特大型船用曲轴曲柄锻造工艺优化研究study on the process .pdf

特大型船用曲轴曲柄锻造工艺优化研究 [胡金华] [燕山大学机械工程学院塑性成形系，066004] [ 摘 要 ] 针对曲柄弯锻过程中的典型缺陷，采用基于监控技术的约束变尺度法优化程序 OPTIII，将 ANSYS /LSDYNA 作为有限元子程序调用，对曲柄弯曲锻造所用毛坯形状进行了优化计算， 以弄清曲柄弯曲锻造的成形机理以及获得合理形状的毛坯。最后，进行了工艺试验。数值模拟 结果与试验结果比较吻合。 [ 关键词 ] 曲轴; 锻造; 优化; 有限元分析; ANSYS Study on the Process Optimization of Large-scale Crankshafts [Hu Jinhua] [Yanshan University, 066004] [ Abstract ] Aiming at the typical defection produced by the bending forging process, an optimization program, i.e. OPTIII, which was developed based on the constrained variational metric method, was used to implement the shape optimization for the billet. Herein, ANSYS/LSDYNA was called as a subroutine. Finally, the experimental testing was carried out. The results between the simulation and the testing agreed very well. [ Keyword ] Crankshaft Forging Optimization FEA ANSYS 1 前言 特大型船用曲轴，受冶炼和锻造能力的限制无法生产整体式曲轴，需要采用组合法生 产，而组合式曲轴生产的难点在于曲柄部件的制造。一般地，大型曲柄有块锻法、环锻法、 模锻法、镦锻法和弯锻法等五种锻造方法。通过对这几种锻造方法在生产成本、产品质量 和设备需求等方面的综合比较，决定选用弯锻法锻制曲柄。文献[2]采用 1:2 的比例对这种 大型曲柄进行了模拟试验研究，试验基本成功，但是仍然存在一定的问题。图 1 为某船用 曲轴图。 本文通过大量的数值试验，并对曲柄弯曲锻造所用毛坯形状进行优化计算，以弄清曲 柄弯曲锻造的成形机理以及获得合理形状的毛坯。 曲轴 曲柄 图 1 某船用曲轴图[1] 2 曲柄弯锻工艺优化设计 对于弯锻成形工艺，曲柄毛坯上表面不能简单地采用直线形状，否则将导致多种缺陷。 下面将采用优化的方法对这个问题进行研究。 2.1 问题描述 本节采用基于监控技术的约束变尺度法优化程序 OPTIII[3-11]，基于 ANSYS APDL 语言 编制了二维网格重划分程序，将 ANSYS/LSDYNA 作为有限元子程序调用，对此问题进行 了优化计算。此优化问题不考虑温度效应。这个优化问题具有相当的难度，主要有以下几 个难点：1）有限元计算时间长。调用一次有限元，计算时间长达三、四个小时；2 ）变形 量大，计算过程中需要进行多次网格重划分；3 ）设计变量多。这是个形状优化问题，变量 少了无法准确描述毛坯表面的形状；4 ）两个工步锻造，需要处理好计算中的自动换模具问 题；5 ）数据接口问题。 2.2 优化模型的建立