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(xué)行為確定計算模型,。下面對模型中各部分進(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,，理想流體在流動時無阻力，故稱為非粘性流體,。實(shí)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(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,。

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(rèn)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(fù)合材料,，易開裂，容許應(yīng)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(dá)到給定內(nèi)外殼間距指標(biāo)要求,。在該過程中，需保證外殼不開裂,，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,，對膠水和防熱套進(jìn)行耦合計算,計算采用的參數(shù)如下：

膠水：動力粘度：由實(shí)驗(yàn)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(yùn)動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(qiáng)數(shù)據(jù),，從而得到防熱套上應(yīng)力應(yīng)變,。

計算結(jié)果諸如以下圖：
圖4為最終平衡位置時膠體上壓力云圖。

圖4 最終位置壓強(qiáng)云圖

圖5 最終位置壓強(qiáng)p隨軸向變化曲線

    膠體上壓強(qiáng)對稱分布,，圖5為最終平衡位置時壓強(qiáng)沿軸向變化規(guī)律,。

2 r6 ~/ x! G* _' v" u/ E圖6 壓強(qiáng)最大值隨離平衡位置距離的變化曲線

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

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

, |; S0 y0 x/ F" O7 w9 [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

' k- L/ \, R5 i  D5 t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，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(yīng)變,，以下圖11至圖13分別為沿x、y,、z方向的線應(yīng)變云圖,，圖14為防熱套上線性合應(yīng)變云圖。

圖11  最終位置防熱套上x方向應(yīng)變

) B: g5 k7 I& M6 }9 q圖12 最終位置防熱套上y方向應(yīng)變

8 q* Z$ z* G& i$ }( m5 T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)大十倍和四十倍時防熱套的變形圖,。

圖15 擴(kuò)大十倍時變形圖

, e7 I2 a3 D) q; O6 [圖16 擴(kuò)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(yīng)變云圖如圖17和圖18：

3 c) s8 z7 l+ F% Y# A7 J* c% ~圖17 最終位置時防熱套上應(yīng)變及擴(kuò)大十倍時變形圖

# Z+ Z) Q8 s: W; V6 a+ |* G圖18 最終位置時防熱套上應(yīng)變及擴(kuò)大四十倍時變形圖

實(shí)驗(yàn)所測應(yīng)變?yōu)橹芟驊?yīng)變,，與所計算得到的xy方向應(yīng)變吻合，提取出xy向應(yīng)變云圖及數(shù)據(jù),，以便于與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,。

6 ~5 R& d6 I& V' m3 Z$ m1 U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%

圖20 最終位置防熱套上周向應(yīng)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(shè)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,。

圖21 最終位置壓強(qiáng)云圖

由于頂部出口小,，膠體來不及流出，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)變云圖，圖29為直角坐標(biāo)系下合應(yīng)變云圖,。

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

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

圖26 最終位置防熱套x方向應(yīng)變云圖

: J" E: W: ^& b0 o0 m圖27 最終位置防熱套y方向應(yīng)變云圖

圖28 最終位置防熱套z方向應(yīng)變云圖

圖29 最終位置防熱套應(yīng)變云圖

圖30 最終位置防熱套沿周向應(yīng)變云圖

圖31 最終位置防熱套上周向應(yīng)變沿某條軸變化曲線

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速度,，計算結(jié)果如下：

圖33為最終平衡位置時壓強(qiáng)云圖，圖34為最終平衡位置時壓強(qiáng)沿軸向變化曲線,，圖35為最終平衡位置時壓強(qiáng)最大點(diǎn)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(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)變云圖，圖43為防熱套上合應(yīng)變云圖,。

; ^+ w; o' k  B& A( ^& [' K圖33 最終位置壓力云圖

圖34 最終位置p隨軸向變化曲線

圖35 壓強(qiáng)最大值隨離平衡位置的距離的變化曲線

$ a. z% G4 U- C2 V% w4 q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

* }' ^  O6 `5 ]( `8 Z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

1 W+ D0 ?0 \4 r* T圖40 最終位置防熱套x方向應(yīng)變圖

圖41 最終位置防熱套y方向應(yīng)變圖

圖42 最終位置防熱套z方向應(yīng)變圖

圖43 最終位置防熱套應(yīng)變圖

, Y9 |/ B' x6 `( T; F圖44 最終位置防熱套沿周向應(yīng)變圖

! w$ P! q4 e& i5 H圖45 最終位置防熱套周向應(yīng)變沿軸線變化曲線

以下圖46和圖47分別為在擴(kuò)大十倍和四十倍時防熱套的變形圖,。

* ~. z  Q$ `5 R* Z/ u& V; k圖46 擴(kuò)大十倍變形圖

3 ?: n# u3 _; k9 y! [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)變云圖如圖48和圖49：

圖48 沿周向應(yīng)變云圖及擴(kuò)大十倍變形圖

圖49 防熱套上應(yīng)變云圖及擴(kuò)大四十倍變形圖

4.         仿真分析結(jié)論

本次模擬套膠過程采用流固耦合，將流體計算得到的壓強(qiáng)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(jìn)行,，通過第一種工況速度為0.5mm/min與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，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

不得不佩服樓主的耐心，分析很詳細(xì)

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