小孔节流气体静压导轨静态特性优化设计

为解决气体静压导轨工作刚度不足问题,提出一种双边气膜刚度最优设计方法。根据气体润滑理论及简化假设推导了气膜压力分布的雷诺方程,基于有限差分法离散了气膜流场求解域和边界条件,在MATLAB中编制了压力分布的求解程序,积分得到气膜的承载力,再求导可得气膜刚度。分析导轨间隙、节流孔结构参数和供气压力等对导轨静态特性的影响规律,为静压导轨的设计制造提供参考。     

精密导轨用气体轴承微米形状静压面特性研究

精密加工装备或测量仪器要求导轨具有高刚度高精度特性。文章提出了基于气体轴承静压面微米形状的刚度提升方法,研究分析多孔质气体轴承微米形状的结构原理及类型,采用母线多线法和同心圆法测量圆柱型气体轴承静压面,并评估其曲面不规则度或同心度偏差,以减少加工误差对静压槽形对气膜静态特性的影响;通过SolidWorks内嵌插件对气体轴承加载力进行仿真分析,为气体轴承微米形状静压面静态特性的槽型深度提供试验参数依据;最后对比分析了0.1～0.5 MPa气体压力对平面气膜在承载载荷力、静态刚度、气体流量等特性影响,当凹面槽深h_1=1μm即该值接近受承载力变形量时,气体轴承刚度较好且气体流量较低;当微米形状为凸面时,气体轴承静压面特性表现较差,为精密导轨工程应用高刚度高精度气体静压轴承设计提供参考依据。     

基于FLUENT的环面节流静压气体圆盘止推轴承二维流场仿真分析

静压气体轴承供气孔出13后的压力陡降一直限制着静压气体轴承的使用;且随着气膜间隙的增大,气膜内甚至会出现负压,而传统的雷诺方程无法计算出流场内的压力陡降.运用FLUENT软件对单孔环面节流静压气体圆盘止推轴承的流场进行了仿真计算;基于计算结果,分析了不同气膜间隙下气膜入13区和压力回升区的流场特性;运用边界层知识解释了不同气膜间隙下的压力回升;以流场中马赫数的连续变化为依据说明气膜内正激波是不存在的;研究了流场中气体粘度的变化情况;通过仿真压力分布与实验压力分布的对比,验证了仿真模型和仿真方法的正确性.     

基于数值模拟的超精密静压导轨静态特性分析

为了有效解决超精密静压导轨静态特性实验分析的难题,文章提出了一种基于ANSYS Workbench的静压导轨数值模拟方法。首先采用FLUENT模块完成流场分析,得到流体域的压力分布;然后采用积分法得到油膜面的承载力,在此基础上采用逐差法得到油膜面的刚度值;接着分析了节流孔直径、供油压力及油膜间隙对承载力及刚度特性的影响规律;最后将流体域油膜面的压力分布耦合到固体域的运动滑块上进行流固耦合分析,得到导轨运动滑块在流场压力及外部载荷作用下的应力、应变等静力特性,完成了静压导轨的强度校核。     

超精密定位工作台静压导轨静态特性及流场仿真分析

研究超精密液体静压定位工作台中的液体静压导轨静态特性问题。根据流体润滑理论及雷诺方程,构建了导轨油膜压力的数学物理模型,运用有限元方法求解静压导轨的各项静态特性参数,如导轨的承载能力、静刚度、流量等。运用三维造型软件Solid Works和CFD软件FLUENT,从结构三维造型设计和内部三维流动综合分析液体静压导轨,获得油膜压力的分布云图、曲线和油腔液压油流速分布云图,并分析不同结构设计参数和环境参数对液体静压导轨静态特性的影响。本文研究将对实际的静压导轨系统设计具有指导意义。     

超精密机床液体静压导轨静动态特性研究

高精度高刚度导轨是实现脆性材料高效高表面完整性加工的前提条件。以超精密机床的液体静压导轨为研究对象,设计了液体静压导轨结构,建立了导轨的三维模型与数学模型,并通过数值仿真,预测出不同参数条件下液体静压导轨的静态特性与动态特性。开展了超精密机床液体静压导轨静动态特性实验,验证模型的可靠性,结果表明模型预测值与实验测量结果相近,表明模型可靠,为实现脆性材料的高效高表面完整性加工奠定了理论基础。     

节流器类型对空气静压导轨静特性的影响分析

在理论研究的基础上,通过联立基本方程式推导出导轨气膜的三维不可压缩定常雷诺方程;使用前处理软件Gambit建立环面节流、狭缝节流、小孔节流3种节流方式的气膜模型;应用基于有限体积法的FLUENT软件对空气静压导轨静态特性参数进行迭代求解;通过对计算结果进行后处理,最终得出这3种典型节流形式对空气静压导轨气膜压力分布、静承载能力和耗气量的影响规律。     

液晶玻璃光学检测仪器气浮板研究设计

为了比较通孔阵列不同排布方式对气膜压力、速度分布的影响,运用气体润滑理论以及空气静压轴承设计的相关理论,对毛细管节流模型进行理论分析,得到液晶玻璃气浮流场压力的计算公式。基于毛细管节流的平面静压气体支承的对称性,利用Gambit建立均匀和非均匀毛细管阵列气浮轴承的三维模型和划分网格,利用Fluent进行数值仿真,得到气膜的压力分布。在气浮系统其他几何参数不变的情况下,分析比较均匀和非均匀毛细管阵列以及供气压力对气浮支承静态特性的影响,结果得出均匀毛细管阵列静态特性更优,从而根据研究结果设计出均匀毛细管阵列的液晶玻璃光学检测仪器的气浮支承平台。     

多微通道式气体静压节流器温度效应的数值仿真

气体静压节流器的变形量一般在微纳米级,难以采用实验的方法测得。对自主设计的多微通道式气体静压节流器,利用ANSYS软件对其受温度效应的影响进行研究。采用流固耦合分析方法,对供气温度和环境温度均为20℃,供气压强为（0.2～0.6）MPa,气膜厚度为10μm、20μm、30μm、40μm时节流器的温度分布及变形量进行仿真分析。研究结果表明：供气压强越大,气膜厚度越小,温度效应越明显,节流器内部温度和压强的降低引起的节流器变形越大。而温度变化对节流器的影响要明显强于压强变化对节流器的影响。其中,温降引起的最大变形量为1.0116μm,而压降引起的最大变形量为0.1289μm。     

高压重载螺旋传动副流固耦合与间隙优化分析

梯形丝杠副正常工作时，丝杠与螺母接触表面变形使间隙油膜厚度和压力分布不均匀，进而对梯形丝杠副的工作状态、油膜润滑特性和承载能力产生一系列影响，因此采用流固耦合分析方法对油润滑梯形丝杠副进行仿真研究。分别建立了梯形丝杠副固体模型和丝杠螺母间隙油膜的流体模型，采用流固耦合仿真分析方法，考虑油膜承载时压力升高而导致梯形丝杠副结构变形这一现象，得到相同工况、不同间隙下，丝杠与螺母的应力和变形情况以及油膜厚度对其承载性能和刚度的影响。研究结果显示：高压重载工况下，梯形丝杠与螺母均满足材料的屈服强度要求；综合考虑梯形丝杠副间隙与油膜承载刚度和承载力的关系，其润滑与承载性能在间隙为0.15～0.20 mm时最佳。     

液压管道在不同弯曲角度下流固耦合特性仿真研究

管道的弯曲角度影响流体流动特性与管道应力分布。利用有限元方法对不同曲率情况下管道的流固耦合特性进行了分析,研究了流固耦合作用下不同曲率管道的等效应力、位移变形和流体流动特性规律。结果表明:弯曲角度大于135°时对管道的固有频率影响较大;流体对弯曲管道壁面产生的作用力导致管道发生变形,管道的最大位移变形和管道内流体的最大流速随着弯曲角度的增加均先增加后减小。     

基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的特性研究

随着超精密加工技术和地面微低重力仿真的发展,相关产业对空气静压轴承的性能要求越来越高。由于传统的孔式节流器其结构特点不能完全满足实际使用的需要,节流孔直径与气膜间隙同一数量级的微孔节流空气静压轴承因其良好的刚度和承载特性,越来越受到关注。但在微孔节流器的发展过程中,微孔的加工工艺却限制了其推广应用。针对目前常用的三类微孔加工工艺,进行了理论仿真研究,通过建立不同加工工艺轴承仿真模型,运用双向流固耦合仿真方法,对比分析了基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的动静态特性。研究结果表明：锥孔类轴承承载性能优于其他两类,但耗气量大且在小间隙时刚度较差;薄壁直孔类轴承承载性能稍逊,但在大间隙下轴承刚度较佳;嵌套类轴承承载性能较差,但在小间隙下轴承刚度较大且耗气量较低。     

静压气体推力轴承性能检测装置设计

研究了静压气体推力轴承气膜内气体压力分布、轴承承载能力的检测方法并研制了实验装置。该实验装置有以下两方面的优点:一是采用极坐标运动平台定位气体压力传感器测试点,实现气膜内气体压力检测,同时避免了x-y运动平台双轴联动定位误差。二是采用杠杆加载原理,可避免直接加载对砝码尺寸的限制,扩大实验加载力的范围,还能实现力的连续加载,且不会产生加载力波动。实验结果与仿真结果吻合,达到了预期的要求。检测方法和实验装置可为超精密静压气体润滑理论的进一步发展提供有力的实验支撑。     

基于CFD的静压转台油膜特性分析与油腔设计

针对静压转台回转运动精度不足的问题,以数控磨床的扇形液体静压转台为对象,对单个静压支承结构的位移率和设计间隙进行理论计算,得到油膜承载力与位移率和设计间隙之间的关系。对油腔内部流场进行仿真计算,得到不同油腔结构对油腔流场中承载性能产生的影响规律;根据仿真结果和转台的参数要求选取合适的油腔结构,设计了扇形静压转台;通过流固耦合分析,验证油腔设计的合理性;通过油膜刚度试验,验证了油腔设计的可行性。     

基于流固耦合的螺旋桨性能数值对比分析

为研究不同流固耦合方法对螺旋桨水动力及强度的影响。首先建立螺旋桨模型,对模型进行前处理,在Workbench平台中分别采用单向与双向流固耦合方法,对某型螺旋桨在不同进速下敞水性能、表面压力分布、等效应力和变形进行计算分析与比较,得到敞水性能对比曲线、不同截面处压力分布对比曲线以及应力和变形随桨叶半径变化的对比曲线。结果表明:在低进速系数下,双向流固耦合计算的敞水性能结果精确度高于单向流固耦合,随着进速系数增加,两种方法的计算值差距越来越小;单向流固耦合所得到的压力峰值高于双向流固耦合,但是采用双向流固耦合所得到的压力分布更均匀;单向流固耦合所得应力与变形峰值高于双向流固耦合,随着进速系数的增大,两种流固耦合方法计算值偏差有增大的趋势。     

稀薄条件下空气静压导轨气膜气体流态分析

基于空气静压导轨气膜支撑区气体分子运动和碰撞规律,提出气膜分层理论,将气膜支撑区的气体划分为近壁层、稀薄层、连续流层,给出划分稀薄层和连续流层的依据,建立物理模型并提出相应控制方程,通过LAMMPS(Largescale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)仿真气膜支撑区气体流态并计算其压力。结果表明:随着气流速度的增大,气膜有效压力减小,连续流层的厚度增大,稀薄层的厚度减小,当到达一定速度值时,气膜内压力不在分层,速度滑移现象可以忽略。从而验证分层理论的合理性。     

大型煤气调节阀流固耦合分析

根据循环发电工程中大型煤气压力调节阀的实际结构和工作条件,建立调节阀流固耦合系统动力学模型,对调节阀中流体与阀芯的流固耦合问题进行研究。分析不同开度下流固耦合对流体速度和漩涡形成的影响,探讨在大流量煤气压力作用下的阀芯和阀杆的等效应力分布以及变形情况,揭示流固耦合对流场作用于阀芯压力的影响。从流固耦合问题出发研究大型煤气压力调节阀,实现调节阀在流固耦合作用下的结构优化设计,对于提高我国大型调节阀的设计研究水平,具有重要的生产实际意义。     

超精密静压导轨油膜支撑特性分析

当机床静压导轨滑块偏移时,油膜间隙厚度发生了改变,从而导致了机床静压导轨不同位置油膜的承载力和刚度均发生了变化。为了研究在不同供油压力下滑块的偏移量对静压导轨液膜承载力和刚度的影响,从流体仿真角度对超精密磨床静压导轨上起支撑作用的油膜进行分析,并对导轨滑块进行模态分析。首先对超精密机床进行建模并分别对其固体区域和流体区域进行网格划分;其次通过西门子旗下的STAR CCM+软件对静压导轨液膜进行了流体分析,得到供油压力和液膜厚度对油膜承载力,刚度特性的影响规律;最后将油膜的刚度数据在ANSYS Workbench中简化为弹簧并进行模态分析,通过模态分析对超精密机床液压导轨进行识别,可以更好的掌握机床导轨性能。     

基于分子碰撞理论的静压导轨气膜内部微振动现象的分析

静压导轨气膜微振动已经成为制约气浮支撑发展的重大问题。为证实气膜内部的微振动本质是高压气体在流动过程中与支撑底面、节流器壁面和气浮块壁面发生碰撞,导致气膜区域内表面受到变化的冲量,形成不规律的水平和垂直方向冲击力,使得气浮块发生基于系统固有频率及其倍频的微振动。通过理论分析,建立描述气膜支撑区动力学特性的振动模型,并进行了仿真分析和实验对比验证,证实了气膜内部微振动的形成机制。分析结果表明:有气腔与无气腔的节流方式都会产生气膜微振动;进气孔直径相同情况下,有气腔节流方式下的振动大于无气腔节流方式下的振动;振动峰值的频率点基本一致,其频域曲线所显示的振动规律也基本相同。     

基于动网格技术的空气静压轴承线刚度及角刚度分析

为了在超精密机床设主轴设计阶段准确得到空气静压轴承的静态特性,文章提出了一种基于Fluent动网格技术的数值仿真方法,综合分析了在考虑进气孔直径、进气压力、气膜厚度及轴承转速等条件下对空气静压轴承线刚度及角刚度的影响。结果表明:轴承线刚度随气膜厚度的减小、进气压力的增大而增大,且最大线刚度所对应的进气孔直径随压力增大而增加;轴承角刚度随气膜厚度的减小、进气孔压力和进气孔直径的增大而增加。