《真空练泥机连续螺旋绞刀仿生结构的二维有限元分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《真空练泥机连续螺旋绞刀仿生结构的二维有限元分析.docx（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、真空练泥机连续螺旋绞刀仿生结构的二维有限元分析 摘 要：为了改善螺旋绞刀中泥料层与层之间的相对运动，利用“仿生学”原理对螺旋绞刀结构进行修改，即把螺旋绞刀上的光滑表面变为非光滑的水纹表面。通过仿真模拟后，其结果表明：泥料之间层与层的相对运动减小了，说明结构变更后泥料与螺旋绞刀的粘附力减小了。 关键词：螺旋绞刀；泥条；模型；仿真模拟 1 引 言 泥料具有肯定的黏附作用，因此泥料各层在沿绞刀的径向的角速度不同，因此，就产生了相对的运动。为了减小这种相对运动，必需减小泥料与轴毂的粘附力。例如：蚯蚓可以在潮湿的土壤中自如地运动而不受土壤粘附的影响，蚯蚓在土壤中穿梭时体表的结构是非光滑的水纹表面，如图1
2、所示。说明这种非光滑表面具有减小粘附力的作用。为此将非光滑表面结构加载到螺旋铰刀中，然后进行仿真模拟。 2 泥料基本限制方程及数学模型的建立 2.1基本限制方程的建立 泥料在运动过程中所表现的粘弹性及其规律，不论在其流变测量过程还是在练泥机的挤压过程中，均属于连续介质的力学范畴，可将其定位于输运过程。泥料是一种特别的“剪切变稀”的非牛顿流体，遵循特别的流淌本构方程。 2.2 泥料模型的建立 为了便于分析，假设： 忽视螺槽内倒角、等微小结构因素的影响； 忽视回流的影响； 泥料为宾汉体； 流场为等温流场； 雷诺系数很小，可认为泥料的流淌为层流流淌； 由于惯性力、重力等体积力小于粘性力，可忽视不计；
3、 泥料为不行压缩流体； 接触边界无相对运动； 采纳泥料在螺旋铰刀中的绽开模型 对螺槽、泥料进行简化：将螺槽和筒壁分别绽开成两个平行平面，绽开后如图2所示，X方向表示沿螺旋面方向，Y方向表示绞刀径向(螺槽深度方向)，Z方向表示垂直于螺旋面方向。泥条的长、宽、高分别为0.9m、0.164m、0.0675m。泥料上方为方形挡泥槽，螺旋面和轴毂面均为水纹型结构。 因为泥条的三维流场分析比较困难，因此可把它简化成为两个二维模型进行分析，其中一个是用一个平行于XOZ的截面，从接近轴毂端去截取所得的截面的局部平面放大图形，如图3所示，还有一个就是用平行于XOY面的截面从泥料的中间截取所得到的局部平面放大的图
4、形，如图4所示。 2.3 网格的划分 利用FLUID141单元对截面进行智能网格划分。同时，对结构改变比较大的表面进行网格加密处理。 2.4 边界条件的确定 经测量，泥料牛顿粘度N=1.09103Pas、塑性粘度P=1.09103Pas、表观粘度S=2.37103Pas、泥料的屈服极限fv=1.018104Pa、绞刀转速为n=30r/min。在图3中定义挡 泥槽端速度为Vbx=0、Vby=0；轴毂端速度为Vsx=-0.1616m/s；进 口压力为0.5103Pa；出口的压力为1103 Pa。在图4中， 定义上下两个螺旋面速度为Vfx=-0.1616 m/s；进口压力为 0.5103 Pa；出口
5、的压力为1103 Pa。 3 分析结果与探讨 3.1 结构变更后与变更前的XOY面泥条X方向速度云图的比较 图5为结构变更后XOY面泥条X方向速度云图，其中Vmax1=0.159e-3m/s、Vmin1=-0.1616m/s；相对轴毂端的相对速度的平均值Vp1=0.2035m/s；角速度方差Fc1=2.45。图6为变更前的XOY面泥条X方向速度云图，其中Vmax2=0.13e-3m/s、Vmin2=-0.1616m/s；相对螺旋面的相对速度的平均值Vp2=0.285m/s，角速度方差Fc2=2.96。 通过对云图的视察，两图均有肯定厚度的泥料黏附在轴毂上，形成呆泥，d1大约为3.5mm左右，而
6、d2大约有7.5mm。因此，可以认为通过仿生改造后的轴毂表面的呆滞的泥层厚度可以减小50%，角速度方差Fc减小17.2%，有助于减小泥料层与层之间的相对运动。由于Vp的减小，导致泥料的平均流量Q减小了28.6%。 3.2 结构变更后与变更前的XOZ面泥条X方向速度云图的比较 图7 为结构变更后XOZ面泥条X方向速度云图，可以发觉Vmax3=0.0869m/s、Vmin3=-0.1616m/s；相对轴毂端的相对速度的平均值Vp3=0.032m/s、角速度方差Fc3=0.046。图8为变更前的XOZ面泥条X方向速度云图，其中Vmax4=-0.1616m/s、Vmin4=-0.1736m/s；相对螺
7、旋面的相对速度的平均值Vp4=0.00458m/s，角速度方差Fc4=0.056。 通过对速度云图的视察，两图均有肯定厚度的泥料黏附在轴毂上，形成呆泥，d3大约为3mm，而d4大约有5.2mm。因此，可以认为通过仿生改造后的轴毂表面的呆滞的泥层厚度可以减小42.3%，角速度方差Fc减小17.86%，有助于减小泥料层与层之间的相对运动。由于Vp的大幅度增加，导致泥料的平均流量Q将增加差不多7倍。 3.3 结构变更后与变更前的XOZ面泥条压力云图的比较 图9为结构变更后与变更前的XOZ面泥条压力云图，通过对图形的视察发觉，结构变更前压力分布梯度很清楚，说明泥料在不同位置所受的压力不同，而结构变更后
8、压力梯度比较模糊，在不同位置泥料所受压力大小差别不是很大。结构变更后泥料的压力分布相对变更前比较匀称，这能提高泥料的致密性。 3.4 结构变更后与变更前的XOY面泥条压力云图的比较 图10为结构变更后与变更前的XOY面泥条压力云图，通过视察结构变更前和变更后压力梯度变更不是很明显。 4 结 论 螺旋绞刀上的光滑表面变为非光滑的水纹表面。通过仿真模拟后对泥条XOY和XOZ截面进行了分析，得出了如下几个结论： 结构变更后XOY泥条截面的角速度方差Fc减小17.2%，XOZ截面的角速度减小17.86%，说明泥料层与层之间的运动明显减小了，导致阻力降低 。 结构变更后轴毂表面上呆滞泥层减小50%，螺旋
9、面上的呆滞泥层减小42%，说明变更后的螺旋绞刀轴毂表面与泥料之间，以及螺旋面上的黏附力减小了，粘附力减小就可以降低泥料层与层之间的相对运动，提高挤出泥料的质量 。 虽然结构变更后的XOY截面相对平均速度Vp1减小28.6%，但是XOZ截面相对平均速度Vp3增加近7倍，所以Vp1的减小可以忽视不计。 结构变更后压力梯度分布较变更前减小，这将有助于提高泥料挤出时的整体致密性。 参考文献 1 张柏清,林云万.陶瓷工业机械与设备M.北京:中国轻工业出版 社,2004,8,193231. 2 张柏清,裴佳宏,汤国兴.基于有限元方法的真空练泥机螺旋绞 刀结构参数探讨D.景德镇：景德镇陶瓷学院机电学院, 2022.8. 3 任露泉,李建桥,陈秉聪. 非光滑表面的仿生降阻探讨J.科学通 报,11015. 4 刘国敏.蚯蚓体表减粘降阻功能耦合仿生探讨D.吉林:吉林工 业高校,2022,6. 5 丛茜,任露泉,陈秉聪等.地面机械减粘脱土方法的探讨J.农业 工程学报,11010,6. 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页