CN103632016A - 一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法，本发明涉及静压轴承压力场模拟方法。本发明是要解决现有的静压轴承在受压力及发热影响导致油膜变薄，油腔压力发生改变，影响到整个机床的加工精度和工作效率的问题。而提出的一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法。该方法是通过：1、得到高质量的动态网格；2、对高质量动网格进行动态求解；3、将GAMBIT划分网格结果导入FLUENT软件，然后导入C语言编程程序；4、设置FLUENT流体分析进行求解；5、设置图源文件；6、设置自动保存算例文件和数据文件；7、数据文件在求解控制器中初始化；8、播放静压轴承压力场变化动画。本发明应用于静压轴承压力场模拟领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法。
背景技术
多油垫静压轴承是重型数控设备的核心部件，静压轴承在实际工作中受压力及发热影响极易导致局部产生变形及油膜变薄，这将影响到整个机床的加工精度和工作效率。而国内在研究重型静压推力轴承方面，侧重采用定压供油方式的实验装置进行研究，针对重型静压轴承动态运行中存在的问题，研究较少，从而缺少一种基于多层动网格技术进行静压轴承动态性能计算的新方法，降低了我国整个重型数控设备加工精度和生产效率，以至于静压轴承在实际工作中不适应目前国际机械制造业高速、高精发展的大环境。
发明内容
本发明的目的是为了解决，静压轴承在实际工作中受压力及发热影响极易导致局部产生变形及油膜变薄，这将影响到整个机床的加工精度和工作效率，不适应目前国际机械制造业高速、高精发展的大环境的问题，对静压轴承矩形腔油膜压力场进行研究，获取油膜厚度可变情况下的油腔压力参数，采用有限体积法实现静压轴承初始状态到稳态过程中动态性能的有效预测，静压轴承由初始状态运行一定时间达到稳态后，油膜厚度发生了变化，同时静压轴承动态性能也发生了变化。此研究在空载标准大气压下，揭示了当油膜厚度发生变化时，油膜压力场的变化。这为静压轴承结构设计及可靠运行提供理论依据，并为整个机床制造业实现高效和高精度奠定了坚实的理论及技术基础。而提出的一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
(1)、利用GAMBIT软件对初始油膜进行网格划分，得到高质量的动态网格；
(2)、利用VC++6.0编译C语言程序作为编译型UDF对高质量动网格进行动态求解；
(3)、打开FLUENT软件，单击File/Read/Mesh导入GAMBIT划分网格结果，并单击Grid/Check检查，单击Grid/Scale设置单位为米，然后导入C语言编程程序；
(4)、设置FLUENT流体分析进行求解；
(5)、设置图源文件，其中图源文件包括图片和视频；
(6)、设置自动保存算例文件和数据文件；
(7)、在求解控制器中进行初始化；
(8)、迭代完成后，执行Solve/Animate/Playback,勾选playonce,选中Pressure,拖动ReplaySpeed播放动画，即完成了一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法。
发明效果：
本发明获取油膜厚度可变情况下的油腔压力参数，提出一种基于多层动网格技术进行静压轴承动态性能计算的新方法，采用有限体积法实现静压轴承初始状态到稳态过程中动态性能的有效预测。在标准大气压空载条件下，得出初始油膜厚度到稳态油膜厚度的压力场变化情况，体现了重型静压轴承在运载时的动态特性，对运行过程中的压力变化工况精确度提高了30%～50%。从而提高机床运行的可靠性，提高我国整个重型数控设备加工精度和生产效率，适应目前国际机械制造业高速、高精发展的大环境，对提高重型数控装备制造水平具有重大的指导意义。
附图说明
图1是具体实施方式一中提出的一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法流程图；
图2是具体实施方式一中提出的0.2s时20个步长的瞬态压力整体分布图，其中1为压力入口inlet，2为移动壁面wall-move，3和4为压力出口，5为高于大气压力2.42e+01到4.34e+01Pa的压力变化；
图3是具体实施方式一中提出的0.2s时40个步长的瞬态压力局部分布图，其中1为压力入口inlet，2为移动壁面,wall-move，3为压力出口，4为高于大气压2.63e+01到4.56e+01Pa的压力变化；
图4是具体实施方式一中提出的0.6s时60个步长的瞬态压力局部分布图，其中1为压力入口inlet，2为移动壁面wall-move，3为压力出口，4为高于大气压2.84e+01到4.79e+01Pa的压力变化；
图5是具体实施方式一中提出的DEFINE_CG_MOTION()是Fluent软件中控制动网格边界运动的宏（为UDF固定形式）；如果小于60个时间步长（一个时间步长为0.01s）；Cg_vel[1]为Y速度方向油膜速度-0.000001m/s（Y方向为上下）；超过步长数目则停止。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法，具体是按照以下步骤制备的：
(1)、利用GAMBIT软件对初始油膜进行网格划分，得到高质量的动态网格；
(2)、利用VC++6.0编译C语言程序作为编译型UDF对高质量动网格进行动态求解；
(3)、打开FLUENT软件，单击File/Read/Mesh导入GAMBIT划分网格结果，并单击Grid/Check检查，单击Grid/Scale设置单位为米，然后导入C语言编程程序如图5所示；
(4)、设置FLUENT流体分析进行求解；
(5)、设置图源文件，其中图源文件包括图片和视频；
(6)、设置自动保存算例文件和数据文件；
(7)、在求解控制器中进行初始化；
(8)、迭代完成后，执行Solve/Animate/Playback,勾选playonce,选中Pressure,拖动ReplaySpeed播放动画，即完成了一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法如图1所示。
本实施方式效果：
本实施方式提出一种基于多层动网格技术进行静压轴承动态性能计算新方法，该方法获得油膜厚度可变情况下的油腔压力参数，即为油膜厚度由0.12mm降低到0.06mm过程中，油膜整体压力随转速不断增大，入口处油膜压力最大并向两边出口逐渐减小，由于承载能力随压力的变化而变化如图2、图3、图4所示。其中图2为高于大气压力2.42e+01到4.34e+01Pa的压力变化，由进油口到出油口的压强逐渐减小；图3为为高于大气压2.63e+01到4.56e+01Pa的压力变化依然是由进油口到出油口的压强逐渐减小，且整体压强逐渐增大；图4为高于大气压2.84e+01到4.79e+01Pa的压力变化，依然是由进油口到出油口的压强逐渐减小，且整体压强逐渐增大。所以此动态油膜压力的变化反应了静压轴承在运转过程中的承载能力，能更好的预测静压轴承从初始状态到稳定状态的承载能力，为工件加工提供更高的加工精度，防止在加工过程中的负载过大，造成加工损失，并为静压轴承加工重型工件提供理论依据。
本实施方式采用有限体积法实现静压轴承初始状态到稳态过程中动态性能的有效预测。在标准大气压空载条件下，得出初始油膜厚度到稳态油膜厚度的压力场变化情况，实现了重型静压轴承在运载时的动态特性。从而提高机床运行的可靠性，提高我国整个重型数控设备加工精度和生产效率，对运行过程中的压力变化工况精确度提高了30%～50%。适应目前国际机械制造业高速、高精发展的大环境，对提高重型数控装备制造水平具有重大的指导意义。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤(1)是利用GAMBIT软件对初始油膜进行网格划分，得到高质量的动态网格过程为：
步骤1、打开GAMBIT软件，设置工作目录，依据试验机床的结构尺寸，矩形腔尺寸以及在给定初始油膜厚度值的情况下，使用软件中的Geometry/vertex建立几何点；
步骤2、单击Edges/Create Straight Edge根据建立的几何点全部连接成线段；
步骤3、单击Face/Create Face From Wireframe，根据建立的线段建立面，此面为所有线段围成的面；
步骤4、网格的划分，单击Mesh/Face/Mesh Face,在Mesh Face的黄色文本框中选择步骤3所建立的面，采用Interval Count划分，在Elements项中选择Quad,在Type项中选择Map；
步骤5、边界定义，单击Zone/Specify Boundary Types,在Specify Boundary Types面板中将最下面的线段定义为压力入口1:inlet，最上面的线段定义为移动壁面2：wall-move,左右两面分别定义为压力出口3和4；
步骤6、执行File/Export/Mesh命令导出网格到工作目录下。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：所述步骤(4)进行FLUENT流体分析求解设置过程为：
步骤1、单击Define/Models/solver设置求解器为基于密度的隐式二维动态，瞬态层流的求解方法Density Based,Implicit,2D,Unsteady；
步骤2、单击Define/viscous，进行层流设置，选择Laminar；
步骤3、进行材料设置，设置油和矩形腔铸铁的物理特性，得出所要用的材料，即单击Define/Materials，在Fluent Database中选择water-liquid[h2O<1>]后点击Copy，返回Material界面，设置流体密度为880，粘度为0.013；
步骤4、进行边界条件设置，设置内部区域条件，包括进出口条件inlet，out-1，out-2，静态壁面wall-static和动态壁面wall-move；单击Define/Boundary Conditions,点击inlet，选择质量流Mass Flow Rate,输入流速为0.01，其它保持默认；点击out-1，设置Flow RateWeighting为1，同理设置out-2；点击wall-move,在其界面上点击Moving-wall,Relative toAdjacent Cell Zone,Translational,NoSlip,输入速度为-1e-06，方向为（0，-1）；wall-static保持默认；
步骤5、动网格设置，对网格的模型，平滑性和分层特性进行设置，以便控制动态网格的最大最小变化：单击Define/DynamicMesh/Parameters,在其界面上点击DynamicMesh,Smoothing,Layering,Remeshing,在Smoothing中依次输入1、1、0.001、20，在Layering中选择ConstantHeight，并依次输入0.4、0.04；
步骤6、设置动网格动态区域，单击Define/Dynamic Mesh/Zones,选择wall-move,Type为RigidBody。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：所述步骤(5)设置图源文件的过程为：执行Solve/Animate/Define,在界面上的Animation Sequences下选择1，Every下输入100，点击Define选择Metafile，并在Windows中输入1，在Display Type中选择Contours,弹出Contours对话框，选择Contoursof下拉列表框中的Pressure，DynamicPressure，勾选Filled。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤(6)设置自动保存算例文件和数据文件过程为：分别将100、100、time step输入到File/Write/Autosave,并设置保存目录。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤(7)在求解控制器中进行初始化过程为：单击Solve/Initialize/Initialize，然后进行求解:单击Solve/Iterate,输入时间步长0.01与迭代数，每步迭代最大步数20，单击iterate开始计算。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
Claims (6)
1.一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法，其特征在于一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法按以下步骤实现：
(1)、利用GAMBIT软件对初始油膜进行网格划分，得到高质量的动态网格；
(2)、利用VC++6.0编译C语言程序作为编译型UDF对高质量动网格进行动态求解；
(3)、打开FLUENT软件，单击File/Read/Mesh导入GAMBIT划分网格结果，并单击Grid/Check检查，单击Grid/Scale设置单位为米，然后导入C语言编程程序；
(4)、设置FLUENT流体分析进行求解；
(5)、设置图源文件，其中图源文件包括图片和视频；
(6)、设置自动保存算例文件和数据文件；
(7)、在求解控制器中进行初始化；
(8)、迭代完成后，执行Solve/Animate/Playback,勾选play once,选中Pressure,拖动ReplaySpeed播放动画，即完成了一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法，其特征在于步骤(1)利用GAMBIT软件对初始油膜进行网格划分，得到高质量的动态网格过程为：
步骤1、打开GAMBIT软件，设置工作目录，依据试验机床的结构尺寸，矩形腔尺寸以及在给定初始油膜厚度值的情况下，使用软件中的Geometry/vertex建立几何点；
步骤2、单击Edges/Create Straight Edge根据建立的几何点全部连接成线段；
步骤3、单击Face/Create Face From Wireframe，根据建立的线段建立面，此面为所有线段围成的面；
步骤4、网格的划分，单击Mesh/Face/MeshFace,在Mesh Face的黄色文本框中选择步骤3所建立的面，采用Interval Count划分，在Elements项中选择Quad,在Type项中选择Map；
步骤5、边界定义，单击Zone/Specify Boundary Types,在Specify Boundary Types面板中将最下面的线段定义为压力入口1:inlet，最上面的线段定义为移动壁面2:wall-move,左右两面分别定义为压力出口3和4；
步骤6、执行File/Export/Mesh命令导出网格到工作目录下。
3.根据权利要求1所述的一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法，其特征在于步骤(4)进行FLUENT流体分析求解设置过程为：
步骤1、单击Define/Models/solver设置求解器为基于密度的隐式二维动态，瞬态层流的求解方法DensityBased,Implicit,2D,Unsteady；
步骤2、单击Define/viscous，进行层流设置，选择Laminar；
步骤3、进行材料设置，设置油和矩形腔铸铁的物理特性，得出所要用的材料，即单击Define/Materials，在Fluent Database中选择water-liquid[h2O<1>]后点击Copy，返回Material界面，设置流体密度为880，粘度为0.013；
步骤4、进行边界条件设置，设置内部区域条件，包括进出口条件inlet，out-1，out-2，静态壁面wall-static和动态壁面wall-move；单击Define/Boundary Conditions,点击inlet，选择质量流Mass Flow Rate,输入流速为0.01，其它保持默认；点击out-1，设置Flow RateWeighting为1，同理设置out-2；点击wall-move,在其界面上点击Moving-wall,Relative toAdjacent Cell Zone,Translational,No Slip,输入速度为-1e-06，方向为（0，-1）；wall-static保持默认；
步骤5、动网格设置，对网格的模型，平滑性和分层特性进行设置，以便控制动态网格的最大最小变化：单击Define/DynamicMesh/Parameters,在其界面上点击DynamicMesh,Smoothing,Layering,Remeshing,在Smoothing中依次输入1、1、0.001、20，在Layering中选择ConstantHeight，并依次输入0.4、0.04；
步骤6、设置动网格动态区域，单击Define/DynamicMesh/Zones,选择wall-move,Type为RigidBody。
4.根据权利要求1所述的一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法，其特征在于步骤(5)设置图源文件的过程为：执行Solve/Animate/Define,在界面上的AnimationSequences下选择1，Every下输入100，点击Define选择Metafile，并在Windows中输入1，在Display Type中选择Contours,弹出Contours对话框，选择Contours of下拉列表框中的Pressure，Dynamic Pressure，勾选Filled。
5.根据权利要求1所述的一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法，其特征在于步骤(6)设置自动保存算例文件和数据文件过程为：分别将100、100、time step输入到File/Write/Autosave,并设置保存目录。
6.根据权利要求1所述的一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法，其特征在于步骤(7)在求解控制器中进行初始化过程为：单击Solve/Initialize/Initialize，然后进行求解:单击Solve/Iterate,输入时间步长0.01与迭代数，每步迭代最大步数20，单击iterate开始计算。
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| CN201310711509.2A CN103632016A (zh) | 2013-12-20 | 2013-12-20 | 一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法 |
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Publications (1)
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| CN201310711509.2A Pending CN103632016A (zh) | 2013-12-20 | 2013-12-20 | 一种基于动网格技术的静压轴承压力场模拟方法 |
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