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。

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）：

$ H3 y  H8 `. N- q1 Z图2 计算模型图

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：
图4为最终平衡位置时胶体上压力云图。

. G1 p4 f4 w- u1 `+ q( R图4 最终位置压强云图

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。

+ ]  i$ I" G  Q# D/ H图7 最终位置防热套x方向应力云图

5 z( I, A/ W4 U. q+ d2 v图8 最终位置防热套y方向应力云图

  ?8 v7 H; x, h, g7 {图9 最终位置防热套z方向应力云图

. n' g# _2 b2 q; L% \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。

6 V, Z$ a6 D8 t% k3 J图11  最终位置防热套上x方向应变

图12 最终位置防热套上y方向应变

图13 最终位置防热套上z方向应变

: z% k7 Z# o" `# S% c1 r" R- }" i6 [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。

) O6 q3 M( t+ W( ?) T5 x" y( u9 a图15 扩大十倍时变形图

  L* L: B3 q0 {4 R0 o. k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, P4 k* u% v/ B. Z5 f% d9 O图17 最终位置时防热套上应变及扩大十倍时变形图

3 O$ t+ U; h# c, F; U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%

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。

图22 最终位置防热套x方向应力云图

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

图25 最终位置防热套合应力云图

' `0 Y  ?  N& X3 Z. x8 v* h+ g图26 最终位置防热套x方向应变云图

, G! Y- g! W; v9 c4 Z: }" O图27 最终位置防热套y方向应变云图

( }# Q  {$ F( I$ S( \  j/ [图28 最终位置防热套z方向应变云图

图29 最终位置防热套应变云图

) b' O  @: Z1 f% Q" y+ ^4 G# C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

+ A: Q9 p) x& Z/ h4 l0 `3 f# [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

- }7 U. ]0 u5 |# T- @$ @图35 压强最大值随离平衡位置的距离的变化曲线

( u: m& |& K  E! r7 Y图36 最终位置防热套x方向应力云图

  I, x. F$ k) C4 J. c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

1 o$ B* d+ f' [9 s3 y图39 最终位置防热套应力云图

图40 最终位置防热套x方向应变图

图41 最终位置防热套y方向应变图

/ w3 K4 ]$ H0 Z5 }* D图42 最终位置防热套z方向应变图

, B$ m# h: X$ Q+ I/ t/ b图43 最终位置防热套应变图

图44 最终位置防热套沿周向应变图

7 F2 ~8 f. t  Y  T" ^* v5 z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。

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

* N4 l2 W8 I4 R! k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！