高速空气主轴动力结构流体分析与参数优化

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1、学校代码：10255学号：2160746高速空气主轴动力结构流体分析与参数优化FLUIDANALYSISANDPARAMETEROPTIMIZATIONFORDYNAMICSTRUCTUREOFHIGHSPEEDAIRSPINDLE作者姓名：李聪专业名称：机械工程导师姓名：闫如忠答辩日期：2018.05东华大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注上海镕天信息科技有限公冯天兵高级工程师答辩委员会主席司彭倚天教授/博导答辩委员会委员东华大学机械工程学院戴惠良副教授答辩委员会委员东华大学机械工程学院陈入领副教授

2、答辩委员会委员东华大学机械工程学院邹鲲副研究员答辩委员会委员东华大学机械工程学院邓吉楠讲师答辩委员会秘书东华大学机械工程学院东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有

3、关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日东华大学硕士学位论文摘要高速空气主轴动力结构流体分析与参数优化摘要高速主轴是高速超精机床的核心部件之一，其回转精度和驱动能力对机床的加工精度和工作效率产生重要影响。目前，高速精密

4、机床一般采用的主轴单元类型有电主轴和空气主轴。电主轴通过内置电机驱动，动力源来自于定子绕组产生的旋转磁场，容易发热，需要采用冷却装置，结构复杂、制造成本较高。空气主轴采用压力气体驱动，受热源影响较小，便于实现空气轴承支承和涡轮驱动一体化设计。目前，对于气动涡轮动力结构研究主要采用单因素分析的方法，缺少主轴动力结构参数的全局优化，气体动能转化效率低。论文基于流体动力学理论,采用了响应面优化分析方法对空气主轴动力结构进行了建模和优化设计。主要工作如下：（1）提出并建立了涡轮驱动和空气轴承支承一体化结构模型。模型包括：冲动式涡轮

5、驱动模块和多孔质空气轴承支承模块。其中，冲动式涡轮驱动模块由喷嘴、气动涡轮和驱动轴等组成；多孔质空气轴承支承模块由节流器等组成。（2）基于能量守恒定律，建立了喷嘴喷射流场模型。完成了喷嘴内部流场的数值计算，分析了喷嘴结构参数对其工作特性的影响；采用了响应面优化方法，完成了喷嘴结构的优化设计，使得空气主轴能够达到40000rpm的设计要求。（3）建立了多廓形参数的涡轮叶片结构模型，通过对叶片廓形I东华大学硕士学位论文摘要所受驱动载荷及内部流场分布情况对比分析，设计并优化了叶片廓形结构；通过叶片廓形结构的流固耦合特性分析，得到

6、了其在流体载荷下的变形及应力分布情况。（4）建立了气动涡轮轴模型，对其进行了结构静力学分析，得到了气动涡轮轴模型的变形及应力分布情况；基于预应力模态理论，进一步完成了气动涡轮轴的预应力模态分析，得到了气动涡轮轴的低阶固有频率值和振型特征。采用响应面法优化后的喷嘴结构可满足主轴的设计要求；通过涡轮叶片流固耦合分析，叶片最大形变量在0.9μm左右，最大应力在叶片进气口根部，为涡轮叶片的结构设计提供了依据；气动涡轮轴的静力学分析及预应力模态分析，验证了所设计的气动涡轮轴满足设计要求。关键词：高速主轴；动力结构；响应面法；参数优化

7、II东华大学硕士学位论文ABSTRACTFLUIDANALYSISANDPARAMETEROPTIMIZATIONFORDYNAMICSTRUCTUREOFHIGHSPEEDAIRSPINDLEABSTRACTHighspeedspindleisoneofthecorecomponentsofhighspeedultraprecisionmachine.Itsrotaryaccuracyanddrivingabilityhaveimportantinfluenceonthemachiningaccuracyandworke

8、fficiencyofmachinetools.Atpresent,thecommonlyusedspindleunitsinhighspeedprecisionmachinetoolsaremotorizedspindleandpneumaticspindle.Themotorizedspindlei