基于ANSYS的齿轮测量机机械部件的温度场分析

2016-01-18，

机械与电子 2015年3期

关键词：环境温度温度场

，

(1.西安工业大学工业中心，陕西西安 710021；2.陕西电力科学研究院，陕西西安 710054)

Temperature Field Analysis of the Mechanical Components of Gear-measuring MachineBased on ANSYS

YANG Hongfang1，ZHANG Liao2

(1.Industrial training center，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China；

2.Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi’an 710054, China)

基于ANSYS的齿轮测量机机械部件的温度场分析

杨红芳1，张了2

(1.西安工业大学工业中心，陕西西安 710021；2.陕西电力科学研究院，陕西西安 710054)

Temperature Field Analysis of the Mechanical Components of Gear-measuring MachineBased on ANSYS

YANG Hongfang1，ZHANG Liao2

(1.Industrial training center，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China；

2.Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi’an 710054, China)

摘要：随着齿轮测量机在生产车间内逐步普及应用，对其精度的要求也越来越高。在众多影响因素中，车间内温度变化对仪器的影响不可忽视，这需要进一步分析整体仪器在不同环境温度下的温度场分布情况。阐述了利用Pro/E软件对齿轮测量机进行实体建模，再以IGS格式导入到ANSYS软件中，从而分析得出在环境温度为20 ℃～25 ℃齿轮测量机机械部件的温度分布，最终得到环境温度变化对测量精度的影响，为以后进一步分析热变形齿轮测量机几何精度的影响奠定了基础。

关键词：齿轮测量机；ANSYS；环境温度；温度场；热分析

中图分类号：TH128

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)03-0066-03

收稿日期：2014-12-02

Abstract：With the gradual popularization of gear-measuring machine in workshop，the requirement of accuracy are also getting higher and higher. Temperature variation in workshop, which factor affecting the accuracy of the instrument, can not be ignored. It needs further analysis of the temperature-field distribution of the machine under different ambient temperature. This paper explains how to establish the model of gear-measuring machine using Pro/E, and import it into ANSYS in IGS format. Thus it is concluded that how temperature distribute during 20 ℃～25 ℃ on the mechanical components of gear-measuring machine. Finally, it can be seen that effect of temperature on measuring accuracy intuitively. This paper laid a foundation for the further analysis influence of the thermal deformation gear measuring machine geometry precision.

作者简介：杨红芳(1984-)，女，山西天镇人，硕士，研究方向为机械。

Key words：gear-measuring machine；ANSYS；environment temperature；temperature field；thermal analysis

0引言

目前，齿轮测量机主要是应用在恒温室内。在恒温室内，由于环境温度的变化十分微小，因此，对精度的影响并不显著。但是随着齿轮测量中心应用范围的不断扩大，以及很多企业将齿轮测量机应用到生产车间，而在生产车间内，与恒温室内相比，环境温度的变化波动就相对比较大，齿轮测量机各机械部分的温度分布也就不均匀，这将直接对齿轮测量机测量精度产生影响。

1热源分析

产生热影响的来源，分别是机械本身特性，环境温度差异因素，往下还可以细分为诸多具体因素。从图1可知，温度场的变化对测量加工精度的影响是多方面，而且是复杂的，只有进行深入的过程分析和机理探查才能掌握。但是受目前技术水平和理论水平的限制，通常还是以误差源分析为基础，选取1个或几个主要因素作为研究对象，来制定减少温度场变化引起的测量加工误差的对应措施[1CD*22]。

根据上述对产生热源的分析，而考虑主要是研究温度对齿轮测量机机械部件的影响，从图1中可以看出，由于温度所引起的影响也是很复杂，考虑到目前技术水平的限制，为了研究模型的简单化以及计算的方便，在此，只考虑了温度变化中环境温度变化这1项作为研究内容。

图1　精密测量过程中温度误差因素分析

2有限元分析

2.1　建立齿轮测量机有限元模型

由于齿轮测量机本身机械结构复杂，所包含的零部件比较多，所以对齿轮测量机建模要考虑的重要问题就是简化实体模型。

简化模型是为了建立所需要的热分析模型，在不影响计算精度的前提下，提高效率，缩短计算时间，对齿轮测量机结构进行简化主要包括次要部件滚珠丝杠，发电机、齿轮测量机的配重部分和构件的微小部件(连接件螺栓、螺母、倒角)。

目前，大多数二维及三维CAD系统建立的模型可以直接导入ANSYS中进行分析，在对齿轮测量机热分析时利用Pro/E进行模型设计，即在Pro/E中直接对模型进行修正，然后利用系统的接口或转换成IGS文件模式将模型传输到ANSYS中去，在ANSYS中再利用系统的检查功能和实体建模功能对模型进行进一步的修正，即可很方便地得到ANSYS分析所需要的实体模型。在Pro/E中建立的实体如图2所示，导入ANSYS中的分析模型如图3所示。

图2　齿轮测量机实体模　　　图3　导入后的模型

2.2　单元属性的确定

ANSYS提供的热分析单元将近有40种，由于齿轮测量机的结构是复杂的三维实体模型，同时模型是从CAD/CAE系统中产生的，所以选取3D-Solid87作为分析单元。这种单元属性适用于模拟不规则网格，也特别适合在CAD/CAE软件中建立的模型。在ANSYS系统中对导入齿轮测量机处理后网格划分结果如图4所示[3CD*24]。

图4　网格划分结果

2.3　材料定义

根据西安工业大学测控所的现有齿轮测量机来确定齿轮测量机主要部件的材料，齿轮测量机的底座，上顶尖立柱，以及R轴的支架、Z轴的支架、T轴的支架都是用花岗岩材料制作的，而对于R轴导轨、Z轴导轨、T轴导轨、上顶尖立柱的导轨以及连接各轴支架的滑块的材料是钢，材料的具体参数为依据表1确定材料最终参数。

表1　几何模型材料参数[5CD*26]

3齿轮测量机温度场分析

结合三类边界条件的分析，再根据试验用齿轮测量机的实际情况，最后在研究中决定把环境温度的变化作为影响机器精度的主要因素，而忽略其他次要因素。因此，选择第一类边界条件作为热分析的边界条件。

环境温度是在20 ℃～25 ℃范围内变化的分布，分析的初始条件是齿轮测量机处于20 ℃初始条件下，并对齿轮测量机的所有与环境接触的表面都施加25 ℃的温度载荷，如图5所示主要是研究环境温度的影响，所以在做瞬态分析时，需要确定分析对象的表面传热系数，根据参考文献中有关空气表面传热系数变化范围为1～10 (W/(m2·K))，最终确定空气表面系数为8。

图5　施加温度载荷

4温度场分析

由图6，可以很清楚的看出，导轨附近的温度比其他地方的温度高，而且比较集中，其他地方相对于导轨处的温度，温度几乎没有什么变化，这是由于导轨的材料是钢，而其他的材料是花岗岩，由表1可知，钢的比热容要比花岗岩的比热容小，所以在吸收相同能量的情况下，钢的温度升高的要比花岗岩的高，同时在导轨的连接处温度也相对较高，这是由于钢的传热快，能够将热量很快的传递给与其接触的花岗岩，所以与导轨接触处的花岗岩温度也较高。