基于STAR-CCM+的淋膠管淋膠均勻性研究

楊 海, 王明星, 盧瑞林, 方 亮, 劉順江,周志超, 呂文麗, 陳增紅

(中車株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲 412000)

0 前言

聚氨酯泡沫合成軌枕是由日本積水化學工業株式會社于1978年率先開發的一種復合材料軌枕,由連續玻璃纖維和聚氨酯樹脂經發泡拉擠工藝制備而成[1]。該產品具有強度高、韌性好、質量輕、耐久性好、使用壽命長(50 a)等優點,已逐漸替代傳統木枕,主要應用于鐵路鋼梁明橋面及道岔等路段[2-5]。聚氨酯泡沫合成軌枕的生產工藝過程為:將混合好的聚氨酯樹脂噴淋在紗線上,待樹脂浸潤紗線后再進入型腔中發泡拉擠成型。淋膠管是整個工藝生產中的關鍵部件,其主要作用是將樹脂均勻淋膠到紗線上。淋膠管淋膠越均勻,產品成型質量越好。但在生產過程中,各淋膠小孔出膠不均的情況肉眼可見。而目前國內鮮有關于提高淋膠管的淋膠均勻性的研究報道。因此,本文借助流體仿真軟件——STAR-CCM+,分析淋膠管淋膠狀態,并對淋膠管進行結構仿真優化,旨在提高整個淋膠的均勻性。

1 問題描述

圖1為淋膠管幾何模型。該淋膠管整體呈三通結構,淋膠管總長1 500 mm,中間為淋膠管入口,底部有64個直徑為1.2 mm的淋膠小孔,淋膠管兩側端頭用堵頭堵塞。生產聚氨酯泡沫合成軌枕時,氨酯樹脂A、B料經高壓注膠機槍頭高壓碰撞混和后經軟管連接到淋膠管入口,再由淋膠管底部的淋膠小孔噴淋到紗線上,各個出膠小孔出膠越均勻,則產品成型質量越好。

圖1 淋膠管幾何模型

實際生產時觀測到中間淋膠小孔出膠量明顯大于端頭處淋膠小孔出膠量,這也與常規認識相一致,即端頭處淋膠小孔由于路徑更遠,因此出膠量更小。本文利用STAR-CCM+軟件對淋膠管進行流體仿真分析,通過模擬分析找到影響淋膠管淋膠均勻性的主要結構參數,從而對淋膠管進行結構優化,以提高淋膠管淋膠均勻性。

2 基于STAR-CCM+的淋膠仿真

2.1 有限元模型建立

根據淋膠管幾何模型,提取淋膠管樹脂流動內腔管道進行仿真建模得到計算機輔助工程(CAE)模型,見圖2。

(a) 淋膠管局部網格模型

根據實際生產情況,入口設置為質量入口邊界條件,質量流量為90 g/s;淋膠管底部的各個淋膠小孔設置為壓力出口,相對壓力為0,即為標準大氣壓;淋膠管流體分析基于流體仿真平臺STAR-CCM+執行,采用多面體網格劃分技術,單元網格基本尺寸為15 mm,淋膠小孔等局部區域進行網格加密,加密尺寸為0.15 mm。除入口和出口外,所有面設置為壁面邊界條件,并進行3層邊界層設置,邊界層總厚度為0.1 mm。計算模型選用:液體、定常、恒密度、三維、重力、K-Epsilon湍流、分離流。

2.2 監測點設置

淋膠管底部共有64個淋膠小孔,其中左右各32個,從中間往左側,分別命名為outlet-z-1～outlet-z-32;同理,從中間往右側,分別命名為outlet-y-1～outlet-y-32(見圖3)。

圖3 部分監測點設置

2.3 分析結果

通過STAR-CCM+流體仿真分析,得到淋膠管壓力云圖見圖4,各淋膠小孔速度矢量云圖見圖5。

圖4 壓力云圖

圖5 速度矢量云圖

從圖4可以看出:淋膠管從中心往端頭處,壓力逐漸遞減。從圖5可以看出:淋膠小孔的流速從中間往兩側逐漸遞減。該分析結果與實際情況一致。通過監測點得到64個淋膠小孔的流量見表1。

表1 出口流量監測

從表1可以看出:淋膠管左、右淋膠基本呈對稱結構,各出口的流量從中心往兩側逐漸遞減,這也與實際趨勢一致,outlet-z-32與outlet-z-1的流量比為71.9%,通過該參數可以評價出各淋膠小孔的出膠均勻情況,該值越大,則各淋膠小孔淋膠越均勻;反之,則淋膠均勻性越差。

STAR-CCM+流體仿真結果與實際生產觀測到的現象吻合度較高?；诖?進一步研究淋膠管各結構參數對淋膠均勻性的影響,并對淋膠管結構進行優化。受制于生產現場安裝匹配等實際情況,淋膠管的三通結構和總長度不便調整,因此,選取淋膠管壁厚、內徑、孔數量、出口孔徑、入口內徑等淋膠管結構參數進行淋膠均勻性影響研究。

3 淋膠均勻性影響研究及結構優化

3.1 淋膠管結構參數對淋膠均勻性的影響

對淋膠管結構參數進行更改,基于STAR-CCM+對各結構進行流體仿真,由于整個淋膠管淋膠呈左右對稱,選取左側為代表,得到中間位置與端頭位置的流量見表2。模型名稱用特征參數進行簡寫,如11nj-5bh-rk11nj-64×?1.2,表示該結構模型中間管內徑為11 mm,淋膠小孔處壁厚為5 mm,入口處內徑為11 mm,底部均勻分布64個直徑為1.2 mm的淋膠小孔。

表2 各淋膠管結構淋膠均勻性對比

通過結構1與結構2的對比可以看出,中間管內徑越大,淋膠均勻性越好;通過結構2和結構3的對比可以看出,淋膠管入口內徑對淋膠均勻性影響甚微;通過結構3和結構4的對比可以看出,淋膠小孔處壁厚越厚,淋膠均勻性越好;通過結構3和結構5的對比可以看出,淋膠小孔孔徑越小,淋膠均勻性越好;通過結構3和結構6的對比可以看出,淋膠小孔數量越少,淋膠均勻性越好。

根據該研究結果,分析影響淋膠均勻性的主要原因為:膠料由中間管入口進入,中間管內徑越大,則膠料在里面的流動阻力越小,膠料更容易往兩側流動,因此淋膠管端頭處與中間位置的淋膠均勻性更好;同理,當淋膠小孔處壁厚越厚或淋膠小孔孔徑越小,則出口流動阻力更大,中間管道中的膠料也更容易往兩側流動,從而流動均勻性更好。

3.2 結構優化

根據淋膠管各結構參數對淋膠均勻性的影響并考慮到現場實際情況,建立淋膠管優化模型18nj-6bh-rk18nj-48×?1.2,得到優化前后的流量均勻性(見表3)。從表3可以看出:原結構流量比為71.9%,優化后流量比為96.6%,淋膠管淋膠均勻性得到明顯改善。

表3 優化前后淋膠管淋膠均勻性對比

4 結果驗證

原結構的淋膠效果圖見圖6。

圖6 原結構淋膠效果

由圖6可以看出:原結構中間淋膠呈水柱直線狀,而往兩邊水柱段越來越短,端頭的淋膠流速明顯小于中間區域。優化結構的淋膠效果見圖7。

圖7 優化結構淋膠效果

由圖7可以看出:各淋膠小孔淋膠均勻一致,較原結構有極大的改善。

5 結語

論文借助STAR-CCM+流體仿真軟件,研究了淋膠管內徑、壁厚、孔數量、出口孔徑、入口內徑等對淋膠均勻性的影響,得到結論如下:

(1) 中間管內徑越大,淋膠均勻性越好。

(2) 淋膠小孔處壁厚越厚,淋膠均勻性越好。

(3) 淋膠管入口內徑對淋膠均勻性影響甚微。

(4) 淋膠小孔內徑越小,淋膠均勻性越好。

(5) 淋膠小孔數量越少,淋膠均勻性越好。

利用該研究結果,論文對淋膠管進行結構優化,淋膠管均勻性由原結構的71.9%提高到96.6%,通過試驗結果驗證,優化后的淋膠管淋膠均勻性較原始結構有明顯的改善。該研究結果對于聚氨酯泡沫合成軌枕的實際生產及其他類似的淋膠管設計及應用都具有重要的參考價值。