Modellierung und Simulation des thermischen Verhaltens einer Werkzeugmaschine mit der Finite-Elemente-Methode

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Modellierung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen mit Hilfe der Finite-Element-Methode (FEM) entwickelt. Vorgestellt werden zunächst die Vorgehensweise zur Erstellung der FEM-Netze und die für die Kopplung der Maschinenkomponenten notwendigen Verbindungsbedingungen. Ein weiterer Teil der Arbeit beinhaltet die Definition und Bestimmung der thermischen Belastungen und Randbedingungen. Schwerpunkt sind die konvektiven Randbedingungen. Dazu wird ein erweitertes Unterprogramm entwickelt, um Wärmeübergangskoeffizienten an die geschwindigkeits- und temperaturabhängigen Konvektionsbedingungen anzupassen und präzise zu berechnen. Darüber hinaus wird auch die Wärmeübertragung zwischen einander berührenden Bauteilen betrachtet und ein modifizierter Ansatz für die Wärmeübertragung in Wälzlager und Wälzführung hergeleitet. Mit diesem Verfahren werden die Temperatur- und Verformungszustände für verschiedene Bewegungs- und Lastfälle eines fünfachsigen vertikalen Bearbeitungszentrums berechnet und analysiert. Zur Validierung des Verfahrens sind umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt wurde. Aus den so ermittelten instationären thermo-elastischen Simulationsergebnissen wird eine Strategie zur Umsetzung des FEM-Modells für die Kompensation thermischer Verlagerungen abgeleitet.