[发明专利]基于旋转热管的高速电主轴流-热-固耦合特性仿真方法

权利要求书

1.一种基于旋转热管的高速电主轴流-热-固耦合特性仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：根据高速电主轴的发热、散热条件以及几何约束条件设计旋转热管的结构参数，并将设计得到的旋转热管置入到高速电主轴内；

步骤二：建立旋转热管的气液两相流相变模型，对旋转热管进行流体模拟分析，以揭示旋转热管在高速电主轴复杂工作条件下的蒸发段机理和填充率对旋转热管散热性能的影响；

步骤三：建立带有旋转热管的高速电主轴的流-热-固耦合特性模型，对高速电主轴进行瞬态传热分析并得到温度场，对高速电主轴进行瞬态变形分析并得到变形场。

2.根据权利要求1所述基于旋转热管的高速电主轴流-热-固耦合特性仿真方法，其特征在于：所述步骤一中，高速电主轴工作时主要由两个热源，分别为内置电机和前后轴承组；

电机的功率损失为：

P_s＝P_e(1-η)

其中，P_s表示功率损失；P_e表示额定功率；η表示电机效率；

在高速工况下，三分之一的热量分布在转子上，三分之二的热量分布在定子上，则：

其中，q_rotor表示分布在转子上的热量；q_stator表示分别在定子上的热量；V_rotor表示转子的体积；V_stator表示转子的体积；

滚动轴承产生的摩擦力矩引起摩擦热Q，即：

Q＝1.047×10^-4×Mn

其中，M表示轴承摩擦力矩；n表示轴承转速；

摩擦力矩M为：

其中，M₁表示外部负载的扭矩；M₀表示润滑剂粘性摩擦的扭矩；f₁表示与轴承结构和载荷有关的系数；F_β表示力的大小和方向；d_m表示轴承的平均直径；v表示动力粘度；f₀表示与轴承和润滑方式有关的系数。

3.根据权利要求1所述基于旋转热管的高速电主轴流-热-固耦合特性仿真方法，其特征在于：所述步骤一中，高速电主轴内部空间紧凑，散热条件差，主轴外壳与空气处于自然对流换热模式；根据努塞尔数准则，对流传热系数为：

h＝(Nu·λ)/L

其中，h表示对流传热系数；Nu表示努塞尔数；L表示特征尺寸；λ表示热导率。

4.根据权利要求1所述基于旋转热管的高速电主轴流-热-固耦合特性仿真方法，其特征在于：所述步骤一中，旋转热管的离心加速度为：

a＝ω²rsinα

旋转热管中，流体的回流加速度_a等于重力加速度，即a/g＝1；

其中，ω表示旋转角速度；r表示旋转热管的最小内半径；α表示旋转热管内表面的锥度；

旋转热管的长度根据高度电主轴的几何约束条件、热源分布位置确定，且旋转热管的蒸发段应覆盖电机转子和前后轴承。

5.根据权利要求1所述基于旋转热管的高速电主轴流-热-固耦合特性仿真方法，其特征在于：所述步骤二中，以ANSYS FLUENT构建旋转热管的气液相变模型，利用VOF模型模拟气液相变过程中的质量转换和能量转换过程，利用Lee模型模拟气液两相在蒸发、沸腾和冷凝过程中的机理。