一种考虑流固耦合的气体静压轴承性能计算方法与流程

本发明涉及一种气体静压轴承性能计算方法，具体涉及一种考虑流固耦合的气体静压轴承性能计算方法，属于轴承领域。

背景技术：

气体静压轴承以其支承精度高、摩擦系数小、生热率低等优良特性广泛应用于超精密加工及检测设备中。气体静压轴承是非标准件，在实际应用中需要根据使用场合和设计指标自行设计。因此，气体静压轴承性能计算方法准确与否直接影响最终设计方案性能的优劣。目前，气体静压轴承性能的计算主要通过以有限单元法、有限体积法等数值计算方法实现。但现有的气体静压轴承性能计算方法均忽略了气体压力引起的结构变形对其性能的影响。这在在高刚度气体静压轴承设计中会产生较大的计算误差，导致轴承的实际性能低于设计预期。这缘于高刚度气体静压轴承的承载力较大，会导致止推板产生微米级的变形，显著改变气体静压轴承的气膜厚度。而现有的气体静压轴承性能计算方法无法考虑结构变形对计算精度的影响，因此不适用于高刚度气体静压轴承的设计计算。

技术实现要素：

本发明为解决现有的气体静压轴承性能计算方法无法考虑结构变形对计算精度的影响，计算精度较低的问题，进而提出一种考虑流固耦合的气体静压轴承性能计算方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的具体步骤如下：

步骤一、建立气体静压主轴气膜流体域的计算流体力学分析模型；

步骤二、建立气体静压主轴结构件的结构动力学分析模型；

步骤三、通过数值计算方法，求解气体静压轴承流体域的控制方程，得到气体静压轴承流体域的压力分布；

步骤四、在流体域网格节点和结构网格节点之间通过插值的方式，将步骤三中得到的气体静压轴承的流体压力分布数据加载到步骤二中所建立的气体静压主轴结构的动力学分析模型中，实现将流体分析模型的计算结果数据传递给结构动力学分析模型；

步骤五、通过数值计算方法，求解结构件的动力学方程，得到流体压力引起的结构变形和流固耦合界面的位移；

步骤六、利用动态网格变形技术，根据流固耦合界面的位移数据对气体静压轴承流体域的几何模型进行更新，实现将动力学分析模型的计算结果传递给流体分析模型；

步骤七、判断是否满足收敛条件，若否，返回步骤三；若是，结束迭代循环并输出结果，得到考虑结构变形的气体静压轴承的性能，即完成了一种考虑结构变形的气体静压轴承性能计算方法。

进一步的，步骤一中建立气体静压主轴气膜流体域的计算流体力学分析模型的过程为：

(1)气膜流体域三维建模，并进行网格划分；

(2)设置气膜流体域的边界条件；

(3)设置气膜流体域动态网格参数，使网格可根据流固耦合界面的位移而变形；

(4)设置收敛条件、时间步长、迭代次数。

进一步的，步骤二中建立气体静压主轴结构件的结构动力学分析模型的过程为：

(1)气体静压主轴结构件三维建模，并进行网格划分；

(2)设置主轴结构的约束条件；

(3)将气膜压力作为压力载荷施加于主轴结构件上；

(4)设置时间步长、迭代次数。

本发明的有益效果是：本发明解决了现有气体静压轴承性能计算方法无法考虑结构变形对计算精度影响的问题，通过顺次对气体静压轴承的流体域流动状态和结构受力变形状态进行求解，并在流体分析和结构分析之间通过插值和动态网格变形，实现流体压力和结构位移的双向数据传递和循环迭代，完成考虑结构变形的气体静压轴承性能的精确计算；本发明是基于数值计算方法、流体润滑原理及结构动力学实现的；该计算方法可以准确计算气体静压轴承的性能，计算过程简单清晰、计算效率高，对气体静压轴承性能的精确预测具有重要意义；分别建立的气体静压轴承的结构分析模型和流体分析模型；所获得的循环迭代计算结果，实现了考虑结构变形的气体静压轴承性能的精确计算；以图2所示气体静压主轴的轴向刚度分析结果为例，不考虑结构变形时止推刚度计算结果为3409n/μm，而利用本发明计算得到的刚度为2261n/μm。经实验测量得到主轴的止推刚度为2366n/μm，不考虑结构变形得到的计算结果误差达44.1％，而本发明的计算误差仅为4.4％。

附图说明

图1是气体静压主轴流固耦合结构变形示意图；

图2是流体分析模型和结构分析模型及其数据传递示意图；

图3是本发明的流程框图；

图4是动态网格变形示意图；

图5是结构分析结果和流体分析结果示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种考虑流固耦合的气体静压轴承性能计算方法的具体步骤如下：

步骤一、建立气体静压主轴气膜流体域的计算流体力学分析模型；

步骤二、建立气体静压主轴结构件的结构动力学分析模型；

步骤三、通过数值计算方法，求解气体静压轴承流体域的控制方程，得到气体静压轴承流体域的压力分布；

步骤四、在流体域网格节点和结构网格节点之间通过插值的方式，将步骤三中得到的气体静压轴承的流体压力分布数据加载到步骤二中所建立的气体静压主轴结构的动力学分析模型中，实现将流体分析模型的计算结果数据传递给结构动力学分析模型；

步骤五、通过数值计算方法，求解结构件的动力学方程，得到流体压力引起的结构变形和流固耦合界面的位移；

步骤六、利用动态网格变形技术，根据流固耦合界面的位移数据对气体静压轴承流体域的几何模型进行更新，实现将动力学分析模型的计算结果传递给流体分析模型；

步骤七、判断是否满足收敛条件，若否，返回步骤三；若是，结束迭代循环并输出结果，得到考虑结构变形的气体静压轴承的性能，即完成了一种考虑结构变形的气体静压轴承性能计算方法。

具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种考虑流固耦合的气体静压轴承性能计算方法，其特征在于：步骤一中建立气体静压主轴气膜流体域的计算流体力学分析模型的过程为：

(1)气膜流体域三维建模，并进行网格划分；

(2)设置气膜流体域的边界条件；

(3)设置气膜流体域动态网格参数，使网格可根据流固耦合界面的位移而变形；

(4)设置收敛条件、时间步长、迭代次数。

具体实施方式三：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种考虑流固耦合的气体静压轴承性能计算方法，其特征在于：步骤二中建立气体静压主轴结构件的结构动力学分析模型的过程为：

(1)气体静压主轴结构件三维建模，并进行网格划分；

(2)设置主轴结构的约束条件；

(3)将气膜压力作为压力载荷施加于主轴结构件上；

(4)设置时间步长、迭代次数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。