多孔质气体静压轴承高置信度数值模拟方法研究

摘要

气体静压轴承是超精密机床中重要的核心部件，因其具有高精度、极小摩擦损耗、高速度等优点而被广泛使用。利用多孔材料制成的气体静压轴承比其他类型的气体静压轴承拥有更高的承载力与刚度，因此多孔质气体静压轴承受到越来越多的关注。数值仿真方法是多孔质气体静压轴承研究的重要计算工具，但是如何提高数值计算的置信度，缩小轴承仿真结果与实际运行性能的差距是发展新型多孔质气体静压轴承亟待解决的问题。针对这一问题，本文首先分析了多孔质气体静压轴承不同内流场计算模型，之后讨论了轴承多源制造误差对轴承静态特性的影响规律，最后建立了多孔质气体静压轴承改善的回转误差动态计算模型。为多孔质气体静压轴承性能分析提供了可信的仿真计算模型。论文主要研究内容如下： （1）研究了多孔质气体静压轴承不同内流场计算模型。利用流体动力学计算软件（CFD），建立了多孔质气体静压轴承的数值求解模型，基于内流场理论，提出了多孔质轴承湍流流动模型以及速度滑移模型，然后分析了湍流模型和滑移模型下的轴承静态性能变化规律，最后结合理论推导验证了所提出的内流场模型的优越性。 （2）研究了轴承多源制造误差对轴承静态特性的影响规律。通过实验测量与数学工具拟合，建立节流器制造误差模型的表征，分析了节流器制造误差对多孔质气体静压轴承的静态特性影响规律，进而研究了主轴与节流器耦合误差对多孔质轴承静态特性的影响，最后通过静态实验验证了多源制造误差模型的准确性。 （3）建立了多孔质气体静压轴承改善的回转误差动态计算模型。基于流体动力学理论，推导了多孔质气体静压轴承动态承载力计算公式，通过对比了不同网格更新方法的优劣，然后利用动网格技术开发了多孔质气体静压轴承回转计算算法并分析了主轴圆度对轴承回转误差的影响规律，最后在超精密机床主轴回转精度实验中验证了上述改善计算模型的精确性。

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