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基于流固耦合力学的泵组运行流场计算

流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉的学科分支,主要是研究可变形固体在流场作用下的力学行为以及可变形固体位形改变对水泵流场影响。欧拉算法、任意拉格朗日-欧拉算法和无网格方法(以SPH为代表)是常用的流固耦合分析方法。

欧拉(CEL)方法划分的网格和节点在整个分析过程中始终保持在最初的空间位置,而物质结构的材料可在网格中自由流动。CEL方法是ABAQUS中计算流固耦合的关键技术,吸收了欧拉网格和拉格朗日网格的优点,可以解决大位移问题中单元变形奇异的难题,ca88手机版厂利用CEL方法可以模拟流体的流动、液体晃动、气体流动、穿透问题以及冲压成型等大变形问题。光滑粒子流体动力学(smoothedparticlehydrodynamics,SPH)方法是一种典型的无网格拉格朗日粒子法,该方法的基本方程有守恒方程和固体材料的本构方程,可用于解决大变形和不连续性问题,这种方法主要被广泛应用于爆炸、材料动力响应和高速冲击穿透等问题中。但是由于粒子的不连续性,该方法的计算精度较低。

通常模拟混凝土浇筑过程的方法有两种:(1)单流体方法:以计算流体动力学为基础,结合宾汉模型进行数值计算;(2)离散颗粒流法:以经典力学和分子动力学为基础。

单流体方法的优点是可直接应用流体力学体系的本构关系,需要考虑因素较少,缺点是无法考虑混凝土颗粒之间的相互作用。离散颗粒流法优点是可以考虑混凝土颗粒之间的相互作用,但物理意义不够明确,计算量较大。

SPH和CEL两种方法计算精度相差不大,而CEL方法所得结果能更好描述液体形态,计算稳定性和准确性都比SPH方法要高,但CEL计算效率低于SPH。水泵厂选用CEL方法来模拟浇筑过程中流动的混凝土。铝合金模板的有限元分析网格划分和前两章一致,模板的面板,边肋,端肋和加筋肋均采用S4R壳体单元,单元边长为10mm,在模板厚度方向上,设置5个积分点。

混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物,经一定时间硬化而成的人造石材,是目前世界上使用量最大、使用范围最广的土木工程材料。搅拌混凝土是一种由水和带有分散粒子组成凝聚结构的多相体,具有液体和固体的性质,未硬化前一般可近似为宾汉姆流体。在没有任何约束的情况下,它可以保持一定的形状,但其强度等于零。泵送混凝土的流动性更强,液体性质更为突出。

目前工程中常用泵送混凝土车的最大理论输送量为Q=160〜200m3/h,输送管道的直径为d=100mm-150mm。为了避免混凝土离析,规定其落料高度不超过2m。在ca88会员登录输送管道内的速度与最大理论混凝土输送量Qmax和输送管道的有效截面积A有关,若混凝土在出料口是以PC。

图1:有限元分析模型及坐标系

有限元分析模型及坐标系

浇筑混凝土引起的铝合金模板动力响应分析涉及到铝合金和混凝土两种材料,其中铝合金材料本构关系及相关参数的选取。本文将浇筑时的混凝土视为均质的流体。假设水泥混凝土的密度p=2000〜3200kg/m3,泵送混凝土的粘度系数n不是一个固定的值,大约为水粘度系数n水的1000倍。


影响混凝土浇筑过程中模板撞击响应的因素有很多,本文主要分析泵送混凝土的粘度和密度、泵送混凝土管道直径、模板边界条件和宽度、混凝土浇筑位置以及始终撞击速度等因素变化情况下模板的非线性动力响应。


为了满足工程进度的需求,通常泵送混凝土通过添加泵送剂来调节混凝土的加水量,坍落度和流动性。因此,泵送混凝土的流动性要比普通混凝土高,动力粘度系数要比普通混凝土小。由于不同要求的混凝土采用不同的配合比。而混凝土的配合比直接影响混凝土的粘度,一般粘度越小流动性越好。所以,在工程中使用的混凝土的粘度系数不是一个定值。


ca88手机版厂选取泵送混凝土的粘度系数/=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0Pa.s,泵送管道直径为d=150mm,混凝土密度为p=2400kg/m3,烧筑点为模板中心,混凝土到达模板时的烧筑速度为Fct=7.0m/s,模板的边界条件为端肋简支边肋自由,宽度为6=400mm。以下分析混凝土的粘度系数对模板浇筑撞击响应的影响。


图2为混凝土浇筑过程模拟分析结果,由图2可以看出,粘度系数2.0Pa.s的泵送混凝土以FOt=7.0m/s的浇筑速度垂直撞击模板,摊落到模板上的形状呈圆形。混凝土不断流入欧拉区域,作用在模板上的混凝土质量不断增加,由于模板四周没有阻隔,当模板上的混凝土摊开到一定宽度,部分混凝土会从宽度方向流出模板区域。

图2:混凝土浇筑过程

混凝土浇筑过程

模板在Time=3.60ms(模板产生最大变形时刻)和300ms(模板趋于稳定时刻)两个时刻的变形云图以及横、纵截面的烧度曲线。由图可知,当Time=3.60ms时模板的中心变形最大,由于加筋肋和边肋对变形的限制,模板的挠区变形呈中心凹陷的漏斗状。当Time=300ms时变形区域缩小为中心跨内矩形。对比Time=3.60ms时的变形云图撞击产生的弹性变形部分己恢复。由纵、横截面的挠度曲线可知,模板的变形主要集中在模板的中跨,边跨变形很小。泵送混凝土撞击模板中心会导致模板中间跨产生向下凹陷,其挠度曲线呈下凸的抛物线形,关于中心点对称。


当泵送混凝土撞击模板时,竖向位移V在极短的时间内从0增大到最大值Onax〜9.500mm,然后逐渐趋于稳定值,挠度时程曲线震荡的振幅不断衰减,随着时间的增长,挠度平均值逐渐增大。通过比较不同粘度系数的挠度时程曲线可以发现,在其它条件相同的情况下,低粘度系数的泵送混凝土撞击模板后,模板的平均值能较快趋于平稳。粘度系数高的泵送混凝土对应的挠度时程曲线,振荡时间较长,ca88会员登录振幅较大。但总的来说,粘度系数的影响不是十分显著。


在其它条件相同,仅粘度系数n变化的情况下,泵送混凝土垂直撞击时,模板的最大挠度和最大等效应力出现的时间T;和T;基本相同。但当泵送混凝土的粘度系数越大,模板的最大挠度值、最终挠度值、最终挠度值与最大挠度值的比值、最大等效应力值及最大塑性应变值略有增大。混凝土粘度为n=3.0Pa.s时模板中心最大挠度值Omax和最终挠度值Or分别为n=1.0Pa.s的1.001倍和1.011倍,最大等效应力值和最大塑性应变值分别是粘度系数n=1.0Pa.s时的1.003倍和1.080倍。五种粘度系数泵送混凝土撞击模板所产生的塑性变形区面积A均为0.90x10-3m2。由此可见,混凝土的粘度系数对模板的最大挠度、最终挠度,最大等效应力、最大塑性应变以及塑性区面积的影响并不大。


模板最大等效应力出现在模板中心,等效应力较大的区域主要集中在两道加筋肋之间,边跨模板的等效应力值较小。模板受撞击区域的等效应力云图为中心对称,由中心向四周扩散的椭圆形。


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点击次数:  更新时间:2018-01-27 09:36:08  【打印此页】  【关闭