摘 要

时至今日，粘度的测量技术在不断发展。追溯至当今发展地比较全面的，以细管法、振动法、旋转法、光干涉法、落球法等的粘度测量体系，粘度测量技术的应用趋于常态，但粘度的现场即时精确测量一直是一个迫切需要解决的难题。

本人对传统的粘度测量装置及测量方法进行了深入的研究，分析其优缺点，并加以总结。转子是测量仪的关键部件，在实际的工作情况下需要承受复杂的载荷，转子结构不同会影响粘度仪的测量精度，因此有必要从转子的力学性能进行评估、校核，并以分析结果为依据进行结构优化。本文通过对转子进行有限元仿真分析和优化设计，主要研究内容如下：

（1）收集和计算旋转型粘度仪转子的参数，使用Solidworks软件对转子进行建模，并且根据经验对转子模型进行合理的简化，为有限元仿真分析打下良好的基础。

（2）将转子模型导入ANSYS Workbench软件，在相关材料属性的定义，接触面的定义，网格划分，边界条件的定义，求解设置等前处理操作完成之后，进行仿真分析。将有限元分析得到的最大应力与计算值进行比较，确定结果的可靠性，为下一步的转子结构优化设计提供了依据。

（3）在有限元分析的基础上，提出了对转子进行结构的优化设计方案。并且对优化完毕后的转子重新进行建模和仿真分析，通过优化前后结果的对比，确定了最佳的转子结构优化方案。

关键词：旋转式粘度仪转子；ANSYS Workbench；流固耦合仿真分析；优化设计

abstract

Up to now, viscosity measurement technology has been developing. It can be traced back to the comprehensive development of viscosity measurement system, such as thin tube method, vibration method, rotation method, optical interference method, falling ball method, etc. the use of viscosity measurement technology tends to be normal, but the on-site real-time accurate measurement of viscosity has been an urgent problem to be solved.

In this paper, the traditional viscosity measurement device and method are studied deeply, its advantages and disadvantages are analyzed and summarized. The rotor is the key part of the measuring instrument, which needs to bear complex loads in the actual working conditions. Different rotor structures will affect the measurement accuracy of the viscometer. Therefore, it is necessary to evaluate and check the mechanical properties of the rotor, and optimize the structure based on the analysis results.

Through the finite element simulation analysis and optimization design of the rotor, the main research contents are as follows:

(1) Collect and calculate the parameters of the rotor of the rotary viscometer, use SolidWorks to model the rotor, and reasonably simplify the rotor model according to the experience, which lays a good foundation for the finite element simulation analysis.

(2) The rotor model is imported into ANSYS Workbench, and the simulation analysis is carried out after the pre-processing operations such as the definition of relevant material properties, the definition of contact surface, mesh division, the definition of boundary conditions, solution setting, etc. By comparing the maximum stress obtained by finite element analysis with the calculated value, the reliability of the result is determined, which provides the basis for the next step of rotor structure optimization design.

(3) Based on the finite element analysis, the optimal design of the rotor structure is proposed. And the optimized rotor is modeled and simulated again. Through the comparison of the optimization results, the optimal rotor structure optimization scheme is determined.

Key words: rotary viscometer rotor; ANSYS Workbench; fluid structure coupling simulation analysis; optimization design

目录

武汉理工大学毕业设计（论文） 1

第一章 绪 论 7

1.1 课题研究背景及意义 7

1.2 粘度测量技术研究及现状 7

1.2.1 粘度定义及分类 8

1.2.2 常用粘度测定方法及装置 8

1.2.3 粘度计国内外研究现状及测定新技术 10

1.3 本文主要研究内容与章节安排 12

1.4 小结 13

第二章 转子的建模与装配 14

2.1便携粘度装置组成分析 14

2.1.1 旋转测量原理对比分析 14

2.2 Solidworks软件介绍 15

2.3 转子模型的建立和装配 16

2.4 本章小结 17

第三章 转子运动有限元仿真分析 18

3.1 牛顿粘性定律 18

3.2 ANSYS Workbench介绍 18

3.3 流固耦合仿真分析 19

3.3.1 流固耦合仿真分析 19

3.3.3 仿真结果分析 22

3.4 本章小结 23

第四章 转子结构优化 24

4.1 修改后概况 24

4.2 修改后转子建模 24

4.3 修改后转子的流固耦合仿真分析 25

4.4 本章小结 26

第五章 总结与展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 27

致 谢 28

参考文献 29

1

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

粘性是表征液体流动的一种指标^[1]。对于本课题而言，流体是否具有粘性，是其重中之重的一个特征。可以认为:如若在液体外部施加一外力，使其移动，液体分子之间便会产生内摩擦，衡量这个摩擦力的量度，即为粘度。

粘度作为流体固有的一种物理属性，可以直接反映出不同流体的特征，对于反映流体的性质来说，是一项非常重要的数值。就液体而言，粘度可以评定液体的理化性质，其变化也会影响液体功能的实现^[2]。因此，流体粘度的测量对于鉴定流体质量以及确定其使用方向具有十分重要的意义。

粘度及粘度的测量与生活以至社会各个范畴的关系非常密切。其在生物化学，生物医学，流体力学、材料科学等领域发挥着重要的用途。粘度仪对粘度的测量具有准确性，及时性的需求。如今虽已发展出具备实时便携检测功能的粘度仪，但仍有进一步改良的空间。而嵌入式技术具有专业化、常规化和智能化的显著优点^[3]。因此技术而研发出的嵌入式粘度仪，较传统的基于单片机内核的粘度仪而言，在测量精度上更为准确，显示内容上更为广泛，响应上也更为敏捷。随着科学技术的迅速发展及工业管理的现代化，粘度的监测日趋重要。它对维持机械设备的正常运转，加长其使用寿命，影响工作油耗量等都起着至关重要的作用。

在科学发展的历史进程中，对粘度的测量颇为深远。从目前发展得比较全面的，以细管法、振动法、旋转法、光干涉法、落球法等比较全面的粘度测量体系，一直可以追述到最初用Hagen -Poiseuille定律作基础设计的流出型粘度测量仪器，和用斯托克斯定律作基本设计的落球型仪器。而随着科学技术的快速发展，近年来红外检测和超声波等新技术也应用于粘度测量，粘度的测定也从最初的离线测量实现了在线便携测量。