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基于热力耦合变形的机床主轴公差规范设计

基于热力耦合变形的机床主轴公差规范设计

作者：梁健伟桂林电子科技大学

学位级别：硕士

机床作为机械产品的工作母机,其主轴是核心零部件之一,合理地设计主轴公差规范以确保机床的加工精度,具有重要的工程价值。目前对主轴的研究大多将其视为刚体,或只考虑其受热变形或负载变形,没有考虑二者的综合作用,导致主轴的装配偏差... 详细信息

机床作为机械产品的工作母机,其主轴是核心零部件之一,合理地设计主轴公差规范以确保机床的加工精度,具有重要的工程价值。目前对主轴的研究大多将其视为刚体,或只考虑其受热变形或负载变形,没有考虑二者的综合作用,导致主轴的装配偏差模型及公差规范设计结果与工程实际不符,最终影响主轴的功能要求。本文基于机床主轴的热力耦合变形,研究其公差规范设计方法。该方法首先应用有限元分析软件ANSYS计算主轴在热力耦合影响下的变形量,再根据雅克比旋量理论,建立基于热力耦合变形的主轴装配偏差模型,以量化热力耦合变形对主轴功能要求的影响,在此基础上,以新一代GPS规范理论体系为指导,研究主轴的形位公差规范设计,主要工作与研究成果如下:（1）建立了机床主轴热力耦合变形的分析方法。分析热源,建立主轴热变形的ANSYS分析模型,分析主轴的切削力模型及受力变形的基本方式,求解热力耦合有限元模型;分析了几何误差测量及公差规范理论的蒙特卡洛法及新一代GPS理论体系;结合SDT理论,构建零件特征变形的自由度表示模型,给出零件单一特征及复合特征的变动表示模型。（2）构建了基于热力耦合变形的机床主轴装配偏差模型。根据主轴的实际工况,运用SDT理论表达特征变动,建立主轴原始几何误差的雅克比旋量装配偏差模型;结合特征变动的数学表示模型,修正雅克比旋量装配偏差模型,利用有限元计算热力耦合影响下的变形量,将变形量引入修正模型中,获得基于热力耦合变形的机床主轴装配偏差模型。（3）建立了热力耦合变形下机床主轴的公差设计规范。建立机床主轴圆柱要素变动的SDT模型,采用蒙特卡罗法解算了特征要素在对应公差域内变动的极限位置;以圆柱度公差带为限定区间,在区间内随机生成圆柱特征的模拟点,将得到的模拟点拟合为圆柱面,从而得到机床主轴的规范表面模型,再根据规范表面模型生成主轴的三维实体模型;最后,采用ANSYS计算主轴在热力耦合影响下的变形量,以新一代GPS理论基础为指导,将得到的主轴公差规范设计值与初始值对比分析,确定了热力耦合变形下的机床主轴形位公差规范。（4）开发了机床主轴在热力耦合变形下的形位公差规范系统。利用Matlab中的“App Designer”开发了系统的各个模块功能结构,以工程实例详细说明了使用步骤,验证了系统的有效性,为提高公差规范设计的智能化水平提供参考。

关键词：热力耦合变形雅克比旋量有限元法装配偏差模型公差规范设计

基于ANSYS的机械密封热力耦合变形计算及分析

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兰州理工大学学报 2014年第5期40卷 41-45页

作者：丁雪兴吴昊严如奇刘勇闫飞兰州理工大学石油化工学院甘肃兰州730050

针对机械密封在工作时摩擦生热以及受外载荷作用,导致密封端面变形,进而影响密封性能的问题,应用ANSYS软件,对机械密封动环端面温度场分布规律以及温度场引起的热变形、受力引起的力变形和热力耦合变形进行分析.研究结果表明:摩擦生热... 详细信息

针对机械密封在工作时摩擦生热以及受外载荷作用,导致密封端面变形,进而影响密封性能的问题,应用ANSYS软件,对机械密封动环端面温度场分布规律以及温度场引起的热变形、受力引起的力变形和热力耦合变形进行分析.研究结果表明:摩擦生热导致动环端面温度呈梯度分布,随着半径的增大温度从高到低;热变形使端面产生拉伸位移,随着半径的增大变形量减小;受力引起的变形与热变形趋势相反,在内径处产生最大压缩位移,外经处产生最大拉伸位移;热力耦合变形介于两者之间.因此,综合考虑热力耦合变形比单独考虑热、力变形对端面变形影响较小.

关键词：机械密封温度场热变形力变形热力耦合变形

高速磁浮整体式预应力轨道梁温度场与变形分析

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铁道科学与工程学报 2022年第5期19卷 1168-1176页

作者：文泉王春江孙向东常邑上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266111

轨道梁日照作用与列车荷载下的热力耦合变形是高速磁浮轨道梁设计时需要考虑的重要因素之一。根据传热学理论,结合青岛地区夏季气象数据与日照辐射半经验公式给出日照辐射分布场,基于ABAQUS建立青岛高速磁浮试验线整体式预应力混凝土轨... 详细信息

轨道梁日照作用与列车荷载下的热力耦合变形是高速磁浮轨道梁设计时需要考虑的重要因素之一。根据传热学理论,结合青岛地区夏季气象数据与日照辐射半经验公式给出日照辐射分布场,基于ABAQUS建立青岛高速磁浮试验线整体式预应力混凝土轨道梁三维有限元瞬态分析模型,研究变截面轨道梁纵向温度分布规律、竖向与横向最大温差时刻温度梯度分布,并以指数函数为基础拟合得到温度梯度曲线,给出在三维梁模型中的温度分布场。利用顺序热力耦合方法开展热力耦合作用对轨道梁变形影响的数值仿真研究。热力耦合仿真结果表明,轨道梁最大竖向温度梯度出现在下午14:00,同时刻热力耦合工况下轨道梁跨中挠度最小,最小值为3.150 mm。凌晨01:00时刻,轨道梁跨中挠度最大,最大值为3.336 mm。横向位移极值分别出现在上午11:00和下午15:00,位移极值分别为1.237 mm和1.515 mm。预应力筋对轨道梁跨中竖向挠度影响显著,预应力水平为1302 MPa的轨道梁跨中挠度比无预应力的轨道梁要少23.96%;预应力筋对轨道梁横向变形影响不明显,预应力水平为1302 MPa的轨道梁横向变形与无预应力的轨道梁仅相差0.2%。

关键词：整体式预应力混凝土轨道梁磁浮轨道梁日照辐射温度梯度热力耦合变形

极端工况静压支承润滑状态的微间隙油膜形貌表征

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工程科学与技术 2022年第4期54卷 164-172页

作者：于晓东陈敏敏赵岩唐邦耀王松柏李士昊姜辉哈尔滨理工大学先进制造智能化技术教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150080 齐重数控装备股份有限公司黑龙江齐齐哈尔161005

极端工况条件下,静压支承间隙润滑油膜受到强挤压力与强剪切力的联合作用,润滑油的温度升高,黏度下降,油膜变薄,导致运行过程中极易发生摩擦学失效且润滑状态极难获得。为解决此技术难题,设计一种新型油垫可倾式静压支承结构,形成静动... 详细信息

极端工况条件下,静压支承间隙润滑油膜受到强挤压力与强剪切力的联合作用,润滑油的温度升高,黏度下降,油膜变薄,导致运行过程中极易发生摩擦学失效且润滑状态极难获得。为解决此技术难题,设计一种新型油垫可倾式静压支承结构,形成静动压混合推力轴承,提出利用微间隙油膜形貌来表征静压支承润滑状态的想法。针对新型双矩形腔油垫可倾式静压支承,建立温升和功耗、热固耦合变形、流固耦合变形及油膜形状等数学模型。使用Solidworks 3维软件建立静压支承油膜的3维几何模型,利用ANSYS ICEM软件进行高质量的间隙油膜结构化网格划分,将油膜网格导入ANSYS CFX设置对应的边界条件,应用MATLAB拟合46#润滑油的黏温关系曲线进行变黏度仿真,求解并分析极端工况下微间隙油膜温度场和油膜压力场分布特征,求得摩擦副热力耦合变形。将变形场数据提取并导入MATLAB中进行数据处理,获得3维油膜形貌,判断静压支承润滑状态。搭建油膜厚度测量装置,获得油膜厚度状态,验证理论分析和数值模拟所获得的油膜形貌的正确性。结果表明:极端工况下,该新型结构润滑效果大大改善,轻载高速时热变形起主导作用,油膜厚度差异较大;低速重载时力变形占主导地位,油膜较平滑;油腔外侧封油边交角处变形最大,此处油膜最薄,易发生摩擦学失效。

关键词：静动压混合支承可倾式油垫润滑状态热力耦合变形微间隙油膜形貌

基于热流固耦合密封环-液膜多体结构的性能分析

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润滑与密封 2022年第4期47卷 52-59页

作者：张伟政徐理善陆俊杰丁雪兴李少峰兰州理工大学石油化工学院甘肃兰州730050 浙大宁波理工学院浙江宁波315010 宁波东联密封件有限公司浙江宁波315040

机械密封的性能对海洋核心设备海底混输泵的热控效率以及稳定运行有着重要影响。针对混输泵工作状态与机械密封服役环境,建立密封环-液膜多体结构三维模型,考虑热效应、力效应和流体效应等多场协同作用,利用热流固耦合数值仿真技术,研... 详细信息

机械密封的性能对海洋核心设备海底混输泵的热控效率以及稳定运行有着重要影响。针对混输泵工作状态与机械密封服役环境,建立密封环-液膜多体结构三维模型,考虑热效应、力效应和流体效应等多场协同作用,利用热流固耦合数值仿真技术,研究密封环-液膜多体结构在模拟实际工况下的性能变化规律,得到密封环-液膜多体结构在不同工况下的润滑特性、力学特性以及温度特性。结果表明:在密封环-液膜的多体结构中,密封环最大变形量和最高温度都出现在螺旋槽区域;随转速和压力的增加密封开启力和泄漏量增加,但转速的影响明显大于压力;压力对应力的影响明显大于转速,特别是在压力超过6 MPa后密封端面的接触压力较为不均匀;由于对流换热和气流黏性剪切影响,转速对密封端面温度影响大于压力,尤其在500 r/min低转速区域,密封环-液膜结构的温度突破了75℃,不同径向位置温度差异性也十分明显,对机械密封会造成损伤。

关键词：混输泵机械密封热流固耦合密封环热力耦合变形

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离心力对高速气膜密封动环变形的影响

润滑与密封 2016年第5期41卷 10-15页

作者：杨文静郝木明李振涛任宝杰王选盈王冲中国石油大学(华东)化学工程学院山东青岛266580 青岛海森流体机械工程研究院有限公司山东青岛266580 东营海森密封技术有限责任公司山东东营257067

研究离心力对高速气膜密封动环变形的影响.利用ANSYS12. 1 计算高速工况下气膜密封动环在考虑离心力与忽略离心力2 种情况下的力变形及热力耦合变形, 对比2 种情况下动环的总变形值、端面轴向变形以及端面锥度等.结果表明：忽略离心作... 详细信息

研究离心力对高速气膜密封动环变形的影响.利用ANSYS12. 1 计算高速工况下气膜密封动环在考虑离心力与忽略离心力2 种情况下的力变形及热力耦合变形, 对比2 种情况下动环的总变形值、端面轴向变形以及端面锥度等.结果表明：忽略离心作用时动环力变形和热力耦合变形数值偏小, 误差为16. 48% ～37. 53%; 离心作用对动环端面轴向变形的影响在外径侧更为明显, 同时使动环端面的平均径向锥度由发散的负锥度变为收敛的正锥度; 忽略离心作用时端面变形误差沿径向增大, 且随转速增加而增大; 在高速工况下动环力变形及热力耦合变形的计算中, 离心作用不容忽略.

关键词：高速气膜密封离心作用力变形热力耦合变形

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静动压混合支承间隙油膜形貌研究

静动压混合支承间隙油膜形貌研究

作者：袁腾飞哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着“中国制造2025”进程的推进,对重型数控装备的承载能力和运转精度提出了更高的要求。作为重型数控装备核心支承部件的液体静压轴承,在高速重载的工况下运行时,间隙润滑油膜受到强挤压力与强剪切力的联合作用,润滑油的温度升高,粘... 详细信息

随着“中国制造2025”进程的推进,对重型数控装备的承载能力和运转精度提出了更高的要求。作为重型数控装备核心支承部件的液体静压轴承,在高速重载的工况下运行时,间隙润滑油膜受到强挤压力与强剪切力的联合作用,润滑油的温度升高,粘度下降,油膜变薄,局部开始形成边界润滑或干摩擦,进而会出现摩擦学失效现象。为了避免摩擦学失效现象的产生,本文提出一种新型静动压混合支承油垫结构,实现了静压与动压混合润滑,达到了预防摩擦失效的效果。为使静动压混合轴承达到更好的润滑效果和运转精度,本文对直接影响油液流动和转台转动精度的间隙油膜形貌做了主要研究。设计新型静动压混合支承油垫结构,油垫底部与底座间采用销连接间隙配合,其运转中,油垫产生倾斜,形成动压效应,补偿了静压损失。基于静动压润滑理论和流体动力学建立静动压混合支承间隙油膜理论分析的数学模型,使用Creo三维软件建立了轴承的三维几何模型,利用ICEM-CFD软件进行高质量的间隙油膜结构化网格划分。确定间隙油膜润滑性能仿真计算所需的具体参数及其相应边界条件,编写所用的46号润滑油粘温关系变化的CEL语句。在不同极端工况下,利用CFX对间隙油膜进行变粘度流体仿真,得到对应工况下油膜承载的压力场和温度场仿真云图,其仿真结果为下一步进行热力耦合仿真分析提供了前提条件。基于摩擦学、热力学有限元分析、弹塑性变形理论以及传热学,使用ANSYS15.0 Workbench软件对静动压混合支承摩擦副进行热力耦合仿真分析,得到各工况对应的变形场,并对其变形场数据进行提取,导入到Matlab中进行数据处理,获取油膜三维形貌。搭建实验平台,测试极端工况下静动压混合支承间隙油膜的实际形貌,对理论分析和仿真模拟加以验证。

关键词：静动压混合支承双矩形腔可倾油垫极端工况热力耦合变形油膜形貌表征

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动静压转台变形研究

动静压转台变形研究

作者：李佳山东大学

学位级别：硕士

伴随着科技发展和社会进步,现代机械制造业得到迅猛发展,包括航空、航天、船舶重工等各类制造业对大型化和精密化零件提高了加工要求。大型回转工作台承载性能的优劣会影响整个系统的加工精度,因为它是各类重型机械设备的重要构件。我... 详细信息

伴随着科技发展和社会进步,现代机械制造业得到迅猛发展,包括航空、航天、船舶重工等各类制造业对大型化和精密化零件提高了加工要求。大型回转工作台承载性能的优劣会影响整个系统的加工精度,因为它是各类重型机械设备的重要构件。我国目前研发的回转工作台多为静压回转工作台,在承载能力和加工精度上与国外还存在差距。高速重载工况回转工作台内油膜流场与转台之间会形成流固热耦合效应,使得转台发生变形,这会进一步影响间隙油膜的形状从而影响转台的承载性能和加工精度。故有必要对转台摩擦副间的油膜流场特性及其变形规律进行探究。本文以动静压转台为研究对象,在分析油膜压力和温度的基础上,进一步探究了二者对转台变形的影响,具体工作如下:1、建立动静压转台工作台和中盘有限元模型及中盘上、下表面油膜网格模型,确定油膜流场求解及有限元求解的基本控制方程和边界条件。2、在流体仿真软件Fluent中计算油膜压力及温度分布,经实验验证仿真正确,同时分析了中盘转速及油膜厚度对中盘上表面油膜动压峰值及油膜最高温度的影响规律。依据中盘受力平衡,模拟分析中盘下表面油膜压力场和温度场分布。3、计算工作台和中盘的对流换热系数,在ANSYS Workbench中对单周期工作台和中盘有限元模型进行流固热耦合分析。将油膜压力场和温度场分别作为压力载荷和温度载荷加载到固体表面,分析了中盘转速对于工作台和中盘的力变形、热变形及热力耦合变形的影响规律,同时总结了二者同时变形对于油膜间隙形状的影响。4、考虑到实际工作中中盘可以转动,对应的油膜压力及油膜温度的分布位置会产生改变,因此建立全周期中盘有限元模型。针对某一特定工况,探究油腔位置改变对于中盘热力耦合变形的影响规律。搭建实验台对下盘油膜静压力进行测定,分析油腔结构设计对于下盘油膜静压力的影响。

关键词：动静压转台流固热耦合热力耦合变形计算流体力学

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螺旋槽干气密封微尺度气膜的热动力学研究

螺旋槽干气密封微尺度气膜的热动力学研究

作者：苏虹兰州理工大学

学位级别：硕士

在大部分机械设备中,普遍应用螺旋槽干气密封保证其设备的运行稳定性和可靠性。早期的螺旋槽干气密封被应用于低速低压的工况下,但是随着其应用的进一步拓展,其工况范围也由低速低压到高速高压。高速运行时,由于其密封间隙小,密封端面... 详细信息

在大部分机械设备中,普遍应用螺旋槽干气密封保证其设备的运行稳定性和可靠性。早期的螺旋槽干气密封被应用于低速低压的工况下,但是随着其应用的进一步拓展,其工况范围也由低速低压到高速高压。高速运行时,由于其密封间隙小,密封端面间的气膜发生干摩擦,其内部瞬间产生大量的热。而在高压作用下,密封面受外力作用增大,从而产生端面的力变形。因为微尺度螺旋槽干气密封的密封间隙为微纳米级,所以微小的热弹变形及力变形都会导致变形量变化,进而影响泄漏量,从而对其密封性能影响极大。对干气密封系统内的热动力学特性的研究一直是国内外研究的热点,但也是研究的难点。本文根据已经建立的二阶非线性滑移边界条件及广义雷诺方程,探寻干气密封内部气体热动力学流动规律,获得压力分布及泄漏量的解析表达式,揭示了微尺度干气密封系统中蕴函的复杂的热动力学行为。主要研究内容如下：高压高速运转中,螺旋槽干气密封内部产生大量的热,导致密封环发生热弹变形,从而对密封性能产生影响。在速度滑移边界条件下,求出螺旋槽内的气膜压力,进而利用温度与压力之间的熵变方程,求解槽内气膜温度场的分布。考虑气体压缩和膨胀过程中多变指数的不同,将气膜温度计算分成两部分。由热弹变形理论,求解密封环的变形量,获得气膜厚度的解析式,利用广义雷诺方程求出理论泄漏量,并与泄漏量的实验值进行比较。随着气体从外径流入内径,槽内温度的分布规律是先升高后降低,槽根部温度最高。热弹变形量与温度变化的规律一致,而气膜厚度的变化趋势与之相反,泄漏量随变形量增大而增大,有变形量的泄漏量更接近于实验值。基于滑移边界条件下的雷诺方程,不考虑密封环的变形,力平衡的条件下,利用迭代法求解获得密封腔内气膜压力函数式;根据微尺度流体流动过程中压力及转速的变化,得到不同压力下的密封面的转角及变形量的分布规律,获得相应的气膜厚度近似表达式。同时,在广义雷诺方程下,求出无变形时理论泄露量。利用Maple程序求解,得到不同压力下的密封环力变形泄漏量,并与理论值进行比对。相同工况下,与无变形泄漏量相比,有力变形的泄漏量更接近于实验值,从而,对密封性能产生影响。在不考虑密封环变形的情况下,应用二阶滑移边界条件的雷诺方程求解获得气膜压力函数式。在仅考虑力变形时,由力平衡下密封腔的力场分布,得到密封静环力变形量及气膜厚度。仅考虑热弹变形时,由微尺度流体流动的熵变方程,得到槽内气膜温度场的分布、热弹变形量及气膜厚度。将力变形量叠加到热弹变形过程中,利用Maple程序得到热力耦合场下的变形量及气膜厚度的解析式,用PH线性化方法、迭代法对非线性雷诺方程近似求解,得到热力耦合变形下的理论泄漏量,并将无变形、热弹变形、力变形、热力耦合变形四种情况下的泄漏量与实测流量比较。相同变形情况下,密封环的流量随着介质压力的增大而变大;当仅考虑力变形时,所获得的流量大于试验值,而仅有热弹变形的流量小于试验值,且热弹变形的流量与试验值误差较大;与其他情况相比,热力耦合变形时的流量介于力变形与热弹变形之间,更接近于试验值。在工程运用中,考虑热力耦合变形为优化槽型结构参数,达到控制流量的目的。为了保证理论的准确性,在干气密封测试试验台上对其参数进行了测试。对优化的螺旋槽干气密封样机测试得到微尺度干气密封端面的流场参数中的气体流量（泄漏量）的试验值。通过与理论流场的参数进行比较,得到热力耦合条件下的理论流场参数值更加接近试验值,尤其在高速、高压时更加接近,从而验证了文章理论计算的准确性。

关键词：干气密封微尺度螺旋槽泄漏量热弹变形力变形热力耦合变形