基于FLUENT 的高精度氣體靜壓軸承性能分析

曹明琛，趙惠英，朱生根，趙凌宇，顧亞文，劉孟奇

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.北京微納精密機(jī)械有限公司，北京 101300）

高精度氣體靜壓軸承廣泛應(yīng)用于超精密加工與檢測領(lǐng)域。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)簡稱為CFD(Computational Fluid Dynamics)，是氣體靜壓回轉(zhuǎn)工作臺內(nèi)部流場計(jì)算的理論基礎(chǔ)。FLUENT 是用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)與熱交換問題的CFD 軟件。針對化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）設(shè)備中拋光軸所使用的氣體靜壓軸承進(jìn)行，性能分析與計(jì)算，使用FLUENT 軟件來分析多孔質(zhì)氣體靜壓止推軸承和徑向軸承的流體特性。其中包括了GAMBIT 軟件，用于建立零件的三維模型并生成分析所需的網(wǎng)格和設(shè)置邊界條件；以及FLUENT 主軟件，用于分析過程的計(jì)算。分析結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的高精度靜壓軸承滿足CMP 設(shè)備的使用要求。

1 氣體靜壓止推軸承

氣體靜壓止推軸承為環(huán)形結(jié)構(gòu)，本課題分別進(jìn)行了氣膜厚度1 ～10μm 的承載特性仿真分析。首先在GAMBIT 軟件里建立多孔質(zhì)氣體靜壓止推軸承的三維模型并劃分網(wǎng)格，如圖1 所示。為了計(jì)算方便，將多孔質(zhì)材料部分和氣膜部分分為兩部分分別劃分網(wǎng)格，其中多孔質(zhì)材料部分每2mm 設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，氣膜部分的厚度方向每1μm 設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)。將GAMBIT 生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT 中，對建立的模型進(jìn)行分析計(jì)算。在殘差監(jiān)視器中設(shè)定計(jì)算次數(shù)500 次，各個(gè)方向向量上的殘差下降到10-9時(shí)計(jì)算收斂。分別設(shè)定進(jìn)氣壓力和多孔質(zhì)材料參數(shù)，在初始化后進(jìn)行迭代計(jì)算。圖2 為仿真分析的迭代殘差圖，從圖中可以看出，當(dāng)?shù)?jì)算進(jìn)行到170次時(shí)，各個(gè)方向向量曲線趨于水平，因此可以認(rèn)定計(jì)算收斂，網(wǎng)格劃分以及邊界條件的設(shè)定合理。

圖1 多孔質(zhì)止推軸承模型網(wǎng)格劃分殘差圖

圖2 FLUENT 分析迭代

本課題分別進(jìn)行了氣膜厚度為1 ～10μm 時(shí)氣體靜壓止推軸承的承載特性仿真分析。建立的環(huán)形止推軸承的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 止推軸承的計(jì)算參數(shù)

對于氣體靜壓止推軸承，在供氣壓力0.5MPa 條件下，分別計(jì)算氣膜厚度1 ～10μm 時(shí)止推軸承的承載能力，得到的不同氣膜厚度的壓力分布如圖3 所示，并繪制承載能力、剛度和氣膜厚度的關(guān)系曲線，如圖4、5 所示。由圖可以看出，氣壓靜壓止推軸承的承載能力隨著氣膜厚度的減小而增大，當(dāng)氣膜厚度為10μm 時(shí)，最小的承載力為116870.25N，滿足設(shè)計(jì)軸向承載力8005.42N 的設(shè)計(jì)要求。由圖可以分析，氣體靜壓止推軸承的剛度隨著氣膜厚度的增大而增大，氣膜厚度為10μm 時(shí)，氣體靜壓轉(zhuǎn)臺的剛度為5139.07N/μm，滿足軸向高剛度的設(shè)計(jì)要求。

圖3 不同氣膜厚度下的壓力云圖

圖4 氣膜厚度—承載能力曲線

圖5 氣膜厚度—?jiǎng)偠惹€

2 氣體靜壓徑向軸承

徑向氣體靜壓軸承的承載力由偏心產(chǎn)生，切削力和拋光壓力等外力作用在軸承上產(chǎn)生偏心，氣膜的厚度不一致導(dǎo)致壓力分布不均勻，產(chǎn)生徑向承載力。當(dāng)軸承不偏心時(shí)，氣膜的壓力分布完全對稱，其徑向承載力為0。首先，在GAMBIT軟件中建立徑向氣體靜壓軸承的三維模型并劃分網(wǎng)格，如圖6 和圖7，模型的尺寸見表2。

圖6 多孔質(zhì)徑向軸承模型網(wǎng)格劃分

圖7 網(wǎng)格劃分微觀圖

表2 氣體靜壓徑向軸承模型尺寸

應(yīng)用FLUENT 對建立的模型進(jìn)行分析計(jì)算，設(shè)置供氣壓力0.5MPa，分別計(jì)算氣膜厚度1 ～10μm 時(shí)徑向軸承的承載能力，得到的不同氣膜厚度的壓力分布如下圖所示，并繪制承載能力、剛度和偏心率的關(guān)系曲線，如圖8、9 所示。圖8所示，當(dāng)偏心率為0.1 時(shí)（即偏心量為1μm），氣體靜壓軸承的徑向承載力為1375.7642N，徑向承載能力隨著偏心率的增大而增大。由圖9 可以看出，徑向剛度隨著偏心率的增大而減小，當(dāng)偏心率為0.9 時(shí)，多孔質(zhì)氣體靜壓軸承的最小徑向剛度為1228.36N/μm，滿足拋光軸設(shè)計(jì)剛度要求。

圖8 偏心率—承載能力曲線

圖9 偏心率—?jiǎng)偠惹€

3 結(jié)語

面向CMP 設(shè)備，對其拋光軸的高精度氣體靜壓軸承進(jìn)行分析設(shè)并得到以下結(jié)論：（1）針對CMP 設(shè)備的相關(guān)需求，對高精度氣體靜壓軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，獲得了高精度氣體靜壓軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)；（2）利用FLUENT 對所設(shè)計(jì)的氣體靜壓止推軸承和氣體靜壓徑向軸承進(jìn)行承載能力和剛度分析，結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的氣體靜壓軸承能夠滿足設(shè)計(jì)要求，為CMP 設(shè)備拋光軸的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。