基于有限元法的振荡热管刀具的散热性能分析

论文总字数：25688字

摘 要

摘要：本文首先对本课题研究的内容进行了简单的阐述，指出在近几年发展的干切削技术下，通过振荡热管散热的方法成为关键技术之一，它能够有效的降低刀具切削区域的温度；其次介绍了有限元方法在仿真模拟刀具切削温度中的应用，建立了刀具切削温度的有限元方程，确定了研究思路；最后以传热学和有限元方法为基础，建立了原型刀具，四弯道，六弯道和八弯道热管刀具的三维传热模型，将实际的切削产生热量的过程简化为直接在刀屑接触区加载热流密度的传热过程，然后应用数值模拟和解析求解的方法确定了需要加载的热流密度，在有限元软件ABAQUS中求解得到了原型刀具，四弯道，六弯道和八弯道热管刀具在不同切削速度下的温度场和指定点的温度变化，并从热管刀具相对原型刀具表面最高温度的降低比例，四种刀具到达热平衡所需时间以及指定点温度曲线高度三个方面对振荡热管刀具散热性能进行量化评估。

仿真结果表明，相对于原型刀具，四弯道热管刀具表面最高温度降低约5.2%，六弯道热管刀具最高温度降低约10.8%，八弯道热管刀具最高温度降低约13.4%；同时，按照四弯道、六弯道、八弯道热管刀具的顺序，刀具达到热平衡的时间依次缩短；而且按照四弯道、六弯道、八弯道热管刀具的顺序，前刀面上同一位置指定点的温度依次整体下降。刀具最高温度下降比率的依次增大，达到热平衡时间的依次缩短以及指定点温度的整体下降都表明，随着热管弯道数目的增多自冷却刀具散热性能增加。

关键词：有限元分析；振荡热管刀具；ABAQUS；切削热

The research on heat dispersion of the heat pipe cutting tools based on the Finite Element Method (FEM)

02611201 ZHANG Fei

Supervised by WU Ze

Abstract

Abstract：Firstly, the content of the research carried out brief explanation, shows that in recent years, the development of dry cutting technology, heat pipe cooling has become one of the key technologies that can effectively reduce the temperature of the tool; Secondly, it introduces the finite element method in simulation of cutting temperature, and established the finite element equations of cutting temperature to determine the research ideas; Finally，based on the knowledge of heat transfer and finite element，established the three-dimensional heat transfer model of prototype tool, four corners, six corners and eight corners of the heat pipe tools, load heat flux on knife surface directly to replace the actual cutting process, then based on numerical simulation and analytical solution to determine the heat flux we needed, using finite element software ABAQUS to obtain the highest temperature change and four specified point temperature in different cutting speed of four cutting tools, and get the reduce the proportion of the maximum surface temperature, the time required to reach thermal equilibrium, temperature profile height of four specified point, then heat pipe cooling performance quantitative assessment.

The simulation results show, relative to prototype tool, the maximum temperature of self-cooling tool with four heat pipes, six heat pipes and eight pipes drop about 5.2%, 10.8%, 13.4%, respectively. Meanwhile, according to the order of self-cooling tool with four heat pipes, six heat pipes and eight pipes, the time of reaching thermal equilibrium for tools is shorter and shorter. The temperature on the specify points of self-cooling tools drops overall at every speed. The increase of heat dispersion on self-cooling tools is demonstrated by the increasing drop ratio of tools’ maximum temperature, the shorter time for tools to reach thermal equilibrium and a total decline of temperature on the specify points.

Key words：the Finite Element Method；heat pipe cutting tool；ABAQUS；Cutting heat

目 录

摘要 I

Abstract II

1、绪论 1

1.1本课题研究的内容和意义 1

1.2热管刀具 1

1.2.1热管构造和特点 1

1.2.2热管刀具的研究现状 2

1.3有限元法在刀具温度场分析中的应用 3

2、刀具传热模型的理论知识 4

2.1振荡热管刀具散热性能研究思路 4

2.2刀具温度场的有限元求解方法 4

2.3有限元法求解的基本步骤 5

2.4振荡热管刀具的传热方式 5

2.5传热问题的有限元求解方法 6

3、刀具温度场分析有限元建模过程 11

3.1几何模型建立 11

3.1.1刀具几何模型 11

3.1.2刀具几何模型的简化 11

3.1.3热管刀具的制备方法 13

3.2物理模型的建立 13

3.3初始条件和边界条件 14

3.3.1刀具传热模型的初始条件 14

3.3.2刀具各部件之间的接触换热条件 15

3.3.3热管的热导率及其冷凝端与大气的换热边界条件 15

3.3.4刀具整体与大气的换热边界条件 16

3.4网格划分 16

4、刀具温度场仿真求解过程 18

4.1刀屑接触区的确定 18

4.2热流密度的求解与优化 19

4.2.1指定点温度的确定 19

4.2.2反求热流密度的目标函数 19

4.2.3共轭梯度法优化求解 20

4.2.4热流密度的另类求法 21

4.3分析步和场输出设置 21

4.4仿真求解结果 22

5、振荡热管刀具散热性能分析 23

5.1仿真结果初步分析 23

5.2振荡热管刀具散热性能分析 28

5.2.1刀具最高温度下降比例 28

5.2.2到达热平衡时间 29

5.2.3指定点温度曲线高度 31

6、结论 33

参考文献 34

基于有限元法的振荡热管刀具的散热性能分析

1、绪论

1.1本课题研究的内容和意义

切削热是金属切削过程中必然伴随的物理现象，刀具切削过程中有刀/屑、刀/工间的挤压和摩擦，有剪切区金属的剪切变形。切削过程中所消耗的能量几乎全部转化为热量（98%~99%）。制造过程中需要实时控制温度，避免影响加工质量，甚至损坏刀具。

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