[發明專利]一種考慮表面形貌的靜壓油墊流場特性數值仿真方法

有效

• 申請號: 201410191387.3
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN105095536B
• 公開（公告）日: 2018-08-07
• 發明（設計）人: 夏龍飛;蔡力鋼;趙永勝
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 紀佳

一種考慮表面形貌的靜壓油墊流場特性數值仿真方法，屬于工程應用技術領域,其包括：數學建模求解、流場特性分析、優化設計。在數學建模求解中，針對油墊表面粗糙度，建立了徑向和周向兩個方向上的表面粗糙度模型。根據分析的結果，用戶判斷靜壓油墊是否滿足設計目標，如果滿足設計要求，則最終輸出該靜壓油墊流場特性分析報告；如果未能滿足設計要求，則進入優化設計模塊；本發明基于商業軟件Matlab對考慮表面形貌的靜壓油墊進行流場特性數值仿真，研究靜壓油墊的承載能力，對液體靜壓油墊進行數值模擬，分析其流場特性，并對靜壓油墊關鍵參數進行優化設計。

技術領域

本發明屬于工程應用技術領域，特別是涉及考慮表面形貌和能量方程耦合時的靜壓油墊流場特性數值仿真方法。

背景技術

重型車銑復合數控機床主要服務于能源、交通、重型機械、航空航天、艦船制造和國防等國家重點行業領域，是我國裝備制造業具有代表性的產品。隨著現代科技的發展，對于機床的加工精度、尺寸、承載能力等都提出了越來越高的要求。由于其具有高承載力、高精度、摩擦阻力小、使用壽命長、抗震性能好等特點，靜壓技術得到了越來越廣泛的應用。靜壓轉臺作為重型車銑復合數控機床的關鍵功能部件，主要用于承載大型、重型零件。

靜壓轉臺工作過程中產生的振動、變形、熱量等是影響加工精度的關鍵因素。而靜壓支承技術所具備的特點，能夠很好地解決機床工作過程中容易出現的這些問題，能夠有效地提高機床的加工精度和機床使用壽命。因此，液體靜壓支承技術被越來越多地應用到了現代機床中，并逐漸成為核心部件。靜壓支承的工作原理是借助于液壓供油系統，強制地將壓力潤滑油注入摩擦副之間的油腔，利用油腔的封油邊和工作臺導軌間隙的靜壓作用，形成靜壓承載力，將工作臺浮升并承受外載荷。由此，可以看出靜壓支承的承載性能和潤滑性能的優劣將直接影響到整個機床運行的可靠性、加工質量、壽命和經濟指標。因此，對于數控機床中的液體靜壓支承技術的研究具有重要意義。

靜壓油墊性能的優劣直接影響到靜壓轉臺的承載能力和工作穩定性。為了滿足重型數控機床對靜壓轉臺的高承載性、高剛度、大變載、偏載等性能的要求，目前，國內外學者大多采用CFD數值仿真的方法來研究液體靜壓油墊速度場、溫度場與壓力場等流場特性，并通過CFD技術實現靜壓油墊承載能力和油膜剛度的計算，此方法能夠有效克服靜壓設計計算和經驗計算帶來的不確定性，減小計算誤差，使設計更加接近工程實際；能夠有效提高設計效率、降低經濟損失和進行優化設計。但是若考慮一些特殊的現象，比如考慮表面粗糙度和靜壓導軌變形的時候，則采用CFD技術不方便，不僅建模困難，而且采用CFD數值仿真時網格劃分也很困難。因此，必須自己建立數學方程，在此基礎上，自己編程求解，費時費力。

支承油墊是影響靜壓轉臺承載能力與加工精度的關鍵，本發明基于商業軟件Matlab，針對油墊表面粗糙度，以克里斯坦森(Christensen)隨機粗糙度模型為基礎，建立了徑向和周向兩個方向上的表面粗糙度模型?；谏鲜鲇蛪|表面粗糙度的模型，考慮在轉臺旋轉過程中受熱效應與動壓效應作用的影響。為此，在考慮粗糙度效應的基礎上，建立了支承油墊熱效應、動壓效應及其耦合效應的模型。然后，利用有限差分法，選擇合適的語言編程，并采用迭代法進行計算機數值求解。對計算機求解出的數值結果進行整理、對比和分析，分析其流場特性，并得出相關結論。最后，再考慮粗糙度的基礎上對靜壓油墊關鍵參數進行優化設計。

發明內容

本發明的目的在于，研究考慮表面形貌和熱效應耦合時的靜壓油墊流場特性仿真方法，利用數學建模手段，讓研究人員從大量繁重瑣碎的造型、網格生成、有限元分析中解脫出來，大大縮短數值模擬工作的時間周期，提高了工作效率、降低了經濟損失。利用商業軟件Matlab仿真分析靜壓油墊流場特性，在考慮粗糙度的基礎上進一步優化靜壓油墊關鍵結構參數的新方法。

本發明是采用以下技術手段實現的，實現該方法的系統包括

一種考慮表面形貌和能量方程耦合的靜壓油墊流場特性數值仿真方法，包括：數學建模并求解、流場特性分析、優化設計。