基于ansys的攪拌葉片流固耦合分析

基于ansys的攪拌葉片流固耦合分析

攪拌葉片是混凝土攪拌車的核心組成部分。作為整個攪拌車的基體,攪拌工作時產(chǎn)生的振動,一方面會加速攪拌葉片的損壞,影響其使用壽命,增加環(huán)境噪聲,另一方面還會加速駕駛員的疲勞,縮短其有效工作時間。對攪拌葉片采用三元設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)是目前令人關(guān)注的問題,其中流動計(jì)算分析是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。ANSYS軟件是基于有限元方法,解決溫度場、流場、磁場等工程問題的大型工程數(shù)值模擬軟件,廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、汽車、造船、流體分析等工業(yè)領(lǐng)域,可在微機(jī)或工作站上運(yùn)行,能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、熱分析、流場分析、電磁場分析等多物理場分析及耦合分析,并且具有強(qiáng)大的前后處理功能。本文考慮了攪拌葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與實(shí)際要求,首次運(yùn)用ANSYS有限元大型軟件對攪拌葉片流場與結(jié)構(gòu)場進(jìn)行流固耦合分析,借助分布圖比較直觀地對流體特性進(jìn)行理論分析,掌握流場中流速、壓力的分布規(guī)律,為改進(jìn)攪拌葉片的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。1攪拌葉片的數(shù)學(xué)模型1.1直接坐標(biāo)系中各連續(xù)方程攪拌葉片周圍的流體是連續(xù)不可壓縮的,即!為常量,則在直接坐標(biāo)系中連續(xù)方程的表達(dá)式為:式中:x,y,z—空間坐標(biāo)系三軸的正方向;u,v,w—x,y,z方向的速度;—密度。1.2n-s方程的性質(zhì)對于攪拌葉片周圍的流體,考慮為牛頓粘性穩(wěn)態(tài)層流流體,流體是各向同性且為常數(shù),其Navier-Stokes方程(N-S方程)在直角坐標(biāo)中為:式中:Fx,Fy,Fz—單位體積的體積力F在X、Y、Z方向的分量;—動力粘度;P—靜壓力。1.3流體密度方程計(jì)算中采用湍流模型,該模型適合計(jì)算旋轉(zhuǎn)流動和高湍流流動問題。對于不可壓縮流體,湍流動能方程(k方程):湍流方程為:耗散率方程(方程)為:式中:—流體密度,kg/m3;vx,vy,vz—流速在X,Y,Z方向上的分量,m/s;vi,vj—vx,vy,vz的指標(biāo)變量;xi,xj—X,Y,Z坐標(biāo)的指標(biāo)變量;湍流脈動動能的產(chǎn)生項(xiàng);在k方程和ε方程中都含有湍流粘性系數(shù),標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中,,c1ε,c2為常數(shù),分別等于0.09,1.44,1.92。1.4流體速度和界面溫度根據(jù)攪拌葉片的工作情況,流體邊界條件為:(1)在流體外表面和攪拌葉片表面上,由于流體粘性的滯止作用,流體速度的邊界無滑移,則視界面流體速度為零,即v=0;(2)在入口處給定流體一定的速度,在出口處規(guī)定壓力為01.5單元離散化聯(lián)立式(1),(2),(3)的微分方程,采用加權(quán)余量伽遼金(Galerkin)法對方程組離散化,其中包含單調(diào)流線迎風(fēng)法(MSU)與流線迎風(fēng)Petrov-Galerkin法(SUPG),把單元上的加權(quán)余量方程合并起來,得到總的離散化方程,對流體流場與結(jié)構(gòu)場進(jìn)行耦合計(jì)算。2攪拌葉片流固耦合分析本文利用有限元分析軟件ANSYS對攪拌葉片周圍的流體進(jìn)行流一固耦合場分析,其基本參數(shù)如下:2.1基于aniss幾何模型的構(gòu)建和模擬過程2.1.1幾何模型的導(dǎo)入與網(wǎng)格劃分進(jìn)行攪拌葉片有限元網(wǎng)格劃分的步驟:(1)根據(jù)攪拌葉片的幾何數(shù)據(jù),利用UG進(jìn)行攪拌葉片的幾何造型,建立幾何模型。(2)利用iges格式文件,將UG中建立的幾何模型導(dǎo)入AN-SYS中,這樣就完成了用于計(jì)算分析的幾何模型;(3)建立物理模型,即進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。為了避免劃分網(wǎng)格后出現(xiàn)形狀異常的單元,提高計(jì)算精度,我們采用映射網(wǎng)格劃分。選擇所有的面進(jìn)行映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分,單元長度為40mm,得到如圖2所示的物理模型在ANSYS軟件中選擇FLOTRAN模塊模擬攪拌葉片周圍流體流動,利用FLOTRAN單元中的三維Fluid142單元分析流固耦合場。根據(jù)圖1所示在ANSYS軟件中建立流體三維物理模型如圖3所示:2.1.2施加壓力在攪拌葉片流場的分析中,邊界條件的施加包括速度自由度、壓力。邊界條件的施加考慮如下因素:(1)攪拌葉片的口處施加流體的入口速度,其值為常數(shù);2.2等效應(yīng)力和位移曲線對所得結(jié)果進(jìn)行處理,得到流固耦合場的速度如圖4所示。在這里取葉片的一個截面進(jìn)行分析,得到耦合場速度,等效應(yīng)力分布如圖5和6所示,從葉片頂部到葉片根部(與罐體焊接的部分)的等效應(yīng)力和位移曲線如圖7、8所示。從以上各圖可以看出攪拌葉片根部受力最大,葉片頂部受力最小但變形最大主要原因是因?yàn)閿嚢枞~片只有根部進(jìn)行約束,流體在葉片的阻擋下速度迅速變小,葉片根部附近速度變?yōu)榱?速度從葉片根部到葉片頂部逐漸增大,流體改變原來的流向向葉片頂部方向流去,流體在這個過程中給葉片一個反作用力,由動量定理可知流體作用在葉片上的力從根部到頂部逐漸減小。3流體內(nèi)部流動利用ANSYS有限元分析軟件的CFD功能可以實(shí)現(xiàn)攪拌葉片周圍流體的流動計(jì)算分析,可以較準(zhǔn)確地計(jì)算出攪拌罐的內(nèi)部流動,揭示流場的壓力和速度分布情況及預(yù)測攪拌葉片的性能,為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。本文介紹的方法,為