数值仿真范文
时间：2023-03-21 22:04:07
数值仿真范文第1篇
摘要：
对一种潜入式可抛喷管进行强度分析和流场仿真，强度仿真结果揭示了燃气压强作用下可抛喷管的应力分布，流场仿真结果揭示了燃气经由可抛喷管排出时的流场特征，结果表明可抛喷管整体结构设计能够满足要求。研究中模拟了环形切割器工作对冲压喷管被剪切部位的作用和影响，对模拟仿真结果与环形切割器功能验证剪切试验结果进行了对比分析，认为壳体剪切部位须设计一定厚度的台阶。数值仿真结果有助于可抛喷管的结构优化设计。
关键字：
可抛喷管；环形切割器；数值仿真；优化设计
本文提出一种潜入式可抛喷管方案。该方案中可抛喷管通过连接件紧固连接于冲压喷管之上，在助推器工作时稳定工作，发动机转级时依靠级间分离机构可靠抛除。冲压喷管为助推补燃室的一部分，可抛喷管抛除后，冲压喷管满足发动机冲压级的工作要求。对潜入式可抛喷管进行了强度分析和流场仿真，强度分析和流场仿真的结果能够为工程设计提供参考和依据。模拟分析了环形切割器的工作对剪切部位的作用和影响，并对比试验结果进行数据分析，为可抛喷管结构优化提供依据。
1可抛喷管强度仿真
1.1可抛喷管模型潜入式可抛喷管的物理模型如图1所示。模型包含金属壳体、绝热层、喉衬等部件。
1.2计算网格喷管模型为轴对称结构，对其进行网格划分，网格数量为40万，具体的网格划分如图2所示：
1.3材料属性定义喷管模型由三种材料构成，其属性参数如表1所示。金属壳体的材料为30CrMnSiA，绝热层的材料为高硅氧/酚醛，冲压喷管和可抛喷管喉衬的材料为石墨。
1.4载荷和边界条件强度计算中，载荷为内压载荷，载荷的设置依据实际工况中内压的极值，在此基础上给定足够的安全系数f=1.5，喷管扩张段给定相对较小的压强，外部压强设为零，这样的设置可以保证计算结果的相对保守。边界条件的设置包括两个部分：1）过轴线截面的对称；2）模型前端面的固支载荷。
1.5计算结果分析载荷施加到模型上，模型就会产生变形，当载荷超过一定的限度时，模型就会产生过度变形或破坏，与变形和破坏相对应的就是材料的刚度和强度。为了保证机构正常工作，要对模型的强度和刚度提出如下的要求：1）强度要求，在规定载荷的作用下，结构最大应力应当不大于许用应力，即结构应当有足够的抵抗破坏的能力；2）刚度要求，在载荷的作用下，结构即使有足够的强度，但是如果变形过大，仍然不能正常工作，即机构应当有足够的抵抗变形的能力。这里的强度仿真主要考查模型的强度和刚度。壳体上的最大应力值为710.7MPa（端面固支载荷处应力值不计在内），安全系数f=1.5已经体现在内压载荷上，所以壳体的设计应力σsj=710.7MPa。对于壳体材料30CrMnSiA，其抗拉强度极限为1080MPa，壳体计算富裕系数n=1.52。绝热层上的最大压应力值为87.9MPa。同样的，由于安全系数f=1.5已经体现在了内压载荷上，即有绝热层设计应力σsj=87.9MPa。对于绝热层材料高硅氧/酚醛，其抗压强度极限为200MPa，绝热层计算富裕系数n=2.28。石墨喉衬上最大应力值为48.9MPa，同样的，安全系数f=1.5已经体现在内压载荷上，即有喉衬设计应力σsj=48.9MPa。对于内衬材料石墨，石墨的强度极限为70MPa，石墨喉衬的计算富裕系数n=1.43。由U1（轴向）、U2（径向）两个方向的总移图，可知在X、Y两个方向的总移的最大值均不大于1mm，整个机构上没有出现过大的变形，机构能够正常工作。最为关注的密封面上，相配合的两个面几乎不存在相对位移，密封圈能够起到较好的密封效果。
2可抛喷管流场仿真
2.1计算网格对喷管模型进行流场计算时，我们主要关注燃气的流道，而不过多关心喷管壳体的外部构型。可抛喷管与冲压喷管之间形成了一个背腔，背腔内部的流动情况也是关注的一个方面。由于喷管模型的对称性，取截面的一半作为二维模型，这样结构更加简单，可以在同样的网格密度的情况下减少网格的数量，既不影响计算结果的正确性又能降低计算成本。网格的划分如图9所示，采用结构网格，近壁处以及速度梯度变化大的区域的网格进行局部加密处理。
2.2求解器和边界条件本次计算中选择密度基耦合求解器隐式方式，以矢量方程求解连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程，通过状态方程得到压强，其他标量方程按照分离方式求解。由于网格为二维结构化网格，对流项的差值方法采用一阶精度既能保证计算的精度又易于收敛，梯度选项选择Green-GaussCellBased，残差收敛条件设置为10-5，湍流模型选择Standardk-e模型。
2.3流场仿真及结果分析1）本次计算中，入口边界压强设置为9MPa，即有总压P0=9MPa，喷管出口处的总压均值约为8.05MPa，总压恢复系数约为0.895。2）本次计算中，入口边界温度值设为3200K，由计算结果知，出口平均温度约为1500K。3）由计算结果可知，喷管出口速度最大值约为2480m/s，平均速度约为2300m/s。4）由背腔内部的速度矢量分布图可知，所关心的背腔内部涡流并没有想象中的那么剧烈，背腔内部的燃气速度基本都低于5m/s。
3可抛喷管剪切试验模拟仿真
3.1可抛喷管剪切部位模型潜入式可抛喷管通过销钉与助推补燃室冲压喷管连接，剪切部位模型如图11所示，通过仿真软件仿真计算前对模型进行简化，如图12所示。通过调整保留部分和剪切部分的壳体厚度来改变可抛喷管剪切部位及其相邻部位的状态，针对不同状态的壳体进行仿真计算，对比计算结果与试验结果，为剪切部位结构优化提供依据。
3.2环形切割器剪切行为模拟模型中剪切部分厚度均为2.5mm，保留部分与剪切部分间设有台阶，台阶厚度为0mm-10mm不等，通过仿真软件模拟环形切割器对不同状态壳体的作用和剪切部位的影响。对比分析图13-图18认为，当壳体剪切部分厚度为2.5mm，台阶的厚度越厚，则环形切割器工作时对壳体保留部分的影响越小，保留部分壳体沿径向的变形越小。
3.3环形切割器剪切试验环形切割器剪切试验共完成了4发，均为常温状态。试验中工装壳体切割部分厚度为2.5mm、3mm和3.5mm，台阶厚度均为9mm。
3.4剪切试验模拟仿真结果分析对比分析试验结果和模拟仿真结果，认为试验壳体台阶厚度越大，环形切割器工作对壳体造成的变形越小。由于可抛喷管保留部分壳体上模压粘接着高硅氧/酚醛复合绝热材料，环形切割器工作对壳体造成的变形过大时，会导致复合绝热材料与保留部分壳体脱粘，影响冲压发动机的正常工作。四次剪切试验中，壳体台阶厚度为9mm时，环形切割器工作时保留部分壳体变形量非常微小，可满足设计要求。参考不同厚度的壳体台阶在模拟仿真中变形量（如表3所示），分析认为台阶厚度设计为6mm-10mm时，壳体变形量可满足设计要求，这一结论为可抛喷管结构优化提供了依据。
4结论
本文通过对所设计的潜入式可抛喷管进行仿真分析，得出如下的结论：1）强度仿真结果揭示了可抛喷管的应力分布，结果表明喷管本体及其连接部位均满足结构强度设计要求，在设置足够的安全系数的情况下，仍具有一定的计算富裕系数。2）由流场仿真结果可知，喷管型面结构能够满足性能要求。潜入式喷管的背腔内部存在涡流，涡流速度较小，对喷管性能影响不大。3）喷管剪切位置附近台阶厚度设计为6mm-10mm时，壳体变形量可满足设计要求，可抛喷管优化设计时台阶厚度须大于6mm。
参考文献：
[1]傅德彬.数值仿真及其在航天发射技术中的应用[M].北京：国防工业出版社，2011.
[2]王定军，宋会玲，刘伟.冷气推进器流场仿真与分析[J].火箭推进，2010，36（2）：36~39.
[3]张硕，王宁飞.固体火箭发动机喷管及出口处流场特性的数值分析[J].弹箭与制导学报，2007，27（1）：177~180.
[4]宋大明，周长省.固体火箭发动机瞬态内流畅数值仿真[J].弹箭与制导学报，2010，30（6）.
[5]刘敦启，张泽远.固体火箭发动机长尾喷管内衬烧蚀流场分析[J].弹箭与制导学报，2011，31（2）：27~29.
[6]曹军，房雷，吴川.某固体火箭冲压发动机绝热层传热烧蚀数值仿真研究[J].航空兵器，2011，（3）.
[7]孙得川，由旭.发动机引流推力矢量方案的内流畅分析[J].航空兵器，2014，（5）.
[8]王定军，宋会玲，白少卿，魏超.减压阀节流口流场仿真和分析[J].火箭推进，2009，35（6）：37~4.
数值仿真范文第2篇
关键词：近场声全息；统计最优；重建精度；频率
1 概述
自Williams等提出近场声全息（nearfield acoustic holography， NAH）方法以来，经过三十多年的发展，该方法已广泛应用于汽车、船舶和航空等多个行业中[1，2，3]。其中，统计最优近场声全息（statistically optimized nearfield acoustic holography， SONAH）作为一种典型的局部NAH方法，避免了传统的如基于空间Fourier变换的NAH方法等要求全息测量面大小至少大于整个噪声源[4]。可以使用比声源面积小的阵列进行测量，因而对于结构较大的声源可大大地减少测量工作量。
影响SONAH方法声场重建精度的原因有很多，主要有重建频率、测量面大小及间距、重建距离和信噪比等[1，4]。文章主要针对频率变化对SONAH方法的重建精度进行了仿真分析，研究了频率对重建精度影响。
2 统计最优近场声全息基本原理
声场中任意一点的声压可以表示为全息面N测量点上复声压的线性叠加，设全息面H位于平面z=zH处，共有N个测量点，则可得
3 数值仿真
目标声源为球心分别位于直角坐标系（0，0，0.15）和（0，0，-0.15）两个相同脉动球源组成。脉动球的半径为0.05m，表面振速为1m/s。全息测量面位于z=0.25m处，测量间隔为0.05m，全息面大小为1m 1m，重建面位于z=0.25m处。空气中声传播速度为343m/s，密度取1.29kg/m3。
为了能够更直观的显示SONAH的重建效果，在重建频率为1000Hz时，对目标声源声场进行了可视化重建。其中，目标声源在重建面上的理论值如图1所示，图2为采用SONAH方法时的重建结果。从图1和图2的对比容易看出，SONAH方法可有效的重建出目标声源声场，只有在全息测量面边缘附近误差较大，而对于重建面的主要关心区域，即重建面中间部分，重建效果良好。
为进一步研究重建频率对重建精度的影响，在100Hz～3000Hz范围内对SONAH方法进行了数值仿真研究。计算了其总体相对误差，总体相对误差定义为：
从总体上看，随着频率的增大，总体相对误差呈现逐渐升高的趋势。在100Hz～300Hz范围内，相对误差最小，不超过3%；在400Hz～2500Hz范围内，总体相对误差大多在5%处上下波动，且波动较小。但当频率超过2500Hz后，总体相对误差具有明显上升的趋势；当重建频率到达3000Hz时，总体相对误差已长升高到15.7%，重建精度明显恶化。以上可以看出，SONAH方法比较适用于在中低频率进行重建。
4 结束语
通过仿真验证了SONAH方法能够有效的重建目标声源的声场。重建频率对重建结果有着重大的影响，总的来看，在低频段范围内的重建精度较高；而在中高频段，尤其是超过2500Hz后，重建精度明显恶化。因而，在实际应用中，应尽量选择中低频段内进行重建，以保证重建精度。
参考文献
[1]Maynard J D，Williams E G，Lee Y. Near field acoustic holography： I. theory of generalized holography and the development of NAH [J].Journal of the Acoustical Society of America，1985，78（4）：1395-1413.
[2]何元安，郑四发，李兵，等. 基于平面声全息的全空间场变换：水下大面积平面发射声基阵的近场声全息实验[J].声学学报，2003，18
（1）：45-51.
[3]李运志，高志鹰，汪建文，等.基于SONAH的水平轴风力机风轮噪声源识别[J].工程热物理学报，2014，35（7）：1334-1337.
[4]Steiner R， Hald， J. Near-field acoustical holography without the errors and limitations caused by the use of spatial DFT[J]. International Journal of Acoustics and Vibration[J]. 2001，6（2）：83-89.
[5]Hald J. Basic theory and properties of statistically optimized near-field acoustical holography[J]. Journal of the Acoustical Society of America，2009，125（4）：2105-2120.
数值仿真范文第3篇
关键词：注塑成型； 暂态冷却； 变模温； 熔接痕； Moldex 3D
中图分类号：TQ320.66；TB115.1 文献标志码： A
Numerical simulation on injection molding of
variable mold temperature
MIAO Lilei, XIE Pengcheng, YANG Weimin
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)
Abstract： Due to the issue that the classical constant mold temperature control technology easily leads to the defects on the plastic part surface, such as weld line, flow mark and depression, the flow analysis on a typical diecavity is performed by Moldex 3D, and the weld line position is predicted; the pressure maintaining and cooling effect of traditional cooling technology and variable mould temperature technology is compared by the transient cooling module of the software, which takes the method of changing cooling way and injection time. The analysis results show that the variable mold temperature technology can improve product quality without reducing production efficiency.
Key words： injection molding; transient cooling; variable mold temperature; weld line; Moldex 3D
作者简介： 苗利蕾(1983―)，女，山东苍山人，硕士研究生，研究方向为微分注塑成型过程的数值模拟，(Email)；
谢鹏程(1979―)，男，湖南会同人，副教授，博士，研究方向为高分子材料成型加工理论及设备，(Email)0引言
随着家电、通信、消费电子、汽车内饰和光电等产业的发展，消费者对塑料制品提出壁厚更薄、结构更复杂、表面更美观以及强度更高等要求.传统的注塑成型技术通常采用恒定模温控制技术，但低模温会导致聚合物熔体在充模流动过程中提前冷却，从而在型腔壁形成冷凝层，阻碍熔体的成型，降低熔体的充模能力，难以应用于成型透明度较高的光学产品、表面具有微结构的塑件以及强度较高的复合材料制品等.［1-4］同时，聚合物熔体过早冷却还将导致塑件表面产生熔接痕、流动痕和凹陷等表面缺陷,极大地降低产品的表面质量，需要用打磨和喷涂等后续工序加以掩盖,不仅增加生产成本和能源消耗，还会污染环境，危害操作人员的健康.提高模具温度后，虽然可以提高产品表面的外观品质，但容易产生翘曲、下陷和尺寸精度不够等现象，同时延长成型周期，增加生产成本.［5］
在注塑成型过程中，对填充过程进行数值模拟可预测实际注塑过程中可能出现的缺陷、优化模具结构设计、调整工艺参数和有针对性地制订解决方案，达到减少材料浪费、降低生产成本、提高产品质量和市场竞争力等目的.
1变模温技术原理
变模温技术又被称为快速加热冷却技术，其基于动态的模温控制方式，根据不同工艺阶段的特点和要求随时调整模具温度，从而解决常规注塑工艺存在的熔接痕、喷射痕、流动痕、翘曲和浮纤等缺陷.在熔体充填型腔阶段，在冷却水路中通入高温蒸汽或高温油提高模具温度，从而提高熔体的流动性，大幅提高成型制品的品质，使熔体填充到普通注塑成型不易填充的区域；同时在冷却阶段，通过通入冷却水迅速降低模具温度，减少冷却时间，缩短注塑成型周期，从而在不影响注塑生产效率的基础上，彻底消除熔接痕、流动痕和凹陷等缺陷，有效提升塑件表面的光泽度，提升注塑件的品质，省去对环境污染严重的二次喷涂等后续工序.目前，变模温技术主要用于薄壁注塑成型、高光注塑成型和微特征产品等.
现有的变模温技术主要有快速加热冷却(rapid heat cycle molding)、脉冲式冷却(pulsedcooling)和水管温度的冷热切换等，但仍较多采用传统的冷却方式，即利用冷却管道中的冷却介质以热传导的方式将热量带走，其加热技术主要有蒸汽式加热、电热式加热［6］、火焰加热［7］、气体加热［8］、感应加热［9］和红外线加热［10］等.
2研究方法
2.1基础建模
采用SolidWorks绘图软件，构建填充模型，见图1.该模型中，经浇口进入型腔的两股流动的熔体相碰撞，使熔体分子链沿厚度方向而不是沿充模主流方向上取向，从而在圈出部分形成熔接痕.在Rhinoceros中对模型进行网格前处理，设定initial mesh size为0.8，节点数为36 291个，三角形网格单元数为12 874个，四面体实体单元数为86 227个（与SHELL网格相比，SOLID网格能更好地模拟熔体在型腔中的流动波前，故采用SOLID网格）.冷却水路布置以及参数设定见图2和3，冷却水路的直径为8 mm.图 1基础建模
Fig.1Fundamental
modeling图 2冷却水路布置
Fig.2Layout of cooling
water channels图 3冷却水路参数设定
Fig.3Parameter set of cooling water channels
2.2模型参数
模型塑件尺寸为30.00 mm（长）×28.00 mm（宽）×3.00 mm（厚），模具尺寸为37.22 mm×35.23 mm×31.18 mm ，模穴体积为1.304 7 cm3，模座体积为36.124 9 cm3，冷却水管体积为3.451 85 cm3.所用材料为ABS_POLYLACPA756S(CHIMEI).
2.3需解决的问题
采用传统注塑方法单浇口进浇时，因产品壁厚较薄，易在熔体对接区域产生熔接痕，熔接痕的出现将降低该处的充模质量，进而影响该处的力学性能.为提高浇口处和熔接线处温度，设定如图2所示的冷却管路布置，一方面可延缓浇口固化、增加保压补缩，另一方面可提高熔接线处熔体的温度，提高该处的力学强度.
2.4黏度
流体流动阻力随黏度变化，黏度越高，流动阻力越大，流动越困难.对一般热塑性塑料，黏度是塑料成分、温度、压力和剪切率的函数.就温度效应而言，热塑性塑料的黏度一般随温度升高而降低；就剪切率的效应而言，剪切率越高，代表加工变形的速率越大.高分子链被排向，使大部分塑料具有黏度随剪切率升高而下降的切变致稀性.
2.5PVT关系
塑料的质量体积或密度是相对状态、温度和压力等的函数，一般而言，可利用状态方程式或PVT方程式进行定量计算.模式参数由试验取得，代入此类经验公式中即可求得塑料在某温度和压力下的质量体积或密度值.ABS_POLYLACPA756S材料的黏度和PVT关系分别见图4和5.
图 4材料的黏度
Fig.4Viscosity of material图 5材料的PVT关系
Fig.5PVT relationship of material2.6比热容和热导率
将单位塑料温度提高1 ℃所需的热量是塑料温度容易改变与否的度量，比热容越高，塑料温度越不易变化；热导率是塑料热传导特性的度量，热导率越高，热传导效果越佳.塑料在加工过程中温度倾向均匀，不会因热量局部堆积而产生热点.热导率以及比热容关系到塑料热传导、冷却性质，亦影响到冷却时间的长短.材料的比热容和热导率见图6和7.
图 6材料的比热容
Fig.6Specific heat capacity of material图 7材料的热导率
Fig.7Heat conductivity of material
3分析参数及结果讨论
3.1分析参数
在Moldex 3D分析软件中设定的分析参数见表1，通入蒸汽温度为200 ℃.
表 1分析参数
Tab.1Analysis parameters方式普通冷却变模温1变模温2冷却水温度/℃303540455030354045503035404550注射时间/s0.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.10.10.10.10.1保压时间/s2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.0冷却时间/s3.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.0通入蒸汽时间/s〖7〗1.01.01.01.01.00.30.30.30.3〖〗0.3通入冷却水时间/s5.55.55.55.55.54.54.54.54.54.54.54.84.84.84.8
3.2分析结果讨论
图 8模型中熔接痕位置
Fig.8Position of
weld line
in model模型中熔接痕位置见图8.图9中，由浇口压力1和2比较可得，与普通冷却方法相比，当注射时间相同时，采用变模温方法将降低浇口压力，同时会减小熔接痕处的压力；由浇口压力2和3比较可得，缩短注射时间将提高浇口压力，同时会提高熔接痕处的压力；由曲线熔接痕处压力1，2和3可得，当冷却水温度为40 ℃时，熔接痕处压力最高.冷却水温度与熔接痕处温度关系见图10.其中，1为普通冷却，2和3均为变模温，其工艺参数见表1.在图9中，由熔接痕处压力1曲线得，提高冷却水温度可提高熔接痕处的温度；由熔接痕处压力1和2曲线比较可得，在注射阶段通入蒸汽可提高模具局部温度，即采用变模温技术可提高熔接痕处温度；通过查看熔接痕形成时的温差，可判断熔接痕的质量，熔接痕处的温度越接近注射温度，熔接痕质量越好；熔接痕处压力越高，温度越高，制品产生熔接痕处的力学性能越高.根据图9和10，当注射时间为0.1 s，通入蒸汽时间为0.3 s，冷却水温度为40 ℃时，制品熔接痕处力学性能最好、熔接痕质量最高.图 9冷却水温度与型腔压力的关系
Fig.9Relationship between cooling water temperature
and diecavity pressure
图 10冷却水温度与熔接痕处温度关系
Fig.10Relationship between cooling water temperature
and weld line temperature4结论
(1)数值模拟可采用数学方程式描述系统中各变量之间的关系，同时在系统软件的支撑下研究不同工况下的温度场，具有准确可靠、灵活多变、速度快等特点；但应根据实际情况判断模拟结果的可用性并综合模拟结果，得出理论最佳注射工况以指导实际生产.
(2)在分解温度以下适当提高熔体与模具温度，较高的模具温度可使熔体在模具型腔中的流动性增加，但增加熔体温度和模具温度会使成型周期延长.
(3)适当提高注射压力和保压压力，适当加快充模速度或减少注射时间，可提高熔接痕处的压力.
(4)变模温技术利用蒸汽加热，使模具表面维持较高温度，在不影响注塑生产效率的基础上，消除熔接痕、流动痕和凹陷等缺陷，有效提升塑件表面的光泽度，提升制品品质.
参考文献：
［1］RHEE B O, KIM C S, LEE K, et al. Evaluation of momentary mold surface heating(MMSH) process［C］ // SPE. Proc ANTEC 2005, 2005: 3538.
［2］KIM D H, KAN M H, CHUN Y H. Wonder injection molding with momentary mold surface heating (MMSH) process［C］ // SPE. Proc ANTEC 2000, 2000: 38413844.
［3］CHEN Ming, YAO Donggang, KIM B. Eliminating flow induced birefringence and minimizing thermally induced residual stresses in injection molding part［J］. Polym Plast Technol & Eng, 2001, 40(9): 491503.
［4］CHEN ShiaChung, JONG WenRen, CHANG Jenan. Dynamic mold surface temperature control using induction heating and its effects on the surface appearance of weld line［J］. J Appl Polym Sci, 2006, 101(2): 11741180.
［5］王桂龙, 赵国群, 李辉平, 等. 变模温注塑技术的研究与应用分析［J］. 机械工程学报, 2009， 45(6): 217221.
WANG Guilong, ZHAO Guoqun, LI Huiping, et al. Study of variotherm injection molding technology and analysis on its application［J］. J Mech Eng, 2009, 45(6): 217221.
［6］WESTHOFF R. Conformal cooling on the advance［J］. Kunstsoffe Int, 2006(8): 14.
［7］KIM D H, KAN M H, CHUN Y H. Development of a notebook PC housing by using MMSH(momentary mold surface heating) process［C］// SPE. Proc ANTEC 2001, 2001: 33473350.
［8］HATCH D, KAZMER D, FAN B. Dynamic cooling design for injection moulding［C］ // SPE. Proc ANTEC 2001, 2001: 428432.
［9］CHEN S C, PENG H S, CHANG J A, et al. Simulations and verifications of induction heating on a mold plate［J］. Int Commun Heat & Mass Tran, 2004, 31(7): 971980.
数值仿真范文第4篇
Abstract: With the development of city economy, there are more and more underground engineering as subway, Shielding construction make the surrounding buildings and pipelines releasing its foundation stress, or for the influence of additional stress, the foundation settlement or uplift will appear, the deformation depend on the effective distance，area of the construction, etc.
关键词： 地下工程；地基沉降；盾构施工
Key words: underground engineering；foundation settlement；Shielding construction
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）21-0090-03
1 关于Ansys有限元软件
1.1 ANSYS简介 ANSYS是目前广泛应用于机械工程领域的数值分析软件，通过在计算机上模拟现场的各种条件，通过节点间的连接模拟构件的实际受力情况，通过加载受力，在计算机上提前预测各种不利效应，从而判断该结构是否满足安全、使用要求。
1.2 ANSYS软件主要功能 ANSYS软件能模拟大部分物理力学作用，可广泛的用于地下工程、航空航天、机械摩擦和制造、物理碰撞、桥梁施工、温度效应、大型水利工程、等诸多专业学科。能对结构进行自适应单元划分，从而进行非线性分析，通过对参数的调整，确定各影响因素的敏感性，对各种设计方案进行优化，从而在实际应用中，通过各种物理化为作用，对敏感度高的影响因素重点改进，对耗费经济少，功效较高的影响因素重点优化，确定最优设计方案。
在盾构施工中，由于土层的受力比较复杂，根据经验难以断定地层的损失量，采用过于保守的设计会加大工程造价，通过ANSYS模拟盾构隧道施工全过程，可以有效的控制工程造价，保证地下工程施工安全。
2 盾构隧道分析
采用四结点单元划分网格如图2所示：
首先我们研究盾构开挖时所产生的沉降变形，由于衬砌单元具有很强的刚度，开挖过程中并没有衬砌单元的存在，于是先采取单元生死技能杀死衬砌单元便可以得到，要激活“单元死”的效果，ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度矩阵乘以一个很小的因子[ESTIF]。从而不对载荷向量生效。
从云图4可以看出，地表沉降在隧道盾构正上方处沉降量最大，离正上方水平距离越远，沉降越来越小，成正态分布，下面采用peck理论公式计算进行对比。
Peck公式为：Sx＝Smaxexp（-x2/（2i2））
式中：Sx——x处的沉降量。
x——离中线的水平距离；
Smax——中心处的最大沉降值；
i——宽度系数。
最大沉降量采用下式估算：
Smax=Vs/（sqrt（2∏）i）
Vs——盾构引起的地层损失；
i——沉降槽的宽度系数。
计算结果显示，沉降呈正态分布，根据数据作图如5所示。
由云图6可以看出，在盾构周围有较大的应力，为了保证盾构隧道的强度，及时给盾构后的四周支护衬砌。激活衬砌单元，使衬砌的刚度发生作用，目前的地铁施工中，采用拼装管片的方法使圆形管片形成封闭的衬砌环，可以得到后续第二步变形如图7所示。
从云图7可以看出，衬砌的激活对沉降并没有什么影响，衬砌的目的是用了加强隧道壁的刚度的。
按一层楼1.8KN/m2的恒重加载，分别在隧道上方加5层楼和3层楼的荷载，每层楼按100m2折算。
由图9可以看书，加载后，地面沉降有所加强，地铁通常在城市施工，建筑物较为密集，周边建筑物产生的荷载要大的多，为了减小盾构隧道对地面沉降的影响，减小地面建（构）筑物及地下管线受到的破坏，我们对土体进行加固处理，使土层的承载力增大，粘聚力变大，抗剪切强度得到提高，摩擦角增大，实际施工中有采用高压旋喷桩、水泥搅拌桩、高压注浆等方法。
根据图10、11对比未加固土层的云图可以看到，土层经过加固后，变形有了改善，只是在隧道正上方可以看到比较明显的变形，符合peck公式的理论分析结果。
参考文献：
[1]朱伟（译）.隧道标准规范（盾构篇）及解说.北京：中国建筑工业出版社2004.1 96～172.
[2]覃仁辉，隧道工程.重庆：重次大学出版社.2001,1～6.
[3]沈培良，张海波，殷宗泽．上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析[J]．河海大学学报（自然科学版），2003，31.556～559.
[4]张海波，殷宗泽，朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元分析.岩石力学与工程学报,2005,24期755～760.
数值仿真范文第5篇
为研究网格尺寸、加载速率及仿真试件的单元数和单元长度等对夹层板压皱性能的影响，用Abaqus对UI形折叠式夹层板的压皱性能进行数值仿真，提出精度高、效率高的数值仿真模型化技术，分析不同变形模式和夹层结构尺寸对压皱性能的影响.结果表明：变形模式是决定夹层板压皱性能的关键因素；不同的结构参数组合会形成不同的变形模式，进而影响结构的压皱载荷和吸能特性；存在较优的夹芯壁厚、高度、间距和夹角的尺寸组合使夹层结构的吸能效率较优.
关键词：
折叠式夹层板； 压皱性能； 模型化技术； 变形模式； 结构参数； 吸能
中图分类号： U663.94；TQ328.7
文献标志码： B
0引言
夹层钢板是具有层状结构的复合板材，具有比强度高、比刚度大、密度低、减振、隔音隔热以及耐腐蚀性高等优点，广泛应用于航空航天、建筑、电机电器以及防护工程等行业，特别适用于各种防撞缓冲结构.[14]近年来，各国相继开展船舶结构夹层板设计、制造和性能等方面的研究，目的在于设计出性能优良、成本低廉、施工方便和安全可靠的船舶结构.
金属夹层板按其夹芯类型可分为蜂窝式、折叠式、桁架式和混凝土夹层板等.夹层结构是连接上、下面板的中间结构，对夹层板的力学性能尤其是吸能特性起关键作用.[4]夹层结构在横向压力作用下的动态响应是影响夹层板结构在冲击载荷下动态性能的关键因素之一，国内外学者先后对各式夹层在冲击载荷下的动态损伤机理和能量吸收展开研究.LEE等[5]分析金字塔桁架结构在冲击压力作用下的动态响应，认为材料应变率硬化、微惯性（micro inertia）对夹层结构的能量吸收有显著影响；XUE等[6]和VAZIRI等[7]采用简化理论，分析四边形蜂窝、折叠和桁架式夹层结构的动态压溃响应；TILBROOK等[8]对折叠式、Y形夹层结构动态压溃响应进行试验，并与数值仿真结果对比；AKTAY等[9]提出几种数值仿真分析技术，对Nomex蜂窝式夹芯结构动态压溃行为进行分析，并进行准静态压缩试验；COT等[10]通过数值仿真和试验研究分析金属蜂窝式夹层横向压溃性能，基于夹层单元弹性和塑性屈曲提出简化理论分析模型，并与试验分析结果对比，二者吻合较好.
本文利用Abaqus对UI形夹层板结构进行数值仿真分析，通过研究网格尺寸、加载速率、变形模式以及试件长度和宽度等对压皱性能的影响，提出分析精度高、效率高的数值仿真模型化技术；同时，研究夹层结构尺寸对压皱性能的影响.
1有限元数值仿真对比分析
数值仿真范文第6篇
参考.
关键词:弹丸; 气动力分析; 外流场; 稳定性; FLUENT
中图分类号:TJ410.3;TB115
文献标志码:B
Numerical simulation on outer flow field of
projectile based on FLUENT
WANG Xiaobing, LI Jing, LIAO Zhongquan, WANG Weibao
(Anhui Shenjian Sci. & Tech. Co., Ltd., Hefei 230022, China)
Abstract: To optimize projectile structure design, FLUENT Gambit is used to establish a numerical simulation model for the outer flow field of a projectile, the mesh of the model is built, and the numerical simulation is performed by FLUENT on the outer flow field of the projectile to obtain the aerodynamic parameters. The stability and the estimated shot range obtained by the simulation results are in good agreement with the test results. So it is feasible and effective to design the aerodynamic profile of projectile using numerical simulation method and the simulation results can provide some references for the design solution.
Key words: projectile; aerodynamic analysis; outer flow field; stability; FLUENT
な崭迦掌:2009-09-10 修回日期:2009-10-21
作者简介: 王晓兵(1972―),男,安徽岳西人,工程师,研究方向为弹丸总体设计,(E-mail)0 引 言
气动力外形设计的优劣直接影响弹丸的射程、飞行稳定性及其作战效能.[1]传统气动力外形设计方法在对不同设计方案进行风洞试验综合分析的前提下得到最优的设计方案.[2]该方法设计周期长、效费比低的缺点已不能适应现代武器设计的要求.数值仿真在一定程度上可以代替风洞试验,并且可以模拟风洞试验无法模拟的条件,提供多种计算模型可用于模拟不可压或可压流动、定常状态或者过渡分析、无黏、层流和湍流等情况,具有极强的流场仿真分析能力,可用于进行气动力设计及气动特性参数计算.[3]
本文采用FLUENT对某型弹丸进行外流场数值仿真,并系统分析仿真结果,分析表明仿真结果能充分体现弹体流场特征,并与试验结果基本一致,从而验证数值仿真方法是进行弹丸气动力外形设计的1种高效可行的方法.
1 仿真分析
1.1 模型建立及网格生成
数值仿真范文第7篇
关键词：海洋工程；浮式结构物设计；三维海浪模型；数值仿真
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）25-5737-03
海洋工程领域中的浮式结构物在海域展开应用时，会不可避免地遭遇各种恶劣海况。浮式结构物受到海浪产生的绕流力、惯性力、冲击力、浮托力等作用，这些作用直接关系到结构物的生存安全。因此在浮式结构物设计时，必须要充分考虑海浪的影响，精确计算海浪载荷，校验和优化结构，研究浮式结构物的耐波性和稳性，保证其满足设计要求的稳定性和安全性。
目前评估海浪载荷对浮式结构物的影响主要采用物理模型试验的方法，然而这种方法费时费力，而数值模拟具有参数设置灵活、计算结果精确等优点，正逐步成为设计领域研究海浪载荷的重要手段。由于受到计算机硬件发展水平和波浪理论不成熟等的制约，早期的海浪数值仿真主要以二维为主，但是对于需要研究海浪和浮式结构物相互作用过程中产生的波浪折绕射、漩涡等现象时，显然不能满足工程的需要。因此研究三维海浪数值模型，实现对海浪现象更加真实准确的描述，是海上复式结构物设计领域中研究海浪和结构物相互作用的必然发展方向。
本文利用谱分析的方法，在MATLAB环境下对三维随机海浪模型进行了数值模拟仿真，并给出了三维随机海浪波面图，为浮式结构物设计中计算海浪载荷提供了参考。
1 Longuet-Higgins长峰波海浪模型
2 三维不规则短峰波随机海浪仿真
2.1 基于谱分析的三维不规则短峰波随机海浪模型
该仿真海浪中，最大波高[Hmax=3.32m]，根据标准浪级波高的参考值[3]，五级浪对应的波高范围为[2.5，4.0m]，最大波高[Hmax]位于允许的波高范围内，说明利用海浪谱来模拟三维随机海浪能够得到比较精确的海浪波面图和波高值。进一步根据流体的势流理论就可以分析计算出该结构物受到的海浪载荷，为校验结构物的结构强度提供了必要的基础。
3 结论
海上浮式结构物结构强度校验需要计算分析海浪载荷，该文利用海浪谱分析的方法，实现了在开阔海域主要由风力引起的海浪的模拟，该仿真海浪的波面图和波高符合标准浪级波高的参考值。进一步利用流体的势流理论就可以分析计算出结构物受到的海浪载荷，为进一步的结构强度校核提供基础。
参考文献：
[1] 俞聿修.随机波浪及其工程应用[J].大连理工大学出版社，1992.
[2] Khatri S K. In the search of a coastal ocean wave model. OCEANS 97， MTS/IEEE Conference Proceedings， 1997， 213-218.
数值仿真范文第8篇
关键词：数值仿真 有限元 优化设计 最优控制 软件平台
Advancements of Design and Development for SiPESC - a Software Integration Platform of Numerical Simulation
Chen Biaosong
（Dalian University of Technology）
Abstract：Numerical simulation/Computer aided design （CAE） is applied to analyse， simulate， predict and design mechanical and physical performances of engineering structures and products by the employment of computers. The core of most recent concepts of “virtual manufacture”“digital manufacture”“fine design” in engineering is numerical simulation. Key concept of numerical simulation is computation and computer modeling， therefore software is its vehicle from theory to application. Numerical simulation software systems are mainly developed by developed countries like USA or those in Europe and these software systems became core tools of innovative design for engineering products. Since 2006， several national organizations/committees in USA （President’s Information Technology Advisory Committee， National Science Foundation， Council on Competitiveness） continuously issued reports to stress that “Computational science has become critical to scientific leadership， economic competitiveness， and national security.”“There are immediate opportunities to strengthen the U.S. capability for SBE （Simulation Based Engineering）.”“To out compete is to out compute”. China has established developing strategic through innovation and we must develop our capability independently. Self-developed numerical simulation software is of paramount importance and is facing fast developing opportunity. Dalian University of Technology （DUT） has engaged self-developed software of computational mechanics for several generations and for over 40 years. Since 2007， DUT started the research project of SiPESC―Software Integration Software Platform for Engineering and Scientific Computation. This report introduce the development of SiPESC， including research background， design ideas and system framework， system’s integration capability， computation and design optimization for CAE and engineering application.
Key Words：Numerical simulation； Finite element； Design optimization；Optimal control；Software platform
数值仿真范文第9篇
关键词：燃油箱；Fluent；VOF方法；数值仿真
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0093-05
Abstract： The car fuel sloshing in the process of a continuous shaking impact on the fuel tank， the fuel tank under the condition of insufficient oil， liquid sloshing of freedom will affect the stability of the oil supply， especially racing for high speed and acceleration of the pursuit， if the oil supply is not stable， will affect the car driving， will ultimately affect the result of the match.Based on the VOF method， using the Fluent software to a small fuel tank car， using two different kinds of analysis model， namely the standard turbulence model simulation， Laminar layers model simulation. To lower oil amount limit to numerical simulation of stability evaluation of oil and fuel tank design， also provide guidance for future fuel tank design improvement.
Key Words： fuel tank； Fluent； VOF method； numerical simulation
引 言
燃油箱是汽车的油液储备装置，是汽车的动力源泉，为汽车的行驶持续供油，保证汽车正常行驶。在赛车比赛中燃油箱的作用十分重要，燃油箱的稳定供油为赛车提供源源不断动力，保证赛车的高速度和正常行驶。在高速行驶中，燃油箱中的油液并不能一直维持充满的状态，即油液会出现自由液面。由于赛车不能始终保持匀速直线行驶，所以当赛车出现加速度时，其内部的油液会随着赛车速度的变化而晃荡。由于赛车速度变化的不稳定性，油液的运动也会变得十分复杂，而且还会与容器相互冲撞产生作用力[1]。液体处于晃动状态下时，进行的是一种非线性的运动模式，到目前为止还没有理论对其做出具体的解析，所以对其研究的方法主要有实验研究和数值仿真。
本文应用Fluent流体分析软件，对某款小型赛车两种结构不同的燃油箱，进行极限转弯工况下的油液晃动情况的数值仿真。在做数值仿真分析中，采用VOF（Volume of Fluid）[2] 方法处理自由液面，无论是油液小幅度波动产生比较光滑的液面，还是在赛车突然加速后油液与油箱壁碰撞后产生破碎形成的液滴，VOF 方法都能很好地将这些自由液面的动态变化情况展示出来。通过仿真后处理，最终选出结构更合理的燃油箱。
1 VOF理论
早在1974年Debar[3]就采用VOF 方法来解决自由液面问题。VOF模型是一个流体函数，这个函数是目标流体的体积和网格的比值。这种方法占内存小，是一种简单而有效的方法[8]。多种不能混合的流体可以通过VOF模型对目标流体的动量方程进行求解和计算出目标流体通过某一区域的体积分数进行模拟。具体的应用包括预测、射流破碎和气液界面的稳态和瞬态处理[4]。
当VOF模型中包含有两种或两种以上的流体互相没有穿插，那么模型中每增加一个相就会新增一个变量，这个变量用来计算单元里的相的体积分数。当然在每个模型中所有相的体积分数和必定为1。各相共同享有所有变量和所有变量的属性区域，这些变量和它的属性区域代表体积平均值。如果某一相流体的体积分数值是已知的，那么，这些体积分数值就直接决定了，给定单元内的变量和它的属性是其中一相的还是多相混合之后的，这取决于体积分数值。换种说法就是：在给定的单元中，如果第q相流体的体积分数为αq，那么就可能出现三个情况：
① αq=0：单元中没有第q相流体；
② 0
③ αq=1：单元被第q相流体充满。
1.1 体积分数方程
在VOF模型中，通过求解一相或多相的体积分数的连续方程来确定跟踪相与相之间的界面。对于第q相，这个方程如式（1）：
1.2 动量方程
将整个区域内的单一的动量方程所求出的速度场作为各相共享数据。属性 和 的所有相的体积分数决定了这个动量方程表达式。
1.3 能量方程
式中Eq是基于每一相各自的共享温度和比热。属性 和 （有效热传导）被各相共享，源项 包含辐射的影响，同时也存在其他物体的热源。它和速度场一样，当相间存在较的大温度差时，接近界面的温度的精确度也会受到一定的限制。
2 仿真模型理论
1972年，Spalding和Launder提出标准湍流模型[9]，模型为半经验公式，其主要是求湍流耗散率 输运方程和解湍流动能 方程， 方程是由经验公式导出的方程，方程是精确方程，建立其它们与湍流涡粘系数 的关系。 模型要求流场是完全发展的湍流， 忽略流体分子之间的粘性，因而标准 模型只对完全湍流的流场有效。
标准 k-ε 模型同时考虑湍动速度比尺和湍动长度比尺的输运，因此通过标准 k-ε 模型能够确定各种复杂水流的长度比尺分布，比零方程模型和一般方程模型有了很大改进。同时，标准 k-ε 模型基本形式比较简单，能成功地预测许多剪切层型水流和回流[10] 。
3 仿真分析与结果
3.1 结构模型
该小型赛车两款不同结构A和结构B燃油箱透视图如图（1）所示，对该款小型赛车燃油箱进行结构设计，主要包括燃油箱容积选定、燃油箱外形设计、燃油箱出油口位置选取，防波板的设计等。由于油箱布置空间的限定，设计油箱容积约为6L，两款油箱外形相同；为了保证在出油口有较多的油量，同时在结构A和结构B燃油箱出油口处设计了台阶；在防波板的设计中，结构B从轻量化的角度考虑，在降低防波板高度的同时在防波板上开了较多的孔，且提高了出油隔间出油孔的高度。
3.2 数值仿真前处理
对该两款燃油箱进行仿真分析时，考虑到计算中求解的收敛性和稳定性，在保证体积不变，不影响分析结果的情况下，对实际模型进行了相
应的简化，去掉了注油管、小圆角等结构。将燃油箱模型导入ANSYS DM模块进行流体的抽取，在ANSYS Meshing进行网格划分，网格划分利用高级网格划分Use Advanced Size Function 为Proximity and Curvature；Relevance Center设为Fine，Smoothing 设为High，Min Size 设为0.1mm，此外在有些地方进行局部加密；边界层算法采用Program Controlled，边界层形式为Smooth Transition，Transition Ratio为0.272，一共3层，增长率为1.2；Meshing生成的网格数大致在70万左右，网格质量良好，网格划分模型如图（2）所示：
应用流体分析软件Fluent采用VOF方法，其中主相设为汽油相，副相为空气相，界面采用VOF方法捕捉，分析模型分别选择标准 湍流模型，外壁采用壁面边界条件，其速度-压力耦合方式选择Simple，离散方法选择Standard，松弛因子默认，设置剩余燃油量为1L，添加侧向加速度，大小为1g。设置收敛误差为 ，设置时间步为0.001s，时间步长为300s，开始迭代求解计算。
3.3 数值仿真后处理
求解计算完成后，进行数值仿真结果后处理，得到从0s到0.6s时刻的油液晃动云图，结构A燃油箱仿真后处理油液晃动云图如图（3）所示，结构B燃油箱仿真后处理油液晃动云图如图（4），从图上可以得到在低油量1L情况下，极限转弯工况下燃油箱油液运动状态。
对比图（3）和图（4）可以发现，结构B燃油箱出油口处保持了较充足的油量，保证了供油稳定性；同时降低防波板高度，在防波板上多开口，保证了小型赛车行驶过程中，燃油动量的快速转移，能够使得晃动的油箱迅速稳定，且结构B燃油箱质量轻于结构A燃油箱。
4 结论
本文应用计算流体力学软件Fluent，采用VOF方法，分别对小型赛车两款结构不同的燃油箱模型，在低油量极限转弯工况下燃油箱油液晃动过程进行了数值模拟，对比两种分析模型仿真结果，选出结构更合理的燃油箱。从分析后处理可以得到，结构B燃油箱结构在出油口处的燃油较多，优于结构A，且质量较轻于结构A。因此选择结构B燃油箱为该小型赛车燃油箱形式。
参考文献：
[1]龚国毅.基于 VOF 和浸入边界法的液舱晃荡的数值模拟[D].广东：华南理工大学，2013.
[2]Youngs D. Time-dependent multi-material flow with large fluid distortion [J]. Numerical methods for fluid dynamics. 1982， 24： 273-285.
[3]Debar R.Fundamentals of the Kraekn code.Tech.Rep.UCIR-760.Lawrence Liver more Nat.Lab.1974.
[4]江帆.Fluent高级应用与实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.
[5]Zhu X，Sui P C，Djilali N，Three-dimensional numerical simulation of water droplet dynamics in a PEMFC gas channel[J].Journal of power dynamics，2008，181（1）：1-15.
[6]ABE K，KORO K.A topology optimization approach using VOF method[J].Structural and multidisciplinary optimization，2006，31（6）：470-479.
[7]童亮，余罡，彭政，等.基于VOF模型与动网格技术的两相流耦合模拟[J].武汉理工大学：信息与管理工程版，2008，30（4）：525-528.
[8]张国军，闫云聚.基于VOF模型的导弹低速入水数值模拟方法[J].空军工程大学学报：自然科学版，2013，14（6）：24-26.
[9]S. Fu， B. E. Launder， M. A. Leschziner. Modeling strongly swirling recirculating jet flow with Reynolds-stress transport closures. In Sixth Symposium on Turbulent Shear Flows， Toulouse， France， 1987.
数值仿真范文第10篇
关键词： V形卡箍； 密封性能； 轴向力； 结构可靠性
中图分类号： U464.135；TB115.1文献标志码： B
0引言
卡箍连接已逐步取代焊接和法兰这2种传统的管道连接方式，成为当前气体、液体管道连接的首推技术.尽管这项技术在国内的开发时间晚于国外，但由于其造型美观、使用方便、紧箍力强、密封性能好等特点此，广泛应用于汽车、船舶和汽油机等各种机械设备接口处的连接紧固及密封.
根据不同的结构形式，卡箍可分为V形带圈卡箍、T形螺杆卡箍、FLEXGEAR型卡箍、高性能蜗杆式卡箍、弹簧带圈卡箍、快速松紧卡箍、强力卡箍、单耳无级卡箍以及耳箍等.其中，V形卡箍为任何凸缘法兰面提供一种安全可靠的连接，在卡箍选型中属于重负荷型.[1]
研究V形卡箍密封性能及其可靠性，必须对V形卡箍进行非线性数值分析.非线性分析是结构分析的难点，也是结构分析中的重点.数值非线性分析包括接触非线性、材料非线性和几何非线性等.[23]在施加螺栓预紧力的过程中，V形卡箍与被连接件接触表面非线性变化，为接触非线性.排气系统工作温度一般在800℃以上，其材料的弹性模量、热导率、热膨胀系数、屈服强度和切变模量等都会随温度的升高而非线性变化，呈现材料非线性.[45]在较大螺栓预紧力和高温状态下，卡箍常造成较大的塑性变形.因此，研究卡箍在高温和不同预紧力作用下是否满足设计要求，有非常重要的现实意义.[6]
由于空间位置限制某型发动机排气系统增压器和三元催化器进口端锥，采用V形卡箍进行密封连接.本文用Abaqus对V形卡箍结构进行数值仿真分析，通过研究箍带厚度、V形槽宽度及其厚度和螺栓预紧力等对卡箍密封性能的影响，找出在高温条件下满足排气系统密封和结构可靠性的3个结构参数，并进行试验验证.
1结构的数学模型
V形卡箍与增压器和进口端锥的连接形式见图1，图中，增压器壳体与进口端锥相接触的面为2个相切的球面，目的是让这2个接触面更好地贴合，防止排气系统漏气.V形卡箍的工作原理见图2.
卡箍施加螺栓预紧力，会使卡箍沿径向产生一个强迫位移s，s的大小由外面箍带的刚度、V形槽刚度和里面法兰面的刚度共同决定.s可分解为垂直于V形槽方向的强迫位移s1和沿着V形槽方向的强迫位移s2.s1主要提供2个球面的接触压力，s2主要提供阻止V形槽向径向运动的摩擦力.若s很大，会使V形槽发生较大的塑性变形，卡箍提供的夹紧力反而降低.因此，在满足密封的前提下，选择合适的螺栓预紧力非常重要.
2有限元模型
2.1仿真模型和材料参数
V形卡箍截面见图3，图中，W1为箍带厚度，W2为V形槽厚度.由于V形卡箍连接排气系统增压器和三元催化器进口端锥密封件，排气系统的热应力对卡箍受力有极大的影响，因此，本文所有的卡箍分析都在整个排气系统中进行.
图 3V形卡箍截面
V形卡箍在排气系统的位置见图4（a），排气系统内部排气压力最大为0.3 MPa，排气温度为700～800℃，增压器壳体和进口端锥材料均为409材料.只有卡箍提供足够的夹紧力，才能使增压器和进口端锥的2个平面有足够的接触压力，从而保证密封.排气系统及其卡箍有限元模型见图4（b），卡箍材料为SUS304.卡箍材料非线性曲线见图5.（a）V形卡箍在排气系统的位置（b）排气系统及其卡箍有限元模型图 4V形卡箍的位置和排气系统有限元模型
（a）弹性模量和泊松比随温度变化曲线
（b）热传导系数和热膨胀系数随温度变化曲线
（c）屈服强度和切变模量随温度变化曲线
图 5卡箍材料非线性曲线
2.2边界条件和载荷
整个系统的边界条件分为热边界、接触边界和约束边界等.其中，热边界根据CFD部门提供的数据计算得到.排气系统及其V形卡箍温度场见图6.卡箍的接触边界为螺栓与卡箍采用小滑移，V形槽与增压器及进口端锥凸缘采用有限滑移，增压器与进口端锥接触面采用小滑移.约束边界为：排气歧管与缸盖连接处全约束缸盖另外一端；三元催化器支架连接缸体处全约束远离支架的缸体部分.其他边界条件包括模型中有螺栓连接的地方分别施加相应的螺栓预紧力.
图 6排气系统及其V形卡箍温度场
为模拟卡箍在发动机上的极限工况，需要进行热机耦合分析，施加的载荷步如下：第一步为施加螺栓预紧力，模拟装配工况；第二步为施加温度场，模拟发动机全速全负荷运转工况；第三步为冷却工况，模拟发动机停机工况；然后循环施加第二和三个分析步，直至卡箍提供的轴向力稳定.
3数值仿真结果分析对比
卡箍的结构可靠性用von Mises应力和塑性应变（PEEQ）进行评价，卡箍的密封性能用卡箍提供的轴向力和接触面的接触压力进行评估.
3.1更改箍带厚度仿真结果分析对比
V形卡箍最外面的环带为箍带，其他条件不变，箍带由1.0 mm增大到1.5 mm，见图7.
箍带加厚最大von Mises应力对比见表1，箍带加厚PEEQ对比见表2，可知，当箍带加厚，不论是装配工况，还是加热、冷却工况，箍带和V形槽的von Mises应力与PEEQ都会减小.
表 1箍带加厚最大von Mises应力对比MPa箍带箍带厚度为1.0 mm箍带厚度为1.5 mm装配工况1 433608最后加热工况1 358550最后冷却工况1 240600
表 2箍带加厚PEEQ对比箍带箍带厚度为1.0 mm箍带厚度为1.5 mm装配工况0.160 00.028最后加热工况0.165 00.028最后冷却工况0.165 30.028
卡箍提供的轴向力对比见图9，可知，箍带加厚，卡箍提供的轴向力减小；但在加热和冷却工况中，轴力振幅变小，对减少疲劳有很大好处.
图 9卡箍提供的轴向力对比
最小接触压力对比见表3，可知，箍带加厚虽然减小接触压力，但是接触压力变化的幅值减小，且最小值比加厚前更大，密封性能更好.增加V形卡箍箍带厚度，会极大地改善卡箍的结构可靠性，但随着箍带的加厚，卡箍在相同螺栓预紧力的情况下提供的夹紧力会变小.因此，卡箍可靠性与其提供的夹紧力是负相关的关系，在选择箍带厚度时，应该选择合适的箍带厚度以同时满足可靠性和密封性能要求.
3.2更改卡箍V形槽仿真结果分析对比
由于增压器和进口端锥空间位置的限制，如果增加V形槽材料的厚度，会使V形槽的翻边与增压器壳体发生干涉，因此，V形槽厚度最大值为2 mm.根据以上结论可以推导出：在其他条件不变的情况下，V形槽厚度增加，卡箍提供的轴向力会相应增加（见图10）；V形槽的应力和PEEQ会得到改善，见表4和5；同时，增压器和进口端锥接触面的接触压力会变得更加均匀.
图 10卡箍提供的轴向力对比
3.3更改卡箍螺栓预紧力仿真结果分析对比
V形卡箍大部分为标准件，当箍带和V形槽定型后修改模型比较困难，因此，选择一个合适的螺栓预紧力对于V形卡箍密封非常关键.在该项目中，由于空间布置限制，V形槽厚度不能加厚，只能维持在2 mm；箍带经过论证，厚度为1.5 mm可以满足可靠性要求.在满足可靠性的前提下，卡箍螺栓预紧力越大，其提供的密封夹紧力越大.
箍带厚度1.5 mm，V形槽厚度2.0 mm，只增加卡箍螺栓预紧力，由表6和7可知，随着螺栓预紧力的加大，卡箍的von Mises应力和PEEQ都会增加，结构可靠性降低.
预紧力变化卡箍提供轴向力对比见图11，可知，随着螺栓预紧力的增加，卡箍提供的轴向力呈线性增加.
图 11预紧力变化卡箍提供轴向力对比
螺栓预紧力变化最小接触压力对比见表8，可知，预紧力增加，增压器与进口端锥两相切球面的接触面压应力也相应增加.
表 8螺栓预紧力变化最小接触压力对比MPa预紧力预紧力为
5 kN预紧力为
7 kN预紧力为
9 kN预紧力为
11 kN装配工况4142537加热工况3162030冷却工况2132235
当螺栓预紧力为5和7 kN时，卡箍的结构可靠性满足要求；当螺栓预紧力为9和11 kN时，卡箍的结构可靠性不满足要求.螺栓预紧力为5 kN时，接触压力小于5 MPa，不满足密封要求，螺栓预紧力≥7 kN时，密封性能满足要求.为同时满足结构可靠性和密封性能，当卡箍箍带厚度为1.5 mm，V形槽厚度为2 mm时，螺栓预紧力选择7 kN最合理.
4试验结果与仿真结果对比
4.1试验测试位置和测试数据
应变片布点位置见图12，应变片测试方向见图中箭头所示.在卡箍螺栓施加11 kN的螺栓预紧力，换算为螺栓的轴力为7 kN，查看各个点的应变.
（a）布点示意
（b）局部布点示意
图 12应变片布点位置
现场图片和试验测试数据见图13.
（a）现场图片
（b）P6和P7对应位置微应变随螺栓预紧力加载、卸载的变化
图 13试验测试数据
4.2试验数据与仿真数据对比
数值仿真与试验应变对比见表9，可知，P3位置误差很大是由于应变片没有完全贴合在零件表面上引起的，其余位置测出来的应变结果与数值仿真结果数值相差较小.卡箍应力应变试验测试结果显示，箍带与螺栓连接处的箍带、靠近螺栓的V形槽应变最大，与CAE计算结果吻合，说明数值仿真结果可信.
表 9数值仿真与试验应变对比测试位置试验数据（应变）CAE分析数据（应变）误差/%P12 550.22 662.94.5P2140.5147.55.0P32 534.812 553.4395.0P41 2045.215 106.611.0P52 489.72 795.912.0P6144.4180.925.0P7605.8672.511.05结论
基于有限元数值仿真和试验验证方法，在不同箍带厚度、不同V形槽厚度和不同螺栓预紧力情况下，对V形卡箍的结构可靠性和密封性能进行仿真，分析不同箍带厚度和不同螺栓预紧力对V形卡箍密封性能的影响，得到以下结论.
（1）增加箍带厚度，会有效改善卡箍的结构可靠性；但在相同螺栓预紧力情况下，卡箍提供的夹紧力会变小.
（2）增加V形槽厚度，会极大地改善卡箍的结构可靠性，卡箍提供的轴向力也会相应增加，同时，被连接件的接触压力会变得更加均匀.
（3）增大卡箍螺栓预紧力，会相应增加卡箍提供的夹紧力，但会使卡箍的结构可靠性降低.因此，在V形卡箍选型后，选择合适的螺栓预紧力，对卡箍密封性能至关重要.参考文献：
[1]JB/T 88071999中华人民共和国机械行业标准[S].
[2]尚晓江， 邱峰， 赵海峰， 等. ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2008.
[3]郝伟， 张洪， 郝永福. 有限元法在接触问题中的应用[J]. 机械管理开发， 2005（2）： 4950.
[4]李楚琳， 张胜兰， 冯樱. HyperWorks分析应用实例[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007： 8185.
[5]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 303310.