應(yīng)用solidworks flowsimulation進(jìn)行基于鉑金攪拌器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的對(duì)比分析

寂靜天花板

攪拌器在進(jìn)行熔融玻璃攪拌時(shí)，受力情況較為復(fù)雜，無法直接估算。當(dāng)我們對(duì)攪拌器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，施加邊界條件就比較困難。因此，我們采用耦合分析的來解決這個(gè)問題。

因?yàn)椴Ａ�熔融狀態(tài)下，是一種流體狀態(tài)。因此，我們首先使用SolidWorksFlow Simulation進(jìn)行流場(chǎng)分析獲得攪拌器上的受力情況。然后，我們利用SolidWorks FlowSimulation與SolidWorksSimulation之間的接口，將流場(chǎng)計(jì)算得到的受力條件導(dǎo)出來作為邊界條件，對(duì)攪拌器進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。先后進(jìn)行了三個(gè)個(gè)設(shè)計(jì)方案的橫向?qū)Ρ取Ａ斜砣缦拢?/div>

方案1

攪拌器采用菱形截面的型材

壁厚2mm

7.970 Kg

方案2

攪拌器采用圓形截面的型材

壁厚2mm

7.917 Kg

方案3

攪拌器采用圓形截面的型材

壁厚1.5mm

7.662 Kg

我們對(duì)兩種攪拌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并對(duì)比了兩者之間的區(qū)別。從對(duì)比結(jié)果看，在給定的條件下，為圓形截面攪拌器應(yīng)力水平更低，因此，我們接下來針對(duì)這種結(jié)構(gòu)，減薄了壁厚，再次進(jìn)行強(qiáng)度分析。并對(duì)比了壁厚調(diào)整前后的應(yīng)力水平。

熔融玻璃的流場(chǎng)分析，目前的研究進(jìn)展一般假設(shè)玻璃液為均質(zhì)牛頓型粘性流體，同時(shí)，攪拌過程中玻璃液的溫度基本不變，因此，我們考慮采用的等效玻璃液參數(shù)為：密度2200Kg/M3，動(dòng)力粘度150Pa.s。

方案一采用菱形截面的攪拌器。我們首先對(duì)其進(jìn)行了流場(chǎng)分析。流場(chǎng)分析的模型如下圖所示：

在流場(chǎng)分析時(shí)，我們給定坩堝中充滿了玻璃液，并設(shè)定攪拌器的轉(zhuǎn)速為45rpm，進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算得到的流場(chǎng)流線圖如下圖所示。

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攪拌器上的承受的壓力分布圖如下圖所示：

從流場(chǎng)分析的結(jié)果中我們還可以輸出給定條件下，攪拌器上承受的扭矩，如下表：

通過流場(chǎng)分析，我們能夠直接將流體分析的結(jié)果導(dǎo)出到SolidWorks Simulation中，作為邊界條件，對(duì)攪拌結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

之后，我們可以建立針對(duì)攪拌器的結(jié)構(gòu)分析算例，在其中，我們只需設(shè)定相應(yīng)的邊界條件，然后即可劃分網(wǎng)格并進(jìn)行仿真了。在材料數(shù)據(jù)方面，我們得到了鉑金高溫下的機(jī)械性能，因此，采用高溫鉑金的材料特性數(shù)據(jù)進(jìn)行本次計(jì)算。從結(jié)果對(duì)比的角度，只要幾個(gè)設(shè)計(jì)方案的材料數(shù)據(jù)都取為一致，這樣做出來的對(duì)比結(jié)果還是有意義的。我們使用的材料數(shù)據(jù)如下：

Pt

密度（g/cm3，20℃）

21.45

比熱[J/（kg·K），20℃]

131.2

導(dǎo)熱率[W/（m·K），0～100℃]

73

線膨脹系數(shù)（K－1×10－4）

9.1

彈性模量（N/mm2）

1.72×105

泊松比

0.39

為了獲得較好的結(jié)果，我們采用3mm的單元大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分。共劃分單元122294個(gè)，局部網(wǎng)格單元如下圖所示：

通過計(jì)算，我們得到了菱形截面攪拌器上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移結(jié)果。最大應(yīng)力出現(xiàn)在菱形型材與圓柱相交的位置，大小為40.2Mpa，但考慮到此處為理想尖角位置，存在應(yīng)力奇異，因此此處的應(yīng)力是偏高且不收斂的，實(shí)際的應(yīng)力猶豫存在焊縫過渡，應(yīng)力水平應(yīng)該低一些。另外，在攪拌框形結(jié)構(gòu)上方，存在應(yīng)力梯度較大的位置，此處的應(yīng)力約為16MPa左右。在1300度高溫的情況下，鉑金屈服強(qiáng)度39.5MPa。因此，在給定條件下，方案1攪拌器整體還是安全的。局部可能接近屈服。

下圖顯示了變形結(jié)果。攪拌器在給定條件下，產(chǎn)生彎曲與扭轉(zhuǎn)相結(jié)合的變形，其中，攪拌器扭轉(zhuǎn)變形圖如下圖所示：由于攪拌器框形部分受到玻璃熔液的約束作用，變形較小，最大扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)在攪拌軸頂端。

4.2 方案2分析結(jié)果

方案2的攪拌器結(jié)構(gòu)基本不變，只是將菱形截面換成了圓形截面，壁厚2mm。這種方案的重量和方案1相比重量輕了53克，重量基本相同。我們?nèi)匀皇紫葘?duì)其進(jìn)行了流場(chǎng)分析，玻璃液的參數(shù)與上面所述相同。流場(chǎng)分析的結(jié)果如下圖所示：

% Q7 R9 Q" F8 s* ?0 c$ t& X9 j

從流場(chǎng)的分布圖來看，圓形截面的攪拌器，表面壓力分布更為集中，流線分布顯示速度的均勻性稍差。從扭矩情況看，方案2受扭矩與方案1基本一致。

采用同樣的技術(shù)，我們將流場(chǎng)分析的結(jié)果導(dǎo)出到Simualtion中，對(duì)方案2進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。

我們采用4mm的單元大小，總共劃分了55683個(gè)單元，局部網(wǎng)格圖如下圖所示：

方案2的應(yīng)力分布情況表明，最大應(yīng)力出現(xiàn)在攪拌器框形與軸的交匯處，應(yīng)力為28.3mm。但此處為理想尖角位置，存在應(yīng)力奇異現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)力應(yīng)當(dāng)偏低。而攪拌器框形上方出現(xiàn)應(yīng)力梯度較大位置，此處應(yīng)力約為14MPa左右。

變形分布云圖如下圖所示，變形趨勢(shì)與方案1是類似的，最大扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)在攪拌器上端。

考慮1300度高溫時(shí)，鉑金的屈服強(qiáng)度為39.5MPa，方案2攪拌器整體是安全的。

4.3 方案3分析結(jié)果

通過方案2的計(jì)算，我們可以得出結(jié)論，在給定條件下，方案2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度比方案1稍好。并且還有一定的安全裕量。因此，我們考慮是否能夠通過減薄圓形截面壁厚，來減少貴金屬的使用量。

基于這種考慮，我們將方案2的圓形截面壁厚減薄到1.5mm，并按照同樣的條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，并將結(jié)果與方案2進(jìn)行對(duì)比。由于方案3的外形尺寸與方案2完全一致，因此，流場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果就可以通用，不需要再計(jì)算了。

由于壁厚減薄，為了獲得精確結(jié)果，我們采用2mm單元大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到單元數(shù)量357723個(gè)，局部的網(wǎng)格圖如下：

計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果表明，最高應(yīng)力有所上升，但仍然在安全范圍內(nèi)。最大應(yīng)力仍然出現(xiàn)在攪拌框與軸交界處，攪拌框上部同樣出現(xiàn)應(yīng)力梯度較大區(qū)域，改區(qū)域的應(yīng)力約為14~16MPa。

從變形結(jié)果來看，壁厚減薄之后，扭轉(zhuǎn)變形略有上升。最大變形量約為0.58mm。

5 結(jié)論

通過上面的討論，我們可以得出結(jié)論，在給定條件下，菱形截面的攪拌器強(qiáng)度和剛度稍弱，圓形截面的攪拌器強(qiáng)度和剛度較好。在壁厚減薄之后，圓形截面的攪拌器仍然比菱形截面的攪拌器要好。我們將對(duì)比結(jié)果列表如下：
. `3 T, _  b& V6 \! f; r' D, q
  G% s) W, Q, g$ V4 n

方案

結(jié)構(gòu)描述

壁厚

最大應(yīng)力

質(zhì)量

方案1

攪拌器采用菱形截面的型材

壁厚2mm

40.2Mpa

7.970 Kg

方案2

攪拌器采用圓形截面的型材

壁厚2mm

28.3Mpa

7.917 Kg

方案3

攪拌器采用圓形截面的型材

壁厚1.5mm

33.7Mpa

7.662 Kg

通過對(duì)比，我們認(rèn)為在給定條件下，圓形截面的攪拌器強(qiáng)度和剛度相對(duì)更好。

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很好，正在用simulation學(xué)習(xí)了，謝樓主分享！

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牛

亂月殘風(fēng)

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亂月殘風(fēng)

|亂月殘風(fēng)發(fā)表于 10-04 13:08???????????????

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