基于ANSYS順序耦合法對導(dǎo)軌熱特性模擬仿真研究

李志偉

摘? 要：為了準(zhǔn)確揭示導(dǎo)軌在工作時(shí)，環(huán)境溫度對其熱變形的影響，有必要建立導(dǎo)軌在工作狀態(tài)的熱結(jié)構(gòu)仿真模型，并通過順序耦合法分析其熱變形狀態(tài)。模擬仿真結(jié)果顯示：當(dāng)導(dǎo)軌工作環(huán)境溫度從20℃上升至36℃時(shí)，導(dǎo)軌的熱變形量呈左右對稱分布，兩端的最大熱變形量為0.38mm，最小熱變形量為0.35mm，同時(shí)隨著溫度升高變形量繼續(xù)增加，從而降低機(jī)床加工時(shí)的整體穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：順序耦合法;導(dǎo)軌;環(huán)境溫度;熱特性研究

Abstract： In order to accurately reveal the influence of environmental temperature on the thermal deformation of guide rail， it is necessary to establish a thermal structure simulation model of guide rail in working state， and analyze its thermal deformation state by sequence coupling method. The simulation results show that when the working environment temperature of the guideway rises from 20℃ to 36℃， the thermal deformation of the guideway is symmetrically distributed left and right， the maximum thermal deformation of the two ends is 0.38mm， the minimum thermal deformation is 0.35mm， and the deformation continues to increase with the increase of temperature， so as to reduce the overall stability of the machine tool during processing.

引言

采用順序耦合法針對實(shí)際情況分析，若對機(jī)床整體模型進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，將耗時(shí)耗力，同時(shí)在分析過程中各系統(tǒng)易產(chǎn)生相關(guān)干涉現(xiàn)象，造成熱特性瞬態(tài)分析產(chǎn)生誤差。由于導(dǎo)軌決定著主軸箱X向的運(yùn)動(dòng)，其在工作時(shí)易受環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致精度的降低，因此有必要利用熱結(jié)構(gòu)順序耦合法對機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行熱特性研究。

1 ANSYS實(shí)體模型

為真實(shí)揭示導(dǎo)軌工況狀態(tài)下因熱量發(fā)生變形狀況，有必要根據(jù)ANSYS熱結(jié)構(gòu)耦合模塊對導(dǎo)軌進(jìn)行工作環(huán)境下的熱誤差研究。由于導(dǎo)軌組成復(fù)雜、體積大，若按照常規(guī)正常分析，利用規(guī)則形體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，會(huì)在分析中產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致分析失效。為保證準(zhǔn)確使用ANSYS模塊中的70號單元形體，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對特殊形狀、且體積大的部件使用70號單元形體，在網(wǎng)格劃分時(shí)效果較好，因此導(dǎo)軌采用上述單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。而且為保證整體質(zhì)量，需對導(dǎo)軌局部進(jìn)行調(diào)整，以便獲得較好的實(shí)體模型，便于后續(xù)加載分析。

2 導(dǎo)軌工作環(huán)境的熱-結(jié)構(gòu)順序耦合研究

設(shè)備工作時(shí)，導(dǎo)軌的工作溫度一般處于室溫狀態(tài)下，且冷卻條件不理想，為保證分析的準(zhǔn)確性暫不考慮熱輻射影響。導(dǎo)軌的熱傳播形式有兩種熱傳導(dǎo)及熱對流，所以應(yīng)以導(dǎo)軌的熱源和對流系數(shù)為研究重點(diǎn)，通過分析得到導(dǎo)軌在該條件下的熱特性。

2.1 導(dǎo)軌熱載荷研究

設(shè)備在加工過程中，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)及潤滑條件惡劣，導(dǎo)軌磨損嚴(yán)重，所以功率存在消耗，只有部分功率能轉(zhuǎn)化成驅(qū)使主軸X方向移動(dòng)的有用功率，同時(shí)一部分損失的功率以熱傳導(dǎo)的狀態(tài)傳遞給設(shè)備其他零件。若假設(shè)導(dǎo)軌消耗的功率都能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚瑒t理論上熱量的生成率為：

其中，Vm為導(dǎo)軌相應(yīng)的計(jì)算體積，單位：m3 設(shè)機(jī)床導(dǎo)軌工作電機(jī)的總功率為42kW，有效效率為0.86，通過公式計(jì)算得出導(dǎo)軌工作電機(jī)的總生成熱量為33125w/m3。

2.2 對應(yīng)導(dǎo)軌溫度環(huán)境加載計(jì)算

（1）導(dǎo)軌工作平面對流換熱有效性分析

在工作狀態(tài)中導(dǎo)軌的表面和空氣時(shí)刻都進(jìn)行著熱交換，這種方式對導(dǎo)軌的降溫效果不明顯。因此在實(shí)際中為提高效率，普遍會(huì)使用強(qiáng)制冷卻對導(dǎo)軌進(jìn)行降溫處理，以消除發(fā)熱產(chǎn)生的熱變形。由于導(dǎo)軌表面與空氣的對流狀態(tài)具有多重性，即有對流散熱，同時(shí)也有熱輻射與熱傳遞，針對這種復(fù)雜情況，為了保證分析的準(zhǔn)確性，需采用理論經(jīng)驗(yàn)分析公式，計(jì)算導(dǎo)軌的熱對流交換系數(shù)。具體公式為：

（2）對流換熱有效性計(jì)算

當(dāng)導(dǎo)軌處于移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)軌表面相對于機(jī)床的對流換熱方式有很大的差異，機(jī)床表面的對流換熱為自然對流散熱，而導(dǎo)軌表面屬于強(qiáng)迫式對流散熱，基于兩種散熱方式的本質(zhì)區(qū)別，且導(dǎo)軌在工況時(shí)移動(dòng)相對緩慢，因此根據(jù)熱傳導(dǎo)學(xué)原理，對導(dǎo)軌的對流換熱計(jì)算，通常利用空氣縱掠平板的特殊方式進(jìn)行針對性分析。

層流臨界狀態(tài)換熱計(jì)算：

3 導(dǎo)軌的熱特性模擬仿真分析

將上述分析得到的導(dǎo)軌臨界狀態(tài)條件施加至對應(yīng)的ANSYS模型，在工況下不考慮機(jī)床整體的散熱性能對導(dǎo)軌熱特性的影響，將環(huán)境溫度由20℃升高到36℃，研究該溫度條件下，導(dǎo)軌的熱特性變化，同時(shí)得到相應(yīng)的模擬分析溫度場云圖。

由研究能夠得出，當(dāng)環(huán)境溫度增加，導(dǎo)軌整體的溫度場也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的細(xì)微變化，但變化效果并不顯著，只有個(gè)別部位溫度場有明顯改變，如導(dǎo)軌與設(shè)備連接處，出現(xiàn)這種狀況主要是由于導(dǎo)軌移動(dòng)影響著主軸X向運(yùn)動(dòng)與工件表面的相對位置，因?yàn)橐苿?dòng)頻率的增加，產(chǎn)生的熱量隨之升高。為了能夠準(zhǔn)確分析導(dǎo)軌的熱特性狀態(tài)，在分析模型內(nèi)模擬導(dǎo)軌在不同溫度時(shí)的熱變形狀態(tài)。

分析得出，導(dǎo)軌上端的熱變形偏大，底部熱變形相對穩(wěn)定，熱變形量呈上大下小的趨勢。由于導(dǎo)軌的最大變形發(fā)生在上部，發(fā)生這種情況的原因，可能是由于主軸箱工作部位一般處于導(dǎo)軌上部較多，導(dǎo)致工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞至主軸箱上半部分，而導(dǎo)軌下部與十字滑塊連接，熱量傳遞較慢，所以引起的熱變形較小。通過導(dǎo)軌熱變形仿真分析還能夠得出，導(dǎo)軌的熱變形量隨環(huán)境溫度增加及工作狀態(tài)持續(xù)，熱變形將逐漸增大，同時(shí)要考慮導(dǎo)軌的散熱問題。由于導(dǎo)軌直線度誤差是分析機(jī)床的可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，若導(dǎo)軌直線度降低會(huì)影響機(jī)床工作時(shí)的定位準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

當(dāng)環(huán)境溫度從20℃變化到36℃，通過位移云圖的顏色可以看出，十字滑塊最大的熱變形出現(xiàn)在四個(gè)邊角，熱變形最小的部位也是出現(xiàn)在十字滑塊底部靠近導(dǎo)軌的部位。從整個(gè)熱變形圖可以得知，十字滑塊外圈的熱變形量大，越往中心熱變形量越小;頂部熱變形量大，靠近底部熱變形量小。同時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果可以得出，導(dǎo)軌的熱變形量呈左右對稱分布，兩端的最大熱變形量為0.38mm，最小熱變形量為0.35mm，并隨著溫度升高變形量繼續(xù)增加，在整個(gè)導(dǎo)軌中，有的地方熱變形量大，有的熱變形量小點(diǎn)，但從整個(gè)導(dǎo)軌熱變形量看，它們之間的熱變形量浮動(dòng)都相對較小，最大與最小熱變形之間相差0.03mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]陽江源.數(shù)控機(jī)床熱誤差檢測與建模研究[D].大連理工大學(xué)，2010.

[2]閆占輝，于駿一.機(jī)床熱變形的研究現(xiàn)狀[J].吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，03：95-97.

[3]李永祥.數(shù)控機(jī)床熱誤差建模新方法及其應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007：85-89.

[4]陽紅，殷國富，方輝，等.機(jī)床有限元熱分析中對流換熱系數(shù)的計(jì)算方法研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2011，4（43）：242-248.

[5]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010：41-50.