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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，將膠體定性為不可壓縮非牛頓流體。
(, 下載次數: 106) 6 z5 n$ Z( f6 Q
圖1 流體的分類
計算初始狀態，假定內外殼間膠體為充滿狀態，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
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,計算采用的參數如下：
膠水：動力粘度：由實驗數據給定，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：0.6
仿真模型（單位：m）：
(, 下載次數: 110) . Y( T$ E0 v* o4 V- C; J
圖2 計算模型圖
(, 下載次數: 105)
4 a* n  ?' W+ \  r圖3 模型網格圖
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據，從而得到防熱套上應力應變。
計算結果諸如以下圖：
+ X* p- A3 X" m3 A. e圖4為最終平衡位置時膠體上壓力云圖。
(, 下載次數: 98) ! ]3 R2 I& R% Q- h, @, s' [/ u
圖4 最終位置壓強云圖
(, 下載次數: 124) , j; o0 k) O" W8 @* E* g
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律。
(, 下載次數: 107) : d: O& R& y8 c1 m
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: 101)
4 S/ N2 P6 Y9 A圖7 最終位置防熱套x方向應力云圖
(, 下載次數: 110) 1 Q" Z/ [! S  u
圖8 最終位置防熱套y方向應力云圖
(, 下載次數: 122)
: t/ Z' A+ ?8 o$ P9 o( ~圖9 最終位置防熱套z方向應力云圖
(, 下載次數: 123)
, V% ~! p, d' y8 {0 }& X0 |  t/ B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: 118)
6 e5 e% w" V" Q" I$ Z0 ]圖11  最終位置防熱套上x方向應變
(, 下載次數: 109) / ~: N, B- f; H1 ^2 z
圖12 最終位置防熱套上y方向應變
(, 下載次數: 101) ; o  c9 ]3 u4 }0 `
圖13 最終位置防熱套上z方向應變
(, 下載次數: 120)
7 h" q* [& D. K3 F+ `4 u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: 122)
- y% \4 i5 D' H( x0 W) p1 H圖15 擴大十倍時變形圖
(, 下載次數: 105) 0 L$ B/ I2 T: N% E. x2 H$ k
圖16 擴大四十倍時變形圖
防熱套上在不同放大倍數的變形及應變云圖如圖17和圖18：
(, 下載次數: 133)
; g* ~  t8 b" P, m  m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: 102)
# ?% H' }( k0 q& e1 w) L0 ?圖18 最終位置時防熱套上應變及擴大四十倍時變形圖
實驗所測應變為周向應變，與所計算得到的xy方向應變吻合，提取出xy向應變云圖及數據，以便于與實驗數據進行對比。
(, 下載次數: 109)
( Z  h1 a8 V0 P/ P( x' s) o/ y2 S! q圖19 最終位置防熱套上沿周向應變及提取點位置
表1 提取點應變數據
point1
0.011%
Point2
0.052%
Point3
0.0077%
(, 下載次數: 111)
- N. W9 _. v- Z" n% J$ i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: 106) 8 y- p2 |) K' \  G9 ~( }0 N7 n# m
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: 115) 7 F+ K* o  Q/ N, s- A: W
圖22 最終位置防熱套x方向應力云圖
(, 下載次數: 110) 6 f4 t% Z5 [7 k  H! m
圖23 最終位置防熱套y方向應力云圖
(, 下載次數: 129) 1 p7 B9 h+ _# M5 q1 {: E$ u* Z* l
圖24 最終位置防熱套z方向應力云圖
(, 下載次數: 105)
$ n* X6 f/ Z) b% m" t( T% c圖25 最終位置防熱套合應力云圖
(, 下載次數: 114) * E) H$ a7 Z3 h5 J$ \* A  B; r
圖26 最終位置防熱套x方向應變云圖
(, 下載次數: 114) , K) v! T, _# k- i: G( ~
圖27 最終位置防熱套y方向應變云圖
(, 下載次數: 98) 4 x- d9 l) V( V# x/ Z
圖28 最終位置防熱套z方向應變云圖
(, 下載次數: 102) " B0 N( l  P( ~; _
圖29 最終位置防熱套應變云圖
(, 下載次數: 141) 5 k, m+ h% x, Z6 r
圖30 最終位置防熱套沿周向應變云圖
(, 下載次數: 100)
0 C) Q. N( r! \' i6 H! d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: 110) # s) @8 s. D% a8 q+ ?; U
圖32 提取點位置示意圖
表2提取點周向應變數據
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: 110)
& B$ M2 k- y7 H" Z2 w  S* E圖33 最終位置壓力云圖
(, 下載次數: 104)
, j4 s# D- D. M1 ~6 Z圖34 最終位置p隨軸向變化曲線
(, 下載次數: 109)
, c+ L  Y8 G& x! ?6 P. u/ q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: 103)
. Q" y5 L! v: V7 Y+ p) o圖36 最終位置防熱套x方向應力云圖
(, 下載次數: 114)
9 H7 ^. _* [* F* Z$ g6 Q: N' `$ U圖37 最終位置防熱套y方向應力云圖
(, 下載次數: 111)
4 S8 ?$ r! T/ P: o9 V圖38 最終位置防熱套z方向應力云圖
(, 下載次數: 105) ; g2 S! |) W! v2 `8 D9 s0 {
圖39 最終位置防熱套應力云圖
(, 下載次數: 105) - ]( H" g; A: Y) h' y
圖40 最終位置防熱套x方向應變圖
(, 下載次數: 104)
9 P4 C. g2 U( }, P; o  h圖41 最終位置防熱套y方向應變圖
(, 下載次數: 111)
/ r9 t: T6 T6 I圖42 最終位置防熱套z方向應變圖
(, 下載次數: 111) : [$ s! q. R& E4 f; p
圖43 最終位置防熱套應變圖
(, 下載次數: 99) . e) a& ^& ~. @% g
圖44 最終位置防熱套沿周向應變圖
(, 下載次數: 98)
' k0 d; B9 \1 ^3 r$ R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: 102) # ]/ W8 C- i# z* y
圖46 擴大十倍變形圖
(, 下載次數: 107)
6 I: G/ ]: U7 a1 J: o# K圖47 擴大四十倍變形圖
防熱套上在不同放大倍數的變形及應變云圖如圖48和圖49：
(, 下載次數: 104) 1 J. y7 ]  S8 r$ p' J  u
圖48 沿周向應變云圖及擴大十倍變形圖
(, 下載次數: 96)
% S3 E4 L1 C0 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據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，提取實驗點上數據，應變值如表1所示，與實驗數據相比在同一數量級上。且給定的防熱套上斷裂伸長率為1.05%，從計算數據上可以看出，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！



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