机床主轴系统热特性建模分析及结构优化设计

摘要

本文对机床主轴系统的温度场和热变形的数学模型、热力学建模和修正、边界条件计算、热特性优化设计等方面进行了较系统深入的理论和应用研究,建立了机床主轴系统三维温度场数学模型，并基于弹性力学、热变形基本方程和有限元理论建立了热变形的数学模型;建立了两类机床主轴系统单件及组件的三维CAD模型，并对有限元网格划分和结合面间的热传导系数进行了探讨，在此基础上建立了热特性有限元模型，为CAE分析及结构优化设计奠定了基础;在分析机床主轴系统内部热源、边界条件的基础上，建立了机床主轴系统温度场的有限元模型。基于有限元法对两类机床主轴系统温度场进行了详细的分析，并对CK1416数控车床主轴系统温度场模型进行了修正和实验验证，为进一步计算热变形和热特性优化设计奠定了基础;在确定约束条件和热载荷的基础上，对机床主轴系统的热变形进行了详细的分析，并将两类机床主轴系统的主轴头部的跳动量进行了比较，确定了主轴系统热变形对机床加工精度的影响程度;利用ANSYS自带的优化功能，通过APDL参数化设计语言对CK1416数控机床主轴系统进行参数化建模和结构优化设计，成功的实现了主轴系统热特性和动态特性同时提高的目标。论文成果为机床主轴系统的热设计和动态设计作出了有益的贡献。

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明和使用授权声明

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

第二章机床主轴系统热特性有限元建模

2.1概述

2.2温度场计算的有限单元法

2.2.1温度场基本方程

2.2.2温度场的数学模型及边界条件

2.2.3稳态温度场的有限单元法

2.2.4瞬态温度场的有限单元法

2.3热变形计算的有限单元法

2.3.1有关的基本方程

2.3.2热变形的有限单元法

2.4机床主轴系统有限元模型的建立

2.4.1机床主轴系统三维CAD模型

2.4.2 CAD模型向CAE模型转化

2.4.3单元类型和材料属性

2.4.4网格划分

2.4.5接触热传导率

2.4.6 ANSYS接触问题的计算方法

2.4.7机床主轴系统有限元模型

2.5本章小结

第三章机床主轴系统温度场分析

3.1概述

3.2机床主轴系统热源与发热量的计算

3.2.1机床主轴系统的热源

3.2.2机床主轴系统发热量计算

3.3机床主轴系统热量传递方式及其性能参数

3.3.1机床主轴系统热量传递方式

3.3.2机床主轴系统性能参数

3.4机床主轴系统温度场分析

3.4.1瞬态温度场分析

3.4.2稳态温度场分析

3.5本章小结

第四章机床主轴系统热变形分析

4.1概述

4.2主轴热变形检验标准与轴承等效弹性模量

4.2.1主轴热变形检验标准

4.2.2轴承等效弹性模量

4.3机床主轴系统热变形分析

4.3.1高架桥式高速五坐标龙门加工中心主轴系统热变形分析

4.3.2 CK1416数控车床主轴系统热变形计算

4.4本章小结

第五章机床主轴系统结构优化设计

5.1概述

5.2结构优选设计特点

5.3主轴箱筋板结构优选设计

5.3.1筋板优选设计的确定

5.3.2主轴系统动态设计

5.2.3筋板布局方案优选设计

5.4主轴箱筋板结构优化设计

5.4.1优化设计基本要素

5.4.2主轴箱体筋板结构优化

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1论文的结论

6.2进一步展望

致谢

参考文献

作者简介