CN1855104A - 大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法 - Google Patents
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Abstract
一种大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法：建立曲轴红套加热器的仿真模型；对仿真模型分别加载各种边界条件后，对在每种边界条件下的曲轴红套孔加热过程进行计算机三维数值模拟，获得各种加热器仿真方案下的红套孔和曲柄壁在加热过程中的参数；检验红套加热器仿真中的热物理参数的实验测定和仿真结果；对曲轴红套加热器仿真模型进行优化；比较各组参数值，确定最优的红套加热器仿真模型。本发明运用了计算机数字化分析和仿真模拟手段，使所选出的红套加热器方案用在大型船用曲轴的红套加工过程中，曲轴被加热件的曲拐温度上升稳定，加热位置受热均匀，温差在10度以内，曲轴被加热件的红套孔严格按照圆形均匀扩大，从而符合曲轴红套加工的工艺要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法。
背景技术
目前，小型船用低速柴油机曲轴红套加工中加热方法通常仅为底部加热，在曲轴被加热后，虽其红套孔能按照圆形均匀扩大，符合曲轴红套加工的工艺要求，但是，该加热方式难以直接用于大型船用曲轴红套的加工中，而且大型船用曲轴由于其重量、尺寸巨大，对于曲轴生产制造过程中的红套关键加工技术更是难以采用常规试验方法进行研究，因此，曲轴红套加工中加热方法成为瓶颈问题。
随着计算机技术的发展，应用计算机数值仿真技术已成为与实验同样重要的实现技术创新、开发新工艺的基本研究手段。使用计算机仿真试验和分析技术，在产品设计阶段对产品的性能进行大量仿真试验，可以大大简化机械产品的设计开发过程，缩短开发周期，减少研究费用，获得最优化和创新的产品。在制造阶段，通过对各种制造工艺进行全面地仿真试验和分析，可以预先发现潜在的制造问题，获得最优化的制造工艺，提高产品制造质量，降低制造费用。
但是，如何对大型船用曲轴红套加热器进行仿真模拟并进行方案的优选，一直是业内人士致力研究的课题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，通过该方法而优选出的曲轴红套加热器模拟仿真方案，用该方案制成的加热器对曲轴红套孔进行加热，不仅符合曲轴红套加工的工艺要求，而且提高曲轴制造质量，降低制造成本。
本发明所提供的一种大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，包括下列步骤：首先，根据已有曲轴红套数值仿真的历史数据，同时基于现有曲轴红套加热器的初步方案，建立曲轴红套加热器的仿真模型；其次，对仿真模型分别加载各种边界条件后，对在每种边界条件下的曲轴红套孔加热过程进行计算机三维数值模拟，获得各种加热器仿真方案下的红套孔和曲柄壁在加热过程中的红套孔尺寸形状的变化规律、热应力场、应变场和温度分布变化规律的参数；然后，根据上述参数，确定达到红套所需孔径需要的时间，检验红套加热器仿真中的有关热物理参数的实验测定和仿真结果；进而，根据检验结果，对曲轴红套加热器仿真模型进行优化；再者，根据曲轴红套过程的实际需要，对各种红套加热器仿真方案进一步仿真实验和分析，提供红套过程曲轴尺寸形状的变化规律、热应力场、应力场和温度分布变化规律的参数；最后，比较各组参数值，确定最优的红套加热器仿真模型，并使用计算机对优化方案进行仿真计算验证。
在上述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法中，红套加热器仿真模型是按照曲轴曲拐的外形建立的三维数学模型。
在上述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法中，有关热物理参数包括换热系数和导热系数。
在上述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法中，加热器为圆管加热器。
在上述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法中，加热器仿真模型分别加载的边界条件为：圆+直线加热方案、圆+上弯圆弧加热方案、圆+大上弯圆弧加热方案或圆+上弯圆弧+多连通管加热方案。
在上述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法中，加热器为扁平加热器。
在上述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法中，加热器仿真模型分别加载的边界条件为：圆+下弯大圆弧加热方案、圆+85度下弯圆弧加热方案、圆+80度下弯圆弧加热方案、圆+75度下弯圆弧加热方案或圆+70度下弯圆弧加热方案。
采用了上述的技术解决方案，即通过建立红套加热器仿真模型，并在此基础上虚拟多种不同的加热方式对模型加值之间的相互关系，发现其变化规律，进行优化选择，最后使用计算机对优化方案进行仿真计算验证。本发明运用了计算机数字化分析和仿真模拟手段，使所选出的红套加热器方案用在大型船用曲轴的红套加工过程中，曲轴被加热件的曲拐温度上升稳定，加热位置受热均匀，温差在10度以内，并在加热后，曲轴被加热件的红套孔严格按照圆形均匀扩大，从而符合曲轴红套加工的工艺要求。
附图说明
图1是曲轴的结构示意图；
图2是曲轴的曲柄臂的结果示意图；
图3(a)～(e)是本发明中扁平加热器仿真模型加载的五种边界条件的结构示意图；
图4(a)～(d)是本发明中圆管加热器仿真模型加载的四种边界条件的结构示意图。
具体实施方式
参见图1～2，曲轴由一对曲柄臂1和一个曲拐2组成，两个曲柄臂的大小尺寸相同，设置在曲拐两端对称分布，两个曲柄臂的加热和变形应该完全相同。因此可以在进行建模和分析时，将曲轴模型沿对称面剖开，考虑一个曲柄臂的加热变形和受力。
本发明所提供的一种大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，包括下列步骤：
第一，根据已有曲轴红套数值仿真的历史数据，同时基于现有曲轴红套加热器的初步方案，按照曲轴曲拐的外形建立曲轴红套加热器的仿真模型。
第二，对仿真模型分别加载各种边界条件，例如：
扁平加热器仿真模型加载的边界条件为：圆+下弯大圆弧加热方案(如图3(a)所示)、圆+85度下弯圆弧加热方案(如图3(b)所示)、圆+80度下弯圆弧加热方案(如图3(c)所示)、圆+75度下弯圆弧加热方案(如图3(d)所示)，或圆+70度下弯圆弧加热方案(如图3(e)所示)；
圆管加热器仿真模型加载的边界条件为：圆+直线加热方案(如图4(a)所示)、圆+上弯圆弧加热方案(如图4(b)所示)、圆+大上弯圆弧加热方案(如图4(c)所示)，或圆+上弯圆弧+多连通管加热方案(如图4(d)所示)。
第三，对在每种边界条件下的曲轴红套孔加热过程进行计算机三维数值模拟，获得各种加热器仿真方案下的红套孔和曲柄壁在加热过程中的红套孔尺寸形状的变化规律、热应力场、应变场和温度分布变化规律的参数。
第四，根据上述参数，确定达到红套所需孔径需要的时间，检验红套加热器仿真中的有关热物理参数的实验测定和仿真结果，有关热物理参数包括换热系数和导热系数。
第五，根据检验结果，对曲轴红套加热器仿真模型进行优化。
第六，根据曲轴红套过程的实际需要，对各种红套加热器仿真方案进一步仿真实验和分析，提供红套过程曲轴尺寸形状的变化规律、热应力场、应力场和温度分布变化规律的参数。
最后，比较各组参数值，确定最优的红套加热器仿真模型，对扁平加热器加热方案的优化结果是圆+70度下弯圆弧加热方案，使红套圆孔加热变形后基本保持原形，这样用较短的加热时间或者用较低的加热温度，就可以达到红套操作所需变形条件，显然是优化的加热方案。但是扁平加热器在曲轴红套加热试验中的燃烧效果不好，因此提出改用圆管加热器，并根据扁平加热器各种加热方案的仿真分析结果，而设计了圆管加热器加热方案。圆管加热器方案沿厚度方向的温度梯度较小，改善了曲轴弯曲变形，沿厚度方向的径向位移差也较小，这样有利于红套。因此最终的曲轴加热方案为圆管加热器的圆+上弯圆弧+多连通管加热方案(如图4(d)所示)。并使用计算机对优化方案进行仿真计算验证。
综上所述，本发明先后对扁平加热器和圆管加热器两种类型加热器，多种加热方案进行了数十次仿真试验和分析，获得了各种加热方案在不同加热时刻的大量实时数据，包括曲轴的温度分布和温度值、曲轴变形值、应力分布等。根据这些仿真试验，可以确定达到红套所需孔径需要的加热时间，获知加热过程中曲轴的温度分布和变形详细情况，可以广泛试验和比较各种加热方案，确定最优的红套工艺方案。
Claims (7)
1.一种大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，包括下列步骤：
首先，根据已有曲轴红套数值仿真的历史数据，同时基于现有曲轴红套加热器的初步方案，建立曲轴红套加热器的仿真模型；
其次，对仿真模型分别加载各种边界条件后，对在每种边界条件下的曲轴红套孔加热过程进行计算机三维数值模拟，获得各种加热器仿真方案下的红套孔和曲柄壁在加热过程中的红套孔尺寸形状的变化规律、热应力场、应变场和温度分布变化规律的参数；
然后，根据上述参数，确定达到红套所需孔径需要的时间，检验红套加热器仿真中的有关热物理参数的实验测定和仿真结果；
进而，根据检验结果，对曲轴红套加热器仿真模型进行优化；
再者，根据曲轴红套过程的实际需要，对各种红套加热器仿真方案进一步仿真实验和分析，提供红套过程曲轴尺寸形状的变化规律、热应力场、应力场和温度分布变化规律的参数；
最后，比较各组参数值，确定最优的红套加热器仿真模型，并使用计算机对优化方案进行仿真计算验证。
2.根据权利要求1所述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，其特征在于：所述红套加热器仿真模型是按照曲轴曲拐的外形建立的三维数学模型。
3.根据权利要求1所述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，其特征在于：所述的有关热物理参数包括换热系数和导热系数。
4.根据权利要求1所述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，其特征在于：所述加热器为圆管加热器。
5.根据权利要求4所述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，其特征在于：所述加热器仿真模型分别加载的边界条件为：圆+直线加热方案、圆+上弯圆弧加热方案、圆+大上弯圆弧加热方案或圆+上弯圆弧+多连通管加热方案。
6.根据权利要求1所述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，其特征在于：所述加热器为扁平加热器。
7.根据权利要求6所述的大型船用曲轴红套加热器仿真方案的优选方法，其特征在于：所述加热器仿真模型分别加载的边界条件为：圆+下弯大圆弧加热方案、圆+85度下弯圆弧加热方案、圆+80度下弯圆弧加热方案、圆+75度下弯圆弧加热方案或圆+70度下弯圆弧加热方案。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101364246B (zh) * | 2008-08-27 | 2011-02-16 | 奇瑞汽车股份有限公司 | 一种校核发动机活塞强度的方法 |
| CN104002095A (zh) * | 2013-02-25 | 2014-08-27 | 上海船用曲轴有限公司 | 一种大型半组合船用曲轴的装配方法 |
| CN112668214A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-04-16 | 彩虹显示器件股份有限公司 | 一种用于通道加热器选型及温度场分布的热设计方法 |
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