高速电主轴热特性分析的有限元网格划分

０ 引 言
随着 制造 业对 精 度 和 效 率 的要 求 愈 来 愈 高 ， 高 速加 工成 为切 削 加工 的一个 重 要 发 展 趋 势 川 ． 于 对 高 速高 精度机 床来 说 ， 主轴 热 误 差 是 影 响加 工 精 电 度 的重 要 因素 ． 用 有 限元 法 可 以对 电主轴 系 统 采
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｍｏｏ ｉｅ ｐｉｄｌ ｔ ｒ ｌｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｎ ｌ ｓｓ； ｎｉ ｌｍ ｅ ｔ ｍｅ ｈ ｈ ｇ ｐ ｅ ｔｒｚ ｄ ｓ ｎ ｅ；ｈｅ ｍａ ｈ ｒ ｃ ｅ ｔｃ ａ ａｙ ｉ ｆ ｔ ｅ ｅ ｎ ； ｓ ｉ ｉ ｅ
２ ２ 几何 清理 的关键 问题 ．
几 何 清理是 划 分 网格 的基 础 ， 几何 清理 的效 果 直接影 响 网格质 量 和计 算 精 度 ． 由于 导 入模 型 存 在
１ ２ 计 入接 触 热 阻的有 限 元网格 划分 要求 ．
计 人接 触 热 阻 分 析 方 法 不 要 求 零 件 之 间 网格 连续 ， 而是通 过 定 义接 触 实 现 热 、 传 递 的． 实 现 力 要
第２ ６卷 第 ５期 ２１年 １ ０１ ０月
郑 ， 轻 工 业 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ） ｋ ｌ ・ Ｉ
ＪＵ Ｎ Ｌ Ｆ Ｈ Ｎ Ｚ Ｏ ＮＶ Ｒ ＩＹＯ ＩＨ Ｄ ＳＲ （ ａ ｒ ｃ ｎｅ Ｏ Ｒ Ａ Ｅ Ｇ Ｈ ＵＵ ＩＥ Ｓ ＦＬ Ｔ Ｎ Ｕ Ｔ Ｙ Ｎｔ ａＳｉ ｃ ） ＯＺ Ｔ Ｇ Ｉ ｕｌ ｅ
Ｚ Ｕ Ｃ ｎ Ｄ Ｎ ｕ—ｎ ， ＨＥ Ｙ —ｕ， Ｚ Ｎ ｈ— ｎ ＨＯ ａ ， Ｅ Ｇ Ｇ ｉ ｉｇ ｌ ｕｈ ｉ ＨＡ Ｇ Ｓ ｉｕ ｊ
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统 结构 可进 行如 下 简化 ：１ 结构 中 的螺栓 连 接对 系 ） 统 温度 场分 析 结果 影 响不 大 ， 化 处 理 ；２ 卡 盘一 简 ） 拉杆 一 油缸 子 系 统 远 离 热 源 ， 不 是 主 要 研 究 对 且
象， 可忽 略 ．
过程中对模型合理分析选用适 当的网格 生成 方法
模 型 的接触 面一 致 ．
２ 高速 电主轴 网格划分
２ １ 整体 分析 ．
高网格质量 和美观 度 ， 减少单元数 量 ， 高计算速 提 度 和精 度 Ｊ前 处理 软 件不 能胜 任所 有 几 何 清 理 的 ．
工作 ， 就需要 用 三 维实 体 建 模 软件 对 一 些 微小 特 这 征进 行必 要 的处理 ． 先 利用 Ｓｌｗ ｒｓ 首 ｏｄ ｏｋ 对倒 角 、 ｉ 圆
１卡盘 ．
２ 法 兰套 ．
３床头箱 ．
挡块 ．
７ 拉杆 ．
８法 兰 ．
９ 主轴 ．
１． ０ 前挡 块
１． 法兰 １前
１ ． 承 ２轴
图 ２ 网格 划 分 流 程 图
１． 子 ３定
１． 法兰 ４后
１． 架 ５支
１． 度法兰 ６过
１． 缸 ７油
图 １ 主轴 系统 结 构 图
Ｖ０ ． Ｎｏ． １２６ ５ ０ｃ ． ２ ｔ ０１１
文章编号 ：０ ４—１７ （ ０ １ ０ ００ ０ １０ ４ ８ ２ １ ） ５— ０ ８— ５
高速 电主轴热特性分析的有限元 网格划分
周 灿 ， 邓 圭玲 ， 何 玉辉 ， 张 士 军
（ 中南大 学 复 杂装备 设计 与极 端制造 教 育部 重点 实验 室 ，湖南 长 沙 ４ ０８ ） １０３ 摘 要 ： 了精 确 分析 高速 电主轴 系统 动 态热特 性 ， 合 利 用 Ｓｌｗ ｒｓＨ ｐｒｍ ｓ， ｒ 为 综 ｏｉ ｏｋ ， ｙｅ ｅｈ Ｍａ ｄ ｃ划分 单元 、 装 配 网格 ， 组件 间通过 定 义接 触传递 热量 、 零 力等 ． 用 该 方 法进行 电主 轴 系统 动 态热特 性 分 析 ， 利 仿
缝 隙、 重叠 、 错位等缺陷， 如果不进行几何清理会影
响单元 质量 ， 重 时还 会 导 致单 元 扭 曲以 至于 无 法 严 求 解或 结果 失 真． 一 方 面 ， 另 由于 模 型存 在 一 些 微 小 结构 特征 ， 分 析 时对 结 果 影 响 不 大 ， 在 而且 需 要 很 多小 单元 ， 如果 不 进行 几 何 清 理会 导 致 求 解 时 间 过长 ， 甚至 无 法 生 成 网格 ． 当的 几 何 清 理 可 以 提 适
量较 差 ； 二是 模 型较 大 ， 要 占用 较 多 的 计 算 机 资 需 源； 三是 不方便 后 续 单元 管 理 等 ． 于 以上 原 因 ， 基 综 合利 用 Ｓｌｗ ｒｓ Ｈ ｐｒ ｓ， ｒ 零 组 件 逐 个 ｏｉ ｏｋ ， ｙｅ ｈ Ｍａｃ对 ｄ ｍｅ
的方式划分 网格 ， 以期提高 网格 划分 的效 率 ， 于 便
下而上 的方 式 ， ３ 在 Ｄ模 型 的基 础上 划 分 网格 ． 个 整
电主轴系统是高速机床的核心 ， 其结构见 图 １ ．
空 载状 况下 ， 系统 主要 热 源 是 轴 承 、 子 和 转 子 ． 定 对
装配体进行合理简化能够有效利用计算机资源 ， 提 高后期的计 算速度 ， 证仿真结果 真实有效． 保 对系
尤为 重 要 ． ａ ａ Ｐｔｎ和 Ｈ ｐｒｅｈ是 两款 非 常 优 秀 的 ｒ ｙｅｍ ｓ 前 处理 软件 ， 文选用 Ｈ ｐｒ ｅｈ ） 本 ｙｅｍ ｓ．３ 零组件 网格 装 配． 关键 问 题 在 于 实 现 零 组 件 网格 导 人 和 位 姿 调
整． 网格 划分 流程 见 图 ２ ．
真 结果 与 实测结果 一致 ． 方法 可 以快 速 高效地 划分 网格 ， 该 方便后 续 网格修 改和 管理 ， 也适 用 于其他
大型装 配体 网格 划分．
关键词 ： 高速 电主轴； 热特性分析 ； 有限元 ； 网格划分 中图分 类号 ：Ｐ １ Ｔ ３９ 文献标 志码 ： Ａ
Ｍ ｅ ｈｉ ｇ ｆ ｒ ｆｎ ｔ ｌ ｍ ｅ ｎａ ｙ ｉ ｎ ｓ ｎ ｏ ｉｅ ｅ ｅ ｎｔａ ｌ ｓｓ ｏ ｉ ｔ ｒ ａ ｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉ ｆ ｈ ｇ ｐ ｅ ｍ ｏ ｏ ｉ ｅ ｐ ｎｄ ｅ ｈｅ ｍ ｌｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｏ ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｔ ｒ ｚ ｄ ｓ ｉ ｌ
考虑接触面热 阻， 需要对 系统 划分三维 网格． 使用
有 限元 软件 对 电主轴 系统 进 行 整 体 网格 划 分 ， 仅 不
热特性进行仿真分析． 如果把 电主轴系统热特性分
收 稿 日期 ：０ １— ３—０ ２１ ０ ８ 基 金 项 目 ： 家科 技 重 大 专 项 （０ ９ Ｘ ４ ０ － ０ ５ 国 ２ ０ Ｚ ０ ０ １－ ６ ） －
接触体之问有效 的热 、 力传递 ， 还需 要设定合 理 的
接触 热 阻 、 擦 系 数 等 参 数． 人 接 触 热 阻 的 有 限 摩 计 元 网格 划分要 求 为 ： ） 同零 组件 定义 为 不 同接 触 １不 体； ） ２ 零组件 网 格 之 间要 有 明确 的接 触 面 ， 且 与 并
Ｃｎｒｌ ｏｔ ｎｖ，ｈ ｎ ｓａ４ ０ ８ ， ｈｎ ） ｅｔ ｕｈＵ ｉ Ｃ ａｇｈ １０３ Ｃ ｉａ ａＳ ．
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｃ ｕｒｔ ｌ ｎａｙ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｒ ｎ ｉ ｎ ｈｅ ｍａ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｆｈｉｈ ｓ ｅ ｄ ｍｏｏ ｉｅ ｐｉ ｄ ｅ ｓ ｒ ｃ ： ｏ ａ ｃ ａｅ ｙ ａ ｌ ｚ ｙ ａ ｃ ｔａ ｓｅ ｔｔ ｒ ｌ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ ｏ ｇ ｐ ｅ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｎ ｌ ｓ ｓｅ ，ｈ ｌｄ ｒ ｓ， ｐ ｒ ｓ ｎ ｒ ｏ ｒ ｓａ ｅ ｓ ｎ ｈ ｔ ａｌ ｓ ｄ ｆ ｒｍｅ ｈ ｎ ｎ ｓ ｅ ｙ ｔｍ ｔ ｅ Ｓｏｉ ｗｏ ｋ Ｈｙ ｅ ｍｅ ｈ ａ ｄ Ｍａ ｃ ｓ ｆ ｗａ ｅ ｒ ｙ ｔ ｅ ｉ ｌ ｕ ｅ ｏ ｓ ｉ ｇ ａ ｄ ａ ｓ ｍｂｌ ｔ ｃ ｙ ｉ ｎｇ， ｔ ｅ ｔａ ｄ ｐ ｗｅ ｒ ｒ ｎ ｆ ｒ ｄ ｂ ｅ ｎｉ ｏ ｏ ｔ ｃ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ Ｂｙ ｔ ｉ ｔ ｏ ｄ ｎ ｍｉ ｈｅ ｈ ａ ｎ ｏ ｒｗｅ ｅ ｔａ ｓｅ ｅ ｙ ｄ ｆ ｔ ｎ ｃ ｎ ａ ｔｂ ｔ ｅ ｈ ｏ ｏ ｅ ｔ ． ｈ ｓｍｅ ｈ ｄ， ｙ ａ ｃ ｉ ｉ ｔ ｒ ｌｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓａ ｌ ｓｓｏ ｔｒｚ ｄ ｓ ｉ ｄ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ａ ｒｅ ｕｔ ａ ｄ ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓａ ｅ ａ — ｈｅ ｍａ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｎａｙ ｉ ｆｍｏ ｏ ｅ ｐ ｎ ｌ ｙ ｔ ｍ ｓｃ ｒｉ ｄ ｏ ， ｎ ｈ ｉ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ｒ ｃ ｉ ｃ ｒ ｔ ｈｅ ｍｅ ｓ ｒｎ ｅ ｕ ｔ． ｅ ｈ ｇ ｕ ｌ ｙ ｇ ｉ ｓｃ ｎ ｂ ａ ｉ ｌ ｌｔｅ ｅ ｓｌ ｍｅ ｄ ｄ ａ ｄ ｍａ ａ ｅ ｏ ｄ ｗｉｈ ｔ ａ ｕ ｉ ｇ ｒ ｓ ｌｓ Ｔｈ ｉｈ ｑ ａ ｉ ｒｄ ａ ｅ ｒ ｐ ｄ ｙ ｐ ｏｔｄ， ａ ｉｙ ａ ｎ ｅ ｎ ｎ ｇ ｄ ｔ ｂ ｈ ｔ ｏ ａ ｄ ｔ ｉ ｔ ｏ ｓ ａｓ ｐｐ ｉａ ｌ ｏ ｏｈ ｒｌ ｒ ｅ ａ ｓ ｍｂ ｙ ｍｅ ｈ ｎ ． ｙ ｔ ｅ ｍｅｈ ｄ， ｎ ｈ ｓ ｍｅｈ ｄ ｉ ｌｏ ａ ｌ ｂｅ ｔ ｔ ｅ ａ ｇ ｓ ｅ ｌ ｓ ｉ ｇ ｃ
周灿 ， ： 等 高速 电主轴热特性分析 的有 限元 网格划分
难 以 控 制 ， 划 分 质 量 差 ， 响 计 算 精 度 ． 于 且 影 鉴 此 ， 者 拟采 用 Ｓｌｗ ｒｓＨ ｐｒ ｓ ， ａｃ相结 合 笔 ｏｉ ｏｋ ， ｙｅｍｅｈ Ｍ ｒ ｄ
行映射格划分 ， 而采用 自由网格划分得到 的单元质
有限元 网格划分有 自低 向高和 自高向低 ２种方
式 ， 型装 配 体 通 常 采 用 自低 向 高 的 方 法 ． 果 把 大 如 装 配 体模 型导 人分 析 软件 进 行 整 体 网格 划 分 ］可 ，
作者简介 ： 周灿 （９ ４ ） 男， １８ 一 ， 河南省永城 县人 ， 中南大学硕士研 究生， 主要研 究方向为 高速机 床热误差分析与补偿
通信作者 ： 邓圭玲 （９ ４ ） 男， １６ 一 ， 湖南省娄底市人 ， 中南大学教授 ， 主要 研究方向为 高速机床热误差分析与补偿．
第 ５期
后 续 网格 的修 改和 管理 ．
１ 电主 轴 系 统
１ １ 系统 结构 与简 化 ．
进行 网格划分 ， 然后装 配 ， 可以快 速高效地获得高
质量 的 有 限 元 网 格 ． 种 网 格 划 分 方 法 步 骤 为 ： 这 １ 几何 清 理． 核心 问题 是 清 理对 分 析 影 响不 大 的 ） 其 微特 征 以及 模 型 缺 陷 ．２ 零 组 件 网格 划 分 ． 用 自 ） 采
析 简化 为平 面 问题 Ｊ或者 不考 虑接 触 ， ， 简单 地 把 系 统作 为一体 进行 分 析 ， 果 都会 与 实 际情 况 偏 离 结
较 大 ． 人接 触热 阻是 把零 组 件 之 间 接触 面处 的热 计
阻影响计算在内， 这种多体接触分析方法无疑与真
实 情况 更加 接近 ． 由于 电 主轴 系统 结 构 复 杂而 且 须