非均匀温度场中机械零部件热变形的理论及应用研究

发布时间：2020-11-11 07:17

　　 随着精密加工、精密测试技术的发展，纳米技术的兴起，热变形误差已成为这 些领域提高测量精度和加工精度的关键技术障碍。本文在综合国内外研究成果和本 单位热变形研究成果的基础上，在国家自然科学基金等项目的支持下，首次将热传 导理论、弹性理论和热弹性理论系统、深入地引进到研究之中，研究了零部件不同 状态下（使用中，加工中）的非均匀温度场理论模型，在此基础上对零部件的热变 形、热应力做了系统的理论分析和实验验证，取得了一些成果，其中有些观点是创 新的。 本文的主要内容及创新包括： 在综合国内外现有热变形研究成果的基础上，主要研究了非均匀温度场中机械 零部件的热变形，采用了与均匀温度场的热变形研究有本质区别的新技术路线和新 的理论基础。工作中的机械设备大多是处于非均匀、稳定温度场中的，因此研究非 均匀温度场的热变形更具有应用价值和实际意义。其研究成果和我们已完成的均匀 温度场中的热变形成果前后呼应、互相补充，既拓宽了热变形的研究领域、又为机 械热变形的进一步研究构筑了更加全面的、完整的理论基础。 根据热传导理论，本文独立完成机械零部件典型温度场的理论建模、主轴三维 温度场的理论推导，在确定温度场的基础上，运用热弹性理论完成了其热应力和热 变形的理论计算和和部分试验分析，类似的结论或成果国、内外未见报道。 本文选用两种典型零部件（孔轴配合和滚动轴承）为突破口，对机械零部件在稳 定温度场下的热变形规律进行了系统的研究。本文重点分析热变形对孔、轴类配合 的影响，提出了通过修正公差设计补偿热变形误差的理论方法和具体措施，为全面 提出热公差配合理论奠定了良好的基础；系统讨论了滚动轴承游隙变化和温度变化 之间的关系，分析了装配应力及旋转速度对游隙变化的影响，完成了轴承最佳工作 游隙的确定方法和计算理论；在确定轴承、主轴热变形的基础上，深入分析其热变 形对轴系预紧的影响，该成果将热变形这一对于预紧不利的因素转化为对预紧有利 的因素，通过确定合适的初始预紧力，进而保证了轴系在工作温度中处于最佳的预 紧状态，这对于高精度轴系的设计、制造和使用均具有理论价值和现实意义。 本文总结了影响机械零部件热变形的各种主要因素，重点研究了残余应力对零 件热变形的影响。众所周知，残余应力会导致零部件发生残余应力变形，破坏精度。 本文分析了典型热处理工艺、切削加工工艺对残余应力产生、分布、大小和性质的 影响，提出了残余应力对零部件热变形的影响机理，并进行了有创新的理论分析。 本文选用不同的典型工艺加工了一批残余应力具有特定分布的零件，通过对试件热 变形的测定，基本上验证了新观点的正确性。 在理论研究的基础上，本文结合实际研究了三峡工程发电机组主轴在车削加工 11 合肥工业大学博士学位论文 中的热变形。切削热所产生的温度场是非均匀非稳定的，它不仅是空间的函数，也 是时间的函数，同时热源性质也不同。本文在理论上运用移动热源法、格林函数法 完成车削中孔、轴类零件的三维非均匀、非稳定温度场的理论建模，而且孔、轴的 理论分析采用了不同的计算理论和思路，在此基础上运用热弹性位移势和勒夫位移 函数推导了车削状况F零部件热变形的理论公式，并进行了试验验证分析，该部分 成果即将进入实际应用阶段，相同或相似的结论、成果国内外未见报道。 针对非均匀、稳定温度场和非均匀、非稳定温度场中不同规律的热变形研究， 本论文专门研制了两套包含加温、测温、控温、测热变形的实验装置，根据热传导 性质和方向的不同，两套装置分别采用“向心”加热和“离心”加热的方法来构建 零部件的不同性质的温度场，在综合各种热变形测量方法的基础上，提出了测量零 部件热变形的新方法。实验结果基本验证了理论分析的成果，更重要的是它为不断 修正边界条件，提供了依据，这一点在非均匀温度场中研究热变形是很重要的。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2001
【中图分类】：TH161.4
【文章目录】：
第一章 绪 论
    1.1 研究意义
    1.2 国内外研究现状和存在的问题
    1.3 本论文的主要研究内容
第二章 热变形的理论基础
    2.1 传统热膨胀理论概述
    2.2 热传导理论基础及分析
    2.3 热弹性理论基础
第三章 回转类零件热变形理论研究
    3.1 典型温度场的理论分析
    3.2 主轴三维热传导问题的级数解
    3.3 圆筒类零件热变形分析
    3.4 圆盘类零件热变形分析
第四章 典型零部件热变形理论分析
    4.1 公差配合概述
    4.2 轴套弹性变形分析
    4.3 装配应力和热变形对间隙配合影响之分析
    4.4 热变形对过盈配合的影响分析
    4.5 滚动轴承概述
    4.6 轴承预紧原理和轴系热特性分析
    4.7 滚动轴承热变形的理论分析
第五章 残余应力影响零件热变形的理论分析
    5.1 残余应力产生的原因及特点
    5.2 热处理对残余应力形成及分布的影响
    5.3 切削加工对表层残余内应力形成及分布的影响
    5.4 残余应力影响零件热变形机理
    5.5 残余应力影响简单形体热变形的理论分析
第六章 发电机组主轴热变形规律的理论研究
    6.1 问题的提出
    6.2 切削热中工件热变形的研究现状及特点
    6.3 切削加工中大轴温度场的理论分析
    6.4 实心轴热变形之理论分析
第七章 实 验
    7.1 轴套热变形实验
    7.2 残余应力对热变形影响实验
    7.3 大轴切削加工下的热变形模拟实验分析
    7.4 发电机组止口实验结论
第八章 结论与展望
    8.1 主要结论
    8.2 展 望
附 录
主要参考文献
读博士期间发表的论文
致 谢

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 孙志礼;杨强;高沛;闫明;;基于有限元法的机床导轨热特性研究[J];东北大学学报(自然科学版);2011年07期

2 黄琪;张力;杨勇;申正均;严宏;;内冷油腔活塞热结构分析及应力—温度散点图评价[J];机械强度;2011年03期

3 孟玲霞;杨庆东;韩秋实;郑军;;超精密车削中心整机热-结构耦合分析[J];组合机床与自动化加工技术;2011年07期

4 苏海赋;曲杰;余为高;;通风盘式制动器热抖动现象仿真分析[J];机电工程技术;2011年04期

5 杨建军;吴沁;;中空滚珠丝杠副热动态特性分析[J];机械设计;2011年09期

6 曾松岩;段守坤;蒋祖龄;;铸件温度场温度的微机数据采集、处理与绘图系统[J];实验技术与管理;1992年01期

7 陈志远;;箱梁温度应力研究[J];四川建材;2011年04期

8 张倩倩;田波;谢晋德;;北京地区水泥混凝土路面温度场研究及气象要素分析[J];公路;2011年07期

9 单齐云;高立堂;毛绪超;王强;赵晓旭;;某工程大体积混凝土温度场的试验研究[J];青岛理工大学学报;2011年04期

10 周其华;古晓君;王泽明;高佳;;现浇混凝土肋梁屋面板温度场及温度应变分析[J];建筑技术开发;2010年12期

相关博士学位论文 前10条

1 胡鹏浩;非均匀温度场中机械零部件热变形的理论及应用研究[D];合肥工业大学;2001年

2 谭怀亮;材料复合型铸轧辊温度场和热变形的界面元方法及其仿真研究[D];中南大学;2001年

3 李兴东;板带轧机工作辊温度场和热变形研究及其在热带钢连轧中的应用[D];燕山大学;2005年

4 张淑杰;空间可展桁架结构的设计与热分析[D];浙江大学;2001年

5 苗恩铭;精密零件热膨胀及材料精确热膨胀系数研究[D];合肥工业大学;2004年

6 张敏;采后果蔬热导率测试系统研究及其内部传热温度场模拟[D];河南农业大学;2005年

7 邵晓鹏;红外纹理生成方法研究[D];西安电子科技大学;2005年

8 钱作勤;内燃机动态热负荷及其虚拟故障的仿真[D];武汉理工大学;2002年

9 刘冬生;地源热泵实验台及同轴套管换热器传热模型研究[D];吉林大学;2005年

10 王翠云;基于遥感和CFD技术的城市热环境分析与模拟[D];兰州大学;2008年

相关硕士学位论文 前10条

1 邢慧颖;空间充气展开太阳电池阵的热分析[D];哈尔滨工业大学;2007年

2 闫勇;龟甲网在高温下的变形模拟研究[D];大连理工大学;2006年

3 张勇;温度变化对机械零件配合精度影响的研究[D];合肥工业大学;2002年

4 毛信龙;PCB组件在再流焊过程中热变形的建模与仿真[D];天津大学;2005年

5 杨霄;光学玻璃在激光作用过程中的热力效应研究[D];长春理工大学;2009年

6 朱珍;激光散斑干涉法测量机械零件热变形的研究[D];合肥工业大学;2008年

7 张红钢;Cu-Fe-P合金高温热变形行为研究[D];中南大学;2004年

8 周鹏飞;极紫外光刻掩模热变形及其对光刻性能的影响[D];中国科学院研究生院（电工研究所）;2006年

9 刘永胜;多热源合成碳化硅炉温度场数值模拟及实验研究[D];西安科技学院;2002年

10 刘庆才;火箭发射药非稳态传热及温度场特性研究[D];南京理工大学;2002年

本文编号：2878906