专利名称：大型曲轴车床的动态力学性能仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种曲轴振动响应的仿真分析方法，尤其是一种大 型曲轴车床的振动响应的仿真分析方法。
背景技术：
大型曲轴是船舶发动机的关键部件之一，发动机通过连杆把活 塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。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，对曲轴系统的 动态性能要求越来越高。
由于曲轴的不对称性和各向耦合的特点，致使曲轴的偏心质量不 仅会激起弯曲振动，而且也会激起扭转振动，轴向振动及三者的耦合
振动。大型船舶发动机的曲轴又具有自身的特点:转速低、转速半径 大、固有频率低、重量大、轴向刚度和扭转刚度相对较小等等。在机 械加工的过程中，曲轴的旋转会使曲轴接近或处于共振区，产生大的 振动，影响加工质量。为了在加工过程中，选择合适的支撑方式，合 适的切削用量，来保证曲轴的加工精度，必须对曲轴的加工方式进行 全面的动态力学性能分析。
发明内容
本发明是要提供一种大型曲轴车床的动态力学性能仿真方法， 该方法运用有限元理论仿真分析曲轴在被切削过程中，由于切削力的变化，而引起振动大小。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是 一种大型曲轴车床 的动态力学性能仿真方法，具体步骤是
1. 建立三维几何模型
运用Pro/E软件建立曲轴车床的床身、头架、曲轴三维几何模 型，构筑虚拟样机系统；
2. 单元网格的划分
在Pro/MECHANICA模块中，对几何模型进行物理建模，包括物 理特性和边界条件的设置，在物理建模满足实际条件后，对模型进行 单元网格的划分；
3. 模型的模态分析
单元网格划分完成后，进行模态分析；
4. 模型的动态分析
模态分析完成后，在Pro/MECHANICA的模块中，首先进行测量 点的设置，以及激振力大小与方向的设置，然后对模型进行性能仿真 分析；
5. 评判模型
根据动态分析结果，对模型进行评价，如果模型的结构或加工 工艺不合理，做相应的改进并继续作优化分析，直到符合要求为止。 模型的模态分析方式采用单通道模式或者多通道模式。 模型的动态分析中作出一个体积块，用于满足小面积直接受力来 反映切削力的实际作用。本发明的有益效果是通过Pro/E软件的三维建模，利用 Pro/MECHANICA模块的有限元仿真分析，在加工之前，就可以模拟 出最优的结构和最佳的加工方式。为现实的生产带来了具体的指导意 义，同时也节约了成本，提高了产品质量，增强了竞争力。
图1是大型曲轴车床三维几何模型；
图2是大型曲轴车床模型的单元格的划分；
图3是一阶模态分析图中放大10%的比例来显示模型的变形，图左上角的图例表示变形 大小的分布；
图4是动态分析结果表；
其中横坐标表示频率(单位:Hz)，纵坐标表示位移(单位:mm)。
具体的实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。 本发明的大型曲轴车床的动态力学性能仿真方法-首先在Pro/E中建立精确的三维模型，如图1所示。然后在
Pro/MECHANICA模块对模型进行物理特性，边界条件进行正确设置，
进行单元网格的划分如图2所示。由于仿真分析釆用的是P法，较大
的网格在分析过程中，位移函数多项式的阶数会根据解析的需要自动
提升，所以可以保证足够的精度。
在Pro/MECHANICA模块中进行模态分析，图3为一阶模态分析图
的一例，以扩大10%的比例来显示模型的振型。由模态解析的结果可以知道模型结构的动态刚性。若固有频率过低，需要考虑优化模型结 构，提高其动态刚性。模型的模态分析方式可以采用单通道
(Single-Pass Adaptive)模式或者多通道(Multi-Pass Adaptive)模式。
经过模态分析后，在Pro/MECHANICA模块中对模型进行的激振 力加载。由于切削力是合力，且作用在一小块面积上，所以首先需要 在受力位置作出一个体积块，然后加载激振力。可根据实际受力情况， 在X、 Y、 Z三个方向进行激振力的加载。在Pro/MECHANICA的模块 中，应用振动响应仿真分析的方法，对模型进行动态分析。根据分析 的结果(图4)，对模型的结构和加工工艺进行科学评价，以此判断是 否需要重新进行优化。
权利要求
1.一种大型曲轴车床的动态力学性能仿真方法，其特征在于具体步骤是(1)建立三维几何模型运用Pro/E软件建立曲轴车床的床身、头架、曲轴三维几何模型，构筑虚拟样机系统；(2)单元网格的划分在Pro/MECHANICA模块中，对几何模型进行物理建模，包括物理特性和边界条件的设置，在物理建模满足实际条件后，对模型进行单元网格的划分；(3)模型的模态分析单元网格划分完成后，进行模态分析；(4)模型的动态分析模态分析完成后，在Pro/MECHANICA的模块中，首先进行测量点的设置，以及激振力大小与方向的设置，然后对模型进行性能仿真分析(5)评判模型根据动态分析结果，对模型进行评价，如果模型的结构或加工工艺不合理，做相应的改进并继续作优化分析，直到符合要求为止。
2. 根据权利要求1所述的大型曲轴车床的动态力学性能仿真方法， 其特征在于所述模型的模态分析方式采用单通道模式或者多通道模式。
3.根据权利要求1所述的大型曲轴车床的动态力学性能仿真方法，其特征在于所述模型的动态分析中作出一个体积块，用于满足小面 积直接受力来反映切削力的实际作用。
全文摘要
本发明涉及一种大型曲轴车床的动态力学性能仿真分析方法，具体步骤是在三维软件中建立模型，构筑虚拟样机系统包括床身，床头箱，中心支架，曲轴等；在仿真分析模块中对模型进行物理条件的设置，单元格的划分，模态的分析，以及振动响应的分析。根据分析的结果对曲轴系统进行合理的评价。如果结构不合理，还需要进行结构优化。同时，也可根据分析的结果，对曲轴的转速做出调整以避开共振区域。运用这种方法，对曲轴的振动位移作出了分析，进而对整个模型的加工状态和加工工艺进行科学评价。本发明在加工之前，就可以模拟出最优的结构和最佳的加工方式。为现实的生产带来了具体的指导意义，同时也节约了成本，提高了产品质量，增强了竞争力。
文档编号G06F17/50GK101630338SQ200910046280
公开日2010年1月20日 申请日期2009年2月18日 优先权日2009年2月18日
发明者梁景兵, 汪中厚, 曾 范, 谢云波, 赵东升 申请人:上海理工大学