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1、基于流-固-熱耦合的電主軸熱特性仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究ResearchonExperimentandSimulationofThermalPropertiesofMotorizedSpindlebasedonFluid-Solid-HeatCoupling學(xué)科專業(yè)：機(jī)械工程研究生：孫振宏指導(dǎo)教師：趙興玉副教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一三年十二月獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得天津大
2、學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)。(保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明)學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日摘要電主
3、軸技術(shù)的應(yīng)用極大的促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，但是電主軸的發(fā)熱問(wèn)題嚴(yán)重制約著精密機(jī)床的加工精度。研究電主軸熱特性，合理控制主軸發(fā)熱，降低主軸熱變形，改善主軸系統(tǒng)應(yīng)力分布，對(duì)電主軸熱特性研究具有重大意義。本文從電主軸的生熱模型，有限元流-固-熱耦合仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試三方面對(duì)電主軸熱特性進(jìn)行研究，主要工作如下：通過(guò)對(duì)電主軸的熱源研究，分析電主軸的發(fā)熱特點(diǎn)、熱變形機(jī)理和散熱方式。建立兩種電機(jī)生熱模型，分析不同建模方法的適用條件。從軸承生熱經(jīng)驗(yàn)公式入手，綜合考慮主軸功率、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑方式等因素對(duì)軸承生熱的影響，給出切實(shí)可用的計(jì)算依據(jù)。根
4、據(jù)電主軸流-固-熱耦合原理，使用有限元軟件Workbench對(duì)影響電主軸熱特性的主軸轉(zhuǎn)速、冷卻液流量、冷卻液入口溫度、軸承預(yù)緊力等因素進(jìn)行仿真分析。獲得特定工況下，電主軸最佳的冷卻液流量和入口溫度，有限元仿真分析結(jié)果可為電主軸熱平衡設(shè)計(jì)提供依據(jù)。提出一種冷卻系統(tǒng)建模方法和有限元模型簡(jiǎn)化流程，對(duì)不同熱載荷以及邊界條件進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證主軸熱特性有限元分析的準(zhǔn)確性。搭建包括由基于NI溫度與熱變形采集模塊的溫度和熱變形測(cè)試系統(tǒng)、紅外熱像儀、應(yīng)力/應(yīng)變儀測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)的主軸熱特性測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)電主軸熱特性實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試電主軸系統(tǒng)的溫
5、度場(chǎng)分布，主軸熱變形規(guī)律和熱應(yīng)力分布特點(diǎn)，掌握不同工況下電主軸的冷卻策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元仿真結(jié)論對(duì)比分析，驗(yàn)證有限元仿真分析的合理性與有效性。上述研究方法和研究結(jié)果可以應(yīng)用于電主軸熱平衡設(shè)計(jì)和電主軸的熱特性研究。關(guān)鍵詞：電主軸熱特性生熱模型耦合分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試IABSTRACTTheapplicationofmotorizedspindletechnologyhasgreatlycontributedtothedevelopmentofmachinetoolindustry,butthegeneratingheatin
6、gproblemofmotorizedspindleseriouslyinfluencesthemachineaccuracy.Reasonablycontrollingthespindlegeneratingheat,reducingthespindlethermaldeformation,andimprovingthespindlestressdistributionareofimportantsignificancetoimprovementofthethermalcharacteristicsofmotorize
7、dspindle.Theresearchonmotorizedspindlethermalcharacteristicsincludesthreeaspects:heatmodelingofspindle,FEMsimulationandmotorizedspindletest.Thefollowingresearchworkshavebeencompleted.Thethermalcharacteristicsofspindle,thermaldeformationtheoryandcoolingmodewereana
8、lyzedfromtheresearchingofspindleheatsource.Twokindsofmotorheatmodelwereestablished,anddifferentboundaryconditionswereintroducedforthemodelingmethod.Spindlepowe
