薄膜反馈节流器特性的流固耦合研究

薄膜反馈节流器作为液体静压轴承的关键部件,其性能的优劣对液体静压轴承的性能有决定性的影响。目前对薄膜反馈节流器的研究更多的是理论推导分析,为了更准确直观的研究薄膜反馈节流器在不同油腔压力作用下膜片应力分布及变形情况,借助ANSYS有限元分析软件,采用双向流固耦合法分析了流体和固体之间的相互作用,研究了节流器出口压力以及金属膜片特性对整个节流器性能的影响,得到不同油腔压力作用下金属弹性膜片的变形情况,对薄膜反馈节流器的设计及选用有一定参考价值。     

流固耦合对静压溜板承载性能影响分析

对重型机床静压溜板承载部位进行流固耦合分析,通过建立以雷诺方程和有限元计算为基础的流固耦合模型,分析了开式定量静压油垫的油膜刚度受供油流量、负载和材料特性的影响规律。将计算结果与不考虑流固耦合特性的分析结果进行对比,结果表明:在供油流量相同条件下,考虑流固耦合特性的油膜刚度相对不考虑流固耦合特性的油膜刚度下降更严重,所以,流固耦合特性对油膜刚度的影响不可忽视。     

基于流固耦合的气体静压止推轴承动态特性研究

为了研究气体静压止推轴承的动态特性,运用有限元分析软件ANSYS中的流体分析模块和瞬态力学模块进行双向流固耦合仿真,对小孔节流气体静压止推轴承的动态特性的相关影响因素进行研究,得到了不同状态下的轴承动态特性的变化曲线.结果表明:当轴承受到干扰负载时,通过提高供气孔压力、增加节流孔个数均可以减小轴承气膜的振动幅度,同时提...     

气体静压节流器变形量的流固耦合数值分析

由于气体在气膜内部压力和温度的不均匀分布,将导致气体静压节流器的工作平面变形,在高精密和超高精密场合,这种变形不容忽略。采用ANSYS的单向流固耦合分析方法,研究了止推型气体静压节流器在不同供气压力、供气温度、气膜厚度、节流孔直径和节流孔长度下工作平面变形量的大小。研究结果表明:随着气膜厚度、供气压力和节流孔直径的增加,变形量增大;随着供气温度的降低,变形量增大;节流孔长度对变形量影响不大;在5个因素中供气温度是影响最大的因素。     

不等腔薄膜反馈式环形静压导轨设计

由两个或4个环形静压导轨组成的高精度、低摩擦、短行程的往复运动机构在机械装备中有很好的应用前景。在导轴的轴向上作往复运动的导套沿周向通常加工有两对油腔,当主承载方向上的成对油腔面积大于辅助承载方向上另一成对油腔时,导套在主承载方向上便具有更大的承载能力。加之,与成对油腔相连接的节流器采用薄膜反馈式节流器,当导套承受外载荷时节流器薄膜发生变形,改变了薄膜两边的节流液阻,促使薄膜两边的出油压力进一步增减。两者叠加,导套在主承载方向上进一步提高了承载能力。对于不等腔薄膜反馈式环形静压导轨参数设计及导套承载力,提出了1种新的计算方法。采用这一方法设计出的大理石静压排锯已应用于生产中,且不同偏心率下的导套承载力的计算结果与试验结果吻合较好,证明该理论模型的正确性。     

液体静压导轨最佳节流参数的研究与应用

通过采用新型可变节流器、静态性能新表达式，分析静压导轨间隙与载荷之间的关系呈S形的曲线，导轨工作在这段曲线上其间隙将随外加载荷的增减而剧烈变化。通过优化节流参数和选择三次曲线两拐点之间连线作为工作载荷范围，保证了导轨问隙在一定载荷范围内变化最小和液体静压导轨具有良好的直线运动精度。     

可控节流参数对液体静压轴承特性的影响研究

节流器是液体静压主轴的核心元件,其节流特性对液体静压主轴的刚度和回转精度具有直接影响。针对现有节流器在主轴工作时节流特性不可控的不足,提出一款预压预调型可控节流器。在分析可控节流器工作原理和节流特性基础上,根据流体润滑理论,建立基于可控节流器的液体静压轴承承载性能的理论模型,研究可控节流器供油压力、弹簧刚度和控制油腔压力等参数对液体静压轴承承载性能的影响规律,并与固定节流液体静压轴承的承载性能进行对比。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,可控节流器能够显著地提高液体静压轴承的油膜刚度;在不同偏心率条件下,可控节流液体静压轴承的最佳油膜刚度对应的节流参数不同。在开发的液体静压电主轴试验台上进行了试验研究,通过对油腔压力和油膜刚度的理论计算值与试验测量值的对比,证实了可控节流方案的有效性。     

基于流固耦合的静压轴承密封性能分析

研究基于流固耦合中的泊松耦合理论,对自行研制的一种用于水轮机的静压轴承密封,建立了密封腔内外流动模型,对密封的工作原理进行了性能分析,得出了密封腔内外的压力变化和速度变化以及位移移动量。     

考虑流固耦合作用的超高速液体动静压轴承油膜特性研究

考虑润滑油的黏温效应对动静压滑动轴承的影响,建立超高速液体动静压滑动轴承的油膜-轴瓦流固耦合模型,采用计算流体动力学（CFD）方法求解连续性方程、能量方程和Navier-Stokes方程组得到动静压轴承油膜的压力场和温度场;采用双向流固耦合分析方法对动静压轴承进行计算,分析轴承弹性形变对油膜特性的影响。结果表明：动静压轴承的油膜压力和最大形变量均随着转速的升高以及供油压力的增加而增大;提高供油压力可以加剧润滑介质的流动,从而在一定程度上降低油膜温度;考虑流固耦合作用之后,动静压轴承的实际承载力和油膜压力均一定程度上减小。     

复合节流空气静压导轨静承载力的仿真分析

利用基于有限体积法方法的F1uent软件。对空气静庄导轨在采用不同类型节流器和不同供气情况下的静承载力进行仿真分析，其中非定常部分仿真时使用的是湍流模型，定常部分是使用理想气体的层流模型。结果表明，使用模型在非稳态状态下求解更接近实际情况，同时采用鼓形槽内凹的菱形排布的节流器，静压导轨能获得较大的静承载力。     

基于ANSYS 12.0的静压轴承双向流固耦合分析

静压轴承油膜承载能力的设计和轴承材料的选择对静压轴承的工作性能和使用寿命显得尤为重要。应用ANSYS 12.0软件Workbench,ANSYS Mechanical和CFX的流固耦合功能对某大型球磨机静压轴承进行双向流固耦合分析,校核静压轴承油膜的承载能力和轴承材料的结构强度。     

基于流固耦合的多油楔滑动轴承动特性研究

提出了适用于多油楔滑动轴承结构的动网格方法,并实现了轴颈任意扰动(自由振荡运动、脉冲激励运动和偏心涡动)下润滑流场的瞬态计算。通过在润滑流场与转子系统间进行数据传递,形成了多油楔滑动轴承润滑流场与转子动力学之间的耦合计算。讨论了轴颈自由振荡、受脉冲激励以及偏心涡动时轴瓦安装角对多油楔滑动轴承动特性的影响,数值计算表明:当安装角设置在20°~40°之间时,轴承的阻尼较小,稳定性较差;而当轴瓦安装角在100°~120°之间时,轴承阻尼较大,稳定性较好,并且轴瓦数越多,安装角对稳定性的影响越小。     

复合节流的静压导轨设计及其稳定性分析

就表面复合节流方式的静压导轨建立一维流动数学模型,从理论上推导出其承载能力与刚度的计算方法。根据气体质量变化连续性特点,建立了表面复合节流方式的静压导轨动态方程,由此对表面复合节流方式的静压导轨进行了稳定性分析,为表面复合节流方式的静压导轨的设计提供了一种理论计算方法。     

流固热耦合效应对气体静压径向轴承的影响

基于气体润滑理论和空气动力学的基本原理,建立气体静压径向轴承的气膜数学模型,通过数值分析和试验相结合的方法,分析了不同供气压力、偏心率、转速时,双向流固耦合和流固热耦合作用对气体静压径向轴承承载力和刚度的影响规律。通过理论分析,明确了高速电主轴气体轴承工作过程中压缩热和摩擦热的形成机理和持续局部温升对气膜和固体边界的协同耦合作用机制;借助数值计算,描述了气膜内部气动热温度场(供气孔出口压缩热和气膜入口的摩擦热)对气膜流场特性和固体边界的作用效果。     

基于数值模拟的小孔节流空气静压轴承静动态特性研究

为了提高小孔节流空气静压轴承的静动态性能,基于流体力学和固体力学的基本控制方程,建立小孔节流空气静压轴承双向流固耦合数值模拟模型;采用静态数值模拟方法获取了设计参数对承载力和刚度的影响规律,进一步对微气膜间隙内三维流场特性进行了分析,有效降低了微气膜间隙内气体冗余现象对空气静压轴承动态稳定性的影响,并在数值计算的基础上对空气静压轴承结构和工作参数进行优化设计;在气体静压试验平台上对自行研制的空气静压轴承进行静动态特性测试。试验结果表明:所提出的数值模拟方法具有很好的预测效果;所采用的优化设计方法能够显著提升空气静压主轴的静动态特性。     

微结构参数对静压气体导轨节流系数和转动刚度的影响

小型复合节流静压气体导轨是保证光刻机高速运动和精确定位的关键部件.为提升导轨的承载力及刚度,在工作面常增加浅腔和沟道等微结构,但微结构对导轨的力学特性、特别是转动刚度的影响一直不清晰.采用网络自适应方法研究了微结构的四个主要参数的影响,以此为依据归纳拟合出修正节流系数,建立了带有修正节流系数的导轨性能半解析模型,揭示了...     

节流器结构参数对Nanosys-1000液体静压导轨承载特性的影响

从实际加工角度出发,研究了节流器结构参数对Nanosys-1000超精密加工机床静压导轨承载特性的影响。利用流体分析软件建立导轨承载油垫的有限元模型并搭建了相关静压导轨实验台,研究了进口油压为1.7 MPa,油膜厚度为36μm时承载油垫的压力场分布特征,并通过对压力场积分得到油膜承载力,求导得到油膜刚度,从而揭示不同结构参数对静压导轨承载特性的影响。研究结果表明:节流器结构参数中节流孔孔径对机床承载特性影响最大,其次为节流孔孔长,出入口倒角对其影响甚微。导轨负载较小时,扩大节流孔孔径与缩短节流孔孔长有助于改善静压导轨承载特性;但在重载条件下,缩小节流孔直径,增加节流孔孔长反而更有利。将仿真数据与实验数据作对比,得到3个承载力测量点数据误差分别为7.9%,6.9%,8.6%。最后根据研究成果,确定了Nanosys-1000机床静压导轨节流孔结构参数。     

二维运动平台气浮静压导轨承载性能计算与研究

为了进一步探索和研究气浮静压润滑支承机理及气浮静压导轨承载性能,提出并研制了一种具有气浮静压润滑支承的精密二维运动平台。结合气浮静压导轨的物理模型建立了其笛卡儿坐标系下的控制方程,采用有限差分方法和流量平衡原理对其控制方程进行了离散差分推导,运用超松弛迭代以及二分快速寻找收敛区间法对其承载性能进行数值计算并开展了实验研究。结果表明：气浮静压导轨承载性能受节流器类型的影响比较显著,多节流孔节流器的承载性能明显优于单节流孔节流器;供气压力对气浮静压导轨承载性能影响显著,供气压力越高其承载性能越强;同等条件下气浮静压导轨组合形式承载性能均优于单独形式承载性能;气浮静压导轨的承载性能实验测试结果和数值计算结果具有较好的一致性,验证了数值计算的有效性。相关研究对推动和促进气浮静压轴承和导轨在精密运动机构和测量设备的研究和工程应用具有较好的借鉴和指导意义。     

应用有限体积法研究空气静压导轨力学特性

研究了润滑气膜的主要力学参数.引入有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下导轨工作面上的压强分布规律.数值结果表明:导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律并非按雷诺润滑方程均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500μm的负压区;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素.本项研究为导轨自激振动抑制、气膜振幅减小乃至空气静压导轨整体精度提高等工作做了有益探索.     

应用有限体积法空气静压导轨力学特性的研究

空气静压润滑是精密工程领域的关键技术之一,润滑气膜的压强分布、承载能力、刚度等力学特性是决定导轨稳定性的主要因素。目前,空气静压导轨设计中常采用简化雷诺方程的工程计算方法,存在静态性能误差大的特点。本文针对润滑气膜的压强分布规律、承载力等主要力学特性参数进行研究。基于节流孔出射气流为冲击射流,引入计算流体力学的有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下空气静压导轨工作面上的压强分布规律。数值结果表明：导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律非雷诺润滑方程所给出的均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500µm的负压区、峰值约为0.05MPa;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是空气静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素。