液压缸间隙密封流场下支承环的流固耦合分析(七)

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图 4.4 支承环结构化网格
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约束定义：由于支承环为对称结构，本文只选择了一半作分析，所以在对称面上要施 加对称约束（位移约束） 。在经典版中，位移约束有着相当明确的表示，如要施加 X 方 向的约束，就选择某一面施加位移约束：X。但在此版本中，位移约束是通过规定每一 方向坐标值为零，来实现的，如图 4.5 所示。图 4.6 为支承环端面位移约束。
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荷施加面即选择耦合面，然后再定义载荷导入来源面，即 CFD 中所定义并要分析的耦 合面——缝隙外壁面： ww。 最后右击项目列表 Imported Load(Solution)弹出选项列表， 点击 Import Load，此时计算机开始读取 CFD 计算的结果文件。等待几分钟后，载荷便 导入成功。具体载荷导入设定如图 4.7 所示。
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图 1 .25mm 厚度支承环图
ZCuAl8Mn13Fe3Ni2，强度极限δb=650 MPa，屈服极限δS=280 MPa，弹性模量 E=117GPa， 泊松比μ=0.34，硬度 HBS 为 165～210。由于本文要分析的模型很多，在本章中选择分析 厚度为 25mm 的支承环作为一个例子,具体尺寸如图 4.1 所示。根据流场域选择的模型分析 可知，其外壁面分布的压力即为支承环内表面的压力载荷，而支承环外表面及一端面的载 荷为入口压力，本章分析暂定为 20MPa。 由于支承环为轴对称结构，为节约划分网格的时间及计算成本，只选择支承环结构一 半进行分析。在 Pro/E 中建立支承环的三维模型，如图 4.2 所示。
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—— 耦合目标的建模分析 第四章 固体域 固体域—— ——耦合目标的建模分析
4.1 引言 支承环作为结晶器振动液压缸内重要的零部件，它替代了原有的的导向套，不仅要起 到对活塞杆导向与支撑作用，而且还要根据系统工作压力的变化对间隙自动补偿，降低液 压油的泄漏。但是，支承环的厚度、支承环与活塞杆间的缝隙在不同工作压力下到底开多 大，目前国内没有一个比较明确的研究与分析。开得太小，支承环又太薄，变形就大，与 活塞杆直接接触，产生摩擦，不仅严重磨损活塞杆与支承环，还会影响缸的动作性能；开 得太大，支承环又太厚，变形就小，液压油泄漏就比较严重，即浪费系统能量，又影响油 缸的工作性能。因此对支承环进行流固耦合分析，研究其变形，确定间隙大小有着非常重 要的意义。 支承环的具体要求如下： （1） 支承环根据不同的工作压力（流场域入口压力） ，要能产生变形； （2） 支承环径向变形量要随着流场域入口的压力增大而变大，满足间隙自动补偿要 求，减少泄漏量。因为根据前一章缝隙流动分析的结果可知，压差变大，泄漏 量加大，这时降低缝隙厚度可减小泄漏。 （3） 支承环的变形不能太大，即径向最大变形量不能超过缝隙的厚度，否则将造成 与活塞杆的直接接触，产生摩擦，磨损活塞杆 对于结构体来说，我们知道结构体的变形量及变形量大小不仅跟自身材料与尺寸关， 而且还跟作用在其上的载荷有关。本文选定的支承环材料为：铝青铜，牌号为
图 4.2 支承环三维模型
模型建立后，导入 Workbench 里 Static Structural(ANSYS)中。由于此版本与 ANSYS
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经典版具体仿真过程不太一样，因此后文将仿真过程择要表述。
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4.2 基于 Workbench ANYSY 的支承环变形仿真分析
图 Байду номын сангаас.7 载荷导入设定列表图
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求解目标设置： 本文中最主要的是要观察支承环径向变形量的大小，即 Y 方向变形，如图 4.8 所示：
图 4.8 支承环变形方向示意图
因此点击项目列表 Solution， 添加变形量， 选择： Insert→Deformation→Directional, 在弹出的详细设置列表框中设定变形方向为 Y。另外为了观察支承环总体应力分布， 查 看最大应力是 否超过材 料屈服极 限，也可 选择 ：Insert→Stress Tool→ Max Equivalent Stress。
图 4.3 材料属性列表图
定义好后注意保存，并将其添加到 B2 栏，材料属性定义完毕。 � 模型导入 ：鼠标右击 B3 栏，选择从外部导入模型，模型如图 4.2 所示。导入完毕后， 再双击 B3 栏， 进入模型界面， 此时要选择定义模型单位尺寸，选择 mm，再点击 Update 更新完毕，导入完成。 � 网格划分：Workbench 里 ANSYS 提供了 5 种不同的划分方法，对于支承环来说其结构 较为规则可通过自动划分法生成六面体结构化网格。但是在具体划分的时候，要根据 模型特点，该加密的地方要单独划定网格数。本文通过对支承环模型所有边都指定网 格划分数，最终得到想要的规则的六面体网格，如图 4.4 所示
图 4.5 对称面约束
图 4.6 端面约束
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载荷施加： （1）非耦合面的载荷施加 在本课题中，除了支承环出口端面没有接触压力油外，其余部分均接触压力油。 在耦合面，支承环受到的压力载荷来源于缝隙流场域中流动的液压油，而其余非耦合 面受到的载荷则为液压缸工作腔压力(缝隙入口压力)，本章中即：20MPa。 （2）耦合面的载荷导入 对于流固耦合来说，分析问题的关键便是耦合面的载荷确定与传递。可以说，前 一章所做的仿真与分析为的便是此时向耦合面施加载荷。在载荷导入前，要先选择载
4.2.1 前处理及求解设置 流固耦合对耦合面的数据传递要求比较高，如果能实现流场域耦合面网格与固场域耦 合面网格一一对应，那么对于压力载荷数据的传递无疑是非常好的[43~47]。但是流场域模型 网格划分较密（网格数 595560） ，如果固体域模型内表面划分跟流场域一样的话，那么网 格密度必然很大。对于 ANSYS 静力分析计算来说，其要求的计算机内存及计算时间远远比 FLUENT 要高。因此如此一对一划分在 ANSYS 里不具有太大可行性，所以根据计算机内存生 成一套独立的网格是较合适的方法。 本文 Workbench 下 ANSYS 仿真具体求解过程如下： � 定义材料属性：在结构静力分析中，材料的定义是重要的基础。跟经典版 ANSYS 不同， workbench 下的材料属性需要自己去新建材料库，在材料库里，根据你需要的参数去 选择定义材料，因此过程比较复杂。具体如下：双击 B 模块 B2 栏，弹出材料库列表 （Outline Filter）,点击列表最后一行添加新材料库，命名为 00，并保存至源文件 里材料库所在位置。再在弹出的 00 新材料库（Outline of 00）里点击添加材料 001， 弹出材料属性列表(Properties of Outline Row3:001)。这时可以看到界面左侧出现 材料出现工具框，里面包含了几乎所有分析类型的材料的各种属性，双击一项，便可 自动添加到材料属性列表。本文定义的材料属性列表如图 4.3 所示：