柔性软管在压力流体下的研究

《机械工程与自动化杂志》2014年第二期

1试验结果

通过现场逐渐加载，测量得到相应载荷下软管的长度，试验数据如表2所示，软管伸长量随载荷的变化曲线如图2所示。

2试验数据处理

根据软管试验数据，得出此结构所能承受的极限轴向脱出力为1900N。软管承受极限轴向脱出力时软管内壁所受的压强p（Pa）［2］为：其中：F为软管所受轴向脱出力，F＝1900N；S为软管径向截面积，m2。

3流体力学软件分析

以管路系统内部流场为研究对象，采用三维CFD软件Fluent计算分析流体沿管路的流动情况，得出管路壁面的压力值及管路内部速度云图。

3.1计算模型根据实际使用情况，利用SolidWorks分别建立了初始长度下和加压变形后软管的三维模型［3］，见图3，并将文件保存为＊．step格式。

3.2网格划分网格单元类型的选择关系到计算的精度和计算效率，采用CFD软件，结构的网格数量少，单元变形特性好，并且可以很好地控制流向性分布及边界层方向的正交性，具有其他网格无法比拟的优势［4］，初始流体模型和加压变形后流体模型的网格图如图4所示。

3.3计算方法对软管进行实体建模，采用Fluent软件分析软管内部流体的流动情况，结合静态拉伸试验结果，设置边界条件如下：①流量进口，速度为0．1m／s；②自由流射出口；③流体密度为1．225kg／m；④软管内径为其中：R为软管半径。对于3″软管，其半径为38mm，由式（1）和式（2）计算可得p＝0．45MPa，即软管可承受0．45MPa的压强。

3.4软管的压力场分析利用Fluent3D求解器对软管内部的流动区域进行求解，基于上述参数进行分析计算［5］分别求出初始状态和加压变形后的动态压力云图，如图5所示。通过压力云图5，可以得到以下结论：①不论是初始状态还是加压变形后，软管的入口段处压力明显较大；②从图5（b）可以看出，在浇注完成以后，管内充满流体，压力从进口端逐渐向软管中间传递，压力在流体内部出现显著变大现象，在出口端，随着压力传递的损失，压力逐渐减小；③弯曲软管内部压力从入口端面到出口端面呈阶梯状依次变化，这种压力梯度有利于流体在腔内流动，从而达到消减压力脉动的效果，这与文献［5］得出的结论一致。软管各段的压力值见表3。从表3中我们可以看出，在软管弯曲处，流体内部压力变化较大，其压力值高于进口端和出口端，在软管出口端，管壁趋于直段，因此流体压力和流速都没有显著的变化。

3.5软管的速度场分析在进口流体速度0．1m／s、出口为自由射流的工况下，浇注软管管路中流体的速度云图如图6所示。通过图6可以得到以下的结论：①浇注的过程中，在软管进口端会出现速度显著增大现象，在软管中间部分会由于管壁的弯曲导致流体速度的损失；②在浇注完成以后，管内充满流体，速度从进口端逐渐向软管中间传递，流体外部靠近管壁部分由于管壁的摩擦以及软管弯曲的影响其速度小于中间流体的速度，这与文献［6］得出的结论一致。

4改变内径后的软管分析

根据式（1）和式（2）可知，当软管的半径R减小以后，其承压能力会有所提高，之前我们分析的软管直径为Φ76mm，现在将软管直径改为Φ50mm，其他参数均保持不变，通过建模、划分网格、参数设定，经Fluent软件分析得到加压后流体的压力云图和速度云图如图7所示。根据分析结果，可以得出Φ50mm软管各处流体的压力和速度，如表4所示。表4中的数值显示，把软管直径改小到Φ50mm以后，在对应进口处、弯曲处和出口处的压力变化值均小于Φ76mm软管的参数值，因此在承压使用的情况下应尽量选用直径较小的软管。5结论通过对软管连接接头承载能力的实验，结合理论分析和Fluent软件的流场分析得出，在软管使用的过程中，压力变化集中在软管弯曲部分，因此要充分考虑软管的伸缩性以及工作压力等因素，使用时尽量选用直径较小的软管，其性能要优于直径较大的软管。

作者：周乐崔昭霞苏加光范文娟单位：内蒙古工业大学机械学院