機械社區(qū)

標題: 套膠過程仿真計算 [打印本頁]
作者: 元計算    時間: 2013-8-15 15:26
標題: 套膠過程仿真計算
1.         仿真模型分析
從套膠過程看，膠體和外殼發(fā)生相互作用，該仿真過程是流體和固體耦合計算的過程。耦合計算前，根據(jù)流體及固體的力學行為確定計算模型。下面對模型中各部分進行分析。
（1）膠體：按照流體力學的觀點，流體可分為理想流體和實際流體兩大類，理想流體在流動時無阻力，故稱為非粘性流體。實際流體流動時有阻力即內摩擦力（或稱剪切力），故又稱為粘性流體。根據(jù)作用于流體上的剪切應力與產生的剪切速率之間的關系，粘性流體又可分為牛頓流體和非牛頓流體（如下圖所示）。 牛頓流體的粘性只和溫度有關，非牛頓流體的粘性除與溫度有關外，還與剪切速率和時間有關，由所給出的膠體參數(shù)，將膠體定性為不可壓縮非牛頓流體。
(, 下載次數(shù): 90) . ]1 s7 }6 Z) @2 l" f' y, l5 B
圖1 流體的分類
計算初始狀態(tài)，假定內外殼間膠體為充滿狀態(tài)，空氣泡已排空，不需要考慮膠體自身的接觸計算，同時簡化了計算工況，膠體初始厚度即為內外殼初始間距。膠體擠出后暴露于空氣，外界環(huán)境室溫常壓。
（2）內殼：內殼材質為鋁合金，套膠過程中其變形可忽略不計，因此視為剛性體，也可認為是流體計算的固壁邊界。
（3）外殼：外殼材質為短纖維模壓高硅氧復合材料，易開裂，容許應變較小，可采用線彈性模型計算。
由以上分析，本次仿真過程可做以下描述：固定內殼，視為流體計算固壁邊界條件；外殼以某軸向速度擠壓殼間膠體，并將膠體擠出，直至達到給定內外殼間距指標要求。在該過程中，需保證外殼不開裂，并給出外殼的應力及應變，檢驗應力或應變是否在容許范圍內。
2.         仿真模型與參數(shù)
考慮膠水的速度和應力，以及防熱套的位移和應力，對膠水和防熱套進行耦合計算,計算采用的參數(shù)如下：
膠水：動力粘度：由實驗數(shù)據(jù)給定，隨時間和剪切速率的變化而變化。
熱套：彈性模量：1.0*1010pa
泊松比 ：0.34
密度：1.62*103kg/m3
阻尼系數(shù)：0.6
仿真模型（單位：m）：
(, 下載次數(shù): 89)
) x  b' b; D, s, Z. i# a圖2 計算模型圖
(, 下載次數(shù): 87)
5 d# A7 h9 U" w" a( b. H圖3 模型網(wǎng)格圖
計算分為初始速度為0.5mm/min 和5mm/min兩種工況。 模擬膠體在軸向相對運動50mm，并設定膠體最終厚度為0.1mm，根據(jù)模型尺寸，假設膠體的初始厚度為3.03mm。
3.         計算結果
1)         工況一（速度為0.5mm/min）
i.              首先根據(jù)非牛頓流體模型計算流體的壓力，然后在固體模型中耦合流體計算得到的壓強數(shù)據(jù)，從而得到防熱套上應力應變。
計算結果諸如以下圖：9 ], E- w) ~& @% ~* {
圖4為最終平衡位置時膠體上壓力云圖。
(, 下載次數(shù): 81)
" A$ q. g8 P9 b' V, d4 Z, Q圖4 最終位置壓強云圖
(, 下載次數(shù): 102)
  ?4 ]) F9 n5 O% u圖5 最終位置壓強p隨軸向變化曲線
    膠體上壓強對稱分布，圖5為最終平衡位置時壓強沿軸向變化規(guī)律。
(, 下載次數(shù): 86) # E) |# Q! {/ O3 e) i+ r
圖6 壓強最大值隨離平衡位置距離的變化曲線
壓強最大值位置是隨著膠體的流動而變化的，為提取壓強的演變過程，圖6提取最終平衡位置時壓強最大值點，追蹤其從離平衡位置50mm位置時壓強到平衡位置時壓強的變化過程。
應力表示單位面積上所承受的附加內力，與面積一樣都屬于矢量，如果受力面積與力的方向垂直稱為正應力，以下圖7至圖9分別為在直角坐標系下沿各個方向的應力云圖，圖10為防熱套上合應力云圖。
(, 下載次數(shù): 86)
! T) y6 q3 K3 n- j& w6 ~  |圖7 最終位置防熱套x方向應力云圖
(, 下載次數(shù): 90) 6 K, j' v* o" P# @  X4 q# m
圖8 最終位置防熱套y方向應力云圖
(, 下載次數(shù): 86)
7 J7 |; y) R% n% a' a( i圖9 最終位置防熱套z方向應力云圖
(, 下載次數(shù): 103) , }( a0 I. W* X! `0 U" b/ A0 j
圖10 最終位置防熱套上應力云圖
在直角坐標中所取單元體為正六面體時，三條相互垂直的棱邊的長度在變形前后的改變量與原長之比，定義為線應變，以下圖11至圖13分別為沿x、y、z方向的線應變云圖，圖14為防熱套上線性合應變云圖。
(, 下載次數(shù): 100)
5 y3 g& d3 i& E% J# b" \' U圖11  最終位置防熱套上x方向應變
(, 下載次數(shù): 90)
0 F2 p6 ], F* J, Z圖12 最終位置防熱套上y方向應變
(, 下載次數(shù): 83)
4 c/ U8 M0 D, Y圖13 最終位置防熱套上z方向應變
(, 下載次數(shù): 92)
% \# p( x8 K) @) r* Y! Y4 s圖14 最終位置防熱套上應變
以下圖15和圖16分別為在擴大十倍和四十倍時防熱套的變形圖。
(, 下載次數(shù): 103) % j. Y* B4 @+ @' A! R
圖15 擴大十倍時變形圖
(, 下載次數(shù): 90)
" B9 ?2 {. w, t2 f$ y6 u$ T圖16 擴大四十倍時變形圖
防熱套上在不同放大倍數(shù)的變形及應變云圖如圖17和圖18：
(, 下載次數(shù): 110) 5 |, a0 y/ U( y/ X* k& C1 S
圖17 最終位置時防熱套上應變及擴大十倍時變形圖
(, 下載次數(shù): 87) 5 {& z. G2 F. r! n) r% A
圖18 最終位置時防熱套上應變及擴大四十倍時變形圖
實驗所測應變?yōu)橹芟驊�，與所計算得到的xy方向應變吻合，提取出xy向應變云圖及數(shù)據(jù)，以便于與實驗數(shù)據(jù)進行對比。
(, 下載次數(shù): 81)
( I; n* j# s1 r8 l. X圖19 最終位置防熱套上沿周向應變及提取點位置
表1 提取點應變數(shù)據(jù)
point1
0.011%
Point2
0.052%
Point3
0.0077%
(, 下載次數(shù): 90)
9 T8 [5 k9 ^& l! P圖20 最終位置防熱套上周向應變沿軸線point1-point3的變化曲線
ii.              膠體速度為0.5mm/min，改變膠體涂抹均勻度
膠體的涂抹厚度與均勻度會影響到計算的結果，更改膠體上下的均勻度，設定初始時底部膠體厚度為3.03mm，頂部膠體厚度為1mm，得到以下結果。
(, 下載次數(shù): 86)
1 y! r5 j% M9 r% P& u$ F圖21 最終位置壓強云圖
由于頂部出口小，膠體來不及流出，因此壓強在出口位置變大。
以下圖22-圖24分別為沿直角坐標系x、y、z方向應力云圖，圖25為直角坐標系下合應力云圖，圖26-圖28為沿直角坐標系x、y、z方向應變云圖，圖29為直角坐標系下合應變云圖。
(, 下載次數(shù): 94) 2 l2 ]8 R) \- t8 }1 z0 g
圖22 最終位置防熱套x方向應力云圖
(, 下載次數(shù): 99) 1 b5 {. ~+ e# G  H# J! F
圖23 最終位置防熱套y方向應力云圖
(, 下載次數(shù): 109) & N8 T- A# q6 j6 j' u9 t( O" T2 z
圖24 最終位置防熱套z方向應力云圖
(, 下載次數(shù): 91)
9 @9 E2 m5 F7 k圖25 最終位置防熱套合應力云圖
(, 下載次數(shù): 95) + H2 d5 K+ ]3 \  }9 h7 `+ _4 ?2 V
圖26 最終位置防熱套x方向應變云圖
(, 下載次數(shù): 99) & {$ X& v, W* G6 i. A( b( @" s' p) G0 r
圖27 最終位置防熱套y方向應變云圖
(, 下載次數(shù): 83) % R2 L* _4 L* V% t
圖28 最終位置防熱套z方向應變云圖
(, 下載次數(shù): 89)
3 D% ?3 R0 J. J0 ?, i% X圖29 最終位置防熱套應變云圖
(, 下載次數(shù): 122) , ?/ g! e# U: }' y% {
圖30 最終位置防熱套沿周向應變云圖
(, 下載次數(shù): 84) + W' t4 w9 j. A, n3 K
圖31 最終位置防熱套上周向應變沿某條軸變化曲線
(, 下載次數(shù): 83)
- M3 q  m# u0 Y0 p+ v圖32 提取點位置示意圖
表2提取點周向應變數(shù)據(jù)
point1
0.021%
Point2
0.15%
Point3
0.0014%
2)         工況二（速度為5mm/min）
在其他條件一致的條件下僅改變膠體的流動速度，計算結果如下：
圖33為最終平衡位置時壓強云圖，圖34為最終平衡位置時壓強沿軸向變化曲線，圖35為最終平衡位置時壓強最大點隨著離平衡位置的距離的變化過程，圖36-圖38為沿直角坐標系x、y、z方向應力云圖，圖39為防熱套上合應力云圖，圖40-圖42為沿直角坐標系x、y、z方向應變云圖，圖43為防熱套上合應變云圖。
(, 下載次數(shù): 96)   K" A5 ]  D) u0 E& ~$ [
圖33 最終位置壓力云圖
(, 下載次數(shù): 88)
2 V# r# ~/ Z( @8 V: R: M7 q+ G* O圖34 最終位置p隨軸向變化曲線
(, 下載次數(shù): 94) / H2 j) \. w0 I# b5 D: K8 u2 P
圖35 壓強最大值隨離平衡位置的距離的變化曲線
(, 下載次數(shù): 85)
9 }( [# ?4 D3 U6 U; |圖36 最終位置防熱套x方向應力云圖
(, 下載次數(shù): 94) 4 L0 p4 E: s  U
圖37 最終位置防熱套y方向應力云圖
(, 下載次數(shù): 93)
0 f$ ~# [) ^5 P/ J( m* y圖38 最終位置防熱套z方向應力云圖
(, 下載次數(shù): 85)
% q& W# v* g& ?( {9 k& H圖39 最終位置防熱套應力云圖
(, 下載次數(shù): 85)
# z0 N" O1 D- D# B, N圖40 最終位置防熱套x方向應變圖
(, 下載次數(shù): 87)
- H, W# `3 @$ s/ S' I7 g, `9 }圖41 最終位置防熱套y方向應變圖
(, 下載次數(shù): 93)
& O1 P0 l5 a) l圖42 最終位置防熱套z方向應變圖
(, 下載次數(shù): 95) 4 l$ p( O! V3 U- E" \6 k3 M
圖43 最終位置防熱套應變圖
(, 下載次數(shù): 80)
5 d5 _( `% N8 ?( N, C7 S圖44 最終位置防熱套沿周向應變圖
(, 下載次數(shù): 78) # c4 B( J3 U+ A3 L2 n" p
圖45 最終位置防熱套周向應變沿軸線變化曲線
以下圖46和圖47分別為在擴大十倍和四十倍時防熱套的變形圖。
(, 下載次數(shù): 87)
1 B- w7 k- v. U- G圖46 擴大十倍變形圖
(, 下載次數(shù): 95)
1 ?1 t5 H. P+ B( I, L) P7 e9 m; t圖47 擴大四十倍變形圖
防熱套上在不同放大倍數(shù)的變形及應變云圖如圖48和圖49：
(, 下載次數(shù): 87) 0 a0 S) [4 [! z0 X2 N
圖48 沿周向應變云圖及擴大十倍變形圖
(, 下載次數(shù): 82) : X) v' P. E4 W
圖49 防熱套上應變云圖及擴大四十倍變形圖
4.         仿真分析結論
本次模擬套膠過程采用流固耦合，將流體計算得到的壓強數(shù)據(jù)作為防熱套變形的邊界條件，計算分別以膠體流動速度為0.5mm/min和5mm/min兩種工況進行，通過第一種工況速度為0.5mm/min與實驗進行對比，提取實驗點上數(shù)據(jù)，應變值如表1所示，與實驗數(shù)據(jù)相比在同一數(shù)量級上。且給定的防熱套上斷裂伸長率為1.05%，從計算數(shù)據(jù)上可以看出，在此兩種工況下防熱套上所受到的力都還不能致使防熱套開裂。
作者: ashin1539    時間: 2013-8-15 15:48
不得不佩服樓主的耐心，分析很詳細
作者: 跪唱征服    時間: 2014-8-14 08:53
樓主很有心！



歡迎光臨 機械社區(qū) (http://e-learninguniversity.com/) Powered by Discuz! X3.4