基于ANSYS的非牛頓流體減速帶有限元分析

陳波佑 朱雄飛 尚召偉

摘? ?要：為研究一種內(nèi)含冪律流體并具有半橢圓形截面結(jié)構(gòu)的減速帶的受壓分析，通過(guò)建立個(gè)例模型來(lái)分析其中的固液耦合及受壓情況，給出了一種建立這種減速帶受壓模型的方案并從理論上判斷生產(chǎn)這種減速帶的可行性，最終得出非牛頓流體減速帶在5s內(nèi)的受壓情況及內(nèi)部流體的流動(dòng)情況。

關(guān)鍵詞：非牛頓流體減速帶? 仿真? 耦合? 冪律流體

中圖分類(lèi)號(hào)：TU311; O315.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）12（a）-0087-02

1? 建立仿真模型

整個(gè)仿真過(guò)程采用流程：

（1）利用DesignModeler建立減速帶模型，采用的尺寸為2000mm×200mm×48.82mm，如圖1所示。其中將固體外殼厚度即與流體部分之間相隔設(shè)置為5mm。

（2）邊界條件：按照實(shí)際支撐情況在減速帶模型底部面施加固定約束。

（3）荷載計(jì)算及施加方法：荷載計(jì)算模擬車(chē)輛壓過(guò)減速帶力度逐漸增大的情況，現(xiàn)認(rèn)為施力大小隨時(shí)間呈線性變化，滿足如下關(guān)系式：

其中t為施力時(shí)間，在仿真過(guò)程中取5s，F(xiàn)模擬為車(chē)輛一側(cè)車(chē)輪生成的壓力，總壓力為2F，壓力作用點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

2? 網(wǎng)格劃分

在劃分網(wǎng)格時(shí)采用精度較高的CFD模式，為提高網(wǎng)格密度，將Resolution（分辨率）調(diào)至最大值，由此獲得較詳細(xì)的仿真數(shù)據(jù)。由于后期需要進(jìn)行固液耦合，故需要設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格，在更新網(wǎng)格劃分后檢查網(wǎng)格的Skewness（偏度）峰值，本次仿真偏度峰值為5.7323，在允許值范圍內(nèi)，故網(wǎng)格劃分較為精準(zhǔn)。

3? 結(jié)果分析

在FLUENT中對(duì)減速帶模型內(nèi)部進(jìn)行冪律流體的填充，期內(nèi)含流體的參數(shù)如表1所示。

在受力時(shí)間達(dá)到第1s與第5s時(shí)，減速帶受壓從1500N線性提升至7500N其XOY面的壓力云圖如圖3所示。

綜合兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的受力情況可以看出其內(nèi)含有的冪律流體在秒的受壓后呈現(xiàn)中間部分壓強(qiáng)較高，流體集中在此處壓力作用點(diǎn)處壓強(qiáng)出現(xiàn)負(fù)數(shù)，這是由于在ANSYS計(jì)算固液耦合時(shí)這兩處出現(xiàn)外殼與內(nèi)部流體未接觸而導(dǎo)致的，在壓力緩慢提升時(shí)兩者在減速帶中部的壓強(qiáng)相近，故可以分析得出由于冪律流體在緩慢壓力的作用下，其內(nèi)部呈現(xiàn)流動(dòng)的現(xiàn)象。

受壓5s時(shí)其中一個(gè)壓力作用點(diǎn)處YOZ面的速度矢量圖如圖4所示。

在壓力的緩慢提升中，由于冪律流體呈現(xiàn)流動(dòng)現(xiàn)象，受壓點(diǎn)處的流體會(huì)向兩側(cè)流動(dòng)，在實(shí)際情況中會(huì)表現(xiàn)出車(chē)輪所壓的部分減速帶高度會(huì)很低，而中間部分由于流體的流動(dòng)集中高度會(huì)很高。

4? ?結(jié)語(yǔ)

（1）綜上所述，由于這種冪律流體的受壓力提升較為緩慢，故其內(nèi)部剪切速率較低，剪切應(yīng)力較低，會(huì)呈現(xiàn)流動(dòng)的現(xiàn)象，在車(chē)輛緩慢過(guò)帶時(shí)，中間部分的流體會(huì)較為集中，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要考慮設(shè)置較為合理的減速帶高度，防止車(chē)輛低速過(guò)帶時(shí)出現(xiàn)減速帶中部壓強(qiáng)過(guò)大剛度失效的問(wèn)題。

（2）仿真過(guò)程只提供了一種尺寸的非牛頓流體減速帶，并不能代表所有尺寸的受力情況，需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)確定合理的減速帶尺寸。

（3）仿真未考慮熱交換等因素，在精度上存在一定誤差。

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