基于FLUENT 的高精度气体静压轴承性能分析

曹明琛，赵惠英，朱生根，赵凌宇，顾亚文，刘孟奇

（1.西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049；2.哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；3.北京微纳精密机械有限公司，北京 101300）

高精度气体静压轴承广泛应用于超精密加工与检测领域。计算流体动力学简称为CFD(Computational Fluid Dynamics)，是气体静压回转工作台内部流场计算的理论基础。FLUENT 是用于模拟和分析复杂几何区域内的流动与热交换问题的CFD 软件。针对化学机械抛光（CMP）设备中抛光轴所使用的气体静压轴承进行，性能分析与计算，使用FLUENT 软件来分析多孔质气体静压止推轴承和径向轴承的流体特性。其中包括了GAMBIT 软件，用于建立零件的三维模型并生成分析所需的网格和设置边界条件；以及FLUENT 主软件，用于分析过程的计算。分析结果显示，所设计的高精度静压轴承满足CMP 设备的使用要求。

1 气体静压止推轴承

气体静压止推轴承为环形结构，本课题分别进行了气膜厚度1 ～10μm 的承载特性仿真分析。首先在GAMBIT 软件里建立多孔质气体静压止推轴承的三维模型并划分网格，如图1 所示。为了计算方便，将多孔质材料部分和气膜部分分为两部分分别划分网格，其中多孔质材料部分每2mm 设置一个节点，气膜部分的厚度方向每1μm 设置一个节点。将GAMBIT 生成的网格文件导入FLUENT 中，对建立的模型进行分析计算。在残差监视器中设定计算次数500 次，各个方向向量上的残差下降到10-9时计算收敛。分别设定进气压力和多孔质材料参数，在初始化后进行迭代计算。图2 为仿真分析的迭代残差图，从图中可以看出，当迭代计算进行到170次时，各个方向向量曲线趋于水平，因此可以认定计算收敛，网格划分以及边界条件的设定合理。

图1 多孔质止推轴承模型网格划分残差图

图2 FLUENT 分析迭代

本课题分别进行了气膜厚度为1 ～10μm 时气体静压止推轴承的承载特性仿真分析。建立的环形止推轴承的计算参数见表1。

表1 止推轴承的计算参数

对于气体静压止推轴承，在供气压力0.5MPa 条件下，分别计算气膜厚度1 ～10μm 时止推轴承的承载能力，得到的不同气膜厚度的压力分布如图3 所示，并绘制承载能力、刚度和气膜厚度的关系曲线，如图4、5 所示。由图可以看出，气压静压止推轴承的承载能力随着气膜厚度的减小而增大，当气膜厚度为10μm 时，最小的承载力为116870.25N，满足设计轴向承载力8005.42N 的设计要求。由图可以分析，气体静压止推轴承的刚度随着气膜厚度的增大而增大，气膜厚度为10μm 时，气体静压转台的刚度为5139.07N/μm，满足轴向高刚度的设计要求。

图3 不同气膜厚度下的压力云图

图4 气膜厚度—承载能力曲线

图5 气膜厚度—刚度曲线

2 气体静压径向轴承

径向气体静压轴承的承载力由偏心产生，切削力和抛光压力等外力作用在轴承上产生偏心，气膜的厚度不一致导致压力分布不均匀，产生径向承载力。当轴承不偏心时，气膜的压力分布完全对称，其径向承载力为0。首先，在GAMBIT软件中建立径向气体静压轴承的三维模型并划分网格，如图6 和图7，模型的尺寸见表2。

图6 多孔质径向轴承模型网格划分

图7 网格划分微观图

表2 气体静压径向轴承模型尺寸

应用FLUENT 对建立的模型进行分析计算，设置供气压力0.5MPa，分别计算气膜厚度1 ～10μm 时径向轴承的承载能力，得到的不同气膜厚度的压力分布如下图所示，并绘制承载能力、刚度和偏心率的关系曲线，如图8、9 所示。图8所示，当偏心率为0.1 时（即偏心量为1μm），气体静压轴承的径向承载力为1375.7642N，径向承载能力随着偏心率的增大而增大。由图9 可以看出，径向刚度随着偏心率的增大而减小，当偏心率为0.9 时，多孔质气体静压轴承的最小径向刚度为1228.36N/μm，满足抛光轴设计刚度要求。

图8 偏心率—承载能力曲线

图9 偏心率—刚度曲线

3 结语

面向CMP 设备，对其抛光轴的高精度气体静压轴承进行分析设并得到以下结论：（1）针对CMP 设备的相关需求，对高精度气体静压轴承进行设计计算，获得了高精度气体静压轴承的设计参数；（2）利用FLUENT 对所设计的气体静压止推轴承和气体静压径向轴承进行承载能力和刚度分析，结果显示所设计的气体静压轴承能够满足设计要求，为CMP 设备抛光轴的设计提供指导。