[发明专利]基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法及系统

权利要求书

1.一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取空气静压主轴的特征参数以及初始工况参数；

S2，基于S1空气静压主轴实体特征参数及工况参数，建立空气静压主轴结构模型，将空气静压主轴的热载荷施加到相应的主轴结构上得到空气静压主轴的热固耦合数字孪生模型；

S3，基于S2空气静压主轴结构模型，将电磁力载荷作用在空气静压主轴转子电机支撑位置处得到空气静压主轴的电磁固耦合数字孪生模型；

S4，基于S2和S3，计算出温度场与电磁场耦合作用下空气轴承的承载力和承载力矩，将空气轴承的承载力和承载力矩施加在转子-轴承结合面上得到空气静压主轴的流固耦合数字孪生模型；

S5，基于S2中空气静压主轴的热固耦合数字孪生模型、S3中空气静压主轴的电磁固耦合数字孪生模型以及S4中空气静压主轴的流固耦合数字孪生模型，实现热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型之间的动态交互作用，建立电-磁-气-固-热多物理场耦合作用下空气静压主轴多物理场数字孪生模型；

S6，将S5中空气静压主轴多物理场数字孪生模型与主轴物理实体之间的数据和信息进行交互融合，对空气静压主轴多物理场数字孪生模型进行修正和验证；

S7，基于修正后的空气静压主轴多物理场数字孪生模型模拟其运行过程中，内部多场交互耦合作用对空气静压主轴的动力学特性和振动响应影响规律。

2.根据权利要求1所述的基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法，其特征在于，S1中所述特征参数包括径向/止推空气静压轴承、主轴转子、电机、壳体以及冷却装置的几何结构参数及所用材料特性；所述几何结构参数从空气静压主轴的设计图纸文件中获取，所述初始工况参数是指空气静压主轴物理实体的工作转速、供气压强以及负载。

3.根据权利要求1所述的基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法，其特征在于，S2中所述主轴热载荷包括电机产热、空气轴承的气体摩擦产热以及热量耗散；

所述电机的产热包括定子铁芯和绕组生热，其计算公式分别表示为：

P_Cu＝T²Fa/K_m²

式中，P_Fe为定子铁芯生热，P_Cu为绕组生热，K_a是修正系数，P是硅钢片单位重量铁损值，B是气隙磁密，f是交变频率，T是电机转矩，Fa＝1.405是绕组电阻随温度的变化系数，K_m是电机常数；

所述空气轴承的气体摩擦产热包括空气静压径向轴承和止推轴承的气体摩擦生热量：

式中，Q_J为径向轴承气体摩擦生热量，Q_T为止推轴承气体摩擦生热量，η是气体的运动粘性系数，ω是旋转角速度，L是径向轴承的长度，D是径向轴承的直径，h是轴承的气膜厚度，r₁是止推轴承的外径，r₁是止推轴承的内径；

所述热量耗散是指通过确定空气轴承、气膜、主轴转子、电机转子、冷却水、电机定子、电机冷却套以及主轴壳体核心部件之间的传热方式以及传热系数，对空气静压主轴内部热量传递与流失进行计算。

4.根据权利要求1所述的基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法，其特征在于，S3中所述电磁载荷是指电机定子与转子气隙内的电磁场产生的径向电磁力，所述径向电磁力是根据麦克斯韦电磁场定律计算得到，在电机转子与定子气隙中单位面积上的瞬时径向电磁力f(θ,t)为：

式中，θ是圆周角度，t是时间，b(θ,t)是瞬时磁通量密度，μ₀＝4π×10^-7H/m是真空磁导率。