柔性軟管在壓力流體下的研究范文

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《機(jī)械工程與自動(dòng)化雜志》2014年第二期

1試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)逐漸加載，測(cè)量得到相應(yīng)載荷下軟管的長(zhǎng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，軟管伸長(zhǎng)量隨載荷的變化曲線如圖2所示。

2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)軟管試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出此結(jié)構(gòu)所能承受的極限軸向脫出力為1900N。軟管承受極限軸向脫出力時(shí)軟管內(nèi)壁所受的壓強(qiáng)p（Pa）［2］為：其中：F為軟管所受軸向脫出力，F(xiàn)＝1900N；S為軟管徑向截面積，m2。

3流體力學(xué)軟件分析

以管路系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)為研究對(duì)象，采用三維CFD軟件Fluent計(jì)算分析流體沿管路的流動(dòng)情況，得出管路壁面的壓力值及管路內(nèi)部速度云圖。

3.1計(jì)算模型根據(jù)實(shí)際使用情況，利用SolidWorks分別建立了初始長(zhǎng)度下和加壓變形后軟管的三維模型［3］，見(jiàn)圖3，并將文件保存為＊．step格式。

3.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格單元類型的選擇關(guān)系到計(jì)算的精度和計(jì)算效率，采用CFD軟件，結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量少，單元變形特性好，并且可以很好地控制流向性分布及邊界層方向的正交性，具有其他網(wǎng)格無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)［4］，初始流體模型和加壓變形后流體模型的網(wǎng)格圖如圖4所示。

3.3計(jì)算方法對(duì)軟管進(jìn)行實(shí)體建模，采用Fluent軟件分析軟管內(nèi)部流體的流動(dòng)情況，結(jié)合靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置邊界條件如下：①流量進(jìn)口，速度為0．1m／s；②自由流射出口；③流體密度為1．225kg／m；④軟管內(nèi)徑為其中：R為軟管半徑。對(duì)于3″軟管，其半徑為38mm，由式（1）和式（2）計(jì)算可得p＝0．45MPa，即軟管可承受0．45MPa的壓強(qiáng)。

3.4軟管的壓力場(chǎng)分析利用Fluent3D求解器對(duì)軟管內(nèi)部的流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解，基于上述參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算［5］分別求出初始狀態(tài)和加壓變形后的動(dòng)態(tài)壓力云圖，如圖5所示。通過(guò)壓力云圖5，可以得到以下結(jié)論：①不論是初始狀態(tài)還是加壓變形后，軟管的入口段處壓力明顯較大；②從圖5（b）可以看出，在澆注完成以后，管內(nèi)充滿流體，壓力從進(jìn)口端逐漸向軟管中間傳遞，壓力在流體內(nèi)部出現(xiàn)顯著變大現(xiàn)象，在出口端，隨著壓力傳遞的損失，壓力逐漸減小；③彎曲軟管內(nèi)部壓力從入口端面到出口端面呈階梯狀依次變化，這種壓力梯度有利于流體在腔內(nèi)流動(dòng)，從而達(dá)到消減壓力脈動(dòng)的效果，這與文獻(xiàn)［5］得出的結(jié)論一致。軟管各段的壓力值見(jiàn)表3。從表3中我們可以看出，在軟管彎曲處，流體內(nèi)部壓力變化較大，其壓力值高于進(jìn)口端和出口端，在軟管出口端，管壁趨于直段，因此流體壓力和流速都沒(méi)有顯著的變化。

3.5軟管的速度場(chǎng)分析在進(jìn)口流體速度0．1m／s、出口為自由射流的工況下，澆注軟管管路中流體的速度云圖如圖6所示。通過(guò)圖6可以得到以下的結(jié)論：①澆注的過(guò)程中，在軟管進(jìn)口端會(huì)出現(xiàn)速度顯著增大現(xiàn)象，在軟管中間部分會(huì)由于管壁的彎曲導(dǎo)致流體速度的損失；②在澆注完成以后，管內(nèi)充滿流體，速度從進(jìn)口端逐漸向軟管中間傳遞，流體外部靠近管壁部分由于管壁的摩擦以及軟管彎曲的影響其速度小于中間流體的速度，這與文獻(xiàn)［6］得出的結(jié)論一致。

4改變內(nèi)徑后的軟管分析

根據(jù)式（1）和式（2）可知，當(dāng)軟管的半徑R減小以后，其承壓能力會(huì)有所提高，之前我們分析的軟管直徑為Φ76mm，現(xiàn)在將軟管直徑改為Φ50mm，其他參數(shù)均保持不變，通過(guò)建模、劃分網(wǎng)格、參數(shù)設(shè)定，經(jīng)Fluent軟件分析得到加壓后流體的壓力云圖和速度云圖如圖7所示。根據(jù)分析結(jié)果，可以得出Φ50mm軟管各處流體的壓力和速度，如表4所示。表4中的數(shù)值顯示，把軟管直徑改小到Φ50mm以后，在對(duì)應(yīng)進(jìn)口處、彎曲處和出口處的壓力變化值均小于Φ76mm軟管的參數(shù)值，因此在承壓使用的情況下應(yīng)盡量選用直徑較小的軟管。5結(jié)論通過(guò)對(duì)軟管連接接頭承載能力的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論分析和Fluent軟件的流場(chǎng)分析得出，在軟管使用的過(guò)程中，壓力變化集中在軟管彎曲部分，因此要充分考慮軟管的伸縮性以及工作壓力等因素，使用時(shí)盡量選用直徑較小的軟管，其性能要優(yōu)于直徑較大的軟管。

作者：周樂(lè)崔昭霞蘇加光范文娟單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院