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(xiàn)代設計中采用的重要手段和工具,作為一項跨學科的數(shù)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(jīng)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(guī)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(huán)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(fā)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(jīng)驗和部分試驗,就將產(chǎn)品應用于市場,結果帶來反復產(chǎn)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(xù)物理樣機試驗,能夠大大降低人力和物力成本,縮短研發(fā)周期,降低研發(fā)成本。

2 分析流程

應用計算機輔助工程軟件對工程或產(chǎn)品進行性能分析和模擬時,一般需要經(jīng)歷三個過程。第一為前處理,對工程或產(chǎn)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(tǒng)求解和有限元結果生成。第三為后處理,根據(jù)工程或產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)格,將薄壁油箱搖擺函數(shù)寫入用戶自定義函數(shù),計算薄壁油箱在規(guī)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?zhèn)鬟f至Mechanical,設置固體部分材料、厚度、網(wǎng)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(tǒng)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(shù)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(shù)為0.002 4 Pa·s。

表1 薄壁油箱結構材料物理參數(shù)

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(wǎng)格,網(wǎng)格模型如圖6所示,共有570 000個單元。

基座采用SHELL163殼單元,網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)格模型如圖10所示,共有25 929個單元。

箱體采用SHELL163殼單元,網(wǎng)格模型如圖11所示,共有256 321個單元。

管道輔助系統(tǒng)采用SHELL163殼單元,網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(yè)在國內的大力發(fā)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(huán)境之間的差距,確保準確模擬真實環(huán)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(huán)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(chǎn)生的人力、物力消耗,能夠快速執(zhí)行產(chǎn)品迭代,縮短研發(fā)周期,降低研發(fā)成本。