传热学与机械的关系

传热学与机械的关系1．温度场的影响在机械加工和机械设计的过程中，设计者无不考虑工件和设备在工作条件下的温度场，以及如何处理工作过程中的温度场对工作的影响，以及如何解决该问题。在实际工程结构的分析与设计中,除了要考虑结构的力学行为外,有时还需要考虑结构的热效应(如热变形,热应力)、结构的温度不能超过某一设定值等方面。然而实际工程结构中存在着大量的误差和不确定性,使得结构的物理参数、几何参数以及载荷等具有不确定性,从而导致结构的响应也具有不确定性。因此,研究这些不确定性对结构响应的影响具有重要的工程意义和理论意义。结合所查阅的文献资料，在机械设计中，温度场的分析极为重要。所谓温度场就是指物质系统内各个点上温度的集合.温度场分为稳定温度场和不稳定温度场。对于稳定温度场的分析很简单。关键是对不稳定温度场的分析。不稳定温度场的分析目前最流行的分析方法是有限元分析方法。对具体热场，需要根据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。2.对金属切削加工的影响机械加工过程中的散热问题也是限制制造业发展的重要因素。金属切削刀具的散热问题与刀具的强度决定了刀的使用寿命和被加工表面的质量与加工精度。金属切削加工时，材料弹性和塑形变形做的功以及前后刀面与工件表面的摩擦做功产生的热量都需要通过切屑、工件、刀具和周围介质散失到环境中，而切削刃的磨损情况与散热的快慢最为密切。当工件材料或者刀具材料的导热系数大时，切削区散热良好，刀具的磨损减轻，使用寿命较长，反之，刀具因温度过高发生组织性能转变，磨损加剧，因而需要使用不同的切削液来加快散热，延长刀具寿命。同时，刀具的散热影响了切削用量的选择，进而影响加工表面的质量，通过对刀具切削区温度场建立传热模型进行分析，可以更合理的设计刀具结构和选择切削量，从而提高零件的加工精度，这方面在超精密加工中显得尤为重要。3.对机械产品的影响另外，电磁耦合无级变速器是一种新型的电力无级变速器,它既可以实现宽速比的无级变速功能,又能作为混合动力汽车机械-电力分会流装置实现功率调节和制动能量回收,在满足车辆动力性要求的前提下,显著提高车辆的燃油经济性,降低排放。建立对一种无级变速器温度场仿真有限元模型,采用等效的方法把定子绕组和内转子绕组的铜导线以及多种绝缘材料等效成两个导热体进行数值计算;引入有效导热系数的概念,把转动的内、外气隙的气流的对流散热等效成静止流体的导热来研究。运用有限元分析软件对自然冷却条件下变速器定子温度场和全域温度场进行仿真分析，可以确定变速器的热点分布以及各部位的温升范围。然后，针对变速器的温升，设计机座表面外置风扇风冷和内转子循环油冷的冷却系统。根据设定的仿真条件，完成对带有冷却系统的变速器的温度场仿真，考察冷却系统的冷却效果。此外，针对影响变速器温升的各种因数，可以重点研究机座材料、风扇风速、散热筋高度、冷却油温度以及冷却油道直径等因素对变速器温度场的影响，温度场分析的结果对从各个方面改善变速器的散热提供了理论基础。除此之外，大部分的驱动元件都是选用电动机，因此对电动机的温度场分析具有重要的意义。传统的单一求解电机定子温度场或转子温度场强加边界条件有些问题难以确定,但是通过建立笼型异步电动机转子有无断条故障运行情况下的定、转子全域温度场二维数学模型和温度场二维有限元计算模型。分别计算额定负载情况下,转子正常和转子一根断条以及转子相邻两根断条时的定、转子全域稳态温度场。比较三种情况下电机的温升分布,可以分析电机转子断条根数对电机温度场的影响。温度场计算模型还可以应用到其他无轴向通风冷却异步电动机转子正常或转子断条故障时的温度场计算与分析,并且可以从电机温度场变化的角度为电机断条故障提供诊断依据。现在，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热特性，核工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，小温差换热，两相流换热，复杂几何形状物体的换热，湍流换热等。