[发明专利]一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法

说明书

本发明提供一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法，涉及机械结合面技术领域。该方法首先用虚拟材料层代替两个相互接触的零件所构成的机械结合面，构建机械结合面虚拟材料等效模型；并根据傅里叶导热定律和稳态导热特性建立构成机械结合面的两个零件及虚拟材料层的厚度与导热系数的函数关系；再根据机械结合面的压力载荷和构成机械结合面零件的粗糙度确定虚拟材料层的厚度；并通过实验测得构成机械结合面的两个零件的导热系数及零件厚度；进而求得虚拟材料层的导热系数；最后利用有限元分析软件建立机械结合面虚拟材料等效模型，分析机械结合面的导热性能。本发明方法能够非常方便的与有限元分析软件结合分析机械结合面的热性能。

技术领域

本发明涉及机械结合面技术领域，尤其涉及一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法。

背景技术

机械结合面是指零件之间相互接触的表面，因为机械结合面零件的接触表面是非光滑的，因此其实际接触面积远小于名义接触面积，所以机械结合面的导热系数远小于两个零件的导热系数，导致两个接触零件产生温度突变产生热应力和热变形。机床是由许多不同功能的零部件组装而成，机床中存在大量的机械结合面，对于机床而言，机床的热变形是影响机床加工精度的关键因素之一，能够准确计算机械结合面导热系数是分析机床热性能、热变形、热力耦合作用下动态性能的基础。预知这些性能也是设计性能良好的机床关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法，实现对机械结合面导热系数进行建模分析。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于虚拟材料的机械结合面导热系数分析方法，包括以下步骤：

步骤1：将两个相互接触的零件所构成的机械结合面用虚拟材料层代替，构建机械结合面虚拟材料等效模型；

所述虚拟材料层能够导热，且具有与厚度相关的导热系数；同时，虚拟材料层与构成机械结合面的两个零件之间的接触面不存在热阻，热量能够完全传递；

步骤2：根据傅里叶导热定律和稳态导热特性建立构成机械结合面的两个零件及虚拟材料层的厚度与导热系数的函数关系；

设定构建机械结合面虚拟材料等效模型中虚拟材料的导热系数为λ_c，虚拟材料层的厚度为h_c；构成机械结合面的一个零件的导热系数和厚度分别为λ₁、h₁，另一个零件的导热系数和厚度分别为λ₂、h₂；机械结合面虚拟材料等效模型的整体导热系数和厚度分别为λ、h；当热量从构成机械结合面的一个零件上表面向另一个零件的下表面传递时，构成机械结合面的一个零件的的上表面温度为T₁，与虚拟材料层的接触表面温度为T₁'，虚拟材料层与另一个零件的接触表面温度为T₂'，另一个零件的下表面温度为T₂；

机械结合面虚拟材料等效模型厚度h与构成机械结合面的两个零件的厚度及虚拟材料厚度满足如下关系：

h＝h₁+h_c+h₂ (1)

根据傅里叶导热定律和稳态导热特性得到机械结合面虚拟材料等效模型整体的热流密度q为：

对于构成机械结合面的一个零件，其热流密度q₁为：

对于虚拟材料层，其热流密度q_c为：

对于构成机械结合面的另一个零件，其热流密度q₂为：