基於相變模型的動靜壓滑動軸承流固耦合設計方法
2023-05-26 23:23:56 3
專利名稱：基於相變模型的動靜壓滑動軸承流固耦合設計方法
技術領域：
本發明涉及一種動靜壓滑動軸承的設計方法，特別涉及一種利用流固耦合數值計算技術實現動靜壓滑動軸承性能參數優化設計方法。
背景技術：
動靜壓滑動軸承系統能夠在一定的工況下保持稱合系統的穩定運彳丁，從而使王軸可以穩定的運轉，達到承壓、潤滑的目的。尤其對於速度高，彈·性變形大的高速動靜壓軸承，考慮耦合系統影響的流固耦合方法更能夠真實反應軸承的運轉工況。目前大部分研究潤滑油膜使用計算流體動力學(CFD)方法和雷諾方程法對滑動軸承進行計算，但是這些方法不考慮耦合系統的影響，不考慮軸頸和軸承對油膜壓力的影響，計算出來的各項參數不能真實的反應軸承的運轉工況，對軸承結構的優化設計有一定的影響，因此數值計算使用流固耦合(FSI)的方法是至關重要的。這種方法能夠在轉速和載荷的作用下自動確定偏心位置，而不需要事先給定偏心位置進行求解，因此，FSI方法更能真實的反應軸承的運轉情況。
發明內容
本發明的目的在於克服傳統方法無法真實反應軸承的運轉狀態，無法獲取真實的軸承性能指標，提供了一種基於相變模型的動靜壓滑動軸承流固耦合設計方法。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是I)首先根據實際軸承尺寸要求，採用gambit軟體建立含油腔結構的動靜壓滑動軸承的流體油膜以及固體的幾何模型和網格計算模型；2)之後將網格計算模型導入ansa軟體進行網格優化；3)然後將流體油膜以及固體的網格計算模型分別導入CAE軟體ADINA中相應的流體與結構計算模塊，設定邊界條件，進行流固耦合數值計算，在數值計算過程中加入相變公式，計算運轉過程中產生的氣泡問題；4)根據計算結果分析油膜及軸承的性能，之後調整腔結構及幾何模型參數，得到所要設計的動靜壓滑動軸承。本發明包括以下步驟第一步，幾何模型的建立據實際軸承尺寸要求，採用gambit軟體建立含油腔結構的動靜壓滑動軸承的流體域幾何模型即流體油膜幾何模型以及固體域幾何模型；第二步，模型離散在gambit軟體中對建立的流體和固體幾何模型進行幾何離散，劃分網格得到計算網格模型；第三步，網格計算模型的優化將計算網格模型導入ansa軟體中，利用ansa軟體的幾何處理和網格處理功能，對流體和固體網格進行優化，對幾何模型和網格模型存在的缺陷進行修補；第四步，模型導入將流體及固體的網格計算模型分別導入CAE計算軟體ADINA相應的流體與結構計算模塊，並分別設置流體、固體的材料參數，流體參數為不可壓縮粘性流體，設置湍流模型；第五步，邊界條件設置
模型導入ADINA之後，在ADINA軟體中設置流體域和固體域的邊界條件；在流體域中，設置7個邊界條件，分別是兩端進油孔的進油壓力邊界、前後圓柱端面為出油口邊界、施加在內表面上的轉速邊界、內表面的流固耦合邊界、內表面的滑移邊界、外表面的流固耦合邊界、整個流體域的相變邊界；在固體域中，設置5個邊界條件，分別是軸瓦外邊面的固定邊界、軸瓦內表面的流固耦合邊界、軸頸外表面的流固耦合邊界、在軸頸上的動載載荷邊界、軸頸的約束邊界；第六步,流固稱合數值計算設置完邊界條件之後，在ADINA中根據已知的邊界條件和模型控制參數進行流固耦合計算；設置計算過程中的模型控制參數，流固耦合採用迭代耦合分析方法，控制方程求解採用完全牛頓迭代方法，設置位移與壓力收斂判據，流體控制方程求解採用有限體積方法，格式選用二階空間離散，時間積分採用二階composite積分格式,求解採用simple算法，設置變量收斂判據，固體分析採用隱式動力分析方法，有限元方法離散，二階精度Bathecomposite時間積分格式，完全牛頓迭代法計算，設置位移收斂判據；第七步，後處理計算完成後統計油膜壓力值，軸瓦應力值，繪製軸心軌跡曲線以及氣穴面積曲線圖，並與設計要求進行對比若計算結果與設計要求偏差在設計精度要求允許範圍內，則完成計算；否則返回第一步，修改模型參數重新計算直至滿足設計要求，並記錄已完成計算的模型參數及計算結果，為修改模型參數提供依據。本發明首先根據實際軸承尺寸要求，採用gambit軟體建立兩腔結構的動靜壓滑動軸承的流體油膜以及固體的幾何模型和網格計算模型。之後將網格導入ansa軟體進行網格優化。然後將流體和固體計算模型分別導入CAE軟體ADINA中相應的流體與結構計算模塊，設定邊界條件及求解控制參數後，進行流固耦合數值計算。在數值計算過程中加入相變公式，計算運轉過程中產生的氣泡問題。根據計算結果分析油膜及軸承的性能，之後調整腔結構及幾何模型參數，得到滿意的計算結果，從而為軸承結構設計提供依據。
圖I是本發明技術路線圖；圖2是本發明動靜壓滑動軸承流體域計算幾何模型圖(一半)；圖3是本發明動靜壓滑動軸承固體域計算幾何模型圖(一半)；圖4是本發明在gambit中建立的網格計算模型(一半)；圖5是本發明在ansa中的優化網格模型(一半)；圖6是本發明動靜壓滑動軸承流固耦合導入ADINA中的流體域計算網格模型圖(一半);圖7是本發明動靜壓滑動軸承流固耦合導入ADINA中的固體域計算網格模型圖(一半)；
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。參見圖I，本發明的過程如下I)首先根據動靜壓滑動軸承設計要求，採用gambit軟體進行結構設計，建立動靜壓滑動軸承的流體區域幾何模型及固體域幾何模型；
2)之後在gambit軟體中繼續進行計算網格模型設計，建立網格單元；3)將網格計算模型導入ansa中進行網格優化設計，對網格的缺陷和不足進行優化設計；4)然後將優化過的網格計算模型導入CAE軟體ADINA中，設定與實際工況相同的邊界條件；5)設置好所有的邊界條件之後，輸入求解控制參數，進行流固耦合數值計算；6)根據計算結果調整幾何模型參數，若符合設計要求完成設計，若不符合設計要求轉步驟I)重新對結構設計進行優化，修改幾何模型。參見圖2-圖7，設計方法的具體過程如下第一步，幾何模型的建立參見圖2、3，根據實際軸承尺寸要求，採用gambit軟體建立含油腔結構的動靜壓滑動軸承的流體域幾何模型以及固體域幾何模型；第二步，模型離散參見圖4，在gambit軟體中對建立的幾何模型進行幾何離散，劃分網格得到計算網格模型；第三步，網格計算模型的優化參見圖5，將計算網格模型導入ansa軟體中，利用ansa軟體的幾何處理和網格處理功能，對流體和固體網格進行優化，對幾何模型和網格模型存在的缺陷進行修補；第四步，模型導入參見圖6、7，將流體及固體的網格計算模型分別導入CAE計算軟體ADINA相應的流體與結構計算模塊，並分別設置流體、固體的材料參數，流體參數為不可壓縮粘性流體，設置湍流模型；第五步，邊界條件設置模型導入ADINA之後，在ADINA軟體中設置流體域和固體域的邊界條件；在流體域中，設置7個邊界條件，分別是兩端進油孔的進油壓力邊界、前後圓柱端面為出油口邊界、施加在內表面上的轉速邊界、內表面的流固耦合邊界、內表面的滑移邊界、外表面的流固耦合邊界、整個流體域的相變邊界；在固體域中，設置5個邊界條件，分別是軸瓦外邊面的固定邊界、軸瓦內表面的流固耦合邊界、軸頸外表面的流固耦合邊界、在軸頸上的動載載荷邊界、軸頸的約束邊界；第六步,流固稱合數值計算
設置完邊界條件之後，在ADINA中根據已知的邊界條件和模型控制參數進行流固耦合計算；設置計算過程中的模型控制參數，流固耦合採用迭代耦合分析方法，控制方程求解採用完全牛頓迭代方法，設置位移與壓力收斂判據，流體控制方程求解採用有限體積方法，格式選用二階空間離散，時間積分採用二階composite積分格式,求解採用simple算法，設置變量收斂判據，固體分析採用隱式動力分析方法，有限元方法離散，二階精度Bathecomposite時間積分格式，完全牛頓迭代法計算，設置位移收斂判據；
第七步，後處理計算完成後統計油膜壓力值，軸瓦應力值，繪製軸心軌跡曲線以及氣穴面積曲線圖，並與設計要求進行對比若計算結果與設計要求偏差在設計精度要求允許範圍內，則完成計算；否則返回第一步，修改模型參數重新計算直至滿足設計要求，並記錄已完成計算的模型參數及計算結果，為修改模型參數提供依據。
權利要求
1.一種基於相變模型的動靜壓滑動軸承流固耦合設計方法，其特徵在於 O首先根據實際軸承尺寸要求，採用gambit軟體建立含油腔結構的動靜壓滑動軸承的流體油膜以及固體的幾何模型和網格計算模型； 2)之後將網格計算模型導入ansa軟體進行網格優化； 3)然後將流體油膜以及固體的網格計算模型分別導入CAE軟體ADINA中相應的流體與結構計算模塊，設定邊界條件，進行流固耦合數值計算，在數值計算過程中加入相變公式，計算運轉過程中產生的氣泡問題； 4)根據計算結果分析油膜及軸承的性能，之後調整腔結構及幾何模型參數，得到所要設計的動靜壓滑動軸承。
2.根據權利要求I所述的基於相變模型的動靜壓滑動軸承流固耦合設計方法，其特徵在於包括以下步驟 第一步，幾何模型的建立 據實際軸承尺寸要求，採用gambit軟體建立含油腔結構的動靜壓滑動軸承的流體域幾何模型即流體油膜幾何模型以及固體域幾何模型； 第二步，模型離散 在gambit軟體中對建立的流體和固體幾何模型進行幾何離散，劃分網格得到計算網格模型； 第三步，網格計算模型的優化 將計算網格模型導入ansa軟體中，利用ansa軟體的幾何處理和網格處理功能，對流體和固體網格進行優化，對幾何模型和網格模型存在的缺陷進行修補； 第四步，模型導入 將流體及固體的網格計算模型分別導入CAE計算軟體ADINA相應的流體與結構計算模塊，並分別設置流體、固體的材料參數，流體參數為不可壓縮粘性流體，設置湍流模型；第五步，邊界條件設置 模型導入ADINA之後，在ADINA軟體中設置流體域和固體域的邊界條件； 在流體域中，設置7個邊界條件，分別是兩端進油孔的進油壓力邊界、前後圓柱端面為出油口邊界、施加在內表面上的轉速邊界、內表面的流固耦合邊界、內表面的滑移邊界、夕卜表面的流固耦合邊界、整個流體域的相變邊界； 在固體域中，設置5個邊界條件，分別是軸瓦外邊面的固定邊界、軸瓦內表面的流固耦合邊界、軸頸外表面的流固耦合邊界、在軸頸上的動載載荷邊界、軸頸的約束邊界； 第六步，流固耦合數值計算 設置完邊界條件之後，在ADINA中根據已知的邊界條件和模型控制參數進行流固耦合計算; 設置計算過程中的模型控制參數，流固耦合採用迭代耦合分析方法，控制方程求解採用完全牛頓迭代方法，設置位移與壓力收斂判據，流體控制方程求解採用有限體積方法，格式選用二階空間離散，時間積分採用二階composite積分格式,求解採用simple算法，設置變量收斂判據，固體分析採用隱式動力分析方法，有限元方法離散，二階精度Bathecomposite時間積分格式，完全牛頓迭代法計算，設置位移收斂判據； 第七步，後處理計算完成後統計油膜壓力值，軸瓦應力值，繪製軸心軌跡曲線以及氣穴面積曲線圖，並與設計要求進行對比若計算結果與設計要求偏差在設計精度要求允許範圍內，則完成計算；否 則返回第一步，修改模型參數重新計算直至滿足設計要求，並記錄已完成計算的模型參數及計算結果，為修改模型參數提供依據。
全文摘要
一種基於相變模型的動靜壓滑動軸承流固耦合設計方法，首先根據實際軸承尺寸要求，採用gambit軟體建立含油腔結構的動靜壓滑動軸承的流體油膜以及固體的幾何模型和網格計算模型。之後將網格導入ansa軟體進行網格優化。然後將流體和固體計算模型分別導入CAE軟體ADINA中相應的流體與結構計算模塊，設定邊界條件及求解控制參數後，進行流固耦合數值計算。在數值計算過程中加入相變公式，計算運轉過程中產生的氣泡問題。根據計算結果分析油膜及軸承的性能，之後調整腔結構及幾何模型參數，得到滿意的計算結果，從而為軸承結構設計提供依據。
文檔編號G06F17/50GK102902859SQ20121038112
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月9日 優先權日2012年10月9日
發明者魏正英, 盧秉恆, 王寧, 林起崟, 王永信 申請人:西安交通大學