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原文传递含导流体的旋流非接触吸盘的内部流场研究及其优化设计

论文题名：	含导流体的旋流非接触吸盘的内部流场研究及其优化设计
关键词：	旋流非接触吸盘;内部流场;计算流体力学;内点罚函数;智能优化设计
摘要：	随着半导体行业的发展，人们对半导体硅片的质量要求越来越高。传统的搬运器与工件直接接触的方式经常会划伤晶片表面或者污染晶片而导致次品的产生。为了提高晶片质量，采用磁、静电、近场和气动原理的非接触搬运设备逐渐进入了人们的生活。气动悬浮方法运用气流对工件产生提升力，其具有几乎不产生热量、可以搬运任何材料的工件，不需要控制回路达到稳定状态、易于维护等优点。现有的气动非接触搬运方法有伯努利悬浮法和旋涡悬浮法。伯努利悬浮的空气消耗量巨大，并导致供应管道中的能量损失；旋涡悬浮法的特点是在产生相同的提升力时消耗的空气量少。因此，基于旋涡悬浮原理的非接触搬运方式具有较好的应用前景。　　旋流非接触吸盘在未来会有很广泛的应用领域，它主要通过压缩空气旋转在杯体中心产生负压，达到提升工件并且不与工件发生接触的目的。通过研究旋流非接触吸盘内部流场的流动特性以及雷诺数分析为其奠定了理论基础，而通过对旋流非接触吸盘多目标优化设计方法的研究，为吸盘产品建立了一套智能优化设计平台。　　本文采用PIV实验测量和计算流体力学数值模拟两种方法对含导流体的旋流非接触吸盘内部流动特性进行了研究。在数值模拟研究的基础上，建立了一套含有导流体的旋流非接触吸盘多目标优化设计系统，并且经过该系统的优化设计使得非接触吸盘的性能有了进一步的提高。该多目标优化设计系统在未来可被应用在吸盘产品设计过程中。　　本课题主要研究内容如下: 　　（1）采用粒子成像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)对旋流非接触吸盘实验模型在定常流动条件下进行了流场实验测量，获得了非接触吸盘内部不同水平面上的流场，揭示了旋流非接触吸盘内部流场随气膜间隙改变的变化规律。　　（2）建立了旋流非接触吸盘一维速度场和压力场数学模型，并与PIV实验结果对比得出所建立的数学模型的正确性。建立的一维数学模型只针对已经确定结构的旋流非接触吸盘的性能进行预测。　　（3）建立了旋流非接触吸盘三维计算流体力学数值模型。分别采用k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型和RSM湍流模型三种湍流模型对旋流非接触吸盘进行数值模拟，并且分别与静态试验和PIV实验结果对比得出RSM湍流模型最为精确。RSM湍流模型和RNG k-ε湍流模型可用于工程应用这一重要结论。　　（4）通过对吸盘杯体直径和高度、进气喷嘴位置、裙板宽度、杯体底部倒角角度和导流体型线进行数值模拟分析研究，得出了对旋流非接触吸盘性能影响较大的结构参数，为旋流非接触吸盘进行多目标优化打下基础。　　（5）提出了一种适合机械结构优化的多岛遗传算法与内点罚函数法相结合的优化方法。基于该方法建立了旋流非接触吸盘多目标优化设计平台，并实现了含导流体的旋流非接触吸盘的多目标优化设计。该多目标优化平台集成了三个模块：三维模型建立模块、求解器模块和多目标优化设计模块。该优化设计平台能够自动完成优化运算，这样保证优化过程快速和简洁。　　（6）使用此多目标优化设计平台对旋流非接触吸盘进行多目标优化设计后，优化设计结果显示吸盘性能提升显著，全局最优解位置吸盘产生最大提升力比优化前增大了105.7％，而在产生斥力位置的支撑刚度增大了95%。经过实验验证，数值模拟结果可以真实反映模型旋流非接触吸盘的特性。
作者：	吴琼
专业：	机械电子工程
导师：	孟国香;叶骞
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文