机械复杂形体热鲁棒性基础理论研究

在机械简单规则形体热变形理论研究与应用技术基础上，本申请项目提出机械复杂形体热鲁棒性基础理论与结构设计新概念，拟进行机械复杂形体热鲁棒性基础理论与应用技术研究。优选箱体类组件、轴系与导轨系机构等机械复杂典型零部件为研究对象，理论与实验相结合研究它们的结构形体热变形非相似性机理；以实现零件热变形后所需几何要素为目标，研究机械复杂形体热鲁棒性结构设计理论，运用热弹性力学及有限元分析方法进行热力耦合、热容量大小分析，将机械形体结构约束特征参数影响因子引入，建立CAE分析技术及模块，设计机械热鲁棒性结构，结合实验进行复杂零件结构尺寸参数修正，设计具有随温度波动实时修正热变形方向和大小功能的热鲁棒性机械复杂形体结构，即实现结构上各点热变形向量具有可控性、结构设计的最优化及经济化、具备机械设计的灵活性及多样性特征，从而实施机械复杂形体结构"主动式"热变形调控，提高零部件热动态精度。

本项目在多年的机械简单规则形体热变形理论研究与应用技术基础上，提出机械复杂形体热鲁棒性结构设计新概念，并对热鲁棒性结构设计基础理论与应用技术进行研究。优选箱体类组件、轴系等机械复杂典型零部件为研究对象，理论与实验相结合研究它们的结构形体热变形非相似性机理，系统的完成了机械复杂形体热鲁棒性结构设计的基础理论与方法。并在研究成果基础上，进一步深入研究了机械热精度理论，配合软件热误差补偿控制技术大幅提升了仪器装备的工作性能及其精度，获得了良好的科研成果和工程应用效果。本项目重要成果及其科学意义包括：1）采用分子静力学，从原子系统能量最小化理论，论证了机械形体热变形的非相似性特征机理的客观存在性，完善了机械形体热变形理论研究基础；2）提出了“热力转换”理论，奠定了机械形体热变形非相似性的CAE分析理论基础；3）针对机械零件热变形量微米级相对毫米级机械形体结构尺寸过小缺陷，提出了“关联性双坐标函数绘图法”，获得可以直观研究对象热变形前、后的形状位置的绘图方法，解决了机械零件形体热变形肉眼难以观察的难点；4）本项目提出了基于“热力转换”理论的仿真算法，以现有有限元仿真软件为平台，实现零件热变形的非相似性特征仿真过程；5）初步完善了热力耦合作用下的热鲁棒性结构设计理论和应用方法，为多因素耦合工况条件下的精密机械仪器及装备结构设计奠定了坚实的基础。同时结合企业需求，成功设计了新疆克拉玛依油田石油采油抽油泵工况性能保证的热鲁棒性结构，填补了我国此项技术的空白；6）对于热变形实验数据处理，提出了经验模态法结合频谱分析法，有效的提高了实验数据精度；7）在热精度理论研究中，提出了多种方法综合的温度敏感点选择方法，大幅减少了温度传感器需要数目，并提高了补偿模型的预测精度；8）提出了稳健性补偿模型的建模方法和稳健性模型的评价参考标准，进一步发展了精密机械热精度理论。结合企业需求，本项目成果研发的数控机床热误差补偿控制技术处于国际先进行列；9）本项目研发和改制了多套实验装置，自制了多套自动测量系统，为今后持续进行精密机械热精度理论和热鲁棒性结构设计理论研究奠定了坚实的基础；10）本项目研究过程中，紧密结合国内大型企业的实际需求，从严要求了项目研究的理论深度和工程应用性，得到了企业的认可，获得了良好的社会影响和经济价值；11）本项目根据研究成果，制定了安徽省地方标准一项，有效的支持了地方经济的发展