計(jì)算機(jī)流固耦合葉片仿真研究

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1流固耦合分析

流固耦合力學(xué)是一門(mén)比較新的力學(xué)邊緣分支，是流體力學(xué)與固體力學(xué)二者相互交叉而生成的。它的研究對(duì)象是固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體變形或運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響。流固耦合力學(xué)的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用：固體在流體動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)，而固體的變形或運(yùn)動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響到流場(chǎng)，從而改變流體載荷的分布和大小。流固耦合問(wèn)題涉及流體和固體分析理論計(jì)算和其之間的耦合關(guān)系，所以流體力學(xué)構(gòu)成流固耦合理論的基礎(chǔ)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)則是關(guān)于流體的數(shù)值計(jì)算，而建立流體力學(xué)的有限元方程求解卻極為困難，因此過(guò)去三十年人們一直在研究的流體數(shù)值分析的方法。流固耦合問(wèn)題是強(qiáng)非線(xiàn)性的問(wèn)題，求解方程的規(guī)模加大，還必須研究、借鑒有關(guān)計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，如有限元并行算法的成果[2]。本文以攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)作為研究對(duì)象，在SolidWorks中建立三維模型。在ANSYSWorkbench中進(jìn)行單向流固耦合，其基本思路是：先計(jì)算流場(chǎng)和固體結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)中間平臺(tái)交換耦合量。每次大迭代中，進(jìn)行一次流體計(jì)算，并交換數(shù)據(jù)到固體計(jì)算，直到最終收斂。分析基本流程框架結(jié)構(gòu)如下。

2攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)前處理

Pro/E、I-Deas、UG和SolidWorks是目前比較流行的CAD軟件，這些三維建模軟件其實(shí)原理都是相同的，各有利弊。本文采用SolidWorks軟件對(duì)攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)進(jìn)行三維實(shí)體模型繪制，SolidWorks適合于通用機(jī)械的三維設(shè)計(jì),非常適合攪拌機(jī)這樣的通用機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì),具有與其他CAE、CAM軟件的良好接口，避免了轉(zhuǎn)換格式所造成的信息丟失和模型缺損。在三維建模軟件中,所建的三維模型完全尊重?cái)嚢铏C(jī)葉片系統(tǒng)的原型，這樣的優(yōu)點(diǎn)是，模擬更加接近真實(shí)情況。完成建模后，因?yàn)镾olidWorks軟件和ANSYSWorkbench共享數(shù)據(jù)，可以直接相連接，即在SolidWorks軟件主界面有ANSYSWorkbench菜單項(xiàng)，可直接啟動(dòng)ANSYSWorkbench12.0，模型導(dǎo)入后，一般不會(huì)發(fā)生曲面丟失、破面、形狀變形等問(wèn)題。從SolidWorks導(dǎo)入到ANSYSWorkbench的攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)流固耦合三維模型如圖2所示,內(nèi)部為攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)，外部為管狀流體場(chǎng)，包括靜流場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，包裹著攪拌機(jī)葉片系統(tǒng)。ANSYSWorkbench工作允許添加自定義的模板和提供預(yù)先定義的自定義模板，如單向耦合分析和形變分析等。建立流固耦合分析，操作將Workbench12左側(cè)的Toolbox內(nèi)FSI:FluidFlow(CFX)>StaticStructural項(xiàng)直接拖到右邊的A2欄內(nèi)即可。ANSYSWorkbench里面劃分網(wǎng)格可選取系統(tǒng)默認(rèn)值，不需要操作者去選擇，只要控制網(wǎng)格劃分方法和有限元單元尺寸，模型局部也可以細(xì)化，這比ANSYS的經(jīng)典界面方便很多，而且復(fù)雜模型網(wǎng)格質(zhì)量也比較好。對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉片的網(wǎng)格，需要對(duì)其局部的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以使計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，葉片和流場(chǎng)的網(wǎng)格是一起被劃分的，但可以分開(kāi)劃分進(jìn)行尺寸設(shè)定，本文所舉的例子是流固耦合分析，流體場(chǎng)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葉片的尺寸，這樣設(shè)置的原因也是為了能夠更加真實(shí)地模擬流體場(chǎng)和加快分析計(jì)算速度。為便于后期的CFX操作和流固藕合分析，故對(duì)相關(guān)而先對(duì)有限元模型各表面進(jìn)行命名。網(wǎng)格劃分完畢，最后得有限元模型有190952個(gè)單元和35113個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型。

3CFX流場(chǎng)分析

CFX軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊（CFX-Pre）、求解模塊（CFX-Solver）和后處理模塊（CFX-Post）。CFX-Pre主要用于定義物理模型、材料屬性、邊界條件、初始條件和求解參數(shù)等，樹(shù)形結(jié)構(gòu)方便用戶(hù)修改參數(shù)；CFX-Solver為求解問(wèn)題所有變量的整個(gè)過(guò)程，輸入文件有CFX-Pre生成，特別地，該solver采用耦合求解器，比傳統(tǒng)分離求解器需要更少的求解步數(shù)就能達(dá)到收斂，另外，CFX-solver還有一個(gè)控制管理計(jì)算任務(wù)的manager，方便用戶(hù)管理作業(yè)。CFX-Post可以將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線(xiàn)、梯度、矢量等方式顯示，也可以將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)的形式顯示。用CFX對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，流場(chǎng)的設(shè)置主要是對(duì)水的性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，例如溫度、密度、傳熱系數(shù)等等。本例所選的是k-Epsilon流體方程模型，室溫條件和isothermal熱傳遞模式。然后給定流場(chǎng)邊界條件：入口速度為0；出口因?yàn)槭桥c空氣相同，通常這里的壓強(qiáng)都設(shè)置成相對(duì)大氣的壓強(qiáng)；其它為固定的無(wú)滑移壁面(wall)[3]。葉片部分設(shè)置的邊界條件：本例中，葉片在風(fēng)場(chǎng)中模擬的轉(zhuǎn)速為80r/min；葉片的固體屬性。在CFX里，葉片表面設(shè)置成流固耦合接觸面（interface），這樣就更能符合實(shí)際，模擬出其固有屬性。在獲得CFX流場(chǎng)數(shù)值分析的結(jié)果后，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)攪拌機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片附近的速度變化，最高變?yōu)?.7m/s，葉片正面的壓強(qiáng)值比背面的要大很多，其最大壓強(qiáng)為1234pa。

4結(jié)構(gòu)靜力分析

依據(jù)在ANSYSWorkbench中建立的CAD模型（如圖3所示），在StaticStructural中定義材料性質(zhì)，密度7800kg/m^3、泊松比0.3和彈性模量為207GPa；更新網(wǎng)格。添加邊界條件，添加攪拌機(jī)的支架頂部為固定約束，添加CFX得出的瞬態(tài)壓強(qiáng)載荷[4]。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示，由于壓應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)較小，攪拌機(jī)葉片最大應(yīng)力發(fā)生在葉片前端內(nèi)側(cè)邊緣處（中部偏下），其最大值為40.7MPa,遠(yuǎn)低于鋼材的屈服強(qiáng)度。根據(jù)以上計(jì)算分析，機(jī)身強(qiáng)度符合要求。這樣的分析結(jié)果，可以讓我們對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在后面的設(shè)計(jì)中對(duì)葉片加筋板，起到穩(wěn)定加固葉片結(jié)構(gòu)的作用。此外，在StaticStructural的分析基礎(chǔ)上，ANSYSWorkbench還可以進(jìn)行模態(tài)分析(即振動(dòng)分析)，對(duì)葉片的振行進(jìn)行分析，得出其固有頻率和相應(yīng)振型，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的分析[5]。

5結(jié)束語(yǔ)

本文使用CFX—ANSYS流固耦合方法對(duì)攪拌葉片進(jìn)行數(shù)值模擬研究，根據(jù)得到應(yīng)力應(yīng)變分布情況，建議對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸作了一些調(diào)整，減少應(yīng)力應(yīng)變，以達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。此方法操作簡(jiǎn)單，可以被應(yīng)用其他的單向流固耦合分析，比如鼓風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)、風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)、渦輪增壓器和膨脹等等。采用計(jì)算機(jī)仿真模擬，可以縮短攪拌機(jī)葉片的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，減少開(kāi)發(fā)成本。