基于有限元流固耦合方法的高速空气主轴特性分析
基于流固耦合分析的超高速微切削空气静压电主轴支承结构优化
基 于流 固耦 合分 析 的超 高速 微 切 削 空气 静 压 电主轴 支 承 结构 优 化
吴利杰 肖曙红 雷枝武 罗小百
( 广东工业大学机电工程学 院 广东广州 5 1 0 0 0 6 )
摘要:借助有 限元分析软件 A N S Y S对具有不 同支承结构 的超 高速微切削空气静压 电主轴进行全参数三 维实 体建 模 ,运用流固耦合的有限元方法分析 电主轴的各种结构方案 ,并进行承载特性分析对 比,优选出空气静压电主轴的支承 结 构 。结 果 表 明 ,前 支承 对 电主 轴 的承 载影 响 最 大 ,主 轴悬 跨 段 的设 置 对 提 高 承 载性 能 的贡 献 较 小 ,为 加 强 主 轴 刚性 ,
Op t i mi z a t i o n o f t he S u p po r t i n g Co n s t r u c t i o n o f Ul t r a - h i g h— s pe e d Ae r o s t a t i c Mo t o r i z e d Sp i n d l e Ba s e d O i l Fl ui d- s o l i d Co up l i n g An a l y s i s
WU L i j i e Xi a o S h u h o n g L e i Z h i wu L u o X i a o b a i
( S c h o o l o f E l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 0 0 6 , C h i n a ) A b s t r a c t : Wi t h t h e h e l p o f t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ( F E A) s o f t w a r e A N S Y S , t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l o f t h e u l t r a —
基于流固耦合的高速电主轴冷却系统分析
基于流固耦合的高速电主轴冷却系统分析
熊明辉;齐向阳;赵南皓;郭政
【期刊名称】《组合机床与自动化加工技术》
【年(卷),期】2022()5
【摘要】针对机床高速电主轴在高速运转中的冷却问题,以某型号卧式加工中心高速电主轴为研究对象,基于流固耦合法,对串并联、单螺旋及双螺旋三种冷却流道结构从流速、压力、温升三方面进行详细对比。
另外,为了进一步优化提升流道对电主轴的冷却效率,通过理论计算分析流道内不同初始流速对主轴热平衡后温升影响,以及不同流道几何参数对换热能力和压力损失的影响,并运用Fluent分别对以上两种提升流道冷却效率的影响因素进行仿真分析。
研究结果表明,双螺旋结构因其结构的独特性综合对比为最佳冷却结构;主轴散热随流道内初速流速的增加呈现先急后缓,可通过对比选取最佳冷却流速;流道几何参数对换热能力影响较小,但对压损影响较大,提出了综合考虑换热与压损的流道几何参数设计。
研究结果为精密高速电主轴在冷却系统的设计提供了一定理论依据。
【总页数】5页(P154-158)
【作者】熊明辉;齐向阳;赵南皓;郭政
【作者单位】天津工业大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TG502
【相关文献】
1.基于流固耦合理论的高速齿轮箱内部流场数值分析
2.基于流固耦合分析的超高速微切削空气静压电主轴支承结构优化
3.基于流固耦合的高速永磁电机冷却结构分析与改进
4.基于流固耦合方法的真空泵用屏蔽电机冷却系统分析
5.基于流固耦合的磁悬浮透平膨胀发电机冷却与温升特性仿真研究
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基于有限元方法的流固耦合分析研究
基于有限元方法的流固耦合分析研究随着人们对材料和结构性能的需求不断提高,流固耦合问题研究越来越受到关注。
流固耦合分析主要研究流体流动与固体变形之间的相互作用和耦合效应。
在流固耦合分析中,有限元方法成为最常用的分析方法之一。
本文将从三个方面对基于有限元方法的流固耦合分析进行讨论。
一. 基本原理在流固耦合分析中,有限元方法起到了至关重要的作用。
在有限元方法应用中,流场模拟和固体变形分析的研究已经非常成熟。
但是,在将流场和固体变形结合起来进行研究时,需要考虑流场对固体进行的压力和剪切载荷以及固体对流体流动的影响。
这是一种非线性问题,需要进行高效的数值分析.有限元方法的基本原理是将运动的物体划分成有限个小部分,然后用有限元模型离散处理每个小部分,通过简单的微分方程组成了均衡方程,然后使用数值法求解。
这种方法是一种数值分析方法,主要用来解决固体强度、稳定性、弹性和塑性分析问题。
同时,它还能够被用于研究流体流动、热传递和电磁场问题的解决方案。
二. 动力学中的应用在动力学中,有限元方法是一种广泛应用的方法,可以帮助人们准确预测材料和结构的力学性能。
基于有限元方法的流固耦合分析使得我们能够更为准确地预测材料结构的变形。
通过对其物理和机械属性的模拟,我们能够更好地了解物体的反应和行为。
流固耦合分析可用于模拟一般材料和技术性成分的结构,如飞机飞行时飞行表面的变形,以及汽车发动机在运行时的振动和变形。
同时,它还可以用于研究核反应堆的材料和组件,以及火箭发动机的设计。
三. 工业中的应用有限元方法的工业应用很广泛。
对于自动化工业而言,这种方法可以减少费用和时间,同时提高产品的质量。
例如,有限元模拟可以使用软件来模拟产品的变形,如汽车的碰撞试验,振动,加速度等。
有限元方法还可以用于模拟钢铁、铝和塑料的加工,同时还可用于气动设计和水动力学分析。
总结:流固耦合分析是一项复杂的工程技术,而有限元方法则是一种解决流固耦合问题的重要方法。
基于流固耦合的高速客车气动特性研究的开题报告
基于流固耦合的高速客车气动特性研究的开题报告一、研究背景高速客车的运行速度较快,车速在300km/h以上,因此其气动特性对安全、舒适性等因素均有很大的影响。
在运动学和动力学方面,高速客车设计已经取得了显著的成果。
然而,高速客车的气动特性研究仍然存在许多未解决的问题。
高速客车的气动设计的主要目标是降低气动阻力,提高油耗率和减少噪音。
近年来,基于流固耦合的数值计算方法在汽车、飞行器等领域得到了广泛应用。
基于数值计算方法,研究者可以模拟空气在车体表面和周围空气中的流动以及车体的振动状况。
由此,可以分析车体的气动特性,为设计和改进高速客车提供可靠的数据支撑。
因此,开展基于流固耦合的高速客车气动特性研究显得尤为重要。
二、研究内容本研究旨在开展基于流固耦合的高速客车气动特性研究,主要包括以下内容:1. 建立高速客车的数值模型,包括车体的几何模型和路面模型。
采用CFD方法模拟车体周围的气流场和流动特性,并采用有限元方法模拟车体的变形和振动响应。
2. 分析高速客车的气动特性,包括气动力、气动阻力和气动流量等。
对气动力学性能进行详尽的分析,了解客车的动力学效应。
3. 通过对客车气动力学性能的分析,研究客车的运动性能和稳定性。
评估客车的操纵能力、制动性能和安全性能等。
4. 研究优化客车外形和车体构造的方法,以降低气动阻力和提高客车的运动特性和舒适性。
三、研究意义通过本研究,可以对高速客车的气动特性进行深入探究,为高速客车的设计和改进提供可靠的理论依据和技术支持。
基于流固耦合的数值计算方法具有高精度、高可靠性和高效率的特点,能够提供详细的气动力学性能分析结果。
因此,本研究对于推广和应用基于流固耦合的数值计算方法也具有一定的推动作用。
四、研究方法本研究采用计算流体动力学(CFD)及有限元方法,对高速客车的气动特性进行分析。
具体包括以下步骤:1. 建立高速客车的数值模型。
2. 采用CFD方法模拟车体周围的气流场和流动特性,并采用有限元方法模拟车体的变形和振动响应。
高速空气静压主轴动静态特性的有限元分析
气体轴 承技术 是一种 随着高科 技的 出现而发展 起来 的先进 的实用技 术, 它 具有 几 乎没 有 摩 擦 、无 磨损 、无 污 染 、 回转 精度 高 , 能在 高温 和 低 温 工 况下 工作等 特 点, 以气 体 轴承 在高 速 回转 主轴和 超 精密 主轴 中有 广泛 的 应 所
7 节藏 嚣
8电鞔转 手
9电机定 子
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图 1 空气 主轴 结构 图
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优化奠定基础 。
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06 . 04 . 蚪 02
[ 摘 要 ] 本文 利用 A S S 件过 对高速 大 功率 空气 静压 电主轴 动静 态 特性 进行 有 限元 分 析研 究, 到 电主轴 的动 静态特 性 的理 论数据 , NY 软 得 为后 续对 轴承 的支 承 结 构和 主轴 的 动静 态特 性 进 行优 化 提供 必 要 的理 论 依据 。 [ 关键 词] 高速 主轴 有 限元动静 态特 性 中 图分类 号 :K3 .+ 1 T7 0 32 文 献标 识码 : A 文 章编 号 :0 9 94 (0 9 3— 27 0 10 — 1X 20 )5 0 1 2
图 34 主 轴静 态特 性的有 限元分析 模 型 —
辞枝 博览
l 2 7 1
科 学 论 坛
I ■
图 6 出的是在轴 端施加 一个 8 0 的集 中力 的时候主轴 的变形 曲线 。 给 0N 从 图 中可以看 出, 主轴 的前端 向 F 倾斜 , 后端 向上倾 斜 。 图 7 主轴 的刚度特性 曲线, 是 描述 了土轴 在不 同载荷作 用下, 轴端 的位移 变 化和 主轴 的刚度 变化 趋势 。从 图中我 们可 以看 出, 外 载荷为 1 0 j 0 N的 时 候, 主轴轴端 的位移 为 17um 右, . 左 轴端 的外载 荷为 80 0 N的时候, 端 的位 轴 移为 2 . 5 m 0 5 。而主轴 的刚度 随着外 载荷 的增 加而 旱减小 的趋势, 外载荷 存 为 10 0 N的时候 。 轴的 刚度最 大, 6 X I 主 为 7/ l l 。 从 图 8可 以看 出, 中的轴承 5 其 在 同的外 载荷左 右下, 其偏 心率基本 为 零, 也就是 说, 个轴承 没有对 主轴 起到 支承 的作用 。另外, 这 我们通过 结合 图 3 9 图 3 l 可 以看 出, 和 0 主轴在 外载荷 为 5 0 的时候 , 承 l 0N 轴 的偏 心率达 到了 0 4左右 , 就是 说超过 了丰轴 J 常 i . 也 I 作时候 的偏心 率, 这表面 主轴 的承 载 能 力要 小于 5 0 0 N。通 过这 些轴 承偏 心率 的变化 规律 的研究 为主轴 轴系 的研究
基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟
基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟康德;严平【摘要】基于大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立三维长方体高速破片在水介质中运动的有限元动力分析模型,采用ALE方法对破片在水下运动过程进行流固耦合数值模拟,获得了破片的速度衰减曲线.研究了速度衰减规律、破片墩粗变形规律以及冲击波传播过程.得到高速破片的侵彻能力随速度的变化规律:当初速度大于910~1115 m/s时破片头部将产生显著变形,并大大影响其侵彻阻力;当破片速度较小时,水中侵彻距离随破片初速的增大而增大,当破片速度达到某临界值以后,侵彻距离将随初始速度的增大而逐渐减小.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2014(034)005【总页数】5页(P534-538)【关键词】流体力学;运动特性;ALE方法;高速破片;侵彻能力;水【作者】康德;严平【作者单位】海军工程大学兵器工程系,湖北武汉430033;海军工程大学兵器工程系,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】O351.2水下爆炸对目标的破坏除了冲击波作用,高速破片的作用也不可忽视。
爆炸产生的破片初始速度可以达到1 000m/s以上,具有很强的侵彻破坏能力[1]。
破片对典型水下目标结构的毁伤效果主要取决于破片在水中的运动特性和侵彻能力。
研究高速破片在水中的运动特性对于典型水下目标的抗破片侵彻能力设计具有重要意义。
水下物体的高速运动是一个复杂的多相流运动,涉及到大变形、高应变率。
由于理论分析的复杂性和实验研究的高成本,数值模拟以其经济性与高效性日益成为研究的重要手段。
本文中利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序对速度在1 000~2 500m/s的立方体破片在水介质中的运动进行了数值模拟,得到了破片的速度衰减曲线,冲击波传播规律。
分析了破片墩粗变形规律及其对侵彻阻力的影响,得到了高速破片的侵彻能力随速度的变化规律。
其计算结果可为水中目标易损性分析提供有益的参考和依据。
流体固体动力耦合分析的有限元法
第22卷第6期 工 程 力 学 V ol.22 No.6 2005年 12 月ENGINEERING MECHANICSDec. 2005———————————————收稿日期:2003-11-13;修改日期:2004-04-19 基金项目:国家自然科学基金资助(50209014)作者简介:*刘云贺(1968),男,辽宁人,副教授,博士,中国水利水电科学院博士后,从事流固耦合及水工结构抗震研究(E-mail: liuyhe@); 俞茂宏(1934),男,浙江人,教授,博士生导师,从事工程力学和结构强度理论研究;陈厚群(1932),男,江苏人,教授,中国工程院院士,中国水利学会副理事长,从事水工结构抗震研究.文章编号:1000-4750(2005)06-0001-06流体固体动力耦合分析的有限元法*刘云贺1,2,俞茂宏3,陈厚群2(1. 西安理工大学,西安 710048;2. 中国水利水电科学研究院,北京 100044;3. 西安交通大学,西安 710049)摘 要:应用有限元法探讨了流体、固体接触界面由无限接触点对组成,并以接触点对的瞬态接触内力作为待定变量的流体固体动力耦合模型的数值求解方法。
分析了流体、固体域插值函数的特点,用二维八节点等参元及流固接触面上的接触点对单元,对流固耦合系统进行了离散化处理;并采用变分原理推导了反映流体固体动力相互作用机理的接触约束矩阵(或称动力耦合矩阵),建立了有限元控制方程,给出了完整的数值计算方法, 研编了动力耦合系统的分析程序。
数值计算结果与经典理论解误差很小,验证了动力耦合模型和有限元求解方法的正确性及其较高的计算精度。
关键词:流固耦合;数值分析;接触约束矩阵;瞬态动力;变分原理 中途分类号:TV312 文献标识码:AFINITE ELEMENT METHOD FOR TRANSIENT ANALYSIS OFFLUID-STRUCTURE COUPLING PROBLEMLIU Yun-he 1,2, YU Mao-hong 3 , CHEN Hou-qun 2(1. Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100044, China;3. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)Abstract: The transient analysis of fluid-structure coupling system is conducted using finite element method, in which the transient contact force of the unlimited contact points coupling in the contact interface between fluid and structure is taken as unknown variable. The 2-dimensional 8-node element and the contact point couple elements are used, based on the interpolating function feature in the fluid and structure domain. The fluid-structure coupling system is divided into elements, and the finite element equation with the contact constrain matrix that reflects the mechanism of interaction is derived from a variational principle. A computer program is developed for the transient analysis of fluid-solid coupling system. Numerical results are in excellent agreement with those of the available analytical solution.Key words: fluid-solid coupling; numerical analysis; contact constraint matrix; transient dynamic; variationalprinciple流体-固体动力耦合是广泛存在于水利、船舶、海洋以及航空航天等许多个工程领域中十分重要和多学科交叉的研究课题。
基于流固耦合的带附加气室空气弹簧的力学特性研究
关键 词 : 气 弹簧 ; 加 气 室 ; 固 耦 合 ; 限 元 分 析 空 附 流 有
中 图分 类 号 : TQ3 6 4 ; 4 . 2 3 . 2 O2 1 8 文献 标 志码 : A 文 章 编 号 : 0 08 0 2 1 ) 50 0 — 4 1 0 — 9 X( 0 2 0 — 3 0 0
图 1 带 附加 气 室 空气 弹 簧 结 构 示 意
作用 , 有利 于加 快振 动衰 减 。 1 带 附加气 室 空气 弹簧 结构 带 附加气 室 的空气 弹簧是 在普 通空气 弹簧 的 基础 上增 加一 个 附加 气 室 , 同时 在 下 活 塞上 开 一
个节 流 口, 当空气 受到 激励 时 , 囊 和附加 气 室 中 气 2 流 固耦 合理 论
流 固耦 合是 目前 很 多领域 研究 的热点 和难 点
之一 , 其重 要特 征 是 两 相 介 质 问 的交 互 作 用 。带
附加气 室 空气 弹簧这 种 弹性薄 壁构 件是 典型 的流 固耦合 实 例 , 特 征 是气 体 和 橡 胶 囊 体 两 种 介质 其
之 间 的相互 作用 , 根据 空 气弹 簧流 固耦合 的特点 ,
基 金 项 目 : 州 省 工 业 攻 关 项 目( 科 合 GY[0 8 3 1 ) 贵 贵 黔 2 O] o 3 ;
州 大 学 研 究 生 创 新 基 金 资 助 项 目 ( 研 理 工 2 l O 9 校 Ol2) 作 者 简 介 : 浩 宇 ( 9 5 ) 男 , 宁 丹 东 人 , 州 大 学 在 读 王 18一 , 辽 贵 硕 士 研 究 生 , 要 从 事 汽 车 系 统 动 力 学 及 控 制 和 汽 车 关 键 零 部 件 主 设计理论及应用技术研究 。
基于流固耦合方法的气囊展开数值模拟研究的开题报告
基于流固耦合方法的气囊展开数值模拟研究的开题报告一、选题背景和意义:在实际工程中,气囊广泛应用于汽车、航空等领域中的悬架、减震、平衡卸载等方面。
气囊的压缩和展开是气动弹性耦合的复杂问题,直接影响其功能和稳定性。
传统的实验研究方法存在成本高、周期长等缺点,因此,基于数值模拟方法的研究在工程中有着广泛的应用。
本研究旨在探讨气囊展开的流固耦合数值模拟方法,建立有限元模型,研究气囊在压缩和展开过程中的性能及其动态响应,并为工程实际应用提供支持。
二、研究内容和方法:本研究将基于流固耦合的有限元方法,对气囊展开的流固耦合问题进行数值模拟研究。
其主要研究内容包括:1. 建立数值模型:利用有限元软件建立气囊的数值模型,考虑气体和固体相互作用,并设置边界条件、材料参数等。
2. 液固耦合流场模拟:采用计算流体动力学(CFD)方法,对气囊内气体的流动进行数值模拟,探究气囊内部的流动规律。
3. 固固耦合固体场模拟:采用有限元法,对气囊受到约束时的固体场进行数值模拟,探究其受力情况。
4. 液固耦合流固耦合模拟:将固体场和流场耦合起来,得到气囊的展开过程,进一步研究其性能和动态响应。
5. 实验验证与结果分析:对数值模拟结果进行验证和分析,以实现对数值模拟结果的精度和可靠性的评估。
三、预期研究成果和意义:本研究将建立基于流固耦合的气囊展开模型,通过数值模拟分析气囊在展开过程中的流动和力学特性,得到其受力状态和动态响应,为工程实际应用提供支持。
研究成果还将具有以下意义:1. 该研究将开辟一种新的研究气囊展开的流固耦合问题的方法,为气动弹性耦合问题的研究提供借鉴。
2. 通过数值模拟结果与实验结果验证,该研究将提高气囊设计和工程应用的效率,为气囊相关领域的工程应用提供技术支持。
3. 该研究将通过数值模拟探讨流固耦合力学问题,为相关学科领域的研究和发展提供基础和参考。
基于CBS有限元的流热固耦合计算方法研究
· vi ·
单元特征量, bi = y j − ym , ci = xm − x j 应变矩阵 声速 比热容 常数 质量力 弹性矩阵 弹性模量 湍流模型中代数表达式 重力分量 剪切模量 i, j = 1, 2,3 或表示单元节点的编号 湍动能 特征尺度 时刻或法线方向 形函数或权函数 压力 有效压力 源项或热流量 径向坐标 单元载荷 Reynolds 数 时间 厚度 温度 特征温度 平均速度分量 脉动速度分量
卡门涡街算例几何模型
47
图 4.10
进口端三角形单元划分
47
图 4.11
扰流柱附近三角形单元划分
47
图 4.12
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
卡门涡街发展过程
49
图 4.13
速度矢量图
50
· viii ·
南京航空航天大学硕士学位论文
图 4.14 图 4.15 图 4.16 图 4.17 图 4.18 图 4.19 图 4.20 图 4.21 图 4.22 图 4.23 图 4.24 图 4.25 图 4.26 图 4.27 图 4.28 图 4.29 图 4.30 图 4.30
本文详细分析和阐述了 CBS 算法的基本理论,基于 CBS 算法推导了流体 力学基本控制方程的有限元离散方程,发展了一组基于 CBS 算法的 CFD 有限 元计算程序,包括:二维粘性层流流场与温度场计算程序 CBSftem、二维湍流 计算程序 CBSturb、轴对称层流计算程序 CBSaxial,轴对称旋转层流计算程序 CBSswirl。以及统一采用有限元法的流-热-固耦合分析程序 CBSFTS。并应 用这些程序对典型的流动与传热、流动与弹性变形以及流动、传热和弹性变形 耦合问题的算例进行了分析。
基于流固耦合气体轴承-转子系统的动态特性分析
基于流固耦合气体轴承-转子系统的动态特性分析
马海龙;马文琦;郑少林;秦雨彬
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2024(49)6
【摘要】机床切削过程中所受的切削力可假设为稳态力和动态扰动力的合力,为探究以气体轴承作为支承的电主轴系统的动态特性,以正弦波作为动态扰动加载形式,提出采用简谐激励法与双向流固耦合数值模拟相结合的方法对气体轴承-转子系统的简化模型进行动态特性研究;对动刚度和阻尼系数进行辨识,并通过模态分析获得转子不同稳态力下系统振型及固有频率变化规律。
研究结果表明:随稳态力的增加,下径向轴承的K_(yy)增长速率大于K_(xx),而交叉刚度和交叉阻尼均几乎不变;下径向轴承的主刚度大于交叉刚度,主阻尼大于交叉阻尼;当稳态力为50~200 N时,转子下端y向偏移均随动态扰动力频率的增加呈现先增大后减小的趋势;系统的共振频率随稳态力的增大而增大。
【总页数】7页(P65-71)
【作者】马海龙;马文琦;郑少林;秦雨彬
【作者单位】大连海事大学船舶与海洋工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH133
【相关文献】
1.基于流固耦合的气体静压止推轴承动态特性研究
2.基于耦合计算的气体轴承-转子系统的动态特性研究
3.转子径向碰摩非线性流固耦合动力学特性全自由度的动态分析
4.阶跃载荷下气体轴承-转子系统瞬态特性流固耦合分析
5.基于流固耦合的箔片气体轴承动态特性分析
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于流固耦合的箔片气体轴承动态特性分析
基于流固耦合的箔片气体轴承动态特性分析作者:贾晨辉刘书明刘恒马文锁李东东张飞来源:《振动工程学报》2024年第03期摘要基于有限元软件ANSYS Workbench,建立箔片气体轴承在可压缩流体介质中运动的有限元模型,采用6DOF动网格计算方法对轴承的运动状态进行流固耦合数值模拟,探讨了不同转速和波箔片结构参数(波箔片的长度比、高度以及厚度)对轴承动态特性的影响规律。
仿真结果表明:转速增加,轴承的承载能力增加,但稳定性有所下降,更容易发生失稳现象;选取波箔片的长度比在1~1.5之间、厚度为0.16 mm,既可以保证轴承具有较高的刚度,同时又能获得较大的阻尼;波箔片高度与轴承动态特性成反比关系。
将仿真结果与试验结果进行对比,验证了仿真计算方法的正确性和有效性。
同时本文的研究为优化波箔片结构,改善轴承动态特性,提高轴承运行稳定性提供理论依据。
关键词箔片气体轴承; 流固耦合; 波箔片结构参数; 动态特性; 仿真引言箔片气体轴承是目前研究和使用最多的动压轴承,其具有显著的性能优势,例如:自作用,安全运行,无外部加压要求。
由于其以空气作为润滑剂从而减少了润滑装置,且节省了维护成本,因此在航空、航天等领域得到了广泛应用。
随着研究的不断深入,其在医疗器械和船舶等领域的应用也有重大突破[1‑2]。
李昊等[3]采用有限差分法和小扰动法,分析了箔片气体轴承中箔片安装位置对轴承的静/动态特性的影响,认为安装位置存在一“敏感”区间,在该区间内轴承的稳定性会受到严重影响,且该位置区间在数值上与轴承的偏位角近似互补,因此箔片安装位置在偏位角对侧时,能有效提高轴承的稳定性。
梁波等[4]应用有限元理论提出了小柔度步计算方法,分析了不同平箔片厚度和不同波箔片弹性对轴承承载性能的影响,结果表明,波宽是影响轴承承载性能的重要参数,过小的平箔片厚度会引起气膜振荡。
Zhao等[5]基于有限元理论使用梁单元将平箔片和波箔片进行离散,建立了考虑摩擦接触情况下的箔片结构二维非线性模型,发现摩擦会导致箔片结构的变形发生迟滞效应,且会影响轴承能量的耗散。
基于有限元气体静压主轴模态分析
基于有限元气体静压主轴模态分析
卢诗毅;刘强;姚建华;刘震
【期刊名称】《机械》
【年(卷),期】2017(044)004
【摘要】为了分析气体静压主轴的动态性能,研究气体静压主轴的设计合理性和高速稳定性,建立了气体静压轴承刚度的模型,应用FLUENT对气体静压轴承进行了流体分析,计算出了气体静压轴承的支撑刚度.在此基础上应用ANSYS Workbench 对气体静压主轴进行模态分析,得到了气体静压主轴的各阶固有频率以及其相应振型.分析结果表明了气体静压主轴的共振频率随着轴承刚度的增加而增加,引起气体静压主轴的临界速度远远大于设计的最高速度,说明气体静压主轴设计是合理可靠的.
【总页数】5页(P19-22,80)
【作者】卢诗毅;刘强;姚建华;刘震
【作者单位】广东工业大学机电工程学院,广东广州510006;广东工业大学机电工程学院,广东广州510006;广东工业大学机电工程学院,广东广州510006;广东工业大学机电工程学院,广东广州510006
【正文语种】中文
【中图分类】O242.21
【相关文献】
1.基于有限元方法的高速凸轮轴磨床电主轴的模态分析 [J], 张尚;柳懿麟;彭碧;郑孟昆
2.基于有限元和实验的永磁同步电主轴模态分析 [J], 于慎波;王玮琦;钟双双;赵海宁;骆开军
3.基于阻抗能耗的气体静压电主轴制动技术研究 [J], 吴媛媛;李彬;赵则祥;赵惠英;乔雪涛
4.基于ANSYS数控车床静压气体轴承主轴的模态分析 [J], 李树森;田倩;陈素平;高景洲;张秋实
5.基于SolidWorks的高精度气体静压电主轴的结构设计研究 [J], 于贺春;李欢欢;马文琦;乔雪涛;赵则祥;赵惠英
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超高速空气电主轴动态特性的有限元分析
摘 要 :空气静压 电主轴是高速精 密数控加 工机床 的关键 部件之 一 ,其动 态特性是影响 高速数控机床 的加 工质 量和
切 削性 能 的 重要 因素 。 然 而 ,当前 超 高 速 电主 轴 的 转 速 能 达 到 几十 万转 每 分钟 ,使 其 对 振 动 变形 的 问题 尤 为敏 感 和
1 超高速 空气 电主轴应用及结构
随着 消 费 电子 产 品需 求 量 的快 速增 加 ,PCB电 路 板 的需 求 量也 呈快 速增 长 的趋 势 。为 了满足 板 中 微 细7L(中o.05一 .2 mm)的 高精 度 、高效 率 的加 工要 求 ,超高 速 空气 电主 轴被 广泛 应用 于加 工行 业 。 以压 缩 空气 为润 滑剂 的静 压 轴 承 由于 无 固体 接触 , 具有 精度 高 、极 限转速 高 、寿命 长 、振动 小等 特点 ,非 常适 合作 为超 高 速 电主轴 的支 承元 件 。但是 由于空 气 的可压缩 性 、低粘 度 等 固有特 性 ,超 高速空 气 电主 轴 的承载 能力 和 刚度 较小 ,且在 高速 运行 过 程 中 ,电 主轴 容易 出现 不稳 定 现 象 ,严 重 影 响 超 高 速 空气 电 主轴 的加 工性 能 ,限 制 了超 高速 空 气 电主 轴 技 术 的 应 用 与发展 J。
目前 国内生产 的超 高速 空 气 电主轴 能够 达到 的
转速 是 80000—100000 rad/min,主 轴 回转 精 度 1 m。本 文 以广 东 某 电主 轴 制 造 公 司 WF80—01型
空气 电主轴 为 研究 对 象 ,利 用 大 型有 限元 分 析软 件 ANSYS,对超 高速 电主 轴 系统 的动 态 特 性及 稳 定 性 进 行分 析 ,其 结 构如 图 1。
基于流固耦合法对空气弹簧的有限元分析
1、概述流固耦合是一种物理现象,如果流体与固体的相互作用很强烈(单独求解固体或者流体不能满足工程需要),那么我们有必要计算这样的物理现象。
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而形成的一门力学分支,它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场的影响,这二者交互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用:变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动,而变形或运动又反过来影响流场,从而改变流体载荷的分布和大小。
流固耦合问题从控制方程解法上可以直接求解的强耦合和分区迭代求解的弱耦基于流固耦合法对空气弹簧的有限元分析孔繁晓 株洲市职工大学(工业学校)合,所谓强耦合,是将流体域、固体域和耦合作用构造在同一控制方程中,在同一时间步内同时求解所有变量,商用软件ADINA、COMSOL等均是采用强耦合方法求解流固耦合问题;弱耦合是在每每一时间步内分别依次对CFD方程和CSD方程求解,通过中介交换固体域和流体域的计算结果数据,从而实现耦合求解,弱耦合是现在工程问题中较为普遍的方法,商用软件MPCCI作为中介交换数据的商用软件,可以实现固体软件与流体软件之间的数据交换,而Star-CD与Abaqus在最新的版本之间也实现了双向直接耦合,且无需中介软件做数据传递,本文采用Star-CD与Abaqus作为流固耦合求解器完成对空气弹簧动态垂向刚度工况的计算模拟。
空气弹簧是一种新型的弹性元件,它是在柔性的密闭气室内充入压缩空气,利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧,具有减振、缓冲等功能,由于其变刚度、低自振频率、高度可控以及良好的高频振动吸收和隔声性能,具有相当广泛的应用,主要领域有轨道车辆、汽车悬挂、动力机械等方面。
2、空气弹簧有限元模型的建立2.1 计算模型本文以某地铁转向架上所用的空气弹簧为计算对象,由于空气弹簧结构和垂向载荷的对称性,故而在本次计算中采用平面对称模型,采用CAD软件Pro/e建立1/2的空气弹簧三维模型,如图1所示,包括了上下盖板、橡胶气囊、空气,再通过专业有限元前处理软件Hypermesh对其进行网格划分,为了提高计算的速度与精度,在模型中全部采用六面体网格,图2所示网格模型, 其中包括了流体软件Star-CD所需要的网格和固体软件Abaqus需要的网格,分别把各自需要的网格倒入到求解器中。
基于流固耦合的叶片气动弹性分析的开题报告
基于流固耦合的叶片气动弹性分析的开题报告1.研究背景叶片作为风力机的核心部件,其叶片结构的稳定性和气动性能对风力机的发电效率和寿命有着极大的影响。
传统的叶片设计和优化主要依靠经验和试验,难以满足设计要求和成本控制。
而基于数值模拟的叶片设计方法越来越普及,其中,流固耦合分析是研究叶片空气动力和结构动态响应互相作用的有效方法。
2. 研究内容本课题拟从流固耦合的角度对叶片气动弹性进行研究,具体包括以下几个方面:(1)基于CFD(Computational Fluid Dynamics)分析叶片表面流场,得到叶片表面风场和气动力数据。
(2)利用有限元方法对叶片结构进行建模和计算,得到叶片的振动特性和结构应力状态。
(3)将CFD模拟结果和有限元模拟结果进行耦合,建立流固耦合模型,计算叶片在风场中的动态响应。
(4)利用所得结果进行叶片气动优化设计,评估设计参数对叶片气动性能的影响。
3.研究意义本课题的研究将会有以下几点意义:(1)基于数值模拟的叶片设计方法可以帮助提高叶片设计效率,并且减小试验成本。
(2)研究叶片弹性响应特性对于优化叶片结构和提高叶片使用寿命具有重要意义。
(3)此外,对流固耦合模型的研究,对于推动流体力学和结构力学的交叉应用具有一定的推动作用。
4.预期结果通过本课题的研究,我们预期可以得到以下结果:(1)构建叶片的CFD模型,并得到叶片气动力数据,为后续的流固耦合分析提供数据支持。
(2)通过有限元分析,得到叶片的结构振动响应特性,进而建立流固耦合模型。
(3)利用所得结果,对叶片结构进行优化设计,提高叶片的气动性能。
5.研究方法本课题的研究方法主要包括以下几个方面:(1)基于CFD方法,建立叶片的气动模型,计算叶片表面的风场和气动力数据。
(2)将得到的气动力数据输入到有限元软件中,建立叶片的非线性动态有限元模型,计算叶片的结构动态响应。
(3)建立流固耦合模型,得出叶片在风场中的动态响应。
(4)提取叶片的振动特性和应力状态,对叶片进行结构优化设计,提高叶片气动稳定性和抗风能力。
应用有限元方法对高速电主轴的优化设计
应用有限元方法对高速电主轴的优化设计摘要:介绍了高速电主轴的结构特点,应用有限元分析软件ANsYs以刚度为目标对高速电主轴进行了优化设计,并对优化后的结构进行了热态校核。
关键词:高速电主轴;优化设计;有限元;热态分析90年代以来,我国的机床制造业发展迅速,设计和制造水平都有很大的提高,整体趋向高速、精密、绿色等方向发展,特别是近几年,代表着先进制造水平的数控机床和加工中心;很多国内厂家已开始产生。
在2003年北京国际机床展上,参展的主轴转速超过10000r/min的高速加工中心共有53台,其中国内产品占到24台。
但同时也不可否认,我国机床与国外先进的设计和制造水平相比还有比较大的差距,很多诸如电主轴、控制系统等关键部件,仍然依赖国外配套,自主开发能力不足。
在这种情况下,只有解决并提高关键部件的设计制造水平,才能摆脱对国外技术的依赖,从根本上促进我国机床行业持续发展。
我校高速加工实验室自90年代以来一直从事机床关键部件高速电主轴和快速进给单元的研究,自行开发了国内第一个高速大功率电主轴——GD一Ⅱ型电主轴,该电主轴采用“零传动”的传动方式,电机内置在机床主轴上,直接驱动主轴转动,从而去掉了传统传动链上的皮带、齿轮、联接键等,通过采用变频调速技术使主轴达到很高的转速,它的典型结构和系统组成如图l所示…。
主要具有以下几个特点:(1)结构简单紧凑,能很好地解决传统皮带或齿轮等方式传动在高速运转条件下所引起的振动和噪声问题。
(2)提高生产率,可在最短时间内实现高转速,也即是主轴回转时具有极大的角加速度。
(3)电机内置于主轴两支承之间,可有效地提高主轴系统的刚度,同时也提高了系统的固有频率,从而提高了其临界转速值。
目前,在试验成功的基础上,这种电主轴已经进入产业化,为了达到更高的设计要求和水平,并保证电主轴更高的可靠性,我们采用了有限元分析(Finite Element Analysis)对电主轴进行优化设计。
流-固耦合问题边界元-有限元耦合方法分析
流-固耦合问题边界元-有限元耦合方法分析
张效松;叶天麒
【期刊名称】《石家庄铁道大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2000(013)002
【摘要】利用边界元-有限元耦合方法对流-固耦合振动问题进行了分析,假设流体控制方程为Laplace方程,利用非连续边界元对流体域进行离散,从而有效地解决了边界元分析中的"角点效应"问题.固体以平面梁为模型,采用有限元进行离散,对非连续边界元和有限元的耦合问题进行了分析,通过对悬臂梁在一侧受液体作用时的瞬态响应分析的数值解同解析解的比较,表明了本文所给方法的有效性,同时为利用边界元-有限元耦合方法对流-固耦合分析奠定了基础.
【总页数】4页(P6-9)
【作者】张效松;叶天麒
【作者单位】石家庄铁道学院基础部石家庄 050043;西北工业大学飞机系西安710072
【正文语种】中文
【中图分类】TB115
【相关文献】
1.Oseen子边界元法在粘性流-固耦合运动中的应用 [J], 司马灿;张效慈;吴有生
2.边界元——有限元耦合方法分析 [J], 张效松
3.分析流-固耦合问题的ALE有限元平衡迭代算法 [J], 刘力菱;易丽清;魏泳涛
4.流-固耦合问题的ALE有限元分析 [J], 魏泳涛;刘力菱;Philippe H.Geubelle
5.非连续边界元-有限元耦合方法分析 [J], 张效松;叶天麒
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风力机叶片流固耦合数值模拟
风力机叶片流固耦合数值模拟流体动力学基本方程:流体动力学基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
这些方程描述了流体在运动过程中的物理量守恒关系。
结构动力学基本方程:结构动力学基本方程包括弹性力学基本方程、动力学基本方程和本构关系等。
这些方程描述了固体在力学作用下的变形和应力响应。
流固耦合界面条件:流固耦合界面条件包括流体与固体之间的压力、位移和温度等物理量的匹配关系。
这些条件描述了流体与固体之间的相互作用和能量交换。
风力机叶片流固耦合数值模拟方法基于有限元方法的流固耦合数值模拟:该方法将风力机叶片离散成一系列小的单元,通过对每个单元进行流固耦合分析,得到整个风力机叶片在流体作用下的动态响应。
基于有限体积方法的流固耦合数值模拟:该方法将风力机叶片包围在一个系列的计算网格中,通过对每个网格进行流固耦合分析,得到整个风力机叶片在流体作用下的动态响应。
基于无网格方法的流固耦合数值模拟:该方法不需要对风力机叶片进行离散化处理,而是通过在空间中分布一系列的点,通过对这些点的流固耦合分析,得到整个风力机叶片在流体作用下的动态响应。
风力机叶片流固耦合数值模拟应用风力机叶片设计:通过流固耦合数值模拟,可以模拟出不同设计方案的风力机叶片在各种风速、风向和湍流度条件下的性能表现,从而优化设计参数和提高效率。
风力机叶片疲劳分析:通过流固耦合数值模拟,可以模拟出风力机叶片在各种工况下的疲劳损伤过程和失效模式,从而评估其使用寿命和可靠性。
风力机系统动态特性分析:通过流固耦合数值模拟,可以模拟出整个风力机系统的动态特性和稳定性表现,从而优化控制系统和降低运行风险。
结论风力机叶片流固耦合数值模拟是风力发电机设计和优化过程中的重要技术手段,可以模拟出风力机叶片在各种工况下的性能表现和动态响应。
本文介绍了流固耦合数值模拟的基本原理、方法和应用,希望能够对大家有所帮助。
随着全球对可再生能源需求的不断增长,风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式,已经得到了广泛应用。
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图 3 流 固 耦 合 分 析 的 网格 划 分
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由 于 主 轴 向下 倾 斜 的原 因 造 成 的 。在 这 八 个 轴 承 组 成 的 轴 系 中 ,前 三 个 轴 承 是 下 气 膜 的 压 强 大 ,中 间 两 个 的偏 心 率 几 乎 为 零 ,压 强 变 化 很 小 ,后 三 个 轴 承 是 上 气 膜 的 压 强
所示 。
从 图 8上 可 以看 到 主 轴 的 变 形 情 况 .前 后 两 个 支 承 形 式 下 主 轴 的前 端 变形 较严 重 ,表 明前 轴 承 所 承 受 的载 荷 较 大 .而 后 轴 承所 承受 的 载 荷 较 小 ,变 形 较 小 。在 这 种 支 承
的 是 在 轴 端 在不 同 的 载 荷 作 用 下 。轴 端 的 位 移 变 化 和 主 轴
前轴承 + 后轴承
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一
08 . O7 . 06 .
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05 .
毒:
图 8 前后 支 承 形 式 的 主轴 ,在 轴 端 加 载 5 0 时 的变 形 图 0N 形 式 下 , 主轴 前 轴 承 由 于 受 到 过 大 的 载 荷 ,迫 使 轴 承产 生
刚 度 曲线 。
业 信 息 化
^N
进 行 有 限 元建 模 ,并 采 用 该 方 法 对 空 气 静 压 主
力 和 刚度 进 行 了有 限元 分 析 。研 究 了气 体 轴 承
布 ,最 后 将 传 统 的 前 后 支 承 形 式 的 主 轴 与 全 支
轴 进 行 了 比较 .结 果 表 明 全 支 承 结 构 的 主 轴 单 力提 高 了 10 ,并 且 刚 度 提 高 了 6 %。 0% 7
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为 了对 全 支 承 型 式 的 空 气 静 压 主轴 刚度 与 传 统 的两 支 承 型 式 的主 轴 刚 度 进 行 对 比分 析 ,本 文 采 用 前 后 两 个 气 体 轴 承 支 承 的相 同规 格 的空 气 静 压 主 轴 ,进 行 了 有 限 元 建 模 和 刚度分析 在轴端 加外 载荷为 50 时主轴 的变形 如 图 8 0N
图 5 流 固耦 合 分 析 得 到 的 流 场 压 强 分 布 图
通 过 对 轴 端 加 不 同 的 载 荷 .可 以 得 到 不 同 的 主 轴 变 形 图 ,可 以求 得 轴 承 在 不 同 载 荷 下 的位 移 变 化 曲线 ,再 对 载 荷 与 位 移 的 变化 曲 线 求 导 就 得 到 了 主 轴 的 刚 度 。 图 6给 出
大。
外 载荷 / N
图 6 不 同外 载作 用 下 轴 端 的位 移 变 化 和 刚 度 曲 线 在 不 同 外 载 荷 作 用 下 ,主 轴 的 轴 系 各 个 轴 承 的 偏 心 率 的 变 化 情 况 如 图 7所 示 。分 析 结 果 表 明 ,轴 承 5偏 心 率 基
本 是 不 随 外 载 荷 变 化 的 。也 就 是 说 ,在 这 里 轴 承 5基 本 是
较 大 的偏 心 率 。根 据 前 面第 一 节 介 绍 过 的 主 轴 轴 承 在 工 作 时 的偏 心 要 求 是 轴 承 半 径 问 隙 的 三 分 之 一 左 右 的要 求 .这
—
O
lo o
2 ∞
3 0 0
40 0
5 0
外载荷 / N
图 1 前 后 支 承 形 式 下 ,主 轴 前 后 轴 承 1 0 随外 载 的变 化 曲线
样就使得主轴的承载能力 和刚度较低。
图 9给 出 的是 在 前 后 支 承 形 式 的 主 轴 ,在 不 同外 载 荷 下 主轴 的轴 端 位 移 变 化 和 主 轴 刚 度 的 变 化 曲线 .可 以将 此
图 与前 面 的 图 6相 比较 .通 过 比较 可 以看 出 主轴 的 刚 度 要
不起作用的。
06 ・ O5 ・
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一 轴承 l 一 一 轴承 2 轴承 3 一 一轴承 4 × 轴承 5 一 轴承 6 轴承 7 轴承 8
一
…
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图 4 流 固耦 合 分 析 得 到 的 主 轴 结 构 变形 图
外载 荷 / N
图 7 不 同外 载 作 用 下 各 个 轴 承 的 偏 心 率
日 圈 囡囡 囡囡 囡
O
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结 合 图 6和 图 7可 知 。 当 外 载 荷 小 于 5 0 的 时 候 主 0N 轴 的 刚度 为 5Nl 0 /m。 而 这 时 候 轴 系 中 偏 心 率 最 大 的 轴  ̄ 承— — 轴 承 1的 偏 心 率 为 0 . 右 ,满 足 在 正 常 工 作 状 态 4左
制造 业信
由 图 6可 以 看 出 .主 轴 的 刚度 基 本 是 随 外 载 的增 加 而
降 低 的 。 主 轴 轴 端 的 位 移 在 外 载 为 10 的 时 候 为 1  ̄ 0N . m 8 左 右 . 在 外 载 为 80 时 轴 端 径 向 位 移 为 2 1 左 右 。 在 0N 0m  ̄ 外 载 小 于 5 0 以前 主 轴 的 刚 度 大 致 在 5 N t 左 右 ,而 0N 0 /m x 当外 载荷 超 过 5 0 0 N后 刚 度 会 迅 速 下 降 。
下 。气 体 轴 承 的 偏 心 量 在 半 径 间 隙 的 三 分 之 一 左 右 的 要
求 ,这 样 才 能 够 防止 轴 和 轴 瓦 直 接 接 触 ,表 明 主 轴 的承 载
能力为 50 0 N。 因 此 主 轴 的刚 度 取 外 载 小 于 等 于 5 0 o N之 前 得到的主轴刚度。