基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法及系统

1.本发明属于机械诊断智能化与数字化技术领域，具体涉及一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法及系统。


背景技术：

2.空气静压主轴具有摩擦小、转速快、回转精度高、无污染以及寿命长等优点，被广泛应用在超精密加工领域。然而，空气静压主轴是一个复杂的电-磁-气-固-热多物理场耦合系统，主轴结构与电磁场、流体场、温度场之间互相耦合作用，导致系统中形成多维复杂的局部反馈环，使得主轴系统动力学特性具有很强的非线性和交叉耦合特征，这成为制约空气静压主轴高速高效超精密加工的瓶颈。所以，如何通过建立高保真空气静压主轴模型，从本质上揭示主轴内部多场耦合机理，提高空气静压主轴多物理场数字孪生模型的准确性，成为了亟需解决的问题。
3.目前空气静压主轴动力学建模方法大多主要针对单一物理场如温度场、电磁场或流体场，建立了空气静压主轴动力学模型。浙江工业大学陈国达建立了5自由度的空气轴承-转子耦合动力学模型，分析了不平衡电磁力、气膜压强分布对主轴转子稳定性的影响(chen g,chen y, lu q,et al.multi-physics fields based nonlinear dynamic behavior analysis of air bearing motorized spindle[j].micromachines,2020,11(8):723.)。该研究忽略了主轴温度场对空气静压主轴动力学特性的影响。数字孪生是一门新兴的具有高保真特性的技术，基于数字化形式在信息空间创建一个与物理实体等价的虚拟模型，通过数据与信息的融合交互实现虚拟模型高保真模拟物理实体行为。上海理工大学徐荣飞和范开国提出基于数字孪生的电主轴热特性分析方法，对主轴关键测温点温度的热边界条件进行修正，实现物理空间与虚拟空间数据映射及热特性数字孪生(徐荣飞,范开国.数字孪生的电主轴热特性研究[j].中国机械工程,2022:1-9)。
[0004]
经过文献调研可以发现，目前大多数研究主要针对空气静压主轴动力学模型的单一物理场进行了分析，由于空气静压主轴多场耦合模型的复杂度高，计算量大且实验验证困难，仅有个别研究考虑了两个物理场之间的耦合效应，空气静压主轴内部多场耦合机理尚不清楚。所以，急需开展空气静压主轴多物理场数字孪生模型研究，从本质上揭示主轴内部多场耦合机理，提高空气静压主轴多物理场数字孪生模型的准确性。


技术实现要素：

[0005]
为解决现有技术中存在的问题，本发明公开一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法，实现空气静压主轴内部温度场、电磁场、流体场与主轴结构动态交互耦合，从而获得空气静压主轴高精度仿真结果。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法，包括以下步骤：
[0007]
s1，获取空气静压主轴的特征参数以及初始工况参数；
[0008]
s2，基于s1空气静压主轴实体特征参数及工况参数，建立空气静压主轴结构模型，将空气静压主轴的热载荷施加到相应的主轴结构上得到空气静压主轴的热固耦合数字孪生模型；
[0009]
s3，基于s2空气静压主轴结构模型，将电磁力载荷作用在空气静压主轴转子电机支撑位置处得到空气静压主轴的电磁固耦合数字孪生模型；
[0010]
s4，基于s2和s3，计算出温度场与电磁场耦合作用下空气轴承的承载力和承载力矩，将空气轴承的承载力和承载力矩施加在转子-轴承结合面上得到空气静压主轴的流固耦合数字孪生模型；
[0011]
s5，基于s2中空气静压主轴的热固耦合数字孪生模型、s3中空气静压主轴的电磁固耦合数字孪生模型以及s4中空气静压主轴的流固耦合数字孪生模型，实现热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型之间的动态交互作用，建立电-磁-气-固-热多物理场耦合作用下空气静压主轴多物理场数字孪生模型；
[0012]
s6，将s5中空气静压主轴多物理场数字孪生模型与主轴物理实体之间的数据和信息进行交互融合，对空气静压主轴多物理场数字孪生模型进行修正和验证；
[0013]
s7，基于修正后的空气静压主轴多物理场数字孪生模型模拟其运转过程中，内部多场交互耦合作用对空气静压主轴的动力学特性和振动响应影响规律。
[0014]
s1中所述特征参数包括径向/止推空气静压轴承、主轴转子、电机、壳体以及冷却装置的几何结构参数及所用材料特性；所述几何结构参数从空气静压主轴的设计图纸文件中获取，所述初始工况参数是指空气静压主轴物理实体的工作转速、供气压强以及负载。
[0015]
s2中所述主轴热载荷包括电机产热、空气轴承的气体摩擦产热以及热量耗散；
[0016]
所述电机的产热包括定子铁芯和绕组生热，其计算公式分别表示为：
[0017]
p
cu
＝t2fa/k
m2
[0018]
式中，p
fe
为定子铁芯生热，p
cu
为绕组生热，ka是修正系数，p是硅钢片单位重量铁损值， b是气隙磁密，f是交变频率，t是电机转矩，fa＝1.405是绕组电阻随温度的变化系数，km是电机常数；
[0019]
所述空气轴承的气体摩擦产热包括空气静压径向轴承和止推轴承的气体摩擦生热量：
[0020][0021]
式中，qj为径向轴承气体摩擦生热量，q
t
为止推轴承气体摩擦生热量，η是气体的运动粘性系数，ω是旋转角速度，l是径向轴承的长度，d是径向轴承的直径，h是轴承的气膜厚度， r1是止推轴承的外径，r1是止推轴承的内径；
[0022]
所述热量耗散是指通过确定空气轴承、气膜、主轴转子、电机转子、冷却水、电机定子、电机冷却套以及主轴壳体核心部件之间的传热方式以及传热系数，对空气静压主轴内部热量传递与流失进行计算。
[0023]
s3中所述电磁载荷是指电机定子与转子气隙内的电磁场产生的径向电磁力，所述径向电磁力是根据麦克斯韦电磁场定律计算得到，在电机转子与定子气隙中单位面积上的瞬时径向电磁力f(θ,t)为：
[0024][0025]
式中，θ是圆周角度，t是时间，b(θ,t)是瞬时磁通量密度，μ0＝4π
×
10-7
h/m是真空磁导率。
[0026]
s4中所述空气轴承承载力和承载力矩是采用有限差分法对气体润滑雷诺方程进行求解，将求解得到的气膜压强沿着空气轴承表面进行积分，计算得到空气轴承的承载力和承载力矩；空气轴承的气体润滑雷诺方程为：
[0027][0028]
式中，p是气膜压强，h是气膜厚度，η是气体的运动粘性系数，r是轴颈的半径，ω是轴颈的角速度，θ是轴承的周向角度。
[0029]
s5中所述实现热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型之间的动态交互作用，是指在时刻ti时由于温度场以及电磁场综合作用的影响，主轴转子发生挠性变形，会引起空气轴承气膜厚度分布发生变化，求解雷诺方程计算空气轴承的承载力和承载力矩，然后将空气轴承的承载力和承载力矩反馈回空气静压主轴动力学模型中，将其施加在空气轴承-转子相应的支承节点上，接着进行下一时刻t
i 1
迭代计算，直至主轴系统达到稳定状态。
[0030]
s6中所述对空气静压主轴多物理场数字孪生模型进行修正和验证，通过监测空气静压主轴在实际运行过程中主轴转子的振动、热变形以及固有频率参数，将这些参数与基于空气静压主轴数字孪生模型的计算结果进行对比，计算二者的偏差，根据数据偏差对主轴数字孪生模型进行修正，从而获得能够实时同步的空气静压主轴多物理场数字孪生模型。
[0031]
另一方面，本发明提供一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟系统，参数获取模块、热固耦合数字孪生模型建立模块、电磁固耦合数字孪生模型构建模块、流固耦合数字孪生模型构建模块、耦合模块、修正模块以及模拟模块；
[0032]
参数获取模块用于获取空气静压主轴的特征参数以及初始工况参数；
[0033]
热固耦合数字孪生模型建立模块用于根据空气静压主轴实体特征参数及工况参数，建立空气静压主轴结构模型，将空气静压主轴的热载荷施加到相应的主轴结构上得到空气静压主轴的热固耦合数字孪生模型；
[0034]
电磁固耦合数字孪生模型构建模块用于根据空气静压主轴结构模型，将电磁力载荷作用在空气静压主轴转子电机支撑位置处得到空气静压主轴的电磁固耦合数字孪生模型；
[0035]
流固耦合数字孪生模型构建模块用于基于所述热固耦合数字孪生模型和磁固耦合数字孪生模型计算出温度场与电磁场耦合作用下空气轴承的承载力和承载力矩，将空气轴承的承载力和承载力矩施加在转子-轴承结合面上得到空气静压主轴的流固耦合数字孪生模型；
[0036]
耦合模块基于空气静压主轴的热固耦合数字孪生模型、电磁固耦合数字孪生模型以及流固耦合数字孪生模型，实现热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型之间的动态交互作用，建立电-磁-气-固-热多物理场耦合作用下空气静压主轴多物理场数字孪生模型；
[0037]
修正模块用于将空气静压主轴多物理场数字孪生模型与主轴物理实体之间的数据和信息进行交互融合，对空气静压主轴多物理场数字孪生模型进行修正和验证；
[0038]
模拟模块基于修正后的空气静压主轴多物理场数字孪生模型模拟其运转过程中，内部多场交互耦合作用对空气静压主轴的动力学特性和振动响应影响规律。
[0039]
本发明还提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本发明所述基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法。
[0040]
同时提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法。
[0041]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0042]
通过本发明提出的一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法，不仅能够提高多物理场耦合作用下空气静压主轴动力学模型准确性，而且能够促进数字孪生技术在实际工况中的应用；
[0043]
本发明建立了空气静压主轴统一物理场模型，实现主轴热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型之间的动态交互作用，揭示主轴结构与温度场、电磁场、流体场之间耦合机理，从而获得更加准确的仿真结果；
[0044]
通过监测空气静压主轴在实际运行过程中主轴转子的振动、热变形、固有频率参数对空气静压主轴多物理场数字孪生模型进行修正和验证，从而获得能够实时同步的空气静压主轴多物理场数字孪生模型。提高空气静压主轴数字孪生模型的准确性，为实时跟踪空气静压主轴实际运行状态奠定了良好的基础。
附图说明
[0045]
图1是本发明描述的一种空气静压主轴多物理场数字孪生模型示意图；
[0046]
图2是一种空气静压主轴数字孪生模型与物理实体之间的信息交互融合示意图；
[0047]
图3是一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法技术路线图；
具体实施方式
[0048]
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
[0049]
现有的空气静压主轴多物理场耦合动力学建模研究存在以下问题：目前大多数研究主要针对单一物理场如温度场、电磁场或流体场，建立空气静压主轴动力学模型。由于空气静压主轴多场耦合模型的复杂度高，计算量大且实验验证困难，仅有个别研究考虑了两个物理场之间的耦合效应，空气静压主轴内部多场耦合机理尚不清楚。针对以上问题，本发明开展空气静压主轴多物理场数字孪生模型，充分考虑主轴结构与温度场、电磁场、流体场之间的动态耦合作用，从本质上揭示主轴内部多场耦合机理，实现高保真空气静压主轴动力学模型，如图1所示。
[0050]
如图2和图3所示，本发明提出的一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法，包括以下步骤：
[0051]
s1，获取空气静压主轴(物理实体)的特征参数以及初始工况参数；所述特征参数
包括径向/止推空气静压轴承、主轴转子、电机、壳体以及冷却装置的几何结构参数及所用材料特性；所述几何结构参数从空气静压主轴的设计图纸文件中获取。所述初始工况参数是指空气静压主轴物理实体的工作转速、供气压强以及负载。
[0052]
s2，基于s1空气静压主轴实体特征参数及工况参数，建立空气静压主轴结构模型，将主轴的热载荷施加到相应的主轴结构上得到空气静压主轴热固耦合数字孪生模型。所述主轴热载荷包括电机产热、空气轴承的气体摩擦产热以及热量耗散。所述电机的产热主要包括定子铁芯生热p
fe
和绕组生热p
cu
，其计算公式分别表示为：
[0053]
p
cu
＝t2fa/k
m2
[0054]
所述空气轴承的气体摩擦产热包括空气静压径向轴承气体摩擦生热量qj和止推轴承气体摩擦生热量q
t
：
[0055][0056]
所述热量耗散是指通过确定空气轴承、气膜、主轴转子、电机转子、冷却水、电机定子、电机冷却套以及主轴壳体核心部件之间的传热方式以及传热系数，对空气静压主轴内部热量传递与流失进行计算。
[0057]
s3，基于s2空气静压主轴结构模型，将电磁力载荷作用在电机转子相应位置处得到空气静压主轴电磁固耦合数字孪生模型。所述电磁载荷是指电机定子与转子气隙内的电磁场产生的径向电磁力。所述径向电磁力是根据麦克斯韦电磁场定律计算得到。在电机转子与定子气隙中单位面积上的瞬时径向电磁力(f(θ,t))为：
[0058][0059]
s4，基于s2和s3，计算出温度场与电磁场耦合作用下空气轴承的承载力和承载力矩，将空气轴承的承载力和承载力矩施加在转子-轴承结合面上得到空气静压主轴流固耦合数字孪生模型。所述空气轴承承载力和承载力矩是采用有限差分法对气体润滑雷诺方程进行求解，将求解得到的气膜压强沿着空气轴承表面进行积分，计算得到空气轴承的承载力和承载力矩。空气轴承的气体润滑雷诺方程为：
[0060][0061]
s5，基于s2中空气静压主轴的热固耦合数字孪生模型、s3中空气静压主轴的电磁固耦合数字孪生模型以及s4中空气静压主轴的流固耦合数字孪生模型，实现热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型之间的动态交互作用，建立电-磁-气-固-热多物理场耦合作用下空气静压主轴数字孪生模型。所述实现热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型之间的动态交互作用，是指在时刻ti时由于温度场以及电磁场综合作用的影响，主轴转子发生一定程度的挠性变形，会引起空气轴承气膜厚度分布发生变化，求解雷诺方程计算空气轴承的承载力和承载力矩。然后将空气轴承的承载力和承载力矩反馈回空气静压主轴动力学模型中，将其施加在空气轴承-转子相应的支承节点上，接着进行下一时刻t
i 1
迭代计算，直至主轴系统达到稳定状态。
[0062]
s6，基于s5中空气静压主轴多物理场数字孪生模型，将主轴数字孪生虚拟模型与
主轴物理实体之间的数据和信息进行交互融合，对空气静压主轴多物理场数字孪生模型进行修正和验证。所述对空气静压主轴多物理场数字孪生模型进行修正和验证，主要通过监测空气静压主轴在实际运行过程中主轴转子的振动、热变形、固有频率参数。将这些参数与基于空气静压主轴数字孪生模型的计算结果进行对比，计算二者的偏差。根据数据偏差对主轴数字孪生模型进行修正，从而获得能够实时同步的空气静压主轴多物理场数字孪生模型。
[0063]
s7，基于修正后的空气静压主轴多物理场数字孪生模型模拟其运转过程中，内部多场交互耦合作用对空气静压主轴的动力学特性和振动响应影响规律。
[0064]
本发明还提供一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟系统，参数获取模块、热固耦合数字孪生模型建立模块、电磁固耦合数字孪生模型构建模块、流固耦合数字孪生模型构建模块、耦合模块、修正模块以及模拟模块；
[0065]
参数获取模块用于获取空气静压主轴的特征参数以及初始工况参数；
[0066]
热固耦合数字孪生模型建立模块用于根据空气静压主轴实体特征参数及工况参数，建立空气静压主轴结构模型，将空气静压主轴的热载荷施加到相应的主轴结构上得到空气静压主轴的热固耦合数字孪生模型；
[0067]
电磁固耦合数字孪生模型构建模块用于根据空气静压主轴结构模型，将电磁力载荷作用在空气静压主轴转子电机支撑位置处得到空气静压主轴的电磁固耦合数字孪生模型；
[0068]
流固耦合数字孪生模型构建模块用于基于所述热固耦合数字孪生模型和磁固耦合数字孪生模型计算出温度场与电磁场耦合作用下空气轴承的承载力和承载力矩，将空气轴承的承载力和承载力矩施加在转子-轴承结合面上得到空气静压主轴的流固耦合数字孪生模型；
[0069]
耦合模块基于空气静压主轴的热固耦合数字孪生模型、电磁固耦合数字孪生模型以及流固耦合数字孪生模型，实现热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型之间的动态交互作用，建立电-磁-气-固-热多物理场耦合作用下空气静压主轴多物理场数字孪生模型；
[0070]
修正模块用于将空气静压主轴多物理场数字孪生模型与主轴物理实体之间的数据和信息进行交互融合，对空气静压主轴多物理场数字孪生模型进行修正和验证；
[0071]
模拟模块基于修正后的空气静压主轴多物理场数字孪生模型模拟其运转过程中，内部多场交互耦合作用对空气静压主轴的动力学特性和振动响应影响规律。
[0072]
另外，本发明还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法。
[0073]
另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法。
[0074]
所述计算机设备可以采用车载计算机、笔记本电脑、桌面型计算机或工作站。
[0075]
处理器可以是中央处理器(cpu)、图形处理器(gpu)、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)或现成可编程门阵列(fpga)。
[0076]
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、桌面型计算机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
[0077]
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取记忆体(ram，random access memory)、固态硬盘(ssd，solidstate drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体 (reram,resistance random access memory)和动态随机存取存储器(dram，dynamic randomaccess memory)。
[0078]
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。