套胶过程仿真计算

元计算

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。

* w) E: B" B' z/ _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）：

3 c  q2 }  H* j! G9 J0 v图2 计算模型图

: p) @' B5 F$ _& M, T8 R; |6 y- d3 {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：
- a0 A$ J# A. u% P图4为最终平衡位置时胶体上压力云图。

图4 最终位置压强云图

7 I- E9 u: z. z. [$ ?- H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。

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。

6 R6 K5 `6 O  s; A4 I: W8 z图7 最终位置防热套x方向应力云图

' B1 s. e: |5 [& R1 e图8 最终位置防热套y方向应力云图

图9 最终位置防热套z方向应力云图

7 U4 f2 e' N; _+ \; D3 l; c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。

% P5 O/ P& }- A8 ^" a图11  最终位置防热套上x方向应变

4 [) E1 _( r9 T7 x0 d图12 最终位置防热套上y方向应变

+ l, w& b# {3 Z* F图13 最终位置防热套上z方向应变

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。

  A; G  Q. [  D. r8 V% ^5 B8 I图15 扩大十倍时变形图

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：

图17 最终位置时防热套上应变及扩大十倍时变形图

! I8 B: l# Y1 j# V8 q1 y8 z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。

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

point1	0.011%
Point2	0.052%
Point3	0.0077%

+ X+ ]: m9 L) ^! ?0 Z, c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。

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。

, k& a+ @. M( B& r图22 最终位置防热套x方向应力云图

0 t  Z# p$ F5 D$ H0 m8 A, d8 V. t图23 最终位置防热套y方向应力云图

图24 最终位置防热套z方向应力云图

% n5 j8 e7 ]4 i& s图25 最终位置防热套合应力云图

, l- c4 B+ c1 b# e2 m图26 最终位置防热套x方向应变云图

" p6 F- y" S7 f& F1 ^3 d  v图27 最终位置防热套y方向应变云图

图28 最终位置防热套z方向应变云图

. o* T2 L  B( d9 y" V3 \图29 最终位置防热套应变云图

* F: j1 K% L8 e5 |5 q图30 最终位置防热套沿周向应变云图

图31 最终位置防热套上周向应变沿某条轴变化曲线

图32 提取点位置示意图

表2提取点周向应变数据

point1	0.021%
Point2	0.15%
Point3	0.0014%

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。

图33 最终位置压力云图

图34 最终位置p随轴向变化曲线

图35 压强最大值随离平衡位置的距离的变化曲线

图36 最终位置防热套x方向应力云图

- @. I, k. t/ H' y图37 最终位置防热套y方向应力云图

图38 最终位置防热套z方向应力云图

图39 最终位置防热套应力云图

- J) K7 M! d7 j图40 最终位置防热套x方向应变图

/ ^! g9 m/ b; X图41 最终位置防热套y方向应变图

图42 最终位置防热套z方向应变图

1 X. ~! n- p1 B9 T图43 最终位置防热套应变图

" E" H9 w; Z' w$ K- i图44 最终位置防热套沿周向应变图

/ ^5 E3 S0 x! _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。

, E+ {& L% ?. }: K+ b图46 扩大十倍变形图

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：

图48 沿周向应变云图及扩大十倍变形图

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。

ashin1539

不得不佩服楼主的耐心，分析很详细

跪唱征服

楼主很有心！