一種靜壓油墊流場特性仿真優化方法
2023-05-21 17:56:26 4
專利名稱：一種靜壓油墊流場特性仿真優化方法
技術領域：
本發明屬於軟體應用技術領域，特別是涉及靜壓油墊流場特性仿真分析與優化方法。
背景技術：
重型數控加工設備主要服務於能源、交通、重型機械、航空航天、艦船製造和國防等國家重點行業領域，是我國裝備製造業具有代表性的產品。重型靜壓推力軸承是重型數控加工設備的主要部件，它的性能優劣直接影響設備的加工質量和運行效率。液體靜壓軸承因能提供廣泛的液膜厚度以及較高的液膜剛度，功率損耗小，即使在很低的轉速下也能平穩工作等特點而被廣泛應用到重型裝備中並成為核心部件。液體靜壓軸承的主要特點是靜摩擦係數極小，承載能力高並且和轉速無關，轉盤的啟動轉矩小，使用壽命長，而且由於液體油膜有非常好的阻尼特性，使得切削時產生的振動較小，主軸迴轉精度較高。靜壓油墊性能的優劣直接影響到靜壓轉臺的承載能力和工作穩定性。為了滿足重型數控工具機對靜壓轉臺的高承載性、高剛度、大變載、偏載等性能的要求，採用CFD (計算流體力學)技術對靜壓油墊內部流場特性進行分析，並通過數值仿真技術實現靜壓油墊承載能力和油膜剛度的計算，可提前預測大尺寸靜壓軸承潤滑的特性及轉動過程中可能出現的問題；能夠有效克服靜壓設計計算和經驗計算帶來的不確定性，減小計算誤差，使設計更加接近工程實際；能夠有效提高設計效率、降低經濟損失和進行優化設計，並可進行動態特性分析與計算。目前國內外學者大多採用數值模擬的方法來研究液體靜壓油墊速度場、溫度場與壓力場等流場特性。在進行數值仿真模擬時，網格生成佔一個計算任務全部人力時間的大部分時間，因此，能否快速、精確地生成網格是一個重要的問題。但在劃分靜壓油墊網格時，由於油膜部分相比較於其他部分 ，非常的薄，同時，長徑比非常的大，ANSYS (有線元分析軟體)不能自動進行網格劃分，必須人為的手動劃分網格，不僅費時費力，而且網格劃分還不易成功。本發明基於Pro/ENGINEER (商業建模軟體)和ANSYS ICEM CFD (前處理軟體)、FLUENT (流體有限元分析軟體)的二次開發，對靜壓油墊進行參數化建模，研究靜壓油墊參數化網格生成方法,對液體靜壓油墊進行三維數值模擬,分析其流場特性,並對靜壓油墊關鍵參數進行優化設計。
發明內容
本發明的目的在於，通過提供一種靜壓油墊流場特性仿真優化方法，克服現有靜壓油墊流場特性仿真方法的缺陷，利用參數化手段，讓研究人員從大量繁重瑣碎的造型、網格生成、有限元分析中解脫出來，大大縮短數值模擬工作的時間周期，提高了工作效率、降低了經濟損失。利用FLUENT (流體有限元分析軟體)仿真分析靜壓油墊流場特性，並進一步優化靜壓油墊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，實現該方法的系統包括
—種靜壓油墊流場特性仿真分析與優化方法，包括:參數化建模、參數化結構網格生成、施加邊界條件、流場特性分析、優化設計步驟；參數化建模步驟，利用Pro/ENGINEER (商業建模軟體)中的曲面拉伸和旋轉建立靜壓油墊的物理模型，為了便於網格的劃分，將靜壓油墊模型分成3部分:圓柱體進油管、靜壓油腔層以及薄油膜層；建模過程中，分別建立各部分模型，然後進行裝配組合，並利用Pro/Toolkit (二次開發工具包)定義關鍵結構參數變量；結構化網格生成步驟，將建好的模型導入到ANSYS ICEM CFD (前處理軟體)中。靜壓油墊模型由三部分構成:圓柱體進油管、靜壓油腔層以及薄油膜層，其中薄油膜層的內外側為出油口。結構化網格採用六面體分塊網格，網格劃分採用整體建模虛面分割法，即將整個靜壓油墊模型切分為三部分，對各部分分別劃分結構化網格，進油口等梯度變化較大的地方進行了局部網格細化，然後再進行網格組裝；施加邊界條件步驟，所謂邊界條件，是指求解域的邊界上所求解的變量或其一階導數隨地點及時間變化的規律。在靜壓油墊仿真模擬時，基本邊界條件包括:流動進出口邊界、給定壓力邊界、壁面邊界；流場特性分析步驟，主要包括靜力學分析和動力學分析；靜力學分析後處理中輸出最大油腔壓力、壓力曲線圖、油膜剛度、速度矢量圖、壓力等值線圖、溫度雲圖、壓力雲圖、流線圖、參差曲線圖；動力學分析後處理中輸出最大油腔壓力、壓力曲線圖、油膜剛度、速度矢量圖、壓力等值線圖、等溫線圖、壓力雲圖、流線圖、參差曲線圖；根據上述分析結果，用戶判斷靜壓油墊是否滿足設計目標，如果滿足設計要求，則最終輸出該靜壓油墊流場特性分析報告；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Pro/ENGINEER中(商業建模軟體)的優化設計模塊，用戶指定油腔深度、 封油邊寬、進油口直徑為設計變量，定義靜壓油墊流場特性分析中的油墊承載能力和油膜剛度極值為優化目標，並設定變量取值範圍，系統調入Pro/Toolkit (二次開發工具包)優化命令流，進行優化計算，最終輸出優化後的結構參數。前述的利用Pro/Toolkit (二次開發工具包)定義關鍵結構參數變量包括:進油口長度、油墊直徑、封油邊寬、油腔深度、油膜厚度、進油口直徑。本發明一種靜壓油墊流場特性仿真優化方法，與現有技術相比，具有以下明顯的優勢和有益效果:通過對靜壓油墊流場特性準確的模擬，人們可以預測其流動特性和潤滑的綜合性能，為同類產品的潤滑性能計算和優化設計提供理論支持和技術保障。該方法能夠有效提高設計效率、降低經濟損失、省時省力、可最大限度地減少模型加工和實驗等費用，只需少量驗證工作就能得以在計算機上進行。本發明基於商業建模軟體Pro/ENGINEER (商業建模軟體)和商業軟體ANSYS ICEMCFD (前處理軟體)、FLUENT (流體有限元分析軟體)的二次開發，對靜壓油墊進行參數化建模，研究靜壓油墊參數化網格生成方法，對液體靜壓油墊進行三維數值模擬，分析其流場特性，並對靜壓油墊關鍵參數進行優化設計。
圖1為靜壓油墊基本模型示意圖；圖2為靜壓油墊流場特性仿真分析與優化設計流程圖3為靜壓油墊基本邊界條件示意圖。
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例加以說明。請參閱圖1所示，為靜壓油墊基本模型示意圖。該模型由3部分組成，圓柱體進油管、靜壓油腔層以及薄油膜層。請參閱圖3所示，為靜壓油墊基本邊界條件示意圖。下面結合圖2，進一步闡明本發明。(I)參數化建模模塊，利用Pro/ENGINEER (商業建模軟體)中的曲面拉伸和曲面旋轉建立靜壓油墊的物理模型，靜壓油墊模型由3部分構成:圓柱體進油管、靜壓油腔層以及薄油膜層；建模過程中，分別建立各部分，然後進行裝配組合，並利用Pro/Toolkit (二次開發工具包)定義關鍵結構參數變量。輸入參數包括油墊直徑、封油邊寬、油膜厚度、油腔深度、進油口直徑、進油口長度，其中油腔深度、封油邊寬、進油口直徑為待優化參數。(2)結構化網格生成模塊，基於網格劃分軟體ANSYS ICEM CFD (前處理軟體)。靜壓油墊的幾何形狀比較複雜、固定，因此可以使用參數化的方式來劃分網格。然而對於不同的靜壓油墊，其形式和結構是不同的，如果將各種類型靜壓油墊進行參數化網格生成，考慮到常見的各種靜壓油墊結構型式(包括圓形油墊、扇形油墊、環形油墊、徑向軸承)，則工作量將會巨大。但是，將靜壓油墊分成幾個獨立的部分分別繪製網格，則可以減少工作量。將靜壓油墊模型分成三個幾何部分:圓柱體進油管、靜壓油腔層及薄油膜層，其中薄油膜層部分的四邊為出口 ；這樣分別對每個幾何部分進行網格生成，就降低了網格生成的難度和複雜度，在進行求解時，將分成 的幾部分網格重新組合在一起即可。( 3 )施加邊界條件模塊，首先，設置材料屬性。在本發明中，主要針對兩個對象進行材料的選擇，一是固體(solid)、二是流體(fluid)。固體(solid)在此選用45號鋼來做靜壓油墊本體的材料，對於固體材料來說，需要定義材料的密度、熱傳導係數和比熱容。如選用其他的材料可通過直接修改相應的變量值來實現；而流體(fluid)選擇粘性流體,對於液體材料來說，需要定義材料的密度、熱傳導係數、粘度和比熱容。如選用其他的材料可通過直接修改相應的變量值來實現，在仿真軟體Fluent (流體有限元分析軟體)中,流體和固體的物理性質與指定的材料(materials)相關。在計算時指定材料的名稱便相應指定了該材料所對應的物性參數，這些物性參數隨即作為邊界條件被設定在相應的網格分區上。其他邊界條件如下:(I)壁面邊界:除入口和出口外，其他與外界接觸的面設為壁面邊界。與外界接觸的表面則設置成對流換熱，對流換熱係數為15W (/m.K)，設外界溫度恆為300K。該邊界對速度、壓力使用無滑移邊界條件。(2)入口邊界:速度入口邊界，定義在進油口下表面，入口的速度垂直於所在面，定義速度為1.lm/s，入口溫度恆為T=300K。(3)出口邊界:壓力出口邊界，定義在薄油膜層部分的四邊，出口溫度為Τ=300Κ，出口靜壓力為O個標準大氣壓。(4)轉動邊界:在動力學分析中，定義油墊上壁面為轉動邊界，設置繞Y軸轉動，轉速為20rad/s。在開始對流場進行求解之前，必須要對流場進行初始化，初始化為入口位置，然後進行數值仿真計算，在計算過程中，求解方程組採用有限體積法，方程求解控制參數相對誤差均為10_6，壓力、速度的欠鬆弛因子均為0.7，其它為1，然後開始求解。
(4)流場特性分析模塊，首先設置分析類型，包括靜力學分析和動力學分析；靜力學分析後處理中輸出最大油腔壓力、油膜剛度、速度矢量圖、壓力等值線圖、溫度雲圖、壓力雲圖、流線圖、參差曲線圖；動力學分析後處理中輸出最大油腔壓力、油膜剛度、速度矢量圖、壓力等值線圖、等溫線圖、壓力雲圖、流線圖、參差曲線圖。根據上述分析結果，用戶判斷靜壓油墊是否滿足設計目標，如果滿足設計要求，則最終輸出靜壓油墊流場特性分析報告；如果未能滿足設計要求，則進入優化設計模塊。用戶根據分析結果判斷該靜壓油墊是否滿足設計要求，並參考動力學分析結果確定靜壓油墊工作參數範圍。(5)優化設計模塊，系統自動調用Pro/ENGINEER (商業建模軟體)中的優化設計模塊，用戶指定油腔深度、封油邊寬、進油口直徑為設計變量，定義靜壓油墊流場特性分析中的油腔承載能力和剛度極值為優化目標，並設定變量取值範圍，系統調入Pro/Toolkit (二次開發工具包)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，系統根據用戶輸入的結構參數，修改已有的命令流，生成靜壓油墊模型。同時該模塊具有可擴展性，可以根據需要添加不同類型的靜壓油墊模型。所述的結構化網格生成，系統根據輸入的模型，利用ANSYS ICEM CFD (前處理軟體)中已導出的命令流進行自動劃分結構化網格。結構化網格採用六面體分塊網格，網格劃分採用整體建模虛面分割法，即將整個油膜模型切分為三部分，對各部分分別劃分結構化網格，進油口等梯度變化較大的地方進行了局部網格細化。同時該模塊具有可擴展性，可以應用到其他需要進行網格劃分的靜壓油墊型式。所述的邊界條件，系統根據輸入的邊界條件參數，修改Scheme(流體有限元分析軟體編寫語言)命令流，可實現邊界條件的修改，並自動加載邊界條件，進行靜壓油墊流場特性仿真模擬。同時該模塊具有可擴展性，可以應用到其他靜壓油墊仿真模擬中。所述的流場特性分析，包括靜力學分析和動力學分析，得到靜壓油墊最大油腔壓力、油膜剛度、速度矢量圖、壓力等值線圖、溫度雲圖、壓力雲圖、流線圖、繪製XY散點圖、參差曲線圖。所述的優化設計，用戶指定油腔深度、封油邊寬、進油口直徑為設計變量，定義靜壓油墊流場特性分析 中的油腔承載能力和剛度極值為優化目標，並設定變量取值範圍，系統調入Pro/Toolkit (二次開發工具包)優化命令流，自動進行優化計算，最終輸出優化後的結構參數。
權利要求
1.一種靜壓油墊流場特性仿真分析與優化方法，包括:參數化建模、結構網格生成、施加邊界條件、流場特性分析、優化設計步驟；其特徵在於: 所述的參數化建模步驟，利用商業建模軟體中的曲面拉伸和旋轉建立靜壓油墊的物理模型；靜壓油墊模型包括，圓柱體進油管、靜壓油腔層以及薄油膜層；建模過程中，分別建立各部分模型，然後進行裝配組合，並利用二次開發工具包定義關鍵結構參數變量； 所述的參數化結構網格生成步驟，將建好的模型導入到前處理軟體中，進行網格劃分。靜壓油墊模型包括，圓柱體進油管、靜壓油腔層以及薄油膜層；其中薄油膜層的內外側為出油口 ；參數化結構網格採用多面體分塊網格，網格劃分採用整體建模虛面分割法，將整個靜壓油墊模型切分為數個部分，對各部分分別劃分結構化網格，進油口等梯度變化較大的地方進行了局部網格細化，然後再進行網格組裝； 施加邊界條件步驟，在靜壓油墊仿真模擬時，基本邊界條件包括:流動進出口邊界、給定壓力邊界、壁面邊界； 流場特性分析步驟，主要包括靜力學分析和動力學分析；靜力學分析後處理中輸出最大油腔壓力、壓力曲線圖、油膜剛度、速度矢量圖、壓力等值線圖、溫度雲圖、壓力雲圖、流線圖、參差曲線圖；動力學分析後處理中輸出最大油腔壓力、壓力曲線圖、油膜剛度、速度矢量圖、壓力等值線圖、等溫線圖、壓力雲圖、流線圖、參差曲線圖； 根據上述分析結果，用戶判斷靜壓油墊是否滿足設計目標，如果滿足設計要求，則最終輸出該靜壓油墊流場特性分析報告；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，系統自動調用建模軟體中的優化設計模塊，用戶指定油腔深度、封油邊寬、進油口直徑為設計變量，定義靜壓油墊流場特性分析中的油墊承載能力和油膜剛度極值為優化目標，並設定變量取值範圍，系統調入二次開發工具包優化命令流，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所述的靜壓油墊流場特性仿真優化方法，其特徵在於:所述的結構化網格生成基於整體建模虛面分割，並進行網格組裝。
3.根據權利要求1所述的靜壓油墊流場特性仿真優化方法，其特徵在於:所述的利用二次開發工具包定義關鍵結構參數變量包括:進油口長度、油墊直徑、封油邊寬、油腔深度、油膜厚度、進油口直徑。
4.根據權利要求1所述的靜壓油墊流場特性仿真優化方法，其特徵在於:所述的流場特性分析基於流體有線元分析軟體中導出的命令流。
5.根據權利要求1所述的靜壓油墊流場特性仿真優化方法，其特徵在於:所述參數化結構網格採用六面體分塊網格。
全文摘要
本發明公開了一種靜壓油墊流場特性仿真分析與優化方法，包括參數化建模、參數化結構網格生成、施加邊界條件、流場特性分析、優化設計步驟；根據上述分析結果，用戶判斷靜壓油墊是否滿足設計目標，如果滿足設計要求，則最終輸出該靜壓油墊流場特性分析報告；如果未能滿足設計要求，則進入優化設計模塊；在優化設計步驟，系統自動調用Pro/ENGINEER(商業建模軟體)中的優化設計模塊，用戶指定油腔深度、封油邊寬、進油口直徑為設計變量，定義靜壓油墊流場特性分析中的油墊承載能力和油膜剛度極值為優化目標，並設定變量取值範圍，系統調入Pro/Toolkit(二次開發工具包)優化命令流，進行優化計算，最終輸出優化後的結構參數。
文檔編號G06F17/50GK103226633SQ20131012620
公開日2013年7月31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, 夏龍飛, 蔡力鋼, 劉志峰, 程強 申請人:北京工業大學