面向可靠性虚拟分析的加工中心主轴热特性计算

摘要

加工中心因其结构与控制的复杂性，其可靠性常难以保证，而传统的可靠性试验存在成本高、效率低等不足，因此通过构建虚拟样机，利用计算机的强大计算能力，低成本而又高效地获得可靠性测试结果，已经成为必然的选择。本文以NBP1100型立式加工中心主轴为研究对象，对其可靠性虚拟样机建模理论进行深入研究，完成可靠性虚拟样机的建立，并分析了热特性对其可靠性的影响。
　　首先，根据NBP1100型立式加工中心及其主轴的结构和特点，研究了FFS（Function功能-Fault故障-Structure结构）树结构化解析方法，以功能分解为核心的建树原则，结合具体的加工实例从功能、故障和结构三个维度分别划分成不同的级别，建立层次化树形网络结构模型，并以此为基础建立了主轴在加工过程中的可靠性评估模型。
　　其次，依据FFS树及其各层间的逻辑关系，提出可靠性虚拟样机的建模要求，利用Pro/Engineer软件建立了主轴各个元结构的三维模型，并根据可靠性分析情况进行变型设计，简化为元单元模型，通过虚拟装配完成了主轴可靠性虚拟样机的建模。
　　然后，通过建立的虚拟样机模型，利用有限元法对加工中心主轴进行了热特性分析。分析了主轴热载荷和边界条件，确定了轴承发热强度、切削生热功率和对流换热系数的计算方法，在此基础上完成了空转和切削状态下的温度场和热变形分析，并通过试验实际测量来验证有限元模型的准确性。
　　最后，利用ANSYS软件的可靠性模拟系统，对主轴的热特性进行了可靠性分析。确定了输入变量的分布类型和特性参数，分析了随机变量样本的分布情况，得到了输出变量的累积分布函数和失效概率。根据灵敏度图可以得出影响主轴热特性的重要变量，按照相应的散点图提出提高主轴热可靠性的方法和建议。

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1 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 加工中心可靠性相关研究

1.3 虚拟样机技术研究现状

1.4 本文研究的主要内容

1.5 本章小结

2 面向可靠性虚拟分析的加工中心主轴结构化解析

2.1 引言

2.2 NBP1100型立式加工中心及其主轴概况

2.3 主轴FFS树结构化分解模型

2.4 主轴系统可靠性评估模型

2.5 本章小结

3 加工中心主轴热可靠性分析的虚拟样机建模

3.1 引言

3.2 虚拟样机技术概述

3.3 可靠性虚拟样机建模

3.4 基于虚拟样机的可靠性分析方法

3.5 本章小结

4 基于确定参数的加工中心主轴热特性计算

4.1 引言

4.2 ANSYS热分析基本理论

4.3 主轴系统热载荷和边界条件

4.4 主轴系统有限元模型

4.5 主轴系统热特性计算

4.6 主轴系统热特性的试验

4.7 本章小结

5 参数概率化的加工中心主轴热可靠性分析

5.1 引言

5.2 基于虚拟样机的可靠性分析平台

5.3 可靠性分析方法

5.4 主轴系统热可靠性分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

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