CN103186698A - 一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法 - Google Patents

Abstract

一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法,包括：参数化建模、油垫结合面建模、油膜模型建立、施加边界条件、性能分析、优化设计步骤；根据分析结果，用户判断静压转台油垫参数及布局方式是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该静压转台性能分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块；定义性能分析中的封油边接触刚度、油垫个数、油垫夹角和转台总功率为优化目标，并设定变量取值范围，最终输出优化后的结构参数。本发明基于ANSYS二次开发语言APDL、UIDL，采用非线性弹簧等效静压油膜，对静压转台进行参数化建模，并建立油垫结合面及油膜模型，分析转台的动、静态性能，并对转台模型关键参数进行优化。

Description

一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法

技术领域

本发明属于软件应用技术领域，特别是涉及一种非线性弹簧等效静压油膜的静压转台动、静态性能仿真优化方法。

背景技术

重型机床在我国的机械、航天、国防、能源等领域得到了广泛的应用，是我国装备制造业具有代表性的产品。但是，国产重型机床目前存在的主要问题之一就是静压转台的转速较国外同类产品低，生产效率低，加工精度低。多油垫静压支承是重型机床的主要部件，它的性能优劣直接影响机床的加工质量和运行效率。如何提高重型机床工作台的最高转速、旋转精度，提高设备的加工效率、加工精度，扩大产品销路，提高国际市场竞争力是目前非常迫切的任务之一。

重型数控机床的静压转台一般由转台面、转台底座、支承油垫、预紧油垫、径向轴承及与其配套的驱动装置和供油装置所组成，承载能力和刚度是衡量静压转台工作性能的重要指标。除此之外，静压转台的结构变形和油膜特性也对机床的加工精度有很大影响。

目前国内外学者多从油膜的工作性能方面着手研究，针对转台结构的研究也只是在假设支承油垫各油腔压力相等的前提下进行迭代计算，以求得较准确的解。

因此亟待开发出一种非线性弹簧等效静压油膜模型，利用有限元软件ANSYS二次开发平台，建立转台多油垫支承的参数化模型，分析其动、静态性能，并对支承油垫布置方式进行优化。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有静压转台动、静态特性仿真方法的缺陷，提供一种基于非线性弹簧单元等效静压油膜模型，利用有限元软件ANSYS仿真分析静压转台动、静态性能，并进一步优化转台关键结构参数的新方法。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法，包括：参数化建模、油垫结合面建模、油膜模型建立、施加边界条件、性能分析、优化设计步骤；

参数化建模步骤，利用体回转生成转台台面模型，再利用拉伸和阵列操作生成转台台面筋板结构；采用布尔求和操作合并所建模型；建模过程中，利用UIDL（ANSYS用户界面设计语言）定义转台模型参数化变量，并利用APDL（ANSYS参数化设计语言）生成转台参数化模型；生成实体模型后，采用自动模式进行网格划分，生成有限元网格模型；

油垫结合面建模步骤，分为支承油垫结合面建模和预紧油垫结合面建模；两种油垫结合面建模均通过Do-Loop循环，建立油垫平面；采用Pilot node（主导节点）方式，定义油垫平面与自身几何中心为Auto Constrained（自动约束）；

油膜模型建立步骤，通过Do-Loop循环，生成弹簧固定端节点；利用自定义非线性弹簧单元仿真，联接弹簧固定端节点与油垫平面自身几何中心；

施加边界条件步骤，包括转台约束位置、齿圈载荷、切削力、初始油膜支承力、工件重量和转台自身重力；转台约束位置包括自定义非线性弹簧单元固定端和径向轴承约束；自定义非线性弹簧单元固定端采用Fixed Support（固定约束），拾取方式通过Do-Loop循环自动拾取；径向轴承约束采用Displacement（偏移量）方式，设置径向偏移量为0，拾取方式采用圆柱坐标下的Location（坐标定位）方式自动拾取；

性能分析步骤，首先设置分析类型，包括转台刚度分析，承载力分析，模态分析；转台刚度分析后处理中输出转台边缘位移量和变形云图；承载力分析后处理中输出各油垫油膜承载力、油膜厚度、转台变形云图；模态分析后处理中输出模态频率和模态振型图；

根据上述分析结果，用户判断静压转台油垫参数及布局方式是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该静压转台性能分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块；

优化设计步骤，系统自动调用ANSYS中的优化设计模块，用户指定初始油腔压力、油垫直径、封油边宽度、支承油膜初始厚度、液压油粘度为设计变量，定义性能分析中的封油边接触刚度、油垫个数、油垫夹角和转台总功率为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入APDL优化命令流，进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。

前述的自定义非线性弹簧单元仿真为combin39仿真。

前述的利用UIDL语言定义转台模型参数化变量包括：转台结构参数、油垫参数、材料参数、载荷参数；其中转台结构参数包括转台直径、转台厚度、导轨厚度、导轨直径、导轨宽度、筋板厚度、径向轴承孔直径、预紧油垫与导轨底面距离；油垫参数包括油垫直径、油垫个数；载荷参数包括齿圈载荷、切削力、初始油膜支承力。

前述的初始油膜支承力为静压转台在最大承重下的油膜支承力。

本发明一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明基于ANSYS二次开发语言APDL、UIDL，采用非线性弹簧等效静压油膜，对静压转台进行参数化建模，并建立油垫结合面及油膜模型，分析转台的动、静态性能，并对转台模型关键参数进行了优化。

附图说明

图1为静压转台结构示意图；

图2为静压转台动、静态性能仿真优化设计流程图；

图3为combin39单元几何简图；

表1为自定义非线性弹簧单元combin39实常数。

其中，1为转台台面，2为预紧油垫，3为径向轴承，4为支承油垫，5为齿圈，6为转台底座。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明的具体实施加以说明。

请参阅图1所示，为静压转台支承原理示意图。其中，1为转台台面，2为预紧油垫，3为径向轴承，4为支承油垫，5为齿圈，6为转台底座。

请参阅图2所示，为静压转台动、静态性能仿真优化设计流程图。

（1）参数化建模模块，基于ANSYS二次开发，利用体回转生成转台台面模型，再利用拉伸和阵列操作生成转台台面筋板结构；采用布尔求和操作合并所建模型；输入参数包括转台参数（转台直径、转台厚度、导轨厚度、导轨直径、导轨宽度、筋板厚度、径向轴承孔直径、预紧油垫与导轨底面距离）、载荷参数（齿圈载荷、切削力、初始油膜支承力）、材料参数（包括密度、弹性模量、柏松比）、油垫参数（油垫直径、油垫个数）。其中油垫直径、油垫个数为待优化参数。生成实体模型后，采用smart模式进行网格划分，生成有限元网格模型；

（2）油垫结合面建模模块，基于ANSYS二次开发，包括支承油垫结合面和预紧油垫结合面建模两种油垫结合面建模均通过Do-Loop循环，建立油垫平面；采用Pilotnode方式，定义油垫平面与自身几何中心为Auto Constrained，接触单元采用CONTA174，目标单元采用TARGE170。

（3）油膜模型建立模块，通过Do-Loop循环，生成弹簧固定端节点；利用自定义非线性弹簧单元仿真等效静压支承油膜，联接弹簧固定端节点与油垫平面自身几何中心；输入参数为非线性弹簧单元实常数（参看表1所示），具体数值根据最小油膜厚度、最大油膜厚度、初始油膜厚度和初始承载力确定。

（4）施加边界条件模块，基于ANSYS二次开发，包括转台约束位置、齿圈载荷、切削力、初始油膜支承力、工件重量和转台自身重力；转台约束位置包括自定义非线性弹簧单元固定端和径向轴承约束；自定义非线性弹簧单元固定端采用FixedSupport，拾取方式通过Do-Loop循环自动拾取；径向轴承约束采用Displacement方式，设置径向偏移量为0，拾取方式采用圆柱坐标下的Location方式自动拾取。

（5）性能分析模块，设置分析类型，包括转台刚度分析，承载力分析，模态分析；转台刚度分析后处理中输出转台边缘位移量和变形云图；承载力分析后处理中输出各油垫油膜承载力、油膜厚度、转台变形云图；模态分析后处理中输出模态频率和模态振型图。根据上述分析结果，用户判断静压转台油垫参数及布局方式是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该静压转台性能分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块；

（6）优化设计模块，系统自动调用ANSYS中的优化设计模块，用户指定初始油腔压力、油垫直径、封油边宽度、支承油膜初始厚度、液压油粘度为设计变量，定义性能分析中的封油边接触刚度、油垫个数、油垫夹角和转台总功率为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入APDL优化命令流，进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。

所述的参数化建模，系统根据用户选择的转台参数、载荷参数、材料参数、油垫参数，修改已有的APDL命令流，生成转台整体模型，然后自动进行网格划分。同时该模块具有可扩展性，可以根据需要按照建模要求添加已有的转台模型。

所述的油垫结合面建模，系统根据输入的油垫参数，采用Do-Loop循环生成各油垫自身几何中心节点及油垫平面，并循环生成支承油垫结合面和预紧油垫结合面。

所述的油膜模型建立，利用combin39单元仿真等效静压支承油膜，采用Do-Loop循环联接弹簧固定端节点与油垫平面自身几何中心，输入参数为非线性弹簧单元实常数。

所述的边界条件，系统根据输入的边界条件参数，修改APDL命令流，自动加载边界条件。

所述的性能分析，包括转台刚度分析，承载力分析和模态分析，得到转台边缘位移量、油膜厚度、油膜承载力、模态频率和模态振型。

所述的优化设计，用户指定初始油腔压力、油垫直径、封油边宽度、支承油膜初始厚度、液压油粘度为设计变量，定义性能分析中的封油边接触刚度、油垫个数、油垫夹角和转台总功率为优化目标，并设定变量取值范围，自动进行优化计算，最终输出优化后的转台结构参数。

本系统油膜模型建立模块中使用自定义非线性弹簧单元combin39对静压支承油膜模型进行仿真，此单元的性质，保证了在油膜仿真分析过程中的可行性和可靠性。在ANSYS程序中combin39单元可以用于任意一种分析中，是一种具有非线性力-变形曲线的单向单元。该单元具有1维、2维、3维拉伸或扭转特性，分别可以仿真1维、2维、3维自由度的分析。图3是combin39单元几何简图，由图可知，该单元由两个节点和一条力-变形曲线定义，曲线上的点代表力和位移的变化量，该曲线的定义应保证变形从第三象限（受压）向第一象限（受拉）变化，最后一点的变形必须是正值，且必须有一点过坐标系原点，有一点位于第一象限。表一的内容是combin39单元的实常数，共有20对力-变形数值。

表一

编号	名称	说明
			1	D1	力-变形曲线上第一个变形量
2	F1	力-变形曲线上第一个弹簧力
			3	D2	力-变形曲线上第二个变形量
4	F2	力-变形曲线上第二个弹簧力
			5，……，40	D3，F3，……	共20对变形量和弹簧力参数

Claims (7)

1.一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法，基于非线性弹簧单元等效静压油膜模型，利用有限元软件仿真分析静压转台动、静态性能，优化转台关键结构参数；包括，参数化建模步骤、油垫结合面建模、油膜模型建立步骤、施加边界条件步骤、性能分析步骤、优化设计步骤；其特征在于：

所述的参数化建模步骤，利用体回转生成转台台面模型，再利用拉伸和阵列操作生成转台台面筋板结构；采用布尔求和操作合并所建模型；建模过程中，利用用户界面设计语言定义转台模型参数化变量，并利用参数化设计语言生成转台参数化模型；生成实体模型后，采用自动模式进行网格划分，生成有限元网格模型；

所述的油垫结合面建模步骤，包括支承油垫结合面建模和预紧油垫结合面建模；两种油垫结合面建模均通过循环，建立油垫平面；采用主导节点方式，定义油垫平面与自身几何中心为自动约束；

所述的油膜模型建立步骤，通过循环，生成弹簧固定端节点；利用自定义非线性弹簧单元仿真，联接弹簧固定端节点与油垫平面自身几何中心；

所述的施加边界条件步骤，包括转台约束位置、齿圈载荷、切削力、初始油膜支承力、工件重量和转台自身重力；转台约束位置包括自定义非线性弹簧单元固定端和径向轴承约束；自定义非线性弹簧单元固定端采用完全约束，拾取方式通过循环自动拾取；径向轴承约束采用偏移量方式，设置径向偏移量为0，拾取方式采用圆柱坐标下的坐标定位方式自动拾取；

所述的性能分析步骤，首先设置分析类型，包括转台刚度分析，承载力分析，模态分析；转台刚度分析后处理中输出转台边缘位移量和变形云图；承载力分析后处理中输出各油垫油膜承载力、油膜厚度、转台变形云图；模态分析后处理中输出模态频率和模态振型图；

根据上述分析结果，判断静压转台油垫参数及布局方式是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该静压转台性能分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块；

所述的优化设计步骤，系统自动调用有限元软件中的优化设计模块，用户指定初始油腔压力、油垫直径、封油边宽度、支承油膜初始厚度、液压油粘度为设计变量，定义性能分析中的封油边接触刚度、油垫个数、油垫夹角和转台总功率为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入参数化设计语言优化命令流，进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。

2.根据权利要求1所述的一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法，其特征在于：所述的自定义非线性弹簧单元仿真为combin39仿真。

3.根据权利要求1所述的一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法，其特征在于：所述的利用用户界面设计语言定义转台模型参数化变量包括：转台结构参数、油垫参数、材料参数、载荷参数。

4.根据权利要求3所述的一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法，其特征在于：所述的转台结构参数包括转台直径、转台厚度、导轨厚度、导轨直径、导轨宽度、筋板厚度、径向轴承孔直径、预紧油垫与导轨底面距离。

5.根据权利要求3所述的一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法，其特征在于：所述的油垫参数包括油垫直径、油垫个数。

6.根据权利要求3所述的一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法，其特征在于：所述的载荷参数包括齿圈载荷、切削力、初始油膜支承力。

7.根据权利要求1所述的一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法，其特征在于：所述的初始油膜支承力为静压转台在最大承重下的油膜支承力。

Images