套胶过程仿真计算

元计算

1.         仿真模型分析

从套胶过程看，胶体和外壳发生相互作用，该仿真过程是流体和固体耦合计算的过程。耦合计算前，根据流体及固体的力学行为确定计算模型。下面对模型中各部分进行分析。

（1）胶体：按照流体力学的观点，流体可分为理想流体和实际流体两大类，理想流体在流动时无阻力，故称为非粘性流体。实际流体流动时有阻力即内摩擦力（或称剪切力），故又称为粘性流体。根据作用于流体上的 剪切应力与产生的剪切速率之间的关系，粘性流体又可分为牛顿流体和非牛顿流体（如下图所示）。 牛顿流体的粘性只和温度有关，非牛顿流体的粘性除与温度有关外，还与剪切速率和时间有关，由所给出的胶体参数，将胶体定性为不可压缩非牛顿流体。

图1 流体的分类

计算初始状态，假定内外壳间胶体为充满状态，空气泡已排空，不需要考虑胶体自身的接触计算，同时简化了计算工况，胶体初始厚度即为内外壳初始间距。胶体挤出后暴露于空气，外界环境室温常压。

（2）内壳：内壳材质为铝合金，套胶过程中其变形可忽略不计，因此视为刚性体，也可认为是流体计算的固壁边界。

（3）外壳：外壳材质为短纤维模压高硅氧复合材料，易开裂，容许应变较小，可采用线弹性模型计算。

由以上分析，本次仿真过程可做以下描述：固定内壳，视为流体计算固壁边界条件；外壳以某轴向速度挤压壳间胶体，并将胶体挤出，直至达到给定内外壳间距指标要求。在该过程中，需保证外壳不开裂，并给出外壳的应力及应变，检验应力或应变是否在容许范围内。

2.         仿真模型与参数

考虑胶水的速度和应力，以及防热套的位移和应力，对胶水和防热套进行耦合计算,计算采用的参数如下：

胶水：动力粘度：由实验数据给定，随时间和剪切速率的变化而变化。

热套：弹性模量：1.0*1010pa

泊松比 ：0.34

密度：1.62*103kg/m3

阻尼系数：0.6

仿真模型（单位：m）：

图2 计算模型图

图3 模型网格图

计算分为初始速度为0.5mm/min 和5mm/min两种工况。 模拟胶体在轴向相对运动50mm，并设定胶体最终厚度为0.1mm，根据模型尺寸，假设胶体的初始厚度为3.03mm。

3.         计算结果

1)         工况一（速度为0.5mm/min）

i.              首先根据非牛顿流体模型计算流体的压力，然后在固体模型中耦合流体计算得到的压强数据，从而得到防热套上应力应变。

计算结果诸如以下图：
图4为最终平衡位置时胶体上压力云图。

图4 最终位置压强云图

图5 最终位置压强p随轴向变化曲线

    胶体上压强对称分布，图5为最终平衡位置时压强沿轴向变化规律。

图6 压强最大值随离平衡位置距离的变化曲线

压强最大值位置是随着胶体的流动而变化的，为提取压强的演变过程，图6提取最终平衡位置时压强最大值点，追踪其从离平衡位置50mm位置时压强到平衡位置时压强的变化过程。

应力表示单位面积上所承受的附加内力，与面积一样都属于矢量，如果受力面积与力的方向垂直称为正应力，以下图7至图9分别为在直角坐标系下沿各个方向的应力云图，图10为防热套上合应力云图。

图7 最终位置防热套x方向应力云图

图8 最终位置防热套y方向应力云图

图9 最终位置防热套z方向应力云图

图10 最终位置防热套上应力云图

在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度在变形前后的改变量与原长之比，定义为线应变，以下图11至图13分别为沿x、y、z方向的线应变云图，图14为防热套上线性合应变云图。

图11  最终位置防热套上x方向应变

图12 最终位置防热套上y方向应变

图13 最终位置防热套上z方向应变

图14 最终位置防热套上应变

以下图15和图16分别为在扩大十倍和四十倍时防热套的变形图。

图15 扩大十倍时变形图

图16 扩大四十倍时变形图

防热套上在不同放大倍数的变形及应变云图如图17和图18：

图17 最终位置时防热套上应变及扩大十倍时变形图

图18 最终位置时防热套上应变及扩大四十倍时变形图

实验所测应变为周向应变，与所计算得到的xy方向应变吻合，提取出xy向应变云图及数据，以便于与实验数据进行对比。

图19 最终位置防热套上沿周向应变及提取点位置

表1 提取点应变数据

point1	0.011%
Point2	0.052%
Point3	0.0077%

图20 最终位置防热套上周向应变沿轴线point1-point3的变化曲线

ii.              胶体速度为0.5mm/min，改变胶体涂抹均匀度

胶体的涂抹厚度与均匀度会影响到计算的结果，更改胶体上下的均匀度，设定初始时底部胶体厚度为3.03mm，顶部胶体厚度为1mm，得到以下结果。

图21 最终位置压强云图

由于顶部出口小，胶体来不及流出，因此压强在出口位置变大。

以下图22-图24分别为沿直角坐标系x、y、z方向应力云图，图25为直角坐标系下合应力云图，图26-图28为沿直角坐标系x、y、z方向应变云图，图29为直角坐标系下合应变云图。

图22 最终位置防热套x方向应力云图

图23 最终位置防热套y方向应力云图

图24 最终位置防热套z方向应力云图

图25 最终位置防热套合应力云图

图26 最终位置防热套x方向应变云图

图27 最终位置防热套y方向应变云图

图28 最终位置防热套z方向应变云图

图29 最终位置防热套应变云图

图30 最终位置防热套沿周向应变云图

图31 最终位置防热套上周向应变沿某条轴变化曲线

图32 提取点位置示意图

表2提取点周向应变数据

point1	0.021%
Point2	0.15%
Point3	0.0014%

2)         工况二（速度为5mm/min）

在其他条件一致的条件下仅改变胶体的流动速度，计算结果如下：

图33为最终平衡位置时压强云图，图34为最终平衡位置时压强沿轴向变化曲线，图35为最终平衡位置时压强最大点随着离平衡位置的距离的变化过程，图36-图38为沿直角坐标系x、y、z方向应力云图，图39为防热套上合应力云图，图40-图42为沿直角坐标系x、y、z方向应变云图，图43为防热套上合应变云图。

图33 最终位置压力云图

图34 最终位置p随轴向变化曲线

图35 压强最大值随离平衡位置的距离的变化曲线

图36 最终位置防热套x方向应力云图

图37 最终位置防热套y方向应力云图

图38 最终位置防热套z方向应力云图

图39 最终位置防热套应力云图

图40 最终位置防热套x方向应变图

图41 最终位置防热套y方向应变图

图42 最终位置防热套z方向应变图

图43 最终位置防热套应变图

图44 最终位置防热套沿周向应变图

图45 最终位置防热套周向应变沿轴线变化曲线

以下图46和图47分别为在扩大十倍和四十倍时防热套的变形图。

图46 扩大十倍变形图

图47 扩大四十倍变形图

防热套上在不同放大倍数的变形及应变云图如图48和图49：

图48 沿周向应变云图及扩大十倍变形图

图49 防热套上应变云图及扩大四十倍变形图

4.         仿真分析结论

本次模拟套胶过程采用流固耦合，将流体计算得到的压强数据作为防热套变形的边界条件，计算分别以胶体流动速度为0.5mm/min和5mm/min两种工况进行，通过第一种工况速度为0.5mm/min与实验进行对比，提取实验点上数据，应变值如表1所示，与实验数据相比在同一数量级上。且给定的防热套上断裂伸长率为1.05%，从计算数据上可以看出，在此两种工况下防热套上所受到的力都还不能致使防热套开裂。