使用 COMSOL? 軟件預測和優化產品性能

2019年 3月 11日

在當今市場中,取得成功意味著既要開發出正常運行的可靠產品,又要在合適的時間推出。與許多其他公司一樣,Veryst Engineering 發現仿真是一種有效的工具,可以在原型制作或制造之前研究產品內部,確保設計符合規范。要做到這一點,必須使仿真與現實世界相匹配,同時理解材料特性也至關重要。然而,并非所有材料的特性都是可預測的。

聚合物提供了其他材料無法實現的防護

聚合物材料通常用于必須安全地承受沖擊載荷或通過充當能量吸收器/載荷緩解器來保護其他裝置的部件。根據 C.R. Siviour 的論文 “聚合物的高應變率表征”,聚合物或者用于一次性用途,承受可接受的塑性變形,或者用于重復載荷,其中聚合物必須恢復到其原始尺寸和性能。

蠕動泵是利用聚合物材料在經受重復載荷作用后恢復正常性能的一個部件。這種泵通常用于高風險使用情況,其中安全性和壽命得到優先考慮,往往通過系統泵送無菌、清潔或腐蝕性流體。蠕動泵設計用于避免流體與泵部件彼此接觸:流體通過一組輥子被推到聚合物管,除管之外不與任何物體接觸。

可以通過材料測試和仿真進行設計的蠕動泵的照片。
管中裝有透明液體的蠕動泵。外殼已拆下,以顯示泵組件。

例如,在醫院環境中,靜脈注射液通過輸液裝置泵送時保持無菌至關重要,在搭橋手術中通過心肺機循環的血液不被污染也有同樣的要求。蠕動泵還常用于保護消費者健康,例如飲料和肥皂分配器中的應用。在其他一些情況下,流體比其他方式更有可能損壞泵。例如,除非安全地裝在聚合物管內,否則腐蝕性化學品或礦泥會迅速腐蝕任何金屬部件。

眾所周知,聚合物材料適用于蠕動泵管,但這并不能保證任何給定的設計都會成功。依照經驗,最好在進行開發和生產之前測試和預測最終產品或系統將如何運行。用例風險越高,在設計階段進行的測試越重要。

 

我們在 Veryst 辦公室花了一天時間了解他們如何將材料測試和仿真相結合——并制作了一段視頻,這樣你也可以直接聽到他們的聲音。

非線性有好處也有壞處

在設計蠕動泵時,我們需要考慮以下幾個方面:

  • 輥子與管之間的相互作用
  • 變形量及其對管材料的影響

正如咨詢公司?Veryst Engineering?的工程師們所知,當管被壓縮以推動流體通過系統時,會發生很大程度的變形,并且由于泵送不斷發生,最終可能會導致材料疲勞。為了幫助客戶在設計階段避免這個問題,Veryst 很自然地開始使用仿真。

他們喜歡仿真的一個原因是,通過仿真可以深入了解產品性能隨時間變化的情況,這樣他們就可以檢查設計是否符合規范。在蠕動泵案例中,Veryst 嘗試觀察管中的應力,以確保它能夠經受一百萬次循環,以及流動中的剪切應力——有些流體可以承受高剪切應力(例如,水),有些流體則不能(例如,血液)。他們還致力于提出減少流量波動的方法。

蠕動泵的幾何結構圖像。
蠕動泵的幾何結構。

在任何仿真中,獲得正確的幾何結構、邊界條件和網格都相當重要,熟練的仿真工程師就可以做到。但是,要獲得準確可靠的結果,還需要了解相關材料的特性。這是 Veryst 打出另一張王牌的地方:他們在現場有一個材料測試實驗室。一帆風順,對吧?沒那么快。

聚合物非常有用,原因是它們的非線性材料特性使得它們在經歷重復載荷作用后恢復正常,但由于這個原因,它們也難以測試。根據 C.R. Siviour?的論文,“以高速率進行聚合物特性的測量可能具有挑戰性,而使它們有用的特性有助于應對這一挑戰?!闭撐闹羞€指出,測試需要足夠高的采集速度來表現試樣對高速變形的結構響應;高速攝影和 X 射線衍射是相應的方法,而熱成像很困難。有人可能會說非線性有好處也有壞處。

現在是仿真工程師和測試工程師聯手的時候了。

跌落和拉力測試得出材料模型

在 Veryst,測試工程師執行拉力和跌落測試,以深入了解聚合物管的材料特性,并最終為仿真工程師提供用于仿真的材料模型。Veryst 的高級工程師 Sean Teller 專門研究材料特性,他帶領我們完成測試。

拉力測試

拉力測試是一種循環測試,用于材料(在本例中為蠕動泵管)的慢速拉伸測試,最終表明材料在低應變和應力以及高應變和應力下的表現。

為了準備用于拉伸測試的材料,Veryst 取出管,從中間切開,沖壓出狗骨形樣條,并添加黑白斑點圖案,這有利于用于測量應變的數字圖像相關(DIC)系統。

Teller 解釋了拉力測試:

 

跌落測試

跌落測試用于聚合物材料的高速拉伸和壓縮測試。聚合物材料具有應變率相關的材料響應,因此需要高速測試來充分描述這些材料的特征。理論上很簡單,但實際上很復雜,很難分析。

Veryst 的裝置包括一個高速攝像系統,可以提供詳盡的數據,用于研究材料的高速響應,以便在模型中校準和模擬這些材料。Teller 解釋了跌落測試:

 

準備,設置,模擬

測試給出了材料的應力應變響應,根據數據,Veryst 創建了可用于仿真的材料模型。通過將仿真專業知識與精確的材料模型相結合,Veryst 能夠對蠕動泵中不同材料之間的接觸、流體和所有相互作用進行建模。

此時,值得留心的是蠕動泵的特性很復雜。流體可以真正?影響固體,反之亦然——這是一個強耦合的流-固耦合(FSI)問題。你不能忽視流體或固體,必須兩者兼顧。此外,流體域被擠壓到幾乎消失的程度,這意味著網格很容易變形??。

拿到材料模型后,仿真工程師開始使用 COMSOL Multiphysics? 軟件,從內部觀察蠕動泵特性。正如 Veryst 的首席工程師和仿真專家 Nagi Elabbasi 所說,“COMSOL 在提供整體式求解器或全耦合求解器”來解決強耦合 FSI 問題方面是獨一無二的。用于控制網格運動的內置功能也很方便,可以防止網格過度扭曲。

 

用 COMSOL Multiphysics 創建的網狀蠕動泵模型的動畫。

在 COMSOL Multiphysics 中創建的蠕動泵的 FSI 仿真圖像。
用 COMSOL Multiphysics 創建的蠕動泵的 FSI 仿真。

最終,Veryst 能夠生成準確可靠的仿真結果,并根據客戶的規格優化蠕動泵設計。


評論 (4)

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雪 全
雪 全
2019-12-19

您好!
有關蠕動泵的模擬案例,可以通過以下方式進行查找:首先進入COMSOL 中國的官網 http://www.binzz.net/ ,然后在首頁的右上角的查找框里輸入您想要查找的關鍵字,如:蠕動泵。就可以查到相關的所有資料了。
下面,是我通過上述方法查找到的其中一個相關案例鏈接,以供您參考,希望能對您的研究有所幫助:
http://www.binzz.net/model/peristaltic-pump-985

yu he
yu he
2021-05-03

你好,關于撓性葉輪泵怎么用comsol進行仿真

hao huang
hao huang
2021-05-08 COMSOL 員工

您好!
常規泵的仿真可參考以下案例,通??刹捎脙鼋Y轉子及滑動網格方法分別進行穩態及瞬態的仿真:
離心泵 http://www.binzz.net/model/centrifugal-pump-44191

撓性葉輪泵還需考慮流固耦合來模擬葉輪的變形,難點可能在于葉輪與壁面的接觸,您可參考以下案例設置,主要區別可能在于球形止回閥是直線往復運動,而葉輪是旋轉運動:
球形止回閥 http://www.binzz.net/model/ball-check-valve-69401

yu he
yu he
2021-06-04

你好,能具體的說說嗎,操作起來還是有些不懂,能做一個mph的文件嗎?非常的感謝

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