基于Design Explorer網(wǎng)格優(yōu)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(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

?

基于Design Explorer網(wǎng)格優(yōu)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(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(shù)來滿足應(yīng)用需求，但該支撐技術(shù)存在著如供氣調(diào)節(jié)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不緊湊等一系列固有問題制約著該支撐技術(shù)的使用效果。基于此，在對跨立式支撐系統(tǒng)進(jìn)行分析后，針對其可以改進(jìn)之處提出了曲面氣浮支承系統(tǒng)。借助FLUENT與Design Explorer模塊的參數(shù)化設(shè)計功能，對該類問題的數(shù)值模擬精度提出了解決方案。求得了設(shè)計參數(shù)對于該支撐系統(tǒng)承載力的影響。得出新式網(wǎng)格無關(guān)性數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)有助于提高數(shù)值模擬的計算精度。

氣體潤滑；曲面氣浮；Design Explorer；網(wǎng)格無關(guān)性優(yōu)化

0 前言

將氣體作為介質(zhì)用于潤滑的設(shè)想，最早是由一名法國物理學(xué)家希尓(G.Hirn)[1]于1854年提出來的。在當(dāng)時這一觀點(diǎn)十分大膽，由于科學(xué)界對于氣體軸承的研究很少，因此未收到較多關(guān)注。來到19世紀(jì)末期，人們開始意識到氣體介質(zhì)作為潤滑劑是可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用到了實(shí)際環(huán)境中，并獲得了成功。

氣浮支撐技術(shù)，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(tǒng)計規(guī)律，從而達(dá)到對固體元器件的潤滑效果，其結(jié)構(gòu)和工作原理與液體潤滑軸承相似[2]。靜壓氣浮技術(shù)的應(yīng)用通常需要外供氣源，于是又稱為外部加壓空氣潤滑技術(shù)[3-4]。承壓氣流經(jīng)過節(jié)流器的蓄壓作用，將空氣注入軸承間隙，形成穩(wěn)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(yīng)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(yīng)用方向，氣浮支撐技術(shù)更是顯現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力，氣體軸承更以其簡單的結(jié)構(gòu)、相對方便的制造工藝等優(yōu)點(diǎn)，成為潤滑領(lǐng)域的優(yōu)選設(shè)計方式。

本研究主要采用的數(shù)值研究方法，是由1886年法國科學(xué)家Reynolds提出了著名的Reynolds方程。對于軸向和徑向載荷的承載，現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，符合傳統(tǒng)的軸承支撐方案的解決思路，缺點(diǎn)是各部件的加工精度有較高要求，特別是垂直精度難以實(shí)現(xiàn)。本文利用曲面氣浮軸承的參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模。通過數(shù)值模擬平臺對該問題進(jìn)行再現(xiàn)，經(jīng)仿真試驗(yàn)討論出曲面氣浮軸承的仿真離散化精度，結(jié)構(gòu)參數(shù)與承載力的關(guān)系。

1 數(shù)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(shù)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(shù)化變量；

(2)對初始的橢圓氣浮軸承進(jìn)行初場模擬，輸出軸向承載力用于評定各參數(shù)；

(3)對不同網(wǎng)格的計算解進(jìn)行響應(yīng)面分析，依據(jù)初場中輸出的軸向承載力來繪制響應(yīng)面；

(4)使用上一步得出的優(yōu)化網(wǎng)格劃分方法對不同極軸的曲面氣模流場進(jìn)行研究。

2 參數(shù)化建模及網(wǎng)格優(yōu)化設(shè)計

曲面靜壓氣浮軸承的幾何結(jié)構(gòu)可以分為節(jié)流器內(nèi)部流場區(qū)和曲面軸承狹縫流場區(qū)；采用的節(jié)流器類型是小孔節(jié)流器，同時將小孔腔內(nèi)流場簡化為壓力入口條件。

2.1 徑向環(huán)面節(jié)流主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

軸承寬度B/mm 40

軸承內(nèi)徑D/mm 27.3

徑向極軸/mm 32

進(jìn)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(diào)試

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

可以發(fā)現(xiàn)，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(shù)量級，為模擬研究帶來極大問題。通過反復(fù)試驗(yàn)，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(wǎng)格的總體歪度控制在0.6(極好)以下。

圖2 Meshing模塊網(wǎng)格劃分

如圖3所示，借助Fluent的OutPut參數(shù)功能，將求解器中的承載力抓取出來，用于不同組實(shí)驗(yàn)間的結(jié)果比對。

2.3 流場壓力分析及網(wǎng)格優(yōu)化

通過調(diào)節(jié)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(nèi)各場值已達(dá)到穩(wěn)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(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。通常對網(wǎng)格無關(guān)性采取網(wǎng)格GCI的計算來驗(yàn)證，但當(dāng)被控制的網(wǎng)格變量由多維度上的網(wǎng)格參數(shù)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(jié)果

圖4 初始實(shí)驗(yàn)殘差圖

圖5 壓力梯度變化過程

應(yīng)用Ansys Workbench的Design Exploration模塊(DX)，將網(wǎng)格部分的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)化控制。控制變量為橢圓薄片氣模的分層數(shù)和整體上的面網(wǎng)格尺寸(mm)。對兩個參數(shù)化變量，進(jìn)行若干組實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用每組試驗(yàn)中對承載力的OutPut接口，將各組實(shí)驗(yàn)得出的承載力結(jié)果匯總用子網(wǎng)格優(yōu)化分析。

3 網(wǎng)格優(yōu)化解及曲面氣模承載能力研究

3.1 網(wǎng)格優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)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(shù) 6～14

橢圓面的面網(wǎng)格大小/mm 0.1～1

對以上的兩個參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，找出在不同網(wǎng)格因素配比下，網(wǎng)格對模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3.2 響應(yīng)面回歸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，繪制出體現(xiàn)徑向分層和面網(wǎng)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(jìn)一步提高到10層以上，數(shù)值實(shí)驗(yàn)中氣模流場才會趨于穩(wěn)定。從圖7中得出，面網(wǎng)格大小需進(jìn)一步劃分到0.65 mm，整體流場才會趨于穩(wěn)定。

圖6 徑向?qū)訑?shù)對氣模承載力影響

圖7 面網(wǎng)格對氣模承載力影響

綜合考慮模擬研究周期，將網(wǎng)格因數(shù)設(shè)定為：徑向?qū)訑?shù)12層；面網(wǎng)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(jìn)行研究。

3.3 幾何因素對承載力的影響

幾何模型采用參數(shù)化建模，將該模型的徑向極軸在區(qū)間32～52 mm間調(diào)整，同時將氣室開口和氣室入口壓力加入響應(yīng)面曲線的實(shí)驗(yàn)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(yīng)提供一定的軸向承載力。再次將試驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)出的承載特性與其他學(xué)者[9-10]用差分算法得到的結(jié)果比對，承載力關(guān)系曲線走勢圖基本一致。

4 結(jié)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(diào)節(jié)極軸比例有針對性的應(yīng)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(guān)。

(3)氣室開口的削弱對橢圓氣浮結(jié)構(gòu)的承載能力會造成高階非線性的損傷，應(yīng)設(shè)置空氣過濾結(jié)構(gòu)。

[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(shè)計[J].航空精密機(jī)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(shè)計[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)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(tài)特性參數(shù)分析 [D].南京：東南大學(xué)，2010.

[10]章正傳.小孔節(jié)流靜壓氣浮軸承─轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 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(xué)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(xué)、振動與噪聲控制的研究。

TH133.35

A

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