[发明专利]用于气体静压主轴动力学预测的仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于气体静压主轴动力学预测的仿真方法，属于动力学仿真领域。

背景技术

主轴作为机床的关键部件带动刀具或工件旋转，实现材料的去除，其动态性能与静态性能直接决定了工件的加工精度。近年来，空气主轴因其高转速、高精度、低发热而受到广泛的关注。然而气体静压主轴的设计过程中的动力学建模仿真是整个气体静压轴承设计的关键，但现有技术中传统的仿真方法建模困难、精度低等问题会引起在设计阶段对主轴的动态特性预测困难的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中传统的仿真方法建模困难、精度低而引起的在设计阶段对主轴的动态特性预测困难的问题，从而提供一种用于气体静压主轴动力学预测的仿真方法。

用于气体静压主轴动力学预测的仿真方法，它步骤如下：

步骤一：利用有限元方法和气体静压原理，通过对气体静压主轴轴承气膜划分有限元网格，计算得到气体静压主轴的压力分布数据We；所述气体静压主轴包括气体静压主轴轴承气膜与气体静压主轴轴体；

步骤二：根据步骤一获得的有限元网格建立与之相对应的主轴轴体的有限元模型，所述有限元模型表示气体静压主轴轴体的实体单元；

步骤三：将步骤一获得的有限元主轴的压力分布数据We转化为等效弹簧刚度值，并将等效弹簧刚度值赋值到与气膜有限元网格相对应的节点上，得到等效弹簧单元；

步骤四：根据步骤二获得的气体静压主轴轴体的实体单元与步骤三获得的等效弹簧单元对应建立气体静压主轴的有限元模型，

所述气体静压主轴的有限元模型包括主轴轴体的实体单元与主轴轴体等效弹簧单元；

步骤五：根据所建立的有限元模型，计算气体静压主轴的动力学特性，获得该气体静压主轴的动力学特性。

本发明实现了高精度的气体静压主轴动力学的仿真计算接近真实值误差在5%以内，而且能够得到高阶模态，不会出现固有频率的遗漏，可以使设计阶段对主轴的动态特性预测更准确。

附图说明

图1是本发明步骤一所述的径向气体静压轴承的压力分布图；

图2是本发明步骤二所述的气体静压主轴轴承气膜相对应的主轴轴体的有限元模型；

图3是本发明步骤三所述的弹簧等效过程示意图；

图4是本发明步骤三所述的等效弹簧结果示意图；

图5是本发明步骤四所述的气体静压主轴的有限元模型；

图6是本发明步骤五所述的动力学仿真结果；

图7是本发明步骤五所述的动力学仿真动态特性曲线。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1-7说明本具体实施方式，本具体实施方式为用于气体静压主轴动力学预测的仿真方法，它步骤如下：

步骤一：利用有限元方法和气体静压原理，通过对气体静压主轴轴承气膜划分有限元网格，计算得到气体静压主轴的压力分布数据We；所述气体静压主轴包括气体静压主轴轴承气膜与气体静压主轴轴体；

步骤二：根据步骤一获得的有限元网格建立与之相对应的主轴轴体的有限元模型，所述有限元模型表示气体静压主轴轴体的实体单元；

步骤三：将步骤一获得的有限元主轴的压力分布数据We转化为等效弹簧刚度值，并将等效弹簧刚度值赋值到与气膜有限元网格相对应的节点上，得到等效弹簧单元；

步骤四：根据步骤二获得的气体静压主轴轴体的实体单元与步骤三获得的等效弹簧单元对应建立气体静压主轴的有限元模型，

所述气体静压主轴的有限元模型包括主轴轴体的实体单元与主轴轴体等效弹簧单元；

步骤五：根据所建立的有限元模型，计算气体静压主轴的动力学特性，获得该气体静压主轴的动力学特性仿真数据。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一不同的是所述用于气体静压主轴动力学预测的仿真方法的步骤一利用有限元方法和气体静压原理，通过对气体静压主轴轴承气膜划分有限元网格，计算得到气体静压主轴的压力分布数据We的方法如下：

应用雷诺方程，计算气体静压主轴轴承气膜的压力分布情况，所述雷诺方程为公式一：