[发明专利]一种基于流固耦合分析的静压导轨设计方法

说明书

一种基于流固耦合分析的静压导轨设计方法。包括以下步骤：S1.建立结构体有限元模型和油膜流场的有限元模型；S2.计算槽内油压作为油垫的初始内边界条件；S3.推导偏微分控制方程的等效积分弱形式及其相应的边界条件；S4.建立流固耦合计算模型；S5对FSI有限元模型进行求解；S6.计算出各节流孔后对应的压力(Psubgt;ao/subgt;)；S7.将压力(Psubgt;ao/subgt;)与凹槽油压(Psubgt;op/subgt;)进行比较，直到Psubgt;ao/subgt;与Psubgt;op/subgt;的差值满足收敛条件，整个迭代计算结束。本发明考虑结构变形的影响建立了流固耦合计算模型，提高了计算精度和效率，分析静压导轨所面临的流固耦合问题及其对性能的影响，并通过刚度、变形、流量实验验证了流固耦合模型的有效性。

技术领域

本发明属于超精密装备制造技术领域，具体涉及一种基于流固耦合分析的静压导轨设计方法。

背景技术

静压导轨常用于精密进给驱动系统，在超精密机床上将刀具或工件定位到所需的位置。静压导轨具有高刚度和低阻尼的性能，可为超精密机床提供超精密运动。此外，液体静压导轨与传统滚动导轨相比具有低摩擦、承载大、直线精度高、无磨损、运动平稳无爬行的优势。

在超精密加工中，切削系统整体回路刚度对被加工零件的加工精度和表面质量有显著影响。在大多数情况下，静压导轨在设计阶段假定为刚体，没有任何结构变形。然而，实验测得的刚度与理论预测的刚度存在较大差异，这主要是由结构变形引起的流固相互作用(FSI)效应引起的。油膜受压引起固体结构变形，改变了油膜厚度和油垫上的压力分布，油膜厚度的变化对静压导轨的静力性能有很大影响。因此，在建模时应合理考虑FSI效应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有考虑结构变形的静压导轨设计方法在计算上难以收敛以及需要对固体变形和流场进行反复建模的问题，提出一种基于流固耦合分析的静压导轨设计方法，提高了计算精度和计算效率。

本发明所采取的技术方案是：

一种基于流固耦合分析的静压导轨设计方法，包括以下步骤：

S1.根据液体静压导轨结构参数建立结构体有限元模型和油膜流场的有限元模型，并对油膜的有限元模型进行预处理；

S2.采用集总法计算槽内油压作为油垫的初始内边界条件，油垫的外边界条件始终设置为大气压；

S3.推导偏微分控制方程的等效积分弱形式及其相应的边界条件，并进行有限元离散化；

S4.求解变形场和压力场相关的残差向量，采用Newton-Raphson迭代算法求解其切向刚度矩阵，建立流固耦合计算模型；

S5对FSI有限元模型进行求解；

S6.计算出各节流孔后对应的压力(P_ao)；

S7.将压力(P_ao)与最后给定的凹槽油压(P_op)进行比较，如果两者之间的差值大于收敛值，迭代过程将生成新的P_op并更新有限元模型油垫内部边界条件，有限元模型的下一步计算将继续进行，直到P_ao与P_op的差值满足收敛条件，整个迭代计算结束。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明考虑结构变形的影响建立了流固耦合计算模型，提高了计算精度和效率，分析静压导轨所面临的流固耦合问题及其对性能的影响，并通过刚度、变形、流量实验验证了流固耦合模型的有效性。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明不同供油压力下的X轴静压导轨刚度、上浮板变形量、流量的仿真值与测试值；