套膠過程仿真計算

元計算

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(nèi)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(chǎn)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。

8 v2 o; L: h- L/ j7 N圖1 流體的分類

計算初始狀態(tài)，假定內(nèi)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(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(zhì)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(nèi)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(nèi)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(nèi)。

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）：

圖2 計算模型圖

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(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(jié)果諸如以下圖：
& T2 [/ t9 K; O6 A  u圖4為最終平衡位置時膠體上壓力云圖。

+ R' V  K  T6 x# ^圖4 最終位置壓強云圖

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。

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(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。

9 a( [6 S& L: @: v4 {: T圖7 最終位置防熱套x方向應力云圖

圖8 最終位置防熱套y方向應力云圖

  b+ S" q0 w- `, e圖9 最終位置防熱套z方向應力云圖

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。

圖11  最終位置防熱套上x方向應變

圖12 最終位置防熱套上y方向應變

9 k( `( i" P4 q2 O( F9 R" ^圖13 最終位置防熱套上z方向應變

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。

圖15 擴大十倍時變形圖

9 ?7 D7 C! r3 v  Y$ `# e$ R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：

圖17 最終位置時防熱套上應變及擴大十倍時變形圖

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儯c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。

4 I/ L; I3 {0 I( y0 n6 y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%

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(jié)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(jié)果。

) F. }1 ~  R. c1 e  c! t5 j8 o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。

圖22 最終位置防熱套x方向應力云圖

4 ?' @# h" A8 P. W/ _$ Y; ?圖23 最終位置防熱套y方向應力云圖

1 t0 K  v& `8 X5 [% k圖24 最終位置防熱套z方向應力云圖

圖25 最終位置防熱套合應力云圖

; t; G! a0 R9 `* s. r' \! a圖26 最終位置防熱套x方向應變云圖

" G; F8 B, K0 k- i圖27 最終位置防熱套y方向應變云圖

圖28 最終位置防熱套z方向應變云圖

& K! U1 i' _4 k2 ?' a; P圖29 最終位置防熱套應變云圖

圖30 最終位置防熱套沿周向應變云圖

* A# Z! ~( E- H* }! R6 G1 N  \圖31 最終位置防熱套上周向應變沿某條軸變化曲線

3 @7 t* _# w1 V' |  i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(jié)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。

圖33 最終位置壓力云圖

圖34 最終位置p隨軸向變化曲線

- h7 D/ w) X$ t6 Q7 E' u# k& y7 D# B/ z圖35 壓強最大值隨離平衡位置的距離的變化曲線

圖36 最終位置防熱套x方向應力云圖

圖37 最終位置防熱套y方向應力云圖

; g- Z/ y! ^- r7 J+ J% Q7 Z& R" V圖38 最終位置防熱套z方向應力云圖

+ O' T8 ?) @& w; ?' K圖39 最終位置防熱套應力云圖

圖40 最終位置防熱套x方向應變圖

& a2 e( }7 J2 x0 J5 a# @4 e. [' f圖41 最終位置防熱套y方向應變圖

圖42 最終位置防熱套z方向應變圖

3 b" D/ s- _: \4 r( i7 Q圖43 最終位置防熱套應變圖

圖44 最終位置防熱套沿周向應變圖

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。

圖46 擴大十倍變形圖

5 t. K: f2 ?7 e( _( r* b! R& X4 G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：

0 ]7 f' E1 W  [5 G6 u圖48 沿周向應變云圖及擴大十倍變形圖

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(jié)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。

ashin1539

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