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船用柴油机机体镗削加工残余应力预测研究

摘要

加工残余应力可导致材料内部微裂纹的形成和扩展，从而降低材料的疲劳强度和

抗腐蚀能力，增加结构件的失效风险。船用柴油机是船舶重要设备，主轴承孔作为船

用柴油机机体的关键部件之一，其加工质量直接影响着船用柴油机的整体性能及其长

期的运行可靠性。本文主要针对机体主轴承孔镗削表面残余应力及其变形进行研究，

研究结合了仿真模拟与实验相结合方法，开展加工参数影响表面残余应力和加工变形

的规律研究，并优选了残余应力和变形最小化的切削参数。同时还提出了一种解析与

有限元混合仿真模型，以实现镗削加工中的残余应力的快速分析。本文的主要工作包

括：

（1）船用柴油机机体主轴承孔镗削加工残余应力有限元仿真。利用AdvantEdge软

件对机体镗削加工进行有限元仿真，对比不同切削参数对切削力、切削温度、表面残

余应力的影响，筛选出最佳的加工参数，并通过实验对仿真结果的准确性进行了验证。

（2）船用柴油机主轴承孔残余应力预测研究。通过实验样件的加工，获得了镗削

加工表面残余应力实际分布规律，基于响应面法建立残余应力预测模型。研究了切削

参数对表面残余应力影响的交互作用，通过仿真研究残余应力沿深度方向的分布规律。

（3）基于正交切削理论的二维镗削快速有限元模型研究。为解决三维镗削分析高

计算量和成本问题，首先基于剪切带理论优化了机体材料的Johnson-Cook本构参数。

然后基于正交切削理论建立了切削力预测模型，并利用LMFIT算法对模型进行改进，

提高了预测准确性。最后利用Abaqus软件结合Python语言二次开发，建立了镗削快速

有限元模型，提升仿真效率，通过实验对镗削快速有限元模型的分析结果进行了验证。

（4）基于映射法的镗削残余应力加工变形有限元仿真研究。首先采用应力映射法

结合Abaqus子程序进行有限元仿真，深入研究了镗削残余应力引起的主轴承孔加工变

形，该模型的准确性通过实验得到验证。其次通过结构优化减小加工产生的变形。最

后探讨了切削参数对加工变形的影响规律。

本研究的成果对于船用柴油机机体加工的工艺制定研究具有一定的参考意义，为

机加工残余应力研究相关领域的研究提供了借鉴。

关键词：船用柴油机机体；镗削加工；残余应力；加工变形；有限元仿真

船用柴油机机体镗削加工残余应力预测研究

Abstract

Processingresidualstresscanleadtotheformationandexpansionofmicrocrackswithin

thematerial,thusreducingthefatiguestrengthandcorrosionresistanceofthematerialand

increasingtheriskoffailureofstructuralcomponents.Marinedieselengineisanimportant

equipmentforships,thequalityofmarinedieselenginedirectlyaffectstheperformanceofthe

ship,marinedieselenginebodyisoneofthemainpartsofthemarinedieselengine,especially

needtopayattentionto,themainbearingholesasoneofthekeycomponentsofthemarine

dieselenginebody,themachiningqualityofthemarinedieselenginedirectlyaffectstheoverall

performanceoftheoverallperformanceofthemarinedieselengineanditslong-term

operationalreliability.Thispape