轴承是基本机械零件之一,主要作用是支承和定位,对整个工作系统的性能有着根本性影响。气体静压轴承依靠外部供气和节流器形成支承气膜,多孔质节流器就是其中一种。相比于其它气体静压轴承,多孔质轴承具有承载能力较大、支承平稳等优点。为满足极端温度等特殊工况使用要求,采用碳纤维增强碳基复合材料(C/C多孔质)制造多孔质气体径向轴承。本文从理论建模、数值计算和实验方面开展了静动特性研究和优化设计工作,主要研究内容和创造性成果有:(1)根据润滑间隙内的流动特征,推导了雷诺润滑方程的完整形式,为建立不同应用的流动模型提供了理论基础。针对多孔质不透气下的动压润滑,根据速度边界条件,简化雷诺润滑方程并建立膜厚方程,得到了压力方程。基于有限差分法,采用二维均匀网格、中心差分格式、压力Dirichlet边界条件、松弛迭代法、迭代矩阵余量均方根收敛准则,建立了压力方程及后续其它三传方程的基本数值方法。(2)建立了气体动压轴承压力、速度、温度、粘度耦合的理论模型和数值计算方法。将三维温度方程在径向积分并平均,得到二维温度方程。经过网格Peclet数分析,发现偏心下温度方程中的对流项数量级增大,因此采用了二阶迎风格式,扩散项采用中心差分格式。在轴承两端的传热边界条件处理中,提出了基于流向和温度Dirichlet边界条件的虚拟节点法,实现了稳健的数值计算。同时,发现粘性耗散项中的压力功不能忽略。利用不可压流动下压力方程非守恒形式,基于分离求解思想,实现了压力、速度、温度、粘度耦合计算。使用C++编写了动压轴承求解器ABCP并在MATLAB上建立图形用户界面,用ABCP计算的承载能力、压力场、温度场等与Fluent相近,但ABCP实现了即时仿真。ABCP结果表明:温升会提高气体动压轴承的承载能力。(3)建立了两个多孔质轴承理论模型和数值计算方法。建模思路是:雷诺润滑方程描述气膜流动,Darcy方程描述多孔质Poiseuille流,连续方程封闭理论模型。第一个是一维模型,只考虑多孔质轴衬内径向流动,将Darcy方程在径向上积分并代入径向连续方程,得到了多孔质轴衬进口到出口的压力-速度方程,直接代入雷诺润滑方程,该模型的数值计算方法与气体动压轴承一致。第二个是三维模型,考虑多孔质轴衬内三维流动,将Darcy方程代入连续方程,得到多孔质压力Laplace方程,再用Darcy方程修改雷诺润滑方程中轴衬速度边界条件。在三维模型求解中,引入了非均匀三维网格、变步长差分格式,提出了处理压力NeumannLaplace方程的虚拟节点法,编写了两个多孔质轴承理论模型的求解器PBCP。PBCP计算结果与Fluent较相近,但PBCP实现了即时仿真。PBCP结果表明:滑移边界的承载能力与无滑移边界几乎相等。等温可压流动的承载能力大于不可压流动。承载能力随着多变指数增大而减小。(4)建立了多参数多目标多孔质轴承优化设计平台PBOP。总结了气体轴承主要参数的设计范围,利用PBCP对多孔质轴衬数、宽径比、间隙比、供气压力、供气粘度等进行了单因素分析,认为需考虑各设计参数的共同作用,才能获得较好的综合性能。首先,PBOP使用优化拉丁超立方试验设计,调用PBCP计算静特性,生成样本集。然后,使用两层前馈型神经网络,建立设计参数-静特性的近似模型,PBOP集成了LM-BP和GD-BP网络训练方法。最后,调用PlatEMO中的遗传算法NSGA-II寻优,得到Pareto前沿和Pareto集。以承载能力最大化、供气功率最小化为优化目标,对几何参数、多孔质透气参数、供气参数进行优化,PBOP结果表明:对于给定的设计范围,存在极限承载能力,同时存在最经济的供气功耗或最容易的加工参数。(5)建立了基于Fluent动网格的多孔质轴承动特性计算方法。使用Fluent UDF定义轴颈运动速度,利用均匀扩散光顺方法更新气膜网格。提出了坐标系转换方法,得到平衡位置处的涡动及气膜恢复力。采用最小二乘法求解线性超定方程组,得到等温可压流动下的动特性。结果表明:刚度和阻尼随着偏心率增大而减小。刚度和阻尼随着供气压力增大而增大。可压流动下气膜力响应滞后于扰动,而不可压流动下两者同步。不可压流动的承载能力大于可压流动,与静特性计算相反。承载能力随着扰动频率增大而减小。(6)搭建了C/C多孔质渗透率和C/C多孔质轴承实验台。结果显示:在气体质量流量与供气压差成正比的情况下,使用Darcy方程描述多孔质压力-速度关系。机加工造成C/C多孔质表面孔隙堵塞、碳纤维编织各向异性等问题使得C/C多孔质轴承渗透率小于C/C原材料。使用氮气和二氧化碳作为润滑剂,验证了C/C多孔质轴承可以实现气体静压润滑。气体静压承载能力随着供气压力增大而增大。改进了实验台并测试了水润滑铜和陶瓷轴承,结果显示:水动压承载能力随着转速增大而增大。