【摘要】：熱變形對制造裝備的影響比較大,溫度引起的熱變形誤差可達(dá)加工總誤差的70%以上。國內(nèi)外學(xué)者對機(jī)械結(jié)構(gòu)件熱變形的研究主要通過機(jī)床表面溫度場測量及誤差測量,建立溫度場與刀具變形誤差之間的關(guān)系。但是在這些研究中很少涉及到重型機(jī)床大型金屬結(jié)構(gòu)件變形方面的研究,由于重型機(jī)床受力復(fù)雜、熱源多、結(jié)構(gòu)尺寸大等導(dǎo)致變形復(fù)雜,很難建立準(zhǔn)確的溫度場和變形場之間的解析表達(dá)式。因此,本論文以重型機(jī)床大型金屬結(jié)構(gòu)件為對象,通過實(shí)驗(yàn)研究局部熱源作用下的大型金屬結(jié)構(gòu)件熱源傳播規(guī)律與熱變形之間的關(guān)系,建立大型金屬結(jié)構(gòu)件溫度場在空間上的分布規(guī)律以及時間上的變化規(guī)律與熱變形在空間上的分布規(guī)律和時間上的變化規(guī)律之間的關(guān)系表達(dá)式。本文首先根據(jù)熱傳導(dǎo)理論,建立大型金屬結(jié)構(gòu)件理論分析模型和導(dǎo)熱微分方程,通過有限元法求解結(jié)構(gòu)件在持續(xù)加熱和周期性加熱的過程中,溫度場變化規(guī)律和熱變形規(guī)律之間的關(guān)系,揭示了熱變形場在空間上的分布規(guī)律以及時間上的變化規(guī)律同溫度場在空間上的分布規(guī)律和時間上的變化規(guī)律是一致的,從而提出可通過溫度場間接反映結(jié)構(gòu)件熱變形場的變化規(guī)律,并開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。搭建了大型金屬結(jié)構(gòu)件熱變形測試實(shí)驗(yàn)平臺,驗(yàn)證仿真所揭示的溫度場變化規(guī)律及熱變形規(guī)律之間的關(guān)系。在溫度場的測量方面,引入了光纖光柵傳感技術(shù)對結(jié)構(gòu)件溫度進(jìn)行測量,這是由于光纖傳感技術(shù)較傳統(tǒng)的電類傳感器有如下優(yōu)勢:一線多點(diǎn)、抗電磁干擾、體積小能嵌入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在持續(xù)加熱和周期性加熱過程中,熱變形場變化規(guī)律與溫度場的變化規(guī)律之間的關(guān)系同仿真結(jié)果保持一致。并通過多元線性擬合的方法構(gòu)建了變形場和溫度場之間的關(guān)系,該關(guān)系式可用于測量該結(jié)構(gòu)件指定位置的變形場。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG502;TG156
【圖文】：

構(gòu)件主體材料以鑄鐵為主，各部分材料均勻一致。為便于研究分析，對該類大型金屬結(jié)構(gòu)件簡化成圖 2-3 模型，長度 15000 mm，其它結(jié)構(gòu)尺寸如圖 2-4 所示。紅色區(qū)域?yàn)榇笮徒饘俳Y(jié)構(gòu)件上表面分布熱源，熱源 1 截面為圓形，直徑為1000mm，熱源 2 和熱源 3 截面為矩形，長為 1500mm 寬為 1000mm，3 個熱源的熱功率均為 4000w。圖 2-3 重型機(jī)床大型金屬結(jié)構(gòu)件簡化模型

圖 2-5 重型機(jī)床大型金屬結(jié)構(gòu)件多熱源仿真分析仿真結(jié)果表明，3 個熱源作用區(qū)域均較小，反映互不干涉。因此可通過研究單個熱源作用區(qū)域內(nèi)的溫度與熱變形情況，從而得到整個重型機(jī)床大型金屬結(jié)構(gòu)件的溫度與熱變形情況。2.3 大型金屬結(jié)構(gòu)件熱傳導(dǎo)微分方程2.3.1 大型金屬結(jié)構(gòu)件熱傳導(dǎo)分析取重型機(jī)床大型金屬結(jié)構(gòu)件某一熱源作用區(qū)域?yàn)檠芯繉ο�，得到局部熱源加熱模型如圖 2-6 所示，圖中紅色部位表示局部熱源作用區(qū)域。

圖 2-10 微元體傳熱過程微元體 x、 y 、 z 三個表面的熱量分別為x y zφ 、φ 、φ ，dy、 z +dz三個表面的熱量分別為x dx y dy z dzφ φ φ+ + +、 、 。間內(nèi)，沿x、 y 、 z 軸導(dǎo)入 x、 y 、 z 表面的熱量[49]分別為xyzTd dydzdtxTd dxdzdtyTd dxdydtzφ λφ λφ λ = = = + dy、 z +dz平面導(dǎo)出的熱量[49]分別為：xx dx x xyTd d dx d dydz dx x x xTφφ φ φ λφφ φ φ λ+ = + = +

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