CN113673055B - 船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法 - Google Patents
船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法，包括如下步骤：对机身进行结构分析简化，建立机身有限元分析模型；根据机身有限元分析模型进行机身浇注、落砂过程的仿真模拟，得到铸造阶段的残余应力演变规律；将应力预定义到热处理阶段，进行仿真模拟得到机身热处理阶段的残余应力演变规律；以热处理后机身的应力状态为初始状态，进行仿真模拟得到机身加工过程的残余应力，最终得到机身加工过程的残余应力演变规律。本发明采用应力遗传和加工应力耦合的方法计算出各工艺的残余应力，在考虑工序间遗传特性的基础上，推导出机身加工过程的最终应力分布，准确地实现了机身加工过程的残余应力分析。
Description
技术领域
本发明涉及残余应力分析领域，具体涉及一种船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法。
背景技术
机身是船用柴油机的关键部件，残余应力是导致机身变形的重要因素，机身的变形影响机身的使用性能和使用寿命。因此，必须研究机身残余应力提高机身性能。然而，由于机身经历热加工和机加工两个阶段，残余应力场不断重新分布，残余应力在机身的全加工过程中具有复杂的状态和演变规律。
机身铸造阶段，由于机身厚薄不均匀使得机身冷却速度不同，机身各部位的收缩速度不一样，造成机身冷却过程中相互阻碍，使得机身发生形变并产生残余应力。在实际的工业生产中，热处理过程是消除残余应力、有效降低应力集中的有效手段。退火热处理阶段的主要目的是降低及均化机身内部的残余应力，同时提高关键部位及孔系的精度。机加工过程是一个涉及材料、传热和力学等的复杂过程，材料去除对于零部件质量、应力和变形等具有显著影响。在加工过程中，随着毛坯多余材料逐渐被去除，切削层中的应力逐渐释放，毛坯中残余应力原有平衡状态被打破，为达到新的应力平衡，初始应力产生重新分布，进而达到新的平衡状态。
尽管已经对铸造、热处理、机加工过程的残余应力状态进行了大量的分析研究，但是大多是针对某一过程或几个过程无关联的应力研究，缺少多工序耦合下考虑工序间遗传特性的残余应力研究，无法准确的得出加工过程残余应力演变规律。
所以，需要一个新的技术方案来解决这个问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法，以准确、快捷地实现机身加工过程的残余应力分析，得到多工序下机身全加工过程残余应力演变规律。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法，包括如下步骤：
S1：对机身进行结构分析简化，建立机身有限元分析模型，确定所需的仿真参数；
S2：根据步骤S1建立的机身有限元分析模型进行机身浇注、落砂过程的仿真模拟，得到铸造阶段的残余应力演变规律；
S3：将铸造完成阶段的机身应力状态完成挂载，将应力预定义到热处理阶段，进行热处理过程的仿真模拟，得到机身热处理阶段的残余应力演变规律；
S4：以热处理后机身的应力状态为初始状态，进行机加工过程的仿真模拟，得到机身加工过程的残余应力，最终得到机身加工过程的残余应力演变规律。
进一步地，所述步骤S1中机身有限元分析模型的建立方法为：
对机身进行结构及有限元分析，简化机身结构中对分析结果影响较小的部位，如小孔、倒角等，根据浇注准则设计浇注系统和砂箱，建立机身全加工过程应力演化的有限元分析模型。
进一步地，所述步骤S1中所需的仿真参数包括机身的密度、杨氏模量、热导率、泊松比、比热、膨胀率、屈服强度、热焓、导热系数、线膨胀系数、铸造工艺参数、热处理工艺参数、加工余量。
进一步地，所述步骤S2具体为：根据机身有限元分析模型分析机身的铸造工艺过程，确定铸造过程的工艺参数，根据工艺参数及准则设计浇注温度、停止温度和浇注时间，进行机身浇注过程的仿真模拟，进而分析浇注过程机身的应力状态，浇注完成后，在浇注过程的基础上进行落砂，提取机身浇注完成后的应力结果，去除砂型、设置机身空冷温度，进而得到铸造阶段的残余应力演变规律。
进一步地，所述步骤S3具体为：在铸造阶段分析完成的基础上，进行热处理过程的残余应力仿真分析，输出铸造完成后的机身应力状态，即提取铸造阶段完成后的机身残余应力状态及节点网格单元信息，然后将残余应力和节点网格单元信息在原模型中完成挂载，减少建模等前处理时间；挂载完成后进行挂载结果验证，确定节点单元信息和应力信息挂载正确，然后根据已确定的热处理参数进行热处理分析，得出铸造完成后热处理过程机身残余应力的演变规律。
进一步地，所述步骤S4具体为：根据步骤S3的分析过程，考虑工序间遗传和加工应力耦合的情况，以热处理后的残余应力为机加工时的初始残余应力，将其作为预加应力场施加到机身有限元分析模型上，进行机加工过程的仿真模拟，得到机身加工过程的残余应力，最终得到考虑工序间遗传特性的机身加工过程的残余应力演变规律。
进一步地，所述步骤S4中机加工过程的仿真模拟具体为：
充分考虑实际机加工工况和仿真模拟的可行性，分析机身加工工艺，选定机身的五个关键部位进行机身的机加工仿真模拟，在分析机身工艺的基础上选定①顶面、②底面、③缸孔、④曲轴孔、⑤凸轮轴孔五个关键位置为去除仿真模拟部位，设计六种不同去除顺序的去除方案；根据已确定的关键部位加工余量参数，在此基础上进行机身材料去除过程的模拟仿真，对机身进行铸造-热处理后机加工下的残余应力演变分析，得到机身加工过程的残余应力。
有益效果：本发明与现有技术相比，在考虑工序间遗传和加工应力耦合的基础上，对机身进行了热加工、机加工全过程的残余应力分析，准确、有效的将机身全过程进行了耦合关联，对机身加工残余应力进行了分析，准确得出了残余应力的演变规律。对机身热加工过程的残余应力分析，准确地完成了铸造阶段和热处理阶段的应力传递，将铸造过程和其后的热处理及机加工紧密联系在一起，考虑了工序遗传，保证了分析的连续性，系统性的分析了机身的残余应力演变规律。
附图说明
图1为本发明的船用柴油机机身全加工过程的残余应力分析方法的流程图；
图2为柴油机机身三维模型示意图；
图3为机身有限元分析模型及浇注系统示意图；
图4为机身残余应力评价测点位置示意图，其中a)为为铸造和热处理阶段机身残余应力评价测点位置示意图；b)为机加工阶段机身残余应力评价测点位置示意图；
图5为机身铸造阶段的残余应力数据曲线示意图，其中a)为机身铸造阶段p1、p2、p3三点的残余应力数据曲线示意图；b)为机身铸造阶段p4、p5、p6三点的残余应力数据曲线示意图；
图6为机身热处理阶段的残余应力数据曲线示意图；
图7为机身加工过程去除部位示意图；
图8为机身加工完成后各区域的残余应力数据曲线示意图；
图9为机身各加工工序对各区域残余应力影响趋势示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法，本实施例中将该方法应用于如图2所示的船用柴油机机身的加工残余应力演变规律分析，参照图1，具体包括如下步骤：
步骤1：对机身进行结构分析简化，建立机身有限元分析模型，确定所需的仿真参数：
简化机身结构中对分析结果影响较小的部位，如小孔、倒角等，根据浇注则设计浇注系统，建立机身的有限元分析模型，具体如图3所示。为了更加准确地得出在后续的铸造、热处理及材料去除过程中残余应力的演变影响规律，在各分析过程中选定应力测点以分析机身残余应力演变规律，测点分布如图4所示。根据实际分析需求确定相关的材料参数，如下表1。为了更准确地获得后续铸造、热处理和材料去除过程中残余应力的演化规律，在每个分析过程中选取应力测点，对模型中残余应力的演化规律进行分析，测点分布如图4所示，其中a)为为铸造和热处理阶段机身残余应力评价测点位置示意图；b)为机加工阶段机身残余应力评价测点位置示意图。
表1材料热物性力学性能参数
ρ为密度；E为杨氏模量；μ为泊松比；σs为屈服强度，102MPa；H为热焓，102kJ/kg；K为导热系数；Cp为比热容；α为线膨胀系数。
步骤2：根据步骤1建立的分析模型进行机身浇注、落砂过程的仿真模拟，得到铸造阶段的残余应力演变规律：
根据参数及准则设计浇注温度为1410℃，停止温度为700℃，浇注时间为12s，进行机身浇注过程的仿真模拟，进而分析浇注过程机身的应力状态；浇注完成后，在浇注过程的基础上进行落砂，提取机身浇注完成后的应力结果，去除砂型、设置机身空冷到30℃，进而得到铸造全阶段的残余应力演变规律。
绘制机身各测点铸造过程的应力变化曲线，如图5所示，其中a)为机身铸造阶段p1、p2、p3三点的残余应力数据曲线示意图；b)为机身铸造阶段p4、p5、p6三点的残余应力数据曲线示意图。从图5可以看出，随着浇注过程的进行p1、p2、p3、p4、p5、p6的应力先快速增加，然后降低，最后增加。在落砂过程中，测点p1、p2、p3、p4、p5、p6在落砂过程呈现出“快速下降-增加-趋于平稳”的应力变化趋势。机身在落砂前机身与砂箱之间的相互阻碍作用产生的弹性应力数值很大，在落砂后机身外表面去除砂箱的约束，弹性应力也随之消失，应力急剧减小，剩下没有消失的应力即为铸件的残余应力，随着温度的慢慢下降残余应力也有所升高。铸造完成后，应力较大部位存在于曲轴观察窗口、机身底面、曲轴孔及缸孔面，其余位置应力较小，应力状态较好。
步骤3：将铸造完成阶段的机身应力状态完成挂载，将应力预定义到热处理阶段，进行热处理过程的仿真模拟，得到机身热处理阶段的残余应力演变规律：
在铸造阶段分析完成的基础上，进行热处理过程的残余应力仿真分析，输出铸造完成后的机身应力状态，即提取铸造阶段完成后的机身残余应力状态及节点网格单元信息，然后将残余应力和节点网格单元信息在原模型中完成挂载，减少建模等前处理时间；挂载完成后进行挂载结果验证，确定节点单元信息和应力信息挂载正确，然后根据已确定的热处理参数进行热处理分析，得出铸造完成后热处理过程机身残余应力的演变规律。
本实施例中按照机身毛坯实际工艺过程中的退火热处理工艺，具体过程为：加热到520摄氏度——保温6小时——炉冷120摄氏度——空气自然冷却至室温。退火加热速度不小于50℃/h，退火随炉冷却速度不小于50℃/h。采集与铸造过程相同的测点位置处的热处理后残余应力，得到各测点热处理前后的应力变化曲线，如图6所示。从图6可以看出，在铸造基础上进行机身热处理，机身测点应力整体减小，从测点分析应力平均消除达到47％。在机体上部壁厚较薄的位置，在退火整个工艺过程中，温度变化速度快，造成的应力场数值也比较大。退火热处理机身局部的残余应力消除较大，且退火之后机身的应力状态更加稳定。
步骤4：以热处理后机身的应力状态为初始状态，进行机加工过程的仿真模拟，得出机身加工过程的残余应力演变规律，最终得到机身全加工过程的残余应力演变规律：
根据步骤3的分析过程，考虑工序间遗传和加工应力耦合的情况，以热处理后的残余应力为机加工时的初始残余应力，将其作为预加应力场施加到机身有限元分析模型上，进行机加工过程的仿真模拟，得到机身加工过程的残余应力，最终得到考虑工序间遗传特性的机身加工过程的残余应力演变规律。
本实施例充分考虑实际机加工工况和仿真模拟的可行性，分析机身加工工艺，选定机身的五个关键部位进行机身的机加工仿真模拟。在分析机身工艺的基础上选定①顶面、②底面、③缸孔、④曲轴孔、⑤凸轮轴孔五个关键位置为去除仿真模拟部位，设计如下表2的去除方案，示意如图7所示。
表2机加工方案
按照加工方案1-6分别对机身进行模拟仿真，得到各测点在不同方案不同工序下的应力。各区域测点是针对机身前述分析步骤进行的选择，能够代表测点相对应区域的应力状态。机加工完成后对同一去除顺序、同一区域的测点应力进行平均处理，以应力平均值代表对应区域的残余应力状态，进而得出各区域、不同去除方案下的残余应力，具体如图8所示，各区域应力整体呈现：缸孔区域残余应力最大，曲轴孔、顶面次之，底面残余应力最小；缸孔区域应力最大，最大应力值为97.4MPa；底面区域应力最小，应力值为30.57MPa；曲轴孔和顶面区域应力最小值分别为57.9MPa、36MPa。
在加工过程中，不同工序对工件不同区域的最终残余应力状态的影响是不同的，用机身不同工序下各区域应力的变化率μ来表述不同工序对各区域残余应力的影响程度，μ1、μ2、μ3、μ4分别表示缸孔、顶面、曲轴孔、底面的残余应力变化率，具体如图9所示。去除顶面时，各区域残余应力变化率表现为：μ2＞μ4＞μ1＞μ3，此工序对顶面残余应力影响最大，对曲轴孔影响最小，变化率分别为29.875％、26.7％。去除底面时，各区域残余应力变化率表现为：μ4＞μ2＞μ1＞μ3，此工序对底面残余应力影响最大，对曲轴孔影响最小，变化率分别为12.37％、1.62％。去除缸孔时，各区域残余应力变化率表现为：μ1＞μ2＞μ3＞μ4，此工序对缸孔残余应力影响最大，对底面影响最小，变化率分别为11.66％、0.6％。去除曲轴孔时，各区域残余应力变化率表现为：μ3＞μ2＞μ1＞μ4，此工序对曲轴孔残余应力影响最大，对底面影响最小。去除凸轮轴孔时，各区域残余应力变化率表现为：μ2＞μ1＞μ3＞μ4，此工序对顶面残余应力影响最大，对底面影响最小。因此可以得到，去除顶面和凸轮轴孔对顶面残余应力影响较大，去除缸孔对缸孔对缸孔残余应力影响最大；去除顶面和底面对曲轴孔区域影响较小，去除缸孔、曲轴孔和凸轮轴孔对底面影响较小。
基于上述内容，本实施例中最终得出了考虑工序间遗传的机身加工残余应力演变规律。
Claims (3)
1.船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对机身进行结构分析简化，建立机身有限元分析模型，确定所需的仿真参数；
S2：根据步骤S1建立的机身有限元分析模型进行机身浇注、落砂过程的仿真模拟，得到铸造阶段的残余应力演变规律；
S3：将铸造完成阶段的机身应力状态完成挂载，将应力预定义到热处理阶段，进行热处理过程的仿真模拟，得到机身热处理阶段的残余应力演变规律；
S4：以热处理后机身的应力状态为初始状态，进行机加工过程的仿真模拟，得到机身加工过程的残余应力，最终得到机身加工过程的残余应力演变规律；
所述步骤S2具体为：根据机身有限元分析模型分析机身的铸造工艺过程，确定铸造过程的工艺参数，根据工艺参数及准则设计浇注温度、停止温度和浇注时间，进行机身浇注过程的仿真模拟，进而分析浇注过程机身的应力状态，浇注完成后，在浇注过程的基础上进行落砂，提取机身浇注完成后的应力结果，去除砂型、设置机身空冷温度，进而得到铸造阶段的残余应力演变规律；
所述步骤S3具体为：在铸造阶段分析完成的基础上，进行热处理过程的残余应力仿真分析，输出铸造完成后的机身应力状态，即提取铸造阶段完成后的机身残余应力状态及节点网格单元信息，然后将残余应力和节点网格单元信息在原模型中完成挂载，挂载完成后进行挂载结果验证，确定节点单元信息和应力信息挂载正确，然后根据已确定的热处理参数进行热处理分析，得出铸造完成后热处理过程机身残余应力的演变规律；
所述步骤S4具体为：根据步骤S3的分析过程，考虑工序间遗传和加工应力耦合的情况，以热处理后的残余应力为机加工时的初始残余应力，将其作为预加应力场施加到机身有限元分析模型上，进行机加工过程的仿真模拟，得到机身加工过程的残余应力，最终得到考虑工序间遗传特性的机身加工过程的残余应力演变规律；
所述步骤S4中机加工过程的仿真模拟具体为：
考虑实际机加工工况和仿真模拟的可行性，分析机身加工工艺，选定机身的五个关键部位进行机身的机加工仿真模拟，在分析机身工艺的基础上选定①顶面、②底面、③缸孔、④曲轴孔、⑤凸轮轴孔五个关键位置为去除仿真模拟部位，设计六种不同去除顺序的去除方案；根据已确定的关键部位加工余量参数，在此基础上进行机身材料去除过程的模拟仿真，对机身进行铸造-热处理后机加工下的残余应力演变分析，得到机身加工过程的残余应力。
2.根据权利要求1所述的船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法，其特征在于，所述步骤S1中机身有限元分析模型的建立方法为：
对机身进行结构及有限元分析，简化机身结构中对分析结果影响小的部位，根据浇注准则设计浇注系统和砂箱，建立机身全加工过程应力演化的有限元分析模型。
3.根据权利要求1所述的船用柴油机机身多工序耦合残余应力建模及分析方法，其特征在于，所述步骤S1中所需的仿真参数包括机身的密度、杨氏模量、热导率、泊松比、比热、膨胀率、屈服强度、热焓、导热系数、线膨胀系数、铸造工艺参数、热处理工艺参数、加工余量。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113673055A (zh) | 2021-11-19 |
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