【技术实现步骤摘要】
机床导热通道的拓扑结构优化方法、系统、设备及介质
[0001]本专利技术涉及机床结构优化领域，具体为一种机床导热通道的拓扑结构优化方法、系统、设备及介质。
技术介绍
[0002]随着国防、航空航天、汽车的工业高速发展，对数控机床的加工要求越来越高，其中高速、高精密是机床发展的主要趋势。数控机床在高速运转时，会产生大量的热，这些热量沿不同方向以不同速度向主轴各个部件传播，导致主轴各部件内形成不均匀分布的温度场。数控机床的主要热源包括：动力热源，如电主轴、电机等；摩擦副热源，如轴承内外圈与滚动体间摩擦发热等。据统计，由于热引起的误差占机床总误差的40％
‑
70％。温升是引起热变形的根本原因，热量从热源部位向外传导的过程中，由于不同部件结构不同、材料导热性能不同，数控机床大部件在内外热源的共同影响下，导致最终温升及温度场分布不可控。
[0003]为降低温升、缩短热平衡时间，这对数控机床大部件的导热能力有进一步的要求。业内，为达到上述目的，分别从结构设计和增强热量交换两个角度：如对电主轴等热源设计导热通道，...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种机床导热通道的拓扑结构优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，确定机床主要热源和设计区域；以机床电主轴工作室的发热量为主要热源，以与热源连接的导热通道为设计区域，并将设计区域进行简化，使得设计区域离散为矩形单元体；步骤2，建立导热通道温度场模型并设置边界条件；以计算出的电主轴发热量为热源，利用傅里叶定律推导二维平面下的温度场控制方程，并在设计区域周围施加恒温边界；步骤3，利用拓扑优化算法得到最佳导热路径；以整个设计域的温度场分布为基础加入拓扑优化的目标函数，找到给定条件下材料导热系数的最佳分布，最终得到固定热源下的最佳导热路径。2.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法，其特征在于，步骤1中，将导热通道简化为的二维平面，并将其离散为的矩形单元体。3.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法，其特征在于，步骤1中，机床电主轴工作室的发热量主要包括机械损耗、电损耗、磁损耗以及涡流损耗；电主轴的总发热量H
轴
通过下式计算：H
轴
＝P
n
+P
e
+P
h
+P
l
；其中，P
n
为机械损耗，P
e
为电损耗，P
h
为磁损耗，P
l
为涡流损耗；机械损耗P
n
：P
n
＝πCρω3R4L电损耗P
e
：P
e
＝I2R＝I2ρL/S磁损耗P
h
：涡流损耗P
l
：P
l
＝(π2δ2(fB
max
)2)/(6ρr)其中，C表示摩擦系数；ρ表示空气密度；ω表示转子加速度；R表示旋转体外半径；L表示旋转体长度；I表示电流；R表示电阻；ρ表示导体的电阻率；L表示导体的长度；C
h
表示与电工钢牌号有关的常数；B
max
表示磁感应最大值；δ表示硅钢片厚度；f表示磁化频率；ρ表示铁芯电阻率；r表示铁芯密度。4.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法，其特征在于，步骤2中，导热通道温度场模型：设计区域为100
×
100的矩形单元体，将工况下电主轴的发热量作为设计域的热源，热源在设计域的几何中心。5.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法，其特征在于，步骤2中，利用傅里叶定律推导二维平面下的温度场控制方程，具体公式如下：q＝
‑
gradT其中，q表示热流密度向量；gradT表示努赛尔数；λ表示导热系数；推导可以得到二维稳态热传导问题的偏微分控制方程为：
其中，T表示稳态温度场；λ
x
、λ
y
表示分别是x、y三个方向上的热传导系数；q
v
表示材料的内热源强度；在不考虑热辐射和相变，设置材料导热系数和恒温边界，温度为20℃。6.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法，其特征在于，步骤3中，利用拓扑优化算法找出最佳导热路径，具体步骤如下：利用泛函数来描述在设计区域中用有限元对于热传导问题的表达：其中，Ω表示总设计域面积；λ
x
、λ
y
表示分别是x、y三个方向上的热传导系数；T表示稳态温度场；q
v<...
【专利技术属性】
技术研发人员：李旸，侯朝阳，刘辉，张会杰，赵万华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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