大型金属结构件热变形规律的实验研究

发布时间：2020-07-13 00:02

【摘要】：热变形对制造装备的影响比较大,温度引起的热变形误差可达加工总误差的70%以上。国内外学者对机械结构件热变形的研究主要通过机床表面温度场测量及误差测量,建立温度场与刀具变形误差之间的关系。但是在这些研究中很少涉及到重型机床大型金属结构件变形方面的研究,由于重型机床受力复杂、热源多、结构尺寸大等导致变形复杂,很难建立准确的温度场和变形场之间的解析表达式。因此,本论文以重型机床大型金属结构件为对象,通过实验研究局部热源作用下的大型金属结构件热源传播规律与热变形之间的关系,建立大型金属结构件温度场在空间上的分布规律以及时间上的变化规律与热变形在空间上的分布规律和时间上的变化规律之间的关系表达式。本文首先根据热传导理论,建立大型金属结构件理论分析模型和导热微分方程,通过有限元法求解结构件在持续加热和周期性加热的过程中,温度场变化规律和热变形规律之间的关系,揭示了热变形场在空间上的分布规律以及时间上的变化规律同温度场在空间上的分布规律和时间上的变化规律是一致的,从而提出可通过温度场间接反映结构件热变形场的变化规律,并开展了相关的实验研究。搭建了大型金属结构件热变形测试实验平台,验证仿真所揭示的温度场变化规律及热变形规律之间的关系。在温度场的测量方面,引入了光纤光栅传感技术对结构件温度进行测量,这是由于光纤传感技术较传统的电类传感器有如下优势:一线多点、抗电磁干扰、体积小能嵌入到结构内部。实验结果表明:在持续加热和周期性加热过程中,热变形场变化规律与温度场的变化规律之间的关系同仿真结果保持一致。并通过多元线性拟合的方法构建了变形场和温度场之间的关系,该关系式可用于测量该结构件指定位置的变形场。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG502;TG156
【图文】：

金属结构件,结构尺寸,简化模型,热源

构件主体材料以铸铁为主，各部分材料均匀一致。为便于研究分析，对该类大型金属结构件简化成图 2-3 模型，长度 15000 mm，其它结构尺寸如图 2-4 所示。红色区域为大型金属结构件上表面分布热源，热源 1 截面为圆形，直径为1000mm，热源 2 和热源 3 截面为矩形，长为 1500mm 宽为 1000mm，3 个热源的热功率均为 4000w。图 2-3 重型机床大型金属结构件简化模型

金属结构件,重型机床,多热源,仿真分析

图 2-5 重型机床大型金属结构件多热源仿真分析仿真结果表明，3 个热源作用区域均较小，反映互不干涉。因此可通过研究单个热源作用区域内的温度与热变形情况，从而得到整个重型机床大型金属结构件的温度与热变形情况。2.3 大型金属结构件热传导微分方程2.3.1 大型金属结构件热传导分析取重型机床大型金属结构件某一热源作用区域为研究对象，得到局部热源加热模型如图 2-6 所示，图中红色部位表示局部热源作用区域。

微元体,传热过程,热量

图 2-10 微元体传热过程微元体 x、 y 、 z 三个表面的热量分别为x y zφ 、φ 、φ ，dy、 z +dz三个表面的热量分别为x dx y dy z dzφ φ φ+ + +、、。间内，沿x、 y 、 z 轴导入 x、 y 、 z 表面的热量[49]分别为xyzTd dydzdtxTd dxdzdtyTd dxdydtzφ λφ λφ λ = = = + dy、 z +dz平面导出的热量[49]分别为：xx dx x xyTd d dx d dydz dx x x xTφφ φ φ λφφ φ φ λ+ = + = +

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