混凝土攪拌車罐體及拌合物的流-固耦合數(shù)值分析

吳 偉，梁清香，林智文

(太原科技大學 應用科學學院，太原 030024)

混凝土攪拌車作為遠距離輸送混凝土的多功能設(shè)備[1]，具有對混凝土同時進行運輸和攪拌兩種功能，保證混凝土在運輸中的均勻性而免于離析。近幾十年來國內(nèi)高速發(fā)展，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對混凝土的需求在不斷擴大，質(zhì)量要求也逐步嚴格，混凝土攪拌車以機動靈活性和高質(zhì)量的混凝土攪拌效果表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

在長距離運輸過程中，確保混凝土攪拌的均勻性對保證混凝土的澆注質(zhì)量至關(guān)重要，因此了解混凝土攪拌車進料、攪拌、出料動態(tài)過程中的流場分布及罐體外殼與攪拌葉片的應力分布，可直觀了解混凝土攪拌車的工作狀態(tài)，進而為攪拌車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

目前，由于實驗難以觀察混凝土攪拌運動細節(jié)，對于混凝土攪拌過程主要以數(shù)值模擬為主，傳統(tǒng)的研究方法基于Euler-Euler耦合的雙流體模型?；诹髯兡Ｐ?、流變測試等研究方法，模擬混凝土顆粒和顆粒簇的流動形態(tài)和運動軌跡，分析攪拌車攪拌過程。為更好地模擬攪拌車混凝土流動狀態(tài)，混合離散單元模型能夠很好地分析混凝土在不同時刻、不同狀態(tài)所表現(xiàn)的微觀問題。

有限元軟件ABAQUS是目前較強大的通用有限元分析軟件，其流固耦合功能得到了廣泛認可[2]，本文應用ABAQUS顯示求解器分析混凝土攪拌車在作業(yè)下的流-固耦合問題。

1 計算模型

1.1 模型與網(wǎng)格

為簡化混凝土攪拌車的模型，分別對混凝土車的罐體外殼、混凝土拌合物歐拉域、螺旋型攪拌葉片[3]進行建模，裝配成如圖1所示的整體。通過模型簡化處理后，創(chuàng)建的攪拌車罐體為梨形結(jié)構(gòu)，罐體由空心圓柱形罐身和兩端大小相同的空心圓臺構(gòu)成，在全局坐標系下，罐體軸線與水平基準面成15°，左上端面為封閉端，右下端面作為進卸料口。以右手準則為螺旋方向，使用建模軟件創(chuàng)建Helicoid曲線方程得到螺旋形攪拌葉片的模型。式(1)為描述三維螺旋面的參數(shù)方程。其中c為螺距，v為導程。

圖1 混凝土攪拌車的裝配模型

(1)

歐拉模型填滿整個罐體結(jié)構(gòu)，分析之前的初始模型分為非混凝土歐拉域和混凝土歐拉域的一個模型兩個分割塊，由于混凝土流域在攪拌時具有隨機擴散性，總裝配體不作1/2對稱簡化處理，也不考慮對稱邊界條件。

整個數(shù)值模擬過程使用有限元軟件ABAQUS的Explicit模塊，模擬中固體模型網(wǎng)格均采用線性單元，其中混凝土拌合物作為歐拉體使用八節(jié)點線性歐拉六面體單元，攪拌車罐體外殼和攪拌葉片使用八節(jié)點線性六面體單元，由于既要滿足計算精度又要把控求解時間，根據(jù)模型特征選取恰當?shù)木W(wǎng)格尺寸，避免網(wǎng)格單元出現(xiàn)奇異結(jié)果，如圖2所示，單個螺旋型攪拌葉片用進階-掃略算法劃分網(wǎng)格，局部地區(qū)需要網(wǎng)格細化，并且連續(xù)使用網(wǎng)格檢查功能剔除形狀不合格的網(wǎng)格單元，劃分出最佳有限元網(wǎng)格。

圖2 單個螺旋型攪拌葉片的網(wǎng)格

1.2 材料與尺寸

本文選擇C30混凝土拌合物[4]作為流體材料賦予混凝土歐拉域模型，詳細的C30混凝土材料屬性如表1所示。攪拌車罐選擇Q345B號鋼[5]材料，材料屬性如表2所示?？紤]轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速不同的攪拌狀態(tài)，罐體外殼和攪拌葉片的鋼板厚度取值在(0.005～0.1)m之間，該厚度比實際罐體厚度偏大，主要用于分組對照，方便大厚度分析獲得顯著結(jié)果，以及考慮混凝土拌合物在高速攪拌狀態(tài)，防止罐體外殼受大變形或破壞影響結(jié)果。

表1 混凝土拌合物的材料屬性和罐體結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 Q345B鋼板材料屬性

2 數(shù)值分析

2.1 分析工況

本文數(shù)值模擬混凝土拌合物與攪拌罐固體結(jié)構(gòu)的雙向耦合作用[6-7]。在固體作用于流體方面，考慮常規(guī)和高速兩種攪拌方式進行對比分析；而在流體作用于固體方面，設(shè)置進料及出料時不同的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，設(shè)置4個組進行對比分析，如表3所示。

表3 不同工況下鋼板厚度

2.2 約束條件

根據(jù)實際情況，一方面，在全局坐標下給混凝土攪拌罐裝配體設(shè)置重力加速度；另一方面，由攪拌動力源于罐體右下端連接的減速器的扭矩所產(chǎn)生的力，兩種方式可以給裝配體添加繞軸線的旋轉(zhuǎn)速度，其一為固體部件分別設(shè)置繞軸線的旋轉(zhuǎn)速度，約束其余5個速度自由度；其二，先將裝配體耦合到在軸線末端的RP(Reference point)參考點，并賦予參考點繞軸線的旋轉(zhuǎn)速度，然后約束剩余自由度。限制左上端封閉口歐拉域法向速度，意在模擬灌口封閉狀態(tài)。通過歐拉體積分數(shù)[8]確定分割歐拉域作為初始流體區(qū)域，體積分數(shù)在0～1之間確定混凝土拌合物存在歐拉域模型的狀態(tài)。在預定義場賦予初始狀態(tài)下混凝土材料，而在此之前，僅僅使用六面體網(wǎng)格劃分歐拉域。

混凝土之間和混凝土與鋼板之間存在復雜接觸，設(shè)置的混凝土拌合物材料已經(jīng)考慮粘度參數(shù)，在接觸當中，只考慮混凝土與鋼板之間的接觸屬性，并采用法向硬接觸和切向罰函數(shù)法的接觸屬性，接觸摩擦系數(shù)為0.3[8-9].

3 結(jié)果

3.1 混凝土攪拌效果

圖3結(jié)果顯示，混凝土拌合物在分析后攪拌效果明顯，根據(jù)表4的速度跨度數(shù)據(jù)，攪拌過程中混凝土流速有77.33%部分集中在(0～0.2)m/s之間，最大速度超過0.8 m/s.結(jié)果表明，在常規(guī)的攪拌速度下攪拌效果一般，驗證了混凝土拌合物在運輸過程的攪拌過程不凝固。圖4結(jié)果顯示，高速作業(yè)下攪拌效果尤為顯著，混凝土拌合物在慣性和葉片剝離的相互作用下分散到罐體外殼邊緣，混凝土流速有55.72%部分集中在(0～1)m/s之間，最大速度超過4 m/s，攪拌均勻且攪拌質(zhì)量高。

圖4 高速作業(yè)下混凝土拌合物速度結(jié)果

表5 高速作業(yè)下混凝土歐拉域的流速狀況

3.2 進料時固體應力結(jié)果

如圖5、圖6所示，模擬進料狀態(tài)下正轉(zhuǎn)速度為15 r/min的情況，無論是葉片還是罐體外殼，大多處Mises應力值在345 MPa范圍之內(nèi)，結(jié)果顯示在灰白色區(qū)域的部位已屈服，尤其在罐體外殼的面面交線區(qū)域最為危險，攪拌葉片的螺旋線兩側(cè)已屈服，這些區(qū)域恰好為混凝土拌合物流速最大處。

圖5 進料作業(yè)下罐體外殼應力結(jié)果

圖6 進料作業(yè)下螺旋葉片應力結(jié)果

3.3 出料時固體應力結(jié)果

如圖7、圖8所示，出料作業(yè)狀態(tài)下固體區(qū)域的Mises應力值大都在345 MPa范圍內(nèi)，罐體底端的部分區(qū)域已經(jīng)屈服，同樣，在出料下攪拌葉片的螺旋線兩側(cè)已經(jīng)屈服，這些區(qū)域也恰好為混凝土拌合物流速最大處。

圖7 出料作業(yè)下罐體外殼應力結(jié)果

圖8 進料作業(yè)下螺旋葉片應力結(jié)果

3.4 重新設(shè)計分析

不論正轉(zhuǎn)速度還是反轉(zhuǎn)速度，固體結(jié)構(gòu)的Mises應力值已經(jīng)達到屈服。將鋼板的厚度增加為0.1 m，使用高速攪拌作業(yè)狀態(tài)進行分析，得出的應力值都未達到屈服，滿足實際應用要求。

3.5 設(shè)計結(jié)構(gòu)建議

從流-固耦合的模擬分析結(jié)果來看，5 mm厚鋼板的罐體，強度不足。為降低經(jīng)濟成本以及減小結(jié)構(gòu)重量，直接加大鋼板厚度并不可行。給罐體加筋板，既經(jīng)濟又簡便。實際中 5 mm厚度的罐體有加筋板，這種結(jié)構(gòu)有待進一步分析。

4 結(jié)論

(1)在常規(guī)攪拌轉(zhuǎn)速下，混凝土的攪拌質(zhì)量能夠得到保證，不會出現(xiàn)凝固或離析。

(2)在高速攪拌轉(zhuǎn)速下，混凝土拌合物的流速加快，容易發(fā)生離析。

(3)在進料和卸料時，厚度為5 mm的罐體結(jié)構(gòu)的強度達不到標準要求，已經(jīng)發(fā)生屈服。