[發明專利]一種考慮流固耦合的氣體靜壓軸承性能計算方法

有效

• 申請號: 202010573263.7
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111751220B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 高強;盧禮華;趙航;張鵬;陳萬群
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01M13/04;G01M9/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

一種考慮流固耦合的氣體靜壓軸承性能計算方法，它涉及一種氣體靜壓軸承性能計算方法，具體涉及一種考慮流固耦合的氣體靜壓軸承性能計算方法。本發明為了解決現有的氣體靜壓軸承性能計算方法無法考慮結構變形對計算精度的影響，計算精度較低的問題。本發明的步驟為：建立氣體靜壓主軸氣膜流體域的計算流體力學分析模型；建立氣體靜壓主軸結構件的結構動力學分析模型；通過數值計算方法，求解氣體靜壓軸承流體域的控制方程；將得到的氣體靜壓軸承的流體壓力分布數據加載到步驟二中所建立的氣體靜壓主軸結構的動力學分析模型中；步驟五、求解結構件的動力學方程，現將動力學分析模型的計算結果傳遞給流體分析模型。本發明屬于軸承領域。

技術領域

本發明涉及一種氣體靜壓軸承性能計算方法，具體涉及一種考慮流固耦合的氣體靜壓軸承性能計算方法，屬于軸承領域。

背景技術

氣體靜壓軸承以其支承精度高、摩擦系數小、生熱率低等優良特性廣泛應用于超精密加工及檢測設備中。氣體靜壓軸承是非標準件，在實際應用中需要根據使用場合和設計指標自行設計。因此，氣體靜壓軸承性能計算方法準確與否直接影響最終設計方案性能的優劣。目前，氣體靜壓軸承性能的計算主要通過以有限單元法、有限體積法等數值計算方法實現。但現有的氣體靜壓軸承性能計算方法均忽略了氣體壓力引起的結構變形對其性能的影響。這在在高剛度氣體靜壓軸承設計中會產生較大的計算誤差，導致軸承的實際性能低于設計預期。這緣于高剛度氣體靜壓軸承的承載力較大，會導致止推板產生微米級的變形，顯著改變氣體靜壓軸承的氣膜厚度。而現有的氣體靜壓軸承性能計算方法無法考慮結構變形對計算精度的影響，因此不適用于高剛度氣體靜壓軸承的設計計算。

發明內容

本發明為解決現有的氣體靜壓軸承性能計算方法無法考慮結構變形對計算精度的影響，計算精度較低的問題，進而提出一種考慮流固耦合的氣體靜壓軸承性能計算方法。

本發明為解決上述問題采取的技術方案是：本發明的具體步驟如下：

步驟一、建立氣體靜壓主軸氣膜流體域的計算流體力學分析模型；

步驟二、建立氣體靜壓主軸結構件的結構動力學分析模型；

步驟三、通過數值計算方法，求解氣體靜壓軸承流體域的控制方程，得到氣體靜壓軸承流體域的壓力分布；

步驟四、在流體域網格節點和結構網格節點之間通過插值的方式，將步驟三中得到的氣體靜壓軸承的流體壓力分布數據加載到步驟二中所建立的氣體靜壓主軸結構的動力學分析模型中，實現將流體分析模型的計算結果數據傳遞給結構動力學分析模型；

步驟五、通過數值計算方法，求解結構件的動力學方程，得到流體壓力引起的結構變形和流固耦合界面的位移；

步驟六、利用動態網格變形技術，根據流固耦合界面的位移數據對氣體靜壓軸承流體域的幾何模型進行更新，實現將動力學分析模型的計算結果傳遞給流體分析模型；

步驟七、判斷是否滿足收斂條件，若否，返回步驟三；若是，結束迭代循環并輸出結果，得到考慮結構變形的氣體靜壓軸承的性能，即完成了一種考慮結構變形的氣體靜壓軸承性能計算方法。

進一步的，步驟一中建立氣體靜壓主軸氣膜流體域的計算流體力學分析模型的過程為：

(1)氣膜流體域三維建模，并進行網格劃分；

(2)設置氣膜流體域的邊界條件；

(3)設置氣膜流體域動態網格參數，使網格可根據流固耦合界面的位移而變形；

(4)設置收斂條件、時間步長、迭代次數。

進一步的，步驟二中建立氣體靜壓主軸結構件的結構動力學分析模型的過程為：

(1)氣體靜壓主軸結構件三維建模，并進行網格劃分；

(2)設置主軸結構的約束條件；