基于ANSYS的非牛頓流體減速帶有限元分析

陳波佑 朱雄飛 尚召偉

摘? ?要：為研究一種內含冪律流體并具有半橢圓形截面結構的減速帶的受壓分析，通過建立個例模型來分析其中的固液耦合及受壓情況，給出了一種建立這種減速帶受壓模型的方案并從理論上判斷生產這種減速帶的可行性，最終得出非牛頓流體減速帶在5s內的受壓情況及內部流體的流動情況。

關鍵詞：非牛頓流體減速帶? 仿真? 耦合? 冪律流體

中圖分類號：TU311; O315.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）12（a）-0087-02

1? 建立仿真模型

整個仿真過程采用流程：

（1）利用DesignModeler建立減速帶模型，采用的尺寸為2000mm×200mm×48.82mm，如圖1所示。其中將固體外殼厚度即與流體部分之間相隔設置為5mm。

（2）邊界條件：按照實際支撐情況在減速帶模型底部面施加固定約束。

（3）荷載計算及施加方法：荷載計算模擬車輛壓過減速帶力度逐漸增大的情況，現認為施力大小隨時間呈線性變化，滿足如下關系式：

其中t為施力時間，在仿真過程中取5s，F模擬為車輛一側車輪生成的壓力，總壓力為2F，壓力作用點設置如圖2所示。

2? 網格劃分

在劃分網格時采用精度較高的CFD模式，為提高網格密度，將Resolution（分辨率）調至最大值，由此獲得較詳細的仿真數據。由于后期需要進行固液耦合，故需要設置動網格，在更新網格劃分后檢查網格的Skewness（偏度）峰值，本次仿真偏度峰值為5.7323，在允許值范圍內，故網格劃分較為精準。

3? 結果分析

在FLUENT中對減速帶模型內部進行冪律流體的填充，期內含流體的參數如表1所示。

在受力時間達到第1s與第5s時，減速帶受壓從1500N線性提升至7500N其XOY面的壓力云圖如圖3所示。

綜合兩個時間點的受力情況可以看出其內含有的冪律流體在秒的受壓后呈現中間部分壓強較高，流體集中在此處壓力作用點處壓強出現負數，這是由于在ANSYS計算固液耦合時這兩處出現外殼與內部流體未接觸而導致的，在壓力緩慢提升時兩者在減速帶中部的壓強相近，故可以分析得出由于冪律流體在緩慢壓力的作用下，其內部呈現流動的現象。

受壓5s時其中一個壓力作用點處YOZ面的速度矢量圖如圖4所示。

在壓力的緩慢提升中，由于冪律流體呈現流動現象，受壓點處的流體會向兩側流動，在實際情況中會表現出車輪所壓的部分減速帶高度會很低，而中間部分由于流體的流動集中高度會很高。

4? ?結語

（1）綜上所述，由于這種冪律流體的受壓力提升較為緩慢，故其內部剪切速率較低，剪切應力較低，會呈現流動的現象，在車輛緩慢過帶時，中間部分的流體會較為集中，在實際生產過程中需要考慮設置較為合理的減速帶高度，防止車輛低速過帶時出現減速帶中部壓強過大剛度失效的問題。

（2）仿真過程只提供了一種尺寸的非牛頓流體減速帶，并不能代表所有尺寸的受力情況，需要根據實際生產確定合理的減速帶尺寸。

（3）仿真未考慮熱交換等因素，在精度上存在一定誤差。

參考文獻

[1] 荊旭，林靜，鄭志文.非牛頓流體減速帶的改進與應用[J].公路與汽運，2018（2）：49-50.

[2] 應發寶.減速帶的物理學原理分析[J].中學物理教學參考，2014（11）：17-18.

[3] 袁小慧，歸文強.兩種減速帶的減速效果研究[J].測試技術學報，2018，32（4）：358-362.