一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法
2023-05-19 06:03:51 1
專利名稱：一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法
技術領域：
本發明屬於軟體應用技術領域，特別是涉及一種非線性彈簧等效靜壓油膜的靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法。
背景技術：
重型工具機在我國的機械、航天、國防、能源等領域得到了廣泛的應用，是我國裝備製造業具有代表性的產品。但是，國產重型工具機目前存在的主要問題之一就是靜壓轉臺的轉速較國外同類產品低，生產效率低，加工精度低。多油墊靜壓支承是重型工具機的主要部件，它的性能優劣直接影響工具機的加工質量和運行效率。如何提高重型工具機工作檯的最高轉速、旋轉精度，提高設備的加工效率、加工精度，擴大產品銷路，提高國際市場競爭力是目前非常迫切的任務之一。重型數控工具機的靜壓轉臺一般由轉臺面、轉臺底座、支承油墊、預緊油墊、徑向軸承及與其配套的驅動裝置和供油裝置所組成，承載能力和剛度是衡量靜壓轉臺工作性能的重要指標。除此之外，靜壓轉臺的結構變形和油膜特性也對工具機的加工精度有很大影響。目前國內外學者多從油膜的工作性能方面著手研究，針對轉臺結構的研究也只是在假設支承油墊各油腔壓力相等的前提下進行迭代計算，以求得較準確的解。因此亟待開發出一種非線性彈簧等效靜壓油膜模型，利用有限元軟體ANSYS 二次開發平臺，建立轉臺多油墊支承的參數化模型，分析其動、靜態性能，並對支承油墊布置方式進行優化。
發明內容
本發明的目的在於，克服現有靜壓轉臺動、靜態特性仿真方法的缺陷，提供一種基於非線性彈簧單元等效靜壓油膜模型，利用有限元軟體ANSYS仿真分析靜壓轉臺動、靜態性能，並進一步優化轉臺關鍵結構參數的新方法。本發明是採用以下技術手段實現的:一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法，包括:參數化建模、油墊結合面建模、油膜模型建立、施加邊界條件、性能分析、優化設計步驟；參數化建模步驟，利用體迴轉生成轉臺臺面模型，再利用拉伸和陣列操作生成轉臺臺麵筋板結構；採用布爾求和操作合併所建模型；建模過程中，利用UIDL (ANSYS用戶界面設計語言)定義轉臺模型參數化變量，並利用APDL (ANSYS參數化設計語言)生成轉臺參數化模型；生成實體模型後，採用自動模式進行網格劃分，生成有限元網格模型；油墊結合面建模步驟，分為支承油墊結合面建模和預緊油墊結合面建模；兩種油墊結合面建模均通過Do-Loop循環,建立油墊平面；採用Pilot node (主導節點)方式,定義油墊平面與自身幾何中心為Auto Constrained (自動約束)；油膜模型建立步驟，通過Do-Loop循環,生成彈簧固定端節點；利用自定義非線性彈簧單元仿真，聯接彈簧固定端節點與油墊平面自身幾何中心；
施加邊界條件步驟，包括轉臺約束位置、齒圈載荷、切削力、初始油膜支承力、工件重量和轉臺自身重力；轉臺約束位置包括自定義非線性彈簧單元固定端和徑向軸承約束；自定義非線性彈簧單元固定端採用Fixed Support (固定約束),拾取方式通過Do-Loop循環自動拾取；徑向軸承約束採用Displacement (偏移量)方式，設置徑向偏移量為0，拾取方式採用圓柱坐標下的Location (坐標定位)方式自動拾取；性能分析步驟，首先設置分析類型，包括轉臺剛度分析，承載力分析，模態分析；轉臺剛度分析後處理中輸出轉臺邊緣位移量和變形雲圖；承載力分析後處理中輸出各油墊油膜承載力、油膜厚度、轉臺變形雲圖；模態分析後處理中輸出模態頻率和模態振型圖；根據上述分析結果，用戶判斷靜壓轉臺油墊參數及布局方式是否滿足設計目標，如果滿足設計要求，則最終輸出該靜壓轉臺性能分析報告；如果未能滿足設計要求，則進入優化設計模塊；優化設計步驟，系統自動調用ANSYS中的優化設計模塊，用戶指定初始油腔壓力、油墊直徑、封油邊寬度、支承油膜初始厚度、液壓油粘度為設計變量，定義性能分析中的封油邊接觸剛度、油墊個數、油墊夾角和轉臺總功率為優化目標，並設定變量取值範圍，系統調入APDL優化命令流，進行優化計算，最終輸出優化後的結構參數。前述的自定義非線性彈簧單元仿真為combin39仿真。前述的利用WDL語言定義轉臺模型參數化變量包括:轉臺結構參數、油墊參數、材料參數、載荷參數；其中轉臺結構參數包括轉臺直徑、轉臺厚度、導軌厚度、導軌直徑、導軌寬度、筋板厚度、徑向軸承孔直徑、預緊油墊與導軌底面距離；油墊參數包括油墊直徑、油墊個數；載荷參數包括齒圈載荷、切削力、初始油膜支承力。前述的初始油膜支承力為靜壓轉臺在最大承重下的油膜支承力。本發明一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法，與現有技術相比，具有以下明顯的優勢和有益效果:本發明基於ANSYS 二次開發語言APDL、UIDL，採用非線性彈簧等效靜壓油膜，對靜壓轉臺進行參數化建模，並建立油墊結合面及油膜模型，分析轉臺的動、靜態性能，並對轉臺模型關鍵參數進行了優化。
圖1為靜壓轉臺結構示意圖；圖2為靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化設計流程圖；圖3為combin39單元幾何簡圖；表I為自定義非線性彈簧單元combin39實常數。其中，I為轉臺臺面,2為預緊油墊,3為徑向軸承,4為支承油墊,5為齒圈,6為轉臺底座。
具體實施例方式以下結合說明書附圖，對本發明的具體實施加以說明。請參閱圖1所示，為靜壓轉臺支承原理示意圖。其中，I為轉臺臺面，2為預緊油墊，3為徑向軸承，4為支承油墊,5為齒圈,6為轉臺底座。
請參閱圖2所示，為靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化設計流程圖。(I)參數化建模模塊，基於ANSYS 二次開發，利用體迴轉生成轉臺臺面模型，再利用拉伸和陣列操作生成轉臺臺麵筋板結構；採用布爾求和操作合併所建模型；輸入參數包括轉臺參數(轉臺直徑、轉臺厚度、導軌厚度、導軌直徑、導軌寬度、筋板厚度、徑向軸承孔直徑、預緊油墊與導軌底面距離)、載荷參數(齒圈載荷、切削力、初始油膜支承力)、材料參數(包括密度、彈性模量、柏松比)、油墊參數(油墊直徑、油墊個數)。其中油墊直徑、油墊個數為待優化參數。生成實體模型後，採用smart模式進行網格劃分，生成有限元網格模型；(2)油墊結合面建模模塊，基於ANSYS 二次開發，包括支承油墊結合面和預緊油墊結合面建模兩種油墊結合面建模均通過Do-Loop循環,建立油墊平面；採用Pilotnode方式，定義油墊平面與自身幾何中心為Auto Constrained,接觸單元採用C0NTA174,目標單元採用 TARGE170。(3)油膜模型建立模塊,通過Do-Loop循環,生成彈簧固定端節點；利用自定義非線性彈簧單元仿真等效靜壓支承油膜，聯接彈簧固定端節點與油墊平面自身幾何中心；輸入參數為非線性彈簧單元實常數(參看表I所示)，具體數值根據最小油膜厚度、最大油膜厚度、初始油膜厚度和初始承載力確定。(4)施加邊界條件模塊，基於ANSYS 二次開發，包括轉臺約束位置、齒圈載荷、切削力、初始油膜支承力、工件重量和轉臺自身重力；轉臺約束位置包括自定義非線性彈簧單元固定端和徑向軸承約束；自定義非線性彈簧單元固定端採用Fixed Support,拾取方式通過Do-Loop循環自動拾取；徑向軸承約束採用Displacement方式,設置徑向偏移量為O,拾取方式採用圓柱坐標下的Location方式自動拾取。(5)性能分析模塊，設置分析類型，包括轉臺剛度分析，承載力分析，模態分析；轉臺剛度分析後處理中輸出轉臺邊緣位移量和變形雲圖；承載力分析後處理中輸出各油墊油膜承載力、油膜厚度、轉臺變形雲圖；模態分析後處理中輸出模態頻率和模態振型圖。根據上述分析結果，用戶判斷靜壓轉臺油墊參數及布局方式是否滿足設計目標，如果滿足設計要求，則最終輸出該靜壓轉臺性能分析報告；如果未能滿足設計要求，則進入優化設計模塊；(6)優化設計模塊，系統自動調用ANSYS中的優化設計模塊，用戶指定初始油腔壓力、油墊直徑、封油邊寬度、支承油膜初始厚度、液壓油粘度為設計變量，定義性能分析中的封油邊接觸剛度、油墊個數、油墊夾角和轉臺總功率為優化目標，並設定變量取值範圍，系統調入APDL優化命令流，進行優化計算，最終輸出優化後的結構參數。所述的參數化建模,系統根據用戶選擇的轉臺參數、載荷參數、材料參數、油墊參數，修改已有的APDL命令流，生成轉臺整體模型，然後自動進行網格劃分。同時該模塊具有可擴展性，可以根據需要按照建模要求添加已有的轉臺模型。所述的油墊結合面建模，系統根據輸入的油墊參數，採用Do-Loop循環生成各油墊自身幾何中心節點及油墊平面，並循環生成支承油墊結合面和預緊油墊結合面。所述的油膜模型建立,利用combin39單元仿真等效靜壓支承油膜,採用Do-Loop循環聯接彈簧固定端節點與油墊平面自身幾何中心，輸入參數為非線性彈簧單元實常數。所述的邊界條件，系統根據輸入的邊界條件參數，修改APDL命令流，自動加載邊界條件。
所述的性能分析，包括轉臺剛度分析，承載力分析和模態分析，得到轉臺邊緣位移量、油膜厚度、油膜承載力、模態頻率和模態振型。所述的優化設計，用戶指定初始油腔壓力、油墊直徑、封油邊寬度、支承油膜初始厚度、液壓油粘度為設計變量，定義性能分析中的封油邊接觸剛度、油墊個數、油墊夾角和轉臺總功率為優化目標，並設定變量取值範圍，自動進行優化計算，最終輸出優化後的轉臺結構參數。本系統油膜模型建立模塊中使用自定義非線性彈簧單元combin39對靜壓支承油膜模型進行仿真，此單元的性質，保證了在油膜仿真分析過程中的可行性和可靠性。在ANSYS程序中combin39單元可以用於任意一種分析中，是一種具有非線性力-變形曲線的單向單元。該單元具有I維、2維、3維拉伸或扭轉特性，分別可以仿真I維、2維、3維自由度的分析。圖3是combin39單元幾何簡圖，由圖可知，該單元由兩個節點和一條力_變形曲線定義，曲線上的點代表力和位移的變化量，該曲線的定義應保證變形從第三象限(受壓)向第一象限(受拉)變化，最後一點的變形必須是正值，且必須有一點過坐標系原點，有一點位於第一象限。表一的內容是combin39單元的實常數，共有20對力-變形數值。表一
權利要求
1.一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法，基於非線性彈簧單元等效靜壓油膜模型，利用有限元軟體仿真分析靜壓轉臺動、靜態性能，優化轉臺關鍵結構參數；包括，參數化建模步驟、油墊結合面建模、油膜模型建立步驟、施加邊界條件步驟、性能分析步驟、優化設計步驟；其特徵在於: 所述的參數化建模步驟，利用體迴轉生成轉臺臺面模型，再利用拉伸和陣列操作生成轉臺臺麵筋板結構；採用布爾求和操作合併所建模型；建模過程中，利用用戶界面設計語言定義轉臺模型參數化變量，並利用參數化設計語言生成轉臺參數化模型；生成實體模型後，採用自動模式進行網格劃分，生成有限元網格模型； 所述的油墊結合面建模步驟，包括支承油墊結合面建模和預緊油墊結合面建模；兩種油墊結合面建模均通過循環，建立油墊平面；採用主導節點方式，定義油墊平面與自身幾何中心為自動約束； 所述的油膜模型建立步驟，通過循環，生成彈簧固定端節點；利用自定義非線性彈簧單元仿真，聯接彈簧固定端節點與油墊平面自身幾何中心； 所述的施加邊界條件步驟，包括轉臺約束位置、齒圈載荷、切削力、初始油膜支承力、工件重量和轉臺自身重力；轉臺約束位置包括自定義非線性彈簧單元固定端和徑向軸承約束；自定義非線性彈簧單元固定端採用完全約束，拾取方式通過循環自動拾取；徑向軸承約束採用偏移量方式，設置徑向偏移量為O，拾取方式採用圓柱坐標下的坐標定位方式自動拾取； 所述的性能分析步驟，首先設置分析類型，包括轉臺剛度分析，承載力分析，模態分析；轉臺剛度分析後處理中輸出轉臺邊緣位移量和變形雲圖；承載力分析後處理中輸出各油墊油膜承載力、油膜厚度、轉臺變形雲圖；模態分析後處理中輸出模態頻率和模態振型圖； 根據上述分析結果，判斷靜壓轉臺油墊參數及布局方式是否滿足設計目標，如果滿足設計要求，則最終輸出該靜壓轉臺性能分析報告；如果未能滿足設計要求，則進入優化設計模塊；` 所述的優化設計步驟，系統自動調用有限元軟體中的優化設計模塊，用戶指定初始油腔壓力、油墊直徑、封油邊寬度、支承油膜初始厚度、液壓油粘度為設計變量，定義性能分析中的封油邊接觸剛度、油墊個數、油墊夾角和轉臺總功率為優化目標，並設定變量取值範圍，系統調入參數化設計語言優化命令流，進行優化計算，最終輸出優化後的結構參數。
2.根據權利要求1所述的一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法，其特徵在於:所述的自定義非線性彈簧單元仿真為combin39仿真。
3.根據權利要求1所述的一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法，其特徵在於:所述的利用用戶界面設計語言定義轉臺模型參數化變量包括:轉臺結構參數、油墊參數、材料參數、載荷參數。
4.根據權利要求3所述的一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法，其特徵在於:所述的轉臺結構參數包括轉臺直徑、轉臺厚度、導軌厚度、導軌直徑、導軌寬度、筋板厚度、徑向軸承孔直徑、預緊油墊與導軌底面距離。
5.根據權利要求3所述的一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法，其特徵在於:所述的油墊參數包括油墊直徑、油墊個數。
6.根據權利要求3所述的一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法，其特徵在於:所述的載荷參數包括齒圈載荷、切削力、初始油膜支承力。
7.根據權利要求1所述的一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法，其特徵在於:所述的初 始油膜支承力為靜壓轉臺在最大承重下的油膜支承力。
全文摘要
一種重型工具機靜壓轉臺動、靜態性能仿真優化方法,包括參數化建模、油墊結合面建模、油膜模型建立、施加邊界條件、性能分析、優化設計步驟；根據分析結果，用戶判斷靜壓轉臺油墊參數及布局方式是否滿足設計目標，如果滿足設計要求，則最終輸出該靜壓轉臺性能分析報告；如果未能滿足設計要求，則進入優化設計模塊；定義性能分析中的封油邊接觸剛度、油墊個數、油墊夾角和轉臺總功率為優化目標，並設定變量取值範圍，最終輸出優化後的結構參數。本發明基於ANSYS二次開發語言APDL、UIDL，採用非線性彈簧等效靜壓油膜，對靜壓轉臺進行參數化建模，並建立油墊結合面及油膜模型，分析轉臺的動、靜態性能，並對轉臺模型關鍵參數進行優化。
文檔編號G06F17/50GK103186698SQ201310125988
公開日2013年7月3日 申請日期2013年4月12日 優先權日2013年4月12日
發明者趙永勝, 崔朋威, 蔡力鋼, 劉志峰, 程強 申請人:北京工業大學