[發(fā)明專利]基于多物理場(chǎng)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(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210320721.5
• 申請(qǐng)日: 2022-03-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114676577A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史江海;曹宏瑞;陳雪峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): 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(zé)任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發(fā)明公開(kāi)一種基于多物理場(chǎng)數(shù)字孿生模型的空氣靜壓主軸模擬方法及系統(tǒng)，首先基于空氣靜壓主軸實(shí)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；根據(jù)主軸溫度場(chǎng)分布得到熱固耦合數(shù)字孿生模型；根據(jù)電機(jī)電磁場(chǎng)分布得到電磁固耦合數(shù)字孿生模型；根據(jù)空氣軸承流體場(chǎng)分布得到流固耦合數(shù)字孿生模型；然后對(duì)熱固耦合模型、電磁固耦合模型與流固耦合模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互耦合，建立電?磁?氣?固?熱多物理場(chǎng)耦合作用下空氣靜壓主軸數(shù)字孿生模型；最后將主軸數(shù)字孿生虛擬模型與主軸物理實(shí)體之間的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行交互融合，對(duì)空氣靜壓主軸多物理場(chǎng)數(shù)字孿生模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證，從而獲得能夠?qū)崟r(shí)同步的空氣靜壓主軸多物理場(chǎng)數(shù)字孿生模型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)械診斷智能化與數(shù)字化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多物理場(chǎng)數(shù)字孿生模型的空氣靜壓主軸模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

空氣靜壓主軸具有摩擦小、轉(zhuǎn)速快、回轉(zhuǎn)精度高、無(wú)污染以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在超精密加工領(lǐng)域。然而，空氣靜壓主軸是一個(gè)復(fù)雜的電-磁-氣-固-熱多物理場(chǎng)耦合系統(tǒng)，主軸結(jié)構(gòu)與電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)之間互相耦合作用，導(dǎo)致系統(tǒng)中形成多維復(fù)雜的局部反饋環(huán)，使得主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性具有很強(qiáng)的非線性和交叉耦合特征，這成為制約空氣靜壓主軸高速高效超精密加工的瓶頸。所以，如何通過(guò)建立高保真空氣靜壓主軸模型，從本質(zhì)上揭示主軸內(nèi)部多場(chǎng)耦合機(jī)理，提高空氣靜壓主軸多物理場(chǎng)數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性，成為了亟需解決的問(wèn)題。

目前空氣靜壓主軸動(dòng)力學(xué)建模方法大多主要針對(duì)單一物理場(chǎng)如溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)或流體場(chǎng)，建立了空氣靜壓主軸動(dòng)力學(xué)模型。浙江工業(yè)大學(xué)陳國(guó)達(dá)建立了5自由度的空氣軸承-轉(zhuǎn)子耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析了不平衡電磁力、氣膜壓強(qiáng)分布對(duì)主軸轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響(Chen G,Chen Y, Lu Q,et al.Multi-Physics Fields Based Nonlinear DynamicBehavior Analysis of Air Bearing Motorized Spindle[J].Micromachines,2020,11(8):723.)。該研究忽略了主軸溫度場(chǎng)對(duì)空氣靜壓主軸動(dòng)力學(xué)特性的影響。數(shù)字孿生是一門新興的具有高保真特性的技術(shù)，基于數(shù)字化形式在信息空間創(chuàng)建一個(gè)與物理實(shí)體等價(jià)的虛擬模型，通過(guò)數(shù)據(jù)與信息的融合交互實(shí)現(xiàn)虛擬模型高保真模擬物理實(shí)體行為。上海理工大學(xué)徐榮飛和范開(kāi)國(guó)提出基于數(shù)字孿生的電主軸熱特性分析方法，對(duì)主軸關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)溫度的熱邊界條件進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬空間數(shù)據(jù)映射及熱特性數(shù)字孿生(徐榮飛,范開(kāi)國(guó).數(shù)字孿生的電主軸熱特性研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2022:1-9)。

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)研究主要針對(duì)空氣靜壓主軸動(dòng)力學(xué)模型的單一物理場(chǎng)進(jìn)行了分析，由于空氣靜壓主軸多場(chǎng)耦合模型的復(fù)雜度高，計(jì)算量大且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證困難，僅有個(gè)別研究考慮了兩個(gè)物理場(chǎng)之間的耦合效應(yīng)，空氣靜壓主軸內(nèi)部多場(chǎng)耦合機(jī)理尚不清楚。所以，急需開(kāi)展空氣靜壓主軸多物理場(chǎng)數(shù)字孿生模型研究，從本質(zhì)上揭示主軸內(nèi)部多場(chǎng)耦合機(jī)理，提高空氣靜壓主軸多物理場(chǎng)數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)一種基于多物理場(chǎng)數(shù)字孿生模型的空氣靜壓主軸模擬方法，實(shí)現(xiàn)空氣靜壓主軸內(nèi)部溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)與主軸結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)交互耦合，從而獲得空氣靜壓主軸高精度仿真結(jié)果。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于多物理場(chǎng)數(shù)字孿生模型的空氣靜壓主軸模擬方法，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(shí)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(yīng)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(jī)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；