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[關鍵詞]攪拌器；流固耦合；多重參考系法

[中圖分類號]TQ019[文獻標識碼] A

0引言

攪拌罐在造紙、化工、石化、制藥、食品加工和生物化工等領域有著廣泛的應用。從其用途來看可以使物質(zhì)混合均勻，促進傳質(zhì)、傳熱現(xiàn)象，加快反應速率等。

國內(nèi)外學者對攪拌罐內(nèi)流體流動展開了廣泛的實驗研究和數(shù)值模擬，比如畢學工等[1]使用Fluent對某鋼廠攪拌工藝過程進行數(shù)值模擬，研究槳葉長度、攪拌頭插入深度及轉(zhuǎn)速對攪拌效果的影響。張鎖龍等[2]對軸流槳及45°三葉折葉槳攪拌流場、功率的測試進行了對比及分析，得到了槳葉安裝高度對槳葉性能的影響。侯權、潘紅良、馮巧波[3]基于計算流體動力學對攪拌反應罐流場的各影響因素（如槳間距、罐槳徑比等）進行分析和研究，最后根據(jù)分析和研究的結果提出了攪拌反應罐內(nèi)部結構的改進方向和措施。

本文選用多重參考系法對攪拌槳進行模擬。采用標準k――ε模型進行流固耦合數(shù)值模擬，得出流場分布及攪拌器的靜力和模態(tài)分析。

1理論基礎

在攪拌器中，當葉片與擋板間的相互作用相對減弱時，可以使用MRF模型。

標準模型的方程（湍流耗散率ε方程和湍流動能k方程）：

2數(shù)值模擬

2.1Gambit幾何模型

下面是槳葉半徑為75 mm，厚度為20 mm，攪拌罐半徑為175 mm，攪拌角速度為w=0.5 rad/s。

2.2網(wǎng)格劃分

本文應用Gambit進行網(wǎng)格生成，網(wǎng)格劃分采用非結構化網(wǎng)格。對于模型的處理，把攪拌器附近區(qū)域的部分設為攪拌槳區(qū)見圖1（1），把漿液池中其他區(qū)域設為槳外區(qū)圖1（2），攪拌槳區(qū)是半徑為80 mm，高40 mm的柱形區(qū)域；槳外區(qū)中心與攪拌區(qū)域相同，槳外區(qū)是半徑為175 mm、高340 mm的柱形區(qū)域。

圖2為葉片表面壓力分布云圖。從壓力分布圖可以看出，在攪拌器槳葉頂部壓力最大，攪拌槳根部壓力較低。

圖3（1）為中間軸截面泥漿濃度分布圖。從顆粒的濃度分布看出，在池底的中心位置和池底角落的固體顆粒濃度最大，池頂部和攪拌槳下方以及整個大循環(huán)漩渦區(qū)域的固體顆粒濃度低。

圖3（2）為中間軸截面水流速度分布圖。從中可以看出，液流的高速區(qū)主要集中在攪拌槳葉附近，以及在其下方形成的帶狀區(qū)域，這樣更能使固體顆粒不容易沉淀。

從表1可以看出，攪拌葉輪靜態(tài)模態(tài)固有頻率與預應力模態(tài)固有頻率在數(shù)值上相差不大，說明流固耦合場對葉輪固有頻率影響較小。

圖5則給出了葉片的振型圖。從圖5看出，當葉片的頻率為72.38 Hz時，將發(fā)生二階共振，二階共振主要形式為揮舞振動，振幅最大處向葉尖轉(zhuǎn)移；當頻率為298.5 Hz時，出現(xiàn)三階共振，三階共振主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

5結論

（1）應用流固耦合數(shù)值模擬得出攪拌槳葉受到的最大壓力約為0.124 MPa，最大壓差約為0.344 MPa；根據(jù)壓力分布，計算出攪拌槳葉的最大應力和應變都在葉根處，最大應力為254.89 MPa，最大變形量發(fā)生在攪拌槳葉尖部，攪拌槳葉的葉尖處變形量最大為0.000 327 mm。

（2）對攪拌槳葉進行了動力學分析，得到了槳葉的前10階固有頻率，當葉片的頻率為72.3841 Hz時，將發(fā)生二階共振，主要形式為揮舞振動，振幅最大處向葉尖轉(zhuǎn)移；當頻率為298.75 Hz時，出現(xiàn)三階共振，主要形式為擺振，葉片尖部振幅較大。

（3）對結果進行分析，得出攪拌槳葉片的受力分布形態(tài)和規(guī)律，為進一步研究疲勞壽命、斷裂分析和風機葉片的結構優(yōu)化設計提供依據(jù)和參考。

參考文獻

[1]畢學工，岳銳等.基于Fluent的攪拌模擬研究[J].武漢科技大學學報，2012.

[2]張鎖龍，沈惠平等.JH型軸流式攪拌槳流場分析及設計[J].化學工程，1999，27（5）：26-29.

[3]侯權，潘紅良，馮巧波.基于Fluent的攪拌反應罐流場的優(yōu)化研究[J].機械設計與研究，2005，21（03）：78-83.

[4]候栓第等.渦輪槳攪拌槽流動場數(shù)值模擬[J].化工學報，2001，52（3）：241-246.

[5]何洲.攪拌器內(nèi)部流場特征的數(shù)值模擬研究[D]，華東理工大學，2010.

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關鍵詞：船撞橋；撞擊力；HJC動態(tài)本構模型；數(shù)值模擬

中圖分類號：R185文獻標識碼： A

1、引言

1965年-1989年期間，世界范圍內(nèi)平均每年都會有災難性的船撞事故發(fā)生。這些事故造成100多人死亡，巨大的經(jīng)濟損失，運輸服務損失和其他損害賠償。1980年，美國弗羅里達州的坦帕灣上的陽光高架橋在一次船撞事故中的倒塌，從此船舶碰撞設計標準在美國橋梁發(fā)展史上便出現(xiàn)了一個重要的轉(zhuǎn)折點，穿越航道的橋梁安全問題出現(xiàn)了，世界上許多國家開始了研究船舶碰撞的問題[1]。在科學技術和經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，我國橋梁的建設進入了一個新的發(fā)展時期?？缭酵ê浇?、海峽的大型橋梁數(shù)量越來越多，船舶尺寸和排水量逐漸趨于大型化，橋梁遭受船舶撞擊而致?lián)p壞或倒塌的重大事件也逐年增長[2]。因此，船撞是一個不容忽視的問題。目前國際范圍內(nèi)的相關設計規(guī)范中均將船撞問題簡化為靜力問題處理，這在合理性方面存在較大的缺陷[3]。近年二十幾年來，仿真分析的方法在橋梁碰撞研究中得到了廣泛的應用。本文正是在這種背景下進行了船撞橋梁的碰撞模擬分析。

2、計算模型

本文選用的駁船基本尺寸如表1所示，同時選用兩種不同形狀的橋墩A和B作對比分析，橋墩的基本尺寸分別如表2和圖1所示。

表1 駁船的主要尺度

圖1橋墩B墩底截面尺寸

駁船與橋墩的有限元模型見圖2-圖4。由于在碰撞過程中船首是碰撞和吸能的關鍵部位并且需要表達復雜的變形模式，所以對船艏采用特別精細的網(wǎng)格。模型的最小單元長度控制在50mm左右。船首的各層甲板、艙壁板、肋板等采用殼單元SHELL163模擬。由于在整個撞擊過程中，只有船艏與橋墩碰撞接觸，船體中后部因遠離撞擊區(qū)，僅提供剛度和質(zhì)量的影響，因此將船體中后部簡化為剛體，通過調(diào)整板的幾何尺寸和材料密度，使整船的重量和重心的位置與實船相符。船頭材料為低碳鋼，采用能夠考慮應變率對材料屈服強度影響的雙線性塑性隨動模型。船舶的航行速度為3m/s。橋墩模型選用solid164實體單元模擬，在碰撞區(qū)域適當將網(wǎng)格加密，材料采用C40混凝土，選用能夠反映混凝土材料在碰撞作用下產(chǎn)生損傷、破碎及斷裂破壞的HJC動態(tài)本構模型。

圖2 船舶簡化模型圖3橋墩A簡化模型 圖4 橋墩B簡化模型

3、本構模型

各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型與應變率相關，可考慮失效。應

變率用Cowper-Symonds模型來考慮，用與應變率相關的因數(shù)表示屈服應力[4]：

（1）

其中：這里是初始屈服應力；是應變率；和是Cowper Symonds應變率參數(shù)；是有效塑性應變；是塑性硬化模量，。

HJC模型是Holmquist TJ、Johnson G R和Cook W H于1993年針對混凝土在大應變、高應變率和高壓強條件下提出的一種計算本構模型，可用于Lagrange和Euler兩種算法。該模型是對Osborn模型[5]的改進，并且考慮了材料的損傷、應變率效應以及靜水壓力對于屈服應力的影響。HJC模型的屈服面可表述為：

（2）

其中，是標準化等效應力（為材料的靜力抗壓強度）。是標準化靜水壓力。是無量綱的應變率（為真實應變率，為參考應變率）。、、、和均為材料常數(shù)。表示標準化內(nèi)聚力強度，表示標準化壓力硬化系數(shù)，是壓力硬化指數(shù)，是應變率系數(shù)，是混凝土所能達到的最大標準化強度。

4、船撞仿真計算結果及分析

船舶從不同方向撞擊橋墩時對橋墩造成的不同程度損傷體現(xiàn)在船撞力的大小。不同形狀的橋墩受到相同的船舶撞擊而產(chǎn)生不同程度的損傷也體現(xiàn)在船撞力的大小。圖6和圖7 分別給出了駁船正撞與側(cè)撞橋A和駁船正撞橋A與橋B的船撞力時程曲線。圖 6顯示了駁船撞擊橋A時正撞力峰值為側(cè)撞力峰值的0.46倍。正撞時出現(xiàn)了兩個撞擊力峰值，第一個出現(xiàn)在0.28s時刻，其值為12.6MN，第二個出現(xiàn)在0.44s時刻，其值為0.96MN，由此可以看出在第一次撞擊峰值出現(xiàn)后，橋墩碰撞區(qū)域混凝土由于發(fā)生了顯著的破壞與船艏的接觸面積變小，從而使得撞擊力減小并延長了撞擊時間。圖7顯示了駁船正撞橋B時撞擊力峰值為正撞橋B時撞擊力峰值的1.5倍。表明墩的形狀對船撞力的大小存在較大的影響。

圖5 駁船撞擊橋A船撞力時程曲線圖6 駁船正撞橋A和橋B船撞力時程曲線

5、結論

（1）、非線性有限元技術能夠?qū)Υ矘虻恼麄€過程進行數(shù)值模擬，從而可以得到整個階段的船撞力和能量轉(zhuǎn)化過程曲線，進行能夠較全面的分析碰撞過程，這是靜力分析方法所不能做到的。

（2）、分析表明，采用HJC模型能較好的模擬混凝土在受到?jīng)_擊荷載下發(fā)生的破碎、斷裂等破壞行為，能夠得到出橋墩碰撞區(qū)域的損傷分布狀況，為橋梁建成后的維護工作提供了一定的參考價值。

（3）、福建流域上諸多大橋自建成以來都曾發(fā)生過幾次小的船撞事故，雖然沒有產(chǎn)生嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失，但是對橋墩的混凝土造成了不同程度的損傷，這種損傷累積在一定程度上降低了橋梁在設計壽命周期內(nèi)的承載力和耐久性，對橋梁的安全運營存在一定的隱患。

參考文獻

[1]AASHTO 1991，Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges，American Association of State Highway and Transportation Official，Washington D.C.

[2]楊渡軍，橋梁的防撞保護系統(tǒng)及其設計[M]，人民交通出版社，1990.7

[3]王君杰，范立礎，建立橋梁船撞動力設計理論與方法的建議[J]，

[4]尚曉江，蘇建宇，王化鋒等編著，ANSYS LS-DYNA動力分析方法與工程實例[M]，中國水利水電出版社，2008.6

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1受力特點概述

在地形陡峻的深谷山坡及巖溶發(fā)達地區(qū)修建橋基，常遇到基礎一部分已到基巖，一部分還懸空很多的情況。若加深基礎將大大增加工程數(shù)量，以至于出現(xiàn)高邊坡而影響安全，若加墊塊又嫌太大太深。于是將基礎一部分置于明挖地基上，一部分置于樁基上。這種形式通稱為半邊樁基礎［1］。目前計算這種基礎多采用近似法，如變形法、換算慣性矩法、剩余彎矩法、等代面積法等。雖然以上方法部分已應用到設計當中，但局限于對半邊樁基礎近似的計算分析，目前為止尚未有可靠的方法對此類基礎結構受力情況做系統(tǒng)而詳細的分析。本文將采用有限元法對半邊樁基礎部分受力特點進行分析，通過分析得出有用的結論以便于為后續(xù)設計提供參考。從半邊樁基礎的設計計算圖(圖1)可以看出，基巖邊緣必然產(chǎn)生基底反力，豎向載荷由基巖接觸面反力合力與樁基反力共同作用來平衡，水平載荷由基巖接觸面摩擦力與樁基水平抗力來平衡。樁基抗力及橋梁上部結構水平抗力是一定的，基礎分析的關鍵將是基巖接觸面的反力及其影響因素。但在長期的運營中，基底下邊坡外側(cè)巖層邊緣，經(jīng)多次反復受力，很可能導致巖層節(jié)理松動而沉陷或剝落，導致基巖承壓面積逐漸發(fā)生變化，這將導致應力分布發(fā)生變化。另外因基底受水侵入，摩擦系數(shù)亦相應降低，但影響程度難以確定［2］。因此有必要分析基巖摩擦系數(shù)、接觸面大小、基巖的硬度對基礎受力的影響。

2變形法及有限元法計算

2.1算例［3］某中橋橋臺位于陡坡之上，且沖刷嚴重，孔跨采用(16+32+16)mT形梁，基礎為挖孔灌注樁，橋臺基礎部份落在中等風化凝灰?guī)r(［σ］＞1000kPa)，部份懸空，采用半邊樁基礎，見圖1。

2.2計算方法1)變形法根據(jù)樁的長度和樁身應力，以及樁身混凝土彈性模量、巖層的基床系數(shù)求出樁頂?shù)淖冃?。由基底巖層對承臺總反力的平衡方程式，經(jīng)整理即可計算出樁頂總水平力［1］。2)有限元法［4-6］采用有限元方法進行模擬計算，承臺、樁基及基巖均采用實體單元模擬。承臺與基巖接觸方式通過非線性接觸單元模擬，接觸方式:面—面，承臺底面作為目標面，基巖作為接觸面。樁基與基巖固結，短樁周邊土體作用可忽略。有限元模型及計算結果示意圖見圖2。計算工況分別以接觸面摩擦系數(shù)、接觸面長度、基巖彈性模量及基巖泊松比為影響因素，分別計算各因素在限值范圍內(nèi)變化引起半邊樁基礎的受力變化。

2.3計算結果各影響因素計算結果見表1、表2和表3。

3半邊樁受力影響因素分析

從表1中變形法與有限元法計算結果對比可知，樁頂豎向力相差約1.5%，計算結果基本吻合，基巖邊緣對基底的應力相差約20%，另外樁頂彎矩和樁頂剪力相差較大。本次有限元法計算考慮了基巖及基礎的共同變形及摩擦力，以及非線性因素，結果更可靠。根據(jù)有限元法的計算結果(見表1，表2，表3)，對半邊樁各影響因子進行分析，可知承臺底摩擦系數(shù)與基礎彈性模量的變化對承臺及樁基的受力影響很小;承臺底接觸面長度對半邊樁基礎受力影響很大，是直接影響因素。而三種工況承臺底的最大位移均小于0.15mm(在《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范》中規(guī)定化學侵蝕環(huán)境H4對應鋼筋混凝土結構表面裂縫計算寬度最大限值0.15mm)［6］，因此承臺位移變化值滿足規(guī)范要求。

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【關鍵詞】 海洋數(shù)值模擬；課程實習；教學實踐

一、《海洋數(shù)值模擬》課程實習內(nèi)容設置的必要性

《海洋數(shù)值模擬》是海洋科學專業(yè)重要的專業(yè)方向課程，其內(nèi)容主要專注于海洋數(shù)值模擬的基礎理論、基本方法、實施過程及結果校驗四個方面。該課程的教學目的主要是使學生學會根據(jù)海洋數(shù)值模擬的具體需要，建立控制方程及邊界條件，選取合適的相關參數(shù)，對方程及邊界條件進行離散化處理，編程實施，調(diào)試、修改模式，并對模擬結果進行檢驗與分析。同時，該課程還要介紹海流、海浪、風暴潮等常用海洋數(shù)值模式的歷史演進、現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向。學生對該課程的學習不光要注重于其基本理論及方法的掌握，更重要的是要在該課程附設的實習中通過上手實踐對海洋數(shù)值模擬有直觀的認識和熟練的掌握，在以后的工作和研究中能夠觸類旁通，使用數(shù)值模式解決海洋業(yè)務及科研方面的問題。因此，該課程實習內(nèi)容的設置對于學生完整地學習該課程內(nèi)容，以及加深掌握的程度非常重要。

二、課程實習內(nèi)容設置的原則

1、緊扣課程學習內(nèi)容

需涵蓋海洋數(shù)值模擬的關鍵內(nèi)容。

2、難度不宜太大

要使學生在一定難度范圍內(nèi)對該課程的關鍵內(nèi)容及環(huán)節(jié)進行上手實踐，并在此基礎上產(chǎn)生感性認識，加深對海洋數(shù)值模擬相關理論、相關方法、實施過程、編程調(diào)試技巧等方面的掌握程度。

3、實習的目標應具有一定的新穎性

之所以這樣，是為了能夠使得學生在完成實習的主要內(nèi)容之后，在模擬結果中加深對海洋科學相關理論的認識。

為了達到《海洋數(shù)值模擬》實習的目標，下文中將結合作者的教學實踐對該課程實習的內(nèi)容設置及實施的技巧進行一些探索。

三、實習內(nèi)容的設置

《海洋數(shù)值模擬》實習的內(nèi)容主要涉及以下幾個方面：

1．對所模擬的海洋現(xiàn)象進行提煉分析，總結出該現(xiàn)象的主要特征及所處環(huán)境，確定各種環(huán)境參數(shù)，并由此對控制方程組及邊界條件進行簡化、改造，以得到既能抓住該海洋現(xiàn)象的主要特征又簡單的控制方程組及邊界條件；

2．根據(jù)研究海域的特征選取合適的空間離散化方案，根據(jù)該現(xiàn)象的時間演變特征選擇合適的時間積分方案，最終確定整個數(shù)值方案；

3．對簡化后的控制方程組及邊界條件進行離散化，得到模式積分使用的代數(shù)方程；

4．根據(jù)離散化的代數(shù)方程組編程；

5．調(diào)試程序并對原程序進行必要的修正，以得到能夠正常積分的代碼；

6．根據(jù)研究現(xiàn)象設定積分長度，進行模式積分；

7．對模擬結果進行分析，以確定模擬能夠正確再現(xiàn)該海洋現(xiàn)象，并根據(jù)模擬結果對該現(xiàn)象的特征進行歸納總結。

在作者的教學實踐中，選取熱帶海洋的風生流及赤道波動作為研究對象，根據(jù)熱帶海洋的特點建立了一個1.5層的海洋模式，設定兩套試驗方案，分別再現(xiàn)熱帶海域的風生流系統(tǒng)及赤道波動的傳播特征。該模式簡單、易實現(xiàn)，不僅能夠再現(xiàn)海洋內(nèi)部的流及波動的形成機制及演變特征，而且能夠再現(xiàn)大氣對海洋的作用機制及結果。因此，選用該模式作為實習的主要內(nèi)容，不僅能夠可行地帶領學生實踐海洋數(shù)值模擬的整套環(huán)節(jié)，而且可以通過模擬結果給學生以直觀的物理海洋學現(xiàn)象的認識。這種直觀認識對于加深學生對《海洋數(shù)值模擬》的掌握、對物理海洋現(xiàn)象的認識以及在今后的模式應用都非常重要。

該1.5層海洋模式將海洋在垂直方向上分為兩層，即混合層和深層。物理海洋學的調(diào)查證實，海水的運動和海洋要素的變化主要存在于混合層，深層則相對靜止和變化較小，海洋中重要的波動也主要存在于混合層。因此，可以通過兩維的混合層模擬再現(xiàn)風生海流及海洋中重要的波動現(xiàn)象。

該模式疊加了邊界條件的控制方程如下，只考慮混合層的厚度以及混合層垂直平均的經(jīng)向、緯向速度。模式的空間差分格式取C網(wǎng)格，混合層厚度、經(jīng)向速度及緯向速度空間網(wǎng)格相互交錯，在總網(wǎng)格點有限的情況下得到更高的空間分辨率。時間差分格式取蛙跳格式，該格式具有較好的積分穩(wěn)定度和較高的數(shù)值求解精度。模式的初始條件取速度為零，混合層厚度為100米。外部強迫為12月的氣候態(tài)風應力。研究區(qū)域取熱帶太平洋（30S-30N），經(jīng)向61個格點，緯向171個格點?？剖蠀?shù)取β平面近似。邊界取無滑動側(cè)邊界條件。

模式代碼分為8個模塊，共同完成模式的數(shù)據(jù)讀入、積分、后處理及數(shù)據(jù)輸出等過程。

（1）海陸分布及風應力數(shù)據(jù)的讀入模塊；（2）風應力數(shù)據(jù)的插值模塊；（3）經(jīng)向、緯向速度格點上科氏參數(shù)的計算模塊；（4）經(jīng)向速度的積分模塊；（5）緯向速度的積分模塊；（6）溫躍層深度的積分模塊；（7）各要素積分結果的時間平滑模塊；（8）數(shù)據(jù)的輸出及繪圖模塊。

根據(jù)上述內(nèi)容，可以完成模式的建模以及積分計算。

四、實習中應注意的問題

實習過程中，應首先將該模式選取的背景以及特點向?qū)W生講述清楚，著重講解該模式由方程組的簡化設定到結果分析的思路及關鍵點。建模實施過程中的關鍵環(huán)節(jié)應讓學生通過結合課堂內(nèi)容的學習自主開拓，并通過教師的引導建立完整的思路。

實習的時間安排應合理，留有足夠的時間給學生自主探索和討論，讓學生在探索過程中領會海洋數(shù)值模擬的要點及技巧。學生在實習過程中的相互討論和借鑒往往能起到意想不到的結果，不僅能夠鍛煉學生之間的團體協(xié)作能力，而且可以起到鼓勵先進同學、激勵后進同學的效果。

教師在實習過程中應能夠掌握整個實習進程的節(jié)奏與進度，重點放在建模思路的建立和模擬現(xiàn)象的分析引導上。教師還應將實習內(nèi)容與學生將來可能的工作相結合，說明實習的重要性，以提高學生實習的積極性，保證完成實習的預設目標。

五、結語

該課程實習的最終目標是使得學生掌握海洋數(shù)值模擬的理論框架和實施方案，為他們將來的工作及研究提供基礎。因此，在實習的過程中應切實教給學生一個完整的內(nèi)容和實施方案，提高他們的動手能力，給他們建立起一個直觀的感性認識。

《海洋數(shù)值模擬》實習課程的設置在國內(nèi)的發(fā)展還處于有待發(fā)展的階段，作者所在學校的課程也處于探索階段。因此，該課程實習內(nèi)容的選取以及實習環(huán)節(jié)的設置還有待進一步的發(fā)展，可以通過借鑒國外著名高校的經(jīng)驗，并結合國內(nèi)的實際情況和現(xiàn)實需要，對這些工作加以改進。

【參考文獻】

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本次設計利用模擬軟件對拉深過程進行仿真分析，研究其拉深過程中的等效應力、應變及破壞情況，初步擬定落料、拉深、沖孔及切邊等工序，并為生產(chǎn)出的零件實現(xiàn)表面平整無拉裂、起皺提供理論依據(jù)。由圖4可知，零件第一次成形拉深過程中凸模圓角破壞最嚴重，是極易發(fā)生拉裂的部位。

這與拉深理論相符，表明仿真結果符合實際。該零件破壞最大處為2.3＜49.9，說明該模具結構設計合理，符合設計要求；由圖5第二次成形過程云圖同樣可知模具結構設計合理，符合要求。由圖6可知，零件第一次成形拉深過程中等效應變發(fā)生在筒壁和凸模圓角部分。原因在于筒壁部分是由材料塑性流動轉(zhuǎn)移而成，而凸模圓角部分承受著徑向和切向拉應力的作用，因此變薄現(xiàn)象比筒壁部分嚴重得多。圖示處也是筒壁和凸模圓角部分等效應變最大，最大值1.55＜10.6，說明模具符合設計要求；由圖7第二次成形仿真云圖中，同樣可知模具設計符合要求。

由圖8可知，零件等效應力最大處在凸模圓角部分。該部分承受徑向和切向拉應力作用，同時在厚度方向因受凸模壓力和彎曲作用而受到壓應力作用。仿真結果符合設計要求，再據(jù)圖中所示最大應力606MPa＜615MPa，不會產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象，說明模具符合設計要求；由圖9同樣可知模具設計符合要求。

2模具設計

2.1模具結構

2.1.1第一套模具

（1）模架及導向模具結構如圖10所示，該零件筒形件要求較高，為保證零件精度要求，采用復合模。為方便加工及降低成本，采用標準模架，模具采用后側(cè)導柱滑動導向模架，包括后導向滑動導向組件（主導柱22、導套21）、上模座17、模柄14、下模座4。上模部分由上模座17、上墊板19、凸凹模固定板11、卸料板24等組成，其中上模座、上墊板、上模固定板通過標準緊固件和定位銷聯(lián)為一體。為保證模具制造精度和裝配精度，卸料板采用4根卸料螺釘，另外，主導套與上模座采用厭氧膠粘接固定，以適當降低導套孔的加工精度，避免內(nèi)孔處導向組件重復定位，保證模具的整體裝配精度。下模部分由下模座4、落料凹模8、下墊板6、拉深凸模27、拉伸凸模固定板7等組成并通過標準緊固件和定位銷聯(lián)為一體。

（2）定位和導料該復合模具為卷料供料生產(chǎn)，板料在模具中必須有正確的位置，才能保證沖裁出外形完整的合格零件，正確的位置是依靠定位零件來保證的。前端用固定擋料銷保證條料的步距。送料粗定距依靠送料機送料精度，精確定位由模內(nèi)的擋料銷完成，由于采用復合模，因此只需保證送料步距精度即可，其定位累積誤差可控制在0.02mm以內(nèi)。此道工序不采用側(cè)壓裝置，由兩個導料銷保證條料的正確送進。

（3）壓料與卸料模具壓料與卸料彈力由推件塊23、壓邊圈25及卸料板24組成，三個部件都能起卸料作用，其中推件塊和壓邊圈既起推件作用又起壓邊作用。通過調(diào)節(jié)下端的止付螺母1的位置可以調(diào)節(jié)壓料彈簧的預壓力，從而實現(xiàn)壓料力的平衡調(diào)節(jié)。另外，利用分別安裝在上下模座上的限位柱來控制閉模間隙，其既能為防止工作時因壓力過大而導致料帶嚴重壓薄，又可避免初始送料時模具尾端無料帶而引起的模具不平衡，從而保護模具。

2.1.2第二套模具

（1）模架及導向模具結構如圖11所示，同第一套模具一樣采用復合模，采用后側(cè)導柱滑動導向模架，包括后導向滑動導向組件（導柱12、導套11）、上模座8、模柄9、下模座3。上模部分主要有上模座8、拉伸凹模6并通過標準緊固件和定位銷聯(lián)為一體。主導套與上模座同樣采用厭氧膠粘接固定。下模部分由下模座4、拉伸凸模5等組成并通過標準緊固件和定位銷聯(lián)為一體。

（2）定位和頂料該復合模具為單個進行生產(chǎn)，定位基本由拉伸凸模完成。模具閉合沖裁一次完成后由頂桿13將成形的工件從拉伸凸模頂出，頂出機構主要由聚酯塊2、托板16、頂桿13等組成。通過調(diào)節(jié)下端的止付螺母1的位置可以調(diào)節(jié)壓料彈簧的預壓力，從而實現(xiàn)壓料力的平衡調(diào)節(jié)。另外，利用分別安裝在上下模座上的限位柱來控制閉模間隙，其既能為防止工作時因壓力過大而導致料帶嚴重壓薄，又可避免初始送料時模具尾端無料帶而引起的模具不平衡，從而保護模具。

2.2模具設計解決的主要問題

（1）拉裂。由于拉深件有一定錐度，凸模接觸面積小，壓力集中，容易引起局部變薄，出現(xiàn)拉裂的情況，因此在設計時應適當增大壓邊力。

（2）起皺。工件壁較薄，且拉深凸緣部分寬大，極易引起起皺，故采用壓邊圈防止起皺。

（3）第二次拉深的定位。經(jīng)第一次拉深，零件已有了一定的形狀，因此在進行第二次拉深時，使壓邊圈與毛胚的內(nèi)形完全吻合。沖壓時，將毛胚套在壓邊圈上進行定位，同時為了防止壓邊圈將毛胚壓得過緊，采用了限位螺釘?shù)慕Y構，使壓邊圈和拉深凹模之間保持一定的距離，壓邊力不致隨著行程的加大而加大。

3結束語

篇6

關鍵詞：土釘；錨桿；數(shù)值模擬

1.引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，為滿足日益增長的商業(yè)、停車等功能的需要，在用地緊張的密集城市中心，開發(fā)大型地下空間開挖深基坑已成為一種必然。但由于設計不當而導致深基坑事故時有發(fā)生，因此對深基坑支護體系進行研究具有重要意義。

2.FLAC3D工程模擬

模型的建立如：①計算所使用的坐標系垂直方向為y軸，水平方向為x軸，軸向為z軸。②由于斜坡的變形和破壞主要發(fā)生在坡體的淺部，構造應力在長期的地質(zhì)過程中已松弛殆盡。因此，模型邊界只考慮自重應力的作用。③軸向變形可以忽略，故計算屬于平面應變問題。④計算中不考慮地下水及地震的影響。

根據(jù)上述原則，挖深約12.5m，1：0.8的坡度，建立模型，如圖1。進行基坑開挖的模擬，基坑開挖共分六步進行，每層開挖至錨桿位置向下0.5m，再施工土釘或錨桿。

3.模擬結果分析

FLAC模擬基坑開挖后，對土釘錨桿軸力進行分析。[1～4]

第一層開挖后植入土釘，土釘軸力剛開始并不大。開挖完第二層土、植入第二排錨桿后，第一排土釘軸力迅速增大。第三層土開挖后對第一排土釘內(nèi)力影響最大，其次是第四步開挖對土釘內(nèi)力的影響，最后兩步對土釘影響較小，土釘內(nèi)力趨向穩(wěn)定。本基坑第一層土釘由于開挖后土的隆起以及二排錨桿的影響，土釘軸力為壓應力，并呈兩頭小中間大的拋物線狀分布?；又胁康腻^桿受力較大，受預應力的影響，預應力錨桿所受內(nèi)力分布為從自由段到錨固段逐漸減小，如圖2-圖6。開挖完成后最后一層土釘軸力達到最大值。

4.結論

通過FLAC的數(shù)值模擬，詳細的分析了土釘錨桿的變化情況：土釘軸力隨基坑開挖不斷增加，大致形狀不變，都是兩端較??；錨桿由于有預應力錨固段不斷減小；土釘有效地發(fā)揮了作用，有效地組止了土體滑裂面的出現(xiàn)。

參考文獻

[1] 劉玲霞.深基坑土釘支護加固機理及受力分析研究[D].鄭州：華北水利水電學院，2007

[2] 張循當.土釘支護技術應用領域的拓展[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2004，14（5）

篇7

關鍵詞：火災科學數(shù)值模擬 火災調(diào)查 火災動力學

1、火災調(diào)查中的問題

火災是現(xiàn)代社會造成損失最大的安全問題，火災一旦發(fā)生，不僅造成大量的人員傷亡，還會造成巨額的財產(chǎn)損失。隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的越來越發(fā)達，火災對人員的生命安全和財產(chǎn)造成的損失也更加巨大，給人民生活帶來了慘痛的教訓。火災調(diào)查結果的準確與否直接關系到能否依法處理追究事故的責任者或犯罪分子。因此，確定火災發(fā)生的起火原因，什么原因引起的火災，防止類似的情況再次發(fā)生；同時，還可獲得相關的證據(jù)，不斷增加火災調(diào)查經(jīng)驗，研究火災發(fā)生發(fā)展規(guī)律，為預防和滅火提供科學依據(jù)。

在我國，火災調(diào)查主要是消防總隊、支隊的相關人員對發(fā)生的火災事故進行火災起火原因、起火點的認定調(diào)查。然而，由于火災發(fā)生的不確定性以及火災形勢的多樣化，目前我國的火災調(diào)查工作遇到前所未有的挑戰(zhàn)，有關的火災訴訟案件也日益增多。這要求我國的火災調(diào)查人員必須具備相關的法律知識和技能技術，盡快查明火災發(fā)生原因，明確事故責任。因此，計算機數(shù)值模擬技術被逐漸應用到火災事故的調(diào)查工作當中，輔助火災調(diào)查人員獲取相關的證據(jù)，并且這種應用被普遍接受和認可。

2、火災動力學模擬軟件簡介

火災動力學模擬軟件(FDS)由著名的美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）開發(fā)，是一個對火災引起流動的流體動力學計算模型，是專門從數(shù)值計算方面解決一系列適合于熱驅(qū)動、低速流動的Navier-Stokes方程，重點適用于火災導致的熱煙傳播和蔓延的數(shù)值模擬。FDS利用了大渦流流體力學模型（Large Eddy Simulation，LES）來處理火場流體的紊態(tài)流動。專家和學者通過對真實火災場景的模擬研究證明FDS具有有很高的準確性和可信性?；馂膭恿W模擬軟件FDS目前已經(jīng)被廣泛應用在火災科學的研究和火災事故調(diào)查的證據(jù)。

3、數(shù)值模擬在火災調(diào)查工作中的應用現(xiàn)狀

3.1 國外應用研究

Daniel Madrzykowski等人應用FDS火災模擬軟件模擬了美國華盛頓的一起真實的室內(nèi)火災?；馂哪M的資料是根據(jù)火災調(diào)查機構提供的真實的火災現(xiàn)場情況為依據(jù)，確定了火災熱釋放速率、特殊部位的溫度、火場中煙氣的流動方向和速度、氧氣濃度、室內(nèi)壓力等相關數(shù)據(jù)。起火建筑為三層，根據(jù)火災調(diào)查報告的認定，發(fā)生火災是由位于地下室天花板內(nèi)的電器設備引起的，開始在地下室內(nèi)蔓延并且在地下室內(nèi)發(fā)生了轟然，從地下室通向樓梯處的門在火災發(fā)生時一直處于開啟狀態(tài)，使一層建筑有了煙氣和熱量的積累。從FDS模擬的結果來看，火勢是沿著天花板開始蔓延，散落下的火星引燃了室內(nèi)的其他可燃物，直至地下室內(nèi)的氧氣被消耗盡。

2005年6月NIST利用FDS軟件成功再現(xiàn)了“911”恐怖事件中世貿(mào)雙塔被飛機撞擊后次生火災的煙氣流動和火球爆況。模擬的結果與事件中的影像資料相當吻合。該模擬測算的溫度和煙氣濃度給事故報告提供了重要依據(jù)。

3．2 國內(nèi)應用研究

李一涵等學者對FDS 源程序進行了改進，并利用改進后程序計算火災過程中壁面熱解形成圖痕，作為火災調(diào)查的方法之一，初步分析壁面燒損痕跡發(fā)展特征。該方法可以根據(jù)火災場景、壁面材料、起火點功率的不同，計算研究壁面燃燒痕跡形成規(guī)律，并提出使用該方法對火災調(diào)查提供理論依據(jù)的可行性和重大意義。

姚曉波利用FDS模擬軟件重現(xiàn)了一個大型學生宿舍樓火災場景。通過FDS的模擬結果和火災現(xiàn)場的實際情況相比較，驗證了采用FDS來重構火災現(xiàn)場的可行性，同時，通過比較外墻使用“可燃材料”和外墻使用“不可燃材料”兩個不同火災場景的模擬結果，分析研究了對于外墻使用不同性質(zhì)的建筑材料對火災后果可能造成的影響。

4．數(shù)值模擬技術在火災調(diào)查工作中的應用前景研究

目前國內(nèi)外對火災事故類型的分析通常由專業(yè)人員采用長期工作積累的經(jīng)驗、或采用半經(jīng)驗的方式，很少有數(shù)值模擬手段應用于火災調(diào)查。通過國內(nèi)外學者、專家以及火災調(diào)查工作者在火災事故調(diào)查工作中對數(shù)值模擬技術的應用證明，F(xiàn)DS能夠很好的重現(xiàn)真實的火災場景。利用火災動力學模擬軟件FDS建立實際火災場景的數(shù)學模型，對真實的火災事故進行計算機數(shù)值模擬對火災事故結果的準確性是一種很好的研究方法。在建模時需要清晰知道起火建筑物的詳細資料，包括建筑物尺寸及材料、內(nèi)部裝修材料、建筑物的開口大小、當時的通風及天氣狀況、周圍建筑物的布局等，這些資料可通過火災調(diào)查機構或部門、氣象部門獲得。通過采用火災動力學模擬軟件（FDS），對可能的起火點、起火原因建立火災場景進行火災動力學模擬，可以計算火災現(xiàn)場關鍵部位的火場溫度、可見度、煙氣層溫度及高度、氧氣和一氧化碳濃度等數(shù)據(jù)與火災現(xiàn)場勘探的數(shù)據(jù)進行比較，排除不合理的起火點、起火原因及人員死亡原因，為火災調(diào)查人員提供合理的依據(jù)，解決了火災現(xiàn)場看勘察很難確定的問題，進一步完善了火災調(diào)查報告的準確性。對模擬過程中的火災蔓延趨勢的再現(xiàn)，也為采取消防保護措施提供了依據(jù)。隨著計算機技術的飛速發(fā)展和人們對火災事故調(diào)查的嚴密性，數(shù)值模擬技術將能將廣泛用來輔助火災事故調(diào)查。

5．總結

通過對火災調(diào)查現(xiàn)狀和火災動力學模擬軟件介紹分析及國內(nèi)外的應用分析，F(xiàn)DS在對有焰燃燒的火災事故模擬，較真實的重現(xiàn)火災場景，并且已經(jīng)成為火災事故調(diào)查不可或缺的技術手段，能夠很好的輔助火災調(diào)查工作人員進行火災事故調(diào)查，對有異議的火災事故結論提供更加可信的依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳琨, 舒慧慧. FDS 數(shù)值模擬技術在某“商住合用”建筑火災調(diào)查中的應用. 消防技術與產(chǎn)品信息,2008, (7): 64-67

篇8

【關鍵詞】CFD;數(shù)值模擬;沉淀池

引 言

沉淀池作為水廠的常規(guī)水處理構筑物，在水處理廠中發(fā)揮重要的作用。沉淀即利用水中懸浮顆粒的沉降性能，在重力場的作用下產(chǎn)生下沉作用，以達到固液分離的一種過程。一直以來，對沉淀池的設計主要是依據(jù)設計手冊和規(guī)范，對沉淀池的研究主要采用實驗測定的方法。在設計過程中，存在選取參數(shù)略有差異的問題，無法通過經(jīng)驗公式精確預測沉淀池處理效果。沉淀池中某些條件的變化（如進出口形狀和大小、擋板尺寸等），對沉淀池的處理效果可能會有較大影響，而這些影響難以通過試驗測定來逐一檢驗。

因此，利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，縮寫為CFD）方法研究沉淀池的水力特性，結合沉淀池基本原理建立沉淀池模擬和分析的數(shù)學模型，對沉淀池的設計和運行狀況進行分析，將為沉淀池的優(yōu)化設計和運行開辟一條新的思路和方法。

1. CFD模型

應用于沉淀池設計的計算流體力學（CFD）模型以基本流體力學原理為基礎，是一種較為成熟的數(shù)值模擬技術。它把沉淀池幾何體分成許多小單元，以網(wǎng)格形式描述問題，并對網(wǎng)格內(nèi)的每個單元建立質(zhì)量、能量、動量和固體濃度方程，包括一些化學或生物反應，

利用計算機進行數(shù)值求解，最終通過數(shù)值模擬獲得流體在特定條件下的有關信息（如速度分布、能量分布等），兼有理論性和實踐性的雙重特點[1]。目前CFD軟件包較多，包括Phoenics、CFX、Fluent、Start-CD等。其中Fluent的應用最為廣泛，占美國市場的60%左右[2]。

沉淀池中的流體流速相對其它處理工藝單元來說較小，但有時雷諾數(shù)很高，屬于湍流。沉淀池內(nèi)湍流流主要是由進水和池內(nèi)流體混合、固體邊界的影響和水面的風剪切力引起的。沉淀池數(shù)值模擬中使用大量的CFD紊流模型，主要包括零方程模型、單方程模型、雙方程模型、雷諾應力模型（RSM）、代數(shù)應力模型（ASM）等等[3]。

2. CFD技術在沉淀池中的應用

沉淀池可分為普通沉淀池和斜板（管）沉淀池。按池內(nèi)水流方向的不同，普通沉淀池可分為平流式、豎流式和輻流式3種;沉淀池按其在水處理流程中的位置，主要分為初沉池和二沉池。

CFD技術在沉淀池中的應用主要是在模擬水流的速度分布以及懸浮物濃度分布的基礎上，分析不同形狀及尺寸的沉淀池的沉淀效果，分析進出口尺寸、擋板位置等邊界條件對流態(tài)以及懸浮物濃度分布的影響，進而對沉淀池的設計和運行提出優(yōu)化方案，以提高沉淀池的處理能力和出流水質(zhì)。沉淀池中的模型主要是二維或三維的兩相模型。近年來，CFD技術在沉淀池中廣泛應用。

2.1 在平流式沉淀池中的應用

Krebs等對平流式沉淀池的進口幾何形狀進行了研究。發(fā)現(xiàn)進口孔徑位置的設計改進與折合進口流速有關。利用數(shù)值模型，改進的進口結構可以提高流體進入進口后的動能耗散，改善進口區(qū)內(nèi)的絮凝性能，提高沉淀池內(nèi)的總固體去除率。

王曉玲等[4]建立了平流式沉淀池三維歐拉兩相流模型，并通過與Imam的實驗結果進行比較，驗證了數(shù)值模擬求解的可行性。發(fā)現(xiàn)沉淀池內(nèi)水流的流速并不是均勻分布的，沉淀池內(nèi)沿寬度方向的頂部水流由中心面分別向兩邊壁流動，底部水流流向中心面，中心面上速度較小。

2.2 在輻流式式沉淀池中的應用

Fan等采用雙流體模型對一城市廢水處理系統(tǒng)中的輻流式二沉池內(nèi)兩相流場進行了模擬，重點仿真了沉淀池內(nèi)擋板位置和擋板高度的變化對池內(nèi)流場和顆粒物濃度分布的影響。

王磊磊等[5]為改善超大型周邊進水、周邊出水沉淀池的水力性能，利用計算流體力學的方法對工程初步設計方案進行水力性能模擬。結果表明，周進周出式沉淀池采用豎向流的進水方式較優(yōu)，有利于提高沉淀池縱斷面不同深度的流速分布，增大沉淀池內(nèi)部的環(huán)流區(qū)域。

2.3 在其它沉淀池中的應用

屈強等[6]對回流比為零和75%情況下折流式沉淀池內(nèi)流態(tài)進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)均存在嚴重的短流和較大的死區(qū)。將池型改成尺寸相同的平流式沉淀池后重新進行計算，發(fā)現(xiàn)改型后的流態(tài)較為合理，短流和死區(qū)均較小。

劉強等[7]用Fluent對新型氣浮-沉淀池運行沉淀工藝時的固液兩相流進行數(shù)值模擬。結果通過數(shù)值模擬計算得到顆粒的運動軌跡，及粒徑、密度值與去除率的關系曲線。

展 望

CFD技術應用于沉淀池設計和運行中，不僅豐富了沉淀池領域研究的手段，而且能夠利用數(shù)值模擬的方法，分析沉淀池的運行狀況， 對于減少物理模擬必要性，節(jié)約研究資金和時間，都有著重要的價值;同時還有助于解決某些由于實驗技術手段限制，難以進行測試的問題。

今后CFD模型的發(fā)展應根據(jù)情況適當?shù)脑黾幽Ｐ偷木S度與相數(shù)，應適當考慮沉淀池內(nèi)的生化反應，加強對不同沉降類型模型的研究，更加充分的考慮沉淀池內(nèi)的影響因素。這樣可以真正實現(xiàn)CFD技術在沉淀池的有效應用，精確模擬沉淀過程，為優(yōu)化沉淀池設計和運行，強化沉淀池的處理效果提供有利的支持。

參 考 文 獻

[1] 江帆，黃鵬.Fluent進階教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2] 王福軍.計算流體動力學分析――CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3] 華祖林.湍流模型在環(huán)境水力學研究中的應用[J].水科學發(fā)展，2001，12（3）.

[4] 王曉玲，楊麗麗，張明星，曹月波.平流式沉淀池水流三維CFD模擬[J].天津大學學報，2007，40（8）：921-930.

[5] 王磊磊，許光明，陳俊等.超大型周進周出沉淀池優(yōu)化設計中的水力性能數(shù)值模擬[J].河海大學學報（自然科學版），2012，40（2）：168-172.

篇9

關鍵詞： 注塑成形； 氣體反壓； 熔體； 流動形態(tài)； 剪切應變速率

中圖分類號： TQ316.33文獻標志碼： B

0引言

塑料具有質(zhì)輕、加工易、精度高、成本低、成形自由度大、技術發(fā)展成熟等優(yōu)點，所以應用日益廣泛，但在石油資源緊張、原材料成本提高、環(huán)保要求等條件下，為提高塑料制品的附加值，除在塑料材料的改性技術上有所突破外，更需要在成形技術方面有所創(chuàng)新.氣體反壓（Gas Counter Pressure， GCP）技術[14]是近年來發(fā)展起來的一項新技術，其能夠有效降低塑料熔體前沿的壓力差，實現(xiàn)均勻充填，改善塑料制品的機械性能[12]和表面缺陷[34]，減小翹曲變形[5]及提高制品成形質(zhì)量[6]等.

為提高超臨界微孔發(fā)泡注射成形制品的表面質(zhì)量，研發(fā)人員曾用變模溫感應加熱[23]、絕熱模具層[7]、表面貼膜工藝[89]等方法，以拓展微孔注塑工藝的應用.在目前的工程實踐中，GCP技術在超臨界微孔發(fā)泡注射成形中的應用最為常見.在超臨界微孔發(fā)泡注射成形時，型腔內(nèi)充滿一定帶壓氣體抑制氣泡生成的反壓法能有效控制表面氣泡流痕（見圖1）.當超臨界流體（Super Critical Fluid， SCF）溶解于高分子熔體中，且熔體前沿受反壓氣體作用時，因GCP壓力大小不同，可能出現(xiàn)3種情況：當沒有GCP壓力時，在熔體充填階段發(fā)泡將自然發(fā)生而導致有銀絲留痕缺陷產(chǎn)生于制品表面；如果GCP壓力大于標準大氣壓但小于維持SCF所需的臨界壓力時，發(fā)泡將受到限制；當GCP壓力大于臨界壓力時，熔體將在反壓作用期間維持為單相泡核而無泡孔產(chǎn)生.[14]

圖 1GCP技術示意

Fig.1Schematic of GCP technology

作為一種先進的設計手段，數(shù)值模擬技術在注塑成形加工領域應用日趨廣泛.從開始僅能模擬熔體注塑充填[10]，到集成化模型模擬充填、保壓，再到冷卻成形全過程[11]，進而發(fā)展氣體輔助注塑成形等雙相流動的模擬[12]以及成形質(zhì)量預測等.相對于注塑GCP技術的實驗研究成果，反壓技術的數(shù)值模擬迄今鮮有人研究.

超臨界微孔發(fā)泡注射成形涉及到泡孔成長的空氣力學，與常規(guī)注射成形相比較復雜，為便于模擬，本文只考慮帶反壓的常規(guī)注塑成形工藝，用數(shù)值方法對GCP技術進行探索.利用有限元軟件ANSYS CFX平臺，通過二次開發(fā)，建立高分子材料的CrossWLF七參數(shù)黏度模型，定義模擬所需要的材料，改變平板注塑制品成形過程的GCP壓力，對成形充填過程進行三維數(shù)值模擬，討論GCP壓力對熔體充填流動的影響.

1模型與算法

在注塑成形過程中，熔體充填階段的數(shù)學模型滿足質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律.熔體在充填過程中，流動前沿上受到GCP的作用，形成氣熔界面.根據(jù)工藝特點，對氣熔邊界進行簡化和假設：1）氣體在熔體充填過程中假設為不可壓縮流體；2）因為熔體黏度遠大于氣體黏度，假設氣體黏度為0；3）氣體的比熱容遠小于熔體，不計氣體內(nèi)部的能量交換；4）氣體密度遠小于塑料熔體，忽略其重力；5）氣熔界面兩側(cè)物質(zhì)不發(fā)生能量交換.

1.1平板制件

以平板注塑件為例，模擬注塑成形過程中GCP壓力對塑料熔體流動的影響，制品的幾何尺寸為4 mm×4 mm×1 mm，形狀見圖2a.澆口為側(cè)澆口，尺寸為1 mm×1 mm×1 mm.對幾何模型用四面體網(wǎng)格單元離散，網(wǎng)格邊長設定為0.1 mm，節(jié)點個數(shù)為7 846，單元總個數(shù)為30 246，見圖2b.制品成形工藝參數(shù)見表1.

a）制件尺寸示意圖，mb）有限元網(wǎng)格圖，m圖 2平板制品的尺寸及網(wǎng)格示意

Fig.2Schematic of size and mesh of plate product

表 1注塑成形工藝參數(shù)

Tab.1Injection molding processing parameters參數(shù)值模具溫度/℃60熔體溫度/℃230入口速率/（m/s）1參數(shù)值模壁傳熱系數(shù)/（W/（m2?k））25 000GCP壓力/MPa0， 1， 2

在塑料熔體充填開始前，型腔內(nèi)充滿帶壓氣體，然后改變GCP壓力大小，采用數(shù)值方法分析塑料熔體流動前沿位置、充填時間、熔體流動速率和剪切應變速率等相關模擬結果，量化分析GCP壓力對注塑成形中塑料熔體流動狀態(tài)的影響.

1.2材料的黏度模型

ANSYS CFX的材料庫提供理想空氣、水、銅、鋁、鋼鐵和煙煤等材料參數(shù)，但沒有聚合物材料.為研究聚合物材料的流動，通過軟件接口添加.聚丙烯PP的CrossWLF七參數(shù)黏度模型見式（1），材料屬性用CEL語言定義完成.η（T，（γ?P））=η0（T，P）1+η0（γ?/τ）1-n

η0（T，P）=D1exp-A1（T-T～）A2+（T-T～）（1）式中：n為非牛頓指數(shù)；T～為材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，T～=D2+D3P；D1，D2，D3為材料常數(shù)；τ*為剪切變稀行為開始時的剪應力；A1和A～2為材料常數(shù)，A2=A～2+D3P.

選擇Shell公司生產(chǎn)的牌號為XM 6700S的PP材料，式（1）中的材料參數(shù)值以及PP材料的模型參數(shù)分別見表2和3.

表2PP材料參數(shù)

Tab.2PP material parameters參數(shù)數(shù)值熔化溫度/°C135熔體密度/（kg/m3）775參數(shù)數(shù)值比熱容/（J/kg?℃）2 830熱傳導系數(shù)/（W/m?℃）0.19

表3PP材料的模型參數(shù)

Tab.3Model parameters of PP material七參數(shù)變量數(shù)值七參數(shù)變量數(shù)值n0.209 8D1/（Pa?s）6.93×1011τ*/Pa30 354D2/℃-10A126.507D3/（℃/Pa）0A～2/℃-221.55

1.3邊界條件

選用流動區(qū)域內(nèi)熔體氣體兩相均一模型進行模擬，即熔體、氣體有共同的速度場、壓力場和溫度場，而熔體的物理性質(zhì)參數(shù)取決于兩組分的變化.

模擬注射成形充填過程的邊界條件：1）入口為速度邊界條件，熔體速度和溫度已知，入口聚合物熔體組份等于1，空氣為0；2）模壁處熔體速度為零，屬無滑移邊界條件，壁面接觸處的傳熱系數(shù)取值為25 000 W/（m2?℃）；3）出口處為壓力邊界條件，相對壓力設置為0；4）熔體前沿僅考慮表面張力，忽略熱交換；5）GCP壓力通過型腔內(nèi)空氣壓力變化表示，分別取0，1和2 MPa進行模擬，GCP壓力為0相當于傳統(tǒng)（常規(guī)）注塑成形.

2結果與討論

2.1GCP壓力對熔體前沿的影響

在不同的GCP壓力作用下，塑料制品熔體完成充填所需時間不同，同一時刻塑料熔體的充填體積分數(shù)也不同.為驗證模擬結果的合理性，取GCP壓力為0時（即傳統(tǒng)注塑成形）PP熔體的充填體積分數(shù)隨時間變化情況，見圖3.

a） t=0.01 sb） t=0.10 sc） t=0.15 sd） t=0.20 s圖 3傳統(tǒng)注塑成形中體積分數(shù)隨充填時間的變化

Fig.3Change of volume fraction with filling time

during conventional injection molding

由圖3可知：PP熔體在型腔中的充填體積分數(shù)隨時間變化比較均勻；靠近澆口中心位置熔體的充填速度較快；靠近模具壁處，由于模具壁溫度低，塑料熔體的溫度接觸模具壁面后迅速降低，熔體形成冷凝層，影響熔體的流動，充填較慢.改變GCP壓力為1和2 MPa，依次完成數(shù)值模擬，結果發(fā)現(xiàn)：當GCP壓力為0時PP充填滿整個型腔約0.3 s，GCP壓力為1 MPa時充填時間為1.0 s，GCP壓力為2 MPa時充填時間為2.0 s.由此可知：GCP壓力增大時，PP熔體充填滿整個型腔所需時間也相應增加，表明反壓氣體會影響對塑料熔體在型腔中的流動.

考慮GCP壓力變化時，從模擬結果提取給定時刻PP熔體的流動前沿的位置和形狀，可直觀觀察GCP壓力對熔體流動的影響.不同GCP壓力下給定時刻熔體的流動前沿見圖4.由圖4可知：當GCP壓力增加時，熔體前沿面受的GCP壓力增大，熔體流動需克服較大的壓力， PP充滿型腔所需的時間增加；當熔體前沿有1或2 MPa反壓氣體的壓力作用時，熔體前沿形狀發(fā)生變化，與傳統(tǒng)注塑成形相比，曲面曲率變大，表明該截面處的速度梯度變小，利于熔體型腔的均勻充填.

a） P=0， t=0.10 sb） P=0， t=0.30 sc） P=1 MPa， t=0.10 sb） P=1 MPa， t=0.30 se） P=2 MPa， t=0.10 sf） P=2 MPa， t=0.30 s圖 4指定時刻時不同GCP壓力下的流動前沿位置

Fig.4Flow front position at given times under

different GCP pressures

流動方向截面處的SEM結果見圖5.對比圖3和5，發(fā)現(xiàn)ANSYS CFX模擬的塑料熔體充填過程與實驗中熔體型腔中的流動前沿形狀趨勢一致，模擬結果合理.由圖5b可知：當型腔有GCP壓力后，熔體前沿類似拋物線形狀的線條變得密集均勻，熔體前沿的曲率變小，與圖4的模擬結果趨勢一致.

a） 傳統(tǒng)注塑成形b） 反壓注塑成形圖 5不同成形工藝下熔體流動方向截面處的

掃描電子顯微鏡觀察結果

Fig.5Scanning electron microscope view results of cross section in melt flow direction under different molding processes

2.2GCP壓力對熔體速度的影響

為量化GCP壓力對熔體速度的影響，選定澆口附近固定位置為參考點，提取模擬結果中指定位置處不同GCP壓力下的熔體速度，見圖6.在充填0.10 s時，GCP壓力為0，1和2 MPa時的熔體速度分別為0.52，0.48和0.45 m/s，最大降幅為13.5%.此模擬結果與圖5類似，即GCP壓力增大時，熔體沿流動方向上的速度有減小趨勢.

為便于直觀觀察反壓技術對充填的影響，通過氣體輔助注塑工藝進行實驗.圖7a中，氣體內(nèi)部壓力為3 MPa，外部反壓氣壓為0，相當于常規(guī)的氣體輔助注塑成形；圖7b中，外部GCP壓力為5 MPa，相當于2 MPa反壓條件下的常規(guī)的氣體輔助注塑成形.在給定的時刻，GCP壓力為2 MPa（外部壓力為5 MPa）時氣體的流動長度（圖7b）小于GCP壓力為0的長度（圖7a）.實驗結果間接證明GCP壓力可降低熔體和氣體的速度.由于GCP壓力相當于增加熔體的保壓壓力，使得熔體的密度增大，在內(nèi)氣體積近似相等的條件下，內(nèi)壓力相同的氣體穿透長度明顯減小.

圖 6不同GCP壓力下熔體沿流動方向的速度曲線

Fig.6Melt velocity curves along flow direction

under different GCP pressures

a） 內(nèi)部氣壓3 MPa，外部氣壓0

b） 內(nèi)部氣壓3 MPa，外部氣壓5 MPa

圖 7不同GCP壓力下充填速度的實驗結果

Fig.7Experimental results of filling velocity under

different GCPpressures

2.3GCP壓力對剪切應變速率的影響

剪切應變速率對熔體取向、熔體破裂和殘余應力等影響顯著，GCP壓力對剪切應變速率的影響可作為評價成形工藝參數(shù)是否合理及GCP技術優(yōu)劣的指標之一.澆口附近位置處不同GCP壓力下纖維增強塑料試樣中纖維取向的測量與模擬結果見圖8.由此可知：在GCP壓力作用下，近澆口處厚度方向的纖維取向小于無GCP壓力作用下的傳統(tǒng)注塑制品，試樣性能更均勻；在GCP壓力作用下，試樣厚度方向的纖維取向差異更小，取向張量Azy在皮層與芯層的最大差值為0.12；無反壓時，Azy在皮層與芯層的最大差值為0.21.目前無法模擬反壓作用下的纖維取向.傳統(tǒng)注塑的纖維模擬取向結果與實驗結果趨勢一致，但忽略材料彈性的黏性本構方程使得模擬結果偏大.

圖 8不同GCP壓力下近澆口位置處纖維取向的

測量和模擬結果

Fig.8Measurement and simulation results of fiber orientation

near gate under different GCP pressures

澆口附近熔體的剪切應變速率隨時間的變化曲線見圖9.由此可知：隨著時間的增加，熔體的剪切應變速率先升高后下降，表明熔體流動前沿到達選定的參考點位置時該處熔體的剪切應變速率可認為是熔體前沿所受的最大剪切應變速率；當GCP壓力為2 MPa時，熔體剪切應變速率變化相對平緩，便于成形過程中所制備產(chǎn)品性能的均勻性，與圖8中測量的纖維取向結果一致.GCP壓力為0，1和2 MPa時熔體的最大剪切應變速率分別為6.1×106，5.8×106和2.6×106 s-1.與傳統(tǒng)注塑成形相比，GCP壓力為2 MPa時最大剪切應變速率下降42.7%，可有效改善成形加工中的分子（纖維）的取向，使垂直于流動方向的制品性能得到提高.

圖 9不同GCP壓力下澆口附近熔體剪切應變

速率時間曲線

Fig.9Curves of shear rate variation against time of melt

near gate under different counter pressures

3結束語

初步實現(xiàn)GCP技術的數(shù)值模擬，以平板制品為例，研究GCP壓力對塑料熔體充填過程中流動狀態(tài)的影響.從模擬結果看：GCP壓力對熔體的流動形態(tài)有明顯影響；GCP壓力不同，熔體的流動速度、最大剪切應變速率也發(fā)生變化，并且隨著GCP壓力的提高熔體的流動速度、剪切應變速率都呈下降的趨勢.模擬結果與實驗的趨勢吻合.

由于反壓工藝使用方式多樣，本文沒有考慮GCP壓力的保持時間且簡化較多，為更精確模擬GCP技術，還需結合現(xiàn)場參數(shù)，進一步完善數(shù)學模型與模擬方法.

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篇10

【關鍵詞】同軸旋轉(zhuǎn)圓臺；雷諾數(shù)

1.前言

旋轉(zhuǎn)流體運動是流體力學中一個重要的研究課題， 其中的兩旋轉(zhuǎn)柱體間隙區(qū)域上的流動問題在軍事方面、能源與動力工程方面等方面有著廣泛的應用。拉格朗日-歐拉方法（以下簡寫LE）是流體力學領域中比較常用的計算方法。LE方法中使用的是多邊形網(wǎng)格，是通過將整個求解區(qū)域按Voronoi規(guī)則劃分得到的，這種劃分流場的方式可確保流動單元在流場中沿流線做連續(xù)、平滑的運動。在流動發(fā)生一段時間之后，各流動單元及其相鄰點的位置發(fā)生變化，還要按該規(guī)則重新劃分流場。LE方法在構造差分格式時，流動單元的應變率、應力和壓力都定義在多邊形的中心，而速度分別定義在多邊形的中心和頂點上。

在使用L-E方法時，可以對其中流動網(wǎng)格的生成和邊界條件的處理等內(nèi)容做了進一步改進，使之能夠處理各種復雜邊界條件下流體的流動問題。

2.數(shù)值模擬圓臺間流體流動

2.1基本數(shù)學模型

考慮一個同軸旋轉(zhuǎn)圓臺，圓臺中充滿不可壓縮流體，內(nèi)、外圓臺均以一定的角速度旋轉(zhuǎn)。當t=0時，流體由頂面入口處流入，入口和出口是自由面。流體滿足N-S方程：，其中 分別表示流體的速度、密度、壓力和運動學粘性系數(shù)。邊界條件為：，，， ， 其中∑1、∑2、 ∑top和∑base分別表示內(nèi)、外圓臺的壁面，圓臺裝置的頂部和底部表面。

用計算機軟件模擬出圓臺間的流體后，將數(shù)據(jù)文件導入到處理器中，然后沿著旋轉(zhuǎn)軸Z軸截面取值，從而得到每一個Z軸值所對應的速度和壓力值：

，其中分別為zi面上三個方向的速度矢量值，Pij為zi面上的壓力值， n表示在zi面上總共取到的點的數(shù)目。

2.2畫出圓臺網(wǎng)格

本文中對旋轉(zhuǎn)液膜反應器進行模擬，先建立一個外圓臺，然后再建立一個同軸的內(nèi)圓臺作為轉(zhuǎn)子。模型尺寸按照真實旋轉(zhuǎn)液膜反應器的尺寸進行構建。

在對指定的問題進行圓臺流體模擬之前，首先將要計算的區(qū)域離散化，即把空間商連續(xù)的區(qū)域劃分成許多個子區(qū)域，并確定每個子區(qū)域中的節(jié)點位置及該節(jié)點所代表的控制容積，從而生成網(wǎng)格。

2.3模擬條件的設定

（1）根據(jù)雷諾數(shù)公式算出在固定Re值下的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。上部為流體入口，下部為出口，外部圓臺在不同的情況下設為不同的邊界條件。在低雷諾數(shù)時，采用層流模型。

（2）臨界流量的概念 ：一定間隙與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速條件下的這一固定的流體加入速度為臨界流量。在一定的間隙和轉(zhuǎn)速情況下，流體只能以某一固定的流速加入到反應器中間，由于反應器上部的入口處是一個開放的體系，與大氣相通，因此當流體的加入速度小于這一固定流量時，旋轉(zhuǎn)液膜反應器的反應空間中會被帶入大量的空氣，導致圓臺內(nèi)部的流體不再為單一流體，使研究的流體運動不準確；而當流體的加入速度大于此值時，流體會從反應器的入口處溢流出反應器外界。在本次模擬中，將初始速度設為0.015m/s.

（3）計算區(qū)域網(wǎng)格化以后，用有限數(shù)目的離散點的值來表示連續(xù)的計算域，微分方程即可以轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。本文數(shù)值模擬采用有限體積法、分離式穩(wěn)態(tài)算法對控制方程進行離散，它在每個控制容積中對控制方程進行積分，導出離散方程，采用二階迎風格式進行離散。將控制方程離散變?yōu)榇鷶?shù)方程后，即可開始求解。

3. 實驗結果

本次模擬均是低雷諾數(shù)條件下，對圓臺間流體流動進行的數(shù)值模擬計算。內(nèi)圓臺到外圓臺之間的流動非常規(guī)則和均勻，同時側(cè)面的流動亦是如此，由此我們可以斷定在Re=50時，流動是穩(wěn)定的層流。

3.1內(nèi)、外圓臺同向旋轉(zhuǎn)

根據(jù)基本模型： 。當內(nèi)、外圓臺同向旋轉(zhuǎn)時，雷諾數(shù)為：。如同2.3的模擬計算流程，其中外圓臺的雷諾數(shù)設置的數(shù)值是100，內(nèi)圓臺設置的數(shù)值是50，因此這次模擬的雷諾數(shù)值是50。下面是所得到的結果圖：

左圖是內(nèi)圓臺的速度等值線，右圖是外圓臺的速度等值線。從圖中可以看出：內(nèi)圓臺的速度等值線整體小于外圓臺的值。

下面再來研究壓力、速度和Z軸的關系。

從圖中可以看出：在內(nèi)、外圓臺同向旋轉(zhuǎn)的情況下，壓力和速度與Z軸的近似線性關系仍是很好。與內(nèi)圓臺旋轉(zhuǎn)、外圓臺固定情況不同的是，速度和壓力的值都有所增大。雖然兩種情況的整體雷諾數(shù)值是相同的，但是在外圓臺也旋轉(zhuǎn)情況下，流體的速度和壓力的值都改變了，值變大了。

3.2內(nèi)、外圓臺異向旋轉(zhuǎn)

根據(jù)基本數(shù)學模型：。當內(nèi)、外圓臺異向旋轉(zhuǎn)時，雷諾數(shù)為： 。其中外圓臺的雷諾數(shù)設置的數(shù)值是50，內(nèi)圓臺設置的數(shù)值是50，因此這次模擬的雷諾數(shù)值是100。

當內(nèi)、外圓筒異向旋轉(zhuǎn)時，存在一個區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)流體的流動狀態(tài)是穩(wěn)定的層流。對于圓臺裝置，經(jīng)過模擬分析，我們發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)時，圓臺間的流體的流動狀態(tài)也是穩(wěn)定的層流。

經(jīng)由處理得到的壓力、速度和Z軸關系圖如下：

3.3三種模擬情況的對比

我們將上述兩種模擬結果與“內(nèi)圓臺旋轉(zhuǎn)，外圓臺固定”的情況作對比。

從上圖可以看出：三種情況下的速度遞減斜率幾乎相同。壓力的遞減斜率變化則比較大。

3.4展望

我們已經(jīng)知道流體的臨界流量對流體流動模擬的重要性，因此可以研究圓臺入口給出流體的入口速度。雷諾數(shù)Re、圓臺半徑R1、R2的關系，可以經(jīng)過一定數(shù)量的數(shù)值模擬，得到流速與以上幾個參數(shù)的無量綱化后給出。這對現(xiàn)實的實驗研究有著很重要的應用意義。

4.結論

通過對同軸旋轉(zhuǎn)圓臺間流體的運動做數(shù)值模擬，將模擬的數(shù)值結果進行處理后，畫出流體壓力和流速等關于旋轉(zhuǎn)軸Z軸的關系圖。結果表明：在低雷諾數(shù)時，內(nèi)圓臺旋轉(zhuǎn)、外圓臺固定，流體的流動狀態(tài)是穩(wěn)定的層流；當內(nèi)、外圓臺同向或者異向旋轉(zhuǎn)時，只要保持低雷諾數(shù)，流體就也仍是穩(wěn)定的層流；并且當內(nèi)外圓臺同向旋轉(zhuǎn)時，壓力和速度的值變化斜率較大，外圓臺固定時的壓力和速度的值變化斜率較小。

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