CN103593537A

CN103593537A - 一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法

Info

Publication number: CN103593537A
Application number: CN201310608585.0A
Authority: CN
Inventors: 于晓东; 周启慧; 王志强; 张艳芹; 刘丹; 付旭; 李欢欢; 谭力
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2014-02-19

Abstract

一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法，本发明涉及建立润滑油膜模型的方法。本发明是要解决现有建立油膜模型的方法对工件效率与精度有误差的问题，而提供了一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法，步骤1：建立工作台、底座、两侧托瓦、平底深油腔中间托瓦和初始油膜的模型，并将工作台、底座与托瓦装配；步骤2：前处理初始油膜的模型；步骤3：在workbench中建立流程图，对静压中心架进行热力耦合计算分析；步骤4：封闭工作台和油腔之间的间隙；步骤5：获取间隙润滑油膜的模型。在实际应用中，使用该方法验证的大型机床对其润滑油流量的合理控制，以保证其正常、安全运转并避免发生干摩擦和边界润滑等润滑失效的情况。

Description

一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法

技术领域:

本发明属于一种建立润滑油膜模型的方法，具体涉及的是一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法。

背景技术：

重型数控加工在航空航天、重型船舶、钢铁、石油等领域起着举足轻重的作用。静压中心架是重型数控机床中支承回转轴类工件并使其进行加工的部件，能够同时承受垂直和水平两个方向的载荷。与其他支撑类工件相比，具有较小的摩擦阻力、更长的使用寿命、对转速的要求较低、发生震动时更稳定等益处，能够满足高加工精度的要求。在静压中心架的结构性能优化上，之前的研究往往局限在静压中心架支撑油膜特性、静压中心架支撑块的改进或者是静压中心架的润滑方法上，缺少对静压中心架工作支撑变形后的间隙油膜的模型参数的参考数据。而静压中心架变形后的油膜润滑特性对工件的加工精度和数控车床的工作性能都有直接影响，并能波及车床的稳定性和使用寿命。

静压中心架在加工过程中由于长时间支撑工件旋转会导致其因摩擦而发热甚至产生局部的变形，但通过理论计算却无法预知变形后的间隙油膜的模型参数。

发明内容：

本发明是要解决目前建立油膜模型的方法对工件的加工精度和数控车床的工作性能有很大影响的问题，而提供了一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法，一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法，其特征在于：建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法按以下步骤实现：

步骤1、依据试验机床的尺寸结构与给定初始油膜厚度值，使用器具包括建立工作台、底座、两侧托瓦、平底深油腔中间托瓦和初始油膜的模型，并将工作台、底座与托瓦装配，导出zhengtizhuangpei.x_t和chushiyoumo.x_t文件；

步骤2、用CFD软件对初始油膜进行网格划分，划分网格后，指定流体域边界条件并输出chushiyoumo.fluent5/6mesh文件，将chushiyoumo.fluent5/6mesh文件导入FLUENT中，输入油膜入口温度T _in初值、油膜固定壁面温度初值、油膜入口流量Q、出口压力、旋转壁面角速度和固定壁面边界条件，然后进行模拟计算进行稳态分析最终得到chushiyoumo.cas文件；

步骤3、在ANSYS WOERKBECH软件中建立工作流程图，对静压中心架进行热力耦合计算分析：

步骤4、封闭工作台的油腔之间的间隙，在UG中导入bxh.stp文件，将油腔四周拉伸，然后导出fb.x_t文件；其中，所述油腔腔四周拉伸高度保证嵌入与油膜接触的中间托瓦的工作台面，厚度保证与油膜接触的中间托瓦工作台面的平底深油腔边界嵌入其中；

步骤5、得到间隙油膜的模型，实用ANSYS WOERKBECH软件重新建立工作流程图，添加Geometry几何模块将fb.x_t文件导入，经布尔运算和填充操作得到间隙油膜模型，即完成了一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法。

所述步骤1中工作台与底座采用1/4模型分析。

所述步骤3在ANSYS WOERKBECH软件中建立工作流程图，对静压中心架进行热力耦合计算分析具体为：

步骤3-1、导入流体分析结果，添加FLUENT模块，将步骤2中chushiyoumo.cas文件导入到FLUENT中重新迭代计算；

步骤3-2、导入装配模型，添加Geometry几何模块，将步骤1中zhengtizhuangpei.x_t文件导入；

步骤3-3、热分析，插入Steady-State Thermal 模块，设置工作台、底座和平底深油腔的材料属性，将流体分析结果导入到热分析中，对装配体分别划分网格，设置热载荷和热边界条件，然后进行求解计算；

步骤3-4、线性静力结构分析，插入Static Structural 模块，将流体分析结果导入到线性静力结构分析中，插入载荷和约束，求解计算；

步骤3-5、更新变形后的实体模型，对工作台和油腔重新画网格；

步骤3-6、工作台和平底深油腔有限元模型转化为实体模型，插入FE模块，将步骤3-5中重新画好的网格导入到FE中，调节容差和缝补公差得到实体模型；步骤3-7、导出工作台和油腔实体，插入Geometry几何模块，在Geometry中将实体导出 bxh.stp以便在三维建模软件UG中进行操作；

所述步骤3-3中所述工作台和底座为灰口铸铁，油腔铝，在材料属性窗口填上对应的密度、杨氏模量、泊松比和导热系数。

本发明的有益效果是：本发明方法通过计算机对现场实际工况进行模拟，得出静压中心架承因摩擦受热和受到压力产生变形后的变形情况，对静压中心架热力耦合变形后的润滑油膜参数的获取研究，获取润滑油膜参数，揭示静压中心架的变形对其支撑特性、润滑特性的影响规律。这为静压中心架提高其支撑特性和润滑特性提供了技术参考，为静压中心架的油腔设计提供重要参考依据，最终实现静压中心架的结构优化设计，避免出现静压中心架在工作过程中出现润滑失效。计算机数值模拟过程符合实际工况，设计人员根据获取变形后间隙油膜的模型参数可快速地获取静压中心架承受热和力产生变形后对其间隙油膜厚度影响的结果，数值模拟结果为静压中心架设计更合理的结构提供了更有价值的理论依据。在实际应用中，使用该方法验证的大型机床并对其进行结构优化以及对润滑油流量的合理控制，以保证其正常、安全运转并避免发生干摩擦和边界润滑等润滑失效的情况，在保证一定精度的前提下，能够有效的提高机床的工作效率，可以使机床转速普遍提高了20%~50%，并能提高机床的使用寿命。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明步骤3的具体流程图；

图3是具体实施方式一中最终获取的变形后间隙油膜模型图。

具体实施方式：

具体实施方式一：参照各图，本实施方式的一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法按以下步骤实现：

步骤1、依据试验机床的尺寸结构与给定初始油膜厚度值，使用UG建立工作台、底座、支撑块和初始油膜的模型，并将支撑块、工作台、底座与油腔装配，导出zhengtizhuangpei.x_t和chushiyoumo.x_t文件；

步骤2、用CFD软件对初始油膜进行网格划分，得到高质量的网格，指定流体域边界条件并输出chushiyoumo.fluent5/6mesh文件，将chushiyoumo.fluent5/6mesh文件导入FLUENT中输入或选择油膜入口温度T _in初值、油膜固定壁面温度初值、油膜入口流量Q、出口压力、旋转壁面角速度和固定壁面边界条件，然后进行模拟计算进行稳态分析最终得到chushiyoumo.cas文件；

步骤4、封闭工作台的油腔之间的间隙，在UG中导入bxh.stp文件，将油腔四周拉伸，高度保证嵌入与油膜接触的中间托瓦工作台面，厚度保证与油膜接触的中间托瓦深油腔边界嵌入其中，然后导出fb.x_t文件；

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤1中工作台与底座采用1/4模型分析，其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤3在ANSYS WOERKBECH软件中建立工作流程图，对静压中心架进行热力耦合计算分析具体为：

步骤3-1、导入流体分析结果，添加FLUENT模块，将步骤B中chushiyoumo.cas文件导入到FLUENT中重新迭代计算；

步骤3-2、导入装配模型，添加Geometry几何模块，将步骤A中zhengtizhuangpei.x_t文件导入；

步骤3-3、热分析，插入Steady-State Thermal 模块，设置工作台、底座和油腔的材料属性，由于只需要进行热分析和线性结构分析，故只需在材料属性窗口填上对应的密度、杨氏模量、泊松比和导热系数；将流体分析的结果导入到热分析中以温度边界条件作用在工作台和油腔相应接触面上，对装配体分别划分网格，设置工作台、油腔、底座的网格尺寸大小分别为40mm、20mm、45mm；设置边界条件对空气的热对流系数，添加热载荷工作台和对坐两侧对称面的完全绝热，然后进行求解计算；

步骤3-4、线性静力结构分析，插入Static Structural 模块，将流体分析结果导入到线性静力结构分析中以压力载荷作用在工作台和油腔相应接触面上，插入重力加速度载荷，设置底座与地面接触面的固定约束、工作台和对坐两侧对称面的无摩擦约束、工作台的圆柱面约束，求解计算；

步骤3-5、更新变形后的实体模型，复制Static Structural 模块，在Static Structural 模块中右键点击geometry，再点update geometry from result file（要先打开beta选项），找结果文件，就在保存的文件夹***_files（或临时文件夹）里面，dp0 --> SYS(-n) --> MECH --> file.rst，更新实体模型，为了方便计算由于底座对下面进行的油膜抽取没有影响故将其抑制（即不显示不参与运算），对工作台和油腔重新画网格网格尺寸大小分别为40mm和20mm；

步骤3-6、工作台和油腔有限元模型转化为实体模型，插入FE模块，将步骤C5中重新画好的网格导入到FE中，调节容差15，工作台和底座的缝补公差分别为0.001和0.0051，得到实体模型；

步骤3-7、导出工作台和油腔实体，插入Geometry几何模块，在Geometry中将实体导出 bxh.stp以便在三维建模软件UG中进行操作，其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤3-3中所述工作台和底座为灰口铸铁，油腔铝，在材料属性窗口填上对应的密度、杨氏模量、泊松比和导热系数，其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

Claims

1.一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法，其特征在于：建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法按以下步骤实现：

2.根据权利要求1所述的一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法，其特征在于所述步骤1中工作台与底座采用1/4模型分析。

3.根据权利要求1所述的一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法，其特征在于所述步骤3在ANSYS WOERKBECH软件中建立工作流程图，对静压中心架进行热力耦合计算分析具体为：

步骤3-6、工作台和平底深油腔有限元模型转化为实体模型，插入FE模块，将步骤3-5中重新画好的网格导入到FE中，调节容差和缝补公差得到实体模型；步骤3-7、导出工作台和油腔实体，插入Geometry几何模块，在Geometry中将实体导出 bxh.stp以便在三维建模软件UG中进行操作。

4.根据权利要求3所述的一种建立静压中心架热力耦合变形后润滑油膜模型的方法，其特征在于所述步骤3-3中所述工作台和底座为灰口铸铁，油腔铝，在材料属性窗口填上对应的密度、杨氏模量、泊松比和导热系数。