1、論文題目： 答辯人： 學(xué)號(hào)：專業(yè)：自動(dòng)化 哈爾濱理工大學(xué)指導(dǎo)老師：準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作確定思路后查找資料，學(xué)習(xí)軟件進(jìn)行仿真，分析結(jié)果跟老師溝通后確定論文題目和方向提出問題和觀點(diǎn)，擬定提綱編寫論文確定方向仿真分析編寫論文研究?jī)r(jià)值論文研究?jī)r(jià)值 本文的研究為實(shí)現(xiàn)熱纏繞工藝加熱過程中溫度的精確控制和芯模結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。通過對(duì)復(fù)合材料成型工藝的基礎(chǔ)理論進(jìn)行更加深入的研究，將推動(dòng)復(fù)合材料成型工藝由經(jīng)驗(yàn)工藝向基于科學(xué)理論的處理過程轉(zhuǎn)變。我的論文結(jié)構(gòu)Company Logo第五第五部分部分 結(jié)論結(jié)論第四第四部分部分 數(shù)值模擬數(shù)值模擬結(jié)果及分析結(jié)果及分析第三第三部分部分 芯芯模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介及模型建立模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介及

2、模型建立第二第二部分部分 蒸汽蒸汽加熱過程數(shù)學(xué)模型及數(shù)值解法加熱過程數(shù)學(xué)模型及數(shù)值解法第一部分第一部分 緒論緒論背景：復(fù)合材料殼體成型包含纏繞和固化兩個(gè)過程?！巴夤袒惫に囀菍⒗p繞與固化分開進(jìn)行，在纏繞機(jī)上完成纏繞后將復(fù)合材料殼體放置于固化爐或熱壓釜中完成固化，工藝完成需要經(jīng)歷拆卸、轉(zhuǎn)移、安裝等流程，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。然而“內(nèi)固化”工藝則可以實(shí)現(xiàn)邊纏繞邊固化，大大提高了省產(chǎn)效率，內(nèi)固化工藝使用蒸汽作為加熱介質(zhì)加熱熱纏繞芯模，熱纏繞工藝中影響殼體成型質(zhì)量的因素有很多，反映在芯模上的主要是加溫歷程和芯模結(jié)構(gòu)。因此深入研究芯模結(jié)構(gòu)、蒸汽溫度、蒸汽壓力等參數(shù)和芯模表面及內(nèi)部溫度分布之間的關(guān)系，可以定性

3、的掌握各種因素對(duì)殼體成型的影響。研究背景及意義研究背景及意義意義：熱固性復(fù)合材料殼體的使用性能和生產(chǎn)成本在很大程度上受成型工藝的影響。內(nèi)固化工藝可以實(shí)現(xiàn)原位纏固化。芯模溫度影響殼體成型質(zhì)量。本設(shè)計(jì)采用數(shù)值模擬分析的方法，模擬高溫高壓蒸汽在芯模內(nèi)部加溫歷程，并且借助溫度場(chǎng)，速度流場(chǎng)，壓力場(chǎng)情況來分析溫度分布情況。依據(jù)復(fù)合材料固化反應(yīng)規(guī)律設(shè)計(jì)出合理的、科學(xué)的芯模加溫歷程和芯模結(jié)構(gòu)。從而為芯模結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。一、緒論一、緒論主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容Company Logo研究復(fù)合材料殼體熱纏繞成型過程機(jī)理研究復(fù)合材料殼體熱纏繞成型過程機(jī)理建立熱纏繞過程芯模及其內(nèi)部蒸汽的物理模型建立熱纏繞過

4、程芯模及其內(nèi)部蒸汽的物理模型對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析根據(jù)分析結(jié)論對(duì)芯模結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析根據(jù)分析結(jié)論對(duì)芯模結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)使用有限元流體分析軟件使用有限元流體分析軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬仿真進(jìn)行數(shù)值模擬仿真原位纏繞原位纏繞/ /固固化工藝熱化工藝熱 芯芯模結(jié)構(gòu)仿真模結(jié)構(gòu)仿真二、蒸汽二、蒸汽加熱過程數(shù)學(xué)模型及數(shù)值解法加熱過程數(shù)學(xué)模型及數(shù)值解法湍流模型：最簡(jiǎn)單的完整湍流模型是標(biāo)準(zhǔn) 兩方程湍流模型，它是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停菑膶?shí)驗(yàn)中總結(jié)出來。由于熱纏繞過程芯模內(nèi)部蒸汽流場(chǎng)屬于管流和通道內(nèi)流動(dòng)，所以可用標(biāo)準(zhǔn) 兩方程湍流模型描述。湍流動(dòng)能方程 和擴(kuò)散方程 如下：兩相流模型和相變模型：高溫高壓蒸汽在芯模

5、中的流動(dòng)過程是湍流流動(dòng)，同時(shí)又是典型的汽液兩相流動(dòng)，其中汽相的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于液相，所以汽相為連續(xù)相，液相為擴(kuò)散相。根據(jù)兩相流的特性，可以采用單相流體的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒條件表示每一相的局瞬特性。由此根據(jù)單相流的連續(xù)方程、動(dòng)量方程以及能量方程得到如下形式的兩相流模型：1. 連續(xù)方程：2. 動(dòng)量方程： 3. 能量模型：固流耦合的動(dòng)力學(xué)固流耦合的動(dòng)力學(xué)模型模型求解蒸汽與金屬芯模界面的流動(dòng)過程屬于固流耦合問題，需要建立固流耦合問題的動(dòng)力學(xué)模型。固流耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型的基本方程包括流體場(chǎng)方程、固體場(chǎng)方程以及流固交界面條件。1. 流體場(chǎng)方程其中 為流體壓力， 為流體中的聲速。2. 固體場(chǎng)方程其中 為固

6、體應(yīng)力分量， 為固體位移分量， 為固體體積分量， 為固體質(zhì)量密度?？刂品匠痰膹V義形式和具體控制方程的廣義形式和具體形式形式：求解流體問題除了上述的湍流模型、相變模型以及固流耦合模型外，還需要一些最基本的控制方程，如質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分守恒方程等等。這些方程可以用廣義形式表示為如下形式:基于有限單元法的控制方程基于有限單元法的控制方程離散化離散化基于有限單元法的控制方程離散化的過程是，將整個(gè)待求區(qū)域劃分成有限個(gè)互不重疊的單元，然后以結(jié)點(diǎn)為單元，確定結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和結(jié)點(diǎn)與周圍控制體的關(guān)系。每個(gè)結(jié)點(diǎn)中都包含有一組變量，變量表征了該結(jié)點(diǎn)所在位置的流體特性，如流速、溫度、湍流動(dòng)能、

7、湍流動(dòng)能耗散率等等。經(jīng)過離散，一個(gè)計(jì)算區(qū)域便具有了四種要素：結(jié)點(diǎn)、控制體積、界面和網(wǎng)格線。其中，界面是各結(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的控制體積之間的分界，網(wǎng)格線則連接所有的結(jié)點(diǎn)并構(gòu)成控制體積。SIMPLE算法算法SIMPLE算法是目前工程應(yīng)用最為廣泛的一種流場(chǎng)求解計(jì)算方法，它屬于壓力修正法的一種。傳統(tǒng)意義上的SIMPLE算法是基于交錯(cuò)網(wǎng)格的。SIMPLE是英文“Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations”的縮寫，意為“求解壓力耦合方程組的半隱式方法”，此方法是一種壓力預(yù)測(cè)-修正方法，它通過不斷修正計(jì)算結(jié)果反復(fù)迭代，最后求出壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的收斂解。三、芯模

8、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介及模型建立 芯模結(jié)構(gòu)示意圖利用Pro/e建立的芯模外殼模型利用Pro/e建立的流體模型 利用Pro/e建立的流體底面模型利用利用GAMBITGAMBIT劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格 外殼流體結(jié)合后全景圖 小孔處局部圖利用利用GAMBITGAMBIT劃分劃分網(wǎng)格網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化劃分方法的效果圖FLUENT軟件是目前國(guó)際上應(yīng)用廣泛的商用CFD軟件之一，廣泛用于各種流體的流動(dòng)、傳熱、燃燒以及污染物遷移等問題的模擬分析。FLUENT軟件的組成包括：前處理器（GAMBIT）和求解器（FLUENT6.3.26）和后處理器。GAMBIT是FLUENT的前處理軟件，用來建立幾何模型以及劃分網(wǎng)格；GAMBIT的主要

9、功能包括：構(gòu)建模型、劃分網(wǎng)格和指定邊界三個(gè)方面。FLUENT6.3.26是基于結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的通用CFD求解器。CFD求解器求解器-FLUENT利用利用FLUENTFLUENT軟件進(jìn)行求解的步驟軟件進(jìn)行求解的步驟：四、四、數(shù)值模擬結(jié)果及分析數(shù)值模擬結(jié)果及分析 模型模型整體整體三維三維溫度溫度云圖云圖 靜壓靜壓力分布云圖力分布云圖 動(dòng)壓動(dòng)壓力分布云圖力分布云圖 溫度分布溫度分布云圖云圖 速度速度矢量圖矢量圖 徑向徑向截面局部放大速度矢量圖截面局部放大速度矢量圖 1s 時(shí)時(shí) 溫度分布溫度分布曲線和溫度分布云圖曲線和溫度分布云圖100S時(shí)溫度分布曲線和溫度分布云圖時(shí)溫度分布曲線和溫度分布云圖五、結(jié)

10、論五、結(jié)論1. 以復(fù)合材料殼體熱纏繞工藝中蒸汽加熱過程為研究對(duì)象，建立芯模及其內(nèi)部蒸汽的幾何模型，以及蒸汽流動(dòng)過程的湍流模型、兩相流模型和相變模型。2. 根據(jù)所建立模型，選取適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，利用有限元流體分析軟件Fluent對(duì)蒸汽加熱過程中芯模內(nèi)部蒸汽流動(dòng)過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。數(shù)值模擬得到了蒸汽流動(dòng)過程中蒸汽內(nèi)部和芯模表面溫度分布情況、蒸汽內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況以及蒸汽內(nèi)部靜壓力和動(dòng)壓力分布情況。3. 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分析了芯模表面溫度分布與蒸汽內(nèi)部溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、壓力場(chǎng)之間的關(guān)系，并進(jìn)一步分析了復(fù)合材料殼體成型質(zhì)量與芯模溫度分布以及芯模結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，得到了芯模結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。進(jìn)一步研究設(shè)想進(jìn)一步研究設(shè)想：1. 影響復(fù)合材料成型質(zhì)量的因素很多，本文只針對(duì)芯模結(jié)構(gòu)參數(shù)做了研究，如果能進(jìn)一步對(duì)蒸汽控制參數(shù)(如入口及出口閥門開度等)加以研究將能夠?qū)?fù)合材料殼體熱纏繞工