流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用

流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用

0流固耦合仿真技术在中小企业中的应用流固耦合是流量和固体力学的一个独立力学分支。它的研究对象是固体在流场中的各种行为，以及固体变形或运动的轨迹的影响。流固结合模仿技术主要用于航空航天领域。随着技术的发展，应用范围扩大到石化、机械、能源等行业。其中，中小企业对该技术的应用需求最为紧迫。因此，对流固结合模仿技术在中小型企业中的应用具有深远意义和广泛的市场。在这项工作中，我们从三个方面解释了流固结合模仿技术在中小型企业中的应用。（1）在笑话机、齿轮泵、电机、风能装置等设备中，齿轮箱滑动、自我摩擦和滑轮设计；（2）各种液体空气阻滞器和石油挤出机的振动计算；（3）以板块太阳能换热器的热应力分析为例，模拟防冻液流在铜中流动，计算铜和板的温度分布，并在此基础上计算板太阳能换热器的热应力。最后，分析了流固结合模仿技术在中小型企业中的应用范围。1应用案例1.1流固耦合仿真技术由于变速齿轮箱的工作环境、承受载荷和相对运动速度不同,对润滑强度要求也不同.飞溅润滑是目前变速器润滑方式中的一种.在一定工作环境的情况下,某种结构所采用的飞溅润滑设计是否满足润滑强度的要求,可以通过流固耦合仿真技术,对飞溅润滑过程进行模拟,可以在设计方式确定之前获得润滑效果的评估,这样可以缩短设计周期,提高工作效率.本文采用Abaqus软件建立变速齿轮箱中齿轮和润滑油之间的流固耦合仿真模型,设置润滑油的材料参数和相应的边界条件,最后提交求解器进行计算.求解后得到变速齿轮箱飞溅润滑设计的润滑效果,见图1.由图1可以清晰地看出润滑油的飞溅状态,并评估其润滑强度.这对飞溅润滑方式的设计和润滑油使用量的确定具有很好的参考价值.1.2储液压力容器动态特性仿真分析压力容器的用途非常广泛,它在能源工业、石油化工、军工和科研等国民经济的各个部门都起着很重要的作用.压力容器由于密封、承压和介质等原因,很容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全以及污染环境的事故.因此,密封性和安全性是压力容器的关键性能.本文应用流固耦合仿真技术,研究在极限工况(冲击作用)下某储液压力容器中液体的晃动问题,获得压力容器表面所承受的压力,为其安全评估提供依据.采用FLUENT软件建立油箱以及油介质的仿真模型,定义油箱及介质的材料参数和冲击过程中的加速度及其他边界条件,最后提交流固耦合分析求解器进行计算.容器晃动过程中,不同时刻油箱壁所承受的压力见图2.由图2可知,最大流体压力为1634Pa,此结果与压力容器的规格相对应,可以分析极限工况下储液容器是否存在安全隐患.1.3流固耦合优化分析技术应用对于太阳能行业来讲,目前涉及到的主要问题是如何降低材料使用量和满足安全性,所涵盖的知识领域包括传热、流体、压力和机械强度等方面.因此,有限元仿真分析在太阳能行业中的应用越来越广泛,主要涉及以下方面.(1)传热方面的设计.主要涉及到集热器当中的热传导设计相关的问题.(2)机械强度计算及结构的优化设计.如太阳能安装过程中有很多需要安装支架,必要时须对支架进行满足要求的强度优化设计.(3)抗风阻设计.尤其是在高楼或者大风地区,要进行支架的抗风核算.本文以平板集热器条带的传热分析和热应力分析为例,说明流固耦合仿真分析在太阳能行业的应用.平板集热器条带的焊接形式见图3.以图3(b)形式为例,其实际结构见图4,集热管为铜管,上面为铝板.铜管直径为8mm,铝板和铜管为激光焊接,平板表面的单位辐射量为800W/m2,条带的吸收率为90%,防冻液在铜管中流动.平板集热器系统的简化物理模型见图5.在FLUENT中建立其流固耦合的传热分析模型,并设置铜管中防冻液的材料参数以及平板的热量吸收等,最后提交FLUENT进行计算求解.求解完成后,获得平板集热系统的温度分布场,见图6,并将温度分布和模型输出为Abaqus格式,用于平板集热系统的热应力分析计算.将FLUENT的温度计算结果导入到Abaqus中,计算平板集热系统从初始温度20℃,上升到FLUENT计算结果温度过程中的热应力.热应力分析结果见图7.综合以上分析,用FLUENT软件建立流固耦合分析模型,得到平板集热器的最终工作温度场,然后采用Abaqus软件计算温升过程中产生的热应力,后续可以根据此热应力进行平板集热器的热应力疲劳分析估算其使用寿命.此方法对于优化平板集热器的设计有很重要的指导意义.2基于流固耦合仿真分析技术的中小型企业设计通过列举几个比较典型的流固耦合仿真分析方法在一些中小型制造企业的应用,可以看出,在产品的设计阶段就能够通过计算机流固耦合仿真分析模拟出产品的工作状态,发现产品设计中存在的缺陷和问题,并可以给出产品设计的更改思路.在产品更新换代如此之快的今天,企业的生存发展之道就是不断推陈出新,且生命周期还要很短.该技术对于以传统设计方式为主,产品生命周期长的中小型企业是一个新的希望.但是,由于该技术应