摘要： 隨著有限元仿真技術的快速發展，流固耦合技術的應用范圍越來越廣.介紹3個典型的采用Abaqus等進行流固耦合仿真的應用案例.調查研究得出流固耦合仿真技術在中小型家具企業中的應用具有深層的意義和廣闊的市場.
關鍵詞： 流固耦合； 仿真技術； 中小型家具企業
中圖分類號： TB115.1； TB126文獻標志碼： B
引言
流固耦合是流體力學與固體力學交叉而成的一門獨立的力學分支，它的研究對象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運動對流場影響.流固耦合仿真技術早期主要用于航空航天領域，隨著技術的發展，應用范圍已經擴展到石化、機械和能源等工業領域.其中，以中小型家具企業對這項技術的應用需求最為迫切.因此，調查研究流固耦合仿真技術在中小型家具企業中的應用具有深層的意義和廣闊的市場.本文著重從3個方面闡述流固耦合仿真技術在中小型家具企業中的應用.（1）柴油機、齒輪泵、變速器和風力發電機等機械設備中齒輪箱飛濺潤滑設計；（2）各種液態空氣、石油化工產品儲液壓力容器的晃動計算；（3）以板式太陽能換熱器熱應力分析為例，模擬防凍液在銅管中流動，計算銅管和鋁板的溫度分布，并以此為基礎，對板式太陽能換熱器的熱應力進行計算.最后，對流固耦合仿真技術在中小型家具企業中的應用范圍進行分析總結.
1應用案例1.1變速齒輪箱飛濺潤滑設計
由于變速齒輪箱的工作環境、承受載荷和相對運動速度不同，對潤滑強度要求也不同.飛濺潤滑是目前變速器潤滑方式中的一種.在一定工作環境的情況下，某種結構所采用的飛濺潤滑設計是否滿足潤滑強度的要求，可以通過流固耦合仿真技術，對飛濺潤滑過程進行模擬，可以在設計方式確定之前獲得潤滑效果的評估，這樣可以縮短設計周期，提高工作效率.
本文采用Abaqus軟件建立變速齒輪箱中齒輪和潤滑油之間的流固耦合仿真模型，設置潤滑油的材料參數和相應的邊界條件，最后提交求解器進行計算.求解后得到變速齒輪箱飛濺潤滑設計的潤滑效果，見圖1.
由圖1可以清晰地看出潤滑油的飛濺狀態，并評估其潤滑強度.這對飛濺潤滑方式的設計和潤滑油使用量的確定具有很好的參考價值.
1.2儲液壓力容器晃動計算
壓力容器的用途非常廣泛，它在能源工業、石油化工、軍工和科研等國民經濟的各個部門都起著很重要的作用.壓力容器由于密封、承壓和介質等原因，很容易發生爆炸、燃燒起火而危及人員、設備和財產的安全以及污染環境的事故.因此，密封性和安全性是壓力容器的關鍵性能.本文應用流固耦合仿真技術，研究在極限工況（沖擊作用）下某儲液壓力容器中液體的晃動問題，獲得壓力容器表面所承受的壓力，為其安全評估提供依據.
采用FLUENT軟件建立油箱以及油介質的仿真模型，定義油箱及介質的材料參數和沖擊過程中的加速度及其他邊界條件，最后提交流固耦合分析求解器進行計算.容器晃動過程中，不同時刻油箱壁所承受的壓力見圖2.
由圖2可知，最大流體壓力為1 634 Pa，此結果與壓力容器的規格相對應，可以分析極限工況下儲液容器是否存在安全隱患.
1.3板式太陽能換熱器熱應力分析
對于太陽能行業來講，目前涉及到的主要問題是如何降低材料使用量和滿足安全性，所涵蓋的知識領域包括傳熱、流體、壓力和機械強度等方面.因此，有限元仿真分析在太陽能行業中的應用越來越廣泛，主要涉及以下方面.
（1）傳熱方面的設計.主要涉及到集熱器當中的熱傳導設計相關的問題.
（2）機械強度計算及結構的優化設計.如太陽能安裝過程中有很多需要安裝支架，必要時須對支架進行滿足要求的強度優化設計.
（3）抗風阻設計.尤其是在高樓或者大風地區，要進行支架的抗風核算.
本文以平板集熱器條帶的傳熱分析和熱應力分析為例，說明流固耦合仿真分析在太陽能行業的應用.平板集熱器條帶的焊接形式見圖3.
（a）帶肋片的管子（b）縫焊（c）弧面焊（d）滾焊（點焊）（e）銅鋁（全銅）復合
圖 3集熱器條帶的焊接形式
以圖3（b）形式為例，其實際結構見圖4，集熱管為銅管，上面為鋁板.銅管直徑為8 mm，鋁板和銅管為激光焊接，平板表面的單位輻射量為800 W/m2，條帶的吸收率為90%，防凍液在銅管中流動.平板集熱器系統的簡化物理模型見圖5.
圖 4平板集熱器（a）防凍液 （b）平板圖 5平板集熱器系統的簡化物理模型
在FLUENT中建立其流固耦合的傳熱分析模型，并設置銅管中防凍液的材料參數以及平板的熱量吸收等，最后提交FLUENT進行計算求解.求解完成后，獲得平板集熱系統的溫度分布場，見圖6，并將溫度分布和模型輸出為Abaqus格式，用于平板集熱系統的熱應力分析計算.
（a）管道中防凍液溫度分布 （b）平板中液體溫度分布 （c）系統溫度分布圖 6平板集熱系統的溫度分布
將FLUENT的溫度計算結果導入到Abaqus中，計算平板集熱系統從初始溫度20 ℃，上升到FLUENT計算結果溫度過程中的熱應力.熱應力分析結果見圖7.綜合以上分析，用FLUENT軟件建立流固耦合分析模型，得到平板集熱器的最終工作溫度場，然后采用Abaqus軟件計算溫升過程中產生的熱應力，后續可以根據此熱應力進行平板集熱器的熱應力疲勞分析估算其使用壽命.此方法對于優化平板集熱器的設計有很重要的指導意義.（a）管道主應力分布圖（b）平板主應力分布圖（c）系統主應力分布圖
圖 7平板集熱系統熱應力（主應力）分布圖
2結束語
通過列舉幾個比較典型的流固耦合仿真分析方法在一些中小型制造家具企業的應用，可以看出，在產品的設計階段就能夠通過計算機流固耦合仿真分析模擬出產品的工作狀態，發現產品設計中存在的缺陷和問題，并可以給出產品設計的更改思路.
在產品更新換代如此之快的今天，家具企業的生存發展之道就是不斷推陳出新，且生命周期還要很短.該技術對于以傳統設計方式為主，產品生命周期長的中小型家具企業是一個新的希望.但是，由于該技術應用過程中的軟硬件投入很大，一般中小型家具企業無法承受，所以并沒有在中小型家具企業中廣泛的應用.目前出現一種軟硬件同時租賃使用的新的經營模式，能很好的解決這一問題.相信以后流固耦合仿真分析技術在中小型家具企業中的應用會更加廣泛.參考文獻：
[1]邢景棠， 周盛， 崔爾杰. 流固耦合力學概述[J]. 力學進展， 1997， 27（1）： 1930.
[2]郭術義， 陳舉華. 流固耦合應用研究進展[J]. 濟南大學學報， 2004， 18（2）： 123126.
[3]張宏旺， 黃鑫， 趙軍， 等. 矩形儲液箱在流固耦合下的靜強度及模態分析[J]. 北京化工大學學報， 2012， 39（1）： 9397.
[4]孫哲， 王松嶺， 吳正人， 等. 基于單向流固耦合的離心通風機葉輪強度研究[J]. 發電設備， 2012， 26（1）： 1316.
（編輯武曉英）
關鍵詞： 流固耦合； 仿真技術； 中小型家具企業
中圖分類號： TB115.1； TB126文獻標志碼： B
引言
流固耦合是流體力學與固體力學交叉而成的一門獨立的力學分支，它的研究對象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運動對流場影響.流固耦合仿真技術早期主要用于航空航天領域，隨著技術的發展，應用范圍已經擴展到石化、機械和能源等工業領域.其中，以中小型家具企業對這項技術的應用需求最為迫切.因此，調查研究流固耦合仿真技術在中小型家具企業中的應用具有深層的意義和廣闊的市場.本文著重從3個方面闡述流固耦合仿真技術在中小型家具企業中的應用.（1）柴油機、齒輪泵、變速器和風力發電機等機械設備中齒輪箱飛濺潤滑設計；（2）各種液態空氣、石油化工產品儲液壓力容器的晃動計算；（3）以板式太陽能換熱器熱應力分析為例，模擬防凍液在銅管中流動，計算銅管和鋁板的溫度分布，并以此為基礎，對板式太陽能換熱器的熱應力進行計算.最后，對流固耦合仿真技術在中小型家具企業中的應用范圍進行分析總結.
1應用案例1.1變速齒輪箱飛濺潤滑設計
由于變速齒輪箱的工作環境、承受載荷和相對運動速度不同，對潤滑強度要求也不同.飛濺潤滑是目前變速器潤滑方式中的一種.在一定工作環境的情況下，某種結構所采用的飛濺潤滑設計是否滿足潤滑強度的要求，可以通過流固耦合仿真技術，對飛濺潤滑過程進行模擬，可以在設計方式確定之前獲得潤滑效果的評估，這樣可以縮短設計周期，提高工作效率.
本文采用Abaqus軟件建立變速齒輪箱中齒輪和潤滑油之間的流固耦合仿真模型，設置潤滑油的材料參數和相應的邊界條件，最后提交求解器進行計算.求解后得到變速齒輪箱飛濺潤滑設計的潤滑效果，見圖1.
由圖1可以清晰地看出潤滑油的飛濺狀態，并評估其潤滑強度.這對飛濺潤滑方式的設計和潤滑油使用量的確定具有很好的參考價值.
1.2儲液壓力容器晃動計算
壓力容器的用途非常廣泛，它在能源工業、石油化工、軍工和科研等國民經濟的各個部門都起著很重要的作用.壓力容器由于密封、承壓和介質等原因，很容易發生爆炸、燃燒起火而危及人員、設備和財產的安全以及污染環境的事故.因此，密封性和安全性是壓力容器的關鍵性能.本文應用流固耦合仿真技術，研究在極限工況（沖擊作用）下某儲液壓力容器中液體的晃動問題，獲得壓力容器表面所承受的壓力，為其安全評估提供依據.
采用FLUENT軟件建立油箱以及油介質的仿真模型，定義油箱及介質的材料參數和沖擊過程中的加速度及其他邊界條件，最后提交流固耦合分析求解器進行計算.容器晃動過程中，不同時刻油箱壁所承受的壓力見圖2.
由圖2可知，最大流體壓力為1 634 Pa，此結果與壓力容器的規格相對應，可以分析極限工況下儲液容器是否存在安全隱患.
1.3板式太陽能換熱器熱應力分析
對于太陽能行業來講，目前涉及到的主要問題是如何降低材料使用量和滿足安全性，所涵蓋的知識領域包括傳熱、流體、壓力和機械強度等方面.因此，有限元仿真分析在太陽能行業中的應用越來越廣泛，主要涉及以下方面.
（1）傳熱方面的設計.主要涉及到集熱器當中的熱傳導設計相關的問題.
（2）機械強度計算及結構的優化設計.如太陽能安裝過程中有很多需要安裝支架，必要時須對支架進行滿足要求的強度優化設計.
（3）抗風阻設計.尤其是在高樓或者大風地區，要進行支架的抗風核算.
本文以平板集熱器條帶的傳熱分析和熱應力分析為例，說明流固耦合仿真分析在太陽能行業的應用.平板集熱器條帶的焊接形式見圖3.
（a）帶肋片的管子（b）縫焊（c）弧面焊（d）滾焊（點焊）（e）銅鋁（全銅）復合
圖 3集熱器條帶的焊接形式
以圖3（b）形式為例，其實際結構見圖4，集熱管為銅管，上面為鋁板.銅管直徑為8 mm，鋁板和銅管為激光焊接，平板表面的單位輻射量為800 W/m2，條帶的吸收率為90%，防凍液在銅管中流動.平板集熱器系統的簡化物理模型見圖5.
圖 4平板集熱器（a）防凍液 （b）平板圖 5平板集熱器系統的簡化物理模型
在FLUENT中建立其流固耦合的傳熱分析模型，并設置銅管中防凍液的材料參數以及平板的熱量吸收等，最后提交FLUENT進行計算求解.求解完成后，獲得平板集熱系統的溫度分布場，見圖6，并將溫度分布和模型輸出為Abaqus格式，用于平板集熱系統的熱應力分析計算.
（a）管道中防凍液溫度分布 （b）平板中液體溫度分布 （c）系統溫度分布圖 6平板集熱系統的溫度分布
將FLUENT的溫度計算結果導入到Abaqus中，計算平板集熱系統從初始溫度20 ℃，上升到FLUENT計算結果溫度過程中的熱應力.熱應力分析結果見圖7.綜合以上分析，用FLUENT軟件建立流固耦合分析模型，得到平板集熱器的最終工作溫度場，然后采用Abaqus軟件計算溫升過程中產生的熱應力，后續可以根據此熱應力進行平板集熱器的熱應力疲勞分析估算其使用壽命.此方法對于優化平板集熱器的設計有很重要的指導意義.（a）管道主應力分布圖（b）平板主應力分布圖（c）系統主應力分布圖
圖 7平板集熱系統熱應力（主應力）分布圖
2結束語
通過列舉幾個比較典型的流固耦合仿真分析方法在一些中小型制造家具企業的應用，可以看出，在產品的設計階段就能夠通過計算機流固耦合仿真分析模擬出產品的工作狀態，發現產品設計中存在的缺陷和問題，并可以給出產品設計的更改思路.
在產品更新換代如此之快的今天，家具企業的生存發展之道就是不斷推陳出新，且生命周期還要很短.該技術對于以傳統設計方式為主，產品生命周期長的中小型家具企業是一個新的希望.但是，由于該技術應用過程中的軟硬件投入很大，一般中小型家具企業無法承受，所以并沒有在中小型家具企業中廣泛的應用.目前出現一種軟硬件同時租賃使用的新的經營模式，能很好的解決這一問題.相信以后流固耦合仿真分析技術在中小型家具企業中的應用會更加廣泛.參考文獻：
[1]邢景棠， 周盛， 崔爾杰. 流固耦合力學概述[J]. 力學進展， 1997， 27（1）： 1930.
[2]郭術義， 陳舉華. 流固耦合應用研究進展[J]. 濟南大學學報， 2004， 18（2）： 123126.
[3]張宏旺， 黃鑫， 趙軍， 等. 矩形儲液箱在流固耦合下的靜強度及模態分析[J]. 北京化工大學學報， 2012， 39（1）： 9397.
[4]孫哲， 王松嶺， 吳正人， 等. 基于單向流固耦合的離心通風機葉輪強度研究[J]. 發電設備， 2012， 26（1）： 1316.
（編輯武曉英）
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