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标题: 套胶过程仿真计算 [打印本页]
作者: 元计算 时间: 2013-8-15 15:26
标题: 套胶过程仿真计算
1. 仿真模型分析
从套胶过程看，胶体和外壳发生相互作用，该仿真过程是流体和固体耦合计算的过程。耦合计算前，根据流体及固体的力学行为确定计算模型。下面对模型中各部分进行分析。
（1）胶体：按照流体力学的观点，流体可分为理想流体和实际流体两大类，理想流体在流动时无阻力，故称为非粘性流体。实际流体流动时有阻力即内摩擦力（或称剪切力），故又称为粘性流体。根据作用于流体上的剪切应力与产生的剪切速率之间的关系，粘性流体又可分为牛顿流体和非牛顿流体（如下图所示）。 牛顿流体的粘性只和温度有关，非牛顿流体的粘性除与温度有关外，还与剪切速率和时间有关，由所给出的胶体参数，将胶体定性为不可压缩非牛顿流体。
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图1 流体的分类 计算初始状态，假定内外壳间胶体为充满状态，空气泡已排空，不需要考虑胶体自身的接触计算，同时简化了计算工况，胶体初始厚度即为内外壳初始间距。胶体挤出后暴露于空气，外界环境室温常压。
（2）内壳：内壳材质为铝合金，套胶过程中其变形可忽略不计，因此视为刚性体，也可认为是流体计算的固壁边界。
（3）外壳：外壳材质为短纤维模压高硅氧复合材料，易开裂，容许应变较小，可采用线弹性模型计算。
由以上分析，本次仿真过程可做以下描述：固定内壳，视为流体计算固壁边界条件；外壳以某轴向速度挤压壳间胶体，并将胶体挤出，直至达到给定内外壳间距指标要求。在该过程中，需保证外壳不开裂，并给出外壳的应力及应变，检验应力或应变是否在容许范围内。
2. 仿真模型与参数
考虑胶水的速度和应力，以及防热套的位移和应力，对胶水和防热套进行耦合计算,计算采用的参数如下：
胶水：动力粘度：由实验数据给定，随时间和剪切速率的变化而变化。
热套：弹性模量：1.0*1010pa
泊松比 ：0.34
密度：1.62*103kg/m3
阻尼系数：0.6
仿真模型（单位：m）：
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7 X* T7 g# [8 Q- w" z, Q图2 计算模型图
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+ R8 ?8 Z+ _! d5 B( o6 x8 x图3 模型网格图 计算分为初始速度为0.5mm/min 和5mm/min两种工况。 模拟胶体在轴向相对运动50mm，并设定胶体最终厚度为0.1mm，根据模型尺寸，假设胶体的初始厚度为3.03mm。
3. 计算结果
1) 工况一（速度为0.5mm/min）
i. 首先根据非牛顿流体模型计算流体的压力，然后在固体模型中耦合流体计算得到的压强数据，从而得到防热套上应力应变。
计算结果诸如以下图：! j. ?) [& |) u* E; Q5 }# s6 C
图4为最终平衡位置时胶体上压力云图。
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$ y" N# v; r; w) Q% n+ P图4 最终位置压强云图
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: `' U* m4 M4 I$ |7 i7 D图5 最终位置压强p随轴向变化曲线 胶体上压强对称分布，图5为最终平衡位置时压强沿轴向变化规律。
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: x- c Q- [* ~7 Q; v, A) c图6 压强最大值随离平衡位置距离的变化曲线 压强最大值位置是随着胶体的流动而变化的，为提取压强的演变过程，图6提取最终平衡位置时压强最大值点，追踪其从离平衡位置50mm位置时压强到平衡位置时压强的变化过程。
应力表示单位面积上所承受的附加内力，与面积一样都属于矢量，如果受力面积与力的方向垂直称为正应力，以下图7至图9分别为在直角坐标系下沿各个方向的应力云图，图10为防热套上合应力云图。
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+ O4 d' s5 m2 \& ?2 M图7 最终位置防热套x方向应力云图
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图8 最终位置防热套y方向应力云图
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图9 最终位置防热套z方向应力云图
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图10 最终位置防热套上应力云图 在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度在变形前后的改变量与原长之比，定义为线应变，以下图11至图13分别为沿x、y、z方向的线应变云图，图14为防热套上线性合应变云图。
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( V7 e! t4 ~- T( v( d+ @( z
图11 最终位置防热套上x方向应变
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) o9 H) h. b0 I
图12 最终位置防热套上y方向应变
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图13 最终位置防热套上z方向应变
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图14 最终位置防热套上应变 以下图15和图16分别为在扩大十倍和四十倍时防热套的变形图。
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$ t3 n* C5 o* x5 m图15 扩大十倍时变形图
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图16 扩大四十倍时变形图 防热套上在不同放大倍数的变形及应变云图如图17和图18：
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$ h ?: S4 p! B' x! J- A图17 最终位置时防热套上应变及扩大十倍时变形图
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( c. }& a# r, ~图18 最终位置时防热套上应变及扩大四十倍时变形图 实验所测应变为周向应变，与所计算得到的xy方向应变吻合，提取出xy向应变云图及数据，以便于与实验数据进行对比。
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* L9 e+ x$ E8 |- a4 V- t2 b图19 最终位置防热套上沿周向应变及提取点位置 表1 提取点应变数据
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$ I6 C& Y5 }; L: L. n$ x- E图20 最终位置防热套上周向应变沿轴线point1-point3的变化曲线 ii. 胶体速度为0.5mm/min，改变胶体涂抹均匀度
胶体的涂抹厚度与均匀度会影响到计算的结果，更改胶体上下的均匀度，设定初始时底部胶体厚度为3.03mm，顶部胶体厚度为1mm，得到以下结果。
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( F: @' \6 h$ z, _
图21 最终位置压强云图 由于顶部出口小，胶体来不及流出，因此压强在出口位置变大。
以下图22-图24分别为沿直角坐标系x、y、z方向应力云图，图25为直角坐标系下合应力云图，图26-图28为沿直角坐标系x、y、z方向应变云图，图29为直角坐标系下合应变云图。
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7 m# j3 R% z5 U" P. R& k图22 最终位置防热套x方向应力云图
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4 B, S# q8 q# L! L* t5 l& y图23 最终位置防热套y方向应力云图
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1 U5 k' \ o8 B图24 最终位置防热套z方向应力云图
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图25 最终位置防热套合应力云图
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图26 最终位置防热套x方向应变云图
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图27 最终位置防热套y方向应变云图
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图28 最终位置防热套z方向应变云图
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0 R" N) ]6 `; ]# k图29 最终位置防热套应变云图
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图30 最终位置防热套沿周向应变云图
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% v! I$ b3 J- }! w) z- J图31 最终位置防热套上周向应变沿某条轴变化曲线
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图32 提取点位置示意图 表2提取点周向应变数据
2) 工况二（速度为5mm/min）
在其他条件一致的条件下仅改变胶体的流动速度，计算结果如下：
图33为最终平衡位置时压强云图，图34为最终平衡位置时压强沿轴向变化曲线，图35为最终平衡位置时压强最大点随着离平衡位置的距离的变化过程，图36-图38为沿直角坐标系x、y、z方向应力云图，图39为防热套上合应力云图，图40-图42为沿直角坐标系x、y、z方向应变云图，图43为防热套上合应变云图。
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4 V3 G7 z9 ?: Y' a图33 最终位置压力云图
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图34 最终位置p随轴向变化曲线
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& p! H2 J& n ]- m图35 压强最大值随离平衡位置的距离的变化曲线
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3 j0 r# g t4 a图36 最终位置防热套x方向应力云图
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图37 最终位置防热套y方向应力云图
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7 h/ D) Q8 [4 h x# {2 a图38 最终位置防热套z方向应力云图
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: v. R* W0 D/ s% _& M图39 最终位置防热套应力云图
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& G5 s. k! g7 R# k5 U6 A9 ~, e图40 最终位置防热套x方向应变图
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! P) \4 W4 q7 X! A6 X! j, _图41 最终位置防热套y方向应变图
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9 z1 b5 U( m' w! m- o& u6 Z图42 最终位置防热套z方向应变图
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图43 最终位置防热套应变图
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W h" W" A5 @: ^" M+ w, Y图44 最终位置防热套沿周向应变图
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y/ n i# s) X" m6 {! ]& A) X& A图45 最终位置防热套周向应变沿轴线变化曲线 以下图46和图47分别为在扩大十倍和四十倍时防热套的变形图。
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" K5 j; S! S; X# i- ~ [5 I9 d图46 扩大十倍变形图
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8 s! j$ d! N+ S图47 扩大四十倍变形图 防热套上在不同放大倍数的变形及应变云图如图48和图49：
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+ A N" K" R: x0 z图48 沿周向应变云图及扩大十倍变形图
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9 e2 O7 o& p3 J5 D0 D( s% U
图49 防热套上应变云图及扩大四十倍变形图 4. 仿真分析结论
本次模拟套胶过程采用流固耦合，将流体计算得到的压强数据作为防热套变形的边界条件，计算分别以胶体流动速度为0.5mm/min和5mm/min两种工况进行，通过第一种工况速度为0.5mm/min与实验进行对比，提取实验点上数据，应变值如表1所示，与实验数据相比在同一数量级上。且给定的防热套上断裂伸长率为1.05%，从计算数据上可以看出，在此两种工况下防热套上所受到的力都还不能致使防热套开裂。
作者: ashin1539 时间: 2013-8-15 15:48
不得不佩服楼主的耐心，分析很详细
作者: 跪唱征服 时间: 2014-8-14 08:53
楼主很有心！
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