基于ANSYS的非牛顿流体减速带有限元分析

陈波佑 朱雄飞 尚召伟

摘   要：为研究一种内含幂律流体并具有半椭圆形截面结构的减速带的受压分析，通过建立个例模型来分析其中的固液耦合及受压情况，给出了一种建立这种减速带受压模型的方案并从理论上判断生产这种减速带的可行性，最终得出非牛顿流体减速带在5s内的受压情况及内部流体的流动情况。

关键词：非牛顿流体减速带  仿真  耦合  幂律流体

中图分类号：TU311; O315.3                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）12（a）-0087-02

1  建立仿真模型

整个仿真过程采用流程：

（1）利用DesignModeler建立减速带模型，采用的尺寸为2000mm×200mm×48.82mm，如图1所示。其中将固体外壳厚度即与流体部分之间相隔设置为5mm。

（2）边界条件：按照实际支撑情况在减速带模型底部面施加固定约束。

（3）荷载计算及施加方法：荷载计算模拟车辆压过减速带力度逐渐增大的情况，现认为施力大小随时间呈线性变化，满足如下关系式：

其中t為施力时间，在仿真过程中取5s，F模拟为车辆一侧车轮生成的压力，总压力为2F，压力作用点设置如图2所示。

2  网格划分

在划分网格时采用精度较高的CFD模式，为提高网格密度，将Resolution（分辨率）调至最大值，由此获得较详细的仿真数据。由于后期需要进行固液耦合，故需要设置动网格，在更新网格划分后检查网格的Skewness（偏度）峰值，本次仿真偏度峰值为5.7323，在允许值范围内，故网格划分较为精准。

3  结果分析

在FLUENT中对减速带模型内部进行幂律流体的填充，期内含流体的参数如表1所示。

在受力时间达到第1s与第5s时，减速带受压从1500N线性提升至7500N其XOY面的压力云图如图3所示。

综合两个时间点的受力情况可以看出其内含有的幂律流体在秒的受压后呈现中间部分压强较高，流体集中在此处压力作用点处压强出现负数，这是由于在ANSYS计算固液耦合时这两处出现外壳与内部流体未接触而导致的，在压力缓慢提升时两者在减速带中部的压强相近，故可以分析得出由于幂律流体在缓慢压力的作用下，其内部呈现流动的现象。

受压5s时其中一个压力作用点处YOZ面的速度矢量图如图4所示。

在压力的缓慢提升中，由于幂律流体呈现流动现象，受压点处的流体会向两侧流动，在实际情况中会表现出车轮所压的部分减速带高度会很低，而中间部分由于流体的流动集中高度会很高。

4   结语

（1）综上所述，由于这种幂律流体的受压力提升较为缓慢，故其内部剪切速率较低，剪切应力较低，会呈现流动的现象，在车辆缓慢过带时，中间部分的流体会较为集中，在实际生产过程中需要考虑设置较为合理的减速带高度，防止车辆低速过带时出现减速带中部压强过大刚度失效的问题。

（2）仿真过程只提供了一种尺寸的非牛顿流体减速带，并不能代表所有尺寸的受力情况，需要根据实际生产确定合理的减速带尺寸。

（3）仿真未考虑热交换等因素，在精度上存在一定误差。

参考文献

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