CN102063549A - 一种机床主轴的流固热耦合数值仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床主轴的流固热耦合数值仿真方法，建立主轴冷却液的模型，将主轴部件中的轴承用相同尺寸的等效圆环代替，进行模型简化；计算主轴温度场相关外部边界条件；导入网格划分软件ANSYS ICEM CFD中，进行流体和固体网格划分；导入到CFX软件中进行流固热耦合计算；将简化后的几何模型导入workbench中稳态温度场模块，将冷却液模型忽略，并重新划分网格；根据温度场边界条件，对主轴重新进行温度场计算；各个轴承的径向和轴向刚度计算等效圆环的径向和轴向的弹性模量，并在workbench中修改各个等效圆环的弹性模量；将稳态温度场计算得到的温度导入workbench稳态静力分析模块，计算热变形。

Description

一种机床主轴的流固热耦合数值仿真方法 

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助分析工具领域的方法，具体是一种机床主轴的流-固-热耦合数值仿真方法。 

背景技术

机床主轴发热变形不但会严重影响加工精度，而且会影响轴承寿命。在主轴设计阶段利用有限元软件对其进行温度场及热变形分析，对比不同情况下的发热及热变形，并优化主轴冷却参数和结构对于主轴的设计定型具有重要意义。 

目前尚没有利用有限元软件对主轴热变形进行准确计算的方法。目前的主轴有限元计算方法主要有： 

(1)二维计算方法，即认为主轴模型为轴对称的，将其简化为二维模型进行温度场及热变形计算。对于第一种方法，实际主轴并不是轴对称的，所以会存在较大的误差。 

(2)单个零件的三维计算方法，目前主轴的三维计算方法主要是对于单个零件(如单个主轴零件、单个主轴箱零件)进行三维刚度、模态计算，或将几个零件粘为一个零件进行计算。该方法则无法预知整个主轴组建的温度场与热变形情况，一般不用来计算温度场及热变形。 

(3)考虑多个零件的三维计算方法，主要计算主轴部件的刚度、模态、温度场、热变形等。该方法首先将零件模型进行装配，并对装配体进行整体求解，其结果的精度可大为提高。所以这种是计算温度场及热变形的主要方法。 

在主轴温度场计算中，主轴冷却液换热系数对于温度场分析精确与否至关重要，但目前上述第一种及第三种方法均为利用简化的理论公式进行估算，但在工程实践中往往很难全部满足公式所要求的各种假设条件，所以较常用的方法是先根据公式求得基本值，然 后利用实验进行修正，以得到经验参数。该方法过于复杂，效率低。 

在热变形计算中，轴承的简化方法对结果的影响至关重要，目前轴承一般采用弹簧单元代替，或者采用圆环代替，前者一般不能用于热变形；后者一般在计算中采用各项同性材料，而此时则不能反映主轴所受轴向力对于主轴变形的影响，计算精度差。 

另外在一般的主轴热变形计算中，一般直接对主轴进行位移约束，没有考虑主轴支架(滑枕座)的影响，而实际上滑枕座对主轴变形影响巨大。 

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种主轴部件温度场及热变形的精确计算方法。 

本发明的技术方案是这样解决的： 

包括如下步骤： 

(1)在几何建模软件Pro/E中建立主轴冷却液的模型，将主轴部件中的轴承用相同尺寸的等效圆环代替，并对主轴几何模型进行模型简化； 

(2)根据下面公式，计算主轴温度场相关外部边界条件； 

H_f＝1.047×1O^-4nM                                (1) 

其中：H_f为轴承发热量，n为轴承转速，M为轴承摩擦力矩； 

P₁P×η                                    (2) 

其中：P₁为传递到主轴锥面的切削热量，P为主轴切削功率，η为切削热传递到主轴锥面处的效率； 

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{Nu}\·\mathrm{\λ}}{d_e}---\left(3\right)$

其中：α为滑枕内部空气强迫对流换热系数，Nu为努谢尔特数，λ为冷却液热传导系数，d_e为特征尺寸； 

α₁＝5W/(m²·K)                                (4) 

其中：α₁为滑枕外部与空气接触处的自然对流换热系数； 

(3)将简化后的模型导入网格划分软件ANSYS ICEM CFD中，进行流体和固体网格 划分； 

(4)根据步骤(2)计算所得边界条件，将步骤(3)划分好的网格模型导入到CFX软件中进行流固热耦合计算； 

(5)将步骤(1)简化后的几何模型导入workbench中稳态温度场模块，将冷却液模型忽略，并重新划分网格； 

(6)将步骤(4)CFX中计算得到的冷却液流道的温度导入workbench稳态温度场模块，根据步骤(2)计算所得温度场边界条件，对主轴重新进行温度场计算； 

(7)根据各个轴承的径向和轴向刚度计算等效圆环的径向和轴向的弹性模量，并在workbench中修改各个等效圆环的弹性模量； 

(8)将步骤(6)稳态温度场计算得到的温度导入workbench稳态静力分析模块，计算热变形。 

所述的几何模型中包括冷却液模型，利用与轴承尺寸相同的圆环代替主轴部件中的轴承。 

所述的主轴部件几何模型的简化方法为： 

1)将小于1mm的台阶删除；将螺纹孔全部删除； 

2)将主轴部件内部的拉刀机构删除，在热变形计算的有限元模型中利用相同质量的质点代替； 

3)将主轴部件中的电机删除，并在热变形计算的有限元模型中利用相同质量的质点代替； 

4)保留主轴支架零件，保证主轴支架与主轴连接处的接触面积不变。 

所述的在ANSYS ICEM CFD中的网格划分方法为：划分网格时必须对流体定义边界层，边界层厚度控制在1mm-2mm之间。 

所述的CFX软件中的流固热耦合计算：流体的边界条件包括，流体入口速度、入口温度、出口压强，在CFX计算中将主轴支座做绝热处理。 

所述的网格重新划分方法为：选择multizone法进行网格划分。 

所述的等效圆环弹性模量确定方法为： 

(1)径向弹性模量的确定：在workbench结构分析模块中，将圆环外圈固定约束，然后在圆环内圈施加一个径向的面力；当圆环内圈径向变形的平均值与相应轴承刚度对应的变形值相同时，此时圆环弹性模量即为所求径向弹性模量； 

(2)轴向弹性模量的确定：在workbench结构分析模块中，在圆环一侧施加轴向压力，在另一侧约束轴向自由度，在圆环外圈约束住除轴向以外的自由度；轴向压力施加位置为对应轴承内圈的侧面；轴向约束处的为之为轴承外圈的侧面；当内圈轴向变形平均值与轴承刚度值对应的变形值相同时，此时圆环弹性模量即为所求轴向弹性模量。 

所述的热变形计算中：主轴轴承与主轴轴套之间接触选为bonded，其余轴承与轴套的接触均选为No separation；轴承隔套与轴或者轴套的接触均选为No separation，其与旁边轴承的接触均选为bonded。 

本发明的技术效果： 

1、解决了一般机床主轴稳态温度场仿真中不能精确考虑冷却液影响的问题，主轴温度场的数值仿真更加精确，避免了传统方法利用实验来修正冷却液壁面换热系数带来的效率低下问题，使在设计阶段对温度场进行准确的估计成为可能。 

2、在热变形计算中，更加准确方便的模拟了轴承的刚度特性，使仿真结果更加准确。 

3、在热变形计算中，更加准确的考虑了主轴部件内部各零件之间的接触情况。 

4、在热变形计算中，更加准确的考虑了主轴支座(滑枕座)对于主轴变形的影响。 

附图说明

图1是圆环轴向等效弹性模量计算边界条件位置 

其中，a——施加轴向压力位置； 

b——施加轴向约束位置； 

c——施加径向约束位置； 

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。 

具体实施方式

1、几何建模 

11利用几何建模软件Pro/E对原来滑枕模型做必要的简化： 

(1)删除小于1mm的阶梯； 

(2)删除螺纹孔； 

(3)删除滑枕后端进给电机及同步带部分； 

(4)删除拉刀机构； 

(5)保留后尾筒上面薄钢板； 

(6)保留简化后的滑枕座模型，滑枕座模型仅保留其筋板及与滑枕接触处，其余细节特征全部简化掉。 

1.2利用Pro/E软件在原来滑枕模型的基础上，根据冷却液流道的尺寸建立冷却液的几何模型。 

1.3利用Pro/E软件，利用与轴承相同尺寸的圆环代替滑枕中的轴承。 

2、计算温度场分析边界条件 

为进行共轭传热计算及稳态温度场计算，考虑的温度场边界条件有：轴承发热、切削热、滑枕内部旋转部件与空气的强制对流换热、滑枕外部与空气的自然对流换热、滑枕零件与主轴箱、滑枕座接触处的温度，其值按照下面选取： 

H_f＝1.047×10^-4nM                                                (1) 

其中：H_f为轴承发热量，n为轴承转速，M为轴承摩擦力矩； 

P₁＝P×η                                            (2) 

其中：P₁为传递到主轴锥面的切削热量，P为主轴切削功率，η为切削热传递到主轴锥面处的效率； 

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{Nu}\·\mathrm{\λ}}{d_e}---\left(3\right)$

其中：α为滑枕内部空气强迫对流换热系数，Nu为努谢尔特数，λ为冷却液热传导系数，d_e为特征尺寸； 

α₁＝5W/(m².K)                                        (4) 

其中：α₁为滑枕外部与空气接触处的自然对流换热系数。 

滑枕与主轴箱、滑枕座等其他部件接触处的温度取35℃。 

3、计算等效圆环弹性模量 

等效圆环采用各项异性材料。根据滑枕所选用轴承刚度，确定与其相对应的等效圆环的弹性模量。其径向及轴向弹性模量分别根据轴承径向及轴向刚度进行计算。且对于角接触轴承组，每个轴承的刚度按照轴承组的平均值计算，具体按下面方法进行计算： 

(1)径向弹性模量的确定：在workbench结构分析模块中，将圆环外圈固定约束，然后在圆环内圈施加一个径向的面力；当圆环内圈径向变形的平均值与相应轴承刚度对应的变形值相同时，此时圆环弹性模量即为所求径向弹性模量。 

(2)轴向弹性模量的确定：在wrkbench结构分析模块中，在圆环一侧施加轴向压力，在另一侧约束轴向自由度，在圆环外圈约束住除轴向以外的自由度；轴向压力施加位置为对应轴承内圈的侧面；轴向约束处的为之为轴承外圈的侧面；当内圈轴向变形平均值与轴承刚度值对应的变形值相同时，此时圆环弹性模量即为所求轴向弹性模量。 

4、ANSYS ICEM-CFD网格划分 

为保证流体边界处在径向有足够密的网格，在划分网格时须对流体定义边界层，此时定义为2mm，网格划分完成后，将其保存为GTM格式。 

5、CFX共轭传热计算 

在CFX软件中，导入GTM格式的网格文件。计算前定义流体计算域、固体计算域。流体计算域的边界条件为：流体入口速度及温度、出口压力。固体计算域的边界条件为上述步骤2所述的温度、热流密度、对流换热边界条件；在轴承的固体计算域中设置计算子域，定义发热体边界条件。在各个计算域之间设置计算域交界面并定义相关接触面热阻。其中滑枕座计算域按照绝热处理。 

由于冷却液为油基冷却液，根据入口流速及冷却液粘度，流体模型采用层流模型进行 计算，计算后得到冷却液流道壁面的温度及换热系数。 

6、网格重新划分 

将Pro/E中几何模型导入workbench中的稳态温度场模块，将冷却液模型忽略，并利用划分网格。为同时保证温度场计算和热变形计算的计算精度，必须对于温度梯度大和主要受力部位的网格大小进行控制，网格划分方法采用multizone。 

7、稳态温度场的计算 

导入CFX计算所得冷却液流道壁面温度及简化的滑枕座外表面温度，其余边界条件与上述第二步中相同，重新计算温度场。 

8、workbench中进行热变形计算 

跟据第7步计算结果设置轴承等效圆环的轴向及径向弹性模量。 

将上述第7步计算所得整体温度场导入结构分析中。 

进行接触设置：轴承与轴之间均为bonded；主轴轴承与主轴轴套之间设置为bonded；其余轴承与轴套的接触均为No separation；轴承隔套与轴承间的接触均为bonded；轴承隔套与轴/轴套的接触均为No separation；运动结合面包括镗轴与钢套之间的接触面等有相互运动的结合面接触设置均为No separation；镗轴中锁紧螺母与轴均为bonded。滑枕座与滑枕间的接触为增广拉格朗日接触。 

设置滑枕力边界条件和位移边界条件进行计算。 

本发明包含有如下步骤：在几何建模软件Pro/E中建立主轴冷却液的模型，将主轴部件中的轴承用相同尺寸的等效圆环代替，并对主轴几何模型进行模型简化；根据公式(1)-(4)，计算主轴温度场相关外部边界条件；将简化后的模型导入网格划分软件ANSYSICEM CFD中，进行流体和固体网格划分；根据上述计算所得温度场边界条件，将划分好的网格模型导入到CFX软件中进行流固热耦合计算；将简化后的几何模型导入workbench中稳态温度场模块，将冷却液模型忽略，并重新划分网格；将CFX中计算得到的冷却液流道的温度导入workbench稳态温度场模块，根据温度场边界条件，对主轴重新进行温度场计算；根据各个轴承的径向和轴向刚度计算等效圆环的径向和轴向的弹性模量，并在 workbench中修改各个等效圆环的弹性模量；将稳态温度场计算得到的温度导入workbench稳态静力分析模块，计算热变形。 

Claims (8)

1.一种机床主轴的流固热耦合数值仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在几何建模软件Pro/E中建立主轴冷却液的模型，将主轴部件中的轴承用相同尺寸的等效圆环代替，并对主轴几何模型进行模型简化；

(2)根据下面公式，计算主轴温度场相关外部边界条件；

H_f＝1.047×10^-4nM                                            (1)

其中：H_f为轴承发热量，n为轴承转速，M为轴承摩擦力矩；

P₁＝P×η                                                            (2)

其中：P₁为传递到主轴锥面的切削热量，P为主轴切削功率，η为切削热传递到主轴锥面处的效率；

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{Nu}\·\mathrm{\λ}}{d_e}---\left(3\right)$

其中：α为滑枕内部空气强迫对流换热系数，Nu为努谢尔特数，λ为冷却液热传导系数，d_e为特征尺寸；

α₁＝5W/(m²·K)                                                    (4)

其中：α₁为滑枕外部与空气接触处的自然对流换热系数；

(3)将简化后的模型导入网格划分软件ANSYS ICEM CFD中，进行流体和固体网格划分；

(4)根据步骤(2)计算所得边界条件，将步骤(3)划分好的网格模型导入到CFX软件中进行流固热耦合计算；

(5)将步骤(1)简化后的几何模型导入workbench中稳态温度场模块，将冷却液模型忽略，并重新划分网格；

(6)将步骤(4)CFX中计算得到的冷却液流道的温度导入workbench稳态温度场模块，根据步骤(2)计算所得温度场边界条件，对主轴重新进行温度场计算；

(7)根据各个轴承的径向和轴向刚度计算等效圆环的径向和轴向的弹性模量，并在workbench中修改各个等效圆环的弹性模量；

(8)将步骤(6)稳态温度场计算得到的温度导入workbench稳态静力分析模块，计算热变形。

2.根据权利要求1所述仿真方法，其特征在于，所述的几何模型中包括冷却液模型，利用与轴承尺寸相同的圆环代替主轴部件中的轴承。

3.根据权利要求1所述仿真方法，其特征在于，所述的主轴部件几何模型的简化方法为：

1)将小于1mm的台阶删除；将螺纹孔全部删除；

2)将主轴部件内部的拉刀机构删除，在热变形计算的有限元模型中利用相同质量的质点代替；

3)将主轴部件中的电机删除，并在热变形计算的有限元模型中利用相同质量的质点代替；

4)保留主轴支架零件，保证主轴支架与主轴连接处的接触面积不变。

4.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述的在ANSYS ICEM CFD中的网格划分方法为：划分网格时必须对流体定义边界层，边界层厚度控制在1mm-2mm之间。

5.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述的CFX软件中的流固热耦合计算：流体的边界条件包括，流体入口速度、入口温度、出口压强，在CFX计算中将主轴支座做绝热处理。

6.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述的网格重新划分方法为：选择multizone法进行网格划分。

7.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述的等效圆环弹性模量确定方法为：

(1)径向弹性模量的确定：在workbench结构分析模块中，将圆环外圈固定约束，然后在圆环内圈施加一个径向的面力；当圆环内圈径向变形的平均值与相应轴承刚度对应的变形值相同时，此时圆环弹性模量即为所求径向弹性模量；

(2)轴向弹性模量的确定：在workbench结构分析模块中，在圆环一侧施加轴向压力，在另一侧约束轴向自由度，在圆环外圈约束住除轴向以外的自由度；轴向压力施加位置为对应轴承内圈的侧面；轴向约束处的为之为轴承外圈的侧面；当内圈轴向变形平均值与轴承刚度值对应的变形值相同时，此时圆环弹性模量即为所求轴向弹性模量。

8.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述的热变形计算中：主轴轴承与主轴轴套之间接触选为bonded，其余轴承与轴套的接触均选为No separation；轴承隔套与轴或者轴套的接触均选为No separation，其与旁边轴承的接触均选为bonded。

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