CN103226633A - 一种静压油垫流场特性仿真优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静压油垫流场特性仿真分析与优化方法，包括：参数化建模、参数化结构网格生成、施加边界条件、流场特性分析、优化设计步骤；根据上述分析结果，用户判断静压油垫是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该静压油垫流场特性分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块；在优化设计步骤，系统自动调用Pro/ENGINEER（商业建模软件）中的优化设计模块，用户指定油腔深度、封油边宽、进油口直径为设计变量，定义静压油垫流场特性分析中的油垫承载能力和油膜刚度极值为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入Pro/Toolkit（二次开发工具包）优化命令流，进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。

Description

一种静压油垫流场特性仿真优化方法

技术领域

本发明属于软件应用技术领域，特别是涉及静压油垫流场特性仿真分析与优化方法。

背景技术

重型数控加工设备主要服务于能源、交通、重型机械、航空航天、舰船制造和国防等国家重点行业领域，是我国装备制造业具有代表性的产品。重型静压推力轴承是重型数控加工设备的主要部件，它的性能优劣直接影响设备的加工质量和运行效率。液体静压轴承因能提供广泛的液膜厚度以及较高的液膜刚度，功率损耗小，即使在很低的转速下也能平稳工作等特点而被广泛应用到重型装备中并成为核心部件。液体静压轴承的主要特点是静摩擦系数极小，承载能力高并且和转速无关，转盘的启动转矩小，使用寿命长，而且由于液体油膜有非常好的阻尼特性，使得切削时产生的振动较小，主轴回转精度较高。

静压油垫性能的优劣直接影响到静压转台的承载能力和工作稳定性。为了满足重型数控机床对静压转台的高承载性、高刚度、大变载、偏载等性能的要求，采用CFD（计算流体力学）技术对静压油垫内部流场特性进行分析，并通过数值仿真技术实现静压油垫承载能力和油膜刚度的计算，可提前预测大尺寸静压轴承润滑的特性及转动过程中可能出现的问题；能够有效克服静压设计计算和经验计算带来的不确定性，减小计算误差，使设计更加接近工程实际；能够有效提高设计效率、降低经济损失和进行优化设计，并可进行动态特性分析与计算。

目前国内外学者大多采用数值模拟的方法来研究液体静压油垫速度场、温度场与压力场等流场特性。在进行数值仿真模拟时，网格生成占一个计算任务全部人力时间的大部分时间，因此，能否快速、精确地生成网格是一个重要的问题。但在划分静压油垫网格时，由于油膜部分相比较于其他部分，非常的薄，同时，长径比非常的大，ANSYS（有线元分析软件）不能自动进行网格划分，必须人为的手动划分网格，不仅费时费力，而且网格划分还不易成功。本发明基于Pro/ENGINEER（商业建模软件）和ANSYS ICEM CFD（前处理软件）、FLUENT（流体有限元分析软件）的二次开发，对静压油垫进行参数化建模，研究静压油垫参数化网格生成方法，对液体静压油垫进行三维数值模拟，分析其流场特性，并对静压油垫关键参数进行优化设计。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种静压油垫流场特性仿真优化方法，克服现有静压油垫流场特性仿真方法的缺陷，利用参数化手段，让研究人员从大量繁重琐碎的造型、网格生成、有限元分析中解脱出来，大大缩短数值模拟工作的时间周期，提高了工作效率、降低了经济损失。利用FLUENT（流体有限元分析软件）仿真分析静压油垫流场特性，并进一步优化静压油垫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，实现该方法的系统包括

一种静压油垫流场特性仿真分析与优化方法，包括：参数化建模、参数化结构网格生成、施加边界条件、流场特性分析、优化设计步骤；

参数化建模步骤，利用Pro/ENGINEER（商业建模软件）中的曲面拉伸和旋转建立静压油垫的物理模型，为了便于网格的划分，将静压油垫模型分成3部分：圆柱体进油管、静压油腔层以及薄油膜层；建模过程中，分别建立各部分模型，然后进行装配组合，并利用Pro/Toolkit（二次开发工具包）定义关键结构参数变量；

结构化网格生成步骤，将建好的模型导入到ANSYS ICEM CFD（前处理软件）中。静压油垫模型由三部分构成：圆柱体进油管、静压油腔层以及薄油膜层，其中薄油膜层的内外侧为出油口。结构化网格采用六面体分块网格，网格划分采用整体建模虚面分割法，即将整个静压油垫模型切分为三部分，对各部分分别划分结构化网格，进油口等梯度变化较大的地方进行了局部网格细化，然后再进行网格组装；

施加边界条件步骤，所谓边界条件，是指求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。在静压油垫仿真模拟时，基本边界条件包括：流动进出口边界、给定压力边界、壁面边界；

流场特性分析步骤，主要包括静力学分析和动力学分析；静力学分析后处理中输出最大油腔压力、压力曲线图、油膜刚度、速度矢量图、压力等值线图、温度云图、压力云图、流线图、参差曲线图；动力学分析后处理中输出最大油腔压力、压力曲线图、油膜刚度、速度矢量图、压力等值线图、等温线图、压力云图、流线图、参差曲线图；

根据上述分析结果，用户判断静压油垫是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该静压油垫流场特性分析报告；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Pro/ENGINEER中（商业建模软件）的优化设计模块，用户指定油腔深度、封油边宽、进油口直径为设计变量，定义静压油垫流场特性分析中的油垫承载能力和油膜刚度极值为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入Pro/Toolkit（二次开发工具包）优化命令流，进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。

前述的利用Pro/Toolkit（二次开发工具包）定义关键结构参数变量包括：进油口长度、油垫直径、封油边宽、油腔深度、油膜厚度、进油口直径。

本发明一种静压油垫流场特性仿真优化方法，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：通过对静压油垫流场特性准确的模拟，人们可以预测其流动特性和润滑的综合性能，为同类产品的润滑性能计算和优化设计提供理论支持和技术保障。该方法能够有效提高设计效率、降低经济损失、省时省力、可最大限度地减少模型加工和实验等费用，只需少量验证工作就能得以在计算机上进行。

本发明基于商业建模软件Pro/ENGINEER（商业建模软件）和商业软件ANSYSICEM CFD（前处理软件）、FLUENT（流体有限元分析软件）的二次开发，对静压油垫进行参数化建模，研究静压油垫参数化网格生成方法，对液体静压油垫进行三维数值模拟，分析其流场特性，并对静压油垫关键参数进行优化设计。

附图说明

图1为静压油垫基本模型示意图；

图2为静压油垫流场特性仿真分析与优化设计流程图；

图3为静压油垫基本边界条件示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明的具体实施例加以说明。

请参阅图1所示，为静压油垫基本模型示意图。该模型由3部分组成，圆柱体进油管、静压油腔层以及薄油膜层。

请参阅图3所示，为静压油垫基本边界条件示意图。

下面结合图2，进一步阐明本发明。

（1）参数化建模模块，利用Pro/ENGINEER（商业建模软件）中的曲面拉伸和曲面旋转建立静压油垫的物理模型，静压油垫模型由3部分构成：圆柱体进油管、静压油腔层以及薄油膜层；建模过程中，分别建立各部分，然后进行装配组合，并利用Pro/Toolkit（二次开发工具包）定义关键结构参数变量。输入参数包括油垫直径、封油边宽、油膜厚度、油腔深度、进油口直径、进油口长度，其中油腔深度、封油边宽、进油口直径为待优化参数。

（2）结构化网格生成模块，基于网格划分软件ANSYS ICEM CFD（前处理软件）。静压油垫的几何形状比较复杂、固定，因此可以使用参数化的方式来划分网格。然而对于不同的静压油垫，其形式和结构是不同的，如果将各种类型静压油垫进行参数化网格生成，考虑到常见的各种静压油垫结构型式（包括圆形油垫、扇形油垫、环形油垫、径向轴承），则工作量将会巨大。但是，将静压油垫分成几个独立的部分分别绘制网格，则可以减少工作量。将静压油垫模型分成三个几何部分：圆柱体进油管、静压油腔层及薄油膜层，其中薄油膜层部分的四边为出口；这样分别对每个几何部分进行网格生成，就降低了网格生成的难度和复杂度，在进行求解时，将分成的几部分网格重新组合在一起即可。

（3）施加边界条件模块，首先，设置材料属性。在本发明中，主要针对两个对象进行材料的选择，一是固体（solid）、二是流体（fluid）。固体（solid）在此选用45号钢来做静压油垫本体的材料，对于固体材料来说，需要定义材料的密度、热传导系数和比热容。如选用其他的材料可通过直接修改相应的变量值来实现；而流体（fluid）选择粘性流体，对于液体材料来说，需要定义材料的密度、热传导系数、粘度和比热容。如选用其他的材料可通过直接修改相应的变量值来实现，在仿真软件Fluent（流体有限元分析软件）中，流体和固体的物理性质与指定的材料（materials）相关。在计算时指定材料的名称便相应指定了该材料所对应的物性参数，这些物性参数随即作为边界条件被设定在相应的网格分区上。

其他边界条件如下：（1）壁面边界：除入口和出口外，其他与外界接触的面设为壁面边界。与外界接触的表面则设置成对流换热，对流换热系数为15W（/m·K），设外界温度恒为300K。该边界对速度、压力使用无滑移边界条件。（2）入口边界：速度入口边界，定义在进油口下表面，入口的速度垂直于所在面，定义速度为1.1m/s，入口温度恒为T=300K。（3）出口边界：压力出口边界，定义在薄油膜层部分的四边，出口温度为T=300K，出口静压力为0个标准大气压。（4）转动边界：在动力学分析中，定义油垫上壁面为转动边界，设置绕Y轴转动，转速为20rad/s。

在开始对流场进行求解之前，必须要对流场进行初始化，初始化为入口位置，然后进行数值仿真计算，在计算过程中，求解方程组采用有限体积法，方程求解控制参数相对误差均为10^-6，压力、速度的欠松弛因子均为0.7，其它为1，然后开始求解。

（4）流场特性分析模块，首先设置分析类型，包括静力学分析和动力学分析；静力学分析后处理中输出最大油腔压力、油膜刚度、速度矢量图、压力等值线图、温度云图、压力云图、流线图、参差曲线图；动力学分析后处理中输出最大油腔压力、油膜刚度、速度矢量图、压力等值线图、等温线图、压力云图、流线图、参差曲线图。根据上述分析结果，用户判断静压油垫是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出静压油垫流场特性分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块。用户根据分析结果判断该静压油垫是否满足设计要求，并参考动力学分析结果确定静压油垫工作参数范围。

（5）优化设计模块，系统自动调用Pro/ENGINEER（商业建模软件）中的优化设计模块，用户指定油腔深度、封油边宽、进油口直径为设计变量，定义静压油垫流场特性分析中的油腔承载能力和刚度极值为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入Pro/Toolkit（二次开发工具包）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，系统根据用户输入的结构参数，修改已有的命令流，生成静压油垫模型。同时该模块具有可扩展性，可以根据需要添加不同类型的静压油垫模型。

所述的结构化网格生成，系统根据输入的模型，利用ANSYS ICEM CFD（前处理软件）中已导出的命令流进行自动划分结构化网格。结构化网格采用六面体分块网格，网格划分采用整体建模虚面分割法，即将整个油膜模型切分为三部分，对各部分分别划分结构化网格，进油口等梯度变化较大的地方进行了局部网格细化。同时该模块具有可扩展性，可以应用到其他需要进行网格划分的静压油垫型式。

所述的边界条件，系统根据输入的边界条件参数，修改Scheme（流体有限元分析软件编写语言）命令流，可实现边界条件的修改，并自动加载边界条件，进行静压油垫流场特性仿真模拟。同时该模块具有可扩展性，可以应用到其他静压油垫仿真模拟中。

所述的流场特性分析，包括静力学分析和动力学分析，得到静压油垫最大油腔压力、油膜刚度、速度矢量图、压力等值线图、温度云图、压力云图、流线图、绘制XY散点图、参差曲线图。

所述的优化设计，用户指定油腔深度、封油边宽、进油口直径为设计变量，定义静压油垫流场特性分析中的油腔承载能力和刚度极值为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入Pro/Toolkit（二次开发工具包）优化命令流，自动进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。

Claims (5)

1.一种静压油垫流场特性仿真分析与优化方法，包括：参数化建模、结构网格生成、施加边界条件、流场特性分析、优化设计步骤；其特征在于：

所述的参数化建模步骤，利用商业建模软件中的曲面拉伸和旋转建立静压油垫的物理模型；静压油垫模型包括，圆柱体进油管、静压油腔层以及薄油膜层；建模过程中，分别建立各部分模型，然后进行装配组合，并利用二次开发工具包定义关键结构参数变量；

所述的参数化结构网格生成步骤，将建好的模型导入到前处理软件中，进行网格划分。静压油垫模型包括，圆柱体进油管、静压油腔层以及薄油膜层；其中薄油膜层的内外侧为出油口；参数化结构网格采用多面体分块网格，网格划分采用整体建模虚面分割法，将整个静压油垫模型切分为数个部分，对各部分分别划分结构化网格，进油口等梯度变化较大的地方进行了局部网格细化，然后再进行网格组装；

施加边界条件步骤，在静压油垫仿真模拟时，基本边界条件包括：流动进出口边界、给定压力边界、壁面边界；

流场特性分析步骤，主要包括静力学分析和动力学分析；静力学分析后处理中输出最大油腔压力、压力曲线图、油膜刚度、速度矢量图、压力等值线图、温度云图、压力云图、流线图、参差曲线图；动力学分析后处理中输出最大油腔压力、压力曲线图、油膜刚度、速度矢量图、压力等值线图、等温线图、压力云图、流线图、参差曲线图；

根据上述分析结果，用户判断静压油垫是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该静压油垫流场特性分析报告；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，系统自动调用建模软件中的优化设计模块，用户指定油腔深度、封油边宽、进油口直径为设计变量，定义静压油垫流场特性分析中的油垫承载能力和油膜刚度极值为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入二次开发工具包优化命令流，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所述的静压油垫流场特性仿真优化方法，其特征在于：所述的结构化网格生成基于整体建模虚面分割，并进行网格组装。

3.根据权利要求1所述的静压油垫流场特性仿真优化方法，其特征在于：所述的利用二次开发工具包定义关键结构参数变量包括：进油口长度、油垫直径、封油边宽、油腔深度、油膜厚度、进油口直径。

4.根据权利要求1所述的静压油垫流场特性仿真优化方法，其特征在于：所述的流场特性分析基于流体有线元分析软件中导出的命令流。

5.根据权利要求1所述的静压油垫流场特性仿真优化方法，其特征在于：所述参数化结构网格采用六面体分块网格。

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