20CrMo材料本构模型及其有限元模拟

基于Johnson-Cook材料热黏塑性本构模型,通过准静态压缩力学实验确定20CrMo材料的本构模型应变强化项系数;通过正交切削实验并运用Oxley-Welsh切削理论分析确定模型的应变速率和热软化效应系数,由此建立20CrMo材料的热-黏塑性本构模型.在此基础上,以剪切失效为切屑分离准则,仿真分析正交切削条件下的切削温度及切削力.对比仿真结果与切削实验测试结果可知:最大相对误差在20％以内,说明仿真分析较精确,也说明了建立的20CrMo本构模型有较高的准确性.     

板翅式机油冷却器的性能仿真与优化

为研究板翅式机油冷却器各层芯片内机油的流动及换热情况,优化板翅式机油冷却器的芯板层数,基于有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言,编程建立了不同芯片层数的多个油冷器的有限元模型;翅片简化为多孔介质,借助计算流体力学软件Fluent,得到油冷器各层芯片的流场和温度场分布.仿真结果与实验结果吻合良好.油冷器各层芯片流量分配曲线大致呈S形分布,而换热量分配曲线呈浴盆状分布.引入标准偏差判断各油冷器各层流量和换热量的均匀性,随着油冷器芯片层数的增多,各层芯片流量和换热量分配趋于均匀;总体换热性能略有增大,而单层芯片的平均换热量显著减小.根据仿真结果提出优化建议:在设计油冷器时,应避免单层芯片热负荷过高或过低,在机体内部空间允许的条件下应尽量采用较多层芯片.     

BFPC固定结合面虚拟材料热特性参数建模

为确定含有玄武岩纤维树脂混凝土（basalt fiber polymer concrete,BFPC）固定结合面的机床基础件热特性参数,基于虚拟材料法建立了含有BFPC固定结合面组件的仿真模型,并对其热特性进行仿真分析;设计制造了含有BFPC固定结合面的组件,通过实验方法研究组件的热特性。将仿真分析和实验研究的结果进行对比,分析表明：两种方法得到的组件在不同时刻的温度场具有一致性,且仿真与对应实验点温度的误差不大于8.57%,证明了所建立的BFPC固定结合面虚拟材料参数模型的准确性,以及基于此采用虚拟材料法对含有BFPC固定结合面组件进行热特性仿真分析的精确性和有效性。     

氟金云母陶瓷车削中脆性材料切削热传导理论模型

通过分析可加工陶瓷切削温度变化规律,提出脆性材料在车削中存在着两个不同的温升阶段,反映了切削系统存在的热传导及热积累效应。根据热传导基本理论,建立以刀具-工件接触点为移动热源的脆性材料切削热传导理论模型,结合微元法量化脆性材料车削中的热量分配,采用能接近实际车削中温度场变化形式的镜像热源原理,求解脆性材料切削温度的二次跃迁值。用PCD(聚晶金刚石)刀具车削氟金云母陶瓷,进行切削验证实验,结果表明,脆性材料切削热传导理论模型能够较准确地求解切削温度的二次跃迁值,并反映陶瓷等脆性切削温度场的变化趋势。     

磨削弧区热源分布形状研究

为了研究磨削力与磨削热耦合作用的残余应力场,基于磨粒轨迹分析和磨粒接触分析,采用概率统计的方法建立了磨削弧区热源分布模型。模型分析了磨削弧区热量分配关系,不需预先假设沿磨削弧总热源分布形状及热量分配比一致,即可获得磨削弧区热源分布形状,解决了以往热源分布形状常被假设为矩形和直角三角形,但矩形热源和直角三角形热源并不能准确地描述热源分布形状的问题。采用有限元法仿真分析了工件磨削温度场,采用热成像仪实测了磨削温度场,并将磨削温度场有限元仿真结果和热成像仪测量结果进行了对比分析,结果表明:有限元模拟结果与热成像仪测量结果具有很好的一致性,磨削弧区最高温度预测值与实测值之间的误差在2.24%~15.3%范围内;直角三角形热源并不能准确地描述磨削弧区热源分布形状;磨削弧区热源分布形状更接近四次多项式函数曲线。     

氟金云母陶瓷车削中脆性材料切削热传导理论模型的研究

通过分析可加工陶瓷切削温度变化规律,提出脆性材料在车削中存在着两个不同的温升阶段,反映了切削系统存在的热传导及热积累效应。根据热传导基本理论,建立以刀具-工件接触点为移动热源的脆性材料切削热传导理论模型,结合微元法量化脆性材料车削中的热量分配,采用能接近实际车削中温度场变化形式的镜像热源原理,求解脆性材料切削温度的二次跃迁值。用PCD(聚晶金刚石)刀具车削氟金云母陶瓷,进行切削验证实验,结果表明,脆性材料切削热传导理论模型能够较准确地求解切削温度的二次跃迁值,并反映陶瓷等脆性切削温度场的变化趋势。     

角接触球轴承热特性分析及试验

为了预测并控制轴承运转过程中热态特性对进给系统精度的影响,基于球轴承拟静力学和摩擦生热理论,计算了包括自旋摩擦力矩在内的摩擦生热,分析了热传递方式,并建立了热传递模型和一种考虑接触热阻的球轴承组件有限元热结构模型。采用有限元法仿真轴承组件稳态温度场,搭建试验台测试了不同转速和载荷下轴承的稳态温度分布及轴向热位移。结果表明:转速和轴向载荷对轴承温升及轴向热位移影响较大,其中温升在10℃以内时,轴向热位移与温度线性关系明显;在温度场中,滚珠温度最高,内圈温度次之,外圈温度最低;仿真结果与测试结果相对误差在7%以内,可有效预测轴承在不同工况下的稳态温度场及轴向热位移。     

基于电磁-温度耦合方法的永磁驱动器温度场分析

基于电磁-温度场耦合方法,分析了盘式永磁驱动器的温度场.基于电磁场解析计算建立了盘式永磁驱动器的电磁场解析模型,推导了涡流损耗公式.计算了热阻和散热系数,并以涡流损耗为热源,建立了盘式永磁驱动器等效热网络模型.预测随负载变化时盘式永磁驱动器的涡流损耗和铜盘温度的变化.解析结果与有限元结果比较表明:基于电磁-温度场耦合方法所建立的电磁场解析模型和温度场解析模型能快速、准确地预测涡流损耗和铜盘温度.     

磨削淬硬加工区域温度的数值模拟

磨削淬硬是利用磨削加工中产生的热——机械复合作用直接对零件表面进行热处理，使工件表面层发生马氏体相变，达到与表面热处理一样性能的一种新技术．本文利用伽辽金方法建立了磨削淬硬加工温度场的有限元模型，并采用三角形热源模型基于ANSYS有限元分析软件对其温度场进行了数值计算．基于温度场数值计算与模拟结果对磨削淬硬加工淬硬层厚度进行了预测，并与实验结果进行了对比，验证了仿真结果的合理性．     

基于S试件的加工中心电主轴载荷谱编制

开展以载荷谱为指导的电主轴模拟加载试验是检验主轴可靠性的一种重要途径。该文提出一种基于切削力系数辨识及切削仿真的加工中心电主轴载荷谱编制的方法。基于切削力模型,开展切削力系数辨识实验,然后将辨识得到的切削力系数代入到切削力模型用于切削力计算,并通过对比实验检验切削模型的准确性;在AdvantEdge FEM软件的PM 3D(production module 3D)模块中开展基于S试件的切削仿真,获取切削参数的时间历程;结合切削力模型与切削S试件的切削参数,仿真获取较准确的动态切削力,并用雨流计数法进行循环计数;根据计数结果对备选概率分布模型进行参数拟合,通过拟合图形与KS(Kolmogorov-Smirnov)检验值的分析比较,筛选出的最优模型即为基于概率分布模型的载荷谱。基于该载荷谱,在一台电主轴可靠性试验台上进行了加载试验来验证载荷谱对加载试验的指导作用。结果表明:基于仿真的动态切削力与实验值基本一致,可用于载荷谱编制;该载荷谱可以指导加载试验。该方法为主轴可靠性试验奠定了坚实基础。     

高硬度涂层磨削温度场的数值仿真和实验研究

采用数值仿真和实验研究相结合的方法,分析了WC-Co高硬度涂层磨削温度场.以矩形移动热源理论为基础,结合实验加工条件和工件材料性质,通过合理的假设简化,建立了金刚石杯形砂轮磨削WC-Co高硬度涂层材料的温度场数学模型,利用有限元方法对磨削温度场进行了数值仿真,提出了涂层磨削温度的实验测量方法并对涂层表面磨削温度进行了实验研究.实验结果与仿真结果基本一致,表明所提出的高硬度涂层温度场数值仿真和实验研究方法能比较真实地反映WC-Co涂层材料在磨削过程中的温度变化情况.     

材料本构模型参数对二维直角切削仿真的影响

利用AdvantEdge切削仿真软件建立二维直角切削过程的数值仿真模型,通过改变工件材料本构模型中的初始应力、应变硬化系数、应变率强化系数和热软化系数,获取各模型参数对二维直角切削仿真结果的影响. 结果表明:对切削力、刀尖温度和应力影响最大的是热软化系数,对切屑形貌影响最大的是初始应力;材料本构模型主导切削仿真过程中的应力-温度场耦合过程,同时,本构模型参数对仿真结果的影响具有明显的非线性效应.     

轴承感应加热拆卸过程的电磁热弹耦合建模与仿真

该文分析了基于电磁感应加热技术的大型轴承拆卸过程,并结合工程实际,建立了涉及电磁场、温度场和应力应变场的轴承多物理场耦合模型。为了提出一种高精度的轴承电磁热弹耦合模型,根据各个物理场之间的耦合关系确定了序贯耦合方法,并基于数值仿真技术求得了大型轴承涡流场数值解;采用分离变量法和特征值法求得了温度场解析解;采用位移解法求得了热应力应变解析解。与数值仿真和实验结果对比,该文验证了轴承电磁热弹耦合半解析模型的可行性和有效性。     

基于损耗实验的电主轴温度场分析

目的分析高速电主轴温度场分布情况,为研究高速电主轴温升、热变形预测提供理论依据.方法建立高速电主轴1/4三维有限元模型,基于损耗实验计算主轴电机及轴承生热率前提下分析高速电主轴温升分布情况.通过电主轴测试系统建立温升实验,测量高速电主轴外壳不同部位温升验证有限元仿真结论.结果仿真结果表明:高速电主轴稳态温度场中转子处温度最高,温度为84.4℃;高速主轴壳体最高温升出现在电主轴轴头处,温升为23℃,与实验结果相比误差为8.6%.结论通过分析温升仿真和实验得到高速主轴外壳不同部位温升不同,外壳温度变化是一个非线性变化过程,前2000s温度快速升高,2000s后温度逐步稳定.此结论为有效控制高速主轴温升,减小主轴变形及提高主轴精度提供理论基础.     

基于有限元仿真的聚酰亚胺切削参数优化

采用VUMAT子程序嵌入法,考察了聚酰亚胺高分子材料弹性变形阶段的应力-应变关系,并通过三维热-力耦合有限元模型分析了切削工艺参数对聚酰亚胺铣削过程中切削力、切削温度和切屑形态的影响规律。结果发现：随着进给量的增大,仿真的切削力、切削温度增加或升高,切屑的带状化程度变得严重。随后利用切削实验,验证了仿真模型的有效性与准确性,并获得了聚酰亚胺的最优切削工艺参数：进给量为0.20～0.30 mm/r。     

基于物理建模法的加工中心主轴热误差建模

针对主轴热误差对机床精度稳定性产生严重影响的问题,提出了一种基于传热理论及热变形机理的主轴热误差预测模型.首先,基于传热机理分析推导出主轴系统的实时温度场模型.然后,根据机床结构尺寸对主轴热变形进行机理分析,并利用物理建模法得到温度场与热误差的关系.最后,在两台同类型的立式加工中心上进行主轴热误差仿真和实验验证.结果表明:主轴热误差模型的平均预测精度达到了95.0%,这证明了该模型具有很高的精度和强鲁棒性.     

双离合自动变速器产热与传热仿真建模及试验验证

为了预测双离合自动变速器在工作过程中各热源的产热量及元件的温度状况,基于热网络理论建立了变速器轴承受力计算、内部热源产热量计算及传热计算耦合仿真模型,并对变速器在稳态与瞬态工况下的产热与传热进行了仿真计算与试验验证。结果表明,在稳态工况下,变速器的总产热量仿真值与试验测试结果吻合较好,瞬态工况下的变化趋势与试验测试结果一致;各测试点温度在稳态与瞬态工况下的仿真值与试验测试结果均吻合较好,模型具有较高的计算精度。     

二维正交金属切削温度分布计算机仿真理论分析

本文作为金属切削计算机仿真的一部分,讨论了二维正交切削中切削热的产生与传出特点,研究了包含工件、刀具和切屑的系统温度分布,并推导了基于有限元法的稳态切削温度场刚度矩阵方程式。     

钢轨铣磨作业过程中的温度场建模与实验研究

钢轨铣磨作业会产生大量切削热,致使作业区钢轨表面温度不断升高,温度过高易造成刀具磨损,降低铣磨修复效率,甚至直接烧伤材料表面,使钢轨修复得不偿失.文中通过对钢轨铣磨修复过程进行分析,基于线热源法理论,分别建立钢轨成形铣削和成形磨削的温度场模型,之后通过温度场迭加获得钢轨铣磨联合作业温度场模型.同时,搭建专用的铣-磨实验台,开展钢轨铣磨实验,验证了模型的合理性.然后借助该温度场模型预测铣磨过程中的温度分布,分析不同加工参数对工件表面温度的影响,结果表明随铣磨速度、进给速度和铣磨深度的增加铣磨区工件表面温度均呈现上升趋势.此外,通过铣磨速度配比和加工用量选择可实现对铣磨区域的温度控制,从而预防铣磨过程中钢轨材料烧伤.     

5轴混联机床运动学标定的测量轨迹评价及误差补偿

该文以一台5轴混联机床为对象,对运动学标定中的测量轨迹评价和误差补偿进行实验研究。根据矢量闭环方程和一阶摄动法,分别建立了混联机床的运动学模型和误差模型。基于向量非正交度的描述方法,提出了一种用于评价测量轨迹的指标。利用该指标设计两个不同测量轨迹,并分别进行了标定实验研究,验证了指标的有效性。分析和比较了基于运动学正解和逆解的误差补偿方案,并通过标定实验验证了基于运动学逆解的误差补偿方案更能有效提高该机床的精度。“S”形试件切削实验结果显示94%的测点合格,验证了该指标和误差补偿方案的有效性。