基于熱固耦合分析的重型數控立車靜壓轉臺結構優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種計算機輔助分析工具領域的方法，具體地說，是涉及一種基于熱 固耦合分析的重型數控立車靜壓轉臺結構優化方法。
【背景技術】
[0002] 伴隨科學技術日新月異的高速發展，航空、航天、能源、船舶制造過程中對大型零 件加工要求越來越趨向于極端化，對重型數控機床加工的精度、承載能力、加工效率等都提 出了越來越高的要求。靜壓轉臺作為重型數控機床里面的關鍵核心部件，在車、銑、磨等重 型數控機床應用廣泛，目前受國內機床設計技術水平限制，導致重型機床靜壓轉臺在技術 指標上與國外先進產品存在較大差距，特別是對靜壓轉臺發熱機理及其熱態性能研究不夠 深入，因為在重載應用工況下，油膜發熱量隨著工作臺轉速的升高而升高，不僅導致數控轉 臺發生熱變形，直接影響重型數控機床加工精度，還會使承載油膜變薄，進而使靜壓轉臺由 于變形導致潤滑失效，由此限制了重型機床靜壓轉臺性能的改進和提升。
[0003] 目前對于重型數控立車靜壓轉臺的熱特性分析的研究甚少并且還存在諸多問題， 其熱交換邊界條件考慮的不夠全面同時也還沒有對其熱特性分析的準確計算方法。目前對 于重型數控立車靜壓轉臺熱態特性分析的方法主要有：
[0004] (1)理論分析方法，主要是在已有的一些經驗公式的基礎上進行改進（如雷諾方 程，粘度計算公式等），將改進以后的公式用于機床溫度場及變形場計算，或者將數學上一 些新興的、先進的數學原理或方法用于機床一些熱邊界條件的計算，如利用神經網絡方法 計算機床的對流換熱系數。
[0005] (2)試驗分析方法，主要是利用檢測溫度及變形的一些儀器，通過改變工況，直接 對重型機床關鍵部位的溫度場及變形場進行測量，分析各種因素對機床溫度場及變形場的 影響作用及規律。該方法得到的結果準確可靠，但是花費的時間、人力、物力都很大，受時 間、環境等各種條件限制，成本較大。
[0006] (3)有限元數值分析方法，主要利用有限元理論通過數值分析軟件（如ANSYS、 FLUENT等）模擬出重型機床各部件溫度分布情況以及由溫度變化引起的熱變形、熱應力、 熱應變等。該方法的優點是對于三維結構中一些不容易測得量，利用有限元數值分析方法 可以直接定量算出，且對于研究來說相對試驗方法成本很低。隨著數值模擬技術的發展已 日漸成熟，在熱變形分析領域得到廣泛應用，已經成為熱變形分析的重要手段。
[0007] 上述方法存在如下不足：
[0008] 在重型數控立車靜壓轉臺溫度場計算中，油液與轉臺、轉臺表面與空氣之間的對 流換熱系數對于溫度場分析精確與否至關重要，但目前多是利用簡化的經驗公式進行估 算，但在工程實踐中實際情況很復雜，在計算之前需要對模型邊界條件進行假設，通過假設 以后根據公式所計算的值與準確值之間存在較大偏差；
[0009] 在重型數控立車靜壓轉臺溫度場計算中，油墊中油液發熱后傳給轉臺的熱量多是 通過經驗公式計算出油膜平均溫升，將計算的平均溫升作為熱源加載到轉臺接觸位置。而 油墊內油液的溫度并不是處處相等的，因而與轉臺接觸位置的溫度不能簡單用一個平均溫 度代替，且油液傳入工作臺和底座的熱量也不一樣，這樣會影響到轉臺溫度場計算的準確 性，進而影響轉臺熱變形數值計算的精度；
[0010] 在進行重型數控立車靜壓轉臺結構優化中，多是以油膜承載力和剛度作為優化目 標，少數考慮到油膜溫升對轉臺性能影響的也是以總功率為優化目標間接分析，但是總功 率大并不表示油膜溫升一定高，這與油墊的結構、位置、數量等有關系。而直接影響機床加 工精度的是轉臺熱變形量，其不僅與油膜溫升有關，還與轉臺自身結構分布相關。
【發明內容】
[0011] 針對現有技術之不足，本發明提供了一種基于熱固耦合分析的重型數控立車靜壓 轉臺結構優化方法。本發明采用的技術方案如下：
[0012] -種基于熱固耦合分析的重型數控立車靜壓轉臺結構優化方法，其包括如下步 驟：
[0013] (S1)根據重型數控立車靜壓轉臺的結構及尺寸要求，在三維建模軟件中建立重 型數控立車靜壓轉臺的流固耦合模型，并定義重型數控立車靜壓轉臺的結構參數為參數變 量，得到重型數控立車靜壓轉臺的流固耦合參數化模型；
[0014] (S2)通過三維建模軟件和有限元分析軟件無縫接口，將所述步驟（S1)得到的重 型數控立車靜壓轉臺的流固耦合參數化模型導入有限元分析軟件的前處理軟件中，用參數 化的方式進行網格分網；
[0015] (S3)根據重型數控立車靜壓轉臺中油膜的產熱機理、熱交換類型以及油液熱量在 重型數控立車靜壓轉臺和環境之間的傳遞過程，計算重型數控立車靜壓轉臺的熱邊界條件 的初始值和重型數控立車靜壓轉臺與環境之間的對流換熱系數；
[0016] (S4)設置重型數控立車靜壓轉臺中工作臺、底座、油墊和油液及與重型數控立車 靜壓轉臺接觸的空氣的物理性能參數，并根據所述步驟（S3)中得到的重型數控立車靜壓 轉臺的熱邊界條件的初始值和重型數控立車靜壓轉臺與環境之間的對流換熱系數，對重型 立車靜壓轉臺及油膜溫度場進行分析，以確定重型數控立車靜壓轉臺承受的熱載荷及油膜 壓力；
[0017] (S5)根據重型數控立車靜壓轉臺的實際安裝情況以及承受力載荷情況，分析對工 作臺和底座固定約束與位移約束以及力載荷，同時將所述步驟（S4)中得到的油膜壓力及 重型數控立車靜壓轉臺承受的熱載荷加到工作臺上，計算得到重型數控立車靜壓轉臺的變 形場，以得到重型數控立車靜壓轉臺的最大熱變形量；
[0018] (S6)利用有限元分析軟件中的優化設計模塊中的響應面優化方法，指定重型數控 立車靜壓轉臺的結構參數、油墊尺寸參數、油液的物理性能參數為設計變量，定義重型數控 立車靜壓轉臺的最大熱變形量、油膜最高溫升、油膜承載力為優化目標，并設定各變量取值 范圍，進行優化計算，以得到優化后的結構參數及優化目標值。
[0019] 根據一個優選的實施方式，在所述步驟（S1)中，重型數控立車靜壓轉臺的流固耦 合模型為工作臺、油膜和底座之間的流固耦合模型；其中，油膜為油液在工作臺與設置于底 座中的油墊的接觸面形成的油膜。
[0020] 根據一個優選的實施方式，工作臺由臺面、第一周向筋板和第一徑向筋板組成；底 座由支撐面、第二周向筋板和第二徑向筋板組成；在底座設置有回油槽及油腔，油墊設置于 回油槽內；在所述步驟（S1)中，重型數控立車靜壓轉臺的結構參數包括第一周向筋板、第 二周向筋板距軸心距離及第一周向筋板、第二周向筋板的厚度和工作臺上第一徑向筋板的 數量；以及油墊距軸心距離、油墊封油邊寬度、油腔深度和回油槽高度。
[0021] 根據一個優選的實施方式，在所述步驟（S2)中，對重型數控立車靜壓轉臺的流固 耦合參數化模型進行網格劃分時，根據模型構成，將重型數控立車靜壓轉臺分成工作臺、油 膜、油墊、底座四部分，并對各部分分別進行六面體結構化網格劃分。
[0022] 根據一個優選的實施方式，在所述步驟（S3)中，重型數控立車靜壓轉臺的熱邊界 條件包括：底座底面設置為固定約束、轉臺與主軸接觸面的位移約束、轉臺自身重力和工件 重力、工作臺與油膜接觸位置壓力和底座與油膜接觸位置壓力。
[0023] 根據一個優選的實施方式，在所述步驟（S3)中，由下列公式計算重型數控