[发明专利]用于气体静压主轴自激振动的预测方法

说明书

本发明公开了一种用于气体静压主轴自激振动的预测方法，包括以下步骤：S1、建立气体静压主轴系统物理模型；S2、利用有限元方法对气体静压主轴气膜划分有限元网格，得到流场施加在气体静压主轴上的压力分布；S3、建立气体静压主轴的运动控制方程；S4、建立气体静压主轴的有限元模型；S5、根据气体静压主轴的有限元模型，计算得到气体静压主轴的自激振动特性，并获得该气体静压主轴的自激振动曲线。本发明实现了超精密气体静压主轴自激振动特性的仿真计算，并通过模态分析的辅助实现气体静压主轴系统的自激振动预测。

技术领域

本发明属于动力学仿真技术领域，特别涉及一种用于气体静压主轴自激振动的预测方法。

背景技术

随着超精密制造业的进一步发展，人们对主轴的精度要求越来越高。气体润滑技术逐渐取代传统的油膜润滑支撑等形式，成为保证超精密加工精度的重要手段。工程实际中，常通过提高气源供气压力、改变轴承和节流器形式、结构参数等措施来增大轴承的承载能力和静刚度。但在一定条件下，轴承会引发主轴自激振动，其振动幅值较大且伴随有持续的尖啸声，是一种非稳态的破坏性振动，犹如空气锤击工件，又称“气锤”振动，严重时会导致抱轴、轴承损坏而无法正常工作。现在的研究主要集中在气体静压轴承的静动态特性上，有关自激振动的研究多集中在优化结构，传统的仿真方法无法预测主轴自激振动的产生。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术无法预测主轴自激振动的产生的问题，提供了一种能够实现了超精密气体静压主轴自激振动特性的仿真计算，并通过模态分析的辅助实现气体静压主轴系统的自激振动预测的用于气体静压主轴自激振动的预测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：用于气体静压主轴自激振动的预测方法，包括以下步骤：

S1、建立气体静压主轴系统物理模型，包括气体静压主轴气膜和气体静压主轴转子；

S2、基于气体润滑原理，利用有限元方法对气体静压主轴气膜划分有限元网格，得到流场施加在气体静压主轴上的压力分布；

S3、基于固体控制方程，先利用模态方法得到气体静压主轴系统在流固耦合作用下的系统固有频率，再建立气体静压主轴的运动控制方程；

S4、基于流固耦合控制方程，将步骤S2获得的压力分布数据和步骤S3中的运动控制方程耦合在一起，建立气体静压主轴的有限元模型；

S5、根据气体静压主轴的有限元模型，计算得到气体静压主轴的自激振动特性，并获得该气体静压主轴的自激振动曲线。

进一步地，所述步骤S2中，利用气体润滑原理和有限元方法，通过对气体静压主轴系统的气膜划分有限网格来模拟整个求解域，数值计算得到气体静压主轴的压力分布数据W的方法如下：

应用流体控制方程获得气体静压主轴气膜的压力分布情况，所述流体控制方程即连续性方程、动量方程和能量方程：

其中，为ρ为流体密度，t为时间，为速度；

p为流体微元体上的压强，为单位质量力，μ为气体黏性系数；

E为流体微团的总能，包含内能、动能和势能；k_eff为有效热传导系数，T为温度，J_j为组分j的扩散通量，τ_eff为有效黏性应力，S_h为体积热源项，h_j为流体部分的焓值；

div()是散度求解、grad是梯度求解、是梯度算子、是温差；

将控制方程改写成通用变量方程的形式：

其中，为通用变量，代表或T；

Γ为广义扩散系数，为广义源项；