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1、连续螺旋绞刀仿生结构的ANSYS有限元分析张柏清，朱华，刘春江(景德镇陶瓷学院机电学院,景德镇333403)摘要：为了改善泥料在螺旋绞刀中的分层的情况，我们利用“仿生学法”对螺旋绞刀进行结构上修改，即在绞刀和轴毂上加波纹形结构（见下文），通过ANSYS软件分析，这种波纹形结构能够改善泥料的分层，同时还能提高产量。关键词：螺旋绞刀，ANSYS，仿生1、引言：因为泥料具有一定的黏附作用，因此泥料在螺旋绞刀中就不可避免的产生沿径向的角速度梯度，为减小这样速度梯度，我们利用“仿生学”原理对螺旋绞刀的结构进行了改善，即对螺旋绞刀上加波纹型结构。在对如何减小农业机械触土部件与土壤的黏附力，很多专家、学者都
2、做了很深入的研究，其中就有人研究了蚯蚓是如和在湿润的土壤中自如的运动而不受土壤黏附的影响，他们得出的结论是1、蚯蚓体表波纹型的表皮可以减小黏附力，2、还有蚯蚓能在运动时在体表分泌一种黏液，它能启到减小摩擦力的作用。我们根据第一个结论把它应用到螺旋绞刀中，再对螺旋绞刀建模，利用ANSYSFLOTRAN进行模拟，对模拟出的结构进行分析，得到我们想要的结果。2泥料基本控制方程及数学模型的建立2.1 基本控制方程的建立泥料在运动过程中所表现的粘弹性及其规律,不论在其流变测量过程还是在练泥机的挤压过程中,均属于连续介质的力学范畴,将其定位于输运过程;泥料是一种特殊的“剪切变稀”的非牛顿流体,遵循特殊的流
3、动本构方程。连续性方程 动量方程：能量方程：式中Vx,Vy,Vz分别为x, y, z方向的速度分量;p流体压力;u流体粘度;0流体密度;T稳态温度;Cp定压比热；;K导热系数;Qv内热源的发热量。2.2 泥料模型的建立为了便于分析,作如下假设：(1)忽略螺槽内倒角、等微小结构因素的影响; (2)忽略回流的影响; (3)泥料为宾汉体; (4)流场为等温流场; (5)雷诺数很小,可认为泥料的流动为层流流动; (6)由于惯性力、重力等体积力小于粘性力,可忽略不计; (7)泥料为不可压缩流体; (8)接触边界无相对运动。 图1 展开螺槽示意图 图2(1) 泥料展开示意图Fig1 sketch of a
4、n un wrapped screw channel Fig2 sketch of an unw rapped pastes in the channel 图2(2) 泥料局部放大图对螺槽、泥料进行简化:将螺槽和筒壁分别展开成两个平行平面,展开后如图2所示3,X表示沿螺旋面方向,Y表示绞刀径向(螺槽深度方向),Z表示垂直于螺旋面方向。展开后如图2所示。泥条的长、宽、高分别为L=0.9m,B=0.164m,H=0.0675m。泥料上方为方形挡泥槽，螺旋面和轴毂面均为波纹型结构。因为泥条的三维流场分析比较困难，因此我们先从简单的二维流场开始，其中一个是用一个XOZ的截面从泥条的中间去截取所得的局部
5、平面放大图形，如图3所示，在用一个平行于XOY面的截面从接近轴毂表面截取所得到的局部平面放大的图形，如图4所示。 .图3 泥条XOZ截面放大图 图4 泥条XOY截面放大图2.3 网格的划分我们用FLUID141单元对截面进行智能网格划分，然后对轴毂和挡泥槽速度梯度比较大的地方进行加密。2.3 边界条件的确定经测量,泥料牛顿粘度N=1. 09103Pas,塑性粘度P=1. 09103Pas,表观粘度S=2. 37103Pas,泥料的屈服极限fv=1. 018104Pa,绞刀转速为n=30r/min。, 在图3中对挡泥槽端速度定义为Vbx=0,Vby=0,在轴毂端速度定义为Vsx=-0.1616m
6、/s，定义进口压力为0.5103 Pa,出口的压力为1103 Pa。在图4中对上下两个螺旋面定义速度为Vfx=-0.1616, 进口压力为0.5103 Pa,出口的压力为1103 Pa。3、分析结果与讨论3.1 结构改变后与改变前的XOY面泥条X方向速度云图的比较 图5 XOY面泥条X方向速度云图 图6 修改前的XOY面泥条X方向速度云图图5为结构改变后XOY面泥条X方向速度云图，其Vmax1=0.159e-3m/s,Vmin1=-0.1616m/s,相对轴毂端的相对速度的平均值Vp1为0.2035m/s,角速度方差Fc1=2.45图6为改变前的XOY面泥条X方向速度云图，其Vmax2=0.1
7、3e-3m/s,Vmin1=-0.1616m/s,相对螺旋面的相对速度的平均值Vp2为0.285m/s,角速度方差Fc1=2.96。总结：通过对云图的观察，两图均有一定厚度的泥料黏附在轴毂上，形成呆泥，d1大约为3.5mm左右，而d2大约有7.5mm，因此通过上面的结论我们可以认为通过仿生改造后的轴毂表面的呆滞的泥层厚度可以减小50%，角速度方差Fc减小17.2%，这将有助于减小泥料层与层之间的相对运动。由于Vp的减小，泥料的平均流量Q将减小28.6%.3.2 结构改变后与改变前的XOZ面泥条X方向速度云图的比较 图7 结构改变后XOZ面泥条X方向速度云图 图8修改前的XOZ面泥条X方向速度云
8、图图7 为结构改变后XOZ面泥条X方向速度云图，我们可以发现Vmax3=0.0869m/s,Vmin3=-0.1616m/s,相对轴毂端的相对速度的平均值Vp1为0.032m/s,角速度方差Fc1=0.046。图8为改变前的XOZ面泥条X方向速度云图，其Vmax4=-0.1616m/s,Vmin4=-0.1736m/s,相对螺旋面的相对速度的平均值Vp2为0.00458m/s,角速度方差Fc1=0.056。总结：通过对速度云图的观察，两图均有一定厚度的泥料黏附在轴毂上，形成呆泥，d3大约为3mm左右，而d4大约有5.2mm，因此通过上面的结论我们可以认为通过仿生改造后的轴毂表面的呆滞的泥层厚度
9、可以减小42.3%，角速度方差Fc减小17.86%，这将有助于减小泥料层与层之间的相对运动。由于Vp的大幅度增加，泥料的平均流量Q将增加差不多7倍。3.3 结构改变后与改变前的XOZ面泥条压力云图的比较 图9 结构改变后与改变前的XOZ面泥条压力云图通过对图形的观察我们发现结构改变前压力分布梯度很清晰，这说明泥料在不同位置所受的压力不同，而结构改变后压力梯度比较模糊，这说明在不同位置泥料所受压力大小差别不是很大。结构改变后泥料的压力分布相对改变前比较均匀，这能提高泥料的致密性。3.4 结构改变后与改变前的XOY面泥条压力云图的比较图9 结构改变后与改变前的XOZ面泥条压力云图通过观察结构改变前和改变后压力梯度改变不是很明显4、总结通过对泥条XOY和XOA截面的分析我们得出了如下几个结果：（1） 结构改变后XOY泥条截面的角速度方差Fc减小17.2%，XOZ截面的角速度减小17.86%，这说明泥料层与层之间的运动明显减小了 。（2） 结构改变后轴毂表面上呆滞泥层减小50%，螺旋面上的呆滞泥层减小42.3%，这说明改变后的螺旋绞刀面上的黏附力减小了 。（3） 虽然结构改变后的XOY截面相对平均速度Vp1减小28.6%，但是XOZ截面相对平均速度Vp3增加近7倍，所以Vp1的减小可以忽略不计。（4） 结构改变后压力梯度分布较改变前减小，这将有助于提高泥料的整体致密性。
