《剪切啮合型转子混炼区域流场的有限元分析》

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1、剪切啮合型转子混炼区域流场的有限元分析汪传生，张德伟（青岛科技大学，机电工程学院，青岛，266061）摘要：利用ADINA有限元分析软件对剪切啮合型转子混炼区域的流场进行模拟分析，得出混炼区域的压力场、剪切应力场、粘度场和速度场的模拟结果，并根据模拟结果分析了胶料的混炼情况。关键词：剪切啮合，转子，流场，有限元FEMAnalysisofMixingAreaFlowFieldofShearing-meshingrotorWangChuan-shengZhangDe-wei(CollegeofMechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScience＆Te

2、chnology,Qingdao,266061)Abstract:Themixingareaflowfieldofshearing-meshingrotorwasanalysedbyADINA,gettingtheresultofthepressure,shearstress,viscosityandvelocityfieldofthemixingarea,andaccordingtotheresult,thestateoftherubbermixedwasanalysed.Keywords:shearing-meshing,rotor,flowfield,FEM前言剪切啮合型转子具有特殊

3、的结构，转子在周向和轴向的方向上有间隙变化，再加上短纤维—橡胶复合材料自身的特点，使得胶料在密炼机内的流动非常复杂，因此在混炼区域胶料具有独特的流动机理。采用ADNIA有限元分析软件对剪切啮合型转子的混炼区域进行流场模拟。ADINA在求解流体、流体与结构耦合等复杂非线性问题时，功能强大，在温度分析方面可以求解由传导、对流、辐射引起的传热问题，进行稳态及瞬态温度场分析，可以考虑流体（透明介质）辐射、相变、单元死活及边界条件的变化。对剪切啮合型转子混炼区流场的有限元分析的过程中，一般使用非牛顿流体有限元模型对流场进行求解。求解的主要内容包括：压力场、剪切应力场、粘度场和速度场的计算。91模型的

4、建立用有限元方法对胶料流场进行分析,需要建立相应流场的物理模型、数学模型和有限元模型。只有将这三种模型有机地结合在一起，才能进行有限元求解。同时，上述模型的建立必须依赖于相应的实体模型。在本文中建立的剪切啮合型转子的实体模型如图1所示。图1剪切啮合型转子实体模型1.1物理模型图2剪切啮合型转子流场的物理模型密炼室内充满的流体减去两转子的体积就形成了胶料的流场。图2所示的即是新型剪切啮合型转子在密炼室内胶料完全充满状态下的物理模型。密炼室内的流场区域就是由密炼室内壁和两转子外表面之间的空隙组成的。在混炼过程中，胶料在密炼室壁和转子外表面形成的狭小空隙内进行流动，由于转子的几何形状非常复杂，因

5、此由密炼室内壁与两转子的表面形成的混炼区域的形状也十分复杂。为了使计算结果更为精确，在建立转子混炼区域流场的有限元模型时，应该在几何形状复杂的流场处加大网格密度。91.2数学模型考虑到由剪切啮合型转子流场的几何形状、物料性质、流动状态、加工条件等因素造成的流场复杂性，为便于研究作以下假设：1、流体为幂律流体；2、流场为稳定流场，即各加载物理量不随时间变化；3、雷诺数较小，可认为流体流动为层流；4、惯性力、重力等远小于粘滞力，忽略不计；5、流体为不可压缩流体；6、流体在流场壁面上无滑移；7、流体在流场内是完全充满的；8、流场为等温流场，即流场中各点温度相等，各种物性参数不随温度变化而变化。本

6、文主要研究在密闭条件下完全充满短纤维胶料的流场模型，根据假设，流场为等温度场，即各点温度相同，故不考虑能量转换。根据幂律本构方程、三维流体物料运动的基本方程[1]以及Carreau流体本构方程[2]即可进行流场有限元模拟分析。幂律本构方程为：（1）式中：为剪切应力，；为剪切速度，；为幂律流体稠度系数，；为幂律指数，对于牛顿流体，对于涨塑性流体，对于拟塑性流体。三维流体物料运动的基本方程为：（2）式中：，；为应力张量分量；为压强，；为Kronecker数；为幂律流体稠度系数，；为变形速度张量分量，。Carreau流体本构方程为：（3）9式中：为初始粘度，也就是零剪切速率时的粘度；为粘弹性的特

7、征时间；为无穷剪切粘度。为幂律指数。1.3有限元模型混炼流场选用笛卡儿坐标系，坐标原点设在整个流场模型的正中心位置。为了保证计算结果的合理性和准确性，采用国际单位制，即压力单位为帕，长度单位为米，时间单位为秒，质量单位为千克。网格是有限元的基本单位，是有限元计算得以进行的基础，网格质量的好坏直接关系到结果的正确性。通过对每一个部分划分单元组，独立地生成各部分流场的节点，可以灵活控制生成单元的数量及网格密度，从而提高求解精