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基于流-固-热耦合的电主轴热特性仿真分析与实验研究ResearchonExperimentandSimulationofThermalPropertiesofMotorizedSpindlebasedonFluid-Solid-HeatCoupling学科专业：机械工程研究生：孙振宏指导教师：赵兴玉副教授天津大学机械工程学院二零一三年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日I摘要电主轴技术的应用极大的促进了机床行业的发展，但是电主轴的发热问题严重制约着精密机床的加工精度。研究电主轴热特性，合理控制主轴发热，降低主轴热变形，改善主轴系统应力分布，对电主轴热特性研究具有重大意义。本文从电主轴的生热模型，有限元流-固-热耦合仿真分析和实验测试三方面对电主轴热特性进行研究，主要工作如下：通过对电主轴的热源研究，分析电主轴的发热特点、热变形机理和散热方式。建立两种电机生热模型，分析不同建模方法的适用条件。从轴承生热经验公式入手，综合考虑主轴功率、转速、润滑方式等因素对轴承生热的影响，给出切实可用的计算依据。根据电主轴流-固-热耦合原理，使用有限元软件Workbench对影响电主轴热特性的主轴转速、冷却液流量、冷却液入口温度、轴承预紧力等因素进行仿真分析。获得特定工况下，电主轴最佳的冷却液流量和入口温度，有限元仿真分析结果可为电主轴热平衡设计提供依据。提出一种冷却系统建模方法和有限元模型简化流程，对不同热载荷以及边界条件进行计算，验证主轴热特性有限元分析的准确性。搭建包括由基于NI温度与热变形采集模块的温度和热变形测试系统、红外热像仪、应力/应变仪测试系统为基础的主轴热特性测试系统。通过电主轴热特性实验研究，测试电主轴系统的温度场分布，主轴热变形规律和热应力分布特点，掌握不同工况下电主轴的冷却策略。通过实验数据与有限元仿真结论对比分析，验证有限元仿真分析的合理性与有效性。上述研究方法和研究结果可以应用于电主轴热平衡设计和电主轴的热特性研究。关键词：电主轴热特性生热模型耦合分析实验测试IIABSTRACTTheapplicationofmotorizedspindletechnologyhasgreatlycontributedtothedevelopmentofmachinetoolindustry,butthegeneratingheatingproblemofmotorizedspindleseriouslyinfluencesthemachineaccuracy.Reasonablycontrollingthespindlegeneratingheat,reducingthespindlethermaldeformation,andimprovingthespindlestressdistributionareofimportantsignificancetoimprovementofthethermalcharacteristicsofmotorizedspindle.Theresearchonmotorizedspindlethermalcharacteristicsincludesthreeaspects:heatmodelingofspindle,FEMsimulationandmotorizedspindletest.Thefollowingresearchworkshavebeencompleted.Thethermalcharacteristicsofspindle,thermaldeformationtheoryandcoolingmodewereanalyzedfromtheresearchingofspindleheatsource.Twokindsofmotorheatmodelwereestablished,anddifferentboundaryconditionswereintroducedforthemodelingmethod.Spindlepower,spindlespeed,lubricationandotherfactorswereconsideredinthemodelingofbearing,andtheusablecalculationsweregiven.Accordingtothefluid-solid-heatcouplingtheory,theFEMsoftwareWorkbenchwasusedtofinishthemotorizedspindleanalysis.Inthefiniteelementanalysis,Spindlespeed,coolantinlettemperature,coolantflowrateandbearingpreloadwereconsidered.Incertainconditions,optimalcoolantinlettemperatureandcoolantflowwereobtainedbyFEA.Thefiniteelementsimulationanalysisconclusioncansupportthethermalbalancedesignofmotorizedspindle.ThispaperintroducedtheprocessofFEMsimplification,andthemodelingmethodofcoolingsystem.Differentthermalloadsandboundaryconditionswerecalculatedtoensuretheaccuracyofthespindlethermalpropertiesoffiniteelementanalysis.ThetemperatureandthermaldeformationtestsystemhasbeenestablishedbasedonNIacquisitionmodule.Thespindlethermalcharacteristicstestsystemhasbeenbuiltbasedoninfraredthermograph,andstresstestsystem.Onthebasisoftheexperimentalstudyonthermalperformanceofmotorizedspindle,temperaturedistribution,thermaldeformationlawofspindle,thecharacteristicofthermalstress,wereobtainedbytheexperiment,andthecoolingstrategyofmotorizedspindleunderdifferentworkingconditionshasbeengained.ExperimentaldatawerecomparedwithIIItheresultsoffiniteelementanalysis,andtherationalityandvalidityoffiniteelementanalysishasbeenverified.Theaboveresearchmethodsandresultscanbeappliedintothethermalbalancedesignandthermalcharacteristicstudyofmotorizedspindle.KEYWORDS：Motorizedspindle,Thermalcharacteristic,Heatmodel,Couplinganalysis,ExperimentaltestIV目录摘要................................................................................................................................IABSTRACT.................................................................................................................II第一章绪论..................................................................................................................11.1课题研究的目的和意义..................................................................................11.2电主轴技术发展现状......................................................................................11.3电主轴热特性国内外研究现状......................................................................31.3.1电主轴热特性国外研究现状...............................................................31.3.2电主轴热特性国内研究现状...............................................................41.4课题的主要研究内容......................................................................................51.5本章小结..........................................................................................................6第二章电主轴生热机理研究与建模..........................................................................72.1电主轴的热态特性..........................................................................................72.1.1电主轴的热源组成...............................................................................82.1.2电主轴的热变形机理...........................................................................92.1.3电主轴的散热分析.........................................