[发明专利]一种基于有限元模型数值仿真的数控机床温度测点优化方法

权利要求书

1.一种基于有限元模型数值仿真的数控机床温度测点优化方法，

其特征在于：包括以下步骤：

(一)初始化仿真条件，包括以下步骤：

(1)根据待优化数控机床类型，初始化所述待优化数控机床加工过程中热源R₁、R₂、R₃…R_n，并根据所述待优化数控机床对应发热功率P₁、P₂、P₃…P_n计算所述待优化数控机床发热量Q₁、Q₂、Q₃…Q_n；

(2)初始化热传导过程中水平及竖直热交换区域S_r1、S_r2对应传热系数λ₁、λ₂，计算所述待优化数控机床热损耗Q_L1、Q_L2；

(3)初始化泊松系数r计算公式及其判断规则：

使用泊松系数r来分析所述待优化数控机床温度场与热误差之间的相关程度，所述泊松系数r如式(1)所示：

所述泊松系数r具体判断规则如表1所示：

表1 泊松系数判断规则

(4)初始化所述待优化数控机床实际可以进行测点布置的区域s₁、s₂、s₃…s_n，在这些位置中根据仿真所得泊松系数分布图进行测点的分析，得到相关性较高的测点C₁、C₂、C₃…C_n；

(二)所述待优化数控机床有限元模型初始化条件设置，包括以下步骤：

(1)导入所述待优化数控机床的3D裸基座模型，并进行简化；

将所述待优化数控机床的3D裸基座模型导入COMSOL Multiphysi cs，于所述COMSOLMultiphysics中对所述3D裸基座模型进行简化处理，删去影响不大的次要结构；

(2)对所述待优化数控机床及所述待优化数控机床各零部件材料进行设置；

利用COMSOL Multiphysics中内置的材料库直接进行搜索，或自行定义一个空材料，键入材料的恒压热容C_p、导热系数λ₀、密度ρ、杨氏模量E、泊松比nu；

(3)设置热源；

根据式(3)(4)完成对滚动轴承摩擦热、滚珠丝杆摩擦热、电主轴摩擦热的设置；

对于滚动轴承及滚珠丝杆摩擦热，其发热量如式(3)所示：

位于式(3)中Q_b表示轴承单位时间发热量，n表示轴承转速，M表示轴承摩擦力矩，M₀指的是与载荷无关的摩擦力矩，M₁指的是与载荷有关的摩擦力矩，其中f₁取0.00055；在M₀计算公式中，f₀指的是与润滑有关的因素，取2；v₀指的是工作温度下轴承润滑剂的运动黏度，D_m指的是轴承的平均直径，而在M₁的计算公式中P₁指的是摩擦力矩计算时的轴承载荷；

对于电主轴的发热生成量用电机的损耗功率P_L来计算，其中电主轴输入功率为P_in，输出功率为P_out，其表达式如下：

P_L＝P_in-P_out (3)

(4)设置边界条件；

在固体传热物理场中，设定所述待优化数控机床与空气所存在的自然对流换热，对于所述3D裸基座模型而言基座侧壁与空气所存在的自然对流换热，如式(5)进行计算；其余对所述待优化数控机床无明显影响环节均视为绝热状态；在固体力学物理场中，设置边界载荷，输入其压力值P；

所述待优化数控机床与周围环境发生的自然对流换热系数h由努谢尔特准则进行计算，其中N_μ指的是努谢尔特准系数，L为特征尺寸，λ为导热系数，其式如下：

N_μ＝hL/λ (4)

(5)完成网格划分；

使用自由四面体进行网格的划分；

(6)完成求解器的配置；

选择瞬态求解器，对求解器相对容差设为0.01；时间步进方法选为广义α，采用步长选为中级，代数变量设置中一致初始化选用向后欧拉法，初始步长分数为0.001；

(三)生成所述待优化数控机床热平衡温度场及热变形场；

根据所设置的有限元模型进行数值仿真，得到所述待优化数控机床加工至热平衡过程动态温度场及热变形场分布；

(四)计算所述待优化数控机床温度与热变形之间泊松系数，并生成其分布场；

通过引入计算二者间泊松系数形成温度与热变形误差相关系数场；

(五)测点优化；

选取符合实际的待优化区域，结合相关系数分布场完成对测点的优化。