一種機(jī)床大件的熱變形仿真分析與建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及數(shù)控機(jī)床技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種機(jī)床大件的熱變形仿真分析與建模方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著數(shù)控機(jī)床整機(jī)及零部件設(shè)計(jì)、制造、裝配和材料等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，幾何 誤差、刀具磨損、伺服誤差等在數(shù)控機(jī)床整體誤差中所占的比例逐漸減少。在高速高精度極 端加工條件下，熱變形日益成為影響機(jī)床加工精度的重要因素。大量研究與加工實(shí)踐表明， 對于高速高精度機(jī)床，由熱變形引起的加工制造誤差所占的比例為40%~70%。因此，對于 機(jī)床熱變形建模技術(shù)的研究就顯得十分必要。目前，常采用的熱變形建模技術(shù)，一般是根據(jù) 機(jī)床的物理結(jié)構(gòu)，分析各部位的溫度變化情況，W便尋找機(jī)床的熱關(guān)鍵點(diǎn)，對機(jī)床的測溫點(diǎn) 進(jìn)行優(yōu)化布置，建立溫度關(guān)鍵點(diǎn)與機(jī)床特定部位熱變形之間的關(guān)系，從而得到其熱誤差模 型。運(yùn)種熱變形建模方法，依賴于準(zhǔn)確的選擇測溫關(guān)鍵點(diǎn)來建立熱變形模型，一旦測溫關(guān)鍵 點(diǎn)的選擇不合理，建立的熱變形模型將會(huì)偏差很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種機(jī)床大件的熱變形仿真分 析與建模方法。
[0004] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種適合于機(jī)床 大件的熱變形仿真分析與建模方法，包括對機(jī)床大件的熱變形仿真分析與熱變形建模方 法。
[0005] 所述機(jī)床大件的熱變形仿真分析是基于通用有限元分析軟件Ansys進(jìn)行的，包括 如下步驟：
[0006] 步驟一，采用間接法進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)禪合分析，選擇適用于間接法進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)禪合 分析的單元;所述的間接法是指，Ansys提供的一種熱-結(jié)構(gòu)禪合分析方法，運(yùn)種方法要求首 先進(jìn)行熱分析，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，本熱變形仿真 分析方法是基于間接法建立的；
[0007] 步驟二，對機(jī)床幾何模型進(jìn)行簡化，去掉機(jī)床大件的熱變形有限元分析影響較小 的結(jié)構(gòu)，如小的倒角、圓角、小孔等細(xì)小結(jié)構(gòu)；
[000引步驟Ξ，將機(jī)床幾何模型導(dǎo)入Ansys中，添加材料屬性；
[0009] 步驟四，熱載荷的施加，包括熱源的施加、環(huán)境溫度設(shè)定、機(jī)床表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的設(shè) 定W及接觸位置的熱阻定義；
[0010] 步驟五，按照上述步驟定義完成后首先進(jìn)行熱分析求解；
[0011] 步驟六，熱分析完成后，保存熱分析結(jié)果文件;進(jìn)行單元的轉(zhuǎn)換，將熱單元轉(zhuǎn)換成 對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元;刪除熱分析中定義的接觸熱阻；定義約束，W及設(shè)置接觸面處的剛度、阻 尼;載荷的施加，將熱分析結(jié)果文件作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析中；
[0012] 步驟屯，進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，得到有限元分析結(jié)果；
[0013] 步驟八，提取有限元分析結(jié)果，包括在有限元分析完成后，確定機(jī)床大件上需要建 立熱變形數(shù)學(xué)模型的位置并提取熱變形結(jié)果，W及按照一定規(guī)則在機(jī)床大件上預(yù)先選定位 置并提取其特定方向的熱變形結(jié)果。
[0014] 所述步驟八，按照一定規(guī)則在機(jī)床大件上預(yù)先選定位置，包括預(yù)先選定的位置所 占的范圍要盡可能大，運(yùn)樣熱變形結(jié)果的變化就會(huì)更明顯;所述特定方向，最好與需要建立 熱變形模型的位置處的方向垂直。
[0015] 所述機(jī)床大件的熱變形建模方法，包括利用多項(xiàng)式擬合及多元線性回歸的方法， 建立機(jī)床大件確定位置熱變形的數(shù)學(xué)模型。其中，首先利用多項(xiàng)式擬合的方法，根據(jù)提取出 的機(jī)床大件上需要建立熱變形模型位置處的熱變形結(jié)果，建立相同階次的不同加載情況下 的熱變形數(shù)學(xué)模型;其次，利用多元線性回歸的方法，建立按照一定規(guī)則在機(jī)床大件預(yù)先選 定位置處所提取的特定方向的熱變形結(jié)果與第一次所建立的數(shù)學(xué)模型系數(shù)之間的函數(shù)關(guān) 系。
【附圖說明】
[0016] 圖1為機(jī)床大件熱變形的仿真分析與建模方法的流程示意圖；
[0017] 圖2為一臺(tái)邸式加工中屯、的CAD模型示意圖；
[0018] 圖中：1、預(yù)先選定位置1;2、預(yù)先選定位置2;3、立柱上導(dǎo)軌;4、預(yù)先選定位置3;5、 預(yù)先選定位置4;
[0019]圖3為圖2所示的邸式力旺中屯、的16種加載工況；
[0020] 圖中：溜板位置-左，主軸箱位置-上，工作臺(tái)位置-前，與其各自中間位置的距離為 0.2m；
[0021] 圖4為圖3中兩種熱載荷所對應(yīng)的加載情況；
[0022] 圖中:a)熱載荷1所對應(yīng)的加載情況;b)熱載荷2所對應(yīng)的加載情況；
[0023] 圖5為圖2所示的邸式加工中屯、的有限元網(wǎng)格模型示意圖；
[0024] 圖中:a)施加熱載荷后的網(wǎng)格模型;b)定義約束后的網(wǎng)格模型。
[0025] 圖6為圖2所示的邸式加工中屯、02工況下的溫度場及變形云圖示意圖；
[00%]圖中：a)溫度場云圖；b)變形云圖。
[0027] 圖7為圖2所示的邸式加工中屯、立柱上導(dǎo)軌位置處的Z向熱變形數(shù)學(xué)模型的效果驗(yàn) 證示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，茲例舉W下實(shí)施例，并配合附圖 詳細(xì)說明如下：
[0029] 請參閱圖1-7,一種機(jī)床大件的熱變形仿真分析與建模方法，包括確定機(jī)床大件上 需要建立熱變形數(shù)學(xué)模型的位置及方向；對機(jī)床大件進(jìn)行有限元仿真分析;利用多項(xiàng)式擬 合及多元線性回歸的方法，建立關(guān)于機(jī)床大件確定位置及方向的熱變形的數(shù)學(xué)模型。
[0030] 參照圖1所示流程，對圖2所示的某一邸式加工中屯、的立柱上導(dǎo)軌的熱變形進(jìn)行仿 真分析與建模。
[0031] 首先，確定對立柱上導(dǎo)軌的Z向熱變形建立數(shù)學(xué)模型，如圖2中"黃線"所示；
[0032] 其次，按照圖3所示的16中工況進(jìn)行有限元仿真分析，有限元仿真分析的具體步驟 如下：
[0033] 步驟一，本次分析選用間接法進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)禪合分析，選用Solid87單元；
[0034] 步驟二，對機(jī)床幾何模型進(jìn)行簡化，去掉機(jī)床大件的熱變形有限元分析影響較小 的結(jié)構(gòu)，如小的倒角、圓角、小孔等細(xì)小結(jié)構(gòu)；
[0035] 步驟Ξ，將簡化好的機(jī)床幾何模型導(dǎo)入Ansys中添加材料屬性，機(jī)床大件包括床 身、立柱、溜板、轉(zhuǎn)臺(tái)W及主軸箱按照QT500-7的屬性添加，包括彈性模量1730GPa，泊松比 0.3，密度7300kg/m3，熱膨脹系數(shù)9.1 X 1〇-61/Κ，熱導(dǎo)率47W/(m · K)，Χ、Υ及ΖΞ向?qū)к壈凑?5 鋼的材料屬性