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計算機流固耦合葉片仿真研究論文
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。它的研究對象是固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體變形或運動(dòng)對流場(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)生變形或運動(dòng)，而固體的變形或運動(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算和其之間的耦合關(guān)系，所以流體力學(xué)構成流固耦合理論的基礎，計算流體動(dòng)力學(xué)則是關(guān)于流體的數值計算，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值分析的方法。流固耦合問(wèn)題是強非線(xiàn)性的問(wèn)題，求解方程的規模加大，還必須研究、借鑒有關(guān)計算機處理技術(shù)，如有限元并行算法的成果[2]。本文以攪拌機葉片系統作為研究對象，在SolidWorks中建立三維模型。在A(yíng)NSYSWorkbench中進(jìn)行單向流固耦合，其基本思路是：先計算流場(chǎng)和固體結構，然后通過(guò)中間平臺交換耦合量。每次大迭代中，進(jìn)行一次流體計算，并交換數據到固體計算，直到最終收斂。分析基本流程框架結構如下。
2攪拌機葉片系統前處理
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軟件對攪拌機葉片系統進(jìn)行三維實(shí)體模型繪制，SolidWorks適合于通用機械的三維設計,非常適合攪拌機這樣的通用機械產(chǎn)品設計,具有與其他CAE、CAM軟件的良好接口，避免了轉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攪拌機葉片系統的原型，這樣的優(yōu)點(diǎn)是，模擬更加接近真實(shí)情況。完成建模后，因為SolidWorks軟件和ANSYSWorkbench共享數據，可以直接相連接，即在SolidWorks軟件主界面有ANSYSWorkbench菜單項，可直接啟動(dòng)ANSYSWorkbench12.0，模型導入后，一般不會(huì )發(fā)生曲面丟失、破面、形狀變形等問(wèn)題。從SolidWorks導入到ANSYSWorkbench的攪拌機葉片系統流固耦合三維模型如圖2所示,內部為攪拌機葉片系統，外部為管狀流體場(chǎng)，包括靜流場(chǎng)和旋轉流場(chǎng)，包裹著(zhù)攪拌機葉片系統。ANSYSWorkbench工作允許添加自定義的模板和提供預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左側的Toolbox內FSI:FluidFlow(CFX)>StaticStructural項直接拖到右邊的A2欄內即可。ANSYSWorkbench里面劃分網(wǎng)格可選取系統默認值，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，模型局部也可以細化，這比ANSYS的經(jīng)典界面方便很多，而且復雜模型網(wǎng)格質(zhì)量也比較好。對于旋轉葉片的網(wǎng)格，需要對其局部的網(wǎng)格進(jìn)行細化，以使計算結果更加精準。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)行尺寸設定，本文所舉的例子是流固耦合分析，流體場(chǎng)尺寸遠遠大于葉片的尺寸，這樣設置的原因也是為了能夠更加真實(shí)地模擬流體場(chǎng)和加快分析計算速度。為便于后期的CFX操作和流固藕合分析，故對相關(guān)而先對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等，樹(shù)形結構方便用戶(hù)修改參數；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，比傳統分離求解器需要更少的求解步數就能達到收斂，另外，CFX-solver還有一個(gè)控制管理計算任務(wù)的manager，方便用戶(hù)管理作業(yè)。CFX-Post可以將計算結果以彩色等值線(xiàn)、梯度、矢量等方式顯示，也可以將計算結果以圖表、曲線(xiàn)的形式顯示。用CFX對流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，流場(chǎng)的設置主要是對水的性質(zhì)進(jìn)行設置，例如溫度、密度、傳熱系數等等。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；出口因為是與空氣相同，通常這里的壓強都設置成相對大氣的壓強；其它為固定的無(wú)滑移壁面(wall)[3]。葉片部分設置的邊界條件：本例中，葉片在風(fēng)場(chǎng)中模擬的轉速為80r/min；葉片的固體屬性。在CFX里，葉片表面設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)數值分析的結果后，如圖4所示，可以發(fā)現攪拌機旋轉葉片附近的速度變化，最高變?yōu)?.7m/s，葉片正面的壓強值比背面的要大很多，其最大壓強為1234pa。
4結構靜力分析
依據在A(yíng)NSYSWorkbench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，添加攪拌機的支架頂部為固定約束，添加CFX得出的瞬態(tài)壓強載荷[4]。計算結果如圖5、圖6所示，由于壓應力場(chǎng)相對較小，攪拌機葉片最大應力發(fā)生在葉片前端內側邊緣處（中部偏下），其最大值為40.7MPa,遠低于鋼材的屈服強度。根據以上計算分析，機身強度符合要求。這樣的分析結果，可以讓我們對葉片結構進(jìn)行優(yōu)化設計，在后面的設計中對葉片加筋板，起到穩定加固葉片結構的作用。此外，在StaticStructural的分析基礎上，ANSYSWorkbench還可以進(jìn)行模態(tài)分析(即振動(dòng)分析)，對葉片的振行進(jìn)行分析，得出其固有頻率和相應振型，對葉片結構進(jìn)行更深入的分析[5]。
5結束語(yǔ)
本文使用CFX—ANSYS流固耦合方法對攪拌葉片進(jìn)行數值模擬研究，根據得到應力應變分布情況，建議對關(guān)鍵結構尺寸作了一些調整，減少應力應變，以達到結構優(yōu)化的目的。此方法操作簡(jiǎn)單，可以被應用其他的單向流固耦合分析，比如鼓風(fēng)機、水輪機、空氣壓縮機、風(fēng)扇、風(fēng)機、渦輪增壓器和膨脹等等。采用計算機仿真模擬，可以縮短攪拌機葉片的設計開(kāi)發(fā)過(guò)程，減少開(kāi)發(fā)成本。
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