套膠過(guò)程仿真計(jì)算

元計(jì)算

1.         仿真模型分析

從套膠過(guò)程看，膠體和外殼發(fā)生相互作用，該仿真過(guò)程是流體和固體耦合計(jì)算的過(guò)程。耦合計(jì)算前，根據(jù)流體及固體的力學(xué)行為確定計(jì)算模型。下面對(duì)模型中各部分進(jìn)行分析。

（1）膠體：按照流體力學(xué)的觀點(diǎn)，流體可分為理想流體和實(shí)際流體兩大類(lèi)，理想流體在流動(dòng)時(shí)無(wú)阻力，故稱(chēng)為非粘性流體。實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)有阻力即內(nèi)摩擦力（或稱(chēng)剪切力），故又稱(chēng)為粘性流體。根據(jù)作用于流體上的剪切應(yīng)力與產(chǎn)生的剪切速率之間的關(guān)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(guān)，非牛頓流體的粘性除與溫度有關(guān)外，還與剪切速率和時(shí)間有關(guān)，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。

6 _2 O6 M  z" w' `: V- X圖1 流體的分類(lèi)

計(jì)算初始狀態(tài)，假定內(nèi)外殼間膠體為充滿(mǎn)狀態(tài)，空氣泡已排空，不需要考慮膠體自身的接觸計(jì)算，同時(shí)簡(jiǎn)化了計(jì)算工況，膠體初始厚度即為內(nèi)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(nèi)殼：內(nèi)殼材質(zhì)為鋁合金，套膠過(guò)程中其變形可忽略不計(jì)，因此視為剛性體，也可認(rèn)為是流體計(jì)算的固壁邊界。

（3）外殼：外殼材質(zhì)為短纖維模壓高硅氧復(fù)合材料，易開(kāi)裂，容許應(yīng)變較小，可采用線(xiàn)彈性模型計(jì)算。

由以上分析，本次仿真過(guò)程可做以下描述：固定內(nèi)殼，視為流體計(jì)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(dá)到給定內(nèi)外殼間距指標(biāo)要求。在該過(guò)程中，需保證外殼不開(kāi)裂，并給出外殼的應(yīng)力及應(yīng)變，檢驗(yàn)應(yīng)力或應(yīng)變是否在容許范圍內(nèi)。

2.         仿真模型與參數(shù)

考慮膠水的速度和應(yīng)力，以及防熱套的位移和應(yīng)力，對(duì)膠水和防熱套進(jìn)行耦合計(jì)算,計(jì)算采用的參數(shù)如下：

膠水：動(dòng)力粘度：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給定，隨時(shí)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）：

圖2 計(jì)算模型圖

& |$ v6 z% |2 v3 b圖3 模型網(wǎng)格圖

計(jì)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(duì)運(yùn)動(dòng)50mm，并設(shè)定膠體最終厚度為0.1mm，根據(jù)模型尺寸，假設(shè)膠體的初始厚度為3.03mm。

3.         計(jì)算結(jié)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(jì)算流體的壓力，然后在固體模型中耦合流體計(jì)算得到的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，從而得到防熱套上應(yīng)力應(yīng)變。

計(jì)算結(jié)果諸如以下圖：
圖4為最終平衡位置時(shí)膠體上壓力云圖。

+ W0 x0 D' A" v: p圖4 最終位置壓強(qiáng)云圖

. }4 R% i" n- r( X6 ^圖5 最終位置壓強(qiáng)p隨軸向變化曲線(xiàn)

    膠體上壓強(qiáng)對(duì)稱(chēng)分布，圖5為最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)沿軸向變化規(guī)律。

圖6 壓強(qiáng)最大值隨離平衡位置距離的變化曲線(xiàn)

壓強(qiáng)最大值位置是隨著膠體的流動(dòng)而變化的，為提取壓強(qiáng)的演變過(guò)程，圖6提取最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)最大值點(diǎn)，追蹤其從離平衡位置50mm位置時(shí)壓強(qiáng)到平衡位置時(shí)壓強(qiáng)的變化過(guò)程。

應(yīng)力表示單位面積上所承受的附加內(nèi)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(chēng)為正應(yīng)力，以下圖7至圖9分別為在直角坐標(biāo)系下沿各個(gè)方向的應(yīng)力云圖，圖10為防熱套上合應(yīng)力云圖。

圖7 最終位置防熱套x方向應(yīng)力云圖

( |- b2 ~& h8 H圖8 最終位置防熱套y方向應(yīng)力云圖

圖9 最終位置防熱套z方向應(yīng)力云圖

圖10 最終位置防熱套上應(yīng)力云圖

在直角坐標(biāo)中所取單元體為正六面體時(shí)，三條相互垂直的棱邊的長(zhǎng)度在變形前后的改變量與原長(zhǎng)之比，定義為線(xiàn)應(yīng)變，以下圖11至圖13分別為沿x、y、z方向的線(xiàn)應(yīng)變?cè)茍D，圖14為防熱套上線(xiàn)性合應(yīng)變?cè)茍D。

圖11  最終位置防熱套上x方向應(yīng)變

6 o4 B' B  [+ u2 A8 z% h' O圖12 最終位置防熱套上y方向應(yīng)變

5 h. J* Z, t# k. t2 R  F& i$ B/ |- M圖13 最終位置防熱套上z方向應(yīng)變

圖14 最終位置防熱套上應(yīng)變

以下圖15和圖16分別為在擴(kuò)大十倍和四十倍時(shí)防熱套的變形圖。

" I( ]# M+ N& ]4 O7 M圖15 擴(kuò)大十倍時(shí)變形圖

圖16 擴(kuò)大四十倍時(shí)變形圖

防熱套上在不同放大倍數(shù)的變形及應(yīng)變?cè)茍D如圖17和圖18：

4 x) l- ~) p; {圖17 最終位置時(shí)防熱套上應(yīng)變及擴(kuò)大十倍時(shí)變形圖

8 b1 J! P0 E; P  e圖18 最終位置時(shí)防熱套上應(yīng)變及擴(kuò)大四十倍時(shí)變形圖

實(shí)驗(yàn)所測(cè)應(yīng)變?yōu)橹芟驊?yīng)變，與所計(jì)算得到的xy方向應(yīng)變吻合，提取出xy向應(yīng)變?cè)茍D及數(shù)據(jù)，以便于與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖19 最終位置防熱套上沿周向應(yīng)變及提取點(diǎn)位置

表1 提取點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)

point1	0.011%
Point2	0.052%
Point3	0.0077%

, O" P1 {( A: V; M) Z  `/ w圖20 最終位置防熱套上周向應(yīng)變沿軸線(xiàn)point1-point3的變化曲線(xiàn)

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(huì)影響到計(jì)算的結(jié)果，更改膠體上下的均勻度，設(shè)定初始時(shí)底部膠體厚度為3.03mm，頂部膠體厚度為1mm，得到以下結(jié)果。

圖21 最終位置壓強(qiáng)云圖

由于頂部出口小，膠體來(lái)不及流出，因此壓強(qiáng)在出口位置變大。

以下圖22-圖24分別為沿直角坐標(biāo)系x、y、z方向應(yīng)力云圖，圖25為直角坐標(biāo)系下合應(yīng)力云圖，圖26-圖28為沿直角坐標(biāo)系x、y、z方向應(yīng)變?cè)茍D，圖29為直角坐標(biāo)系下合應(yīng)變?cè)茍D。

圖22 最終位置防熱套x方向應(yīng)力云圖

圖23 最終位置防熱套y方向應(yīng)力云圖

( E) n5 z4 B% Z3 ^8 `% ^圖24 最終位置防熱套z方向應(yīng)力云圖

圖25 最終位置防熱套合應(yīng)力云圖

" D, R) B5 @4 x/ H- Y圖26 最終位置防熱套x方向應(yīng)變?cè)茍D

圖27 最終位置防熱套y方向應(yīng)變?cè)茍D

6 p5 R: Q, D) k! i, J) M圖28 最終位置防熱套z方向應(yīng)變?cè)茍D

圖29 最終位置防熱套應(yīng)變?cè)茍D

圖30 最終位置防熱套沿周向應(yīng)變?cè)茍D

圖31 最終位置防熱套上周向應(yīng)變沿某條軸變化曲線(xiàn)

圖32 提取點(diǎn)位置示意圖

表2提取點(diǎn)周向應(yīng)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(dòng)速度，計(jì)算結(jié)果如下：

圖33為最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)云圖，圖34為最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)沿軸向變化曲線(xiàn)，圖35為最終平衡位置時(shí)壓強(qiáng)最大點(diǎn)隨著離平衡位置的距離的變化過(guò)程，圖36-圖38為沿直角坐標(biāo)系x、y、z方向應(yīng)力云圖，圖39為防熱套上合應(yīng)力云圖，圖40-圖42為沿直角坐標(biāo)系x、y、z方向應(yīng)變?cè)茍D，圖43為防熱套上合應(yīng)變?cè)茍D。

圖33 最終位置壓力云圖

0 W# P3 U9 h3 M& h4 J! X  _圖34 最終位置p隨軸向變化曲線(xiàn)

1 x! R; I! g$ y+ G  g- t( m$ s圖35 壓強(qiáng)最大值隨離平衡位置的距離的變化曲線(xiàn)

& m  T; ?3 ~# h' q9 g: o圖36 最終位置防熱套x方向應(yīng)力云圖

圖37 最終位置防熱套y方向應(yīng)力云圖

* a  A) A6 B2 b! n9 v" E圖38 最終位置防熱套z方向應(yīng)力云圖

圖39 最終位置防熱套應(yīng)力云圖

圖40 最終位置防熱套x方向應(yīng)變圖

+ B5 a  i  C  f. ]1 r( m圖41 最終位置防熱套y方向應(yīng)變圖

' k0 ^2 J0 f8 v- w, s' q% u圖42 最終位置防熱套z方向應(yīng)變圖

# x. [$ Y* W/ o1 a圖43 最終位置防熱套應(yīng)變圖

圖44 最終位置防熱套沿周向應(yīng)變圖

2 k7 A7 c' O! m7 _6 ~: ?+ I& F圖45 最終位置防熱套周向應(yīng)變沿軸線(xiàn)變化曲線(xiàn)

以下圖46和圖47分別為在擴(kuò)大十倍和四十倍時(shí)防熱套的變形圖。

* A" `4 \/ ~9 d6 x5 e; Z+ X' `( o圖46 擴(kuò)大十倍變形圖

圖47 擴(kuò)大四十倍變形圖

防熱套上在不同放大倍數(shù)的變形及應(yīng)變?cè)茍D如圖48和圖49：

3 U; X4 k$ W% N( j8 {) z圖48 沿周向應(yīng)變?cè)茍D及擴(kuò)大十倍變形圖

% _/ D# T& K; R, a# _- h5 k圖49 防熱套上應(yīng)變?cè)茍D及擴(kuò)大四十倍變形圖

4.         仿真分析結(jié)論

本次模擬套膠過(guò)程采用流固耦合，將流體計(jì)算得到的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)作為防熱套變形的邊界條件，計(jì)算分別以膠體流動(dòng)速度為0.5mm/min和5mm/min兩種工況進(jìn)行，通過(guò)第一種工況速度為0.5mm/min與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，提取實(shí)驗(yàn)點(diǎn)上數(shù)據(jù)，應(yīng)變值如表1所示，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比在同一數(shù)量級(jí)上。且給定的防熱套上斷裂伸長(zhǎng)率為1.05%，從計(jì)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(kāi)裂。

ashin1539

不得不佩服樓主的耐心，分析很詳細(xì)

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