磨削区温度场有限元分析及仿真
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摘要
磨削加工是机械制造中重要的加工工艺，磨削技术在机械制造中占有极其重要的位置，磨削加工以其独有的特点和优势广泛应用于航天、航空等部门。其中，磨削过程中磨削热效应对工件的表面质量和使用性能影响极大，同时也会影响到砂轮的使用寿命。因此，对磨削区温度场的研究已成为非常重要的研究课题。
本文在综述了磨削区温度场国内外研究现状的基础上，对磨削过程中磨削热的产生、不同热源引起的磨削区温度场的计算做出了理论上的分析，并简要说明有限元法在热分析中的应用、ANSYS软件在热分析中的主要步骤，最后以平面磨削为例，用有限元分析工具ANSYS软件对磨削区温度场进行了仿真分析，并得出了一些结论，具体研究内容如下：
(1)首先对磨削加工及磨削区温度场的热源形式作了简要的介绍，并用热源法对磨削区温度场进行了分析研究，然后从理论上建立了不同热源形式温度场的数学模型，并确定了平面磨削时的热源形式。
(2)接着介绍了有限元法在热分析中应用的理论基础，并对有限元分析软件ANSYS的热分析功能及分析的主要步骤作了简要说明，为后期工作做好准备。
(3)接着运用ANSYS有限元分析软件建立了平面磨削区温度场的几何模型、划分网络、定义边界条件，并且运用ANSYS软件的参数化设计语言实现了热源的移动。而且通过仿真分析，得出了在不同时刻工件表面温度场的分布状况，以及各磨削参数对磨削区温度场的影响作用。利用本文的模拟方法，可以对磨削过程中的磨削区温度场进行仿真预测。
(4)最后根据仿真的结果得出了一些结论，并对后期工作做出了一些展望。
总之，通过理论分析，本文用ANSYS分析软件建立了可行的磨削区温度场的模拟分析方法，为磨削区温度场的分析提供了理论依据和指导，促进了有限元分析技术在磨削区温度场分析及工程中的应用。
Grinding is the important processing in machine manufacture, the technology of grinding holds the extremely important position in the machine manufacture, the characteristics and the superiority of abrasive machining which is in sole possession of by it widely applies in various departments and so on astronautics, aviation. Among them, grinding thermal reaction has enormous influence on the work piece quality of surface and operational performance, and can affect the service life of the grinding wheel. Therefore, it has become an important research topic for researchers to study the temperature field in grinding area.
In the paper, it has introduced to the research achievement of the field domestically and abroad, and made theoretically analysis to temperature computation of grinding area causes by the different heat source, and to production of grinding hot in the grinding process. Then we briefly explained the application of finite element in thermal analysis. Finally taken surface grinding as the example, carry on the simulation and analysis to the temperature field of grinding area by ANSYS software .Main contents of the paper are summarized as following:
(1)This thesis has simply introduced the grinding and the form of heat source in grinding area, and conducted the analysis and research with the method of heat source to the temperature field of the grinding area, then established the mathematical model of the temperature field caused by the different heat source. Finally, we have determined the form of heat source in surface grinding situation.
(2)This thesis has also introduced the application of Finite Element in temperature field and simply introduced the function and main step of thermal analysis of finite element analysis software ANSYS.
(3)This thesis has also established the geometry model of temperature field in surface grinding area , meshing and defines the boundary conditions by ANSYS, Finally we have realized the moving of the heat source by ANSYS Parameterization Design Language (APDL).Then we have carried the simulation on the model, and obtained distributed condition of the temperature field and acquired influence which various grinding parameter to the temperature field of grinding area.
(4) Finally, the thesis has drawn some conclusion according to the result of simulation and made some forecasts to the task of the later period and pointed out some problems in the process, and given some suggestion for the next research.
Finally, the paper has drawn some conclusion from the above analysis, pointed out some problems in the process, and given some suggestion for the next research.
本文在综述了磨削区温度场国内外研究现状的基础上，对磨削过程中磨削热的产生、不同热源引起的磨削区温度场的计算做出了理论上的分析，并简要说明有限元法在热分析中的应用、ANSYS软件在热分析中的主要步骤，最后以平面磨削为例，用有限元分析工具ANSYS软件对磨削区温度场进行了仿真分析，并得出了一些结论，具体研究内容如下：
(1)首先对磨削加工及磨削区温度场的热源形式作了简要的介绍，并用热源法对磨削区温度场进行了分析研究，然后从理论上建立了不同热源形式温度场的数学模型，并确定了平面磨削时的热源形式。
(2)接着介绍了有限元法在热分析中应用的理论基础，并对有限元分析软件ANSYS的热分析功能及分析的主要步骤作了简要说明，为后期工作做好准备。
(3)接着运用ANSYS有限元分析软件建立了平面磨削区温度场的几何模型、划分网络、定义边界条件，并且运用ANSYS软件的参数化设计语言实现了热源的移动。而且通过仿真分析，得出了在不同时刻工件表面温度场的分布状况，以及各磨削参数对磨削区温度场的影响作用。利用本文的模拟方法，可以对磨削过程中的磨削区温度场进行仿真预测。
(4)最后根据仿真的结果得出了一些结论，并对后期工作做出了一些展望。
总之，通过理论分析，本文用ANSYS分析软件建立了可行的磨削区温度场的模拟分析方法，为磨削区温度场的分析提供了理论依据和指导，促进了有限元分析技术在磨削区温度场分析及工程中的应用。
Grinding is the important processing in machine manufacture, the technology of grinding holds the extremely important position in the machine manufacture, the characteristics and the superiority of abrasive machining which is in sole possession of by it widely applies in various departments and so on astronautics, aviation. Among them, grinding thermal reaction has enormous influence on the work piece quality of surface and operational performance, and can affect the service life of the grinding wheel. Therefore, it has become an important research topic for researchers to study the temperature field in grinding area.
In the paper, it has introduced to the research achievement of the field domestically and abroad, and made theoretically analysis to temperature computation of grinding area causes by the different heat source, and to production of grinding hot in the grinding process. Then we briefly explained the application of finite element in thermal analysis. Finally taken surface grinding as the example, carry on the simulation and analysis to the temperature field of grinding area by ANSYS software .Main contents of the paper are summarized as following:
(1)This thesis has simply introduced the grinding and the form of heat source in grinding area, and conducted the analysis and research with the method of heat source to the temperature field of the grinding area, then established the mathematical model of the temperature field caused by the different heat source. Finally, we have determined the form of heat source in surface grinding situation.
(2)This thesis has also introduced the application of Finite Element in temperature field and simply introduced the function and main step of thermal analysis of finite element analysis software ANSYS.
(3)This thesis has also established the geometry model of temperature field in surface grinding area , meshing and defines the boundary conditions by ANSYS, Finally we have realized the moving of the heat source by ANSYS Parameterization Design Language (APDL).Then we have carried the simulation on the model, and obtained distributed condition of the temperature field and acquired influence which various grinding parameter to the temperature field of grinding area.
(4) Finally, the thesis has drawn some conclusion according to the result of simulation and made some forecasts to the task of the later period and pointed out some problems in the process, and given some suggestion for the next research.
Finally, the paper has drawn some conclusion from the above analysis, pointed out some problems in the process, and given some suggestion for the next research.
引文
[1] 任敬心，华定安．磨削原理．西安：西北工业大学出版社，1988：3～90
[2] 李伯民，赵波．现代磨削技术．北京：机械工业出版社，2003：1～64
[3] 郭秀云．磨削热模型的发展概况及应用．机械研究与应用，2005．18(3)：12～13
[4] 兰雄候，王继先．磨削温度理论研究的现状与进展．金刚石与磨料磨具工程，2001．3(123)：5～6
[5] 汤艳玲，黄辉．磨削温度研究的现状与进展．超硬材料与宝石，2003(4)：29～32
[6] 熊和生．磨削热的产生及减少措施．磨床与磨削．1995(4)：42～43
[7] 李明艳．高速切削温度场的有限元数值模拟：[硕士学位论文]．济南：山东科技大学，2002：15～20
[8] 曹玉章．传热学．北京：机械工业出版社，2003：10～15
[9] 李兵．鱼雷活塞发动机旋转配气阀(阀体)的有限元分析：[硕士学位论文]．西安：西北工业大学，2002：8～9
[10] 阎海鹏．高速铣削铝合金温度的研究：[硕士学位论文]．南京：南京理工大学，2004：36～40
[11] 张建峰，王翠玲等．ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用．冶金能源，2004．23(5)：9～10
[12] 高兴军，赵恒华等．大型通用有限元分析软件ANSYS简介．辽宁石油化工大学学报，2004．24(3)：94～95
[13] 马奎兴．有限元分析软件ANSYS简介．水利科技与经济，2004．10(3)：190
[14] 张朝晖．ANSYS8.0热分析教程与实例解析．北京：中国铁道出版社，2005：14～51
[15] 范敏霞，张飞虎等．用有限元法进行低温磨削钛合金温度场的研究．金刚石与磨料磨具工程，2002．4(130)：20
[16] 谢元峰．基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究：[硕士学位论文]．武汉：武汉理工大学，2006：34～50
[17] 张朝晖，王富耻．ANSYS工程应用范例入门与提高．北京：清华大学出版社，2004：303～320
[18] 李人宪．有限元基础．北京：国防工业出版社，2002：5～32
[19] 高航，李剑等．磨削温度场通式及其计算机仿真分析．东北大学学报(自然科学 版)，2004．25(6)：574～577
[20] 曾忠．磨削过程中的热现象研究．华东工业大学学报，1995．17(3)：101～105
[21] 朱伯芳．有限单元法原理与工艺．北京：中国水利水电出版社，1998：15～32
[22] 王霖，秦勇等．磨削温度场的研究现状与发展趋势．工具技术，2002．36(6)：7～10
[23] 王致坚．影响磨削加工质量的常见因素及分析．机床与液压，2004(6)：177～178
[24] 杨桂通．弹性力学．北京：高等教育出版社，1997：5～97
[25] 任敬心，康仁科等．难加工材料的磨削．北京：国防工业出版社，1997：31～129
[26] 苏君．面向可视化的温度场有限元分析建模原理、方法及实现技术研究：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2002：1～10
[27] 黄国权．有限元法基础及ANSYS应用．北京：机械工业出版社，2004：11～123
[28] 梁文杰．硬态切削过程的有限元仿真：[硕士学位论文]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2005：3～17
[29] 姚仲鹏，王瑞君等．传热学．北京：北京理工大学出版社，2003：6～13
[30] 王继峰．磨削热分析及其误差补偿系统的研究：[硕士学位论文]．太原：太原理工大学，2003：1～12
[31] 李景涌．有限元法．北京：北京邮电大学出版社，1999：3～6
[32] http://www.simu-online.com/bbs
[33] 赵波，焦锋等．浅谈磨削加工技术的发展趋势．机械工人(冷加工)，200(9)：13～15
[34] 谭忠．磨床局部磨削高温的研究探讨．金属成形工艺，2004．22(1)：84～85
[35] 于云霞，孟庆国等．磨削温度场的分析与计算．管道技术与设备，1996(3)：42～44
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[38] S. Malkin. Analysis of Tempering and Reharding for Grinding of Hardened steel. Transaction of the ASME, 1991, Vol. 113:388～394
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[40]P. N . Moulik , H. T. Y . Yang , S. Chandrasekar. Simulation of thermal stress due to grinding. International Journal of Mechanical Science, 2001, Vol.43
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[44]Rowe WB , Morgan M . N. Asimplified approach to control of thermal damage in grinding [J]. Annals of the CIRP, 1996, Vol.45 (1): 133-135
[45]Farris, T. N. Ju, Chandrasekar, S. Analysis of Heat Partition and Temperatures in Grinding. ASME Journal of Tribology, 1998, 120(4): 789—794
[46]Shang Y Hong. Advancement of economical cryogenic machining technology, Proceedings of 3rd International Conference on Manufacturing, 1995, 12
[47]S Paul, A . B Chattopadhyay. Determination and control of grinding zone temperature(?)der cryogenic cooling. Int. J. Match. Tools Manufacturer, 1996 , 36(4)
[48] J C Jaeger. Theoretical analysis on grinding temperature field. Proc. Soc. of New South Wales, 1996, 76
[49] Ding Y, Shane Y Hong. A study of the cutting temperatures in machine process cooled by liquid nitrogen. Paper from SME, 1999
[50]GUO Z Y, LIDY, WANG B X. A Novel Concept for Convective Heat Transfer Enhancement[J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 1998, 41: 2221—2225
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