[發明專利]用于氣體靜壓主軸自激振動的預測方法

有效

• 申請號: 202010927115.0
• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN112069710B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 王偉;王超;程旭浩;龔維緯;龐飛;王超群
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

本發明公開了一種用于氣體靜壓主軸自激振動的預測方法，包括以下步驟：S1、建立氣體靜壓主軸系統物理模型；S2、利用有限元方法對氣體靜壓主軸氣膜劃分有限元網格，得到流場施加在氣體靜壓主軸上的壓力分布；S3、建立氣體靜壓主軸的運動控制方程；S4、建立氣體靜壓主軸的有限元模型；S5、根據氣體靜壓主軸的有限元模型，計算得到氣體靜壓主軸的自激振動特性，并獲得該氣體靜壓主軸的自激振動曲線。本發明實現了超精密氣體靜壓主軸自激振動特性的仿真計算，并通過模態分析的輔助實現氣體靜壓主軸系統的自激振動預測。

技術領域

本發明屬于動力學仿真技術領域，特別涉及一種用于氣體靜壓主軸自激振動的預測方法。

背景技術

隨著超精密制造業的進一步發展，人們對主軸的精度要求越來越高。氣體潤滑技術逐漸取代傳統的油膜潤滑支撐等形式，成為保證超精密加工精度的重要手段。工程實際中，常通過提高氣源供氣壓力、改變軸承和節流器形式、結構參數等措施來增大軸承的承載能力和靜剛度。但在一定條件下，軸承會引發主軸自激振動，其振動幅值較大且伴隨有持續的尖嘯聲，是一種非穩態的破壞性振動，猶如空氣錘擊工件，又稱“氣錘”振動，嚴重時會導致抱軸、軸承損壞而無法正常工作。現在的研究主要集中在氣體靜壓軸承的靜動態特性上，有關自激振動的研究多集中在優化結構，傳統的仿真方法無法預測主軸自激振動的產生。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術無法預測主軸自激振動的產生的問題，提供了一種能夠實現了超精密氣體靜壓主軸自激振動特性的仿真計算，并通過模態分析的輔助實現氣體靜壓主軸系統的自激振動預測的用于氣體靜壓主軸自激振動的預測方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：用于氣體靜壓主軸自激振動的預測方法，包括以下步驟：

S1、建立氣體靜壓主軸系統物理模型，包括氣體靜壓主軸氣膜和氣體靜壓主軸轉子；

S2、基于氣體潤滑原理，利用有限元方法對氣體靜壓主軸氣膜劃分有限元網格，得到流場施加在氣體靜壓主軸上的壓力分布；

S3、基于固體控制方程，先利用模態方法得到氣體靜壓主軸系統在流固耦合作用下的系統固有頻率，再建立氣體靜壓主軸的運動控制方程；

S4、基于流固耦合控制方程，將步驟S2獲得的壓力分布數據和步驟S3中的運動控制方程耦合在一起，建立氣體靜壓主軸的有限元模型；

S5、根據氣體靜壓主軸的有限元模型，計算得到氣體靜壓主軸的自激振動特性，并獲得該氣體靜壓主軸的自激振動曲線。

進一步地，所述步驟S2中，利用氣體潤滑原理和有限元方法，通過對氣體靜壓主軸系統的氣膜劃分有限網格來模擬整個求解域，數值計算得到氣體靜壓主軸的壓力分布數據W的方法如下：

應用流體控制方程獲得氣體靜壓主軸氣膜的壓力分布情況，所述流體控制方程即連續性方程、動量方程和能量方程：

其中，為ρ為流體密度，t為時間，為速度；

p為流體微元體上的壓強，為單位質量力，μ為氣體黏性系數；

E為流體微團的總能，包含內能、動能和勢能；k_eff為有效熱傳導系數，T為溫度，J_j為組分j的擴散通量，τ_eff為有效黏性應力，S_h為體積熱源項，h_j為流體部分的焓值；

div()是散度求解、grad是梯度求解、是梯度算子、是溫差；

將控制方程改寫成通用變量方程的形式：

其中，為通用變量，代表或T；

Γ為廣義擴散系數，為廣義源項；