精密主轴单元作为高速加工机床的关键部件,是工业高速化发展中的重要研究对象,在高速运转下其内部生热导致主轴结构热变形,严重影响了机床的加工精度,因此对精密主轴单元热平衡特性进行分析研究具有重要的意义。本文以典型精密主轴单元为研究对象,通过对热载荷优化设计,建立基于有限元方法的热-流-固多物理场耦合的高精度仿真模型,为精密主轴单元热平衡特性分析提供依据,有助于精密主轴单元热平衡设计。首先,剖析精密主轴单元生热/换热源,基于经验公式得出生热/换热源建模方法,并以此作为基于Ansys Workbench及Fluent UDF功能的精密主轴单元热-流-固耦合仿真模型的热载荷条件;进一步搭建集监测和主动控制于一体的精密主轴单元热态特性实验平台,完成精密主轴单元温度控制系统及结果后处理工具开发,进一步实现集采集与主动控制于一体的闭环温度控制。其次,提出针对精密主轴单元热平衡特性多参数单目标非线性优化分析方法,并针对多参数优化设计中同类型随时间变化的设计变量导致的设计变量规模庞大问题,构建根据时间区间进行分步优化,以改善收敛效率的分步优化分析模型,进一步基于Ansys Workbench的Python二次开发接口完成支持分步优化设计模型的精密主轴热负载优化设计软件,通过对仿真模型热载荷值优化,求得的实验平台采集数据与仿真结果基本一致。最后,针对精密主轴单元进行热载荷值的优化设计,使主轴运行过程的每一时间点的瞬态仿真结果与实验数据在关键采集点位上的温度基本一致,进一步基于仿真结果分析精密主轴单元随时间变化的生热量及热耗散量,并最终得出精密主轴单元运行过程净流入热量随时间变化规律。本文充分考虑流体湍流对精密主轴单元的影响,实现热-流-固耦合的高精度仿真模型建模方法,此方法通过热平衡特性分析,极大提高了精密主轴单元热平衡设计的可行性,为后续热态特性分析及热误差抑制研究提供了高精度的精密主轴单元温度场时变数据。