攪拌機葉片的流固耦合計算機仿真分析

蔡 琳，江寒冰

（江西新余學院 現(xiàn)代教育技術中心，新余 338004）

0 引言

JDY型系列攪拌機廣泛應用于化工、制藥、食品、印染、水處理等領域的液體攪拌，攪拌機葉片是否能夠正常發(fā)攪拌用，對工廠的生產(chǎn)工作起著至關重要的作用。

流固耦合力學是流體力學與固體力學交叉而生成的一門力學分支，它是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者相互作用的一門科學。

目前，在工程學科中，特別是流體動力學領域中，越來越多的實際問題需要進行耦合場的模擬分析，例如風機的葉片在風場中的變形情況，水輪機的葉片在水流中的變形悄況等[1]。

雖然實現(xiàn)流固藕合分析的軟件很多，方法也不少，但由于受方方面面因素的制約，國內在這方面的資料卻很稀缺，本文以JDY型系列攪拌機為例，應用CFX-ANSYS，對攪拌機葉片進行流固耦合研究。

1 流固耦合分析

流固耦合力學是一門比較新的力學邊緣分支，是流體力學與固體力學二者相互交叉而生成的。它的研究對象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運動對流場的影響。流固耦合力學的重要特征是兩相介質之間的相互作用：固體在流體動載荷作用下產(chǎn)生變形或運動，而固體的變形或運動又反過來影響到流場，從而改變流體載荷的分布和大小。

流固耦合問題涉及流體和固體分析理論計算和其之間的耦合關系，所以流體力學構成流固耦合理論的基礎，計算流體動力學則是關于流體的數(shù)值計算，而建立流體力學的有限元方程求解卻極為困難，因此過去三十年人們一直在研究的流體數(shù)值分析的方法。流固耦合問題是強非線性的問題，求解方程的規(guī)模加大，還必須研究、借鑒有關計算機處理技術，如有限元并行算法的成果[2]。

本文以攪拌機葉片系統(tǒng)作為研究對象，在SolidWorks中建立三維模型。在ANSYS Workbench中進行單向流固耦合，其基本思路是：先計算流場和固體結構，然后通過中間平臺交換耦合量。每次大迭代中，進行一次流體計算，并交換數(shù)據(jù)到固體計算，直到最終收斂。分析基本流程框架結構如下。

圖1 流程框架圖

2 攪拌機葉片系統(tǒng)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(tǒng)進行三維實體模型繪制，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(tǒng)的原型，這樣的優(yōu)點是，模擬更加接近真實情況。完成建模后，因為SolidWorks軟件和ANSYS Workbench共享數(shù)據(jù)，可以直接相連接，即在SolidWorks軟件主界面有ANSYS Workbench菜單項，可直接啟動ANSYS Workbench 12.0 ，模型導入后，一般不會發(fā)生曲面丟失、破面、形狀變形等問題。從SolidWorks導入到ANSYS Workbench的攪拌機葉片系統(tǒng)流固耦合三維模型如圖2所示,內部為攪拌機葉片系統(tǒng)，外部為管狀流體場，包括靜流場和旋轉流場，包裹著攪拌機葉片系統(tǒng)。

圖2 攪拌機葉片系統(tǒng)模型

ANSYS Workbench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Workbench 12左側的Toolbox內FSI: Fluid Flow(CFX) ＞ Static Structural項直接拖到右邊的A2欄內即可。

ANSYS Workbench里面劃分網(wǎng)格可選取系統(tǒng)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)格進行細化，以使計算結果更加精準。

一般來說，葉片和流場的網(wǎng)格是一起被劃分的，但可以分開劃分進行尺寸設定，本文所舉的例子是流固耦合分析，流體場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地模擬流體場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，故對相關而先對有限元模型各表面進行命名。網(wǎng)格劃分完畢，最后得有限元模型有190952個單元和35113個節(jié)點，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

3 CFX流場分析

CFX軟件主要包括三個部分：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(shù)等，樹形結構方便用戶修改參數(shù)；CFX-Solver為求解問題所有變量的整個過程，輸入文件有CFX-Pre生成，特別地，該solver采用耦合求解器，比傳統(tǒng)分離求解器需要更少的求解步數(shù)就能達到收斂，另外，CFX-solver還有一個控制管理計算任務的manager，方便用戶管理作業(yè)。CFX-Post可以將計算結果以彩色等值線、梯度、矢量等方式顯示，也可以將計算結果以圖表、曲線的形式顯示。

用CFX對流場進行數(shù)值模擬，流場的設置主要是對水的性質進行設置，例如溫度、密度、傳熱系數(shù)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；其它為固定的無滑移壁面(wall)[3]。

葉片部分設置的邊界條件：本例中，葉片在風場中模擬的轉速為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），這樣就更能符合實際，模擬出其固有屬性。

在獲得CFX流場數(shù)值分析的結果后，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)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。

圖4 攪拌機葉片壓力分布圖

4 結構靜力分析

依據(jù)在ANSYS Workbench中建立的CAD模型（如圖3所示），在Static Structural中定義材料性質，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]。

圖5 攪拌機葉片應力分布圖

圖6 攪拌機葉片應變分布圖

計算結果如圖5、圖6所示，由于壓應力場相對較小，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(jù)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行優(yōu)化設計，在后面的設計中對葉片加筋板，起到穩(wěn)定加固葉片結構的作用。

此外，在Static Structural的分析基礎上，ANSYS Workbench還可以進行模態(tài)分析(即振動分析)，對葉片的振行進行分析，得出其固有頻率和相應振型，對葉片結構進行更深入的分析[5]。

5 結束語

本文使用C F X—A N S Y S流固耦合方法對攪拌葉片進行數(shù)值模擬研究 ，根據(jù)得到應力應變分布情況，建議對關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。

此方法操作簡單，可以被應用其他的單向流固耦合分析，比如鼓風機、水輪機、空氣壓縮機、風扇、風機、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發(fā)過程，減少開發(fā)成本。

[1] 劉志遠, 鄭源, 張文佳, 司佳鈞. ANSYS一CFX單向流固禍合分析的方法水利[J]. 水電工程設計, 2009, 28(2): 29-31.

[2] 郭術義, 陳舉華. 流固耦合應用研究進展[J]. 濟南大學學報(自然科版), 2004, 18(2): 4-14.

[3] 浦廣益. ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M].北京: 中國水利水電出版社, 2010, 10.

[4] 婁濤. 基于ANSYS的流固耦合問題數(shù)值摸擬[D]. 蘭州大學, 中國知網(wǎng)論文庫, 2008.

[5] 喻萌. 基于 ANSYS的輸流管道流固耦合特性分析[J]. 中國艦船研究, 2007, 2(5): 55-57.