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机械搅拌装置广泛应用于众多工业生产中,例如:采矿、食品、石油、化工、 医药、造纸、能源工业、城市及工业废水处理等过程,并且在工业过程中起着非常重要的作用。在工业运用过程中,搅拌桨叶的断裂破坏是机械搅拌装置失效的一种常见形式。随着搅拌设备的大型化,搅拌桨叶安全性、可靠性要求也越来越高。

本项目将采用基于MpCCI的流固耦合仿真技术。首先分别建立螺旋桨的流体和结构分析模型。流体计算使用CFD软件FLUENT。结构计算使用通用有限元软件ABAQUS。使用MpCCI软件作为耦合仿真工具,实现FLUENT与ABAQUS在之间的数据传递。

模型准备:

搅拌槽及搅拌桨结果如下图所示。搅拌桨共有两片,形状均为长方体,长度不等,分别为25mm和20mm。搅拌槽为圆柱形,在搅拌槽的内壁均部四块挡板。

 

搅拌桨和搅拌槽CAD模型图

流体模型:

FLUENT流体计算模型如下图所示。由于需要考虑桨叶搅拌槽内的瞬时情况,所以需要使用FLUENT动网格技术。在划分流体网格时,将流体区域划分成两部分,桨叶周围设为动网格区域,两部分区域用Interface连接。

流体网格模型

在Fluent中采用基于压力的求解器,湍流模型采用k-omega模型。

结构模型:

项目中,以搅拌桨的桨叶表面作为耦合面,所以在结果模型中,仅对螺旋桨的各桨叶进行网格划分。如下图所示。在桨叶表面创建表面集合,以便使用MpCCI进行耦合计算时,能够识别出耦合面位置。

结构网格模型

结构材料为各向同性的弹性材料,材料参数如下表所示。

结构模型物性参数表

在ABAQUS中,在叶片的旋转中心设置RP,用多点约束MPC将两桨叶与转动轴的接触面连接起来。这样,应可以以控制RP点的运动来控制桨叶大的运动。在RP上施加X,Y, Z,RX、RY约束,RZ方向角速度。

MPC连接方式

结果分析:

结构分析结果如列图表所示:

桨叶位移

桨叶位移云图

由于最大位移出现喜在叶梢位置,在结构分析中,分别取两组桨叶的叶梢上的一个节点,作为观测点,用以叶梢随时间变化的位移情况。

结论:通过上述仿真工作可以看出,使用基于MpCCI流固耦合的分析思路,可以建立起接近实际工况的搅拌桨工作模型,通过该模型的仿真结果,可以对搅拌桨在工作时的动力学响应有直观了解。