空气静压主轴是超精密机床的主要部件之一,其性能直接影响机床的加工精度。通常,空气静压主轴由电机直接驱动。在主轴运行时,由于静压轴承气膜剪切摩擦损耗和电机损耗,导致主轴发生热变形,进而影响主轴部件的工作性能,有时甚至轴承结构发生热膨胀使得轴承发生卡死故障。因此,研究空气静压主轴系统的热态特性以及温升对主轴动静态特性的影响规律,对于提高空气静压主轴系统的热稳定性具有重要的理论意义和实际价值。本文以空气静压车床主轴为研究对象,对主轴系统内部热源进行分析,计算了止推轴承和径向轴承的气膜剪切摩擦损耗,以及电机定子的铁损耗与铜损耗。对主轴系统各部件间的热传递方式进行了分析,并计算了主轴系统部件与空气、冷却水之间的传热系数。利用有限元分析软件,建立了稳态热-结构耦合仿真模型,研究了各转速下冷却水流量对主轴系统温度场及热变形的影响规律,以及供气温度对主轴转子温度场和热变形的影响规律。建立了瞬态热-结构耦合仿真模型,研究了主轴系统温度随时间的变化规律,分析了主轴监测点的温升情况,以及主轴转子前端面轴向变形随时间变化情况,得到了主轴转子达到热平衡的时间。利用FLUENT软件,对主轴系统的轴承气膜压力分布情况进行了仿真分析,研究了气膜厚度、供气压力和偏心率对止推轴承和径向轴承的承载力、刚度和耗气量的影响规律,并对比分析了温升对止推轴承和前后两个径向轴承的承载力和刚度的影响规律。利用有限元分析软件,建立了主轴转子-气膜系统的动力学仿真模型,采用弹簧单元模拟气膜刚度,对主轴转子进行了模态分析,得到了主轴转子的自由模态和工况模态,计算了主轴转子的临界转速,并对比分析了温升对主轴转子固有频率的影响规律。通过测量主轴系统特定点的温度随时间变化情况及热变形量,并与仿真分析结果进行对比,验证了所建立的热-结构耦合仿真模型的正确性,以及热特性仿真分析结果的有效性。同时通过力锤敲击法对主轴进行模态实验,得到了其固有频率,验证了主轴动态特性仿真分析结果的正确性。