基于ADINA的隔膜流固耦合分析研究

【摘　要】隔膜是在封闭的隔膜室内往复工作的,这就给测试隔膜工作时的受力及变形状况带来很大的麻烦,因此有必要采用有限元分析的方法对隔膜的工作过程进行数值模拟,研究隔膜工作时的受力及变形情况.在本文中,针对隔膜工作过程,建立三维对称结构的隔膜腔及隔膜整体有限元模型,对其进行流固耦合分析,以期望得出模拟隔膜运动中应力和位移变化的合理数值模拟方法。

【关键词】隔膜;流固耦合;数值模拟

0.前言

隔膜把液压油和输送浆体隔离开来,使输送浆体无法外漏,同时避免了浆体中高腐蚀性、高磨砺性的颗粒性介质对泵体造成的损坏.隔膜使用寿命的长短直接关系到产品的性能和工作效率.而隔膜在封闭的室内往复工作,这就给测试工作时的受力及变形状况带来很大的麻烦。因此有必要采用有限元分析的方法对隔膜的工作过程进行数值模拟,研究隔膜工作时的受力及变形情况。目前,不考虑流体对隔膜的作用，隔膜结构件的有限元分析已有不少工作。但考虑隔膜真实工作时两侧流体影响的数值却鲜有报道。文献[1]将隔膜简化为壳单元,同时施加位移载荷作为隔膜运动的边界条件。文献[2]将隔膜简化为圆盘形状来进行分析,和隔膜实际形状出入太大。文献[3]对隔膜头部密封结构的密封性能进行了静态有限元分析,得出了一定的结果,然而实际工作是动态过程.文献[4]对真实几何模型做了二维轴对称结构的有限元分析。

在本文中,针对隔膜工作过程,建立三维对称结构的隔膜腔及隔膜有限元模型,结合真实工况对其进行流固耦合瞬态分析,最后针对两种不同的方法和结果展开对比,以此期望得出模拟隔膜运动中应力和位移变化的合理数值模拟方法。

1.隔膜橡胶材料的基础实验

橡胶材料不同于金属材料仅需要几个参数描述其材料特性,橡胶的行为复杂,材料机构关系是非线性的,简单依赖单向拉伸性能实验并不能完全描述材料,包括压缩及剪切在内的所有力学行为,为使隔膜的有限元分析和结构模拟接近工程实际,必须对橡胶材料进行包括拉伸、压缩、剪切及体积实验等在内的全部基础实验。

2.橡胶隔膜流固耦合分析

2.1 隔膜腔隔膜工作原理的几何结构

(1)实际隔膜工作时两侧受到液体的压力是不断变化的,而前人研究将液体的作用力简化为恒定不变的压力直接施加在隔膜内外表面上。

(2)实际隔膜工作时是三维结构,而将模型简化为二维轴对称结构与实际情况有一定的偏差。

(3)实际隔膜工作时的每一个周期内均有料浆吸入和排出的过程,同时进料口和出料口均存在一定的喂料压力和出料压力,而前人研究无法体现出这种实际工况对于隔膜运动和变形以及受力的影响。

鉴于上述方法存在的不足和局限以及隔膜实际工作时所处的工作环境及工况,对隔膜腔整体模型进行简化处理(如图1),考虑阀门的影响,以及进料压力和出料压力的作用,建立三维二分之一对称结构流固耦合模型,进行三维流固耦合分析。

2.2 隔膜流固耦合分析有限元模型的建立

建立三维二分之一对称结构隔膜腔整体流固耦合分析模型,流体部分模型和结构部分模型分别建立;不考虑金属导杆的作用;进出料处流体单元施加类似阀门功效的GAP特殊边界条件,通过GAP的开闭来控制流体的吸入和排除过程;在进出料处分别施加进、出料压力;将活塞位移引起液压油的推进过程用活塞缸入口的速度代替;流体及结构两侧对应耦合界面处分别定义流固耦合特殊边界条件.施加边界条件的隔膜流固耦合分析有限元模型如图2所示：

3.计算结果及分析

对整体模型进行流固耦合分析得出的一个周期不同时段的结果如图3所示：

最终时刻隔膜的受力云图如图4所示：

对一个冲次不同时刻的分析结果进行提取、整理分别得出隔膜位移、应力、吸入容积与时间函的关系.随着时间的推进，隔膜位移、应力及吸入体积均逐渐增大，同时当时间为0.65秒时隔膜应力迅速增大，到0.95秒时隔膜应力高达19.6MPa，应力过大容易导致隔膜过早撕裂，因此隔膜运动至0.65秒为一个冲次结束的时刻，按照该过程设计隔膜后，进行现场工业运行记录结果表明隔膜使用寿命大大提高，从而说明了流固耦合分析过程的正确性。

4.结论

通过对隔膜进行流固耦合分析的方法更符合实际情况,具体体现在以下方面：

(1)三维流固耦合分析方法反映了隔膜实际工作时两侧液体对隔膜的压力随时间变化的真实特性,而不考虑隔膜两侧流体作用力的二维隐式动力学分析方法将两侧液体的压力简化为恒定不变的压力,这导致隔膜的受力情况与实际情况有较大的偏差。

(2)流固耦合分析方法是三维模型,比二维轴对称结构模型更接近实际情况。

(3)三维流固耦合分析方法建立了整体隔膜腔结构的模型,考虑了进出料阀门开启关闭以及进、出料压力对于隔膜腔内流场变化的影响,更符合实际情况.而二维轴对称结构分析方法无法体现出这种实际工况对于隔膜运动和变形以及受力的影响。

(4)依照三维流固耦合分析方法修改隔膜一个冲次作用时间后的现场工业测试结果表明该方法有效地延长了隔膜的使用寿命。

因此,隔膜腔隔膜三维流固耦合分析方法能充分反映隔膜运动过程中的变形、位移、受力情况,对于隔膜的形状尺寸设计以及隔膜腔内流体的流场分布影响隔膜腔腔型的设计有一定的指导意义。　[科]

【参考文献】

［１］李振河.隔膜泵及其管道的技术研究[D].沈阳:东北大学,2008.

［２］陶自强.往复式隔膜泵隔膜设计及行程控制系统的研究[D].沈阳:东北大学,2008.

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