Программный комплекс SIMULIA Abaqus отличается модульной архитектурой, где каждый модуль содержит специализированный набор инструментов для построения моделей методом конечных элементов (МКЭ) и проведения с ними расчетов. Ключевым преимуществом Abaqus является реализация Расширенного Метода Конечных Элементов (XFEM), позволяющего выполнять реалистичное 3D-моделирование роста трещин по произвольным траекториям, не зависящим от границ сетки элементов.
В свою очередь, SIMULIA XFlow предлагает инновационную технологию вычислительной гидродинамики (CFD), основанную на решеточных уравнениях Больцмана и частицах. Это решение оптимизировано для задач моделирования жидкостей и входит в портфель SIMULIA Fluids Simulation.
Оценка производительности перистальтического насоса
Перистальтические насосы — это тип насосов объемного вытеснения, нашедших широкое применение в различных отраслях для перекачки высоковязких сред или жидкостей, содержащих твердые включения.
На рисунке ниже представлена геометрия типичного перистальтического насоса с тремя роликами:
Рисунок 1: Геометрия перистальтического насоса с 3 роликами
Целью данного моделирования является комплексная оценка рабочих характеристик насоса. Анализ производительности позволяет исследовать несколько ключевых аспектов:
- Анализ полей давления и скорости при заданной скорости вращения ротора и объемном расходе. Это дает понимание номинальных рабочих характеристик и общей эффективности насоса.
- Исследование напряжений и деформаций в гибкой трубке, вызванных воздействием роликов и давлением жидкости. Такой анализ помогает быстро выявить потенциально слабые места и зоны перегрузки, а также оценить усталостную долговечность трубки.
- Контроль контактных напряжений (контактное давление и сдвиг). Полученные данные полезны для оптимизации геометрии роликов и конструкции ротора.
- Расчет выходного крутящего момента на валу ротора, который позволяет оценить его энергоэффективность при разных режимах работы.
- Визуализация векторов скорости потока помогает определить оптимальные характеристики внутренней поверхности трубки для обеспечения заданной производительности, что особенно критично при перекачке высоковязких жидкостей.
Принцип работы перистальтического насоса
Конструкция насоса (Рис. 1) включает корпус, внутри которого размещены основные компоненты. Гибкая трубка, по которой движется жидкость, зафиксирована относительно корпуса. Ротор с тремя роликами совершает вращательное движение. Вращающиеся ролики попеременно пережимают трубку, создавая движущиеся герметичные участки («подушки» жидкости) между входным и выходным патрубками. При движении ролика «подушка» выталкивает жидкость к выходу. В зоне за роликом трубка восстанавливает форму, создавая разрежение, которое всасывает новую порцию жидкости со стороны входа.
Этот принцип, известный как перистальтика, широко распространен в природе. Например, в человеческом организме перистальтические сокращения мышц пищевода и желудочно-кишечного тракта обеспечивают продвижение пищи. Наглядная иллюстрация процесса показана на рисунке 2.
Рисунок 2: Принцип перистальтики
Преимущества и особенности перистальтических насосов
- Универсальность: Способность перекачивать сложные, абразивные и высоковязкие жидкости, включая чувствительные к сдвигу полимеры и пищевые продукты.
- Надежность и простота: Конструкция насоса проста, содержит минимум изнашиваемых деталей, что обеспечивает высокую надежность и снижает затраты на обслуживание.
- Точное дозирование: Линейная зависимость расхода от скорости вращения ротора делает эти насосы идеальными для точного дозирования в медицине, химической и пищевой промышленности.
- Химическая стойкость: Возможность изготовления гибкой трубки из различных материалов (резина, термопласты, фторопласты) позволяет работать с агрессивными и высокотемпературными средами.
- Герметичность и безопасность: Отсутствие уплотнений и замкнутый контур перекачки исключают утечки и перекрестное загрязнение. В случае разрыва трубки жидкость остается внутри корпуса.
- Самовсасывание и работа с газами: Насос не требует заливки и может перекачивать среды с пузырьками воздуха или отходящими газами, хотя их наличие может влиять на производительность.
- Отсутствие кавитации: Принцип работы исключает явление кавитации, характерное для многих других типов насосов.
Структурная модель в Abaqus
На рисунке 3 показана конечно-элементная сетка узла насоса, созданная в Abaqus. Цветовая дифференциация указывает на тип тел: зеленым выделено деформируемое тело (гибкая трубка), серым — абсолютно твердые тела (корпус, направляющий блок, ротор).
Обратите внимание: Об основах научного принципа понимания окружающей действительности в сети интернет..
Рисунок 3: Атрибуты сетки и тела (зеленый = деформируемое/серое = твердое тело) узла перистальтического насоса в Abaqus
Моделирование компонентов как твердых тел позволяет значительно сократить вычислительные затраты. Основное внимание в анализе уделяется деформируемой гибкой трубке (темно-зеленый цвет). Ролики на данной иллюстрации не показаны для наглядности; их взаимодействие описывается далее.
Моделирование материалов
Для моделирования поведения гибкой резиновой трубки в Abaqus был использован гиперупругий закон материала (модель Огдена 3-го порядка) с плотностью ρ=1400 кг/м³.
Контактные взаимодействия
В конечно-элементной модели были заданы контактные пары с учетом трения (коэффициент μ=0.25). Контакты определены между следующими компонентами:
- Корпус насоса и гибкая трубка
- Направляющий блок и гибкая трубка
- Три ролика насоса и гибкая трубка
Для обеспечения совместного моделирования (Co-Simulation) структурного анализа в Abaqus и гидродинамического в XFlow была определена специальная соединительная поверхность. Это внутренняя, смачиваемая поверхность гибкой трубки, контактирующая с жидкостью. В Abaqus для нее настроено граничное взаимодействие «Int-1 Fluid-structure Co-Simulation», как показано на рисунке 4.
Рисунок 4: Поверхность для совместного моделирования структура-жидкость (смачиваемая поверхность трубки).
Нагрузки и граничные условия
Граничные условия были заданы следующим образом: торцы гибкой трубки полностью закреплены. Твердые тела либо полностью зафиксированы (корпус), либо имеют предписанное движение (ротор с роликами вращается по часовой стрелке). Ролики также могут свободно вращаться вокруг своих осей.
Начальная конфигурация роликов (t=0 с) отличалась от рабочей. Вращение ротора на начальном этапе (к t=0.1 с) привело к тому, что два ролика пережали трубку, создав первую герметичную «подушку» жидкости для анализа. Эта конфигурация показана на рисунке 5 (справа). Возможна также конфигурация с предварительным натягом.
Рис. 5: Конфигурация роликов в начальный момент (t=0 с, слева) и после начала вращения (t=0.1 с, справа).
Сила тяжести в данном анализе не учитывалась.
Настройки шага анализа
Для совместного моделирования использовался явный динамический шаг в Abaqus. Общее время анализа составило 1.1 секунды, что соответствует одному полному обороту ротора при скорости 60 об/мин. Такое же время анализа было задано в решателе CFD для синхронизации данных.
CFD-модель в XFlow
Геометрия для CFD-модели включает только внутренний объем гибкой трубки — область течения жидкости. Именно граница этой области (смачиваемая поверхность) используется для связи с Abaqus (см. Рис. 4). На границах модели были заданы условия входа и выхода: на входе — манометрическое давление 0 Па, на выходе — соответствующее условие для моделирования нагнетания. Детали показаны на Рисунке 6.
Рисунок 6: Геометрия CFD-модели и граничные условия на входе/выходе.
Свойства жидкости
В качестве рабочей жидкости в данном случае моделировалась вода. Ее свойства приведены в Таблице 1.
Эталонная плотность - 998,3 кг/м3
Модель вязкости - ньютоновская
Динамическая вязкость - 0,001 Па·с
Таблица 1: Свойства воды для CFD-расчета.
#abaqus #simulia #cae #xflow #cfd #наука #наука и образование #наука и техника
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Simulia Abaqus и xflow для оценки производительности перистальтического насоса.