[发明专利]一种考虑表面形貌的静压油垫流场特性数值仿真方法

说明书

一种考虑表面形貌的静压油垫流场特性数值仿真方法，属于工程应用技术领域,其包括：数学建模求解、流场特性分析、优化设计。在数学建模求解中，针对油垫表面粗糙度，建立了径向和周向两个方向上的表面粗糙度模型。根据分析的结果，用户判断静压油垫是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该静压油垫流场特性分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块；本发明基于商业软件Matlab对考虑表面形貌的静压油垫进行流场特性数值仿真，研究静压油垫的承载能力，对液体静压油垫进行数值模拟，分析其流场特性，并对静压油垫关键参数进行优化设计。

技术领域

本发明属于工程应用技术领域，特别是涉及考虑表面形貌和能量方程耦合时的静压油垫流场特性数值仿真方法。

背景技术

重型车铣复合数控机床主要服务于能源、交通、重型机械、航空航天、舰船制造和国防等国家重点行业领域，是我国装备制造业具有代表性的产品。随着现代科技的发展，对于机床的加工精度、尺寸、承载能力等都提出了越来越高的要求。由于其具有高承载力、高精度、摩擦阻力小、使用寿命长、抗震性能好等特点，静压技术得到了越来越广泛的应用。静压转台作为重型车铣复合数控机床的关键功能部件，主要用于承载大型、重型零件。

静压转台工作过程中产生的振动、变形、热量等是影响加工精度的关键因素。而静压支承技术所具备的特点，能够很好地解决机床工作过程中容易出现的这些问题，能够有效地提高机床的加工精度和机床使用寿命。因此，液体静压支承技术被越来越多地应用到了现代机床中，并逐渐成为核心部件。静压支承的工作原理是借助于液压供油系统，强制地将压力润滑油注入摩擦副之间的油腔，利用油腔的封油边和工作台导轨间隙的静压作用，形成静压承载力，将工作台浮升并承受外载荷。由此，可以看出静压支承的承载性能和润滑性能的优劣将直接影响到整个机床运行的可靠性、加工质量、寿命和经济指标。因此，对于数控机床中的液体静压支承技术的研究具有重要意义。

静压油垫性能的优劣直接影响到静压转台的承载能力和工作稳定性。为了满足重型数控机床对静压转台的高承载性、高刚度、大变载、偏载等性能的要求，目前，国内外学者大多采用CFD数值仿真的方法来研究液体静压油垫速度场、温度场与压力场等流场特性，并通过CFD技术实现静压油垫承载能力和油膜刚度的计算，此方法能够有效克服静压设计计算和经验计算带来的不确定性，减小计算误差，使设计更加接近工程实际；能够有效提高设计效率、降低经济损失和进行优化设计。但是若考虑一些特殊的现象，比如考虑表面粗糙度和静压导轨变形的时候，则采用CFD技术不方便，不仅建模困难，而且采用CFD数值仿真时网格划分也很困难。因此，必须自己建立数学方程，在此基础上，自己编程求解，费时费力。

支承油垫是影响静压转台承载能力与加工精度的关键，本发明基于商业软件Matlab，针对油垫表面粗糙度，以克里斯坦森(Christensen)随机粗糙度模型为基础，建立了径向和周向两个方向上的表面粗糙度模型。基于上述油垫表面粗糙度的模型，考虑在转台旋转过程中受热效应与动压效应作用的影响。为此，在考虑粗糙度效应的基础上，建立了支承油垫热效应、动压效应及其耦合效应的模型。然后，利用有限差分法，选择合适的语言编程，并采用迭代法进行计算机数值求解。对计算机求解出的数值结果进行整理、对比和分析，分析其流场特性，并得出相关结论。最后，再考虑粗糙度的基础上对静压油垫关键参数进行优化设计。

发明内容

本发明的目的在于，研究考虑表面形貌和热效应耦合时的静压油垫流场特性仿真方法，利用数学建模手段，让研究人员从大量繁重琐碎的造型、网格生成、有限元分析中解脱出来，大大缩短数值模拟工作的时间周期，提高了工作效率、降低了经济损失。利用商业软件Matlab仿真分析静压油垫流场特性，在考虑粗糙度的基础上进一步优化静压油垫关键结构参数的新方法。

本发明是采用以下技术手段实现的，实现该方法的系统包括

一种考虑表面形貌和能量方程耦合的静压油垫流场特性数值仿真方法，包括：数学建模并求解、流场特性分析、优化设计。