基于Design Explorer網格優化的曲面氣浮承載能力的研究

胡俊宏，張雪剛， 遲青卓， 張 晨

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

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基于Design Explorer網格優化的曲面氣浮承載能力的研究

胡俊宏，張雪剛， 遲青卓， 張 晨

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

目前靜壓氣浮軸承通常采用跨立式組合支撐技術來滿足應用需求，但該支撐技術存在著如供氣調節復雜，結構不緊湊等一系列固有問題制約著該支撐技術的使用效果。基于此，在對跨立式支撐系統進行分析后，針對其可以改進之處提出了曲面氣浮支承系統。借助FLUENT與Design Explorer模塊的參數化設計功能，對該類問題的數值模擬精度提出了解決方案。求得了設計參數對于該支撐系統承載力的影響。得出新式網格無關性數值模擬實驗有助于提高數值模擬的計算精度。

氣體潤滑；曲面氣浮；Design Explorer；網格無關性優化

0 前言

將氣體作為介質用于潤滑的設想，最早是由一名法國物理學家希尓(G.Hirn)[1]于1854年提出來的。在當時這一觀點十分大膽，由于科學界對于氣體軸承的研究很少，因此未收到較多關注。來到19世紀末期，人們開始意識到氣體介質作為潤滑劑是可實現的。1897年，來自于美國的金斯伯利教授(A. Kingsbury)試研了首個氣體軸承的模型，隨后應用到了實際環境中，并獲得了成功。

氣浮支撐技術，通過將空氣施加高壓，使其充斥在腔體中并保持對壓力承載的統計規律，從而達到對固體元器件的潤滑效果，其結構和工作原理與液體潤滑軸承相似[2]。靜壓氣浮技術的應用通常需要外供氣源，于是又稱為外部加壓空氣潤滑技術[3-4]。承壓氣流經過節流器的蓄壓作用，將空氣注入軸承間隙，形成穩定承壓能力的氣膜流場，從而起到支撐和潤滑的作用。隨著極端應用的需求日益提高，對于高速度、低功耗、高精度這三個主要的應用方向，氣浮支撐技術更是顯現出了強大的生命力，氣體軸承更以其簡單的結構、相對方便的制造工藝等優點，成為潤滑領域的優選設計方式。

本研究主要采用的數值研究方法，是由1886年法國科學家Reynolds提出了著名的Reynolds方程。對于軸向和徑向載荷的承載，現階段使用一對徑向氣浮軸承配合一個軸向定位的止推氣浮軸承的布局方式，該支撐方案一般被稱作是“跨立式布局”，優點是結構簡單，符合傳統的軸承支撐方案的解決思路，缺點是各部件的加工精度有較高要求，特別是垂直精度難以實現。本文利用曲面氣浮軸承的參數化結構建模。通過數值模擬平臺對該問題進行再現，經仿真試驗討論出曲面氣浮軸承的仿真離散化精度，結構參數與承載力的關系。

1 數值分析研究流程

本文的CFD分析流程如圖1所示。

(1)在Ansys的DM中通過參數化建模生成流場，其中把徑向極軸和氣室開口大小作為參數化變量；

(2)對初始的橢圓氣浮軸承進行初場模擬，輸出軸向承載力用于評定各參數；

(3)對不同網格的計算解進行響應面分析，依據初場中輸出的軸向承載力來繪制響應面；

(4)使用上一步得出的優化網格劃分方法對不同極軸的曲面氣模流場進行研究。

2 參數化建模及網格優化設計

曲面靜壓氣浮軸承的幾何結構可以分為節流器內部流場區和曲面軸承狹縫流場區；采用的節流器類型是小孔節流器，同時將小孔腔內流場簡化為壓力入口條件。

2.1 徑向環面節流主要結構參數

軸承寬度B/mm 40

軸承內徑D/mm 27.3

徑向極軸/mm 32

進氣孔直徑d0/mm 0.3

軸承平均半徑間隙h0/μm 30

2.2 建模及初場調試

如圖2為曲面氣浮軸承流場的網格文件，小孔入口已通過印記線法進行加密，模型已簡化為半流場。

可以發現，橢圓面氣模的流場的宏觀尺度在40 mm左右，而厚度只有0.03 mm，這兩者相差三個數量級，為模擬研究帶來極大問題。通過反復試驗，最終通過在幾何面上劃分印記線和Meshing模塊的薄掃掠等功能，將該網格的總體歪度控制在0.6(極好)以下。

圖2 Meshing模塊網格劃分

如圖3所示，借助Fluent的OutPut參數功能，將求解器中的承載力抓取出來，用于不同組實驗間的結果比對。

2.3 流場壓力分析及網格優化

通過調節各方程松弛因子，獲得如圖4中較快的收斂速度。該殘差圖特征可以判定流場內各場值已達到穩定。

從圖5中可以看出，該氣浮軸承的壓力散失過程較理論過程更快，需要對網格進行進一步優化。通常對網格無關性采取網格GCI的計算來驗證，但當被控制的網格變量由多維度上的網格參數化研究需求時，該流程單步方法顯得過于繁瑣[8]。

圖3 Fluent輸出軸徑受力結果

圖4 初始實驗殘差圖

圖5 壓力梯度變化過程

應用Ansys Workbench的Design Exploration模塊(DX)，將網格部分的實驗進行參數化控制。控制變量為橢圓薄片氣模的分層數和整體上的面網格尺寸(mm)。對兩個參數化變量，進行若干組實驗。應用每組試驗中對承載力的OutPut接口，將各組實驗得出的承載力結果匯總用子網格優化分析。

3 網格優化解及曲面氣模承載能力研究

3.1 網格優化實驗的參數設定

徑向氣模厚度/mm 0.03

氣模面宏觀尺寸/mm 40×45

徑向分層層數 6～14

橢圓面的面網格大小/mm 0.1～1

對以上的兩個參數進行試驗，找出在不同網格因素配比下，網格對模擬實驗結果的影響。

3.2 響應面回歸實驗結果

對每組數據進行回歸，繪制出體現徑向分層和面網格大小對軸向承載力影響的曲線族。如圖6中所示，徑向分層需進一步提高到10層以上，數值實驗中氣模流場才會趨于穩定。從圖7中得出，面網格大小需進一步劃分到0.65 mm，整體流場才會趨于穩定。

圖6 徑向層數對氣模承載力影響

圖7 面網格對氣模承載力影響

綜合考慮模擬研究周期，將網格因數設定為：徑向層數12層；面網格大小0.65 mm。繼承此劃分方法對橢圓徑向極軸、氣室開口以及供氣壓力進行研究。

3.3 幾何因素對承載力的影響

幾何模型采用參數化建模，將該模型的徑向極軸在區間32～52 mm間調整，同時將氣室開口和氣室入口壓力加入響應面曲線的實驗中,如圖8～10所示。

圖8 不同壓力下氣室直徑對承載力的影響

圖9 徑向極軸對徑向承載力的影響

圖10 徑向極軸對軸向承載力的影響

通過與早期研究對比，相近尺寸下,徑向承載力高于橢圓氣浮軸承的徑向承載力，但后者可以相應提供一定的軸向承載力。再次將試驗結果體現出的承載特性與其他學者[9-10]用差分算法得到的結果比對，承載力關系曲線走勢圖基本一致。

4 結論

(1)綜合對徑向極軸從32 mm增加到52 mm的過程中各軸承載力的變化趨勢，可以通過調節極軸比例有針對性的應對軸向與徑向的承載需求。

(2)橢圓氣模的各方向承載力與氣源壓力的變化成正比，與氣室開口變化無關。

(3)氣室開口的削弱對橢圓氣浮結構的承載能力會造成高階非線性的損傷，應設置空氣過濾結構。

[1] G.Hirn.Surles Principaux Phenomenes qui Presentment les froteements teements mediats[J].Soc.Ind.Mulhouse Bull.1954(26):188-277.

[2] 王瑚.高精度空氣靜壓軸承的設計[J].航空精密機械工程，1984(03).

[3] YongHu, P.T.Jones, P.T.Chang. Partial ContactAir Bearing Characteristics of Tripad Sliders for Proximity Recording[J]. ASME Journal of Tribology. 1998,120(04):272-278.

[4] Y.Z.Hu, H.Wang, D.Zhu. A computer Model of M-ied Lubrication in Point Contacts[J].Tri.Int.2001,34(01)：65-73

[5] 王云飛.氣體潤滑理論與氣體軸承設計[M]. 北京：機械工業出版社，1999.

[6] Zhai Q, Yan K, Zhang Y, et al. Air flow patterns and noise analysis inside high speed angular contact ball bearings[J]. Journal of Central South University, 2015, 22: 3358-3366.

[7] Investigations on the Damping Properties of Vacuum-compatible Aerostatic Journal Gas Bearing Elements[M]. Universit?tsbibliothek Ilmenau, 2014.

[8] Roache P J. Verification and validation in computational science and engineering[M]. Hermosa, 1998.

[9] 鄭書飛.精密空氣電主軸氣體軸承動態特性參數分析 [D].南京：東南大學，2010.

[10]章正傳.小孔節流靜壓氣浮軸承─轉子系統動力學特性研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2006.

Study on surface air bearing capacity based onDesign Explorer mesh optimization

HU Jun-hong,ZHANG Xue-gang,CHI Qing-zhuo,ZHANG Chen

(School of Mechanical，Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The static pressure gas bearing usually adopts straddle mounted combination support technology to meet the application requirements. But there are such issues like complex gas adjustment or non-compact structures beside a series of inherent problems that restricts the results of the support technology. Based on this, surface gas floating bearing system was put forward to improve after the analysis of straddle mounted combination support technology. With the help of FLUENT software and Design Explorer module of parametric design function, the numerical simulation precision of this kind of problem was put forward. The influence of design parameters on the bearing capacity of the support system was obtained. The new grid independence of numerical simulation was helpful to improve the calculation precision of numerical simulation.

gas lubrication;surface gas floating;Design Explorer;grid independence optimization

2016-08-21；

2016-11-25

遼寧省自然科學基金項目(201202161)

胡俊宏(1967-)，男，遼寧遼中人，副教授，博士，主要從事摩擦學、振動與噪聲控制的研究。

TH133.35

A

1001-196X(2017)04-0052-04