[发明专利]床身流-热-固耦合有限元热特性分析模型的建模方法

说明书

一种床身流‑热‑固耦合有限元热特性分析模型的建模方法，首先建立床身流道中的冷却液真实几何模型，利用Ansys CFX软件并基于有限元法在充分考虑流动换热边界条件的基础上对冷却液在床身的流动过程进行流体仿真分析；其次通过采用流‑热‑固多物理场顺序耦合分析方法，将流体分析得到的换热系数结果传递至热分析模块中，同时考虑其他边界条件进行床身的温度分布求解；最后将床身的温度加载至结构静力学模型中，最终求解床身的热变形；本发明具有较好的通用性，可以用于相似床身或其他装备的热特性分析中。

技术领域

本发明属于机床床身热分析技术领域，具体涉及一种床身流-热-固耦合有限元热特性分析模型的建模方法。

背景技术

减小机床热误差是提高机床加工精度亟待解决的关键问题之一，作为精密加工机床的关键基础部件，床身的主要作用是承载与作为基准，支承其他零部件并保持各零部件之间的相对位置。由于床身在内外热源的综合影响下产生不均匀的温度分布，进而出现热变形，直接破坏关键装配面的设计精度，最终导致整机加工精度的降低，因此分析床身的温度分布与热变形对设计高热稳定性的床身结构至关重要。

在精密磨齿机的磨削加工中，必须采用冷却液浇注式冷却，一方面降低磨削区域的温度，预防磨削烧伤的出现，另一方面清洗加工区域的磨屑，防止磨屑影响磨削效果。冷却液最为床身的最大热源对床身的热特性有着极为重要的影响。为了分析床身在冷却液与环境温度等内外热源综合影响下的温度分布与热变形，以及床身上冷却液的流动换热情况，现有的方法是采用传热学相似性准则，并在大量简化假设条件的基础上，将冷却液在床身上的流动理想化为流体外掠平板模型，再基于有限元法建立床身的热特性分析模型，该方法最大的缺陷在于采用传热学相似性准则计算得到的换热系数精度较低，所建床身热特性分析模型的分析结果与实际测量值之间的误差较大，不能满足准确分析床身热特性的需要，更不能满足床身热设计分析的诉求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种床身流-热-固耦合有限元热特性分析模型的建模方法，具有较好的通用性，可以用于相似床身或其他装备的热特性分析中。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种床身流-热-固耦合有限元热特性分析模型的建模方法，首先建立床身流道中的冷却液真实几何模型，利用Ansys CFX软件并基于有限元法在充分考虑流动换热边界条件的基础上对冷却液在床身的流动过程进行流体仿真分析；其次通过采用流-热-固多物理场顺序耦合分析方法，将流体分析得到的换热系数结果传递至热分析模块中，同时考虑其他边界条件进行床身的温度分布求解；最后将床身的温度加载至结构静力学模型中，最终求解床身的热变形。

一种床身流-热-固耦合有限元热特性分析模型的建模方法，包括以下步骤：

1)结合理论计算和磨削加工工况下的实际冷却液覆盖情况的测绘结果，在床身几何模型的基础上建立冷却液的真实几何模型；

2)利用Ansys CFX软件并基于有限元法在考虑流动换热边界条件的基础上，对冷却液在床身上的流动过程进行流体分析，并求解冷却液流体与床身之间的换热系数；

3)建立床身的热分析模型，先将步骤2)中流体分析得到的换热系数传递至热分析模型中，再考虑其他边界条件进行床身的温度分布的求解；

4)建立床身的结构静立分析模型，将步骤3)中热分析模型中求得的床身温度加载至结构静力学模型中，再考虑其他边界条件进行求解床身的热变形，得到床身流-热-固耦合有限元热特性分析模型。

所述的步骤1)的具体流程为：

1.1)在三维造型软件中建立床身的几何模型；

1.2)冷却液在床身流道中的流体层平均厚度h