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

高精度氣體靜壓軸承廣泛應用于超精密加工與檢測領域。計算流體動力學簡稱為CFD(Computational Fluid Dynamics)，是氣體靜壓回轉工作臺內部流場計算的理論基礎。FLUENT 是用于模擬和分析復雜幾何區(qū)域內的流動與熱交換問題的CFD 軟件。針對化學機械拋光（CMP）設備中拋光軸所使用的氣體靜壓軸承進行，性能分析與計算，使用FLUENT 軟件來分析多孔質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格和設置邊界條件；以及FLUENT 主軟件，用于分析過程的計算。分析結果顯示，所設計的高精度靜壓軸承滿足CMP 設備的使用要求。

1 氣體靜壓止推軸承

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

圖1 多孔質止推軸承模型網格劃分殘差圖

圖2 FLUENT 分析迭代

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

表1 止推軸承的計算參數

對于氣體靜壓止推軸承，在供氣壓力0.5MPa 條件下，分別計算氣膜厚度1 ～10μm 時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，當氣膜厚度為10μm 時，最小的承載力為116870.25N，滿足設計軸向承載力8005.42N 的設計要求。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，氣體靜壓轉臺的剛度為5139.07N/μm，滿足軸向高剛度的設計要求。

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—剛度曲線

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生，切削力和拋光壓力等外力作用在軸承上產生偏心，氣膜的厚度不一致導致壓力分布不均勻，產生徑向承載力。當軸承不偏心時，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格，如圖6 和圖7，模型的尺寸見表2。

圖6 多孔質徑向軸承模型網格劃分

圖7 網格劃分微觀圖

表2 氣體靜壓徑向軸承模型尺寸

應用FLUENT 對建立的模型進行分析計算，設置供氣壓力0.5MPa，分別計算氣膜厚度1 ～10μm 時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、剛度和偏心率的關系曲線，如圖8、9 所示。圖8所示，當偏心率為0.1 時（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，當偏心率為0.9 時，多孔質氣體靜壓軸承的最小徑向剛度為1228.36N/μm，滿足拋光軸設計剛度要求。

圖8 偏心率—承載能力曲線

圖9 偏心率—剛度曲線

3 結語

面向CMP 設備，對其拋光軸的高精度氣體靜壓軸承進行分析設并得到以下結論：（1）針對CMP 設備的相關需求，對高精度氣體靜壓軸承進行設計計算，獲得了高精度氣體靜壓軸承的設計參數；（2）利用FLUENT 對所設計的氣體靜壓止推軸承和氣體靜壓徑向軸承進行承載能力和剛度分析，結果顯示所設計的氣體靜壓軸承能夠滿足設計要求，為CMP 設備拋光軸的設計提供指導。