|
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。
" J3 B4 F) `# |( W8 p- i6 o
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）：
; n$ E/ O! m8 G& v0 E% }' ^图2 计算模型图
e8 Z; G2 ]0 [6 C/ A9 t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：
7 _7 u4 f7 ?' h4 u+ r- l; C图4为最终平衡位置时胶体上压力云图。
$ c' P7 X9 I. `5 q' _9 L7 C图4 最终位置压强云图
8 w0 k% _1 m/ M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。
/ {8 j# J1 c. i& A+ U
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。
% }8 O( P7 x i% M' x4 ~1 ^
图7 最终位置防热套x方向应力云图
# X5 V7 y& d$ D( k图8 最终位置防热套y方向应力云图
5 j0 ?: ?! x0 c8 d" G) \图9 最终位置防热套z方向应力云图
7 H4 W3 `) |( v$ q. w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。
# l- [5 b6 N2 y4 A9 P' e
图11 最终位置防热套上x方向应变
) S3 `6 B7 i2 ]* O6 V$ e' Y& L图12 最终位置防热套上y方向应变
3 ^4 a' P3 s3 r4 {0 N) Q! I6 M图13 最终位置防热套上z方向应变
1 |5 \0 _! y* X8 I$ P( @8 E
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。
) j( I/ P" K# k0 s
图15 扩大十倍时变形图
1 x" n! A& H. D" |: O; G, \ W0 p" w. v
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：
+ h. s2 c& s4 L6 `. d* c图17 最终位置时防热套上应变及扩大十倍时变形图
@9 a4 k! b2 _; V% |8 y
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。
w- C, T4 r2 p. C# i' q, |/ C
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
; E; T9 R* W2 U7 n& \: ^) ]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。
* l- I% \) A& J$ m5 a0 o
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。
( n( q+ Z% [+ D- C* U
图22 最终位置防热套x方向应力云图
+ d/ |9 X5 E0 I8 r5 B2 [
图23 最终位置防热套y方向应力云图
& y1 ^! v+ P3 f5 v, V" q9 t图24 最终位置防热套z方向应力云图
. v' e' [6 @0 ^; G9 N: \
图25 最终位置防热套合应力云图
6 I" I. ?4 ]0 w! M2 {0 J图26 最终位置防热套x方向应变云图
4 b2 j- M+ j7 x0 h
图27 最终位置防热套y方向应变云图
* J$ o$ Y7 V( i! w图28 最终位置防热套z方向应变云图
7 U$ j0 @# ~5 _; T; e
图29 最终位置防热套应变云图
. l( Q4 J; H1 o# e! h2 M9 j图30 最终位置防热套沿周向应变云图
3 V5 j- l% i$ I- f
图31 最终位置防热套上周向应变沿某条轴变化曲线
- T" F! E" V$ J) z2 U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。
8 F& N; I6 _) O1 r$ Y8 a9 B图33 最终位置压力云图
2 J! C6 ^$ g* @1 J# s图34 最终位置p随轴向变化曲线
# t/ P( b( t4 E/ {+ E图35 压强最大值随离平衡位置的距离的变化曲线
. h( D n* I1 G( [ V9 d; a+ A! J
图36 最终位置防热套x方向应力云图
8 B' `' a+ F- { c' |: e
图37 最终位置防热套y方向应力云图
. H P; D$ d+ I- g图38 最终位置防热套z方向应力云图
, n/ ]% {( O6 @; R$ N( u8 L6 D" N
图39 最终位置防热套应力云图
& J) D( U0 Q4 [4 ?1 Z' c1 { M3 N图40 最终位置防热套x方向应变图
6 k# P; t, R5 j. K7 W8 @( k
图41 最终位置防热套y方向应变图
6 S7 d- {. Q. F$ t: u- M" ]图42 最终位置防热套z方向应变图
5 }8 m% I2 ~5 D4 [8 w2 I5 m5 O, [- n图43 最终位置防热套应变图
+ s; d/ m% D; R8 c9 F6 ^, G
图44 最终位置防热套沿周向应变图
* D. b3 R( z) L, x0 S5 A5 @7 K6 o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。
; g, q1 D9 {' l! U4 | ^. b图46 扩大十倍变形图
5 k8 ^* l5 E9 D$ E
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：
: G0 x: f5 z. t# Y6 a, r图48 沿周向应变云图及扩大十倍变形图
+ G2 S5 n: L* @1 \ R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。 | 
发表于 2013-8-15 15:26:59
