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)的一個獨立力學(xué)分支。它的研究對象是固體在流場中的各種行為，以及固體變形或運動的軌跡的影響。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)對該技術(shù)的應(yīng)用需求最為緊迫。因此，對流固結(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。在這項工作中，我們從三個方面解釋了流固結(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、自我摩擦和滑輪設(shè)計；（2）各種液體空氣阻滯器和石油擠出機(jī)的振動計算；（3）以板塊太陽能換熱器的熱應(yīng)力分析為例，模擬防凍液流在銅中流動，計算銅和板的溫度分布，并在此基礎(chǔ)上計算板太陽能換熱器的熱應(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、承受載荷和相對運動速度不同,對潤滑強(qiáng)度要求也不同.飛濺潤滑是目前變速器潤滑方式中的一種.在一定工作環(huán)境的情況下,某種結(jié)構(gòu)所采用的飛濺潤滑設(shè)計是否滿足潤滑強(qiáng)度的要求,可以通過流固耦合仿真技術(shù),對飛濺潤滑過程進(jìn)行模擬,可以在設(shè)計方式確定之前獲得潤滑效果的評估,這樣可以縮短設(shè)計周期,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滑油之間的流固耦合仿真模型,設(shè)置潤滑油的材料參數(shù)和相應(yīng)的邊界條件,最后提交求解器進(jìn)行計算.求解后得到變速齒輪箱飛濺潤滑設(shè)計的潤滑效果,見圖1.由圖1可以清晰地看出潤滑油的飛濺狀態(tài),并評估其潤滑強(qiáng)度.這對飛濺潤滑方式的設(shè)計和潤滑油使用量的確定具有很好的參考價值.1.2儲液壓力容器動態(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、軍工和科研等國民經(jīng)濟(jì)的各個部門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)下某儲液壓力容器中液體的晃動問題,獲得壓力容器表面所承受的壓力,為其安全評估提供依據(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)行計算.容器晃動過程中,不同時刻油箱壁所承受的壓力見圖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)格相對應(yīng),可以分析極限工況下儲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)用對于太陽能行業(yè)來講,目前涉及到的主要問題是如何降低材料使用量和滿足安全性,所涵蓋的知識領(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能行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛,主要涉及以下方面.(1)傳熱方面的設(shè)計.主要涉及到集熱器當(dāng)中的熱傳導(dǎo)設(shè)計相關(guān)的問題.(2)機(jī)械強(qiáng)度計算及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計.如太陽能安裝過程中有很多需要安裝支架,必要時須對支架進(jìn)行滿足要求的強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計.(3)抗風(fēng)阻設(shè)計.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,說明流固耦合仿真分析在太陽能行業(yè)的應(yīng)用.平板集熱器條帶的焊接形式見圖3.以圖3(b)形式為例,其實際結(jié)構(gòu)見圖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.平板集熱器系統(tǒng)的簡化物理模型見圖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)行計算求解.求解完成后,獲得平板集熱系統(tǒng)的溫度分布場,見圖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)力分析計算.將FLUENT的溫度計算結(jié)果導(dǎo)入到Abaqus中,計算平板集熱系統(tǒng)從初始溫度20℃,上升到FLUENT計算結(jié)果溫度過程中的熱應(yīng)力.熱應(yīng)力分析結(jié)果見圖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,然后采用Abaqus軟件計算溫升過程中產(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.此方法對于優(yōu)化平板集熱器的設(shè)計有很重要的指導(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)計通過列舉幾個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)計階段就能夠通過計算機(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)計中存在的缺陷和問題,并可以給出產(chǎn)品設(shè)計的更改思路.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)對于以傳統(tǒng)設(shè)計方式為主,產(chǎn)品生命周期長的中小型企業(yè)是一個新的希望.但是,由于該技術(shù)應(yīng)