含液設備傾斜搖擺流固耦合仿真分析

□ 金玉龍

上海艾羽信息科技有限公司 上海 201703

1 分析背景

計算機輔助工程是現代設計中采用的重要手段和工具,作為一項跨學科的數值模擬分析技術,越來越受到科技界和工程界的重視,許多大型計算機輔助工程分析軟件已經成熟并商品化。

對于箱體壁厚較小或柔性較大的結構件、管件、設備,剛性箱體與內部液體在運動過程中存在一定的耦合作用,當運動激烈到一定程度時,薄壁變形會改變液體流向。另一方面,流體的不規則運動也會反作用影響箱體薄壁。筆者利用ANSYS軟件流固耦合分析模塊,建立含液設備在傾斜搖擺環境下的流固耦合模型。含液設備選用薄壁油箱,重點分析箱體壁厚、傾斜角度、搖擺周期等因素的影響特征,尤其是對薄壁油箱結構強度的影響,確保薄壁油箱受到液體作用時最大應力在材料的屈服強度以內。

計算機輔助工程在研發流程中的作用如圖1所示。目前,國內有些時候只基于一些經驗和部分試驗,就將產品應用于市場,結果帶來反復產品迭代。國外對計算機輔助工程較為重視,計算機輔助工程在設計初期就起到關鍵作用。合理利用計算機輔助工程技術,可以有效減少后續物理樣機試驗,能夠大大降低人力和物力成本,縮短研發周期,降低研發成本。

2 分析流程

應用計算機輔助工程軟件對工程或產品進行性能分析和模擬時,一般需要經歷三個過程。第一為前處理,對工程或產品進行建模,建立合理的有限元分析模型。第二為有限元分析,對有限元模型進行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統求解和有限元結果生成。第三為后處理,根據工程或產品模型及設計要求,對有限元分析結果進行用戶所要求的加工、檢查,并以圖形方式提供給用戶,輔助用戶判定計算結果與設計方案的合理性。

筆者在分析中采用ANSYS軟件對模型進行計算,流體部分采用全六面體單元,結構部分采用殼單元進行網格劃分。建模過程如下:

(1) 將原計算機輔助設計模型導入ANSYS軟件SpaceClaim模塊中進行模型修復,完成抽取薄壁油箱流體域和抽取薄壁油箱壁中面等幾何處理工作;

(2) 將修復的模型導入前處理模塊,完成結構部分中面幾何拓撲修復、流體域全六面體網格劃分、流體邊界命名、流固耦合面命名等;

(3) 在ANSYS Workbench軟件中分別建立Fluent分析項目和Mechanical分析項目,并將Fluent壓力結果作為Mechanical載荷輸入條件;

(4) 在Fluent程序中使用VOF模型和運動網格,將薄壁油箱搖擺函數寫入用戶自定義函數,計算薄壁油箱在規定運動軌跡下的液位和內部壓力分布;

(5) 將Fluent計算的壓力通過流固耦合面傳遞至Mechanical,設置固體部分材料、厚度、網格,并固定底座螺栓孔;

(6) 求解及后處理。

3 模型

薄壁油箱主要由基座、電動機、箱體、冷卻器、控制閥組、管道輔助系統等構成。電動機剛性安裝在基座上,冷卻器安裝在箱體側面,左側和右側控制閥組分別與前后兩個L形支架相連,并安裝在箱體上方。

將薄壁油箱模型導入ANSYS軟件SpaceClaim模塊,基于工作原理與分析類別進行模型簡化,去除不必要的小特征,簡化后模型如圖2所示。

薄壁油箱結構材料為316L不銹鋼,物理參數見表1。材料的相關屬性需要在有限元分析模型中進行定義。薄壁油箱中柴油的密度為730 kg/m3,動力黏度系數為0.002 4 Pa·s。

表1 薄壁油箱結構材料物理參數

有限元分析的邊界條件如下:限制基座底板上所有螺栓孔的六個自由度,內部裝柴油為容積的2/3;薄壁油箱初始設計厚度為6 mm。主要分析兩種工況。工況一為薄壁油箱繞Y軸橫搖,周期為10 s,幅度為±45°。工況二為薄壁油箱繞X軸縱搖,周期為10 s,幅度為±10°。

對于周期10 s、幅度±45°的搖擺,運動角度θ與時間t的關系曲線如圖3所示,關系式為:

(1)

運動角速度與時間的關系曲線如圖4所示,關系式為:

(2)

運動角加速度與時間的關系曲線如圖5所示,關系式為:

(3)

當時間為2.5 s時,運動角加速度為最大絕對值,此時具有最大的轉動慣性矩。因此,進行仿真求解時需要加載這一最大運動角加速度。

柴油采用全六面體網格,網格模型如圖6所示,共有570 000個單元。

基座采用SHELL163殼單元,網格模型如圖7所示,共有76 416個單元。

電動機采用SHELL163殼單元,網格模型如圖8所示,共有26 252個單元。

冷卻器采用SHELL163殼單元,網格模型如圖9所示,共有27 968個單元。

控制閥組采用SHELL163殼單元,網格模型如圖10所示,共有25 929個單元。

箱體采用SHELL163殼單元,網格模型如圖11所示,共有256 321個單元。

管道輔助系統采用SHELL163殼單元,網格模型如圖12所示,共有42 442個單元。

4 分析結果

4.1 工況一

薄壁油箱裝2/3容積的柴油,繞Y軸以10 s周期、±45°角度正弦搖擺,柴油液面和薄壁油箱內部壓力分布云圖如圖13、圖14所示。吸液口始終在柴油下面,不會出現吸不到柴油的情況。

薄壁油箱內部最大壓力與時間關系曲線如圖15所示。

整個周期內薄壁油箱的最大應力云圖如16所示,最大位移云圖如圖17所示。薄壁油箱的最大應力出現在隔板和箱體正面焊接處,值為2.4 MPa,小于材料屈服強度。薄壁油箱的最大變形量僅為0.01 mm。

4.2 工況二

薄壁油箱裝2/3容積的柴油,繞X軸以10 s周期、±10°角度搖擺,整個周期內柴油液面極值分布云圖如圖18所示,薄壁油箱內部最大壓力分布云圖如圖19所示,薄壁油箱最大應力云圖如圖20所示,薄壁油箱最大位移云圖如圖21所示。薄壁油箱的最大應力出現在側面和正面焊接處,值為29.6 MPa,小于材料屈服強度。薄壁油箱的最大變形量為1.08 mm。

5 結束語

隨著制造業在國內的大力發展,計算機輔助工程技術越來越受到工程師的青睞。計算機輔助工程技術能夠巧妙地解決多學科分析問題,大大縮短仿真分析與實際工作環境之間的差距,確保準確模擬真實環境。

筆者基于計算機輔助工程技術對含液設備在傾斜搖擺環境下進行流固耦合分析,對設計合理性進行評估。通過計算機輔助工程技術仿真分析,可以大大減少物理樣機試驗所產生的人力、物力消耗,能夠快速執行產品迭代,縮短研發周期,降低研發成本。