基于ADINA 流固耦合的隔膜行程實驗數值模擬

張恩龍 齊東杰 李文明 陳揚,2*

(1、中國有色(沈陽)泵業有限公司,遼寧 沈陽 110144 2、沈陽工業大學材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110870)

1 實驗條件

某臺套高壓煤漿隔膜泵液力端隔膜室部裝的剖視圖如圖1所示,圖中的隔膜直徑為620mm,對應的油缸直徑210mm,活塞行程350mm,因此需要計算隔膜行程,以設計補排油信號裝置距離。以往通常采用的方法是進行隔膜行程實驗,利用工業實驗驗證的方式來確定油缸結構。隔膜行程實驗的原理如下：注水口高于隔膜腔,依靠勢能差不斷注水使隔膜向外鼓出,隔膜發生一定變形后,橡膠內表面壓力與水勢能達到平衡,此時注水量為隔膜最大容積,隔膜鐵芯最大位移為隔膜最大行程。這一手段效率低且成本高,因此亟待探索一種適用于該實驗的有限元計算與模擬方案,實現隔膜行程實驗的數字化、規范化和流程化。

2 流固耦合分析

由于計算模型具有對稱性,因此建立隔膜及推進液油的1/4 模型(如圖2 所示)。具體邊界條件的設定如下：圖2 中的左側端面為移動壁面邊界條件,對稱面法向速度設定為零,與隔膜接觸面施加流固耦合邊界條件,圖中其余各個表面均設定為非滑移壁面邊界條件；隔膜和鐵芯共節點,對稱面對稱約束,橡膠隔膜的頭部全約束,與推進油接觸面施加FSI 邊界條件。

圖2 隔膜行程分析有限元模型

隔膜在工作中往復變形,瞬態分析需要考慮沖次、料漿粘度等很多參數,因此,隔膜行程分析簡化為準靜態過程,總的計算時間取100 秒；設計活塞行程350mm,分析中最大活塞行程約1000mm。

分析結果如圖3 所示。

圖3 活塞推進350mm 時隔膜行程分析結果

圖4 鐵芯的位移曲線

鐵芯位移和鐵芯行程如圖4 所示。由圖可知,鐵芯位移曲線在活塞行程330mm 時發生躍變,這是因為隔膜正在翻轉；活塞推進350mm 時,隔膜鐵芯位移為108mm。實際上,隔膜并不是從初始狀態開始工作的,經驗是隔膜向外移動15mm 左右,從上圖鐵芯行程曲線可知,隔膜的準靜態工作行程大概為110mm。

圖5 是隔膜最大行程的仿真分析結果。

圖5 隔膜位移和油壓分析結果

圖6 隔膜應力分析結果

圖7 隔膜位移和應力分析結果

實驗中,注水口與隔膜腔軸心高度差不超過1 米,1 米水壓約為0.01MPa。分析中未考慮重力,將截止壓強放大到0.02MPa,考察流場中頸部中心位置的節點壓強。

從圖中可知,活塞行程590mm 時,油壓達到0.02MPa,對應隔膜位移為159mm,取整為160mm。

根據經驗,相同直徑的隔膜行程實驗最大行程約為210mm,仿真與實驗存在很大的差異,除了方法不同,隔膜材料不同是主要的影響因素。

隔膜行程實驗中,橡膠應力較小,而實際工作中,橡膠也可以承受一定的應力(應變),圖6 分析隔膜行程和應力關系。

圖7 中取了幾個有代表性的單元(覆蓋了任意時刻最大應力位置),繪制出行程和應力曲線。

隔膜最大行程,理解成隔膜本身能夠承受的最大變形更為貼切。補強硫化丁腈橡膠拉伸強度為15～30MPa(機械設計手冊),借鑒金屬材料靜強度、疲勞強度標準,可以得到隔膜最大許用應力,查圖7 得到隔膜最大行程(表1)。

(經過橡膠材料試驗及計算)假設隔膜最大許用應力為4MPa,可以得出,隔膜最大行程為175mm。

3 結論

根據上文對隔膜行程實驗的數值模擬仿真結果可知,該臺套隔膜泵橡膠隔膜正常工作的行程約為110mm,模擬行程實驗(注水)的行程約為160mm,隔膜可承受行程約為175mm。后經與實驗結果對比可知,數值模擬結果真實可信。