[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

说明书

本发明公开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及系统，首先基于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；根据主轴温度场分布得到热固耦合数字孪生模型；根据电机电磁场分布得到电磁固耦合数字孪生模型；根据空气轴承流体场分布得到流固耦合数字孪生模型；然后对热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型进行动态交互耦合，建立电‑磁‑气‑固‑热多物理场耦合作用下空气静压主轴数字孪生模型；最后将主轴数字孪生虚拟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，从而获得能够实时同步的空气静压主轴多物理场数字孪生模型。

技术领域

本发明属于机械诊断智能化与数字化技术领域，具体涉及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及系统。

背景技术

空气静压主轴具有摩擦小、转速快、回转精度高、无污染以及寿命长等优点，被广泛应用在超精密加工领域。然而，空气静压主轴是一个复杂的电-磁-气-固-热多物理场耦合系统，主轴结构与电磁场、流体场、温度场之间互相耦合作用，导致系统中形成多维复杂的局部反馈环，使得主轴系统动力学特性具有很强的非线性和交叉耦合特征，这成为制约空气静压主轴高速高效超精密加工的瓶颈。所以，如何通过建立高保真空气静压主轴模型，从本质上揭示主轴内部多场耦合机理，提高空气静压主轴多物理场数字孪生模型的准确性，成为了亟需解决的问题。

目前空气静压主轴动力学建模方法大多主要针对单一物理场如温度场、电磁场或流体场，建立了空气静压主轴动力学模型。浙江工业大学陈国达建立了5自由度的空气轴承-转子耦合动力学模型，分析了不平衡电磁力、气膜压强分布对主轴转子稳定性的影响(Chen G,Chen Y, Lu Q,et al.Multi-Physics Fields Based Nonlinear DynamicBehavior Analysis of Air Bearing Motorized Spindle[J].Micromachines,2020,11(8):723.)。该研究忽略了主轴温度场对空气静压主轴动力学特性的影响。数字孪生是一门新兴的具有高保真特性的技术，基于数字化形式在信息空间创建一个与物理实体等价的虚拟模型，通过数据与信息的融合交互实现虚拟模型高保真模拟物理实体行为。上海理工大学徐荣飞和范开国提出基于数字孪生的电主轴热特性分析方法，对主轴关键测温点温度的热边界条件进行修正，实现物理空间与虚拟空间数据映射及热特性数字孪生(徐荣飞,范开国.数字孪生的电主轴热特性研究[J].中国机械工程,2022:1-9)。

经过文献调研可以发现，目前大多数研究主要针对空气静压主轴动力学模型的单一物理场进行了分析，由于空气静压主轴多场耦合模型的复杂度高，计算量大且实验验证困难，仅有个别研究考虑了两个物理场之间的耦合效应，空气静压主轴内部多场耦合机理尚不清楚。所以，急需开展空气静压主轴多物理场数字孪生模型研究，从本质上揭示主轴内部多场耦合机理，提高空气静压主轴多物理场数字孪生模型的准确性。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明公开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，实现空气静压主轴内部温度场、电磁场、流体场与主轴结构动态交互耦合，从而获得空气静压主轴高精度仿真结果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：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，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；