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机床主轴系统热变形分析与实验研究

机械设计与制造 2022年第6期376卷 286-289,294页

作者：裴雪巍张爱梅李焕昭刘梦佳郑州大学机械与动力工程学院河南郑州450001

对机床主轴系统的发热与变形情况进行理论与实验研究。对主轴系统进行受力分析,建立三维模型。运用传热原理对机床主轴系统的温度场进行有限元热特性分析,得出机床主轴高速运转下的热变形的仿真结果,机床主轴系统最右端轴向伸长3μm,上... 详细信息

对机床主轴系统的发热与变形情况进行理论与实验研究。对主轴系统进行受力分析,建立三维模型。运用传热原理对机床主轴系统的温度场进行有限元热特性分析,得出机床主轴高速运转下的热变形的仿真结果,机床主轴系统最右端轴向伸长3μm,上翘9.1μm。在此基础上开展实验,借助红外温度传感器与位移传感器测得机床主轴系统的热变形,验证了有限元分析得合理性,为下一步的机床热误差补偿提供必备的条件。该机床主轴系统的热变形在径向和轴向的差别较大,后续热误差补偿应主要考虑径向变形。

关键词：传热机制有限元法主轴系统热-结构耦合分析测温实验热变形

基于温度场分析的电子脐疗艾灸仪结构设计与优化

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基于温度场分析的电子脐疗艾灸仪结构设计与优化

作者：宋瑞兰济南大学

学位级别：硕士

艾灸是传统的中医外治疗法,在许多疾病的预防和治疗中具有神奇的疗效,但传统艾灸操作时存在耗费人力、污染环境、易灼伤皮肤等弊端,针对这些弊端,开始研制新型现代艾灸仪。现代艾灸仪为结合传统中医理论、计算机和传感器等多元化技术的... 详细信息

艾灸是传统的中医外治疗法,在许多疾病的预防和治疗中具有神奇的疗效,但传统艾灸操作时存在耗费人力、污染环境、易灼伤皮肤等弊端,针对这些弊端,开始研制新型现代艾灸仪。现代艾灸仪为结合传统中医理论、计算机和传感器等多元化技术的现代医疗仪器,具有操作便捷、无污染、温度和时间可控、便携、轻量化等优点,被认为是新时代下传统艾灸的更新换代。本课题所研究的电子脐疗艾灸仪为基于传统隔药灸脐法（即脐疗）所设计的专门针对肚脐进行艾灸的现代艾灸仪器。本文的主要工作成果如下:1.基于热力学定律、热传递的基本理论和模型中的艾炷阴燃特性,利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对传统隔药灸脐模型进行温度场仿真,以得到艾柱燃烧过程中传统隔药灸脐模型各部分（包括艾柱、面碗和药粉）的温度分布情况,以及五个关键特征点（艾炷顶面中心点、艾炷中心点、艾炷底面中心点、面碗底面圆环半径中心点、药粉底面中心点）的温度曲线,为电子脐疗艾灸仪的结构设计和温度控制提供依据。2.通过以STM32F103C8T6为主控芯片的测温系统搭配K型热电偶探头对传统隔药灸脐模型进行实际测温实验,同时测量五个关键特征点的温度,并绘制相应的温度曲线。综合对比分析仿真与实验所得温度曲线,得到传统隔药灸脐模型中五个关键特征点的最终温度范围。3.以传统隔药灸脐模型温度场分析和测温实验得到的结果为依据,利用专业电子散热分析软件ANSYS Icepak对电子脐疗艾灸仪内部温度场和流场进行仿真,判断艾灸仪作用于皮肤表面的温度与传统隔药灸脐法是否一致、药饼的加热温度是否与艾柱阴燃时传统隔药灸脐模型的温度分布相近、盒体内温度是否符合电子元器件的正常工作温度范围、热量作用点是否集中、药物分子热气流利用率高低等问题。根据艾灸仪内部热环境的仿真结果,逐步对其进行结构优化设计,包括结构改进和材料优化。分别对优化后的艾灸仪进行仿真分析,最终的结果表明,优化后的电子脐疗艾灸仪温度场分布和流场分布均满足要求。

关键词：脐疗电子脐疗艾灸仪温度场仿真测温实验结构优化

重型立式车床转台流固耦合传热数值模拟与实验

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农业机械学报 2014年第7期45卷 292-299页

作者：杨晓冬邵俊鹏穆晓宁朱健哈尔滨理工大学机械动力工程学院哈尔滨150080

采用流固耦合的数值方法研究了重型立式车床转台的耦合传热特性，使传热外边界条件变成内边界条件，更符合实际工况。给出了转速范围在5～50r／min内的空气流场，以及工作台、底座和静压油膜的温度场分布。数值模拟结果表明转速提高使... 详细信息

采用流固耦合的数值方法研究了重型立式车床转台的耦合传热特性，使传热外边界条件变成内边界条件，更符合实际工况。给出了转速范围在5～50r／min内的空气流场，以及工作台、底座和静压油膜的温度场分布。数值模拟结果表明转速提高使静压油膜温度升高，承载能力下降，加强了散热面对流，且高转速时底座的散热量被低估，但散热面温度没有显著升高，加重了工作台和底座热集中。同时，工作台数值模拟结果与红外线热像仪测量数据吻合较好，说明数值模拟结果符合物理原理，扩展了流固耦合传热的应用范围，使立式车床的散热情况分析结果更加可靠和精确。

关键词：立式车床工作台流固耦合对流换热测温实验

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航空发动机帽罩热气膜防冰的加热特性

航空动力学报 2018年第3期33卷 530-539页

作者：柯鹏杨慧赟王俊凯杨春信北京航空航天大学交通科学与工程学院飞机/发动机综合系统安全性北京市重点实验室北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对复合材料帽罩采用的一种热气膜防冰系统,采用计算流体力学方法研究了其内部冲击换热和外部气膜加热效果。发展了二维轴对称计算方法并与全三维计算结果进行了对比,搭建了热气吹风实验台,利用红外测温仪和热电偶测量帽罩温度,验证了... 详细信息

针对复合材料帽罩采用的一种热气膜防冰系统,采用计算流体力学方法研究了其内部冲击换热和外部气膜加热效果。发展了二维轴对称计算方法并与全三维计算结果进行了对比,搭建了热气吹风实验台,利用红外测温仪和热电偶测量帽罩温度,验证了数值计算方法。全面研究了不同射流雷诺数、相对冲击距和气膜缝结构参数对热气加热特性的影响,结果表明:增大射流雷诺数有利于提高内部冲击换热效果和外部气膜加热效果;最佳相对冲击距随射流雷诺数的增大而增大,射流雷诺数为10 000~40 000范围内最佳相对冲击距在5~8内取得;气膜射流能大幅提高缝后外壁面温度,加热效率与气膜缝宽和位置有关,前缘开设的气膜缝还会提升前缘冲击换热效果。

关键词：防冰帽罩计算流体力学测温实验冲击换热气膜加热

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摩擦型机械火花能量的判定方式

消防科学与技术 2018年第9期37卷 1176-1177,1210页

作者：王玥李晋吕东张网张琰公安部天津消防研究所天津300381

利用摩擦型机械火花测试实验装置进行测温实验和引燃实验,对304不锈钢、316不锈钢和45号钢产生的机械火花开展测温实验,对304不锈钢、316不锈钢、45号钢、铝合金、铸铁、黄铜产生的机械火花开展引燃实验,引燃气体为甲烷和乙烯。实验发现... 详细信息

利用摩擦型机械火花测试实验装置进行测温实验和引燃实验,对304不锈钢、316不锈钢和45号钢产生的机械火花开展测温实验,对304不锈钢、316不锈钢、45号钢、铝合金、铸铁、黄铜产生的机械火花开展引燃实验,引燃气体为甲烷和乙烯。实验发现,在测温实验中,304不锈钢热导率最低,故其摩擦区域温度最高,最高温度为582.19℃;45号钢热导率最高,摩擦区域温度最低,最高温度为412.38℃。引燃实验中,相同条件下,只有304不锈钢产生的机械火花可以引燃当量浓度的乙烯,引燃概率为33.3%。根据摩擦区域的温度变化和对可燃气体的引燃能力可以发现,相同条件下,304不锈钢产生机械火花的能量最高。

关键词：机械火花测温实验引燃实验摩擦区域

大功率LED光源散热结构设计及其散热性能研究

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大功率LED光源散热结构设计及其散热性能研究

作者：郭凌曦南京航空航天大学

学位级别：硕士

LED光源的推广应用是照明领域的一场新的革命，其发光效率已突破100lm/W，有望在照明领域占据主导地位。相对于传统的照明光源，其具有寿命长、耗能低、可控性高等众多优点。随着人类对照明越来越高的需求，LED光源朝着大功率、高集成... 详细信息

LED光源的推广应用是照明领域的一场新的革命，其发光效率已突破100lm/W，有望在照明领域占据主导地位。相对于传统的照明光源，其具有寿命长、耗能低、可控性高等众多优点。随着人类对照明越来越高的需求，LED光源朝着大功率、高集成化的方向发展，散热问题成为了制约LED光源发展的核心问题，散热不理想将导致光衰、寿命降低以及可靠性降低等一系列的问题。本文针对LED散热问题，设计并制作了3个肋片散热器实物模型，通过实验研究获得了最佳安装角度;并将平板热管与肋片结合组成均温散热器，搭建了一套可靠的测温实验装置，得到了平板热管的相关特性;设计了一种新型立柱式热换散热器，探索了一套仿真优化设计方法并进行了相关参数的设计，为进一步的实验研究提供了理论模型。本文主要研究成果如下：1.设计制造了3种不同肋片角度的LED用肋片散热器，通过实时测温实验，获得了3种肋片散热器在不同安装角度下与周围环境温度的温差曲线，得到了肋片安装角度对散热性能的影响规律;参考空气流动的理论并通过仿真计算出表面对流换热系数，结果表明，肋片对表面对流换热气流的行径路线形成了不同程度的干扰，当肋片方向垂直于水平面(即与重力场方向一致)时，对流换热气流的流动更加流畅，具有更大的表面对流换热系数，可以获得较优的散热性能。2.基于一维稳态导热理论，设计了一种新型的铜柱热源，并搭建了一套可靠的测温实验装置，该测温系统可以模拟LED芯片阵列产生热量，精确计算输出热流密度，减少实验装置变动产生的误差，结构简单可靠。3.提出将平板热管应用到LED散热领域，将紫铜板与2种不同尺寸的均温板与肋片散热器结合，获得了3种均温肋片散热器;利用本文设计的测温实验装置，获得了各个测温点的温差，测试了均温散热器在不同输入热流密度下的均温性能、均温性响应特性和热阻。4.设计了3种新型热管散热器，提出了相应的充液及抽真空结构与具体方法，对管壳材料与工作介质进行了选择;设计了一种利用铜丝网弯卷制成的丝网吸液芯结构，该结构热阻小、制作简单，并可防止与热管内壁发生位移与脱离。5.仿真研究了变量分别为热管直径d、热管高度H、肋片数量N时的散热器热特性;探索了一套仿真优化设计方法，可在保证芯片证结温小于75℃的情况下，获得体积最小的立柱式热管散热器。

关键词： LED散热肋片安装角度测温实验热源热管散热器仿真优化设计

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干式滚齿切削热传递特性仿真分析及实验研究

干式滚齿切削热传递特性仿真分析及实验研究

作者：王新宇哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

齿轮作为大部分机械设备传递运动和动力的重要基础零件,被广泛应用于制造业各领域。干式滚齿具有速度高、精度高、环保、自动化等优点,是齿轮形成的主要加工工艺,但干式滚齿由于缺少切削油的使用,一直受到切削热的影响。切削热产生后,... 详细信息

齿轮作为大部分机械设备传递运动和动力的重要基础零件,被广泛应用于制造业各领域。干式滚齿具有速度高、精度高、环保、自动化等优点,是齿轮形成的主要加工工艺,但干式滚齿由于缺少切削油的使用,一直受到切削热的影响。切削热产生后,流向切屑、滚刀、工件等载体,最后消散在空气中,该过程为滚齿创造了必要条件,但也造成了刀具的磨损与工件的热变形。因此,切削热对滚齿加工的影响已成为当前干式滚齿工艺不可避免的问题,本文将对干式滚齿切削热传递特性进行有限元仿真分析和实验研究,为延长刀具使用寿命、提高工件加工质量提供理论基础,对实际干式滚齿加工中热调控和热补偿具有重要意义。首先,分析滚齿加工原理和滚齿切削几何特征,基于滚齿多刃断续切削理论,探讨切削热传递关系。以产生、传递与消散为基础,建立切削热产生、传递和消散模型与方程,为后续仿真分析提供理论依据。其次,进行滚刀单齿参数化建模,计算切屑载热量,建立Deform-3D单齿切削仿真模型,探讨不同切屑形貌下切屑载热与进给量的关系,分析切屑传热率随速度和时间的变化规律,讨论切屑作为切削热主要载体的主要原因。再次,基于单齿切削仿真,分析滚刀传热率随速度和时间的变化规律,讨论切削热对滚刀的影响,提出大跨度窜刀方法,提高滚刀使用寿命;基于ANSYS Workbench的热-结构耦合仿真分析方法,建立滚刀-工件部组有限元仿真模型,探讨在热稳态场下的温度分布情况,探究滚刀-工件部组在结构场下的热变形情况,分析滚刀-工件部组的关键点在热瞬态场下的温度变化规律。最后,综合分析并选取切屑、滚刀、滚刀-工件部组的测温方法,进行干式滚齿加工测温实验,测量并计算切屑、滚刀、滚刀-工件部组的温度变化量,对比分析实验和理论数据,论证有限元分析与切削热传递模型的有效性。

关键词：切削热热传递特性有限元仿真干式滚齿测温实验

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脉冲爆轰发动机壁面传热特性研究

脉冲爆轰发动机壁面传热特性研究

作者：倪晓冬南京理工大学

学位级别：硕士

脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine,PDE)作为一种新型推进装置,凭借其热循环效率高、结构简单等特性,成为当今研究热点。在多循环工作过程中,PDE燃烧室管壁的温度不断升高,成为限制其应用的重要因素。近年来,管壁传热问题逐渐成为... 详细信息

脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine,PDE)作为一种新型推进装置,凭借其热循环效率高、结构简单等特性,成为当今研究热点。在多循环工作过程中,PDE燃烧室管壁的温度不断升高,成为限制其应用的重要因素。近年来,管壁传热问题逐渐成为PDE工程研究中必须重视的问题。为了探究PDE燃烧室管壁的传热特性,本文采用CE/SE方法和有限差分法对爆轰燃烧室内流场及其壁面的耦合传热过程进行了数值研究;搭建了相关实验平台,利用快速响应热电偶对燃烧室外壁面温度进行测量,验证了相关数值研究结果。主要内容如下:(1)分别建立考虑壁面传热的轴对称无粘与粘性气液两相爆轰理论模型,采用与模型相对应的CE/SE方法对PDE内流场进行了相关数值计算,分析了燃烧室内流场变化规律。(2)建立了轴对称圆管热传导模型,采用有限差分法离散求解热传导方程;并通过能量平衡法实现了燃烧室流场与管壁的耦合传热过程,分析了单次爆轰过程中燃烧室管壁的传热特性,对比了流场考虑粘性作用后管壁传热过程的变化情况。(3)采用周期性推力壁处边界条件,实现了PDE多循环工作状态下燃烧室管壁传热的数值模拟研究,在分析多循环传热特性的基础上,研究了多种因素对管壁传热造成的影响。(4)开展了PDE燃烧室外壁面温度测试实验,分析相关实验结果,验证了数值研究工作的可靠性,进一步证实:燃烧室外壁面温度初始上升缓慢,随后逐渐加快,并从某一时间点开始线性上升;相同时间内,管壁温度随爆轰频率的增加近似于线性增加;相同结构下,距推力壁越近,壁面温度越低。本文研究成果揭示了PDE工作过程中其燃烧室管壁的传热机理与规律,对深入研究PDE燃烧室管壁的传热、热烧蚀及热防护等具有重要意义。

关键词：脉冲爆轰发动机爆轰波内流场耦合传热数值模拟测温实验

基于GA-BP模型的材料热物性参数反求系统开发与应用

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基于GA-BP模型的材料热物性参数反求系统开发与应用

作者：张杰华中科技大学

学位级别：硕士

随着计算机技术和数值模拟理论的发展,CAE技术应用于铸造领域越来越成熟。铸件的宏观模拟诸如温度场、流动场、应力场的研究已经日趋成熟,数值模拟结果可以为铸造工艺的优化提供科学的数据支持。热物性参数作为CAE分析的重要输入参数凸... 详细信息

随着计算机技术和数值模拟理论的发展,CAE技术应用于铸造领域越来越成熟。铸件的宏观模拟诸如温度场、流动场、应力场的研究已经日趋成熟,数值模拟结果可以为铸造工艺的优化提供科学的数据支持。热物性参数作为CAE分析的重要输入参数凸显出越来越重要的作用,其准确与丰富与否直接影响CAE模拟预测的精度。据此,本文研究了一种铸造热物性参数的反求技术,提出误差分析计算方法,建立热物性参数GA-BP模型,设计进行铸造测温实验,采用面向对象编程思想,完成软件系统的开发,并利用反求系统对25CrMo材料的热物性参数进行修正。主要工作内容如下:首先,提出实测温度曲线与模拟温度曲线之间的误差分析计算方法,并以此为基础通过遗传算法(GA)与神经网络(BP)结合的方法建立热物性参数与曲线分段误差值之间的GA-BP模型。综合讨论几种误差分析计算方法在分析曲线间相似程度的效果,并提出基于曲线分段的面积绝对误差分析计算方法;以待修正的热物性参数、模拟与实测曲线的分段误差值为样本,训练神经网络,不断提高其准确程度;设置遗传算法参数,利用遗传算法智能寻优功能修正获得可靠的材料热物性参数。其次,借助wxWidgetsGUI架构库,采用面向对象的思想理念对热物性参数反求系统进行设计及开发。搭建软件开发平台,设定开发环境;根据物性反求过程中的逻辑流程,将系统划分为华铸CAE交互模块、误差分析预测计算模块、界面交互模块三个部分,逐个分析各模块需求,构建各模块中的模型对象,并建立模型对象之间耦合关系,实现软件开发。最后,利用开发的系统对某铸造公司的某种铸件材料进行了热物性参数的反求修正,并对系统应用效果进行分析。以某公司实际铸造材料25CrMo的热物性参数为研究对象,设计进行铸造过程测温实验,获取铸件部分点的温度变化曲线;应用热物性参数反求系统对原始参数经行反求修正;进行修正前后温度曲线以及利用修正后的热物性参数所模拟出的铸件缺陷与真实缺陷之间的对比分析,验证了系统的可靠性。

关键词：华铸CAE GA-BP模型热物性参数反求软件测温实验