本科生毕业设计（论文）

外文翻译及其原件

全自动冷镦机喷油过程的数值模拟

戴春向，翠海博，许高春，李立民

中国上海大学机电工程与自动化学院

E-mail: dcx@shu.edu.cn

摘要-冷镦机全自动喷油过程的主要思想是基于流体力学的控制方程根据绿色的想法manufacturing制造，应用流体力学软件模拟油雾控制盒中的多相油雾流用数值方法喷涂工艺，仿真结果包括温度，压力，油雾的速度和多相流控制箱，以及如何在油雾的入口位置影响过程结果都会进一步进行讨论和研究，并且给出控制箱燃油喷射过程更好的模型。

关键词-冷镦机，喷油过程，多相流，流畅。

一、引言

进入第二十一个世纪，中国已成为装备制造业的中心，作为支柱产业，装备制造业在制造人类财富的同时，也加剧了环境污染，因此绿色制造和可持续发展一直是制造研究的热点。在机械制造业，冷镦和挤压是进口技术，作为传统技术，尽管其高精度，高效率，高质量，低消耗，很少或没有切割，但是他们必然与绿色制造的理念冲突，在噪声和污染方面，冷镦和挤压的油雾污染[1]是最严重的。

空气强制油雾处理器[2]可以处理在机床工作中产生的油雾，以下是基本方法：用空气放大器抽油雾，然后通过涡流进入处理控制箱导管，同时，压冷空气流从另一个入口进入控制箱，油雾和压冷空气流在控制箱里混合，产生涡流和压力梯度，因此扩散流可以多相分离过滤，达到油雾的绿色处理目的。

本文应用流体力学（计算流体动力学）软件FLUENT，对油雾的数值模拟研究处理，并分析了压力的变化规律及主控箱油雾速度，流动规律，多相流，以及对不同的进入位置油雾处理的效果。

二．冷镦机油雾处理程序的主要思想

根据工程流体动态特征的控制方程，冷镦机工作时产生的油雾轻而快，基于绿色制造理论与绿色设计理念提出了以下想法：

1. 在产生大规模油雾的机器上（包括盖的顶部，产品出口和废料出口处）组装空气放大器，以强烈地泵出油雾。
2. 当油雾进入喷油过程控制箱，通过涡流管，油雾获得很大的速度，同时10摄氏度压冷空气流以100m/s的速度从其他入口进入控制箱。
3. 两流在控制箱中混合，然后产生多相扩散流（液相、气相和颗粒相），控制箱中有过滤介质，多相扩散流可以与旋流和压力梯度分离，然后过滤后的气体向上，向下过滤，而颗粒或杂质则粘附在过滤介质中，最后，油雾分离成可回收的油，清洁气体耗尽回到空气，微粒被过滤网过滤。

三．喷油过程控制箱的数学模型

1. 问题的描述

冷镦机所产生的油雾通过位于机底的左侧入口进入主控制箱，而压冷空气流通过位于右侧的其他入口进入主控制箱；两个入口中心不重合，从而产生涡流和压力梯度。箱底的中心有一个锥形出口，使油容易泄出，并在箱体顶部设2个圆柱形喷嘴，使洁净气体易于排出。

设定多相油的进入速度为100m/s，温度是313K，压冷空气流的进入速度为120m/s，温度为283K，内箱的外形尺寸为200mmx400mmx700mm。

2.数值模拟

主控箱采用计算机辅助设计软件FLUENT处理，它是三维啮合预处理软件，最后在FLUENT中导入3D解决模块。注意它用于压力和非定常三维解算器。预处理的基本理论是工程流体力学控制方程（连续性方程，动量和能量守恒）[3]，和标准k - amp;双方程模型于湍流模型中的应用，当压力与速度的耦合时，对控制方程进行离散的有限体积法和SIMPLEC算法应用，多相流分析采用欧拉的三相模型（液相、气相、颗粒相）。

= (1

为一般物理变量，是传递变量，和是气源相本身和在此阶段的补充系数。

对单个粒子或液滴运动方程，可以遵循牛顿第二定律：

(2)

是惯性力，包括悬浮力，阻力，压力梯度力，是重力，其中阻力是所有力中最重要的力，因此，我们只需将阻力和重力作用考虑在内计算油雾模型，通常单粒子阻力可以被定义为

(3)

是阻力系数，气相波动矢量速度，假设气相在每个空间单元的湍流是各向同性的，并且脉动速度分布符合高斯PDF统计分布[ 4 ]，阻力系数和粒子的雷诺兹数之间的关系是：

= (5)

将上述计算的阻力系数应用到固体颗粒, 这是不同于液滴的变形与内循环的，当液滴的密度比气相的大得多时，用固体颗粒替代液滴计算阻力系数显然是合理的，除非液滴变形，并且当粒子的雷诺兹数过大时，主要的因素不是液滴的表面张力，而是液滴的表面会变形[ 5 ]，因为液滴从出口处喷出来的速度很高，因此，它得不到和固体一样精确计算的阻力系数，在本文中使用的阻力系数是在克洛泽文献[ 6 ]中提到的：

0.28 （6）

3. 边界条件

油雾过程控制箱的边界条件是设置每个进口和出口的参数，如简图4所示，1是多相油的入口，称之为入口1，2是压缩空气流的入口，称之为入口2，3是油的出口，称之为压力油的出口，4和5是大气过滤气的出口，称之为大气过滤气出口1和大气过滤气出口2。

4 5

1 3 2

四．仿真结果

在FLUENT中，对模型的流体属性和边界条件进行定义之后，便开始迭代计算。因为在主控制箱的流体压力是随时间而变化的，在箱体内的流体流动是非定常的，注意，在计算之前要对流域初始化，然后用耦合和隐式的方法计算稳定的解决方案，计算结果将被用作非定常解的初始条件

1.主控制箱的数值模拟

以上用数值模拟的方法对控制箱的模型进行了求解和模拟，我们得到关于

压力和温度的数据分布，即控制箱中一个周期混相初始分布和颗粒相的最终分布。油雾入口处的压力是最大的，在控制箱的底部是最小的，这有利于空气的排出，此外，在一个周期的后期油雾沉积在多孔媒介上。

2. 油雾入口位置对研究多相分离的影响

我们研究的类型有以下特点，即位于控制箱左侧的油雾入口和位于控制箱右侧的压冷空气流入口，两者的中心线不重合，但位于同一水平面上，现在假设油雾的入口比压冷空气流的入口高50mm，并将入口下调50mm，得到一系列仿真结果，其中有限的空间、压力数据、温度和速度被省略。

从上面的数值模拟，我们得到了可以更好的生成空气流动涡流和压力梯度比的控制箱，模拟了控制箱的气体流动路径和粒子流动路径，从我们所得到的数据显示，控制箱中气相流是自下而上的，粒子相流是自上而下的。

五．结论

根据控制方程Ⅲ工程流体力学及相关数值模拟方法，提出了油雾过程在主控箱中的油雾多相流数值模拟的主要思想，获得并讨论了仿真数据，并分析了油雾与压冷空气流动有关位置对油雾分离的影响。结果表明，乙类控制箱执行更好。这是有价值的控制箱的实用设计。

引用文献

[1] Fu S Q, Z W, Yan L Z, The actuality and development of metalworking fluids(MWFS) mist control [J]. lubricating oil, 2003, 18 (6) : 1-5

[2] Xu GC, Dai CX, Li LM, One air jet type approach to treat the three-phase oil mist flow[P], Patent Application No.:200810163022.4, Public No.: CNI01444690, Public Day: 2009.06.03

[3] Wang FJ Computational Fluid Dynamics Analysis-Principle and Application of CFD Software [M]. Tsinghua University Press, 2004.09 [4] Zou LX, the simulation of Two-Phase turbulent Flow and Combustion [M]. Tsinghua University Press, 1991.10

[5] Loth E., Numerical app roaches for motion of dispersed particles, drop lets and bubbles[J]. Progress in Energy and Combustion Science. 2000 (26) : 161~223.

[6] Burger M , Klose G, A combined eulerian and lagrangian method for prediction of evaporating sprays [C]. Proceedings of DETC2001, New Orleans, Louisiana, U

为优化选择冷镦机而进行的闭式模锻锻造负荷估算

Matthew OConnell a, Brett Painter a,*, Gary Maul b, Taylan Altan a

美国哥伦布俄亥俄州立大学工业系统和焊接工程系

产业概要：

在冷成形操作中，确定过程可行性的两个主要考虑因素是负载和形成所需的能量，这两个因素决定了生产规模和最大生产速度，在过程规划阶段这些值的估值能够获得较准确的机器尺寸和更高的效率，然而，估计成形载荷和闭式模锻翻转的能量没有得到很好的研究方法，本研究的目的是制定指导方针，实验测量了多种负荷下闭式模锻路径，这些实验结果与使用数学模型（修改后的板法）和有限元法的预测结果进行了比较分析（DEFORM 2D），准确预测锻造负载能力，此外，使用有限元法研究锻造载荷对摩擦条件、零件尺寸和平均材料应变的敏感性。结果表明，在某些情况下，修改后的板坯方法的预测是相当准确的，但是在其他方面会高估35%的负载，变形的二维载荷预测较为一致，但一般低估负载5-20%。

1. 简介

这个项目是与位于俄亥俄州茶园的国家机械公司（NMC）合作的，该公司是冷暖供应锻造行业的龙头，设计冷暖头时，NMC需要估计每一步的成形载荷，来确定级进模的顺序和制造必要的冷暖头结构。

选择一个给定的适当大小的冷镦头来分析应用，总结了每个模具站负载和能量，该模具站用于金属成形操作的组合，可能包括向前向后挤压，随机负载，闭式模锻翻转，和或微调穿孔作业，估计成形载荷的准则适合大多数的操作和各种材料，然而，闭模闭式翻转没有调查研究。

正确估计每一站的成形负荷是非常重要的。过度的将冷墩头设计过大，不仅会导致不必要的机器成本，也会使生产速度降低，其他部分成本也会因此比需要的高，另一方面，不合适的冷墩头会引起的超载，导致频繁停机，机器需要经常保养和维修。

本文介绍了研究闭式模锻负载过程的实验与结果，实验包括各种钢胚材料与工艺条件的闭式模锻运行过程，运用双理论模型对这些实验锻造载荷进行比较预测，采用有限元法对理论模型进行仿真实验。

1. 背景

在这项调查研究中使用的模具如图一所示，该模具包括一个平面的凸模和

一个简单 圆形凹模腔，打孔的边缘和模具的边缘是方形的，在这个过程中要锻造问题是没有完整的模腔。

此操作的典型负载行程曲线有2个不同的阶段：镦粗阶段和填充阶段，如

图2所示，在行程开始，钢坯是圆柱形的，不与模具套管接触，当这个过程开始时，钢坯经历了一个类似递增载荷的过程，直到它与模具套管接触（如图2所示的虚线的左边）。在这一点以上，成形载荷急剧增加，即填充阶段（如图2虚线的右侧显示），然后填充空腔所需的负载是非常高的（是在无角填充的空腔中锻造相同的部分所需的负载3-10倍）。

这个角落灌装阶段是这个项目的兴趣焦点，特别是，寻找一个所需的负载，

以产生一个指定角落填充量，角填充的量表示为一个模壁的长度与变形的坯料接触的模壁长度之比，并且被称为模壁的接触百分比（% DWC）。

图1

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[147583]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word