摘 要：对于船用大型曲轴的加工，其工件中心的检测和调整是保证回转精度和刚度的关键。为保证曲轴的加工精度，必须研发随主轴颈各中心微动调整自动补偿功能的中心架。
关键词：曲轴；中心架；有限元建模
1 引言
曲轴加工用中心架具有负载大，载荷惯量变化等特点，必须采用中心架来保证高的回转精度和刚度。由于曲轴的各主轴颈是用多个主轴颈组装而成，组装后的各主轴颈中心线不是同心的；所以在中心架设计时，进行结构建模、结构受力分析。
2 曲轴中心架的有限元分析计算
中心架由上下两部分组成，中心架为开式设计，带有3个支承，外部张角45度；支撑刚度是中心架设计的关键，其上体宽度仅有140mm，且内部中空，为典型的低刚度结构，所以必须对其进行静力分析，计算出中心架各部位应力及刚度分部情况，找出结构薄弱部位。
（1） 中心架静力分析有限元建模
模型处理
（a）将在UG软件中建立的三维简化的中心架装配体模型导入有限元分析软件ANSYS；（b）忽略温度对中心架结构变形的影响；（c）不考虑传动齿轮作用引起的中心架结构应力及变形；（d）对中心架各零件间的结合面进行简化处理，在承载过程中，组成中心架的各零件在稳态下保持相对静止，各零件之间通过粘接（GLUE）来连接。
网格划分
根据中心架的结构特点，并考虑计算精度以及计算机的计算能力，选用10节点的三维solid92块单元，采用smartsize4对中心架各组成零部件进行网格划分。根据零件的材料设置相应的材料属性（中心架上下体的结合处由于采用GLUE连接，增加了结合处的连接刚度，为了更好的模拟真实情况，抵消由于GLUE带来的结构刚度的增加，特将中心架上下体材料的弹性模量降低1/5。
当有限元网格划分完成后，还必须对整个网格模型进行检查，查看有无自由单元边、重复单元以及过度畸形单元，从而保证计算结果的真实性。所划分网格的节点数为823645个，单元数为579216个，中心架有限元模型如图1所示。
载荷与边界条件
中心架在承载过程中，中心架下体与床身导轨的结合面保持固定不动，对此结合面所有自由度进行约束，即限制其X、Y和Z三个方向的移动自由度和转动自由度。
对各部件施加重力，通过设定重力加速度来实现，在中心架的有限元模型中，重力加速度沿Z轴正向。
每个中心架承重25吨，三个支承滑块受力均等，则每个滑块支撑力为：
由于支承滑块材料为巴氏合金，质地软、强度低，在承载过程中曲轴与支承滑块为面接触，最大承载曲轴直径Φ630mm，滑块上顶面宽度为78mm，假设滑块的上顶面全部参与承载，则承载面积为 。 三个滑块平均承载压力为：P=15.076mpa，把三个滑块所受的压力加到有限元模型对应的面上。
（2） 计算结果与分析
应力分析
中心架等效应力分布云图如图2所示，从图可以看出，中心架的绝大部分区域的等效应力值在0～20.551mpa之间，最大值出现在中间支承丝杠上。除部分区域出现应力集中外，大部分区域的应力分布较为均匀，所有部件的应力均小于自身的屈服强度，整体设计是安全的。
结构变形分析
中心架结构综合变形云图如图2所示，中心架下体大部分区域综合变形在0～0.020377mm之间，变形比较均匀，表明其刚度分布较均匀；中心架左侧支承轴处变形相对较大，表明此处刚度分布薄弱，主要是因为中心架上体左下侧被挖空，造成此处刚度减弱，建议在此处设立加强筋或改变局部结构设计以增加刚度。中间支承轴和右侧支承轴变形比较均匀，表明刚度分布均匀，结构设计合理。
3 结束语
根据中心架结构静态分析的结果，得出中心架的左侧支撑部位变形较大，刚度较弱，经分析知，主要是由中心架上体的左下侧部位刚度较弱引起，需对此部位结构进行适当改进，以提高中心架左侧支撑的刚度。
参考文献
1.唐金松，简明机械设计手册（M），上海：上海科学技术出版社，2009
2.王新敏，李义强，许宏伟，ANSYS结构分析单元与应用（M），北京：人民交通出版社，2011
3.闻邦椿，机械设计手册03-04
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