基于ANSYS Fluent的气浮运动机构流固耦合与动力学仿真

培训目标

· 掌握方法：使学员系统掌握使用Fluent对气浮支承（多孔质、节流孔等）进行静态刚度、动态刚度仿真的全流程方法。

· 洞悉机理：深入理解平移/旋转运动下，气膜内流场的瞬态演化规律、压力分布与扰动根源。

· 解决难题：能够对“气锤”现象、气振失稳等典型干扰问题进行仿真诊断与优化分析。

· 赋能设计：将仿真结果有效反馈于气浮结构（如多孔气足布局、供气参数）的优化设计。

培训大纲

模块一：理论基础与Fluent关键模型

1.1 气浮技术工程原理回顾

· 气浮轴承类型：多孔质、小孔节流、表面节流。

· 气膜刚度、承载能力、流量计算公式与影响因素。

· “气锤”现象（Pneumatic Hammer）的物理成因与危害。

1.2 计算流体动力学（CFD）基础

· 适用于微间隙可压缩流动的N-S方程与简化。

· 湍流模型选择：层流模型、k-ε、k-ω SST在微尺度流动中的适用性。

1.3 Fluent相关模型详解

· 多孔介质模型：如何设置多孔气足区域的粘性/惯性阻力系数。

· 动网格技术：预览滑移网格与动网格（Remeshing, Smoothing）在平移/旋转仿真中的应用场景。

· 可压缩流模型：理想气体定律设置。

· 用户自定义函数（UDF）简介：用于定义复杂运动或边界条件。

模块二：静态性能仿真——气膜刚度分析

2.1 案例：二维轴对称/三维静压气浮模型建立

· 几何清理与微米级气膜间隙的网格划分技巧（边界层网格）。

· 入口（供气压力）、出口（环境压力）边界条件设置。

· 多孔介质区域参数计算与输入。

2.2 稳态仿真求解

· 求解器设置、初始化与迭代计算。

· 收敛性判断。

2.3 后处理与刚度计算

· 提取气膜压力分布云图、速度矢量图。

· 计算承载力（压力面积分）。

· 气膜刚度计算：通过微小位移扰动法或直接由压力场分析刚度分布。

· 分析供气压力、气膜厚度对刚度的影响规律。

模块三：动态运动仿真——流场扰动与“气锤”分析

3.1 案例：平移台匀速/变速运动仿真

· 使用动网格（扩散光顺）模拟平台直线运动。

· 设置运动Profile（速度-时间曲线）。

· 监测关键点压力、受力在运动过程中的瞬态变化。

· 结果分析：运动起始、停止阶段的气流扰动规律，涡流产生与演化。

3.2 案例：转台旋转运动仿真

· 使用滑移网格模拟旋转部件。

· 设置旋转速度与计算步长。

· 结果分析：旋转带来的离心效应、压力场不对称性、周向刚度分布。

3.3 “气锤”现象仿真与诊断

· 构建包含容腔和多孔气足的精细化模型。

· 模拟供气压波动或外部扰动下的瞬态响应。

· 识别“气锤”：观察气膜压力、承载力的低频大幅振荡。

· 分析容腔体积、供气管路参数、多孔材料渗透率对稳定性的影响。

模块四：高级应用、优化与总结

4.1 流固耦合（FSI）简化分析

· 将Fluent计算得到的气膜压力分布映射到结构分析软件（如ANSYS Mechanical），进行平台微变形分析。

4.2 参数化研究与优化设计思路

· 使用ANSYS Workbench搭建参数化仿真流程，研究多孔气足孔径、孔隙率、布局对刚度均匀性和稳定性的影响。

4.3 常见问题排查、总结与交流

· 仿真不收敛、动网格负体积等问题的解决方案。

· 培训内容总结，学员案例讨论与答疑。

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