多边界寻优的电主轴热特性数字孪生

针对电主轴热特性有限元仿真误差大，热边界条件无法精确辨识问题，提出数字孪生驱动的电主轴热特性在线监测方法。搭建基于C++和Qt的电主轴热特性数字孪生系统，建立基于最小二乘优化的接触热阻与对流换热系数目标函数，根据关键测温点的实测与仿真温度实时优化热边界条件并输出至ANSYS Parametric Design Language (APDL)，通过后台调用ANSYS完成电主轴热特性分析及数据处理，实现物理实体与虚拟模型实时映射的电主轴热特性数字孪生。实验结果表明，该方法有效提高电主轴热特性分析精度，温度场预测精度达98%，热变形预测精度达96%，为电主轴热优化设计及热误差控制提供依据。

作为高速机床核心部件的电主轴，其高速运转产生的热量无法及时导出，形成热误差，影响零件加工精度。因此，对电主轴热特性进行精确分析并控制是解决电主轴热变形的关键技术。目前，电主轴热特性分析方法主要是有限元仿真法，通过建立有限元模型，施加热边界条件，应用有限元分析软件获得电主轴温度场及热变形。Uhlmann [1]等考虑生热量以及零部件之间的接触热阻和对流传热搭建电主轴三维有限元模型，对其热特性进行瞬态模拟。Su [2]等结合过盈配合、热效应在部件中的耦合作用，建立综合优化的电主轴模型，研究不同变量下电主轴温升的变化。有限元仿真法可以定性模拟特定条件下电主轴热特性，而电主轴热特性就像“黑匣子”，有诸多边界条件无法精确获得，限制了热特性分析的准确性。

内热源生热量、对流换热系数、结合面接触热阻是热特性分析的三个关键参数，其辨识精度决定热特性分析的准确性。为获得更加贴近实际的边界条件，康惠民[3]等分析电主轴轴承滚动体的受力情况， 根据Palmgren 经验公式得到轴承摩擦生热量，通过传热分析建立轴承温度场模型，实验验证轴承温升与滚动体运动状态的关系。陈小安[4]等考虑实际功率下各种损耗，确定电主轴生热量等热边界条件，对电主轴的温度场进行分析。张丽秀[5]等通过试验测得电主轴总体能量损耗，计算电主轴定/转子及轴承的生热量，通过试验数据优化电主轴的热边界条件，进而得到较为精确的电主轴温升模型。孟令聪[6]考虑冷却液实时传热，建立电主轴热–流–固耦合模型，同时利用遗传算法对电主轴的生热量与换热系数进行修正，将修正后的热边界条件重新加载，得到仿真精度较高的温度场模型。

现有研究为揭示电主轴热特性提供依据。但是，由于热边界条件受材料、磨损、接触方式等多种因素影响，通过经验公式计算的热边界条件与实际热边界有一定的误差。导致热边界条件难以准确辨识的主要因素是界面及结合面参数难以定量获得，因此，探索一种多边界寻优的热边界条件辨识方法，可大幅提高热边界条件的辨识精度。在此基础上，将数字孪生技术应用于电主轴热特性分析，通过边界监测及映射搭建热特性数字孪生系统，在虚拟空间中定量分析电主轴热特性，为电主轴热优化设计及热误差控制提供依据。