一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法
2023-05-20 15:07:01
一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法
【專利摘要】一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法，本發明涉及靜壓軸承壓力場模擬方法。本發明是要解決現有的靜壓軸承在受壓力及發熱影響導致油膜變薄，油腔壓力發生改變，影響到整個工具機的加工精度和工作效率的問題。而提出的一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法。該方法是通過：1、得到高質量的動態網格；2、對高質量動網格進行動態求解；3、將GAMBIT劃分網格結果導入FLUENT軟體，然後導入C語言編程程序；4、設置FLUENT流體分析進行求解；5、設置圖源文件；6、設置自動保存算例文件和數據文件；7、數據文件在求解控制器中初始化；8、播放靜壓軸承壓力場變化動畫。本發明應用於靜壓軸承壓力場模擬領域。
【專利說明】一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法。
【背景技術】
[0002]多油墊靜壓軸承是重型數控設備的核心部件，靜壓軸承在實際工作中受壓力及發熱影響極易導致局部產生變形及油膜變薄，這將影響到整個工具機的加工精度和工作效率。而國內在研究重型靜壓推力軸承方面，側重採用定壓供油方式的實驗裝置進行研究，針對重型靜壓軸承動態運行中存在的問題，研究較少，從而缺少一種基於多層動網格技術進行靜壓軸承動態性能計算的新方法，降低了我國整個重型數控設備加工精度和生產效率，以至於靜壓軸承在實際工作中不適應目前國際機械製造業高速、高精發展的大環境。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是為了解決，靜壓軸承在實際工作中受壓力及發熱影響極易導致局部產生變形及油膜變薄，這將影響到整個工具機的加工精度和工作效率，不適應目前國際機械製造業高速、高精發展的大環境的問題，對靜壓軸承矩形腔油膜壓力場進行研究，獲取油膜厚度可變情況下的油腔壓力參數，採用有限體積法實現靜壓軸承初始狀態到穩態過程中動態性能的有效預測，靜壓軸承由初始狀態運行一定時間達到穩態後，油膜厚度發生了變化，同時靜壓軸承動態性能也發生了變化。此研究在空載標準大氣壓下，揭示了當油膜厚度發生變化時，油膜壓力場的變化。這為靜壓軸承結構設計及可靠運行提供理論依據，並為整個工具機製造業實現高效和高精度奠定了堅實的理論及技術基礎。而提出的一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法。
[0004]上述的發明目的是通過以下技術方案實現的:
[0005](I)、利用GAMBIT軟體對初始油膜進行網格劃分，得到高質量的動態網格；
[0006](2)、利用VC++6.0編譯C語言程序作為編譯型UDF對高質量動網格進行動態求解；
[0007](3)、打開FLUENT軟體，單擊File/Read/Mesh導入GAMBIT劃分網格結果，並單擊Grid/Check檢查,單擊Grid/Scale設置單位為米,然後導入C語言編程程序；
[0008](4)、設置FLUENT流體分析進行求解；
[0009](5)、設置圖源文件，其中圖源文件包括圖片和視頻；
[0010](6)、設置自動保存算例文件和數據文件；
[0011](7)、在求解控制器中進行初始化；
[0012](8)、迭代完成後，執行 Solve/Animate/Playback,勾選playonce,選中 Pressure,拖動Replay Speed播放動畫，即完成了一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法。
[0013]發明效果:
[0014]本發明獲取油膜厚度可變情況下的油腔壓力參數，提出一種基於多層動網格技術進行靜壓軸承動態性能計算的新方法，採用有限體積法實現靜壓軸承初始狀態到穩態過程中動態性能的有效預測。在標準大氣壓空載條件下，得出初始油膜厚度到穩態油膜厚度的壓力場變化情況，體現了重型靜壓軸承在運載時的動態特性，對運行過程中的壓力變化工況精確度提高了 30%?50%。從而提高工具機運行的可靠性，提高我國整個重型數控設備加工精度和生產效率，適應目前國際機械製造業高速、高精發展的大環境，對提高重型數控裝備製造水平具有重大的指導意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是【具體實施方式】一中提出的一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法流程圖；
[0016]圖2是【具體實施方式】一中提出的0.2s時20個步長的瞬態壓力整體分布圖，其中I為壓力入口 inlet，2為移動壁面wall-move，3和4為壓力出口，5為高於大氣壓力2.42e+01到4.34e+01Pa的壓力變化；
[0017]圖3是【具體實施方式】一中提出的0.2s時40個步長的瞬態壓力局部分布圖，其中I為壓力入口 inlet，2為移動壁面，wall-move, 3為壓力出口，4為高於大氣壓2.63e+01到4.56e+01Pa的壓力變化；
[0018]圖4是【具體實施方式】一中提出的0.6s時60個步長的瞬態壓力局部分布圖，其中I為壓力入口 inlet，2為移動壁面wall-move，3為壓力出口，4為高於大氣壓2.84e+01到
4.79e+01Pa的壓力變化；
[0019]圖5是【具體實施方式】一中提出的DEFINE_CG_M0T10N是Fluent軟體中控制動網格邊界運動的宏(為UDF固定形式);如果小於60個時間步長(一個時間步長為0.01s) ；Cg_vel[l]為Y速度方向油膜速度-0.0OOOOlm/s (Y方向為上下)；超過步長數目則停止。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:本實施方式的一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法，具體是按照以下步驟製備的:
[0021](I)、利用GAMBIT軟體對初始油膜進行網格劃分，得到高質量的動態網格；
[0022](2)、利用VC++6.0編譯C語言程序作為編譯型UDF對高質量動網格進行動態求解；
[0023](3)、打開FLUENT軟體，單擊File/Read/Mesh導入GAMBIT劃分網格結果，並單擊Grid/Check檢查,單擊Grid/Scale設置單位為米,然後導入C語言編程程序如圖5所示；
[0024](4)、設置FLUENT流體分析進行求解；
[0025](5)、設置圖源文件，其中圖源文件包括圖片和視頻；
[0026](6)、設置自動保存算例文件和數據文件；
[0027](7)、在求解控制器中進行初始化；
[0028](8)、迭代完成後，執行 Solve/Animate/Playback,勾選playonce,選中 Pressure,拖動R印lay Speed播放動畫，即完成了一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法如圖1所示。
[0029]本實施方式效果:
[0030]本實施方式提出一種基於多層動網格技術進行靜壓軸承動態性能計算新方法，該方法獲得油膜厚度可變情況下的油腔壓力參數，即為油膜厚度由0.12mm降低到0.06mm過程中，油膜整體壓力隨轉速不斷增大，入口處油膜壓力最大並向兩邊出口逐漸減小，由於承載能力隨壓力的變化而變化如圖2、圖3、圖4所示。其中圖2為高於大氣壓力2.42e+01到4.34e+01Pa的壓力變化，由進油口到出油口的壓強逐漸減小；圖3為為高於大氣壓
2.63e+01到4.56e+01Pa的壓力變化依然是由進油口到出油口的壓強逐漸減小，且整體壓強逐漸增大；圖4為高於大氣壓2.84e+01到4.79e+01Pa的壓力變化，依然是由進油口到出油口的壓強逐漸減小，且整體壓強逐漸增大。所以此動態油膜壓力的變化反應了靜壓軸承在運轉過程中的承載能力，能更好的預測靜壓軸承從初始狀態到穩定狀態的承載能力，為工件加工提供更高的加工精度，防止在加工過程中的負載過大，造成加工損失，並為靜壓軸承加工重型工件提供理論依據。
[0031]本實施方式採用有限體積法實現靜壓軸承初始狀態到穩態過程中動態性能的有效預測。在標準大氣壓空載條件下，得出初始油膜厚度到穩態油膜厚度的壓力場變化情況，實現了重型靜壓軸承在運載時的動態特性。從而提高工具機運行的可靠性，提高我國整個重型數控設備加工精度和生產效率，對運行過程中的壓力變化工況精確度提高了 30%?50%。適應目前國際機械製造業高速、高精發展的大環境，對提高重型數控裝備製造水平具有重大的指導意義。
[0032]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述步驟(I)是利用GAMBIT軟體對初始油膜進行網格劃分，得到高質量的動態網格過程為:
[0033]步驟1、打開GAMBIT軟體，設置工作目錄，依據試驗工具機的結構尺寸，矩形腔尺寸以及在給定初始油膜厚度值的情況下，使用軟體中的Geometry/vertex建立幾何點；
[0034]步驟2、單擊Edges/Create Straight Edge根據建立的幾何點全部連接成線段；
[0035]步驟3、單擊Face/Create Face From Wireframe,根據建立的線段建立面,此面為所有線段圍成的面；
[0036]步驟4、網格的劃分,單擊Mesh/Face/Mesh Face,在Mesh Face的黃色文本框中選擇步驟3所建立的面,採用Interval Count劃分,在Elements項中選擇Quad,在Type項中選擇Map ；
[0037]步驟5、邊界定義，單擊 Zone/Specify Boundary Types,在 Specify BoundaryTypes面板中將最下面的線段定義為壓力入口 1:1nlet,最上面的線段定義為移動壁面2:wall-move,左右兩面分別定義為壓力出口 3和4;
[0038]步驟6、執行File/Export/Mesh命令導出網格到工作目錄下。其它步驟及參數與【具體實施方式】一相同。
[0039]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:所述步驟(4)進行FLUENT流體分析求解設置過程為:
[0040]步驟1、單擊Define/Models/solver設置求解器為基於密度的隱式二維動態，瞬態層流的求解方法 Density Based, Implicit, 2D, Unsteady ；
[0041]步驟2、單擊Define/viscous,進行層流設置,選擇Laminar ；
[0042]步驟3、進行材料設置，設置油和矩形腔鑄鐵的物理特性，得出所要用的材料，即單擊 Define/Materials,在 Fluent Database 中選擇 water_liquid[h20〈l>]後點擊 Copy,返回Material界面，設置流體密度為880，粘度為0.013 ；[0043]步驟4、進行邊界條件設置，設置內部區域條件，包括進出口條件inlet，out-1,out-2,靜態壁面wall-static和動態壁面wall-move ;單擊Define/Boundary Conditions,點擊inlet,選擇質量流Mass Flow Rate,輸入流速為0.01,其它保持默認；點擊out_l,設置Flow Rate Weighting為I,同理設置out_2 ;點擊wall-move,在其界面上點擊Moving-wall, Relative to Adjacent Cell Zone, Translational, NoSlip,輸入速度為-le-06，方向為(0，-1) ；wall-static 保持默認；
[0044]步驟5、動網格設置，對網格的模型，平滑性和分層特性進行設置，以便控制動態網格的最大最小變化:單擊Def ine/DynamicMesh/Parameters,在其界面上點擊Dynamic Mesh, Smoothing, Layering, Remeshing,在 Smoothing 中依次輸入 1、1、0.001、20,在 Layering中選擇ConstantHeight,並依次輸入0.4、0.04 ；
[0045]步驟6、設置動網格動態區域，單擊Define/Dynamic Mesh/Zones,選擇wall-move, Type為RigidBody。其它步驟及參數與【具體實施方式】一或二相同。
[0046]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:所述步驟(5)設置圖源文件的過程為:執行Solve/Animate/Define,在界面上的AnimationSequences下選擇I, Every下輸入100,點擊Define選擇Metafile,並在Windows中輸入
I,在Display Type中選擇Contours,彈出Contours對話框,選擇Contoursof下拉列表框中的Pressure, Dynamic Pressure,勾選Filled。其它步驟及參數與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0047]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:所述步驟
(6)設置自動保存算例文件和數據文件過程為:分別將100、100、timestep輸入到File/Write/Autosave,並設置保存目錄。其它步驟及參數與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0048]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:所述步驟
(7)在求解控制器中進行初始化過程為:單擊Solve/Initialize/Initialize,然後進行求解:單擊Solve/Iterate,輸入時間步長0.01與迭代數，每步迭代最大步數20,單擊iterate開始計算。其它步驟及參數與【具體實施方式】一至五之一相同。
【權利要求】
1.一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法，其特徵在於一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法按以下步驟實現: (1)、利用GAMBIT軟體對初始油膜進行網格劃分，得到高質量的動態網格； (2)、利用VC++6.0編譯C語言程序作為編譯型UDF對高質量動網格進行動態求解； (3)、打開FLUENT軟體，單擊File/Read/Mesh導入GAMBIT劃分網格結果，並單擊Grid/Check檢查，單擊Grid/Scale設置單位為米，然後導入C語言編程程序； (4)、設置FLUENT流體分析進行求解； (5)、設置圖源文件，其中圖源文件包括圖片和視頻； (6)、設置自動保存算例文件和數據文件； (7)、在求解控制器中進行初始化； (8)、迭代完成後，執行Solve/Animate/Playback,勾選 play once,選中 Pressure,拖動R印lay Speed播放動畫，即完成了一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法。
2.根據權利要求1所述的一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法，其特徵在於步驟(1)利用GAMBIT軟體對初始油膜進行網格劃分，得到高質量的動態網格過程為: 步驟1、打開GAMBIT軟體，設置工作目錄，依據試驗工具機的結構尺寸，矩形腔尺寸以及在給定初始油膜厚度值的情況下，使用軟體中的Geometry/vertex建立幾何點； 步驟2、單擊Edges/Create Straight Edge根據建立的幾何點全部連接成線段； 步驟3、單擊Face/Create Face From Wireframe,根據建立的線段建立面,此面為所有線段圍成的面； 步驟4、網格的劃分,單擊Mesh/Face/MeshFace,在Mesh Face的黃色文本框中選擇步驟3所建立的面,採用Interval Count劃分,在Elements項中選擇Quad,在Type項中選擇 Map ； 步驟 5、邊界定義，單擊 Zone/Specify Boundary Types,在 Specify BoundaryTypes面板中將最下面的線段定義為壓力入口 1:1nlet,最上面的線段定義為移動壁面2:walΙ-move,左右兩面分別定義為壓力出口 3和4; 步驟6、執行File/Export/Mesh命令導出網格到工作目錄下。
3.根據權利要求1所述的一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法，其特徵在於步驟(4)進行FLUENT流體分析求解設置過程為: 步驟1、單擊Define/Models/solver設置求解器為基於密度的隱式二維動態,瞬態層流的求解方法 DensityBased, Implicit, 2D, Unsteady ； 步驟2、單擊Define/viscous,進行層流設置,選擇Laminar ； 步驟3、進行材料設置，設置油和矩形腔鑄鐵的物理特性，得出所要用的材料，即單擊Define/Materials,在 Fluent Database 中選擇 water_liquid[h20〈l>]後點擊 Copy,返回Material界面，設置流體密度為880，粘度為0.013 ； 步驟4、進行邊界條件設置，設置內部區域條件，包括進出口條件inlet，out-1, out-2,靜態壁面 wall-static 和動態壁面 wall-move ；單擊 Define/Boundary Conditions,點擊inlet,選擇質量流Mass Flow Rate,輸入流速為0.01,其它保持默認；點擊out_l,設置Flow Rate Weighting為I,同理設置out_2 ;點擊wall-move,在其界面上點擊Moving-wall, Relative to Adjacent Cell Zone, Translational, No Slip,輸入速度為-le-06，方向為(O，-1) ；wall-static 保持默認； 步驟5、動網格設置，對網格的模型，平滑性和分層特性進行設置，以便控制動態網格的最大最小變化:單擊Def ine/DynamicMesh/Parameters，在其界面上點擊Dynamic Meshj Smoothing, Layering, Remeshingj 在 Smoothing 中依次輸入 1、1、0.001、20，在 Layering 中選擇 ConstantHeight,並依次輸入 0.4、0.04 ； 步驟6、設置動網格動態區域，單擊Def ine/DynamicMesh/Zones，選擇wall-move，Type為 RigidBody0
4.根據權利要求1所述的一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法，其特徵在於步驟(5)設置圖源文件的過程為:執行Solve/Animate/Define，在界面上的AnimationSequences下選擇1，Every下輸入100，點擊Define選擇Metafile，並在Windows中輸入1，在Display Type中選擇Contours，彈出Contours對話框，選擇Contours of下拉列表框中的 Pressure, Dynamic Pressure，勾選 Filled。
5.根據權利要求1所述的一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法，其特徵在於步驟(6)設置自動保存算例文件和數據文件過程為:分別將100、100、time step輸入到File/Write/Autosave,並設置保存目錄。
6.根據權利要求1所述的一種基於動網格技術的靜壓軸承壓力場模擬方法，其特徵在於步驟(7)在求解控制器中進行初始化過程為:單擊Solve/Initialize/Initialize，然後進行求解:單擊Solve/Iterate，輸入時間步長0.01與迭代數，每步迭代最大步數20，單擊iterate開始計算。`
【文檔編號】G06F9/44GK103632016SQ201310711509
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】張豔芹, 陳瑤, 楊曉冬, 邵俊鵬, 於曉東 申請人:哈爾濱理工大學