Моделирование контактного термического сопротивления при проектировании технологического оборудования

Анализ конструкций технологического оборудования при проектировании по температурному критерию является необходимой гарантией обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик. Наличие значительного количества деталей в узлах и механизмах технологического оборудования требует при проектировании прогнозирования прохождения теплового потока через соединения. Многообразие требований к соединению при моделировании контактного термического сопротивления может быть учтено введением в зону контакта псевдослоя. Приведены результаты проверки предложенной регрессионной зависимости изменения температуры при прохождении теплового потока через псевдослой, полученной при учете четырех существенных факторов: толщины псевдослоя, номинального давления, предела текучести материала, расположения зоны фактического контакта. Адекватность указанной регрессионной зависимости проверялась экспериментально и с использованием численного моделирования с применением крупноблочных конечных элементов. Для описания процесса теплообмена в элементах тепловой модели были определены контактные термические сопротивления для нескольких условий распространения теплового потока: от одного конечного элемента к другому в пределах одной детали; от одного конечного элемента к другому, расположенному в соседней детали; прохождения теплового потока через замкнутые полости; распространения теплового потока в окружающую среду для конечных элементов, расположенных на наружном (свободном) контуре детали. Проведенные эксперименты показали хорошее совпадение экспериментальных данных и результатов моделирования. Применение крупноблочных конечных элементов на основе предложенной модели контактного термического сопротивления позволило довести методику конечно-элементного моделирования до инженерного использования без сложного программного обеспечения. 

1. Huang Z., Liu Y., Du L., Yang H. Thermal error analysis, modeling and compensation of five-axis machine tools // Journal of Mechanical Science and Technology. 2020. Vol. 34. Р. 4295–4305. DOI: 10.1007/s12206-020-0920-y.

2. Mares M., Horejs O., Havlik L. Thermal error compensation of a 5-axis machine tool using indigenous temperature sensors and CNC integrated Python code validated with a machined test piece // Precision Engineering. 2021. Vol. 66. Р. 21–30. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2020.06.010.

3. Week M., Mckeown P., Bonse R., Herbst U. Reduction and compensation of thermal error in machine tools // CIRP Annals. 1995. Vol. 44. № 2. Р. 589–598. DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60506-X.

4. Zhou Н., Hu Р., Tan Н., Chen J., Liu G. Modelling and compensation of thermal deformation for machine tool based on the real-time data of the CNC system // Procedia Manufacturing. 2018. Vol. 26. Р. 1137–1146. DOI: 10.1016/j.promfg.2018.07.150.

5. Wei X., Ye H., Miao E., Pan Q. Thermal error modeling and compensation based on Gaussian process regression for CNC machine tools // Precision Engineering. 2022. Vol. 77. P. 65–76. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2022.05.008.

6. Živković A.M., Zeljković M.V., Mlađenović C.D., Tabaković S.T., Milojević Z.L., Hadžistević M.J. A Study of Thermal Behavior of the Machine Tool Spindle // Thermal Science. 2019. Vol. 23. № 3B. Р. 2117–2130. DOI: 10.2298/TSCI180129118Z.

7. Kang C.M., Zhao C.Y., Zhang J.Q. Thermal behavior analysis and experimental study on the vertical machining center spindle // Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering. 2020. Vol. 44. № 3. Р. 344–351. DOI: 10.1139/tcsme-2019-0124.

8. Cheng Y., Zhang X., Zhang G., Jiang W., Li B. Thermal error analysis and modeling for high-speed motorized spindles based on LSTM-CNN // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. Vol. 121. Р. 3243–3257. DOI: 10.1007/s00170-022-09563-9.

9. Fu С.-В., Tian А.-Н., Yau Н.-Т., Hoang М.-С. Тhermal monitoring and thermal deformation prediction for spherical machine tool spindles // Thermal Science. 2019. Vol. 23. № 4. Р. 2271–2279. DOI: 10.2298/TSCI1904271F.

10. Денисенко А.Ф., Гришин Р.Г. Оптимизация компоновки токарного станка с ЧПУ // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 2. С. 17–27. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-2-17-27.

11. Дорняк О.Р., Попов В.М., Анашкина Н.А. Математическое моделирование контактного термического сопротивления для упругодеформируемых твердых тел методами механики многофазных систем // Инженерно-физический журнал. 2019. Т. 92. № 5. С. 2155–2167. EDN: DAMSLD.

12. Кузнецов А.П. Тепловой режим металлорежущих станков. М.: Янус-К, 2013. 480 с.

13. Алферов В.И. Расчет теплостойкости при проектировании металлорежущих станков // СТИН. 2006. № 4. С. 7–10. EDN: KTURXZ.

14. Меснянкин С.Ю., Викулов А.Г., Викулов Д.Г. Современный взгляд на проблемы теплового контактирования твердых тел // Успехи физических наук. 2009. Т. 179. № 9. С. 945–970. EDN: LKFJLN.

15. Madhusudana C.V. Thermal Contact Conductance. 2nd ed. Sydney: Springer, 2014. 260 p. DOI: 10.1007/978-3-319-01276-6.

16. Aalilija A., Gandin C.-A., Hachem E. A simple and efficient numerical model for thermal contact resistance based on diffuse interface immersed boundary method // International Journal of Thermal Sciences. 2021. Vol. 166. Article number 106817. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2020.106817.

17. Иванов А.С., Измайлов В.В. Термическая проводимость плоского стыка // Вестник машиностроения. 2009. № 7. С. 41–43. EDN: MRMJGN.

18. Попов В.М., Дорняк О.Р., Латынин А.В., Лушникова Е.Н. Теплообмен в зоне контакта поверхностей с отклонениями формы // Воронежский научно-технический вестник. 2020. Т. 4. № 4. С. 64–69. DOI: 10.34220/2311-8873-2021-4-4-64-69.

19. Xian Y., Zhang P., Zhai S., Yuan P., Yang D. Experimental characterization methods for thermal contact resistance: A review // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 130. Р. 1530–1548. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.10.163.

20. Денисенко А.Ф., Подкругляк Л.Ю. Построение регрессионной модели термического сопротивления контактной псевдосреды // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2021. Т. 23. № 3. С. 47–54. DOI: 10.37313/1990-5378-2021-23-3-47-54.

21. Denisenko A.F., Grishin R.G., Podkruglyak L.Y. Formation of Contact Thermal Resistance Based on the Analysis of the Characteristics of the Pseudo-Medium // Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2022. Р. 221–229. DOI: 10.1007/978-3-030-85233-7_26.

22. Дмитриев В.А., Денисенко А.Ф., Подкругляк Л.Ю. Определение значимости факторов при моделировании контактного термического сопротивления // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2023. № 11. С. 169–172. DOI: 10.26160/2541-8637-2023-11-169-172.

23. Хохлов В.М. Расчет контурных площадей контакта и давлений // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1990. № 4. С. 20–24. EDN: TNZQKP.

24. Хохлов В.М. Шероховатость поверхностей упруго контактирующих тел // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1990. № 10. С. 109–113.

25. Денисенко А.Ф., Подкругляк Л.Ю. Разработка тепловой модели шпиндельной опоры металлорежущего станка // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2020. Т. 22. № 3. С. 49–55. DOI: 10.37313/1990-5378-2020-22-3-49-55.