基于热固耦合分析的重型数控立车静压转台结构优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种计算机辅助分析工具领域的方法，具体地说，是涉及一种基于热 固耦合分析的重型数控立车静压转台结构优化方法。
【背景技术】
[0002] 伴随科学技术日新月异的高速发展，航空、航天、能源、船舶制造过程中对大型零 件加工要求越来越趋向于极端化，对重型数控机床加工的精度、承载能力、加工效率等都提 出了越来越高的要求。静压转台作为重型数控机床里面的关键核心部件，在车、铣、磨等重 型数控机床应用广泛，目前受国内机床设计技术水平限制，导致重型机床静压转台在技术 指标上与国外先进产品存在较大差距，特别是对静压转台发热机理及其热态性能研究不够 深入，因为在重载应用工况下，油膜发热量随着工作台转速的升高而升高，不仅导致数控转 台发生热变形，直接影响重型数控机床加工精度，还会使承载油膜变薄，进而使静压转台由 于变形导致润滑失效，由此限制了重型机床静压转台性能的改进和提升。
[0003] 目前对于重型数控立车静压转台的热特性分析的研究甚少并且还存在诸多问题， 其热交换边界条件考虑的不够全面同时也还没有对其热特性分析的准确计算方法。目前对 于重型数控立车静压转台热态特性分析的方法主要有：
[0004] (1)理论分析方法，主要是在已有的一些经验公式的基础上进行改进（如雷诺方 程，粘度计算公式等），将改进以后的公式用于机床温度场及变形场计算，或者将数学上一 些新兴的、先进的数学原理或方法用于机床一些热边界条件的计算，如利用神经网络方法 计算机床的对流换热系数。
[0005] (2)试验分析方法，主要是利用检测温度及变形的一些仪器，通过改变工况，直接 对重型机床关键部位的温度场及变形场进行测量，分析各种因素对机床温度场及变形场的 影响作用及规律。该方法得到的结果准确可靠，但是花费的时间、人力、物力都很大，受时 间、环境等各种条件限制，成本较大。
[0006] (3)有限元数值分析方法，主要利用有限元理论通过数值分析软件（如ANSYS、 FLUENT等）模拟出重型机床各部件温度分布情况以及由温度变化引起的热变形、热应力、 热应变等。该方法的优点是对于三维结构中一些不容易测得量，利用有限元数值分析方法 可以直接定量算出，且对于研究来说相对试验方法成本很低。随着数值模拟技术的发展已 日渐成熟，在热变形分析领域得到广泛应用，已经成为热变形分析的重要手段。
[0007] 上述方法存在如下不足：
[0008] 在重型数控立车静压转台温度场计算中，油液与转台、转台表面与空气之间的对 流换热系数对于温度场分析精确与否至关重要，但目前多是利用简化的经验公式进行估 算，但在工程实践中实际情况很复杂，在计算之前需要对模型边界条件进行假设，通过假设 以后根据公式所计算的值与准确值之间存在较大偏差；
[0009] 在重型数控立车静压转台温度场计算中，油垫中油液发热后传给转台的热量多是 通过经验公式计算出油膜平均温升，将计算的平均温升作为热源加载到转台接触位置。而 油垫内油液的温度并不是处处相等的，因而与转台接触位置的温度不能简单用一个平均温 度代替，且油液传入工作台和底座的热量也不一样，这样会影响到转台温度场计算的准确 性，进而影响转台热变形数值计算的精度；
[0010] 在进行重型数控立车静压转台结构优化中，多是以油膜承载力和刚度作为优化目 标，少数考虑到油膜温升对转台性能影响的也是以总功率为优化目标间接分析，但是总功 率大并不表示油膜温升一定高，这与油垫的结构、位置、数量等有关系。而直接影响机床加 工精度的是转台热变形量，其不仅与油膜温升有关，还与转台自身结构分布相关。
【发明内容】
[0011] 针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于热固耦合分析的重型数控立车静压 转台结构优化方法。本发明采用的技术方案如下：
[0012] -种基于热固耦合分析的重型数控立车静压转台结构优化方法，其包括如下步 骤：
[0013] (S1)根据重型数控立车静压转台的结构及尺寸要求，在三维建模软件中建立重 型数控立车静压转台的流固耦合模型，并定义重型数控立车静压转台的结构参数为参数变 量，得到重型数控立车静压转台的流固耦合参数化模型；
[0014] (S2)通过三维建模软件和有限元分析软件无缝接口，将所述步骤（S1)得到的重 型数控立车静压转台的流固耦合参数化模型导入有限元分析软件的前处理软件中，用参数 化的方式进行网格分网；
[0015] (S3)根据重型数控立车静压转台中油膜的产热机理、热交换类型以及油液热量在 重型数控立车静压转台和环境之间的传递过程，计算重型数控立车静压转台的热边界条件 的初始值和重型数控立车静压转台与环境之间的对流换热系数；
[0016] (S4)设置重型数控立车静压转台中工作台、底座、油垫和油液及与重型数控立车 静压转台接触的空气的物理性能参数，并根据所述步骤（S3)中得到的重型数控立车静压 转台的热边界条件的初始值和重型数控立车静压转台与环境之间的对流换热系数，对重型 立车静压转台及油膜温度场进行分析，以确定重型数控立车静压转台承受的热载荷及油膜 压力；
[0017] (S5)根据重型数控立车静压转台的实际安装情况以及承受力载荷情况，分析对工 作台和底座固定约束与位移约束以及力载荷，同时将所述步骤（S4)中得到的油膜压力及 重型数控立车静压转台承受的热载荷加到工作台上，计算得到重型数控立车静压转台的变 形场，以得到重型数控立车静压转台的最大热变形量；
[0018] (S6)利用有限元分析软件中的优化设计模块中的响应面优化方法，指定重型数控 立车静压转台的结构参数、油垫尺寸参数、油液的物理性能参数为设计变量，定义重型数控 立车静压转台的最大热变形量、油膜最高温升、油膜承载力为优化目标，并设定各变量取值 范围，进行优化计算，以得到优化后的结构参数及优化目标值。
[0019] 根据一个优选的实施方式，在所述步骤（S1)中，重型数控立车静压转台的流固耦 合模型为工作台、油膜和底座之间的流固耦合模型；其中，油膜为油液在工作台与设置于底 座中的油垫的接触面形成的油膜。
[0020] 根据一个优选的实施方式，工作台由台面、第一周向筋板和第一径向筋板组成；底 座由支撑面、第二周向筋板和第二径向筋板组成；在底座设置有回油槽及油腔，油垫设置于 回油槽内；在所述步骤（S1)中，重型数控立车静压转台的结构参数包括第一周向筋板、第 二周向筋板距轴心距离及第一周向筋板、第二周向筋板的厚度和工作台上第一径向筋板的 数量；以及油垫距轴心距离、油垫封油边宽度、油腔深度和回油槽高度。
[0021] 根据一个优选的实施方式，在所述步骤（S2)中，对重型数控立车静压转台的流固 耦合参数化模型进行网格划分时，根据模型构成，将重型数控立车静压转台分成工作台、油 膜、油垫、底座四部分，并对各部分分别进行六面体结构化网格划分。
[0022] 根据一个优选的实施方式，在所述步骤（S3)中，重型数控立车静压转台的热边界 条件包括：底座底面设置为固定约束、转台与主轴接触面的位移约束、转台自身重力和工件 重力、工作台与油膜接触位置压力和底座与油膜接触位置压力。
[0023] 根据一个优选的实施方式，在所述步骤（S3)中，由下列公式计算重型数控