|
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。
* `( g! ]1 G5 b; M* ], v% c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）：
- f. z6 T: n4 R% y
图2 计算模型图
. y' X9 v+ B; P3 @1 L) 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：2 z8 Y* D7 z7 v
图4为最终平衡位置时胶体上压力云图。
9 I* d% |* {) s, N. b
图4 最终位置压强云图
2 m. V2 S5 o9 s; d2 u
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。
# ]4 S2 q4 S' Q- ^& S: t! {5 [+ b
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。
P2 {3 e V4 U& |图7 最终位置防热套x方向应力云图
" s7 a( m: o' x" t( g图8 最终位置防热套y方向应力云图
$ P. Y- @- I, N/ h1 h2 \
图9 最终位置防热套z方向应力云图
/ W2 ?; a6 _; Q* g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。
1 q4 O* x& i+ H( ?9 M* w- j" [图11 最终位置防热套上x方向应变
3 O2 s0 B6 h6 _4 |) N图12 最终位置防热套上y方向应变
1 k" l4 a' Q! S2 o8 k
图13 最终位置防热套上z方向应变
2 ^9 _3 Q1 `$ F2 P0 X+ 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。
/ R1 D, ^ a, T% ~图15 扩大十倍时变形图
/ _) T$ t0 R3 ]$ P9 B7 Z
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：
" b- D9 M' s! A' q图17 最终位置时防热套上应变及扩大十倍时变形图
a, v7 t; w$ o6 s) l% R* x! H! Y- \- m
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。
( v2 K! X5 `. ^1 U7 s* j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
6 d1 F6 c& }$ X. B" I+ N4 |( g. Z# I% P
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。
. A% d. n# w( J! Z1 B; r( @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。
6 V4 O" e- q9 p
图22 最终位置防热套x方向应力云图
$ Y( o9 T" _2 l( l
图23 最终位置防热套y方向应力云图
, H7 B/ p% F$ F- b3 s/ J. w" U& w
图24 最终位置防热套z方向应力云图
% O9 C; a; C& u. @ W$ v
图25 最终位置防热套合应力云图
- z+ \' y: M; n3 ~* [/ b: u
图26 最终位置防热套x方向应变云图
. I; C, u3 [6 A U1 V
图27 最终位置防热套y方向应变云图
# {1 S- ~' x5 w4 Y* S图28 最终位置防热套z方向应变云图
' w$ t5 F7 a, R1 v6 {' ~图29 最终位置防热套应变云图
8 A# k; J# \8 w2 U+ G3 a图30 最终位置防热套沿周向应变云图
' v6 p5 J: |$ ?: Z: ]/ C
图31 最终位置防热套上周向应变沿某条轴变化曲线
& s' h6 M2 t! E2 I
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。
7 C; c9 O' r- k/ a2 r8 {
图33 最终位置压力云图
3 T+ B9 R8 H( \; Q图34 最终位置p随轴向变化曲线
9 K9 t3 V& O/ t图35 压强最大值随离平衡位置的距离的变化曲线
" R! `- N/ F& Q8 l# \' f图36 最终位置防热套x方向应力云图
& h" p# f" L4 U! K图37 最终位置防热套y方向应力云图
8 p8 C/ I: }% {% q( V$ m% d1 b$ a
图38 最终位置防热套z方向应力云图
$ f2 u/ P9 P6 v |3 F! |/ \& F图39 最终位置防热套应力云图
' [3 I2 c8 H. `) y, L# X: c+ A图40 最终位置防热套x方向应变图
. a/ ]' b( Y7 f, f6 w) ^* L7 N! {
图41 最终位置防热套y方向应变图
' I0 J' `8 w' l" f图42 最终位置防热套z方向应变图
; X- D! N- u9 h8 @/ P0 k* j
图43 最终位置防热套应变图
: N. m+ ^1 B5 I: g图44 最终位置防热套沿周向应变图
. p' E; G% c. Z6 Y3 R8 C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。
8 {5 z+ u: f" E, F
图46 扩大十倍变形图
& l* [1 w5 f5 s. ~5 C
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：
7 \. F* E8 n5 l+ w- ^! ?图48 沿周向应变云图及扩大十倍变形图
, r$ I5 T7 Q( _! `: p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
