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dc.contributor陳定宇zh_TW
dc.contributor林清源zh_TW
dc.contributor.advisor鄔詩賢zh_TW
dc.contributor.advisorShin-Shyn Wuen_US
dc.contributor.author曾鵬引zh_TW
dc.contributor.authorTseng, Peng-Yingen_US
dc.contributor.other中興大學zh_TW
dc.date2011zh_TW
dc.date.accessioned2014-06-05T11:43:27Z-
dc.date.available2014-06-05T11:43:27Z-
dc.identifierU0005-2210201013024400zh_TW
dc.identifier.citation[1] 廖子恩,"滾珠螺桿溫升熱變位量測之研究",國立中正大學碩士論文,1999。 [2] 鄧應揚,"工具機進給系統之熱傳分析",國立中正大學碩士論 文,2000。 [3] 屈岳陵,"滾珠螺桿高速進給下熱抑制探討",機械月刊,第28卷,第4期,4月號,52-56,2002。 [4] Bryan, J., "International status of thermal error research", Annals of the CIRP, Vol.16, No.1,pp. 203, 1968. [5] Wilson, E.L., Bathe, K.J. and Peterson, F.E., "Finite element Analysis of Linear and Nonlinear Heat Transfer", Nuclear Engineering and Design, Vol.29, pp.110-124,1974. [6] Heinrich, J.C., Zienkiewicz, O.C., "The finite element method and ”upwind” techniques in numberical solution of convection dominated flow problem", Annals of the CIRP, Vol.34, pp.203, 1979. [7] YU, C.C., Heinrich, J.C., "Petrov-Galerkin methods for the time-depent convective transport equation", International journal for numerical methods in engineering, Vol.23, pp.883-901, 1986. [8] YU, C.C., Heinrich, J.C., "Petrov-Galerkin methods for multidimensional, time-dependent, convective-diffusion equations", International journal for numerical methods in engineering, Vol.24, pp.2201-2215, 1987. [9] Gomini, G., Giudice, S. Del., "A physical interpretation of convectional finite element formulation of conduction-type problems", International journal for numerical methods in engineering, Vol.32, pp.559-569, 1991. [10] Giudice, S. Del., Gomini, G., Nonino, C., "A physical interpretation of conservative and non- conservative finite element formulation of convection-type problems ", International journal for numerical methods in engineering, Vol.35, pp.709-727, 1992. [11] Gomini, G., Saro, O., Manzan, M., "A physical approach to finite-element of coupled conduction and convection", Numberical heat transfer, Part B, Vol.24, pp.243-261, 1993. [12] Gomini, G., Cortella, G., Saro, O., "Finite element analysis of coupled conduction and convection in refrigerated transport", Int. J. Refrig, Vol.18, No. 2, pp.123-131, 1995. [13] Li, Xikui, Wu, Wenhua, Zienkiewicz, O.C., "Implicit characteristic Galerkin method for convection-diffusion equations", International journal for numerical methods in engineering, Vol.47, pp.1689-1708, 2000. [14] Al-khoury, R., Bonnier, P.G., Brinkgreve, R. B. J., "Efficient finite element formulation for geothermal heating systems. Part 1: Steady state", International journal for numerical methods in engineering, Vol.63, pp.988-1013, 2005. [15] Al-khoury, R., Bonnier, P.G., "Efficient finite element formulation for geothermal heating systems. Part 2: Transient", International journal for numerical methods in engineering, Vol.67, pp.725-745, 2006. [16] Felippa, Carlos A., Park, K.C., Farhat, Charbel,"Partitioned analysis of coupled mechanical systems", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol.190, pp.3247-3270, 2001. [17] Michler, C., Hulshoff, S.J., Brummelen, van E.H., Borst, de R., " A monolithic approach to fluid–structure interaction ", Computers and fluids, Vol.33, pp.839-848, 2004. [18] Nakshatrala, P. B., Nakshatrala, K. B., Tortorelli, D. A. "A time-staggered partitioned coupling algorithm for transient heat conduction", International journal for numerical methods in engineering, Vol.78, pp.1387-1406, 2009. [19] Kim, S.K., CHO, D.W., " Real-time estimation of temperature distribution in a ball-screw system", International journal for Machine Tools and Manufacture, Vol.37, No.4, pp.451-464, 1997. [20] Lewis, R.W., Nithiarasu, P., Seetharamu, K.N., " Fundamentals of the Finite Element Method for Heat and Fluid Flow", Wiley, New York, 2004. [21] Munson, Bruce R., Young, Donald F., Okiishi, Theodore H., " Fundamentals of fluid mechanics", Wiley, New York, 2006. [22] Weck, M., Zangs, L., " Computing the thermal Behavior of Machine Tool Using the Finite Element Method Possibilities and Limitations", MTDR, Vol.16, pp.185-194, 1975.zh_TW
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11455/2505-
dc.description.abstract高速化與高精密化是工具機近年來的發展趨勢。而改善進給系統加工定位精度的關鍵,在於有效地抑制導螺桿在高速進給時所引起的溫升效應。 本研究以雙相耦合有限元素法來處理固體結構與流體結構對流熱傳的三維問題。探討工具機中之冷卻液通過中空導螺桿之冷卻流道,以強制對流方式抑制溫升的現象。 本文依據實際使用狀況,將中空導螺桿以及冷卻液,分別建立成三維實體有限元素模式,並根據冷卻液流動的條件設定適當的動態邊界條件。接著利用FEAST有限元素分析軟體,藉由固體元素與流體元素熱傳耦合的分析模式,來探討具冷卻液之中空導螺桿的動態熱傳現象。並研究不同的冷卻液流率對於導螺桿溫升的影響。 透過分析結果與實驗數據比較溫升曲線的趨勢,可確知本研究所具有的重要參考價值。根據分析結果,可以提供工具機冷卻系統,於將來概念設計時可能改善之方案,進而提升冷卻系統抑制溫升的效能。zh_TW
dc.description.abstractIn recent years, requirement of high speed and high precision feature becomes much more important in the development of machine tools. One of the points in improvement of machining accuracy, is the suppression of heat generated during machine operation. In this report, a set of three-dimensional finite element coupling equations is derived and used to study the effect of heat transfer between the solid structure and the fluid phase. In consideration of the forced convection, the fluid flow with various flow rates of coolant through the cooling tunnel in hollow screw are especially considered. Based on a real hollow screw and coolant, three-dimensional finite element models with imposition of dynamical, suitable boundary conditions, are built. The finite element software system, FEAST, under 64 bits data precision, is used. The computational results here, comparing with experimental data, tell that the method derived in the study is significant. Some suggestion related to the temperature suppression in the cooling system can thus be made.en_US
dc.description.tableofcontents目錄 誌謝----------------------------------------------------------------------------------i 中文摘要---------------------------------------------------------------------------ii 英文摘要--------------------------------------------------------------------------iii 目錄--------------------------------------------------------------------------------iv 圖目錄----------------------------------------------------------------------------ix 表目錄----------------------------------------------------------------------------xvi 符號說明------------------------------------------------------------------------xvii 第一章 緒論--------------------------------------------------------------------1 1.1 前言----------------------------------------------------------------------1 1.2 文獻回顧----------------------------------------------------------------3 1.3 研究目的----------------------------------------------------------------6 1.4 研究方法與論文架構-------------------------------------------------7 第二章 熱傳導與對流耦合理論及其有限元素公式--------------------9 2.1 前言----------------------------------------------------------------------9 2.2 熱傳基本控制方程式-----------------------------------------------10 2.3 熱傳問題有限元素推導--------------------------------------------13 2.4 固體-流體熱傳耦合方程式----------------------------------------17 2.5 交錯式時間積分法--------------------------------------------------21 2.5.1 一階時間積分法-----------------------------------------------21 2.5.2 預測/校正法----------------------------------------------------24 2.6 對流參數之定義與基本理論--------------------------------------26 2.6.1 對流係數--------------------------------------------------------26 2.6.2 牛頓冷卻定律--------------------------------------------------32 第三章 中空導螺桿冷卻實驗與有限元素模式建構------------------34 3.1 中空導螺桿冷卻實驗-----------------------------------------------34 3.1.1中空導螺桿之流道配置---------------------------------------36 3.1.2溫升量測點之設置---------------------------------------------36 3.1.3實驗流程與參數設定------------------------------------------37 3.1.4中空導螺桿冷卻實驗溫升量測結果------------------------40 3.1.5中空導螺桿冷卻實驗結果討論------------------------------41 3.2有限元素模式建構---------------------------------------------------42 3.2.1 元素型態--------------------------------------------------------43 3.2.2 建構FEAST有限元素模式----------------------------------44 3.2.3 材料參數定義--------------------------------------------------50 3.2.4 初始條件與邊界條件定義-----------------------------------51 第四章 耦合熱傳分析結果與討論---------------------------------------52 4.1 模式一(軸向長度95mm,20個垂直於軸向的面)--------------55 4.1.1 模式一在體積流率為1.0(L/min)時的分析結果---------55 4.1.2 模式一在體積流率為2.0(L/min)時的分析結果---------57 4.1.3 模式一在狀況(B)時,不同體積流率的分析結果比較--59 4.1.4 模式一在狀況(C)時,不同體積流率的分析結果比較--60 4.1.5 模式一分析結果討論-----------------------------------------61 4.2 模式二(軸向長度245mm,50個垂直於軸向的面)-------------64 4.2.1 模式二在體積流率為0.1(L/min)時的分析結果---------64 4.2.2 模式二在體積流率為0.3(L/min)時的分析結果---------65 4.2.3 模式二在體積流率為0.5(L/min)時的分析結果---------66 4.2.4 模式二在體積流率為0.7(L/min)時的分析結果---------67 4.2.5 模式二在體積流率為0.9(L/min)時的分析結果---------68 4.2.6 模式二在體積流率為1.1(L/min)時的分析結果---------69 4.2.7 模式二在體積流率為1.3(L/min)時的分析結果---------70 4.2.8 模式二在體積流率為1.5(L/min)時的分析結果---------71 4.2.9 模式二在體積流率為1.7(L/min)時的分析結果---------72 4.2.10 模式二在體積流率為1.9(L/min)時的分析結果--------73 4.2.11 模式二在體積流率為2.1(L/min)時的分析結果--------74 4.2.12 模式二在體積流率為2.3(L/min)時的分析結果--------75 4.2.13 模式二在體積流率為2.5(L/min)時的分析結果--------76 4.2.14 模式二在體積流率為2.7(L/min)時的分析結果--------77 4.2.15 模式二在體積流率為2.9(L/min)時的分析結果--------78 4.2.16模式二在狀況(B)時,不同體積流率的分析結果比較--79 4.2.17模式二在狀況(C)時,不同體積流率的分析結果比較--82 4.2.18模式二分析結果討論----------------------------------------86 4.3模式三(軸向長度1540mm,309個垂直於軸向的面)-----------87 4.3.1 模式三在體積流率為1.0(L/min)時的分析結果---------87 4.3.2 模式三在體積流率為2.0(L/min)時的分析結果---------89 4.3.3 模式三在狀況(B)時,不同體積流率的分析結果比較--91 4.3.4 模式三在狀況(C)時,不同體積流率的分析結果比較--92 4.3.5 模式三分析結果討論-----------------------------------------94 4.4模擬分析結果與實驗量測結果曲線討論------------96 4.4.1 討論--------------------------------------------------------------96 第五章 結論與未來展望---------------------------------------------------98 5.1 結論--------------------------------------------------------------------98 5.2 未來展望-------------------------------------------------------------100 參考文獻------------------------------------------------------------------------101 圖目錄 圖1.1 研究流程圖--------------------------------------------------------------8 圖2.1 分析流程圖------------------------------------------------------------25 圖2.2 各體積流率 的雷諾數Re與黏度關係曲線示意圖-----------30 圖2.3 普蘭特數Pr與黏度關係曲線示意圖------------------------------31 圖2.4 經由固體表面A面(藍色)所傳遞的熱傳率Q示意圖-----------32 圖3.1 進給系統示意圖------------------------------------------------------34 圖3.2 螺帽移動最大行程為1180 mm示意圖---------------------------35 圖3.3 中空螺桿的流道配置剖面示意圖---------------------------------36 圖3.4 中空導螺桿的實驗量測位置圖------------------------------------37 圖3.5 實驗量測流程圖------------------------------------------------------39 圖3.6 上銀科技[3]實驗1 (無冷卻)與實驗2(具冷卻) 的 溫升量測結果圖-----------------------------------------------------40 圖3.7 上銀科技[3]實驗3 (無冷卻)與實驗4(具冷卻) 的 溫升量測結果圖-----------------------------------------------------40 圖3.8 網格化八點六面體元素示意圖------------------------------------43 圖3.9 建構有限元素模式流程圖------------------------------------------45 圖3.10 冷卻液由流道空載開始進入 直到流道滿載過程的剖面示意圖--------------------------------46 圖3.11 三個模式的有限元素模式正視圖(X-Y平面) -----------------48 圖3.12 模式一的有限元素模式斜角視圖(軸向長度95 mm) --------48 圖3.13 模式二的有限元素模式斜角視圖(軸向長度245 mm) ------49 圖3.14 模式三的有限元素模式斜角視圖(軸向長度1540 mm) -----49 圖3.15 中空導螺桿邊界條件-----------------------------------------------51 圖4.1 內外壁溫度分析結果擷取位置等角剖視圖---------------------53 圖4.2 冷卻液出口溫度分析結果擷取位置等角視圖------------------53 圖4.3 螺桿軸向溫度分佈的擷取位置等角剖視圖---------------------54 圖4.4 冷卻液軸向溫度分佈的擷取位置等角視圖---------------------54 圖4.5 分析模式一在體積流率為1.0 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---55 圖4.6 分析模式一在體積流率為1.0 (L/min)時,兩個模擬狀況下 不同時間的螺桿軸向溫度分佈圖---------------------------------56 圖4.7 分析模式一在體積流率為2.0 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---57 圖4.8 分析模式一在體積流率為2.0 (L/min)時,兩個模擬狀況下 不同時間的螺桿軸向溫度分佈圖---------------------------------58 圖4.9 模式一在狀況(B)中,不同的體積流率在圓管內外壁的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------59 圖4.10 模式一在狀況(B)中,不同的體積流率在冷卻液出口的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------59 圖4.11 模式一在狀況(C)中,不同的體積流率在圓管內外壁的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------60 圖4.12 模式一在狀況(C)中,不同的體積流率在冷卻液出口的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------60 圖4.13 模式一在狀況(C)中,不同的體積流率的 冷卻液軸向溫度分佈比較圖---------------------------------------61 圖4.14 分析模式二在體積流率為0.1 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---64 圖4.15 分析模式二在體積流率為0.3 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---65 圖4.16 分析模式二在體積流率為0.5 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---66 圖4.17 分析模式二在體積流率為0.7 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---67 圖4.18 分析模式二在體積流率為0.9 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---68 圖4.19 分析模式二在體積流率為1.1 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---69 圖4.20 分析模式二在體積流率為1.3(L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---70 圖4.21 分析模式二在體積流率為1.5 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---71 圖4.22 分析模式二在體積流率為1.7 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---72 圖4.23 分析模式二在體積流率為1.9 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---73 圖4.24 分析模式二在體積流率為2.1 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---74 圖4.25 分析模式二在體積流率為2.3 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---75 圖4.26 分析模式二在體積流率為2.5 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---76 圖4.27 分析模式二在體積流率為2.7 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---77 圖4.28 分析模式二在體積流率為2.9 (L/min)時,三個位置的溫度變 化,以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---78 圖4.29 模式二在狀況(B)中,不同的體積流率在圓管外壁的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------79 圖4.30 為圖4.29的局部放大圖--------------------------------------------79 圖4.31 模式二在狀況(B)中,不同的體積流率在圓管內壁的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------80 圖4.32 為圖4.31的局部放大圖--------------------------------------------80 圖4.33 模式二在狀況(B)中,不同的體積流率在冷卻液出口的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------81 圖4.34 為圖4.33的局部放大圖--------------------------------------------81 圖4.35 模式二在狀況(C)中,不同的體積流率在圓管外壁的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------82 圖4.36 為圖4.35的局部放大圖--------------------------------------------82 圖4.37 模式二在狀況(C)中,不同的體積流率在圓管內壁的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------83 圖4.38 為圖4.37的局部放大圖--------------------------------------------83 圖4.39 模式二在狀況(C)中,不同的體積流率在冷卻液出口的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------84 圖4.40 為圖4.39的局部放大圖--------------------------------------------84 圖4.41 模式二在狀況(C)中,不同的體積流率的冷卻液軸向溫度 分佈結果比較圖-----------------------------------------------------85 圖4.42 為圖4.41的局部放大圖--------------------------------------------85 圖4.43 模式三在體積流率為1.0 (L/min)時,三個位置的溫度變化, 以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---87 圖4.44 分析模式三在體積流率為1.0 (L/min)時,兩個模擬狀況下 不同時間的螺桿軸向溫度分佈圖---------------------------------88 圖4.45 模式三在體積流率為2.0 (L/min)時,三個位置的溫度變化, 以及在狀況(C)中,冷卻液到達流道滿載時的軸向溫度分佈圖---89 圖4.46 分析模式三在體積流率為2.0 (L/min)時,兩個模擬狀況下 不同時間的螺桿軸向溫度分佈圖---------------------------------90 圖4.47 模式三在狀況(B)中,不同的體積流率在圓管內外壁的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------91 圖4.48 模式三在狀況(B)中,不同的體積流率在冷卻液出口的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------91 圖4.49 模式三在狀況(C)中,不同的體積流率在圓管內外壁的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------92 圖4.50 模式三在狀況(C)中,不同的體積流率在冷卻液出口的 分析結果比較圖-----------------------------------------------------92 圖4.51 模式三在狀況(C)中,不同的體積流率的 冷卻液軸向溫度分佈比較圖--------------------------------------93 表目錄 表3.1 各實驗不同的參數設定說明---------------------------------------38 表3.2 各模式的節點與元素個數------------------------------------------47 表3.3 中空導螺桿與冷卻液材料性質表---------------------------------50zh_TW
dc.language.isoen_USzh_TW
dc.publisher機械工程學系所zh_TW
dc.relation.urihttp://www.airitilibrary.com/Publication/alDetailedMesh1?DocID=U0005-2210201013024400en_US
dc.subjectMachine toolsen_US
dc.subject工具機zh_TW
dc.subjectHollow screwen_US
dc.subjectCoolanten_US
dc.subjectFinite elementen_US
dc.subjectHeat convectionen_US
dc.subjectCoupled effecten_US
dc.subject中空導螺桿zh_TW
dc.subject冷卻液zh_TW
dc.subject有限元素zh_TW
dc.subject對流分析zh_TW
dc.subject耦合效應zh_TW
dc.title工具機冷卻系統之耦合效應探討-有限元素法zh_TW
dc.titleInvestigation on the Coupled Effect of Cooling System in Machine Tools by the Finite Element Method.en_US
dc.typeThesis and Dissertationzh_TW
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
item.openairetypeThesis and Dissertation-
item.cerifentitytypePublications-
item.fulltextno fulltext-
item.languageiso639-1en_US-
item.grantfulltextnone-
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