仿生非光滑结构对螺旋绞刀挤泥效果影响的数值模拟研究

论文摘要

真空练泥机是陶瓷工业生产中的关键设备,它用于生产可塑性泥段。但是,由于螺旋挤出运动机理本身的特点,练泥机工作时会不可避免地造成泥料流速不均、分层、螺旋纹、摩擦发热以及颗粒定向排列等缺陷,这些泥料缺陷会严重影响着成形坯体的质量,进而影响陶瓷制品的质量。为了最大程度地消除真空练泥机挤出成形中的泥料缺陷,本文提出利用仿生学的方法,通过模仿土壤动物体表非光滑结构的减粘降阻机理,将练泥机的连续螺旋绞刀部分设计成非光滑表面,使其具备与土壤动物体表一样的减阻特性。通过对螺旋绞刀表面形状改进后,螺旋绞刀与泥料之间的摩擦阻力会降低,从而优化机筒内陶瓷泥料的动力传递和运动形式,达到减少泥料分层、开裂、螺旋纹等缺陷的目的。本文TL-125B型真空练泥机为研究对象,利用流变学、有限体积法和计算流体动力学等理论方法,对连续螺旋绞刀段的陶瓷泥料进行数值模拟计算。计算结果表明：仿生非光滑螺旋绞刀相对于原螺旋绞刀来说,其表面的摩擦阻力系数Cf平均下降17%,泥料的相对角速度方差S2平均下降4%,泥料的最大相对角速度梯度max（dω/dr）平均下降18%。这说明仿生优化后,非光滑螺旋绞刀具备良好的减阻性能,各层泥料之间相对滑动减小,泥料质量有所提高。最后,通过正交试验设计方法,分析了非光滑结构的形态、大小、密集度这三个因素对练泥机挤泥效果影响,挑选出两类非光滑螺旋绞刀的最优方案,为真空练泥机的仿生优化设计提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题目的及意义
• 1.2 陶瓷泥料挤出成形技术
• 1.2.1 真空练泥机简介
• 1.2.2 真空练泥机的国内外研究现状
• 1.2.3 陶瓷泥料挤出成形中出现的问题
• 1.3 仿生学的研究现状
• 1.3.1 仿生学在国内外的研究成果
• 1.3.2 非光滑表面结构在减阻技术上的应用
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.4.3 主要创新点
• 2 陶瓷泥料的性质及挤出机理分析
• 2.1 陶瓷泥料的流变学原理
• 2.1.1 非牛顿流体的流变学概述
• 2.1.2 陶瓷泥料的流变模型
• 2.1.3 陶瓷泥料的参数测量
• 2.2 泥料在挤出成形中的模型建立
• 2.2.1 基本控制方程
• 2.2.2 泥料在螺槽中的流动方程
• 2.2.3 泥料在连续螺旋绞刀中的运动形式
• 2.3 泥料中常出现的缺陷以及解决措施
• 2.3.1 泥料缺陷的形成机理
• 2.3.2 常见的解决措施
• 2.3.3 运用仿生学原理来提高泥料品质的可行性
• 2.4 本章小结
• 3 螺旋绞刀非光滑表面的设计
• 3.1 仿生非光滑表面结构的生物体原型特征
• 3.1.1 典型非光滑表面结构的列举及其减阻机理
• 3.1.2 基于蜣螂的凸包与凹坑形结构的模型建立
• 3.1.3 基于蚯蚓的凸肋与凹槽形结构的模型建立
• 3.2 连续螺旋绞刀的模型建立
• 3.3 非光滑表面结构在螺旋绞刀上的放置形式初定
• 3.4 本章小结
• 4 泥料挤出过程的数值分析与模拟
• 4.1 研究方法与数值模拟软件的选择
• 4.1.1 流体问题的研究方法分类与选择
• 4.1.2 CFD软件中离散方式的分类与选择
• 4.2 应用软件概述
• 4.2.1 UG简介
• 4.2.2 前处理器GAMBIT简介
• 4.2.3 求解器FLUENT简介
• 4.3 泥料挤出数值模拟的前处理
• 4.3.1 泥料几何模型的建立
• 4.3.2 泥料物理模型的假设
• 4.3.3 泥料物理参数的确定
• 4.3.4 计算区域的离散化
• 4.3.5 边界条件与求解方法的确定
• 4.4 泥料挤出数值模拟的计算及结果分析
• 4.4.1 螺旋绞刀仿生优化的评价标准
• 4.4.2 光滑螺旋绞刀的模拟结果
• 4.4.3 凸包与凹坑形仿生螺旋绞刀的模拟结果及分析
• 4.4.4 凸肋与凹槽形仿生螺旋绞刀的模拟结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 仿生非光滑结构各因素对练泥机挤泥效果的影响
• 5.1 非光滑结构几何因素的定义
• 5.2 仿生螺旋绞刀的数值模拟正交试验分析
• 5.2.1 正交试验设计的基本概念
• 5.2.2 正交试验方案的确定与计算
• 5.2.3 正交试验的结果分析
• 5.3 仿生优化后螺旋绞刀的挤泥效果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献