2022111111977一种气体静压导轨最优气膜厚度与刚度的快速计算方法.pdf

(19)国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号CN115495847A
(43)申请公布日2022.12.20
(21)申请号202211111197.7
(22)申请日2022.09.13
(71)申请人哈尔滨工业大学
地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西
大直街92号
(72)发明人高强漆力子卢礼华高思煜
朱敏
(74)专利代理机构哈尔滨华夏松花江知识产权
代理有限公司23213
专利代理师孟宪会
(51)Int.Cl.
G06F30/17(2020.01)
G06F30/28(2020.01)
G06F119/14(2020.01)

权利要求书2页说明书4页附图2页
(54)发明名称
一种气体静压导轨最优气膜厚度与刚度的
快速计算方法
(57)摘要
一种气体静压导轨最优气膜厚度与刚度的
快速计算方法，涉及气体静压导轨技术领域。为
解决现有气体静压导轨流固耦合计算方法的计
算效率低的问题。首先建立气膜流场CFD分析模
型，根据计算数据进行函数拟合，再考虑气体静
压导轨静态平衡，通过优化计算得到各气膜最优
实际厚度与对应的气膜力与气膜刚度；建立结构
场瞬态分析模型，结合之前得到的气膜力与气膜
刚度，得到固体结构在气膜力作用下的变形，最
终计算出各气膜的最优初始气膜厚度，也就是气
体静压导轨的最优设计参数；再通过虚拟载荷加
载法，在结构场瞬态分析模型上计算气体静压导
轨的实际最优刚度；此种算法在保证计算精度的
同时，提高了计算的效率。本发明适用于气体静
压导轨的参数设计。
CN115495847A
CN115495847A权利要求书1/2页

1.一种气体静压导轨最优气膜厚度与刚度的快速计算方法，其特征在于：其具体的计
算方法如下：
步骤一、对气体静压导轨的上、侧、下气膜分别进行CFD流场计算，得到气膜力与气膜刚
度随气膜厚度变化的计算数据；
步骤二、基于最小二乘法对步骤一得到的上下气膜数据进行函数拟合，建立竖直方向
的静态平衡方程；

式中FU为上气膜气膜力，FI为下气膜气膜力，W1为气体静压导轨恒定载荷，W2m为气体静
压导轨最大可变载荷；
步骤三、对于任意厚度的上气膜，通过步骤二得到其对应的下气膜厚度以及气体静压
导轨整体的竖直刚度，在此基础上通过优化计算来找到气体静压导轨最优刚度对应的上、

下气膜的实际气膜厚度hUa、hIa，以及此时的气膜力FU,FI与气膜刚度KU,KI；
步骤四、建立气体静压导轨的滑板的结构场瞬态分析模型，该模型采用对称约束进行
简化，通过该模型获取最优实际气膜厚度作用下的气膜厚度变化，结合步骤一与步骤三中
得到的最优实际气膜厚度，可以计算出最优初始气膜厚度；
步骤五、结合步骤四中的结构场瞬态分析模型，通过常规的气体静压导轨流固耦合计
算方法中的虚拟载荷加载法，在提出的瞬态分析模型中进行虚拟载荷加载，得到该气体静
压导轨的实际最优刚度。
2.根据权利要求1所述的一种气体静压导轨最优气膜厚度与刚度的快速计算方法，其
特征在于：所述的步骤一得到的气膜力与气膜刚度随气膜厚度变化的计算数据中，对于侧
气膜，由于其对称的受力情况与结构特点，此时的理想最优厚度即对应了侧气膜最优的实

际气膜厚度hLa‑op，且能够得到此时侧气膜对应的气膜力FL。
3.根据权利要求1所述的一种气体静压导轨最优气膜厚度与刚度的快速计算方法，其
特征在于：所述步骤四中建立气体静压导轨的滑板的结构场瞬态分析模型的具体计算方法
如下：

步骤四一、将步骤一中侧气膜对应气膜力FL加载在滑板侧气膜面上；

步骤四二、将步骤三中的上下气膜的气膜力FU,FI加载在上下气膜面上，同时为了在竖
直方向上进行约束避免模型不收敛，在上下气膜面上加载弹性约束，其刚度值为步骤三中

上下气膜对应的理想刚度KU,KI；
步骤四三、通过该模型即可得到各气膜面在实际气膜厚度对应的气膜力作用下的结构

变形，该值即为在气膜力作用下的气膜厚度变化ΔhU‑op，ΔhI‑op，ΔhL‑op；ΔhU‑op为上气膜厚

度变化值，ΔhI‑op为下气膜厚度变化值，ΔhL‑op为侧气膜厚度变化值；
步骤四四、结合步骤一、二和三中的各气膜的实际气膜厚度进行计算后即可获得该气

体静压导轨的最优初始气膜厚度hU0‑op、hI0‑op、hL0‑op；hU0‑op为最优初始上气膜厚度；hI0‑op为

最优初始下气膜厚度；hL0‑op为最优初始侧气膜厚度，也就是该气体静压导轨的最优设计参
数。
4.根据权利要求3所述的一种气体静压导轨最优气膜厚度与刚度的快速计算方法，其

特征在于：所述步骤四四中最优初始上气膜厚度hU0‑op的公式为；

2
CN115495847A权利要求书2/2页

hU0‑op＝hUa‑op‑ΔhU‑cp(2)

式中hUa