计算机流固耦合叶片仿真研究

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1流固耦合分析

流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支，是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用：固体在流体动载荷作用下产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响到流场，从而改变流体载荷的分布和大小。流固耦合问题涉及流体和固体分析理论计算和其之间的耦合关系，所以流体力学构成流固耦合理论的基础，计算流体动力学则是关于流体的数值计算，而建立流体力学的有限元方程求解却极为困难，因此过去三十年人们一直在研究的流体数值分析的方法。流固耦合问题是强非线性的问题，求解方程的规模加大，还必须研究、借鉴有关计算机处理技术，如有限元并行算法的成果[2]。本文以搅拌机叶片系统作为研究对象，在SolidWorks中建立三维模型。在ANSYSWorkbench中进行单向流固耦合，其基本思路是：先计算流场和固体结构，然后通过中间平台交换耦合量。每次大迭代中，进行一次流体计算，并交换数据到固体计算，直到最终收敛。分析基本流程框架结构如下。

2搅拌机叶片系统前处理

Pro/E、I-Deas、UG和SolidWorks是目前比较流行的CAD软件，这些三维建模软件其实原理都是相同的，各有利弊。本文采用SolidWorks软件对搅拌机叶片系统进行三维实体模型绘制，SolidWorks适合于通用机械的三维设计,非常适合搅拌机这样的通用机械产品设计,具有与其他CAE、CAM软件的良好接口，避免了转换格式所造成的信息丢失和模型缺损。在三维建模软件中,所建的三维模型完全尊重搅拌机叶片系统的原型，这样的优点是，模拟更加接近真实情况。完成建模后，因为SolidWorks软件和ANSYSWorkbench共享数据，可以直接相连接，即在SolidWorks软件主界面有ANSYSWorkbench菜单项，可直接启动ANSYSWorkbench12.0，模型导入后，一般不会发生曲面丢失、破面、形状变形等问题。从SolidWorks导入到ANSYSWorkbench的搅拌机叶片系统流固耦合三维模型如图2所示,内部为搅拌机叶片系统，外部为管状流体场，包括静流场和旋转流场，包裹着搅拌机叶片系统。ANSYSWorkbench工作允许添加自定义的模板和提供预先定义的自定义模板，如单向耦合分析和形变分析等。建立流固耦合分析，操作将Workbench12左侧的Toolbox内FSI:FluidFlow(CFX)>StaticStructural项直接拖到右边的A2栏内即可。ANSYSWorkbench里面划分网格可选取系统默认值，不需要操作者去选择，只要控制网格划分方法和有限元单元尺寸，模型局部也可以细化，这比ANSYS的经典界面方便很多，而且复杂模型网格质量也比较好。对于旋转叶片的网格，需要对其局部的网格进行细化，以使计算结果更加精准。一般来说，叶片和流场的网格是一起被划分的，但可以分开划分进行尺寸设定，本文所举的例子是流固耦合分析，流体场尺寸远远大于叶片的尺寸，这样设置的原因也是为了能够更加真实地模拟流体场和加快分析计算速度。为便于后期的CFX操作和流固藕合分析，故对相关而先对有限元模型各表面进行命名。网格划分完毕，最后得有限元模型有190952个单元和35113个节点，有限元模型。

3CFX流场分析

CFX软件主要包括三个部分：前处理模块（CFX-Pre）、求解模块（CFX-Solver）和后处理模块（CFX-Post）。CFX-Pre主要用于定义物理模型、材料属性、边界条件、初始条件和求解参数等，树形结构方便用户修改参数；CFX-Solver为求解问题所有变量的整个过程，输入文件有CFX-Pre生成，特别地，该solver采用耦合求解器，比传统分离求解器需要更少的求解步数就能达到收敛，另外，CFX-solver还有一个控制管理计算任务的manager，方便用户管理作业。CFX-Post可以将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量等方式显示，也可以将计算结果以图表、曲线的形式显示。用CFX对流场进行数值模拟，流场的设置主要是对水的性质进行设置，例如温度、密度、传热系数等等。本例所选的是k-Epsilon流体方程模型，室温条件和isothermal热传递模式。然后给定流场边界条件：入口速度为0；出口因为是与空气相同，通常这里的压强都设置成相对大气的压强；其它为固定的无滑移壁面(wall)[3]。叶片部分设置的边界条件：本例中，叶片在风场中模拟的转速为80r/min；叶片的固体属性。在CFX里，叶片表面设置成流固耦合接触面（interface），这样就更能符合实际，模拟出其固有属性。在获得CFX流场数值分析的结果后，如图4所示，可以发现搅拌机旋转叶片附近的速度变化，最高变为8.7m/s，叶片正面的压强值比背面的要大很多，其最大压强为1234pa。

4结构静力分析

依据在ANSYSWorkbench中建立的CAD模型（如图3所示），在StaticStructural中定义材料性质，密度7800kg/m^3、泊松比0.3和弹性模量为207GPa；更新网格。添加边界条件，添加搅拌机的支架顶部为固定约束，添加CFX得出的瞬态压强载荷[4]。计算结果如图5、图6所示，由于压应力场相对较小，搅拌机叶片最大应力发生在叶片前端内侧边缘处（中部偏下），其最大值为40.7MPa,远低于钢材的屈服强度。根据以上计算分析，机身强度符合要求。这样的分析结果，可以让我们对叶片结构进行优化设计，在后面的设计中对叶片加筋板，起到稳定加固叶片结构的作用。此外，在StaticStructural的分析基础上，ANSYSWorkbench还可以进行模态分析(即振动分析)，对叶片的振行进行分析，得出其固有频率和相应振型，对叶片结构进行更深入的分析[5]。

5结束语

本文使用CFX—ANSYS流固耦合方法对搅拌叶片进行数值模拟研究，根据得到应力应变分布情况，建议对关键结构尺寸作了一些调整，减少应力应变，以达到结构优化的目的。此方法操作简单，可以被应用其他的单向流固耦合分析，比如鼓风机、水轮机、空气压缩机、风扇、风机、涡轮增压器和膨胀等等。采用计算机仿真模拟，可以缩短搅拌机叶片的设计开发过程，减少开发成本。