多孔质气体静压轴承静动态特性的影响机理研究

Porous aerostatic bearing is the key supporting component to realize rotating with high precision. The research on static and dynamic characteristics of the bearing has become a scientific problem demanding prompt solution in ultra-precision machining. According to the “clear goals of the project”-22.research on the mechanism of the static and dynamic characteristics of porous aerostatic bearing, the project starts with the study of porous material and flow field. The basic regularity and characterization parameters are observed, and then set up the numerical simulation method on porous aerostatic bearing with high degree of confidence, trans-scale and multi-physical field coupling. After that, the action law of static characteristics including bearing capacity, stiffness, and dynamic characteristics under variable design parameters are analysed. Next, the mechanism of error averaging on accuracy of spindle motion is studied. Furthermore, develop the evaluation algorithm on dynamic influence factor to identify the spindle errors. The experimental verification of the static and dynamic characteristics of porous aerostatic bearing is accomplished. Finally, the theoretical system of porous aerostatic bearing are established including flow characteristic analysis of porous micro-structures, trans-scale modelling and simulation, bearing nonlinear dynamics and error averaging effect of the spindle motion, which provide theoretical foundation and technical support on ultra-precision, high performance porous aerostatic bearing design and manufacturing.

本申请针对“培育项目”的明确目标课题-22.多孔质气体静压轴承静动态特性的影响机理研究提出，多孔质气体静压轴承是实现高精度回转的重要支撑部件，由于对轴承静动态特性缺乏系统了解，成为超精密加工中亟待解决的科学问题。课题研究从多孔介质材料特性、流场特性出发，研究微孔结构下气体流动的基本规律和表征参数，建立高置信度跨尺度多物理场耦合的多孔质气体静压轴承数值模拟方法，分析不同设计参数下轴承静态承载力、刚度和动态稳定性的作用规律，研究控制轴系回转精度的误差均化机理，建立辨识回转误差的动态因素评价算法，完成对多孔质气体静压轴承静动态特性的实验验证。最终，形成包含多孔质微结构流场特性分析、跨尺度建模与仿真、转子非线性运动失稳和轴系误差均化效应的基础理论体系，为建立超精密、高性能的多孔质气体静压轴承提供理论依据和技术支持。

本课题主要对多孔质材料微观孔隙特性表征、高置信度数值模拟、回转误差定量求解等基础理论和分析方法系统深入的进行了探究，准确预测不同条件下多孔质气体静压轴承的静动态特性。针对多孔质气体静压轴承静动态特性分析中的关键基础问题，开展了相关的理论分析、数值模拟与实验测试研究。. 建立了多孔质材料宏观渗透性能和微观孔隙特征之间的映射关系。基于分形理论、可压缩气体守恒方程和Darcy定律，建立了多孔质材料的渗透模型；开展了多孔质气体静压轴承的静态特性研究，采用有限体积法实现了轴承流体域压力分布的求解，进而研究了材料特性、几何参数及工作条件对轴承承载力和静态刚度的影响规律；搭建轴承静态特性测试平台，验证了流体润滑模型的有效性和数值求解的准确性。. 开展了气体静压止推轴承的动力学特性研究。基于动态网格技术，建立了多孔质气体静压止推轴承小扰动分析模型，分析了扰动幅值、材料渗透率、气膜间隙、供气压力和轴向偏心率对气膜动态刚度及阻尼特性的影响规律；基于广义Maxwell本构模型和牛顿动力学方程建立了轴承系统的动力学分析模型，分析了供气压力、轴承负载和节流方式对系统频谱特性的影响规律； . 实现了多孔质气体静压轴承回转误差的定量求解和准确测量。建立了微观制造误差的数学表达函数，研究了不同误差类型及误差幅值对轴承气膜内部压力分布的影响；采用双向流固耦合方法迭代求解了流体润滑方程和牛顿第二定律，深入分析了轴承回转误差的动态演化过程及形成机理，研究了制造误差对多孔质气体静压轴承回转误差的影响规律，实现了轴承纳米量级回转误差的准确测量。. 本课题的研究工作准确表征了多孔质材料宏观渗透性能与微观孔隙特征之间的映射关系，并分析三维重构模型的内流场流动形式与运动规律；有效提高了数值模拟计算的置信度；实现了轴承动力学特性的准确分析；揭示了轴承回转误差的动态演化过程及形成机理，为超精密、高性能多孔质气体静压轴承的设计研制提供了理论依据和技术支持。