基于相变模型的动静压滑动轴承流固耦合设计方法

摘要

一种基于相变模型的动静压滑动轴承流固耦合设计方法，首先根据实际轴承尺寸要求，采用gambit软件建立含油腔结构的动静压滑动轴承的流体油膜以及固体的几何模型和网格计算模型。之后将网格导入ansa软件进行网格优化。然后将流体和固体计算模型分别导入CAE软件ADINA中相应的流体与结构计算模块，设定边界条件及求解控制参数后，进行流固耦合数值计算。在数值计算过程中加入相变公式，计算运转过程中产生的气泡问题。根据计算结果分析油膜及轴承的性能，之后调整腔结构及几何模型参数，得到满意的计算结果，从而为轴承结构设计提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动静压滑动轴承的设计方法，特别涉及一种利用流固耦合数值计算技术实现动静压滑动轴承性能参数优化设计方法。

背景技术

动静压滑动轴承系统能够在一定的工况下保持耦合系统的稳定运行，从而使主轴可以稳定的运转，达到承压、润滑的目的。尤其对于速度高，弹性变形大的高速动静压轴承，考虑耦合系统影响的流固耦合方法更能够真实反应轴承的运转工况。

目前大部分研究润滑油膜使用计算流体动力学（CFD）方法和雷诺方程法对滑动轴承进行计算，但是这些方法不考虑耦合系统的影响，不考虑轴颈和轴承对油膜压力的影响，计算出来的各项参数不能真实的反应轴承的运转工况，对轴承结构的优化设计有一定的影响，因此数值计算使用流固耦合（FSI）的方法是至关重要的。这种方法能够在转速和载荷的作用下自动确定偏心位置，而不需要事先给定偏心位置进行求解，因此，FSI方法更能真实的反应轴承的运转情况。

发明内容

本发明的目的在于克服传统方法无法真实反应轴承的运转状态，无法获取真实的轴承性能指标，提供了一种基于相变模型的动静压滑动轴承流固耦合设计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1）首先根据实际轴承尺寸要求，采用gambit软件建立含油腔结构的动静压滑动轴承的流体油膜以及固体的几何模型和网格计算模型；

2）之后将网格计算模型导入ansa软件进行网格优化；

3）然后将流体油膜以及固体的网格计算模型分别导入CAE软件ADINA中相应的流体与结构计算模块，设定边界条件，进行流固耦合数值计算，在数值计算过程中加入相变公式，计算运转过程中产生的气泡问题；

4）根据计算结果分析油膜及轴承的性能，之后调整腔结构及几何模型参数，得到所要设计的动静压滑动轴承。

本发明包括以下步骤：

第一步，几何模型的建立

据实际轴承尺寸要求，采用gambit软件建立含油腔结构的动静压滑动轴承的流体域几何模型即流体油膜几何模型以及固体域几何模型；

第二步，模型离散

在gambit软件中对建立的流体和固体几何模型进行几何离散，划分网格得到计算网格模型；

第三步，网格计算模型的优化

将计算网格模型导入ansa软件中，利用ansa软件的几何处理和网格处理功能，对流体和固体网格进行优化，对几何模型和网格模型存在的缺陷进行修补；

第四步，模型导入

将流体及固体的网格计算模型分别导入CAE计算软件ADINA相应的流体与结构计算模块，并分别设置流体、固体的材料参数，流体参数为不可压缩粘性流体，设置湍流模型；

第五步，边界条件设置

模型导入ADINA之后，在ADINA软件中设置流体域和固体域的边界条件；

在流体域中，设置7个边界条件，分别是两端进油孔的进油压力边界、前后圆柱端面为出油口边界、施加在内表面上的转速边界、内表面的流固耦合边界、内表面的滑移边界、外表面的流固耦合边界、整个流体域的相变边界；

在固体域中，设置5个边界条件，分别是轴瓦外边面的固定边界、轴瓦内表面的流固耦合边界、轴颈外表面的流固耦合边界、在轴颈上的动载载荷边界、轴颈的约束边界；

第六步，流固耦合数值计算

设置完边界条件之后，在ADINA中根据已知的边界条件和模型控制参数进行流固耦合计算；

设置计算过程中的模型控制参数，流固耦合采用迭代耦合分析方法，控制方程求解采用完全牛顿迭代方法，设置位移与压力收敛判据，流体控制方程求解采用有限体积方法，格式选用二阶空间离散，时间积分采用二阶composite积分格式，求解采用simple算法，设置变量收敛判据，固体分析采用隐式动力分析方法，有限元方法离散，二阶精度Bathe composite时间积分格式，完全牛顿迭代法计算，设置位移收敛判据；

第七步，后处理

计算完成后统计油膜压力值，轴瓦应力值，绘制轴心轨迹曲线以及气穴面积曲线图，并与设计要求进行对比：若计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成计算；否则返回第一步,修改模型参数重新计算直至满足设计要求，并记录已完成计算的模型参数及计算结果，为修改模型参数提供依据。

本发明首先根据实际轴承尺寸要求，采用gambit软件建立两腔结构的动静压滑动轴承的流体油膜以及固体的几何模型和网格计算模型。之后将网格导入ansa软件进行网格优化。然后将流体和固体计算模型分别导入CAE软件ADINA中相应的流体与结构计算模块，设定边界条件及求解控制参数后，进行流固耦合数值计算。在数值计算过程中加入相变公式，计算运转过程中产生的气泡问题。根据计算结果分析油膜及轴承的性能，之后调整腔结构及几何模型参数，得到满意的计算结果，从而为轴承结构设计提供依据。

附图说明

图1是本发明技术路线图；

图2是本发明动静压滑动轴承流体域计算几何模型图（一半）；

图3是本发明动静压滑动轴承固体域计算几何模型图（一半）；

图4是本发明在gambit中建立的网格计算模型（一半）；

图5是本发明在ansa中的优化网格模型（一半）；

图6是本发明动静压滑动轴承流固耦合导入ADINA中的流体域计算网格模型图（一半）；

图7是本发明动静压滑动轴承流固耦合导入ADINA中的固体域计算网格模型图（一半）；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明的过程如下：

1）首先根据动静压滑动轴承设计要求，采用gambit软件进行结构设计，建立动静压滑动轴承的流体区域几何模型及固体域几何模型；

2）之后在gambit软件中继续进行计算网格模型设计，建立网格单元；

3）将网格计算模型导入ansa中进行网格优化设计，对网格的缺陷和不足进行优化设计；

4）然后将优化过的网格计算模型导入CAE软件ADINA中，设定与实际工况相同的边界条件；

5）设置好所有的边界条件之后，输入求解控制参数，进行流固耦合数值计算；

6）根据计算结果调整几何模型参数，若符合设计要求完成设计，若不符合设计要求转步骤1）重新对结构设计进行优化，修改几何模型。

参见图2-图7，设计方法的具体过程如下：

第一步，几何模型的建立

参见图2、3，根据实际轴承尺寸要求，采用gambit软件建立含油腔结构的动静压滑动轴承的流体域几何模型以及固体域几何模型；

第二步，模型离散

参见图4，在gambit软件中对建立的几何模型进行几何离散，划分网格得到计算网格模型；

第三步，网格计算模型的优化

参见图5，将计算网格模型导入ansa软件中，利用ansa软件的几何处理和网格处理功能，对流体和固体网格进行优化，对几何模型和网格模型存在的缺陷进行修补；

第四步，模型导入

参见图6、7，将流体及固体的网格计算模型分别导入CAE计算软件ADINA相应的流体与结构计算模块，并分别设置流体、固体的材料参数，流体参数为不可压缩粘性流体，设置湍流模型；

第五步，边界条件设置

模型导入ADINA之后，在ADINA软件中设置流体域和固体域的边界条件；

在流体域中，设置7个边界条件，分别是两端进油孔的进油压力边界、前后圆柱端面为出油口边界、施加在内表面上的转速边界、内表面的流固耦合边界、内表面的滑移边界、外表面的流固耦合边界、整个流体域的相变边界；

在固体域中，设置5个边界条件，分别是轴瓦外边面的固定边界、轴瓦内表面的流固耦合边界、轴颈外表面的流固耦合边界、在轴颈上的动载载荷边界、轴颈的约束边界；

第六步，流固耦合数值计算

设置完边界条件之后，在ADINA中根据已知的边界条件和模型控制参数进行流固耦合计算；

设置计算过程中的模型控制参数，流固耦合采用迭代耦合分析方法，控制方程求解采用完全牛顿迭代方法，设置位移与压力收敛判据，流体控制方程求解采用有限体积方法，格式选用二阶空间离散，时间积分采用二阶composite积分格式，求解采用simple算法，设置变量收敛判据，固体分析采用隐式动力分析方法，有限元方法离散，二阶精度Bathe composite时间积分格式，完全牛顿迭代法计算，设置位移收敛判据；

第七步，后处理

计算完成后统计油膜压力值，轴瓦应力值，绘制轴心轨迹曲线以及气穴面积曲线图，并与设计要求进行对比：若计算结果与设计要求偏差在设计精度要求允许范围内，则完成计算；否则返回第一步,修改模型参数重新计算直至满足设计要求，并记录已完成计算的模型参数及计算结果，为修改模型参数提供依据。