[發(fā)明專利]基于多物理場數(shù)字孿生模型的空氣靜壓主軸模擬方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210320721.5
• 申請日: 2022-03-29
• 公開（公告）號: CN114676577A
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發(fā)明（設計）人: 史江海;曹宏瑞;陳雪峰
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F30/17;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

1.一種基于多物理場數(shù)字孿生模型的空氣靜壓主軸模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1，獲取空氣靜壓主軸的特征參數(shù)以及初始工況參數(shù)；

S2，基于S1空氣靜壓主軸實體特征參數(shù)及工況參數(shù)，建立空氣靜壓主軸結(jié)構(gòu)模型，將空氣靜壓主軸的熱載荷施加到相應的主軸結(jié)構(gòu)上得到空氣靜壓主軸的熱固耦合數(shù)字孿生模型；

S3，基于S2空氣靜壓主軸結(jié)構(gòu)模型，將電磁力載荷作用在空氣靜壓主軸轉(zhuǎn)子電機支撐位置處得到空氣靜壓主軸的電磁固耦合數(shù)字孿生模型；

S4，基于S2和S3，計算出溫度場與電磁場耦合作用下空氣軸承的承載力和承載力矩，將空氣軸承的承載力和承載力矩施加在轉(zhuǎn)子-軸承結(jié)合面上得到空氣靜壓主軸的流固耦合數(shù)字孿生模型；

S5，基于S2中空氣靜壓主軸的熱固耦合數(shù)字孿生模型、S3中空氣靜壓主軸的電磁固耦合數(shù)字孿生模型以及S4中空氣靜壓主軸的流固耦合數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)熱固耦合模型、電磁固耦合模型與流固耦合模型之間的動態(tài)交互作用，建立電-磁-氣-固-熱多物理場耦合作用下空氣靜壓主軸多物理場數(shù)字孿生模型；

S6，將S5中空氣靜壓主軸多物理場數(shù)字孿生模型與主軸物理實體之間的數(shù)據(jù)和信息進行交互融合，對空氣靜壓主軸多物理場數(shù)字孿生模型進行修正和驗證；

S7，基于修正后的空氣靜壓主軸多物理場數(shù)字孿生模型模擬其運行過程中，內(nèi)部多場交互耦合作用對空氣靜壓主軸的動力學特性和振動響應影響規(guī)律。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多物理場數(shù)字孿生模型的空氣靜壓主軸模擬方法，其特征在于，S1中所述特征參數(shù)包括徑向/止推空氣靜壓軸承、主軸轉(zhuǎn)子、電機、殼體以及冷卻裝置的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及所用材料特性；所述幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)從空氣靜壓主軸的設計圖紙文件中獲取，所述初始工況參數(shù)是指空氣靜壓主軸物理實體的工作轉(zhuǎn)速、供氣壓強以及負載。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多物理場數(shù)字孿生模型的空氣靜壓主軸模擬方法，其特征在于，S2中所述主軸熱載荷包括電機產(chǎn)熱、空氣軸承的氣體摩擦產(chǎn)熱以及熱量耗散；

所述電機的產(chǎn)熱包括定子鐵芯和繞組生熱，其計算公式分別表示為：

P_Cu＝T²Fa/K_m²

式中，P_Fe為定子鐵芯生熱，P_Cu為繞組生熱，K_a是修正系數(shù)，P是硅鋼片單位重量鐵損值，B是氣隙磁密，f是交變頻率，T是電機轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)a＝1.405是繞組電阻隨溫度的變化系數(shù)，K_m是電機常數(shù)；

所述空氣軸承的氣體摩擦產(chǎn)熱包括空氣靜壓徑向軸承和止推軸承的氣體摩擦生熱量：

式中，Q_J為徑向軸承氣體摩擦生熱量，Q_T為止推軸承氣體摩擦生熱量，η是氣體的運動粘性系數(shù)，ω是旋轉(zhuǎn)角速度，L是徑向軸承的長度，D是徑向軸承的直徑，h是軸承的氣膜厚度，r₁是止推軸承的外徑，r₁是止推軸承的內(nèi)徑；

所述熱量耗散是指通過確定空氣軸承、氣膜、主軸轉(zhuǎn)子、電機轉(zhuǎn)子、冷卻水、電機定子、電機冷卻套以及主軸殼體核心部件之間的傳熱方式以及傳熱系數(shù)，對空氣靜壓主軸內(nèi)部熱量傳遞與流失進行計算。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多物理場數(shù)字孿生模型的空氣靜壓主軸模擬方法，其特征在于，S3中所述電磁載荷是指電機定子與轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)的電磁場產(chǎn)生的徑向電磁力，所述徑向電磁力是根據(jù)麥克斯韋電磁場定律計算得到，在電機轉(zhuǎn)子與定子氣隙中單位面積上的瞬時徑向電磁力f(θ,t)為：

式中，θ是圓周角度，t是時間，b(θ,t)是瞬時磁通量密度，μ₀＝4π×10^-7H/m是真空磁導率。