大型金属结构件热变形规律的实验研究

摘要

热变形对制造装备的影响比较大，温度引起的热变形误差可达加工总误差的70%以上。国内外学者对机械结构件热变形的研究主要通过机床表面温度场测量及误差测量，建立温度场与刀具变形误差之间的关系。但是在这些研究中很少涉及到重型机床大型金属结构件变形方面的研究，由于重型机床受力复杂、热源多、结构尺寸大等导致变形复杂，很难建立准确的温度场和变形场之间的解析表达式。因此，本论文以重型机床大型金属结构件为对象，通过实验研究局部热源作用下的大型金属结构件热源传播规律与热变形之间的关系，建立大型金属结构件温度场在空间上的分布规律以及时间上的变化规律与热变形在空间上的分布规律和时间上的变化规律之间的关系表达式。 本文首先根据热传导理论，建立大型金属结构件理论分析模型和导热微分方程，通过有限元法求解结构件在持续加热和周期性加热的过程中，温度场变化规律和热变形规律之间的关系，揭示了热变形场在空间上的分布规律以及时间上的变化规律同温度场在空间上的分布规律和时间上的变化规律是一致的，从而提出可通过温度场间接反映结构件热变形场的变化规律，并开展了相关的实验研究。 搭建了大型金属结构件热变形测试实验平台，验证仿真所揭示的温度场变化规律及热变形规律之间的关系。在温度场的测量方面，引入了光纤光栅传感技术对结构件温度进行测量，这是由于光纤传感技术较传统的电类传感器有如下优势：一线多点、抗电磁干扰、体积小能嵌入到结构内部。实验结果表明：在持续加热和周期性加热过程中，热变形场变化规律与温度场的变化规律之间的关系同仿真结果保持一致。并通过多元线性拟合的方法构建了变形场和温度场之间的关系，该关系式可用于测量该结构件指定位置的变形场。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 大型金属结构件热变形规律研究现状

1.2.1 大型金属结构件热变形规律的理论研究

1.2.2 大型金属结构件热变形规律的实验研究

1.3 论文主要研究内容

第2章 大型金属结构件热传导规律理论分析

2.1 重型机床热源分析

2.2 重型机床大型金属结构件多热源仿真分析

2.3 大型金属结构件热传导微分方程

2.3.1 大型金属结构件热传导分析

2.3.2 热传导边界条件与导热微分方程

2.4 本章小结

第3章 结构件热变形规律仿真分析

3.1 结构件仿真模型与热载荷分析

3.1.1 结构件热变形仿真模型

3.1.2 热载荷与热特性参数

3.2 结构件温度场传播规律仿真分析

3.2.1 持续加热2小时温度场仿真分析

3.2.2 周期性加热4小时温度场仿真分析

3.3 结构件热变形规律仿真分析

3.3.1 持续加热2小时热变形规律仿真分析

3.3.2 周期性加热4小时热变形规律仿真分析

3.3.3 温度场与热变形场之间的关系

3.4 本章小结

第4章 结构件热变形规律实验研究

4.1 实验装置与实验目的

4.1.1 实验目的

4.1.2 实验装置

4.2 实验结果分析与讨论

4.2.1 结构件温度测量

4.2.2 结构件热变形测量

4.2.3 温度场变化规律同热变形场变化规律

4.3 结构件温度与热变形规律研究

4.3.1 结构件温度传播规律

4.3.2 结构件热变形规律

4.3.3 结构件温度场同热变形场之间的关系

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文