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标题: 应用solidworks flowsimulation进行基于铂金搅拌器结构强度的对比分析 [打印本页]

作者: 寂静天花板 时间: 2016-6-6 19:03
标题: 应用solidworks flowsimulation进行基于铂金搅拌器结构强度的对比分析

搅拌器在进行熔融玻璃搅拌时，受力情况较为复杂，无法直接估算。当我们对搅拌器的结构强度进行分析时，施加边界条件就比较困难。因此，我们采用耦合分析的来解决这个问题。

因为玻璃熔融状态下，是一种流体状态。因此，我们首先使用SolidWorksFlow Simulation进行流场分析获得搅拌器上的受力情况。然后，我们利用SolidWorks FlowSimulation与SolidWorksSimulation之间的接口，将流场计算得到的受力条件导出来作为边界条件，对搅拌器进行结构强度分析。先后进行了三个个设计方案的横向对比。列表如下：

方案1

搅拌器采用菱形截面的型材

壁厚2mm

7.970 Kg

方案2

搅拌器采用圆形截面的型材

壁厚2mm

7.917 Kg

方案3

搅拌器采用圆形截面的型材

壁厚1.5mm

7.662 Kg

我们对两种搅拌结构进行了流场分析和结构强度分析，并对比了两者之间的区别。从对比结果看，在给定的条件下，为圆形截面搅拌器应力水平更低，因此，我们接下来针对这种结构，减薄了壁厚，再次进行强度分析。并对比了壁厚调整前后的应力水平。

熔融玻璃的流场分析，目前的研究进展一般假设玻璃液为均质牛顿型粘性流体

，同时，搅拌过程中玻璃液的温度基本不变，因此，我们考虑采用的等效玻璃液参数为：密度2200Kg/M3，动力粘度150Pa.s。

方案一采用菱形截面的搅拌器。我们首先对其进行了流场分析。流场分析的模型如下图所示：

在流场分析时，我们给定坩埚中充满了玻璃液，并设定搅拌器的转速为45rpm，进行分析计算。计算得到的流场流线图如下图所示。

搅拌器上的承受的压力分布图如下图所示：

从流场分析的结果中我们还可以输出给定条件下，搅拌器上承受的扭矩，如下表：

通过流场分析，我们能够直接将流体分析的结果导出到SolidWorks Simulation中，作为边界条件，对搅拌结构进行结构强度分析。

之后，我们可以建立针对搅拌器的结构分析算例，在其中，我们只需设定相应的边界条件，然后即可划分网格并进行仿真了。在材料数据方面，我们得到了铂金高温下的机械性能，因此，采用高温铂金的材料特性数据进行本次计算。从结果对比的角度，只要几个设计方案的材料数据都取为一致，这样做出来的对比结果还是有意义的。我们使用的材料数据如下：

密度（g/cm3，20℃）

21.45

比热[J/（kg·K），20℃]

131.2

导热率[W/（m·K），0～100℃]

线膨胀系数（K－1×10－4）

9.1

弹性模量（N/mm2）

1.72×105

泊松比

0.39

为了获得较好的结果，我们采用3mm的单元大小进行网格划分。共划分单元122294个，局部网格单元如下图所示：

通过计算，我们得到了菱形截面搅拌器上的结构应力及位移结果。最大应力出现在菱形型材与圆柱相交的位置，大小为40.2Mpa，但考虑到此处为理想尖角位置，存在应力奇异，因此此处的应力是偏高且不收敛的，实际的应力犹豫存在焊缝过渡，应力水平应该低一些。另外，在搅拌框形结构上方，存在应力梯度较大的位置，此处的应力约为16MPa左右。在1300度高温的情况下，铂金屈服强度39.5MPa。因此，在给定条件下，方案1搅拌器整体还是安全的。局部可能接近屈服。