(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210910119.7 (22)申请日 2022.07.29 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 李旸　侯朝阳　刘辉　张会杰　 赵万华　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 钱宇婧 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 机床导热通道的拓扑结构优化方法、 系统、 设备及介质 (57)摘要 本发明涉及机床结构优化领域， 公开了一种 机床导热通道的拓扑结构优化方法、 系统、 设备 及介质， 在传统的机床导热通道结构设计方法的 基础上， 通过对主轴在工况下产生的热量进行建 模， 利用拓扑算法对其进行结构优化， 找出工况 条件下导热材料的最佳分布路径， 这样对导热通 道的结构设计更具有针对性。 以某型号数控机床 工况下的主轴为例， 通过对其二维截面进行简化 和通MATLAB编程得到最终导热通道的结构， 改善 主轴导热通道 导热性能， 减少热影 响所带来的变 形， 经对比发现， 通过本发明方法使该主轴的温 度场分布更加均匀， 最高温度减少。 权利要求书4页 说明书13页 附图4页 CN 115248988 A 2022.10.28 CN 115248988 A 1.一种机床导热通道的拓扑 结构优化方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1， 确定 机床主要热源和设计区域； 以机床电主轴工作室的发热量为主要热源， 以与热源连接的导热通道为设计区域， 并 将设计区域进行简化， 使得设计区域离 散为矩形 单元体； 步骤2， 建立 导热通道温度场模型并设置边界条件； 以计算出的电主轴发热量为热源， 利用傅里叶定律推导二维平面下的温度场控制方 程， 并在设计区域周围施加恒温边界； 步骤3， 利用拓扑优化 算法得到最佳导热路径； 以整个设计域的温度场分布为基础加入拓扑优化的目标函数， 找到给定条件下材料导 热系数的最佳分布， 最终得到固定热源下的最佳导热路径。 2.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法， 其特征在于， 步骤1 中， 将导热通道简化 为的二维平面， 并将其离 散为的矩形 单元体。 3.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法， 其特征在于， 步骤1 中， 机床电主轴工作室的发热量主 要包括机 械损耗、 电损耗、 磁损耗以及涡流损耗； 电主轴的总发热量H轴通过下式计算： H轴＝Pn+Pe+Ph+Pl； 其中， Pn为机械损耗， Pe为电损耗， Ph为磁损耗， Pl为涡流损耗； 机械损耗Pn： Pn＝ πCρ ω3R4L 电损耗Pe： Pe＝I2R＝I2ρ L/S 磁损耗Ph： 涡流损耗Pl： Pl＝( π2δ2(fBmax)2)/(6ρ r) 其中， C表示摩擦系数； ρ 表示空气密度； ω表示转子加速度； R表示旋转体外半径； L表示 旋转体长度； I表示电流； R表示电阻； ρ 表示导体的电阻率； L表示导体的长度； Ch表示与电工 钢牌号有关 的常数； Bmax表示磁感应最大值； δ表示硅钢片厚度； f表示磁化频率； ρ 表示铁芯 电阻率； r 表示铁芯密度。 4.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法， 其特征在于， 步骤2 中， 导热通道温度场模 型： 设计区域为 100×100的矩形单元体， 将 工况下电主轴的发热量作 为设计域的热源， 热源在设计域的几何中心。 5.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法， 其特征在于， 步骤2 中， 利用傅里叶定律推导 二维平面下的温度场控制方程， 具体公式如下： q＝‑gradT 其中， q表示热流密度向量； gradT表示努赛尔数； λ表示导热系数； 推导可以得到二维稳 态热传导问题的偏微分控制方程 为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115248988 A 2其中， T表示稳态 温度场； λx、 λy表示分别是x、 y三个方向上的热传导系数； qv表示材料的 内热源强度； 在不考虑热辐射和相变， 设置材 料导热系数和恒温边界， 温度为20℃。 6.根据权利要求1所述的一种机床导热通道的拓扑结构优化方法， 其特征在于， 步骤3 中， 利用拓扑优化 算法找出最佳导热路径， 具体步骤如下： 利用泛函数来描述在设计区域中用有限元对于热传导问题的表达： 其中， Ω表示总设计域面积； λx、 λy表示分别是x、 y三个方向上的热传导系数； T表示稳态 温度场； qv表示材料的内热源强度； 对于设计域的每单个单元体， 采用矩形四节点单元， 并以此对四个顶点进行编号， 温度 插值函数为： Te(x,y)＝a0+a1x+a2y+a3xy＝[N(x,y)]{te} 其中， N(x,y)表示单 元的形函数； B表示单 元的形函数矩阵； a0、 a1、 a2、 a3表示插值系数； 平面温度场T经插值后， 矩形 单元体的形函数为： T＝NTe N＝[N1(x,y) N2(x,y) N3(x,y) ... Nn(x,y)] 将上式带入中， 整理可 得： 其中， N表示各单元上的插值函数； Te表示节点温度阵列； n表示单元的数目； TeT表示转 置节点温度矩阵； BT表示转置形函数矩阵； B表示形函数矩阵； 求解 δΠ＝0， 可以得到： KT＝P 其中， K表示整体结构的热传导矩阵； P表示整体结构的热 载荷量； 利用拓扑算法来对设计域进行结构优化， 寻找给定条件下， 导热效率最高的结构， 拓扑权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115248988 A 3