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1流固耦合分析
流固耦合力學(xué)是一門比較新的力學(xué)邊緣分支,是流體力學(xué)與固體力學(xué)二者相互交叉而生成的。它的研究對象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運(yùn)動(dòng)對流場的影響。流固耦合力學(xué)的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用:固體在流體動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng),而固體的變形或運(yùn)動(dòng)又反過來影響到流場,從而改變流體載荷的分布和大小。流固耦合問題涉及流體和固體分析理論計(jì)算和其之間的耦合關(guān)系,所以流體力學(xué)構(gòu)成流固耦合理論的基礎(chǔ),計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)則是關(guān)于流體的數(shù)值計(jì)算,而建立流體力學(xué)的有限元方程求解卻極為困難,因此過去三十年人們一直在研究的流體數(shù)值分析的方法。流固耦合問題是強(qiáng)非線性的問題,求解方程的規(guī)模加大,還必須研究、借鑒有關(guān)計(jì)算機(jī)處理技術(shù),如有限元并行算法的成果[2]。本文以攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)作為研究對象,在SolidWorks中建立三維模型。在ANSYSWorkbench中進(jìn)行單向流固耦合,其基本思路是:先計(jì)算流場和固體結(jié)構(gòu),然后通過中間平臺(tái)交換耦合量。每次大迭代中,進(jìn)行一次流體計(jì)算,并交換數(shù)據(jù)到固體計(jì)算,直到最終收斂。分析基本流程框架結(jié)構(gòu)如下。
2攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)前處理
Pro/E、I-Deas、UG和SolidWorks是目前比較流行的CAD軟件,這些三維建模軟件其實(shí)原理都是相同的,各有利弊。本文采用SolidWorks軟件對攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)進(jìn)行三維實(shí)體模型繪制,SolidWorks適合于通用機(jī)械的三維設(shè)計(jì),非常適合攪拌機(jī)這樣的通用機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì),具有與其他CAE、CAM軟件的良好接口,避免了轉(zhuǎn)換格式所造成的信息丟失和模型缺損。在三維建模軟件中,所建的三維模型完全尊重?cái)嚢铏C(jī)葉片系統(tǒng)的原型,這樣的優(yōu)點(diǎn)是,模擬更加接近真實(shí)情況。完成建模后,因?yàn)镾olidWorks軟件和ANSYSWorkbench共享數(shù)據(jù),可以直接相連接,即在SolidWorks軟件主界面有ANSYSWorkbench菜單項(xiàng),可直接啟動(dòng)ANSYSWorkbench12.0,模型導(dǎo)入后,一般不會(huì)發(fā)生曲面丟失、破面、形狀變形等問題。從SolidWorks導(dǎo)入到ANSYSWorkbench的攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)流固耦合三維模型如圖2所示,內(nèi)部為攪拌機(jī)葉片系統(tǒng),外部為管狀流體場,包括靜流場和旋轉(zhuǎn)流場,包裹著攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)。ANSYSWorkbench工作允許添加自定義的模板和提供預(yù)先定義的自定義模板,如單向耦合分析和形變分析等。建立流固耦合分析,操作將Workbench12左側(cè)的Toolbox內(nèi)FSI:FluidFlow(CFX)>StaticStructural項(xiàng)直接拖到右邊的A2欄內(nèi)即可。ANSYSWorkbench里面劃分網(wǎng)格可選取系統(tǒng)默認(rèn)值,不需要操作者去選擇,只要控制網(wǎng)格劃分方法和有限元單元尺寸,模型局部也可以細(xì)化,這比ANSYS的經(jīng)典界面方便很多,而且復(fù)雜模型網(wǎng)格質(zhì)量也比較好。對于旋轉(zhuǎn)葉片的網(wǎng)格,需要對其局部的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,以使計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)。一般來說,葉片和流場的網(wǎng)格是一起被劃分的,但可以分開劃分進(jìn)行尺寸設(shè)定,本文所舉的例子是流固耦合分析,流體場尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葉片的尺寸,這樣設(shè)置的原因也是為了能夠更加真實(shí)地模擬流體場和加快分析計(jì)算速度。為便于后期的CFX操作和流固藕合分析,故對相關(guān)而先對有限元模型各表面進(jìn)行命名。網(wǎng)格劃分完畢,最后得有限元模型有190952個(gè)單元和35113個(gè)節(jié)點(diǎn),有限元模型。
3CFX流場分析
CFX軟件主要包括三個(gè)部分:前處理模塊(CFX-Pre)、求解模塊(CFX-Solver)和后處理模塊(CFX-Post)。CFX-Pre主要用于定義物理模型、材料屬性、邊界條件、初始條件和求解參數(shù)等,樹形結(jié)構(gòu)方便用戶修改參數(shù);CFX-Solver為求解問題所有變量的整個(gè)過程,輸入文件有CFX-Pre生成,特別地,該solver采用耦合求解器,比傳統(tǒng)分離求解器需要更少的求解步數(shù)就能達(dá)到收斂,另外,CFX-solver還有一個(gè)控制管理計(jì)算任務(wù)的manager,方便用戶管理作業(yè)。CFX-Post可以將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線、梯度、矢量等方式顯示,也可以將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線的形式顯示。用CFX對流場進(jìn)行數(shù)值模擬,流場的設(shè)置主要是對水的性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置,例如溫度、密度、傳熱系數(shù)等等。本例所選的是k-Epsilon流體方程模型,室溫條件和isothermal熱傳遞模式。然后給定流場邊界條件:入口速度為0;出口因?yàn)槭桥c空氣相同,通常這里的壓強(qiáng)都設(shè)置成相對大氣的壓強(qiáng);其它為固定的無滑移壁面(wall)[3]。葉片部分設(shè)置的邊界條件:本例中,葉片在風(fēng)場中模擬的轉(zhuǎn)速為80r/min;葉片的固體屬性。在CFX里,葉片表面設(shè)置成流固耦合接觸面(interface),這樣就更能符合實(shí)際,模擬出其固有屬性。在獲得CFX流場數(shù)值分析的結(jié)果后,如圖4所示,可以發(fā)現(xiàn)攪拌機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片附近的速度變化,最高變?yōu)?.7m/s,葉片正面的壓強(qiáng)值比背面的要大很多,其最大壓強(qiáng)為1234pa。
4結(jié)構(gòu)靜力分析
依據(jù)在ANSYSWorkbench中建立的CAD模型(如圖3所示),在StaticStructural中定義材料性質(zhì),密度7800kg/m^3、泊松比0.3和彈性模量為207GPa;更新網(wǎng)格。添加邊界條件,添加攪拌機(jī)的支架頂部為固定約束,添加CFX得出的瞬態(tài)壓強(qiáng)載荷[4]。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示,由于壓應(yīng)力場相對較小,攪拌機(jī)葉片最大應(yīng)力發(fā)生在葉片前端內(nèi)側(cè)邊緣處(中部偏下),其最大值為40.7MPa,遠(yuǎn)低于鋼材的屈服強(qiáng)度。根據(jù)以上計(jì)算分析,機(jī)身強(qiáng)度符合要求。這樣的分析結(jié)果,可以讓我們對葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在后面的設(shè)計(jì)中對葉片加筋板,起到穩(wěn)定加固葉片結(jié)構(gòu)的作用。此外,在StaticStructural的分析基礎(chǔ)上,ANSYSWorkbench還可以進(jìn)行模態(tài)分析(即振動(dòng)分析),對葉片的振行進(jìn)行分析,得出其固有頻率和相應(yīng)振型,對葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的分析[5]。
5結(jié)束語
本文使用CFX—ANSYS流固耦合方法對攪拌葉片進(jìn)行數(shù)值模擬研究,根據(jù)得到應(yīng)力應(yīng)變分布情況,建議對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸作了一些調(diào)整,減少應(yīng)力應(yīng)變,以達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。此方法操作簡單,可以被應(yīng)用其他的單向流固耦合分析,比如鼓風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)、風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)、渦輪增壓器和膨脹等等。采用計(jì)算機(jī)仿真模擬,可以縮短攪拌機(jī)葉片的設(shè)計(jì)開發(fā)過程,減少開發(fā)成本。