一种基于MATLAB-ANSYS软件的静压溜板流固耦合工作性能的计算方法与流程

本发明是一种基于matlab-ansys软件的静压溜板流固耦合工作性能的计算方法，属于机械设计与制造领域。

背景技术：

静压溜板是精密超精密重型高档数控机床的关键部件，它对重型机床滑枕起到支撑作用，并带动滑枕沿横梁进行直线运动。由于静压支承具有低摩擦、高承载能力以及运动精度高等优点，已被广泛应用于各个重型机械部件制造行业。国外对于静压技术的研究较早，产品已经覆盖各个部位，已有了成熟的制造技术和产品。国内的研究虽然略迟，但在改革开放的潮流下，大力引进国外技术，学习先进经验，加上国家的支持，科研工作者的不懈努力下也有了较大的发展。近年来，已经有很多专家学者对静压溜板做了相当的研究。但由于静压溜板在运动过程中不仅要受到溜板、滑枕以及各种零部件的重力作用，同时也要受到加工零件时的切削力作用，因此溜板本身也会产生变形。在以往的设计计算中都把溜板简化为刚体来算，忽略了溜板本身变形和油膜厚度变化之间的这种相互耦合作用对溜板工作性能的影响。所以必须要对这种耦合作用进行深入研究，以提高静压溜板的设计，提高其工作性能和寿命。因此本专利发明了一种基于流固耦合作用的静压溜板工作性能的计算方法，可以对静压溜板的设计制造提供更好的设计方法，使其具有更好的工作性能。

技术实现要素：

本发明主要针对静压滑座工作性能发明设计了基于matlab-ansys软件的静压溜板流固耦合变形的计算方法。该方法主要特点是在静压溜板工作性能的计算过程中考虑了溜板本身变形和油膜厚度变化之间的这种相互耦合作用，并计算了溜板上各个油腔的压力分布。

本发明所要解决的技术难题通过以下方案来实现：

步骤1根据立式龙门机床静压溜板的结构，如图1，利用建模绘图软件建立静压溜板的三维模型。根据立式龙门机床静压溜板的运动状况确定静压溜板上静压油垫受力大小。

步骤2在matlab中通过单个定量式矩形静压油垫计算模型得到静压油垫压力分布及基础油膜厚度。

步骤3根据有限元方法，在ansys中对静压溜板进行网格划分，通过网格划分中特殊节点确定油垫具体位置。

步骤4将步骤2中计算得到的压力分布加载到步骤3划分好的模型上得到静压溜板结构变形量。

步骤5将步骤4得到的变形量作为油膜厚度变化量代入步骤2中，计算出新的压力分布及基础油膜厚度。

步骤6将步骤2至步骤5循环迭代，形成耦合计算模型。当基础油膜厚度数值变化量小于计算精度即可认为模型得到稳定解，耦合计算结束。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在matlab中根据单油垫的边界条件以雷诺方程为基础计算油垫压力分布及油膜厚度，依靠ansys强大的有限元计算能力计算静压溜板的实际变形，二者结合形成流固耦合分析模型。这种方法综合考虑了溜板自身变形对油膜厚度的影响以及油膜厚度变化引起的溜板自身变形，这种方法与实际工况最为符合，得到的结果最为准确，弥补了把溜板视为刚体时没有考虑溜板自身变形的静压溜板工作性能的不足。

附图说明

图1为本发明立式龙门机床静压溜板结构图；

图2为本发明静压油垫结构图；

图3为本发明重型龙门机床静压溜板静压油膜流固耦合计算关系图；

图4为本发明重型龙门机床静压溜板有限元分析网格图；

图5是重型龙门机床静压溜板流固耦合计算设计流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

步骤1根据实际建立溜板与矩形静压油垫的三维模型。如图2，静压油垫长l宽b，单个静压油垫上负载压力为f；

步骤2建立单个定量式矩形静压油垫的计算模型。根据油垫负载及供油流量来计算静压油垫的承载力及油膜厚度的定量式矩形静压油垫计算模型。

矩形油垫的承载力计算采用雷诺方程求解；

将雷诺方程：

对压强p进行差分求解，在矩形静压油垫上进行网格划分，x方向以间距δx划分为1～m号节点,y方向以间距δy划分为1～n号节点，z方向以间距δz划分为1～k号节点。由于静压油膜很薄，假设在z方向上没有压力变化。获得差分后的雷诺方程：

其中：pi,j是节点(i，j)的压强，i为1～m，j为1～n；

δx：x方向单个网格长度；

δy：y方向单个网格长度；

hi,j：节点(i，j)的油膜厚度；

节点(i，j)的x方向溜板移动速度；

节点(i，j)的y方向溜板移动速度；

μ：液体粘度；

为了进行耦合计算，如图2将油膜厚度hi,j拆分为：

hi,j＝hsi,j+δhi,j

其中：hsi,j是节点(i，j)的基础油膜厚度；

δhi,j是节点(i，j)由于溜板变形引起的油膜厚度变化量；

边界条件：设油腔内压强p＝1；

封油边外沿压强p＝0；

封油边油膜厚度hs＝1,δh＝0即hi,j＝hs＝1；

将边界条件代入差分后的雷诺方程即可得到各点压强pi,j分布；

矩形静压油垫的总负载为：

静压油垫油腔内压强p0为

各点的实际压强pi,j＝p0pi,j；

各点的实际压力wi,j＝pi,jδxδy；

x方向的液体流速

离散化x方向的液体流速

y方向的液体流速

离散化x方向的液体流速

油垫的出油流量

根据已知的进油流量q0，使q＝q0即可求出油膜厚度hs；

步骤3将静压溜板在ansys中进行有限元网格划分。在静压溜板的静压油垫安装位置，使ansys网格与静压油垫的差分网格完全一致，即ansys网格与静压油垫的网格间距相同，节点数一致，空间上能够一一对应。

步骤4将matlab中计算的节点压力wi,j作为载荷施加到网格划分后的模型节点上。将模型节点进行位移约束，进行求解。

步骤5输出ansys的变形计算结果。把将压溜板膜厚方向的变形位移δhi,j输出到matlab中，作为油膜厚度的改变量，计算出新的压力分布，再次得出hsi,j。

步骤6将步骤2至步骤5循环迭代，形成耦合计算模型。当hs数值变化量δhs小于计算精度ca即可认为模型得到稳定解，耦合计算结束。