畢業(yè)論文(草稿版)

1、目錄摘要.ABSTRACT第一章 緒論1.1 研究的目的和意義1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3 主要研究?jī)?nèi)容第二章摘要現(xiàn)代機(jī)械造向著高效率、高速度、高質(zhì)量和高精度發(fā)展，數(shù)控車(chē)床加工已逐漸成為加工業(yè)的發(fā)展方向，并成為提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)械加工精度的提高也是產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，隨著數(shù)控車(chē)床的廣泛的應(yīng)用，對(duì)車(chē)床主軸的性能要求日益提高。其中，機(jī)床主軸系統(tǒng)的熱變形是影響機(jī)床加工精度的主要原因之一，因此機(jī)床主軸系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)在機(jī)床設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位，國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究雖然取得較大進(jìn)展，但理論和工程應(yīng)用的廣度和深度還不夠。針對(duì)主軸在高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量使主軸溫度升高，導(dǎo)致主軸變形，從而影

2、響加工精度這一不利因素，因此有必要對(duì)主軸熱變形進(jìn)行大量研究，提出補(bǔ)償措施，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。其研究?jī)?nèi)容如下：1. 建立機(jī)床主軸的三維CAD模型，通過(guò)模型可以形象生動(dòng)的顯示出數(shù)控車(chē)床主軸的結(jié)構(gòu)。2. 在分析機(jī)床主軸內(nèi)部熱源的基礎(chǔ)上，建立機(jī)床主軸溫度場(chǎng)的有限元分析模型?；谟邢拊獙?duì)機(jī)床主軸溫度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為CK1416數(shù)控機(jī)床主軸的熱變形奠定了基礎(chǔ)。3. 利用ANSYS強(qiáng)大的熱分析功能，對(duì)車(chē)床主軸進(jìn)行參數(shù)化建模并設(shè)置好參數(shù)，得出穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布情況，成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主軸熱變形分析的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床，主軸系統(tǒng)，建模，有限元分析，溫度場(chǎng)，熱變形，穩(wěn)態(tài)分析ABSTRACT第一章1.1 研究

3、的目的和意義加工技術(shù)具有極其古老的歷史，它伴隨著人類(lèi)的誕生而出現(xiàn)，伴隨著人類(lèi)的進(jìn)步而發(fā)展。尤其是在當(dāng)代，機(jī)床工業(yè)是國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)的基礎(chǔ)，它直接影響到國(guó)家各個(gè)工業(yè)部門(mén)的裝備自動(dòng)化水平，勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和國(guó)防現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。隨著生產(chǎn)和科技的迅速發(fā)展，機(jī)床向高速，高效，高精度和自動(dòng)化的方向發(fā)展。但目前我國(guó)由于機(jī)床開(kāi)發(fā)理念落后，較少考慮熱態(tài)和動(dòng)態(tài)，設(shè)計(jì)出的機(jī)床不僅性能差，結(jié)構(gòu)笨重，精度不高，自動(dòng)化水平低，而且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高，更新?lián)Q代慢，使得我國(guó)生產(chǎn)的高速精密數(shù)控機(jī)床無(wú)法與國(guó)外相抗衡。為此，我國(guó)數(shù)控加工機(jī)床制造企業(yè)必須盡快將動(dòng)態(tài)和熱態(tài)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到高檔高速數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)中去，快速開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)合理、

4、加工精度高、自動(dòng)化水平高、低成本的高速精密數(shù)控機(jī)床，積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。提高國(guó)家的整體水平。隨著加工零件精度要求的提高和產(chǎn)品產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)，要求機(jī)床產(chǎn)品不斷向高精度、高剛度、高速度，自動(dòng)化的方向發(fā)展，所以因此對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的要求也越來(lái)越高，在這眾多因素中，機(jī)床的熱性能表現(xiàn)的越來(lái)越重要，它已成為影響數(shù)控機(jī)床性能的主要因素之一。據(jù)研究表明，機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響是十分重要的因素之一。就機(jī)械加工而言，尤其是在現(xiàn)代高速切削機(jī)床中，隨著機(jī)床轉(zhuǎn)速和零件表面加工質(zhì)量的提高，切削深度與走刀量一般都比較小，而切削力也不大，所以工藝系統(tǒng)受力變形對(duì)加工精度的影響與熱變形相比處于次要的地位。因此，減少機(jī)床的熱變形就

5、成為提高機(jī)械加工精度的重要手段。機(jī)床在工作過(guò)程中，在各種熱源的作用下，形成的溫度場(chǎng)，導(dǎo)致加工部位發(fā)生不同程度的熱變形，影響工件與刀具間的相對(duì)位移造成加工誤差。大量的研究表明，主軸系統(tǒng)運(yùn)行中所產(chǎn)生的熱量是整機(jī)熱源中最重要的來(lái)源之一，由此在引起的機(jī)床熱變形誤差的諸多因素中主軸系統(tǒng)的熱變形誤差更突出、更明顯，主軸系統(tǒng)的熱變形對(duì)機(jī)床的加工精度、表面粗糙度和生產(chǎn)率影響是直接的，已成為進(jìn)一步提高機(jī)床性能的主要制約因素。目前，機(jī)床的主軸系統(tǒng)有兩類(lèi)，一類(lèi)主軸系統(tǒng)的高速回轉(zhuǎn)部分由自帶冷卻系統(tǒng)的電主軸提供，如高架橋式高速五坐標(biāo)龍門(mén)加工中心，該加工中心主軸系統(tǒng)控制主軸繞X 和Y 旋轉(zhuǎn)，其自身的熱誤差對(duì)加工精度有影響

6、；另一類(lèi)主軸系統(tǒng)的高速回轉(zhuǎn)部分由沒(méi)有冷卻系統(tǒng)的主軸等部件組成，如CK1416數(shù)控車(chē)床，該數(shù)控車(chē)床主軸高速旋轉(zhuǎn)，在機(jī)床運(yùn)行中產(chǎn)生很多熱量，是機(jī)床主要熱源之一，其產(chǎn)生的熱變形對(duì)加工精度有重要影響。因此，本論文應(yīng)用有限元法建立兩類(lèi)機(jī)床有限元模型，對(duì)其熱特性進(jìn)行分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高高速精密數(shù)控的加工精度。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)際上對(duì)機(jī)床熱變形的理論研究始于20 世紀(jì)60 年代,陸續(xù)發(fā)表了一些有關(guān)機(jī)床熱變形理論方面的文章。開(kāi)始階段是利用熱工學(xué)理論知識(shí)研究機(jī)床熱變形問(wèn)題,初步建立了溫度場(chǎng)與熱變形之間的定性關(guān)系。直到70 年代初,由于計(jì)算機(jī)等分析工具和遠(yuǎn)紅外熱像儀、激光全息照相等測(cè)試技術(shù)在熱變形研究

7、中的有效應(yīng)用,使機(jī)床熱變形研究進(jìn)入了定量分析的新階段,開(kāi)始利用有限差分法和有限元法計(jì)算復(fù)雜的機(jī)床基礎(chǔ)件的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和熱變形。在近20年來(lái)，特別是90年代以來(lái)，隨著商品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，數(shù)控切削技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著數(shù)控加工機(jī)理、數(shù)控主軸單元、高加（減）直線進(jìn)給電機(jī)及高性能控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)控加工技術(shù)在制造領(lǐng)域的成功應(yīng)用提供了基本條件。德國(guó)切削物理學(xué)家薩洛蒙（Carl.Salomon）就對(duì)數(shù)控切削技術(shù)進(jìn)行了研究。薩洛蒙發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，隨切削速度增大，切削溫度不升反降，這與常規(guī)速度切削現(xiàn)象相反，而且這一臨界速度值與工件材料的特性有關(guān)。美國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)在上世紀(jì)

8、70 年代進(jìn)行了高速切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：切削力下降，表面質(zhì)量提高，加工效率提高3倍左右。其它西方發(fā)達(dá)國(guó)家也在高速加工技術(shù)方面做了許多工作，尤其德國(guó)，在高速數(shù)控加工機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)方面，均走在世界的前列。日本對(duì)于高速加工的機(jī)理研究也比較早，并積極地將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于制造領(lǐng)域，90年代以來(lái)，日本已成為世界上為數(shù)不多的主要高速數(shù)控機(jī)床的供應(yīng)者之一。我國(guó)在20 世紀(jì)50 年代就開(kāi)始了機(jī)床熱變形的研究，當(dāng)時(shí)大連工學(xué)院在一臺(tái)內(nèi)圓磨床上定程磨削一批零件并進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法對(duì)零件尺寸誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)床熱變形是引起零件加工誤差的主要原因。20 世紀(jì)6070 年代，北京機(jī)床研究所，上海機(jī)床廠等單

9、位對(duì)熱變形做了大量的研究工作，浙江大學(xué)等院校、科研單位對(duì)機(jī)床熱態(tài)幾何精度超差問(wèn)題進(jìn)行了攻關(guān)。此后，許多學(xué)者在熱變形方面做過(guò)較深入的研究 ，如清華大學(xué)的高賽、曾理江等人提出使用三路單光束干涉儀對(duì)機(jī)床主軸熱誤差進(jìn)行非接觸式的實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法快速、準(zhǔn)確，測(cè)量誤差可達(dá)到1.0m10。東南大學(xué)的郭策博士利用有限元法建立了主軸系統(tǒng)的三維溫度場(chǎng)模型，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的熱性能分析，在獲得主軸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算出主軸系統(tǒng)在熱-力結(jié)構(gòu)耦合條件下的變形。我國(guó)在熱設(shè)計(jì)方面雖然取得一些成果，但與國(guó)外相比仍有較大差距。目前減少熱誤差，提高機(jī)床加工精度有兩種基本方法，第一種是誤差預(yù)防法，這是一種

10、“硬技術(shù)”，其通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造途徑消除或減少可能的熱誤差源，提高制造精度，或者控制溫度來(lái)滿足加工精度要求；第二種是誤差補(bǔ)償技術(shù)，人為地造出一種新的誤差去抵消當(dāng)前成為問(wèn)題的原始誤差，是一種既有效又經(jīng)濟(jì)的提高機(jī)床加工精度的手段。本文采用誤差預(yù)防法對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其散熱特性好，提高其加工精度。1.3 主要研究?jī)?nèi)容本論文研究的目的是結(jié)合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)急需的若干種高速精密數(shù)控機(jī)床的開(kāi)發(fā)，以機(jī)床主軸系統(tǒng)熱態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的提高為目標(biāo)，為我國(guó)機(jī)床制造業(yè)上水平提供理論和技術(shù)支持。論文以CK1416數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)作為研究對(duì)象。建立機(jī)床主軸溫度場(chǎng)的有限元分析模型。基于有限元對(duì)機(jī)床主軸溫度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，

11、為CK1416數(shù)控機(jī)床主軸的熱變形奠定了基礎(chǔ)。論文著重研究主軸3D建模、溫度場(chǎng)和熱變形的有限元分析及基于穩(wěn)態(tài)的熱變形分析。所得結(jié)果是理論上的最優(yōu)解，所研究的主軸系統(tǒng)具有良好的熱態(tài)特性。第二章Pro-E及3D建模2.1 Pro-E簡(jiǎn)介Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)

12、內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。1 參數(shù)化設(shè)計(jì)，相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無(wú)論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全

13、約束，這就是參數(shù)化的基本概念。2 基于特征建模Pro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫(huà)草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過(guò)的簡(jiǎn)易和靈活。3 單一數(shù)據(jù)庫(kù)（全相關(guān)）Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門(mén)的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有

14、改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜。2.2 CK1416 數(shù)控車(chē)床主軸3D建模CK1416數(shù)控車(chē)床主軸的熱特性有限元分析一 Pro-E 和ANSYS簡(jiǎn)介ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。 軟件主要包括三

15、個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出?，F(xiàn)主要就ANSYS熱分析進(jìn)行討論：熱分析一般是單獨(dú)進(jìn)行的，其后往往還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算

16、由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應(yīng)力。熱分析包括以下類(lèi)型：（1） 相變（融化及凝固），即金屬合金在溫度變化時(shí)的相變，如鐵合金中馬氏體與奧氏體的轉(zhuǎn)變。（2） 內(nèi)熱源(例如電阻發(fā)熱)，存在熱源問(wèn)題，例如在加熱爐中試件進(jìn)行加熱。（3） 熱傳導(dǎo)，是熱傳遞的一種方式，當(dāng)相接處的兩物體存在溫度差時(shí)發(fā)生。（4） 熱對(duì)流，是熱傳遞的一種方式，當(dāng)存在流體，氣體和溫度時(shí)發(fā)生。（5） 熱輻射，是熱傳遞的一種方式，只要存在溫度差時(shí)九發(fā)生，可以在真空中進(jìn)行。二 數(shù)控車(chē)床主軸設(shè)計(jì)經(jīng)查閱資料可得知CK1416車(chē)床的主軸的相關(guān)尺寸，現(xiàn)如下：三 車(chē)床主軸熱分析4.1 有限元熱分析基礎(chǔ)1 傳熱學(xué)經(jīng)典理論熱分析遵循熱應(yīng)力學(xué)第一定律，即

17、能量守恒定律：對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒(méi)有質(zhì)量的流入或流出）式中： Q 熱量；W 作功；U 系統(tǒng)內(nèi)能；KE 系統(tǒng)動(dòng)能；PE 系統(tǒng)勢(shì)能。對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問(wèn)題：KE=PE=0；通?？紤]沒(méi)有做功，W=0，則：Q=U；對(duì)于熱穩(wěn)態(tài)分析：Q=U=0，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量；對(duì)于瞬態(tài)熱分析：，即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。2 三種基本熱傳遞方式1）熱傳導(dǎo)當(dāng)物體內(nèi)部存在溫差，即存在溫度梯度時(shí)，熱量從物體的高溫部分傳遞到低溫部分；而且不同溫度的物體相互接觸時(shí)熱量會(huì)從高溫物體傳遞到低溫物體。這種熱量傳遞的方式稱為熱傳導(dǎo)。圖 4-1 熱傳導(dǎo)示意圖如圖4-1所示，圖中左右兩表面均維持均勻溫度，分

18、別為和， ，熱量從左側(cè)平面向右側(cè)平面?zhèn)鬟f，且滿足以下關(guān)系式：式中：Q為時(shí)間t內(nèi)的傳熱量或熱流量，K為熱傳導(dǎo)率或熱傳導(dǎo)系數(shù)，T為溫度，A為平面面積，d為兩平面之間的距離。上式所表達(dá)的即為傅里葉定律，又稱為熱傳導(dǎo)基本定律。2）對(duì)流熱對(duì)流是指固體的表面與它周?chē)佑|的流體之間，由于溫差的存在而引起的熱量交換。高溫物體（如暖氣片）表面常常發(fā)生對(duì)流現(xiàn)象，這是因?yàn)楦邷匚矬w表面附近的空氣因受熱而膨脹，密度降低并向上流動(dòng)。與此同時(shí)，密度較大的冷空氣下降代替原來(lái)的受熱空氣，如圖4-2所示。圖 4-2 對(duì)流示意圖熱對(duì)流可分為兩類(lèi)：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來(lái)描述：式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)（或稱為膜傳熱系

19、數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等），為固體表面的溫度，為周?chē)黧w的溫度。3）熱輻射熱輻射是指物體發(fā)生電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒崃拷粨Q過(guò)程。物體溫度越高，單位時(shí)間內(nèi)輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要傳熱介質(zhì)，而熱輻射無(wú)需任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，真空中的熱輻射效率最高。3 熱分析材料基本屬性與熱分析直接相關(guān)的材料屬性包括：熱傳導(dǎo)率（Thermal Conductivity），比熱容（Specific Heat）、對(duì)流換熱系數(shù)（Convection film coefficient）、焓（Enthalpy）、輻射系數(shù)（Emissivity）、生熱率（Heat generation rate）。4 邊界

20、條件和初始條件為了使得每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程具有唯一解，需要附加一定的邊界條件和初始條件，統(tǒng)稱為定解條件。1）三類(lèi)邊界條件：（1） 第一類(lèi)邊界條件物體邊界上的溫度函數(shù)已知，用公式表示為：；為物體邊界，為已知溫度，為已知溫度函數(shù)。（2） 第二類(lèi)邊界條件物體邊界上的熱流密度已知，用公式表示為：；Q為熱流密度（常數(shù)），為熱流密度函數(shù)。（3） 第三類(lèi)邊界條件與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)已知，用公式表示為：為流體介質(zhì)的溫度，為換熱系數(shù)。和可以是常數(shù)，也可以是隨時(shí)間和位置而變化的函數(shù)。2）初始條件初始條件是指?jìng)鳠徇^(guò)程開(kāi)始時(shí)物體在整個(gè)區(qū)域中所具有的溫度為已知值，用公式表示為：為已知溫度函數(shù)。5 熱

21、載荷ANSYS提供了6種載荷，可以施加在實(shí)體模型或單元模型上，包括：溫度、熱流率、對(duì)流、熱流密度、生熱率和熱輻射率。溫度：作為第一類(lèi)邊界條件可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)上，也可以施加在實(shí)體模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線段及面上。熱流率：熱流率（Heat Flow）是一種節(jié)點(diǎn)集中載荷，只能施加在節(jié)點(diǎn)或關(guān)鍵點(diǎn)上，主要用于線單元模型。當(dāng)溫度和熱流率同時(shí)施加在某一節(jié)點(diǎn)上，則ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)流：對(duì)流（Convection）是一種面載荷，用于計(jì)算流體與實(shí)體的熱交換。它可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)及單元上，也可以施加在實(shí)體模型的線段和面上。熱流密度：又稱熱通量（Heat Flux）,單位為W/。熱流密度是一種

22、面載荷，表示通過(guò)單位面積的熱流率。當(dāng)通過(guò)單位面積的熱流率已知時(shí)，可以在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。若輸入值為正，則表示熱流流過(guò)單元；反之，則表示熱流流出單元。它可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)及單元上，也可以施加在實(shí)體模型的線段和面上。熱流密度與對(duì)流可以施加在同一外表面，但ANSYS將讀取最后施加的面載荷進(jìn)行計(jì)算。建立ANSYS分析模型建立模型包括設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題，定義單元類(lèi)型和實(shí)常數(shù)，定義材料屬性，建立幾何模型，劃分有限元網(wǎng)格幾部分。1設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題1）從實(shí)用菜單中選擇Utility Menu: FileChange Jobname命令，將打開(kāi)Change Jobname(修改文件名)

23、對(duì)話框，如圖4-3示。圖 4-3 【修改文件名】對(duì)話框2）在Enter new jobname 文本框中輸入文字shaftdata ，單擊 【OK】按鈕，完成文件名的修改。3）從實(shí)用菜單中選擇Utility Menu: File Change Title 命令，將打開(kāi)Change Title（修改標(biāo)題） 對(duì)話框，如圖4-4。在Enter new title （輸入新標(biāo)題）文本框中輸入“shaft analysis”，單擊“OK”按鈕，完成對(duì)標(biāo)題的指定。圖4-4 【修改標(biāo)題】對(duì)話框4）從實(shí)用菜單中選擇Utility Menu: Plot Replot命令，指定的標(biāo)題“shaft analysis

24、”將顯示在圖形窗口左下角。5）從主菜單中選擇Main Menu: Preference 命令，將打開(kāi)Preference of GUI Filtering（菜單過(guò)濾參數(shù)選擇）對(duì)話框，選中Structural復(fù)選框，單擊“OK”按鈕確定。2 定義單元類(lèi)型有限元模型由一些簡(jiǎn)單形狀的單元組成，單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載荷。其中，單元是由一組節(jié)點(diǎn)自由度間相互作用的數(shù)值、矩陣描述（稱為剛度或系數(shù)矩陣）。節(jié)點(diǎn)是空間中的坐標(biāo)位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。信息是通過(guò)單元之間的公共節(jié)點(diǎn)傳遞的；自由度用于描述一個(gè)物理場(chǎng)的響應(yīng)特性；有限元分析僅僅求解節(jié)點(diǎn)處的自由度值。在對(duì)機(jī)床主軸熱特性的分析中，計(jì)

25、算溫度場(chǎng)時(shí)單元的自由度是溫度，而在計(jì)算熱變形時(shí)需要將熱分析單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元，其自由度為位移。機(jī)床主軸熱特性分析中，既需要計(jì)算溫度場(chǎng)，又需要計(jì)算熱變形，選擇的單元必須滿足下列條件：I.自由度為溫度的熱單元；II.具有熱傳導(dǎo)、對(duì)流能力。確定選擇SOLID70單元和面接觸對(duì)CONTA174與TARGE170。SOLID70 是一個(gè)有8節(jié)點(diǎn)的三維熱實(shí)體單元，當(dāng)進(jìn)行熱變形計(jì)算分析時(shí)，該單元被一個(gè)等效的結(jié)構(gòu)單元SOLID45 單元代替，但節(jié)點(diǎn)的分布并沒(méi)有改變。其單元節(jié)點(diǎn)分布如圖4-5所示。接觸對(duì)CONTA174與TARGE170是描述面-面接觸的三維8節(jié)點(diǎn)單元，其具有熱和結(jié)構(gòu)的特性，在計(jì)算溫度場(chǎng)和熱

26、變形時(shí)，分別打開(kāi)溫度自由度和位移自由度選項(xiàng)。圖4-5 SOLID70和SOLID45的節(jié)點(diǎn)分布為了避免網(wǎng)格錯(cuò)誤較多，且模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在本文中最終采用自由網(wǎng)格劃分的形式。設(shè)置步驟：從主菜單中選擇Main Menu :PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，將打開(kāi)Element Type（單元類(lèi)型）對(duì)話框。如圖4-8示。單擊Add按鈕，將打開(kāi)Library of Element Type （單元類(lèi)型庫(kù)）,如圖4-9所示。在對(duì)話框左邊的列表中選擇Solid選項(xiàng)，即選擇實(shí)體單元類(lèi)型。在對(duì)話框右邊的列表中選擇Brick 8node 45選項(xiàng)。單擊“OK”選項(xiàng)，將添加Brick 8node 45單