基于ANSYS的磨削热分析中移动热源加载技巧

基于ANSYS的磨削热分析中移动热源加载技巧 2012-07-19##############2012-07-19#######2#012-07-19######## 基于 ANSY S的磨削热分析中移动热源加载技巧 张文丽 ()山西机电职业技术学院 ,长治 046011 摘要 :介绍利用 AN SYS进行磨削热分析时移动热源的加载方法 ,阐述当磨削面为曲面时移动热源的加载技巧 ,对曲面 ()如齿轮 磨削过程热状态研究具有指导意义 。 关键词 : AN SYS;磨削热 ;移动热源 ( ) 中图分类号 : TP39119 文献标识码 : B 文章编号 : 1671 —3133 2007 03 —0088 —03 The loa d in g sk ill of m ov in g hea t re source ba sed on A NSY S in gr in d in g hea t ana ly s is Zhang W en2li ( )Shanxi In stitu te of M echan ica l Techno ligy, Changzh i 046100 , Shanxi, CHN A b stra c t: P rim a ry in troduced the ana lytica l m e thod of grind ing hea t ba sed on AN SYS in grind ing hea t ana lysis. H ave summ a rized the load ing sk ill of moving hea t re sou rce when cu rve su rface is grinded. Th is m e thod have grea t m ean ing in grind ing p roce ss study of hea t sta te when cu rve su rface is grind ing , such a s gea r grind ing. Key s:AN SYS; Grind ing hea t; Moving hea t re sou rce 度不仅与坐标 X、Y、Z 有关 , 而且是时间的函数 , 其边 0 引言 界条件往往又比较复杂 , 如果采用通用的简化方法求 由于磨削加工具有不同于一般切 削加 工 的特 殊 它的解析解 , 因为其包含有大量参数 , 要得到某一点 性 ,大约 60 % ,95 %的热量被传入工件 , 这些传入工 的近似解 , 必须经过繁琐的运算 , 求解整个磨削区的 件的热量在磨削过程中来不及传入工件深处 ,而聚集 温度场分布 。因此 , 长期以来 , 人们一 直 在试 图寻 求 在表面层里形成局部高温 ,工件表面温度高达 1000 ? 获取磨削区温度分布值的简便办法 。随着电子计 算 (以上 , 在表面层形成极大的温度梯度 可高达 600 , 机的普及与推广 , 人们开始将计算机的有限元法应用 [ 1 ] ) 1000 ? /mm 。所以磨削热是磨削过程中很重要的 于磨削温度场的研究之中 。 物理现象 , 它不但阻碍磨削生产效率的提高 , 并且对 1 热分析的数学模型 工件表面质量和使用性能影响较大 。特别是当温 度 利用 ANSYS进行热分析是基于能量守恒原理的热 在界面上超过某一临界值时 ,就会引起表面的热损伤 平衡方程 ,用有限元方法计算各点的温度 ,并导出其他热 () 表面的氧化 、烧伤 、残余应力和裂纹 ,其结果将会导 致() 物理参数 ,包括 :稳态传热 系统的温度场不随时间变化 工件的抗磨损性能降低 , 应力锈蚀的灵敏性增加 , 抗()和瞬态传热 系统的温度场随时间明显变化 两种情况 。 疲劳性变差 ,从而降低了工件的使用寿命和工作可 靠( θ在一般的三维问题中 , 瞬态温度场的变量 x, y, 性 ,此外 ,磨削周期中工件的累积温升 ,也常导致工 件)z, t在直角坐标中应满足的微分方程为 : θ θ θθ9 99 99 9 9 )( ρ( ( ))产生尺寸精度和形状精度误差 。另外 ,磨削区的磨 削c - k- k- - kx yz 9 t 9x 9x9y9y9z 9z 热 , 不 仅 影 响 到 工 件 , 也 影 响 到 砂 轮 的 使 用 寿 命 。 因ρ(Ω)( )Q = 0 域内 ?????????? 1 此 , 研究磨削区的温度在工件上的分布状况 , 是研 鉴于磨削加工的特殊性 ,所研究对象与某些自变量之 此方程即热量平衡方程 ,式中第 1 项是微体升温 究磨削机理和提高被磨工件表面完整性的重要问题 。 间的关系比较复杂,并没有相应的线性关系式, 目前需要的热量;第2 ,3 ,4项是由X, Y, Z方向传入微体的 2012-07-19##############2012-07-19#######2#012-07-19######## 表明 :微体升温所需要的热量应与传入微体的热量以 20 ?,且各面与外界绝热 ,只在表面加一移动热源 。 及微体内热源产生的热量相平衡 。 211 磨削面为平面时三角形移动热源加载原理 Ω另外 , 求解域 的温度场分布 , 应满足边界条件 。 由于 AN SYS本身不能直接加载移动热源 ,所以把 边界条件可分为如下三类 : 这一过程离散化 ,在极短的时间内在某一磨削区加载 θ()θΓ=? 在 边界上 1 一固定热流 ,在下一时间段内移至另一区域加载固定 θθθ 9 9 9 k+ kn+ k= q()nnΓ在 边界上 x x yz z y2 热源 ,并把 上 一 次 所 得 的 结 果 作 为 这 一 次 的 初 始 条 9x 9y9z 件 ,这是解决某些连续性问题的一种方法 。磨削有两 θ θ θ 9 9 9 α(θθ)()Γk+ k+ k=- 在 边界上 nnnα 3 x x y y z z 9x 9y 9z 种热载荷方式 , 即均布热载荷和三角形热载荷 , 下面 ρ式中 :为材料密度 ; c为 质量 定压 热 比容 ; t为 时间 ; 介绍三角形分布移动热载荷的加载原理 ,均布移动载 k, k, k分别为材料沿 X , Y, Z 方向上的热传导系数 ; x y z 荷的加载方式类似于三角形载荷 。 ( )Q = Q x, y, z, t为物体内部的热源密度 ; n, n, n分别 x y z 已知热流密度的分布长度为 l, 移动速度 v = vc w θθ(Γ) Γ为边界外法线的方向余弦 ;? =?, t为 边界上的 给1 ( ) v为工件移动速度 。设在零时刻始 , 该热载荷的前 w (Γα)Γ定温度 ; q = q , t为 边界上的给定热流量 ;为 热扩2 沿到达工件的某点 O , 需要求解的是 t = l/ v时刻工 c w θθ(Γ )散率 ;=, t为自然对流条件下外界环境 温度 。在α α A , OA = l。在有限单元法结构离散时 , 若将 OA划分为 c 件上的温度分布 , 这时热载荷的前沿到达工件上的点 强迫对流条件下 , 为边界层的绝热壁温度 。 n 段 , 可以将 0 至 t的时间段 l/ v也划分为 n 段 , 如 f c w ΩΓ域的全部边界 应满足 : 图 1所示 , 从 t = 0 时刻起 , 01 段上有热流密度为单位 ΓΓΓΓ++= 1 2 3 )( 长度 2 q / l的斜坡载荷作用 , 从 t = l/ nv时刻起 , 02 c c w θθ如果边界条件上的 ?, q,及内部的 Q 不随时间 变α 段上作用有同样热流密度的斜坡载荷 ; 依此类推 , 从 t 化 , 则经过一定时间的热交换后 , 物体内各点温度 也( ) ( )( ) = n - 1 l/ n v时刻起 , n - 1 n 段上有同样分布 c w 将不再随时间变化 , 即 : θ9的热流密度作用 , 依据求解时间步 , 将三角形分布热 = 09 t 载荷等效到节点上 , 依次求解各个载荷步 , 即可求得 t 此时热传导方程就退化为稳态热传导方程 , 再由 = l/ v时刻工件上的温度分布 。 c w ( )式 1 得到三维问题的稳态热传导方程为 : θ θ θ 9 9 9 9 9 9 ( ( ( ) ) )ρk k k + + +Q = 0x y z 9x 9x 9y 9y 9z 9z (( )Ω在 域内 ) ??????????? 2 求解稳态温度场的问题就是求满足稳态传导方程及 θθ边界条件的场变量 ,只是坐标的函数 ,与时间无关 。 利 用有限元法进行热 分析 , 具 体的 求 解是 : 整 个 工件满足热传导方程 , 把空间域离散化 , 分成有限个 单元 , 则每个单元都应满足这一方程 。对每个单元进 行求解 , 由于其边界条件简单 , 就可以得到有限个热 图 1 三角形分布移动热载荷的加载模式 传导方程式 , 求解这有限个数学方程式 , 即可得所需 212 磨削面为曲面时三角形移动热源加载原理 的温度场分布 。同时每个单元都是由若干个节点 组 在 AN SYS中 ,磨削面为平面时移动三角形热源的 成 , 单元内部某一点的温度可由节点温度与形函数的 加载 ,是通过输入载荷为零的坐标值和沿该坐标方向 乘积得到 ,这样整个温度场就可以用节点温度来表示 。 上单位长度的载荷增量值确定的 ,而对于磨削面为曲 2 模型加载 面的情况 ,无法直接加载 。笔者经过 探索 , 总 结出 以 确立数学模型后 ,还需建立有限元模型 , 有限元模 下加载方式 : 由于加载面为曲面 , 在各个磨削时刻热 [ 2 ] 型可利用 AN SYS直接创建 ,也可借助其他软件创建 , 流密度方向均不同 ,而三角形载荷只能按加载面平行 然后利用 AN SYS的数据接口将模型导入进行分析 。 于坐标方向确定 ,因此取某一时刻磨削弧的割线代替 随后的关键问题是确立如何对模型进行加载 ,假 该磨削弧 ,将热流密度沿割线的增量投影到选定坐标 定工件的 初 始 温 度 与 环 境 温 度 一 致 , 即 初 始 温 度 为 方向 ,计算出这一时刻载荷沿该坐标方向单位长度上 的增量 ,进行加载 。磨削到下一时刻 , 磨削 弧 的方 向 58,62HRC, 齿数 30 , 模数 8mm , 压 力角 20 ?, 螺旋 角 已改变 ,如图 2所示 ,虽然沿磨削弧加载的热流密度值 0 ,?齿高系数 1 ,齿宽 15mm ,在 Y7125型磨齿机上进行 不变 , 但由于加载方向的改变 , 投影到坐标轴上的值 齿面 磨 削 加 工 , 磨 削 深 度 0103mm , 砂 轮 直 径 400mm () 非常量 , 这时应首先以上一时刻的值加载 , 而后查看 按磨削分度 圆 390mm 计 算 , 砂轮 速度 1420 r /m in, 加载后节点的实际载荷值 ,与理论值相比作为修正系 工件头架摆动次数 24次 /m in。 311 用 AN SYS软件进行磨削温度场有限元分析 数 , 其 用 此 系 数 修 在 AN SYS 中 正加载到该时刻 坐 按磨削曲面移动 热 标 轴 上 的 值 , 得 一 源的加载方式进 行 值 , 然 后 去 掉 磨 齿 温 度 场 仿 真 。 该时刻磨削弧节 点 如图 3 所示为距磨 上 的 载 荷 , 再 按 标 削表面不同深度 处 准 值 重 新 加 载 , 如 的温度分布曲线 。 312 仿 真 结 果 此修正即可将这 一 图 3 距磨削表面不同深 验证 时刻的热载荷加 载 度的温度分布曲线 按文 献 [ 1 ]中 正确 。然 后一 面 移 的解析计算 ,得三角形热源作用下工件不同深度 图 2 磨削面为曲面的热流密度 动坐标 , 一面加载 , 步载荷加载 。 处的温度分布 ,并与相应条件下的有限元解进行比较 直到完成所有时 间 加载完毕 ,即可按 AN SYS软件中的流程进行热分 () 见表 1 ,两者结果基本吻合 ,证明了按这种加载方式 析 ,并可提取分析结果数据进行进一步研究 。 进行温度场有限元分析所得结果的可靠性 。两者 温 度存在偏差的原因一方面是由于磨削面为曲面 ,温度 3 应用实例 沿深度方向的实际传散与选择方向有差异 ,另外解析 齿轮 材 料 2 0 C rM nMo , 齿 面 渗 碳 淬 火 处 理 , 硬 度 解本身存在误差 。 表 1 三角形热源作用下距表面不同深度处温度分布解析解与有限元解对比 距表面深 /mm 温度分布 0 0105 011 0115 012 0125 013 015 0185 71313 16 15 16 14 18 16 10 17 645582524472425384264140解析解 / ? 71119 64512 58612 53318 48710 44511 40715 27310 12317 有限元解 / ? ( ) ra sive s m agazing, 2002 6 . 4 结语 [ 5 ] 邵 蕴 秋 . AN SYS810 有 限 元 分 析 实 例 导 航 [ M ]. 北 京 :中国铁道出版社 , 2004. 提出上述曲面移动热源的加载模式后 ,不仅可以 [ 6 ] 曹玉 章 . 传热学 [M ]. 北京 : 北京航空 航天 出 版 社 , 利用 AN SYS进行各种平面磨削的热分析 ,而且可方便 2001. 地对曲面磨削进行有关磨削热方面的研究 , 因此 , 笔 者摸索的这种曲面磨削的移动热源加载方式具有一 定的实践指导意义 。 参 考 文 献 : [ 1 ] 李伯民 ,赵波 ,等 . 实用磨削技术 [M ]. 北京 : 机械工 作者简介 :张文丽 ,讲师 , 师 ,工学硕士 , 主要从事机械制造技 业出版社 , 1996. 术方面的研究与教学工作 。 [ 2 ] 张文丽 ,殷素峰 ,等 . Y7125 磨齿机磨削模型的建立 作者通讯地址 : 山西长治市城北东街 130 号 ,山西机电职业技术学 ( ) [ J ]. 现代制造工程 , 2006 5. ( )院机械工程系 046011 [ 3 ] 王霖 . 基于有限元法的湿式温度场分析 [ J ]. 机械工 ( ) 电话 : 0355 5830147 ( ) 程学报 , 2002 9. E2m a il: zhangwen li22 @ 126. com [ 4 ] 收稿日期 : 2006 212 230 Stoh r R , H e inze l C. Grind2ha rden ing w ith CBN [ J ]. A b2 90 Your requestcould not be processed becauseof a configurationerror: "Could not connect to LDAPserver." For assistance,contact your network support team. file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt 涵盖各行业最丰富完备的文献,最前瞻权威的行业动态,是专业人士的不二选择。 file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58