柔性軟管在壓力流體下的研究范文

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《機械工程與自動化雜志》2014年第二期

1試驗結果

通過現場逐漸加載，測量得到相應載荷下軟管的長度，試驗數據如表2所示，軟管伸長量隨載荷的變化曲線如圖2所示。

2試驗數據處理

根據軟管試驗數據，得出此結構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軟管內壁所受的壓強p（Pa）［2］為：其中：F為軟管所受軸向脫出力，F＝1900N；S為軟管徑向截面積，m2。

3流體力學軟件分析

以管路系統內部流場為研究對象，采用三維CFD軟件Fluent計算分析流體沿管路的流動情況，得出管路壁面的壓力值及管路內部速度云圖。

3.1計算模型根據實際使用情況，利用SolidWorks分別建立了初始長度下和加壓變形后軟管的三維模型［3］，見圖3，并將文件保存為＊．step格式。

3.2網格劃分網格單元類型的選擇關系到計算的精度和計算效率，采用CFD軟件，結構的網格數量少，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，具有其他網格無法比擬的優勢［4］，初始流體模型和加壓變形后流體模型的網格圖如圖4所示。

3.3計算方法對軟管進行實體建模，采用Fluent軟件分析軟管內部流體的流動情況，結合靜態拉伸試驗結果，設置邊界條件如下：①流量進口，速度為0．1m／s；②自由流射出口；③流體密度為1．225kg／m；④軟管內徑為其中：R為軟管半徑。對于3″軟管，其半徑為38mm，由式（1）和式（2）計算可得p＝0．45MPa，即軟管可承受0．45MPa的壓強。

3.4軟管的壓力場分析利用Fluent3D求解器對軟管內部的流動區域進行求解，基于上述參數進行分析計算［5］分別求出初始狀態和加壓變形后的動態壓力云圖，如圖5所示。通過壓力云圖5，可以得到以下結論：①不論是初始狀態還是加壓變形后，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，管內充滿流體，壓力從進口端逐漸向軟管中間傳遞，壓力在流體內部出現顯著變大現象，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流動，從而達到消減壓力脈動的效果，這與文獻［5］得出的結論一致。軟管各段的壓力值見表3。從表3中我們可以看出，在軟管彎曲處，流體內部壓力變化較大，其壓力值高于進口端和出口端，在軟管出口端，管壁趨于直段，因此流體壓力和流速都沒有顯著的變化。

3.5軟管的速度場分析在進口流體速度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。通過圖6可以得到以下的結論：①澆注的過程中，在軟管進口端會出現速度顯著增大現象，在軟管中間部分會由于管壁的彎曲導致流體速度的損失；②在澆注完成以后，管內充滿流體，速度從進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［6］得出的結論一致。

4改變內徑后的軟管分析

根據式（1）和式（2）可知，當軟管的半徑R減小以后，其承壓能力會有所提高，之前我們分析的軟管直徑為Φ76mm，現在將軟管直徑改為Φ50mm，其他參數均保持不變，通過建模、劃分網格、參數設定，經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。根據分析結果，可以得出Φ50mm軟管各處流體的壓力和速度，如表4所示。表4中的數值顯示，把軟管直徑改小到Φ50mm以后，在對應進口處、彎曲處和出口處的壓力變化值均小于Φ76mm軟管的參數值，因此在承壓使用的情況下應盡量選用直徑較小的軟管。5結論通過對軟管連接接頭承載能力的實驗，結合理論分析和Fluent軟件的流場分析得出，在軟管使用的過程中，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，使用時盡量選用直徑較小的軟管，其性能要優于直徑較大的軟管。

作者：周樂崔昭霞蘇加光范文娟單位：內蒙古工業大學機械學院