偏心转子挤出机的流固耦合计算及实验验证
发布时间：2021-11-20 22:18
偏心转子挤出机是一种基于拉伸流变原理的高分子材料塑化输运设备,实现了由正应力起主要作用的熔融塑化输运。鉴于其独特的空间拓扑结构和复杂的运动规律,基于单向流固耦合方法的数值模拟对偏心转子挤出机的流场特性和结构力场进行研究,以直观展示聚合物熔体的流动特点和转子的受力变形规律,该研究对偏心转子挤出机的工艺条件选择和结构优化具有重要的参考价值。本文首先对偏心转子挤出机的基本结构、输运机理和转子运动规律进行了简要介绍,针对熔体流动的复杂性做出了合理假设,在此基础上构建了熔体流场的数值模型,利用流体力学软件FLUENT及动网格技术对偏心转子挤出机流场进行瞬态模拟,详细分析其熔体压力场、速度场的分布特点。在流场模拟结果的基础上,用结构分析模块Static Structure对偏心转子进行应力和变形计算,研究了不同转速、定转子啮合间隙、偏心距和转子半径对流场分布和转子变形的影响规律,最后在相同条件下将实验和模拟熔体压力进行了对比,不同流场位置的熔体压力变化规律一致,验证了数值模拟结果的可靠性。研究结果表明在一个转子运动周期内,不同时刻下的流场分布规律基本相同,沿挤出方向,熔体压力先增大后减小,密闭容腔...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同加工流场下聚合物塑化输运原理示意图
第一章绪论3作用，动板和滑板的协同作用会使聚合物输运体积连续地周期性变化，在强烈的拉伸形变作用下物料向前输送，使聚合物的流动速度梯度沿输运方向上的分量即拉伸流动占主要支配地位，偏心转子挤出机的加工原理正是基于这种以体积拉伸形变为主导作用的塑化输运。1.2.2基于偏心转子挤出机的实验研究为促进对现有材料的改进和提高单一材料的性能，关于聚合物共混物的研究和制备越来越多，但同时也提高了塑化加工方法在制备聚合物多组分共混体系时达到的分散混合效果的要求。在制备聚合物基纳米复合材料的挤出设备中，偏心转子挤出机加工的材料综合性能最佳，特别在改善纳米粒子的分散混合性能方面表现的尤为突出。陈荣源[19]分别用偏心转子挤出机和单螺杆挤出机制备了不同维度纳米复合材料（PP/Nano-TiO2），研究了复合材料中纳米粒子在不同加工流场下的分散性，实验发现，相比单螺杆挤出加工的复合材料性能，基于体积脉动形变原理的偏心转子挤出加工的PP/Nano-TiO2中纳米粒子的分散性更好，且复合材料的综合性能更优。证实了偏心转子挤出机的塑化加工是以拉伸形变为主导，说明纳米复合材料在拉伸形变作用下经受了周期性地“压缩-膨胀”混合过程，从而实现了纳米粒子团聚体的多梯度渐进分散混合机理，如图1-2所示。图1-2体积拉伸形变作用下纳米粒子的混合分散模型Fig.1-2NanoparticlemixingdispersionmodelbasedonvolumeelongationdeformationYu等[20]分别用传统双螺杆挤出机和偏心转子挤出机制备了PC/PP复合材料，发现在拉伸流场下，PC/PP共混物的分散相尺寸较小，且分布更加均匀，与剪切流场下形成
华南理工大学硕士学位论文10第二章流固耦合的数值模拟基础本章首先介绍了常规尺寸偏心转子挤出机的基本结构和工作原理，根据偏心转子在自转的同时等速反方向公转的特点，详细分析了转子的运动规律，然后结合流固耦合有限元法的基本理论，阐述了流场计算与固体结构求解的理论依据和应用方程，最后介绍了数值模拟所用的流体计算软件Fluent和结构分析软件StaticStructure相关功能原理，以及所涉及的关键技术。2.1偏心转子挤出机的结构及输送原理2.1.1偏心转子挤出机的基本结构基于体积拉伸形变原理的偏心转子挤出机是一种新型塑化挤出装置，主要由偏心转子挤压系统、动力与传动系统、成型系统和综合控制系统所组成[72]，其中最为核心的部分就是挤压系统，由于其特殊的空间拓扑结构和转子周期性的运动特点，实现了容腔物料体积的连续周期性变化。基本结构如图2-1所示，由定子和一根偏心转子组成，转子螺旋段的横截面均为圆形，而定子的螺旋段横截面是由半径为的两个半圆和长度为4（为转子偏心距）的两条直线所组成的长圆形，转子的立体结构由半径为的圆形扫描与其圆心相距，螺距为的轴线而成，定子是由长圆形绕自身轴线做导程为2的螺旋运动所形成，定子导程为转子螺距的两倍。图2-1偏心转子挤出机的基本结构Fig.2-1Basicstructureofeccentricrotorextruder从图中可以看出，转子由多个偏心螺旋段组成，且每段有着不同的偏心距、转子半
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同风速下Neil Pryde RS:X级别帆板帆翼空气动力性能单/双向流固耦合对比[J]. 雷晓珊,马勇,蔺世杰. 中国体育科技. 2019(09)
[2]双向流固耦合对螺旋离心泵内外特性的影响[J]. 王俊华,白茂宁,盛建萍. 通用机械. 2019(03)
[3]不同转速对偏心转子挤出机熔体输送段能耗影响的模拟研究[J]. 文劲松,尹晨欢,傅轶,胡志刚. 塑料工业. 2017(11)
[4]三螺杆挤出机螺杆组合流体流场及流固耦合特性分析[J]. 王天书,赵金玉,朱向哲. 辽宁石油化工大学学报. 2016(05)
[5]螺杆膨胀机转子力变形分析[J]. 袁玮玮,刁安娜,王亚洲,陆征. 化工设备与管道. 2016(05)
[6]小直径制导炸弹翼片的流固耦合仿真分析[J]. 郑永乾,郭锐,刘荣忠. 兵工自动化. 2016(02)
[7]计算机辅助设计（CAD）在双螺杆挤出机工艺设定的发展及应用[J]. 方万漂,郑京连,周建武,彭建文. 塑料工业. 2015(10)
[8]基于流固耦合的混流式水轮机转轮强度分析[J]. 阚阚,郑源,赵连辉,乔木,张策,尉青连. 水电站机电技术. 2015(02)
[9]双螺杆捏合机螺杆转子多场耦合特性数值模拟[J]. 魏静,梁新龙,孙旭建,孙伟. 机械强度. 2013(05)
[10]双螺杆转子结构特性流固耦合数值模拟[J]. 魏静,孙旭建,孙伟. 中国机械工程. 2012(18)
博士论文
[1]纳米填充体系体积拉伸形变混合机理及其结构性能研究[D]. 陈荣源.华南理工大学 2016
[2]大流量煤气压力调节阀流固耦合机理及动态特性研究[D]. 曹芳.山东大学 2012
硕士论文
[1]偏心转子挤出加工对UHMWPE结构与性能影响研究[D]. 高宇.华南理工大学 2019
[2]偏心转子挤出机流场和混合性能的数值模拟与实验[D]. 范德军.华南理工大学 2019
[3]偏心转子挤出机熔体输送段流场的数值模拟[D]. 尹晨欢.华南理工大学 2018
[4]基于流固耦合的大型螺杆挤出机转子应力分析[D]. 岳爽.大连理工大学 2017
[5]双螺杆挤出机支撑元件流场模拟与实验研究[D]. 胡鹏.北京化工大学 2017
[6]偏心转子挤出机制备HDPE/MMT纳米复合材料及其特性研究[D]. 梁晓彤.华南理工大学 2016
[7]内外充液换热管流体诱导振动双向流固耦合作用机理的数值模拟研究[D]. 朱雨.南昌大学 2015
[8]啮合异向双螺杆参数化造型与流固耦合分析[D]. 吴冰清.东北大学 2015
[9]基于流固耦合的飞机液压管路动力学分析[D]. 吕慧.西安电子科技大学 2012
[10]基于ANSYS Workbench的流固耦合计算研究及工程应用[D]. 解元玉.太原理工大学 2011
本文编号：3508182
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同加工流场下聚合物塑化输运原理示意图
第一章绪论3作用，动板和滑板的协同作用会使聚合物输运体积连续地周期性变化，在强烈的拉伸形变作用下物料向前输送，使聚合物的流动速度梯度沿输运方向上的分量即拉伸流动占主要支配地位，偏心转子挤出机的加工原理正是基于这种以体积拉伸形变为主导作用的塑化输运。1.2.2基于偏心转子挤出机的实验研究为促进对现有材料的改进和提高单一材料的性能，关于聚合物共混物的研究和制备越来越多，但同时也提高了塑化加工方法在制备聚合物多组分共混体系时达到的分散混合效果的要求。在制备聚合物基纳米复合材料的挤出设备中，偏心转子挤出机加工的材料综合性能最佳，特别在改善纳米粒子的分散混合性能方面表现的尤为突出。陈荣源[19]分别用偏心转子挤出机和单螺杆挤出机制备了不同维度纳米复合材料（PP/Nano-TiO2），研究了复合材料中纳米粒子在不同加工流场下的分散性，实验发现，相比单螺杆挤出加工的复合材料性能，基于体积脉动形变原理的偏心转子挤出加工的PP/Nano-TiO2中纳米粒子的分散性更好，且复合材料的综合性能更优。证实了偏心转子挤出机的塑化加工是以拉伸形变为主导，说明纳米复合材料在拉伸形变作用下经受了周期性地“压缩-膨胀”混合过程，从而实现了纳米粒子团聚体的多梯度渐进分散混合机理，如图1-2所示。图1-2体积拉伸形变作用下纳米粒子的混合分散模型Fig.1-2NanoparticlemixingdispersionmodelbasedonvolumeelongationdeformationYu等[20]分别用传统双螺杆挤出机和偏心转子挤出机制备了PC/PP复合材料，发现在拉伸流场下，PC/PP共混物的分散相尺寸较小，且分布更加均匀，与剪切流场下形成
华南理工大学硕士学位论文10第二章流固耦合的数值模拟基础本章首先介绍了常规尺寸偏心转子挤出机的基本结构和工作原理，根据偏心转子在自转的同时等速反方向公转的特点，详细分析了转子的运动规律，然后结合流固耦合有限元法的基本理论，阐述了流场计算与固体结构求解的理论依据和应用方程，最后介绍了数值模拟所用的流体计算软件Fluent和结构分析软件StaticStructure相关功能原理，以及所涉及的关键技术。2.1偏心转子挤出机的结构及输送原理2.1.1偏心转子挤出机的基本结构基于体积拉伸形变原理的偏心转子挤出机是一种新型塑化挤出装置，主要由偏心转子挤压系统、动力与传动系统、成型系统和综合控制系统所组成[72]，其中最为核心的部分就是挤压系统，由于其特殊的空间拓扑结构和转子周期性的运动特点，实现了容腔物料体积的连续周期性变化。基本结构如图2-1所示，由定子和一根偏心转子组成，转子螺旋段的横截面均为圆形，而定子的螺旋段横截面是由半径为的两个半圆和长度为4（为转子偏心距）的两条直线所组成的长圆形，转子的立体结构由半径为的圆形扫描与其圆心相距，螺距为的轴线而成，定子是由长圆形绕自身轴线做导程为2的螺旋运动所形成，定子导程为转子螺距的两倍。图2-1偏心转子挤出机的基本结构Fig.2-1Basicstructureofeccentricrotorextruder从图中可以看出，转子由多个偏心螺旋段组成，且每段有着不同的偏心距、转子半
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同风速下Neil Pryde RS:X级别帆板帆翼空气动力性能单/双向流固耦合对比[J]. 雷晓珊,马勇,蔺世杰. 中国体育科技. 2019(09)
[2]双向流固耦合对螺旋离心泵内外特性的影响[J]. 王俊华,白茂宁,盛建萍. 通用机械. 2019(03)
[3]不同转速对偏心转子挤出机熔体输送段能耗影响的模拟研究[J]. 文劲松,尹晨欢,傅轶,胡志刚. 塑料工业. 2017(11)
[4]三螺杆挤出机螺杆组合流体流场及流固耦合特性分析[J]. 王天书,赵金玉,朱向哲. 辽宁石油化工大学学报. 2016(05)
[5]螺杆膨胀机转子力变形分析[J]. 袁玮玮,刁安娜,王亚洲,陆征. 化工设备与管道. 2016(05)
[6]小直径制导炸弹翼片的流固耦合仿真分析[J]. 郑永乾,郭锐,刘荣忠. 兵工自动化. 2016(02)
[7]计算机辅助设计（CAD）在双螺杆挤出机工艺设定的发展及应用[J]. 方万漂,郑京连,周建武,彭建文. 塑料工业. 2015(10)
[8]基于流固耦合的混流式水轮机转轮强度分析[J]. 阚阚,郑源,赵连辉,乔木,张策,尉青连. 水电站机电技术. 2015(02)
[9]双螺杆捏合机螺杆转子多场耦合特性数值模拟[J]. 魏静,梁新龙,孙旭建,孙伟. 机械强度. 2013(05)
[10]双螺杆转子结构特性流固耦合数值模拟[J]. 魏静,孙旭建,孙伟. 中国机械工程. 2012(18)
博士论文
[1]纳米填充体系体积拉伸形变混合机理及其结构性能研究[D]. 陈荣源.华南理工大学 2016
[2]大流量煤气压力调节阀流固耦合机理及动态特性研究[D]. 曹芳.山东大学 2012
硕士论文
[1]偏心转子挤出加工对UHMWPE结构与性能影响研究[D]. 高宇.华南理工大学 2019
[2]偏心转子挤出机流场和混合性能的数值模拟与实验[D]. 范德军.华南理工大学 2019
[3]偏心转子挤出机熔体输送段流场的数值模拟[D]. 尹晨欢.华南理工大学 2018
[4]基于流固耦合的大型螺杆挤出机转子应力分析[D]. 岳爽.大连理工大学 2017
[5]双螺杆挤出机支撑元件流场模拟与实验研究[D]. 胡鹏.北京化工大学 2017
[6]偏心转子挤出机制备HDPE/MMT纳米复合材料及其特性研究[D]. 梁晓彤.华南理工大学 2016
[7]内外充液换热管流体诱导振动双向流固耦合作用机理的数值模拟研究[D]. 朱雨.南昌大学 2015
[8]啮合异向双螺杆参数化造型与流固耦合分析[D]. 吴冰清.东北大学 2015
[9]基于流固耦合的飞机液压管路动力学分析[D]. 吕慧.西安电子科技大学 2012
[10]基于ANSYS Workbench的流固耦合计算研究及工程应用[D]. 解元玉.太原理工大学 2011
本文编号：3508182
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