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基于FLUENT软件的多孔质静压轴承的仿真与实验研究

饶河清  
【摘要】: 气体静压轴承回转精度高、运转平稳、摩擦小、使用寿命长,可以在极高和极低的温度、超低到超高的速度下,以及辐射环境中工作,因此在航空、航天领域以及精密测量和惯性测试设备上得到广泛应用。多孔质气体静压轴承能明显提高轴承的承载能力,具有更优越的阻尼特性和稳定性,故得到广泛的关注。多孔质静压轴承又分为全多孔质静压轴承和局部多孔质静压轴承。本文在理论分析、仿真计算和科学实验的基础上对这两种轴承的静态性能进行了研究。 本文首先提出了局部多孔质和全多孔质静压径向轴承理论计算模型,根据气体在多孔质材料中的流动特性给出了轴承的性能表达式,并进行求解。然后用计算流体力学中的FLUENT软件进行迭代计算,成功地将其引入到多孔质静压轴承研究领域。目前针对径向轴承和止推轴承静特性的研究,多采用简化的解析方法或数值解法,数值解法主要是有限元法和有限差分法,计算效率较低。而FLUENT软件采用的是近年发展非常迅速的有限体积法,计算效率和精度都很高。该软件对边界条件、计算模型、控制参数及网格质量方面都有严格要求,且在多孔介质领域进行的研究还较少。本文首次应用它对轴承的压力场和静态特性进行了仿真分析,得出了气体流经小孔、多孔柱塞和全多孔质的压力变化曲线以及轴上压力沿轴向和圆周方向上的变化趋势,并给出了轴承的承载能力和静态刚度曲线。对于全多孔质轴承,还分析计算了供气压力、渗透率、气膜厚度、偏心率以及轴承的结构参数对轴承静态性能的影响,给出了一些规律性的结论。 最后,通过实验验证了仿真计算结果的正确性和可靠性。为今后对多孔质轴承的进一步研究提供借鉴,所以说这是一项具有理论意义和工程应用价值的开创性工作。


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