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計方法進行設計是目前令人關注的問題,其中流動計算分析是一個關鍵環(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,廣泛應用于水利、鐵路、汽車、造船、流體分析等工業(yè)領域,可在微機或工作站上運行,能夠進行應力分析、熱分析、流場分析、電磁場分析等多物理場分析及耦合分析,并且具有強大的前后處理功能。本文考慮了攪拌葉片的結構特點與實際要求,首次運用ANSYS有限元大型軟件對攪拌葉片流場與結構場進行流固耦合分析,借助分布圖比較直觀地對流體特性進行理論分析,掌握流場中流速、壓力的分布規(guī)律,為改進攪拌葉片的設計提供可靠依據(jù)。1攪拌葉片的數(shù)學模型1.1直接坐標系中各連續(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,則在直接坐標系中連續(xù)方程的表達式為:式中:x,y,z—空間坐標系三軸的正方向;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流體密度方程計算中采用湍流模型,該模型適合計算旋轉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的指標變量;xi,xj—X,Y,Z坐標的指標變量;湍流脈動動能的產(chǎn)生項;在k方程和ε方程中都含有湍流粘性系數(shù),標準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,采用加權余量伽遼金(Galerkin)法對方程組離散化,其中包含單調流線迎風法(MSU)與流線迎風Petrov-Galerkin法(SUPG),把單元上的加權余量方程合并起來,得到總的離散化方程,對流體流場與結構場進行耦合計算。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幾何模型的構建和模擬過程2.1.1幾何模型的導入與網(wǎng)格劃分進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入AN-SYS中,這樣就完成了用于計算分析的幾何模型;(3)建立物理模型,即進行有限元網(wǎng)格劃分。為了避免劃分網(wǎng)格后出現(xiàn)形狀異常的單元,提高計算精度,我們采用映射網(wǎng)格劃分。選擇所有的面進行映射網(wǎng)格進行劃分,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等效應力和位移曲線對所得結果進行處理,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行分析,得到耦合場速度,等效應力分布如圖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為攪拌葉片只有根部進行約束,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流體內部流動利用ANSYS有限元分析軟件的CFD功能可以實現(xiàn)攪拌葉片周圍流體的流動計算分析,可以較準確地計算出攪拌罐的內部流動,揭示流場的壓力和速度分布情況及預測攪拌葉片的性能,為改進設計提供可靠依據(jù)。本文介紹的方法,為