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

技术特征：
1.一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，获取空气静压主轴的特征参数以及初始工况参数；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；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；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；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；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；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行过程中，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。2.根据权利要求1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，其特征在于，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。3.根据权利要求1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，其特征在于，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；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：p
cu
＝t2fa/k
m2
式中，p
fe
为定子铁芯生热，p
cu
为绕组生热，k
a
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，k
m
是电机常数；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：式中，q
j
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；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。4.根据权利要求1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，其特征在于，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：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
×
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h/m是真空磁导率。5.根据权利要求1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，其特征在于，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：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。6.根据权利要求1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，其特征在于，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t
i
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。7.根据权利要求1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，其特征在于，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。8.一种基于多物理场数字孪生模型的空气静压主轴模拟系统，其特征在于，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；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；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；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；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；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；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；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。9.一种计算机设备，其特征在于，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权利要求1～7中任一项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。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，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，能实现如权利要求1～7中任一项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。

技术总结
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及系统，首先基于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；根据主轴温度场分布得到热固耦合数字孪生模型；根据电机电磁场分布得到电磁固耦合数字孪生模型；根据空气轴承流体场分布得到流固耦合数字孪生模型；然后对热固耦合模型、电磁固耦合模型与流固耦合模型进行动态交互耦合，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；最后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，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。时同步的空气静压主轴多物理场数字孪生模型。时同步的空气静压主轴多物理场数字孪生模型。


技术研发人员：史江海 曹宏瑞 陈雪峰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2022/6/28