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。

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）：

圖2 計算模型圖

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：
* Y+ T- i: e& p圖4為最終平衡位置時膠體上壓力云圖。

5 U# O& `1 s/ l4 m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律。

- m0 R1 x0 T' f4 ?1 h0 P/ |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。

圖7 最終位置防熱套x方向應力云圖

1 h7 y: U0 M6 D8 S, {; U. U圖8 最終位置防熱套y方向應力云圖

圖9 最終位置防熱套z方向應力云圖

6 |9 I; y0 R5 ]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

; G; T& v8 Q+ [5 |$ a圖12 最終位置防熱套上y方向應變

圖13 最終位置防熱套上z方向應變

0 e8 P! i8 l- s9 `- R3 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。

圖15 擴大十倍時變形圖

# P) t7 S7 W8 ~6 y& P; i. g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：

圖17 最終位置時防熱套上應變及擴大十倍時變形圖

( x9 C) X) n4 E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。

3 V: B; Q# J! {; x- b2 T% M& u, m, [3 [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%

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。

3 g. @1 d5 Q3 v! A/ r  S+ r% [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。

- k/ f8 K6 ^' y圖22 最終位置防熱套x方向應力云圖

: @3 X, e4 a; `8 Z2 }* J  `) Z圖23 最終位置防熱套y方向應力云圖

# b$ @" d7 m0 I6 K4 @7 d5 ~  `5 ?& V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

圖26 最終位置防熱套x方向應變云圖

圖27 最終位置防熱套y方向應變云圖

$ J8 j* E0 A- @1 J3 |* \, x* C圖28 最終位置防熱套z方向應變云圖

$ W; W+ s+ @. w( |( D, q) X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

圖31 最終位置防熱套上周向應變沿某條軸變化曲線

& n8 T: T$ N: p$ `  H( d: h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。

圖33 最終位置壓力云圖

% ?) G! u( z/ H6 Y! T9 Z1 \& o" z圖34 最終位置p隨軸向變化曲線

圖35 壓強最大值隨離平衡位置的距離的變化曲線

! X" V" [( x: Y" W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

! e) S7 V1 ~6 G+ Y4 ]圖38 最終位置防熱套z方向應力云圖

% q( o; Q4 Y& ^" }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

2 S+ J2 ]$ V& o4 e3 I圖41 最終位置防熱套y方向應變圖

4 ]! t  P  `  w6 u圖42 最終位置防熱套z方向應變圖

0 i2 g! ?1 x1 l: _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。

+ [) a0 {9 Q3 S* L! f) R圖46 擴大十倍變形圖

7 N- L+ i0 D+ p! d) J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：

圖48 沿周向應變云圖及擴大十倍變形圖

$ Z  S3 [1 Z! o) v0 H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。

ashin1539

不得不佩服樓主的耐心，分析很詳細

跪唱征服

樓主很有心！