可靠性，获取质量特征的加工可靠度。本发明首先分析确定影响柴油机机身质量特征加工质量的关键影响因素，使用响应曲面法建立质量特征与关键影响因素之间的响应面模型，通过蒙特卡罗仿真评估质量特征加工可靠性，获取质量特征的加工可靠度，理论简单，求解效率高，具有较高的工程应用价值。

Description

一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及加工领域的加工可靠性评估方法，尤其涉及一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法。

背景技术

船用柴油机机身特殊的使用条件决定了柴油机各零部件必须具有严格的可靠性与可用性要求。机身加工的可靠性指标由机身各个特征的加工可靠性来体现，保证船用柴油机机身各特征的加工可靠性对提升柴油机机身加工质量具有重要意义。船用柴油机机身属于大型关重件。作为船用柴油机零、组、部件的装配基础，机身的加工质量对船用柴油机的装配与使用存在直接影响。在实际的机加工过程中，存在许多具有不确定性或随机变化的因素，如机床振动、温度和湿度的变化等。这些因素导致机身各特征的加工质量同预期值存在一定的偏差，偏差严重时甚至可能导致机身加工故障，从而导致严重的经济损失。通过理论计算对柴油机机身质量特征加工可靠性进行评估可以有效提高柴油机机身的加工质量。目前，已有基于加工工艺的工艺系统可靠性分析方法，但该类方法研究的是加工机床或工艺系统对加工任务的影响，没有从产品的角度对产品质量特征加工可靠性进行研究。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的提供一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法，采用数值仿真对船用柴油机机身质量特征加以评估，求解准确性高。

本发明公开了一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法，包括如下步骤：

(1)、分析确定影响柴油机机身质量特征加工质量的关键影响因素，

(2)、使用响应曲面法建立质量特征与关键影响因素之间的响应面模型，

(3)、通过蒙特卡罗仿真评估质量特征加工可靠性，获取质量特征的加工可靠度。

其中，所述步骤(1)中分析确定影响柴油机机身质量特征加工质量的关键影响因素的具体步骤包括：

(1.1)、切削加工有限元分析：

使用Deform-3D软件对柴油机机身切削加工过程开展切削有限元分析，将在UG中建立的刀具模型以.stl格式导出后再导入到Deform-3D中，工件模型则截取刀具附近材料的外层部分，建立刀具模型后，配合刀具形成工件模型；对刀具模型和工件模型分别划分网格模型；设立边界条件、切屑分离准则和本构模型，以切削速度、切削深度、进给量和环境温度为影响参数，通过正交试验设计多组切削仿真试验；待仿真试验完成后，分别输出各组数据的切削力与切削温度；

(1.2)、切削加工变形分析：

应用有限元软件HyperMesh对柴油机机身模型划分网格，对于加工位置划分六面体网格并局部加密，而其他位置则划分四面体网格；将划分后的网格文件导入ABAQUS软件中，定义机身的材料参数、弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数，并设置装夹载荷和自身重力载荷；将Deform-3D中得到的切削力和切削温度以静载荷的方式施加到装夹后的工件上，得到质量特征的变形量；随后将正交试验数据输入数据分析软件minitab15中进行均值分析，由minitab15软件输出的均值响应表中Delta大小与排秩顺序确定影响质量特征加工质量的关键影响因素；

(1.3)、基于环境温度的变化对柴油机机身平面或孔的切削加工过程中的机床加工精度的影响大，将环境温度设定为影响质量特征加工质量的关键影响因素。

优选的，所述步骤(1.1)中柴油机机身切削加工过程为平面或孔的加工过程。

再者，所述步骤(2)中得到质量特征与关键影响因素之间的响应面模型的具体步骤包括：

(2.1)、对质量特征与关键影响因素进行正交试验设计，得到正交试验表和试验结果；

(2.2)、构建质量特征与关键影响因素之间的响应面模型：

常用响应面模型有一阶模型与二阶模型，依据质量特征加工特性，选择采用二阶响应面模型，其一般形式为

式中：y为质量特征的值，x_i为关键影响因素的值，n为关键影响因素的个数，β为响应面模型回归系数，ε为随机误差项；

二阶响应面模型回归系数β的计算公式为：

式中：k为正交试验次数；y_j为所有响应面的函数值；

为响应面的平均值；y_i为同一因素的响应面函数值；

将质量特征与关键影响因素的正交试验数据输入minitab15软件中，选择使用软件中的响应曲面模块拟合质量特征与关键影响因素之间的近似关系表达式即为质量特征与关键影响因素之间的响应面模型；

(2.3)、对建立的质量特征与关键影响因素之间的响应面模型进行拟合优度检验，其计算公式为：

式中：

响应的总平方和

回归平方和

残差平方和

通过minitab15软件输出的均值分析表得到拟合优度R²即R-Sq的值，拟合优度越接近于1说明拟合程度越高，拟合优度达到0.8即表明该近似模型可以使用，若出现拟合优度不足的问题，则需增加数据量或检验现有数据有无异常值。

进一步，所述步骤(3)中得到加工可靠度的具体步骤包括：

(3.1)、确定各关键影响因素参数值的分布规律：

对正交试验表中各参数的分布规律进行计算确认各影响因素的参数值是否皆服从独立的正态分布，若符合则得到其正态分布形式；

(3.2)、计算各关键影响因素的均值与方差，对总体区间生成N组正态分布随机数；

(3.3)、对各关键影响因素参数值的波动区间取随机数：

在实际加工过程中，关键影响因素参数值的波动可能会导致加工质量与预期存在差距，需要考虑因参数的波动造成的影响；假设存在m个关键影响因素，各关键影响因素的波动范围为[a₁,b₁]、[a₂,b₂]、…、[a_m,b_m]，由于参数服从正态分布，不同参数值波动区间内所生成的随机数数量可能存在较大差异，某些区间内的随机数数量不一定能够满足概率统计的要求，在生成随机数后，将所有位于该组参数波动区间内的随机数提取出；将各参数的波动区间视为总体，各参数在其波动区间内的概率分布视为正态分布，以提取出的参数值作为样本数据，计算出在该波动区间的均值与方差后，再次对各参数取M组随机数；

(3.4)、将生成的M组随机数代入质量特征与关键影响因素之间的响应面模型中进行计算，对仿真计算的结果绘制关键特征的概率密度分布曲线；

(3.5)、计算在概率密度分布曲线中合格区域的面积即可获取在某组参数下某质量特征的加工可靠性，即加工可靠度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明的面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法具有通用性和高效性，适合大型零件在切削加工过程中关键质量特征的加工可靠性评估；本发明首先分析确定影响柴油机机身质量特征加工质量的关键影响因素，建立质量特征与关键影响因素之间的关系模型得到质量特征与关键影响因素之间的响应面模型，通过蒙特卡罗仿真评估质量特征加工可靠性，得到加工可靠度，理论简单，求解效率高，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中某型船用柴油机机身示意图；

图3为本发明中蒙特卡罗仿真评估曲轴孔同轴度加工可靠性流程图；

图4为本发明中关键影响因素的参数分布示意图；

图5为本发明中曲轴孔同轴度的概率密度分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法，包括如下步骤：

(1)、分析确定影响柴油机机身质量特征加工质量的关键影响因素，具体步骤包括：

(1.1)、切削加工有限元分析：

使用Deform-3D软件对柴油机机身平面或孔的切削加工过程开展切削有限元分析，将在UG中建立的刀具模型以.stl格式导出后再导入到Deform-3D中，工件模型则截取刀具附近材料的外层部分，建立刀具模型后，配合刀具形成工件模型；对刀具模型和工件模型分别划分网格模型；设立边界条件、切屑分离准则和本构模型，以切削速度、切削深度、进给量和环境温度为影响参数，通过正交试验设计多组切削仿真试验；待仿真试验完成后，分别输出各组数据的切削力与切削温度；

(1.2)、切削加工变形分析：

应用有限元软件HyperMesh对柴油机机身模型划分网格，对于加工位置划分六面体网格并局部加密，而其他位置则划分四面体网格；将划分后的网格文件导入ABAQUS软件中，定义机身的材料参数、弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数，并设置装夹载荷和自身重力载荷；将Deform-3D中得到的切削力和切削温度以静载荷的方式施加到装夹后的工件上，得到质量特征的变形量；随后将正交试验数据输入数据分析软件minitab15中进行均值分析，由minitab15软件输出的均值响应表中Delta大小与排秩顺序确定影响质量特征加工质量的关键影响因素；

(1.3)、环境温度的变化对柴油机机身平面或孔的切削加工过程中的机床加工精度的影响大，将环境温度设定为影响质量特征加工质量的关键影响因素；

(2)、建立质量特征与关键影响因素之间的关系模型，具体步骤包括：

(2.1)、对质量特征与关键影响因素进行正交试验设计，得到正交试验表和试验结果；

(2.2)、构建质量特征与关键影响因素之间的响应面模型：

常用响应面模型有一阶模型与二阶模型，依据质量特征加工特性，选择采用二阶响应面模型，其一般形式为

式中：y为质量特征的值，x_i为关键影响因素的值，n为关键影响因素的个数，β为响应面模型回归系数，ε为随机误差项；

二阶响应面模型回归系数β的计算公式为：

式中：k为正交试验次数；y_j为所有响应面的函数值；

为响应面的平均值；y_i为同一因素的响应面函数值；

将质量特征与关键影响因素的正交试验数据输入minitab15软件中，选择使用软件中的响应曲面模块拟合质量特征与关键影响因素之间的近似关系表达式即为质量特征与关键影响因素之间的响应面模型；

(2.3)、对建立的质量特征与关键影响因素之间的响应面模型进行拟合优度检验，其计算公式为：

式中：

响应的总平方和

回归平方和

残差平方和

通过minitab15软件输出的均值分析表得到拟合优度R²即R-Sq的值，拟合优度越接近于1说明拟合程度越高，拟合优度达到0.8即表明该近似模型可以使用，若出现拟合优度不足的问题，则需增加数据量或检验现有数据有无异常值；

(3)、通过蒙特卡罗仿真评估质量特征加工可靠性：

(3.1)、确定各关键影响因素参数值的分布规律：

对正交试验表中各参数的分布规律进行计算确认各影响因素的参数值是否皆服从独立的正态分布，若符合则得到其正态分布形式；

在对各关键影响因素进行抽样前需要明确各因素的分布规律，由中心极限定理假设在加工过程中各因素皆服从独立的正态分布，需要对各因素是否服从正态分布加以确定；

(3.2)、计算各关键影响因素的均值与方差，对总体区间生成N组正态分布随机数；

(3.3)、对各关键影响因素参数值的波动区间取随机数：

在实际加工过程中，关键影响因素参数值的波动可能会导致加工质量与预期存在差距，需要考虑因参数的波动造成的影响；假设存在m个关键影响因素，各关键影响因素的波动范围为[a₁,b₁]、[a₂,b₂]、…、[a_m,b_m]，由于参数服从正态分布，不同参数值波动区间内所生成的随机数数量可能存在较大差异，某些区间内的随机数数量不一定能够满足概率统计的要求，在生成随机数后，将所有位于该组参数波动区间内的随机数提取出；将各参数的波动区间视为总体，各参数在其波动区间内的概率分布视为正态分布，以提取出的参数值作为样本数据，计算出在该波动区间的均值与方差后，再次对各参数取M组随机数；

(3.4)、将生成的M组随机数代入质量特征与关键影响因素之间的响应面模型中进行计算，对仿真计算的结果绘制关键特征的概率密度分布曲线；

(3.5)、计算在概率密度分布曲线中合格区域的面积即可获取在某组参数下某质量特征的加工可靠性。

实施例1

本实施例以某型船用柴油机机身曲轴孔同轴度加工可靠性评估为例，该型船用柴油机机身示意图如图2所示，a为机身曲轴孔系，该曲轴孔系由镗削加工完成。

(1)、分析确定影响柴油机机身质量特征加工质量的关键影响因素，具体步骤包括：

(1.1)、切削加工有限元分析：

使用Deform-3D软件对柴油机机身平面或孔的切削加工过程开展切削有限元分析，将在UG中建立的镗刀三维模型以.stl格式导出后再导入到Deform-3D中，工件模型则截取刀具附近材料的外层部分，建立刀具模型后，配合刀具形成工件，并构成镗削仿真模型；对刀具和工件分别划分网格模型；设立边界条件、切屑分离准则和本构模型，以切削速度、切削深度、进给量和环境温度为影响参数，通过正交试验设计9组切削仿真试验；待仿真试验完成后，分别输出表1所示的各组数据镗削加工的切削力与切削温度；

表1镗削加工切削力与切削温度仿真结果

(1.2)、切削加工变形分析：

应用有限元软件HyperMesh对柴油机机身模型划分网格，对于加工位置划分六面体网格并局部加密，而其他位置则划分四面体网格；将划分后的网格文件导入ABAQUS软件中，定义机身的材料参数、弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数，并设置装夹载荷和自身重力载荷；

将Deform-3D中得到的切削力和切削热以静载荷的方式施加到装夹后的工件上，得到表2所示的曲轴孔镗削加工变形位移数据；将正交试验数据输入数据分析软件minitab15中进行均值分析，由minitab15软件输出的均值响应表，如表3；根据均值响应表中Delta大小与排秩顺序确定影响质量特征加工质量的关键影响因素为切削速度和切削深度；从表3中可以看出环境温度的变化对曲轴孔变形几乎没有影响。这并不意味着机身曲轴孔变形与环境温度无关，由于在进行镗削仿真时只设置了刀具与工件初始温度，没有考虑镗床因环境温度的变化而造成的加工变形。Fanjie Luo,Danlu Song以某型铣床主轴箱为研究对象，利用有限元法建立了不同环境温度作用下的温度场和热变形，分析了不同环境温度对主轴前端的影响，结果表明当环境温度从20℃变化到32℃时，主轴前端的热变形由0.052mm变化到0.187mm。(Luo F J,Song D L.Study on the Influence of AmbientTemperature on Spindle Box of the Wheel Groove Milling Machine Based on ANSYS[J].Applied Mechanics and Materials,2013,475-476:4.)由此可见，环境温度的变化对机床加工精度的影响是非常大的，因此将环境温度也选为关键影响因素；

表2曲轴孔镗削加工变形位移数据

表3曲轴孔镗削加工变形位移均值响应表

水平	切削速度(r/min)	切削深度(mm)	进给量(mm/r)	环境温度(℃)
					1	0.02994	0.02891	0.03754	0.03554
2	0.03461	0.03655	0.03535	0.03554
					3	0.04209	0.04119	0.03376	0.03557
Delta	0.01215	0.01228	0.00378	0.00003
					排秩	2	1	3	4

(2)、建立质量特征与关键影响因素之间的关系模型，具体步骤包括：

(2.1)、对质量特征与关键影响因素进行正交试验设计：

经分析，对船用柴油机机身曲轴孔同轴度影响较大的关键影响因素为切削速度、切削深度和环境温度，使用正交试验法进行试验设计，对各因素取五水平，其正交试验表及试验结果如表4所示；

表4正交试验设计表及试验结果

(2.2)、构建质量特征与关键影响因素之间的响应面模型：

将质量特征与关键影响因素的正交试验数据输入minitab15软件中，选择使用软件中的响应曲面模块拟合质量特征与关键影响因素之间的近似关系表达式即曲轴孔同轴度Φ与关键影响因素切削速度v、切削深度a_p、环境温度T之间的响应面模型为Φ＝(1.549+0.134×v+11.535×s+2.003×T+9.524×s²-0.014×T²+0.120×v×s-0.004×v×t)×10^-3

(2.3)、由minitab15软件输出会话中得到拟合优度R²即R-Sq的值为99.21％，可见该响应面模型能够很好的拟合曲轴孔同轴度与切削速度、切削深度以及环境温度之间的关系；

(3)、通过蒙特卡罗仿真评估质量特征加工可靠性：

(3.1)、确定各关键影响因素参数值的分布规律：

对正交试验表中各参数的分布规律进行计算后得知各影响因素的参数值皆服从独立的正态分布，其分布形式分别为：v～N(200,35.355²)，a_p～N(0.4,0.072²)，T～N(20,3.608²)；

(3.2)、计算各关键影响因素的均值与方差，对总体区间生成10000组正态分布随机数；

(3.3)、对各关键影响因素参数值的波动区间取随机数：

在实际加工过程中，关键影响因素参数值的波动可能会导致加工质量与预期存在差距，需要考虑因参数的波动造成的影响；根据机身加工要求，曲轴孔同轴度Φ>0.06mm时故障发生，通过调研得知切削速度v、切削深度a_p、环境温度T三个加工参数的波动范围为±5(m/min)、±0.02(mm/r)、±1(℃)。计算在切削速度为180r/min、切削深度为0.4mm、环境温度为23℃的条件下，评估曲轴孔同轴度的加工可靠性步骤如图3所示。由于参数服从正态分布，不同参数值波动区间内所生成的随机数数量可能存在较大差异，某些区间内的随机数数量不一定能够满足概率统计的要求，在生成随机数后，将所有位于该组参数波动区间内的随机数提取出来；将各参数的波动区间视为总体，各参数在其波动区间内的概率分布同样视为正态分布，如图4所示；以提取出的参数值作为样本数据，计算出在该波动区间的均值与方差后，再次对各参数取10000组随机数；

④将后生成的10000组随机数带入曲轴孔同轴度与关键影响因素之间的响应面模型中进行计算得到曲轴孔同轴度得仿真值，绘制在切削速度为180r/min、切削深度为0.4mm、环境温度为23℃的条件下曲轴孔同轴度的概率密度分布曲线，如图5所示；

⑤计算在概率密度分布曲线中Φ>0.06mm的面积，计算得到切削速度为180r/min、切削深度为0.4mm、环境温度为23℃的条件下曲轴孔同轴度的加工可靠度为90.82％；

综上所述，在本发明中，在对某质量特征进行有限元分析确定影响其加工质量的关键影响因素之后，通过一系列的正交试验与数值仿真分析就可以完成对该质量特征加工可靠性的评估，求解理论简单，准确性高，具有较高的工程应用价值。

Claims (4)

1.一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、分析确定影响柴油机机身质量特征加工质量的关键影响因素，

所述步骤(1)中分析确定影响柴油机机身质量特征加工质量的关键影响因素的具体步骤包括：

(1.1)、切削加工有限元分析：

使用Deform-3D软件对柴油机机身切削加工过程开展切削有限元分析，将在UG中建立的刀具模型以.stl格式导出后再导入到Deform-3D中，工件模型则截取刀具附近材料的外层部分，建立刀具模型后，配合刀具形成工件模型；对刀具模型和工件模型分别划分网格模型；设立边界条件、切屑分离准则和本构模型，以切削速度、切削深度、进给量和环境温度为影响参数，通过正交试验设计多组切削仿真试验；待仿真试验完成后，分别输出各组数据的切削力与切削温度；

(1.2)、切削加工变形分析：

应用有限元软件HyperMesh对柴油机机身模型划分网格，对于加工位置划分六面体网格并局部加密，而其他位置则划分四面体网格；将划分后的网格文件导入ABAQUS软件中，定义机身的材料参数、弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数，并设置装夹载荷和自身重力载荷；将Deform-3D中得到的切削力和切削温度以静载荷的方式施加到装夹后的工件上，得到质量特征的变形量；随后将正交试验数据输入数据分析软件minitab15中进行均值分析，由minitab15软件输出的均值响应表中Delta大小与排秩顺序确定影响质量特征加工质量的关键影响因素；

(1.3)、基于环境温度的变化对柴油机机身平面或孔的切削加工过程中的机床加工精度的影响大，将环境温度设定为影响质量特征加工质量的关键影响因素；

(2)、使用响应曲面法建立质量特征与关键影响因素之间的响应面模型，

(3)、通过蒙特卡罗仿真评估质量特征加工可靠性，获取质量特征的加工可靠度。

2.根据权利要求1所述的一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤(1.1)中柴油机机身切削加工过程为平面或孔的加工过程。

3.根据权利要求1所述的一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤(2)中得到质量特征与关键影响因素之间的响应面模型的具体步骤包括：

(2.1)、对质量特征与关键影响因素进行正交试验设计，得到正交试验表和试验结果；

(2.2)、构建质量特征与关键影响因素之间的响应面模型：

常用响应面模型有一阶模型与二阶模型，依据质量特征加工特性，选择采用二阶响应面模型，其一般形式为

式中：y为质量特征的值，x_i为关键影响因素的值，n为关键影响因素的个数，β为响应面模型回归系数，ε为随机误差项；

二阶响应面模型回归系数β的计算公式为：

式中：k为正交试验次数；y_j为所有响应面的函数值；

为响应面的平均值；y_i为同一因素的响应面函数值；

将质量特征与关键影响因素的正交试验数据输入minitab15软件中，选择使用软件中的响应曲面模块拟合质量特征与关键影响因素之间的近似关系表达式即为质量特征与关键影响因素之间的响应面模型；

(2.3)、对建立的质量特征与关键影响因素之间的响应面模型进行拟合优度检验，其计算公式为：

式中：

响应的总平方和

回归平方和

残差平方和

通过minitab15软件输出的均值分析表得到拟合优度R²即R-Sq的值，拟合优度越接近于1说明拟合程度越高，拟合优度达到0.8即表明该响应面模型能够使用，若出现拟合优度不足的问题，则需增加数据量或检验现有数据有无异常值。

4.根据权利要求1所述的一种面向船用柴油机机身质量特征加工可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤(3)中得到加工可靠度的具体步骤包括：

(3.1)、确定各关键影响因素参数值的分布规律：

对正交试验表中各参数的分布规律进行计算确认各影响因素的参数值是否皆服从独立的正态分布，若符合则得到其正态分布形式；

(3.2)、计算各关键影响因素的均值与方差，对总体区间生成N组正态分布随机数；

(3.3)、对各关键影响因素参数值的波动区间取随机数：

在实际加工过程中，关键影响因素参数值的波动会导致加工质量与预期存在差距，需要考虑因参数的波动造成的影响；假设存在m个关键影响因素，各关键影响因素的波动范围为[a₁,b₁]、[a₂,b₂]、…、[a_m,b_m]，由于参数服从正态分布，不同参数值波动区间内所生成的随机数数量存在较大差异，某些区间内的随机数数量不一定能够满足概率统计的要求，在生成随机数后，将所有位于关键影响因素参数波动区间内的随机数提取出；将各参数的波动区间视为总体，各参数在其波动区间内的概率分布视为正态分布，以提取出的参数值作为样本数据，计算出在该波动区间的均值与方差后，再次对各参数取M组随机数；

(3.4)、将生成的M组随机数代入质量特征与关键影响因素之间的响应面模型中进行计算，对仿真计算的结果绘制关键特征的概率密度分布曲线；

(3.5)、计算在概率密度分布曲线中合格区域的面积即可获取在某组参数下某质量特征的加工可靠性，即加工可靠度。

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