应用有限元法建立两类机床有限元模型对其热特性进行分析与结构优化设计毕业论文(草稿版)

1、.目录摘要.ABSTRACT第一章 绪论1.1 研究的目的和意义1.2 国内外研究现状1.3 主要研究内容第二章摘要现代机械造向着高效率、高速度、高质量和高精度发展，数控车床加工已逐渐成为加工业的发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。机械加工精度的提高也是产品质量控制的重要环节，随着数控车床的广泛的应用，对车床主轴的性能要求日益提高。其中，机床主轴系统的热变形是影响机床加工精度的主要原因之一，因此机床主轴系统的热设计在机床设计中占据重要地位，国内外在该领域的研究虽然取得较大进展，但理论和工程应用的广度和深度还不够。针对主轴在高速运动的过程中产生大量的热量使主轴温度升高，导致主轴变形，从而

2、影响加工精度这一不利因素，因此有必要对主轴热变形进行大量研究，提出补偿措施，提高数控机床的加工精度。其研究内容如下：1. 建立机床主轴的三维CAD模型，通过模型可以形象生动的显示出数控车床主轴的结构。2. 在分析机床主轴内部热源的基础上，建立机床主轴温度场的有限元分析模型。基于有限元对机床主轴温度进行了详细的分析，为CK1416数控机床主轴的热变形奠定了基础。3. 利用ANSYS强大的热分析功能，对车床主轴进行参数化建模并设置好参数，得出稳态温度场分布情况，成功实现了机床主轴热变形分析的目标。关键词：数控车床，主轴系统，建模，有限元分析，温度场，热变形，稳态分析ABSTRACT第一章1.1 研

3、究的目的和意义加工技术具有极其古老的历史，它伴随着人类的诞生而出现，伴随着人类的进步而发展。尤其是在当代，机床工业是国家基础工业的基础，它直接影响到国家各个工业部门的装备自动化水平，劳动生产率的提高和国防现代化的实现。随着生产和科技的迅速发展，机床向高速，高效，高精度和自动化的方向发展。但目前我国由于机床开发理念落后，较少考虑热态和动态，设计出的机床不仅性能差，结构笨重，精度不高，自动化水平低，而且设计周期长，制造成本高，更新换代慢，使得我国生产的高速精密数控机床无法与国外相抗衡。为此，我国数控加工机床制造企业必须尽快将动态和热态的先进设计理念应用到高档高速数控机床开发中去，快速开发出结构合理

4、、加工精度高、自动化水平高、低成本的高速精密数控机床，积极参与国际竞争。提高国家的整体水平。随着加工零件精度要求的提高和产品产量的迅速增长，要求机床产品不断向高精度、高刚度、高速度，自动化的方向发展，所以因此对机床动态性能的要求也越来越高，在这众多因素中，机床的热性能表现的越来越重要，它已成为影响数控机床性能的主要因素之一。据研究表明，机床热变形对加工精度的影响是十分重要的因素之一。就机械加工而言，尤其是在现代高速切削机床中，随着机床转速和零件表面加工质量的提高，切削深度与走刀量一般都比较小，而切削力也不大，所以工艺系统受力变形对加工精度的影响与热变形相比处于次要的地位。因此，减少机床的热变形

5、就成为提高机械加工精度的重要手段。机床在工作过程中，在各种热源的作用下，形成的温度场，导致加工部位发生不同程度的热变形，影响工件与刀具间的相对位移造成加工误差。大量的研究表明，主轴系统运行中所产生的热量是整机热源中最重要的来源之一，由此在引起的机床热变形误差的诸多因素中主轴系统的热变形误差更突出、更明显，主轴系统的热变形对机床的加工精度、表面粗糙度和生产率影响是直接的，已成为进一步提高机床性能的主要制约因素。目前，机床的主轴系统有两类，一类主轴系统的高速回转部分由自带冷却系统的电主轴提供，如高架桥式高速五坐标龙门加工中心，该加工中心主轴系统控制主轴绕X 和Y 旋转，其自身的热误差对加工精度有影

6、响；另一类主轴系统的高速回转部分由没有冷却系统的主轴等部件组成，如CK1416数控车床，该数控车床主轴高速旋转，在机床运行中产生很多热量，是机床主要热源之一，其产生的热变形对加工精度有重要影响。因此，本论文应用有限元法建立两类机床有限元模型，对其热特性进行分析与结构优化设计，以提高高速精密数控的加工精度。1.2 国内外研究现状国际上对机床热变形的理论研究始于20 世纪60 年代,陆续发表了一些有关机床热变形理论方面的文章。开始阶段是利用热工学理论知识研究机床热变形问题,初步建立了温度场与热变形之间的定性关系。直到70 年代初,由于计算机等分析工具和远红外热像仪、激光全息照相等测试技术在热变形研

7、究中的有效应用,使机床热变形研究进入了定量分析的新阶段,开始利用有限差分法和有限元法计算复杂的机床基础件的瞬态、稳态温度场和热变形。在近20年来，特别是90年代以来，随着商品经济的发展，市场竞争越来越激烈，数控切削技术应运而生。随着数控加工机理、数控主轴单元、高加（减）直线进给电机及高性能控制系统等关键技术的发展，为数控加工技术在制造领域的成功应用提供了基本条件。德国切削物理学家萨洛蒙（Carl.Salomon）就对数控切削技术进行了研究。萨洛蒙发现，当切削速度超过某一数值时，随切削速度增大，切削温度不升反降，这与常规速度切削现象相反，而且这一临界速度值与工件材料的特性有关。美国相关机构在上世

8、纪70 年代进行了高速切削实验，结果表明：切削力下降，表面质量提高，加工效率提高3倍左右。其它西方发达国家也在高速加工技术方面做了许多工作，尤其德国，在高速数控加工机床、刀具、控制系统及相关技术方面，均走在世界的前列。日本对于高速加工的机理研究也比较早，并积极地将相关技术应用于制造领域，90年代以来，日本已成为世界上为数不多的主要高速数控机床的供应者之一。我国在20 世纪50 年代就开始了机床热变形的研究，当时大连工学院在一台内圆磨床上定程磨削一批零件并进行测量，应用统计法对零件尺寸误差进行分析，发现机床热变形是引起零件加工误差的主要原因。20 世纪6070 年代，北京机床研究所，上海机床厂等

9、单位对热变形做了大量的研究工作，浙江大学等院校、科研单位对机床热态几何精度超差问题进行了攻关。此后，许多学者在热变形方面做过较深入的研究 ，如清华大学的高赛、曾理江等人提出使用三路单光束干涉仪对机床主轴热误差进行非接触式的实时测量，实验结果表明，该方法快速、准确，测量误差可达到1.0m10。东南大学的郭策博士利用有限元法建立了主轴系统的三维温度场模型，对其进行了详细的热性能分析，在获得主轴系统稳态温度场的基础上，进一步计算出主轴系统在热-力结构耦合条件下的变形。我国在热设计方面虽然取得一些成果，但与国外相比仍有较大差距。目前减少热误差，提高机床加工精度有两种基本方法，第一种是误差预防法，这是一

10、种“硬技术”，其通过改进设计和制造途径消除或减少可能的热误差源，提高制造精度，或者控制温度来满足加工精度要求；第二种是误差补偿技术，人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，是一种既有效又经济的提高机床加工精度的手段。本文采用误差预防法对机床主轴系统进行结构优化，使其散热特性好，提高其加工精度。1.3 主要研究内容本论文研究的目的是结合国内市场急需的若干种高速精密数控机床的开发，以机床主轴系统热态和动态特性的提高为目标，为我国机床制造业上水平提供理论和技术支持。论文以CK1416数控机床主轴系统作为研究对象。建立机床主轴温度场的有限元分析模型。基于有限元对机床主轴温度进行了详细的分析

11、，为CK1416数控机床主轴的热变形奠定了基础。论文着重研究主轴3D建模、温度场和热变形的有限元分析及基于稳态的热变形分析。所得结果是理论上的最优解，所研究的主轴系统具有良好的热态特性。第二章Pro-E及3D建模2.1 Pro-E简介Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在

12、国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。1 参数化设计，相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完

13、全约束，这就是参数化的基本概念。2 基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。3 单一数据库（全相关）Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图

14、有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。2.2 CK1416 数控车床主轴3D建模CK1416数控车床主轴的热特性有限元分析一 Pro-E 和ANSYS简介ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 软件主要包括

15、三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。现主要就ANSYS热分析进行讨论：热分析一般是单独进行的，其后往往还要进行结构分析，计

16、算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。热分析包括以下类型：（1） 相变（融化及凝固），即金属合金在温度变化时的相变，如铁合金中马氏体与奥氏体的转变。（2） 内热源(例如电阻发热)，存在热源问题，例如在加热炉中试件进行加热。（3） 热传导，是热传递的一种方式，当相接处的两物体存在温度差时发生。（4） 热对流，是热传递的一种方式，当存在流体，气体和温度时发生。（5） 热辐射，是热传递的一种方式，只要存在温度差时九发生，可以在真空中进行。二 数控车床主轴设计经查阅资料可得知CK1416车床的主轴的相关尺寸，现如下：三 车床主轴热分析4.1 有限元热分析基础1 传热学经典理论热分析遵循热应力学第一定律，

17、即能量守恒定律：对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出）式中： Q 热量；W 作功；U 系统内能；KE 系统动能；PE 系统势能。对于大多数工程传热问题：KE=PE=0；通常考虑没有做功，W=0，则：Q=U；对于热稳态分析：Q=U=0，即流入系统的热量等于流出的热量；对于瞬态热分析：，即流入或流出的热传递速率q等于系统内能的变化。2 三种基本热传递方式1）热传导当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到低温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方式称为热传导。图 4-1 热传导示意图如图4-1所示，图中左右两表面均维持均匀温度，

18、分别为和， ，热量从左侧平面向右侧平面传递，且满足以下关系式：式中：Q为时间t内的传热量或热流量，K为热传导率或热传导系数，T为温度，A为平面面积，d为两平面之间的距离。上式所表达的即为傅里叶定律，又称为热传导基本定律。2）对流热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在而引起的热量交换。高温物体（如暖气片）表面常常发生对流现象，这是因为高温物体表面附近的空气因受热而膨胀，密度降低并向上流动。与此同时，密度较大的冷空气下降代替原来的受热空气，如图4-2所示。图 4-2 对流示意图热对流可分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：式中：h为对流换热系数（或称为膜传热

19、系数、给热系数、膜系数等），为固体表面的温度，为周围流体的温度。3）热辐射热辐射是指物体发生电磁能，并被其他物体吸收转变为热能的热量交换过程。物体温度越高，单位时间内辐射的热量越多。热传导和热对流都需要传热介质，而热辐射无需任何介质。实质上，真空中的热辐射效率最高。3 热分析材料基本属性与热分析直接相关的材料属性包括：热传导率（Thermal Conductivity），比热容（Specific Heat）、对流换热系数（Convection film coefficient）、焓（Enthalpy）、辐射系数（Emissivity）、生热率（Heat generation rate）。4 边

20、界条件和初始条件为了使得每一个节点的热平衡方程具有唯一解，需要附加一定的边界条件和初始条件，统称为定解条件。1）三类边界条件：（1） 第一类边界条件物体边界上的温度函数已知，用公式表示为：；为物体边界，为已知温度，为已知温度函数。（2） 第二类边界条件物体边界上的热流密度已知，用公式表示为：；Q为热流密度（常数），为热流密度函数。（3） 第三类边界条件与物体相接触的流体介质的温度和换热系数已知，用公式表示为：为流体介质的温度，为换热系数。和可以是常数，也可以是随时间和位置而变化的函数。2）初始条件初始条件是指传热过程开始时物体在整个区域中所具有的温度为已知值，用公式表示为：为已知温度函数。5

21、热载荷ANSYS提供了6种载荷，可以施加在实体模型或单元模型上，包括：温度、热流率、对流、热流密度、生热率和热辐射率。温度：作为第一类边界条件可以施加在有限元模型的节点上，也可以施加在实体模型的关键点、线段及面上。热流率：热流率（Heat Flow）是一种节点集中载荷，只能施加在节点或关键点上，主要用于线单元模型。当温度和热流率同时施加在某一节点上，则ANSYS读取温度值进行计算。对流：对流（Convection）是一种面载荷，用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。热流密度：又称热通量（Heat Flux）,单位为W/。热流密度是一

22、种面载荷，表示通过单位面积的热流率。当通过单位面积的热流率已知时，可以在模型相应的外表面施加热流密度。若输入值为正，则表示热流流过单元；反之，则表示热流流出单元。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS将读取最后施加的面载荷进行计算。建立ANSYS分析模型建立模型包括设定分析作业名和标题，定义单元类型和实常数，定义材料属性，建立几何模型，划分有限元网格几部分。1设定分析作业名和标题1）从实用菜单中选择Utility Menu: FileChange Jobname命令，将打开Change Jobname(修改文件名

23、)对话框，如图4-3示。图 4-3 【修改文件名】对话框2）在Enter new jobname 文本框中输入文字shaftdata ，单击 【OK】按钮，完成文件名的修改。3）从实用菜单中选择Utility Menu: File Change Title 命令，将打开Change Title（修改标题） 对话框，如图4-4。在Enter new title （输入新标题）文本框中输入“shaft analysis”，单击“OK”按钮，完成对标题的指定。图4-4 【修改标题】对话框4）从实用菜单中选择Utility Menu: Plot Replot命令，指定的标题“shaft analysi

24、s”将显示在图形窗口左下角。5）从主菜单中选择Main Menu: Preference 命令，将打开Preference of GUI Filtering（菜单过滤参数选择）对话框，选中Structural复选框，单击“OK”按钮确定。2 定义单元类型有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。其中，单元是由一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵）。节点是空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。信息是通过单元之间的公共节点传递的；自由度用于描述一个物理场的响应特性；有限元分析仅仅求解节点处的自由度值。在对机床主轴热特性的分析中，

25、计算温度场时单元的自由度是温度，而在计算热变形时需要将热分析单元转化为结构分析单元，其自由度为位移。机床主轴热特性分析中，既需要计算温度场，又需要计算热变形，选择的单元必须满足下列条件：I.自由度为温度的热单元；II.具有热传导、对流能力。确定选择SOLID70单元和面接触对CONTA174与TARGE170。SOLID70 是一个有8节点的三维热实体单元，当进行热变形计算分析时，该单元被一个等效的结构单元SOLID45 单元代替，但节点的分布并没有改变。其单元节点分布如图4-5所示。接触对CONTA174与TARGE170是描述面-面接触的三维8节点单元，其具有热和结构的特性，在计算温度场和

26、热变形时，分别打开温度自由度和位移自由度选项。图4-5 SOLID70和SOLID45的节点分布为了避免网格错误较多，且模型结构简单，在本文中最终采用自由网格划分的形式。设置步骤：从主菜单中选择Main Menu :PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，将打开Element Type（单元类型）对话框。如图4-8示。单击Add按钮，将打开Library of Element Type （单元类型库）,如图4-9所示。在对话框左边的列表中选择Solid选项，即选择实体单元类型。在对话框右边的列表中选择Brick 8node 45选项。单击“OK”选项，将添加Brick 8node 45单元