流固耦合仿真技術(shù)在中小型企業(yè)中的應(yīng)用

流固耦合仿真技術(shù)在中小型企業(yè)中的應(yīng)用

0流固耦合仿真技術(shù)在中小企業(yè)中的應(yīng)用流固耦合是流量和固體力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立力學(xué)分支。它的研究對(duì)象是固體在流場(chǎng)中的各種行為，以及固體變形或運(yùn)動(dòng)的軌跡的影響。流固結(jié)合模仿技術(shù)主要用于航空航天領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用范圍擴(kuò)大到石化、機(jī)械、能源等行業(yè)。其中，中小企業(yè)對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用需求最為緊迫。因此，對(duì)流固結(jié)合模仿技術(shù)在中小型企業(yè)中的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義和廣泛的市場(chǎng)。在這項(xiàng)工作中，我們從三個(gè)方面解釋了流固結(jié)合模仿技術(shù)在中小型企業(yè)中的應(yīng)用。（1）在笑話機(jī)、齒輪泵、電機(jī)、風(fēng)能裝置等設(shè)備中，齒輪箱滑動(dòng)、自我摩擦和滑輪設(shè)計(jì)；（2）各種液體空氣阻滯器和石油擠出機(jī)的振動(dòng)計(jì)算；（3）以板塊太陽(yáng)能換熱器的熱應(yīng)力分析為例，模擬防凍液流在銅中流動(dòng)，計(jì)算銅和板的溫度分布，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算板太陽(yáng)能換熱器的熱應(yīng)力。最后，分析了流固結(jié)合模仿技術(shù)在中小型企業(yè)中的應(yīng)用范圍。1應(yīng)用案例1.1流固耦合仿真技術(shù)由于變速齒輪箱的工作環(huán)境、承受載荷和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不同,對(duì)潤(rùn)滑強(qiáng)度要求也不同.飛濺潤(rùn)滑是目前變速器潤(rùn)滑方式中的一種.在一定工作環(huán)境的情況下,某種結(jié)構(gòu)所采用的飛濺潤(rùn)滑設(shè)計(jì)是否滿足潤(rùn)滑強(qiáng)度的要求,可以通過(guò)流固耦合仿真技術(shù),對(duì)飛濺潤(rùn)滑過(guò)程進(jìn)行模擬,可以在設(shè)計(jì)方式確定之前獲得潤(rùn)滑效果的評(píng)估,這樣可以縮短設(shè)計(jì)周期,提高工作效率.本文采用Abaqus軟件建立變速齒輪箱中齒輪和潤(rùn)滑油之間的流固耦合仿真模型,設(shè)置潤(rùn)滑油的材料參數(shù)和相應(yīng)的邊界條件,最后提交求解器進(jìn)行計(jì)算.求解后得到變速齒輪箱飛濺潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑效果,見(jiàn)圖1.由圖1可以清晰地看出潤(rùn)滑油的飛濺狀態(tài),并評(píng)估其潤(rùn)滑強(qiáng)度.這對(duì)飛濺潤(rùn)滑方式的設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑油使用量的確定具有很好的參考價(jià)值.1.2儲(chǔ)液壓力容器動(dòng)態(tài)特性仿真分析壓力容器的用途非常廣泛,它在能源工業(yè)、石油化工、軍工和科研等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)都起著很重要的作用.壓力容器由于密封、承壓和介質(zhì)等原因,很容易發(fā)生爆炸、燃燒起火而危及人員、設(shè)備和財(cái)產(chǎn)的安全以及污染環(huán)境的事故.因此,密封性和安全性是壓力容器的關(guān)鍵性能.本文應(yīng)用流固耦合仿真技術(shù),研究在極限工況(沖擊作用)下某儲(chǔ)液壓力容器中液體的晃動(dòng)問(wèn)題,獲得壓力容器表面所承受的壓力,為其安全評(píng)估提供依據(jù).采用FLUENT軟件建立油箱以及油介質(zhì)的仿真模型,定義油箱及介質(zhì)的材料參數(shù)和沖擊過(guò)程中的加速度及其他邊界條件,最后提交流固耦合分析求解器進(jìn)行計(jì)算.容器晃動(dòng)過(guò)程中,不同時(shí)刻油箱壁所承受的壓力見(jiàn)圖2.由圖2可知,最大流體壓力為1634Pa,此結(jié)果與壓力容器的規(guī)格相對(duì)應(yīng),可以分析極限工況下儲(chǔ)液容器是否存在安全隱患.1.3流固耦合優(yōu)化分析技術(shù)應(yīng)用對(duì)于太陽(yáng)能行業(yè)來(lái)講,目前涉及到的主要問(wèn)題是如何降低材料使用量和滿足安全性,所涵蓋的知識(shí)領(lǐng)域包括傳熱、流體、壓力和機(jī)械強(qiáng)度等方面.因此,有限元仿真分析在太陽(yáng)能行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,主要涉及以下方面.(1)傳熱方面的設(shè)計(jì).主要涉及到集熱器當(dāng)中的熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題.(2)機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì).如太陽(yáng)能安裝過(guò)程中有很多需要安裝支架,必要時(shí)須對(duì)支架進(jìn)行滿足要求的強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì).(3)抗風(fēng)阻設(shè)計(jì).尤其是在高樓或者大風(fēng)地區(qū),要進(jìn)行支架的抗風(fēng)核算.本文以平板集熱器條帶的傳熱分析和熱應(yīng)力分析為例,說(shuō)明流固耦合仿真分析在太陽(yáng)能行業(yè)的應(yīng)用.平板集熱器條帶的焊接形式見(jiàn)圖3.以圖3(b)形式為例,其實(shí)際結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4,集熱管為銅管,上面為鋁板.銅管直徑為8mm,鋁板和銅管為激光焊接,平板表面的單位輻射量為800W/m2,條帶的吸收率為90%,防凍液在銅管中流動(dòng).平板集熱器系統(tǒng)的簡(jiǎn)化物理模型見(jiàn)圖5.在FLUENT中建立其流固耦合的傳熱分析模型,并設(shè)置銅管中防凍液的材料參數(shù)以及平板的熱量吸收等,最后提交FLUENT進(jìn)行計(jì)算求解.求解完成后,獲得平板集熱系統(tǒng)的溫度分布場(chǎng),見(jiàn)圖6,并將溫度分布和模型輸出為Abaqus格式,用于平板集熱系統(tǒng)的熱應(yīng)力分析計(jì)算.將FLUENT的溫度計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到Abaqus中,計(jì)算平板集熱系統(tǒng)從初始溫度20℃,上升到FLUENT計(jì)算結(jié)果溫度過(guò)程中的熱應(yīng)力.熱應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖7.綜合以上分析,用FLUENT軟件建立流固耦合分析模型,得到平板集熱器的最終工作溫度場(chǎng),然后采用Abaqus軟件計(jì)算溫升過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力,后續(xù)可以根據(jù)此熱應(yīng)力進(jìn)行平板集熱器的熱應(yīng)力疲勞分析估算其使用壽命.此方法對(duì)于優(yōu)化平板集熱器的設(shè)計(jì)有很重要的指導(dǎo)意義.2基于流固耦合仿真分析技術(shù)的中小型企業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)列舉幾個(gè)比較典型的流固耦合仿真分析方法在一些中小型制造企業(yè)的應(yīng)用,可以看出,在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)流固耦合仿真分析模擬出產(chǎn)品的工作狀態(tài),發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的缺陷和問(wèn)題,并可以給出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的更改思路.在產(chǎn)品更新?lián)Q代如此之快的今天,企業(yè)的生存發(fā)展之道就是不斷推陳出新,且生命周期還要很短.該技術(shù)對(duì)于以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式為主,產(chǎn)品生命周期長(zhǎng)的中小型企業(yè)是一個(gè)新的希望.但是,由于該技術(shù)應(yīng)