【正文】 且網(wǎng)格數(shù)相對也少。 GAMBIT 是為了幫助分析者和設(shè)計(jì)者建立并網(wǎng)格化計(jì)算流體力學(xué) （ CFD） 模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)軟件 ， GAMBIT 通過它的用戶界面 （ GUI） 來接受用戶的輸入。 用戶 既可以在GAMBIT 中 直接建立點(diǎn)、線、面、體的幾何模型，也可以從 PRO/E、 UG、 CATIA、SOLIDWORKS、 ANSYS 等主流的 CAD/CAE 軟件中導(dǎo)入創(chuàng)建好的實(shí)體與 網(wǎng)格。 Williams 和 Rajurkar研究探索了磨料流加工過程特性的一些方面和表面的特性化以及過程建模，研究了工藝輸入?yún)?shù)對工藝性能參數(shù)的影響，利用 DDS 隨機(jī)建模與分析技術(shù)研究了磨料流加工表面 。但由于對這項(xiàng)光整技術(shù)宣傳不夠，很多人至今還不了解 ，在一些領(lǐng)域里處于空白狀態(tài)。 打破以傳統(tǒng)手工研磨拋光工序 : 適用于在內(nèi)外部都需要高質(zhì)量表面的產(chǎn)品例如 ： 渦輪機(jī)內(nèi)部零件 /航天 /汽車 /各類精密工件 【 13】 。比如磨粒流無論粘度如何，在夏天都會變稀，要達(dá)到相同的目的必須適當(dāng)增 加擠動(dòng)次數(shù)，當(dāng)然如果加工參數(shù)選擇過高，將導(dǎo)致磨粒發(fā)熱，使其切削性下降。磨粒流使模具表面光潔度提高而更為可靠并降低勞動(dòng)成本 [9]。這個(gè)磨粒流系統(tǒng)每小時(shí)拋光3U 個(gè)汽缸頭。而用磨粒流加工方法，不需要切割打開，就可以使磨粒擠壓通過所有的管道 (圖 14)。 (2)改善疲勞強(qiáng)度。 (1)調(diào)整噴油嘴小孔流量。這樣的夾具，一次可加工許多 零件 【 6】 。 磨粒的粘度，擠壓壓力和通道的大小決定了磨粒的流速，影響到研磨量，磨削均勻性和邊角倒圓大小。由機(jī)床控制擠出壓 3 力，壓力范圍從 7 一 224 kg / cm。不但如此，磨粒流工藝還可以成功地對各種材料進(jìn)行微量研磨加工，包括較軟的有色金屬直至堅(jiān)韌的鎳合金、陶 瓷和硬質(zhì)合金等制作的零件，非常適應(yīng)現(xiàn)代制造材料和制造技術(shù)的發(fā)展 【 4】 。磨粒流加工技術(shù)是一種能夠保證精度、效率、經(jīng)濟(jì)的自動(dòng)化光整加工方法，是解決精密零件最終精加工的一種有效手段。 從現(xiàn)代市場競爭的觀點(diǎn)來看，也就是制約著企業(yè)對市場需求反應(yīng)的靈敏性，即從硬件技術(shù)方面制約先進(jìn)制造技術(shù)的理念在一個(gè)企業(yè)的實(shí)施。本文 介紹磨料流加 工 的基本工作原理及其特點(diǎn) ， 利用 GAMBIT 進(jìn)行 模型創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分工作，利用 FLUENT 軟件 對 噴油嘴 零件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過數(shù)值 模擬 獲得磨粒流加工噴油嘴的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)、靜態(tài)壓強(qiáng)、速度等仿真曲線，并對其進(jìn)行了 分析與總結(jié)。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。如夾具上磨料流的進(jìn)出口位置、大小、方向、數(shù)量等的設(shè)計(jì)確定，對于磨料流在工件行腔或者夾具型腔的壓力與流速分布具有重要影響，從而影響其加工的質(zhì)量和效率。 隨著產(chǎn)品的不斷精密化，人們對產(chǎn)品表面質(zhì)量及功能性邊緣的要求不斷提高，傳統(tǒng)的加工工藝已無法達(dá)到其精度要求。 我們國家曾將磨料流加工技術(shù)列為七五攻關(guān)技術(shù)項(xiàng)目之一進(jìn)行了研究，取得了一定的實(shí)驗(yàn)研究成果，在 20 世紀(jì) 80 年代初成功的研究開發(fā)了磨料流加工機(jī)床、加工所用的柔性磨料及加工技術(shù)，成果推廣應(yīng)用于多個(gè)企業(yè)。 磨粒流加工工藝中有 3 個(gè)重要環(huán)節(jié)。砂粒尺寸為 ^39。有些零件的磨粒流加工不需要夾具輔助，如模具等。除了作為一種拋光手段，磨粒流工 藝還可以對那些形狀公差、質(zhì)量要求極其嚴(yán)格的零件進(jìn)行微量磨削加工。 圖 13 粗加工和磨粒流加工的表面對比 噴油嘴經(jīng)微孔磨粒流加工，減小了流量散差，使流量更為精確。磨粒流方法光整表面，去除疵點(diǎn)，倒圓銳角，大大增加了零件的可靠性，延長了使用壽命 [8]。 各種機(jī)械結(jié)構(gòu)中的傳動(dòng)齒輪，包括渦輪、渦桿和傘齒輪都可以用磨粒流加工。模具需要光潔的表面，以便于成型、脫模，確保產(chǎn)品的表面質(zhì)量。 (5)磨粒流加工技巧。 圖 16 磨粒流加工技巧應(yīng)用 磨 粒流 技術(shù) 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1. 國外的發(fā)展現(xiàn)狀 由 德國 制造的 Perfect Finish GmbH 磨粒流流體動(dòng)力研磨系統(tǒng) ， 主要運(yùn)用在航天及汽車工業(yè) ,有著復(fù)雜幾何圖形合金含量較高的部件拋光及去毛剌 【 12】 。引進(jìn)的鋁型材生產(chǎn)線上一般都配有磨粒流設(shè)備通稱擠壓研磨設(shè)備。 Davies 和 Fletcher研究了幾種配料的流變性與其相應(yīng)加工參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明粘度和磨料的比例都會影響溫 度和介質(zhì)通過工件的壓力下降，在磨料加工過程中溫度是影響介質(zhì)粘度的一個(gè)重要因素 【 16】 。湯勇等對磨料流加工存在的壁畫滑動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：磨料平均速度存在著臨界值，在于平均速度時(shí)存在 壁面 滑動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)壁 滑速度隨磨料平均速度增加而增大；磨料粘度升高，會使平均速度臨界減少，而壁滑速度增加的程度卻增大，存在壁滑是實(shí)現(xiàn)磨料流加工的前提條件。 GAMBIT可以生產(chǎn) FLUENT、 FIDAP、 POLYFLOW 等求解器所需要的網(wǎng)格， 它提供的非結(jié)構(gòu) 化的 網(wǎng)格生成程序，對相對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效 。其中，六面立方體或六面長方體皆屬于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其他則皆屬于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。 噴油嘴二維及三維網(wǎng)格劃分如圖 2 2 所示。由于湍流的平均流動(dòng)和脈動(dòng)之間存在著很強(qiáng)的相互作用，湍流的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果 比層流流動(dòng)更容易受到網(wǎng)格 的影響。 13 FLUENT軟件概述 FLUENT是目前處于世界領(lǐng)先地位的商業(yè) CFD軟件包之一，最初由 FLUENT 。 FLUENT 通過菜單界面和用戶進(jìn)行交互，用戶可以通過多窗口的方式隨時(shí)觀察計(jì)算的進(jìn)步和計(jì)算結(jié)果 【 11】 。它是 CFD 軟件包的核心， FLUENT 實(shí)際上是一個(gè)求解器， 是一個(gè)基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用求解器，支持并行計(jì)算，分單精度和雙精度兩種。計(jì)算過程中，網(wǎng)絡(luò)的可以自適應(yīng)。 （ 1）質(zhì)量守恒方程 ()i miu Stx?? ?? ???? （ 31） 該方程是質(zhì)量守恒的總 形式，可以適合可壓和不可壓流動(dòng)。 顆粒 相碳化硅數(shù)學(xué)模型 根據(jù)液固兩相流理論，將碳化硅顆?？醋麟x散相，忽略顆粒與顆粒之間的作用力，不考慮顆粒對磨料介質(zhì)的影響， 可 建立離散相數(shù)學(xué)模型： 18 23 R e ()4p D p epppd U C UUd t d? ??? （ 310） 式中： Ue、 Up分別為航空煤油和碳化硅磨粒速度分量 ， dp為碳化硅顆粒直徑 ，CD為阻力系數(shù)。 計(jì)算方法 目前商業(yè) CFD 軟件的求解過程一般首先設(shè)定好邊界條件和適當(dāng)?shù)奈锢韰?shù)，然 后選擇軟件內(nèi)假定好的 物性模型，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)某绦螂x散化成有限維度的近似問題，再經(jīng)由計(jì)算機(jī)運(yùn)算上述設(shè) 定的條件，并將其近似解求出，最后由數(shù)學(xué)分析來確保所解出來的數(shù)值近似解的收斂 性與穩(wěn)定性。有限元素法適用于幾何及物理?xiàng)l件比較復(fù)雜的問題，并且便于程序的標(biāo)準(zhǔn)化，對橢圓型方程問題更具有實(shí)用性。 FLUENT 求解方法的選擇 FLUENT 提供三種不同的解格式：非耦合求解 ( Segregated )、耦合隱式求解 ( Coupled Implicit )、耦合顯 式求解 ( Coupled Explicit )。通 過數(shù)值模擬，我們可以得出流體在各個(gè)位置的云圖，分心運(yùn)動(dòng)規(guī)律從而代替實(shí)驗(yàn)節(jié)約資金。 （ 1） 標(biāo)準(zhǔn) k?? 模型 此模型是最簡單的完整湍流模型，該模型是兩個(gè) 方程模型，需要求解湍動(dòng)能及其耗散率兩個(gè)變量，速度和長度尺度。 （ 2） 考慮到了湍流漩渦，提高了這方面的精度 。 （ 2） 為耗散率增加了新的傳輸方程，這個(gè)方程來源于一個(gè)為層流速度波動(dòng)而作的精確方 程，模型要確保在雷諾壓力中有數(shù)學(xué)約束 。 (6) The SpalartAllmaras 模型 SpalartAllmaras模型是相對簡單的單方程模型，只需求解湍流粘性的輸運(yùn)方程，不需要求解當(dāng)?shù)丶羟袑雍穸鹊拈L度尺度 。 （ 1） 速度入口 邊界條件 24 該邊界條件常 用于不可壓縮流動(dòng)問題，對可壓縮問題不合適 ，需 給定入口邊界上的速度及其其他相關(guān)標(biāo)量值 。因此，如果壓力入口邊界條件和質(zhì)量入口邊界條件都合適時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用 壓力入口邊界條件 。在對稱軸或?qū)ΨQ面上，既無質(zhì)量的交換，也無熱量等其他物理量的交換 。 26 第 五 章 數(shù)值模擬算法與多相流的選擇 對于管道、高壓噴嘴等 微小孔 結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜流體問題 , 可以利用 FLUENT 來求解 ,該軟件提供了湍流方程 ,可模擬湍流的流動(dòng)狀態(tài)。 壓力速度耦合方法的選擇 在分離求解器中， FLUENT 提供了 S。 求解器的選擇 FLUENT 軟件提供了四種求解器，分別為 二維單精度解法器 、三維單精度解法器、 二維雙精度解法器 、 三維雙精度解法器 。計(jì)算 過程中不需要給定任何參數(shù)，只需 確定合理的對稱位置 即可 。在參數(shù)設(shè)置上，需給定 表壓強(qiáng) 。 （ 3） 質(zhì)量入口 邊界條件 該邊界條件主要用于可壓縮流動(dòng)。 由于沒有考慮長度尺度的變化，這對一些流 動(dòng)尺度變換比較大的流動(dòng)問題不太適合，如平板射流問題、從有壁面影響流動(dòng)突然變化到自由剪切流、 流場尺度變化明顯 等場合 。 此模型對 旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、 包括噴射 的自由流、混合流、 管道和邊界 流、 圓柱射流 及 分離流 均有效。 （ 4） 標(biāo)準(zhǔn) k?? 模型是一種高雷諾數(shù)的模型， RNG 理論提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性的解析公式 。 標(biāo)準(zhǔn) k?? 模型需要求解湍流能及其耗散率方程，湍流能輸運(yùn)方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的。 21 第四章 湍流模型與邊界條件 磨粒流加工 過程的流動(dòng)狀態(tài)屬于湍流加工，若獲得正確的數(shù)值模擬結(jié)果，應(yīng)首先設(shè)置正確的邊界條件，下面簡要介紹一下 FLUENT 軟件所能處理的湍流流動(dòng)及邊界條件的設(shè)置問題。耦合求解則可以用在高速可壓縮流動(dòng)。 從積分區(qū)域的選取方面看來，有限 體積法屬于加權(quán)剩余法中的子區(qū)域法 。 有限差分法 有限差分 法 是數(shù)值解法中最經(jīng)典的算法。這時(shí)，即使是邊界條件保持不變 ，流體也是不穩(wěn)定的，速度等流動(dòng)特性都隨之變化，這種狀態(tài)稱為湍流。 對于二維軸對稱幾何條件，連續(xù)方程可以變成： ( ) ( ) mu v v St x r r? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? （ 32） 式中， x是軸向坐標(biāo)， r是徑向坐標(biāo)， u和 v 分別是軸向和徑向速度分量。利用 CFD 前處理軟件 GAMBIT來進(jìn)行 模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分工作 ，這樣求解的結(jié)果就可以直接導(dǎo)入 FLUENT 軟件中進(jìn)行求解，最后達(dá)到對問題進(jìn)行處理和分析的目的 。 (3)后處理器。 （ 1） 前處理器。 就是由 ANSYS ， CFD軟件通常都包含 3 個(gè)主要功能部分：前處理器、求解器、后處理器。在計(jì)算網(wǎng)格的處理上，在流動(dòng)域靠近壁面 部分要采用加附面層的方法，在流體流動(dòng)區(qū)域的表面網(wǎng)格和內(nèi)部網(wǎng)格之間再劃分出一個(gè)特定區(qū)域，用以保證壁面附近的湍流計(jì)算的準(zhǔn)確性 。 無論采用何種方式來劃分計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格的類型、尺度和質(zhì)量都會直接影響到 CFD 分析結(jié)果的 準(zhǔn)確性 和穩(wěn)定 性 。圖 21給出了 GAMBIT 中常用的網(wǎng)格類型。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動(dòng)區(qū)域里實(shí)施，而非整個(gè)流場，因此可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間 。 10 第 2 章 Fluent軟件 GAMBIT軟件介紹 GAMBIT 是面向 CFD 的幾何建模和網(wǎng)格生成軟件 ， 是目前 CFD 分析中最優(yōu)秀 的前置處理器，它包括先進(jìn)的幾何建模和網(wǎng)格劃分方法。他們還提出了多孔拋光中金屬出去分布的實(shí)驗(yàn)方法與定量分析方法，發(fā)現(xiàn)用磨粒流加工一個(gè)具有中心孔和 四個(gè)外圍孔的工件時(shí)，中心孔的金屬去除率比外圍孔的金屬出去率高 30%。已在航空、航天、汽車、紡機(jī)、模具等領(lǐng)域取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)在，磨粒流體動(dòng)力研磨技朮作為一種加工方法 ,適用于在內(nèi)外部都需要高質(zhì)量表面的產(chǎn)品。如果充分注意這些特點(diǎn)并加以利用，將獲得最佳效果。磨粒流的出現(xiàn)使通道、型腔的高精度成為現(xiàn)實(shí)。 圖 15 磨粒流渦輪拋光前后 對比 鑄件可直接在專門的生產(chǎn)性磨粒流系統(tǒng)上拋光。汽車進(jìn)氣管，手工拋光其內(nèi)表面時(shí)，只能先切割開，拋好以 5 后再焊接起來。進(jìn)口處的光潔和圓角，使小孔流量增大，壽命提高，這些經(jīng)微孔磨粒流處理過的油嘴，其流量散差可控制在 1%以內(nèi)。具體應(yīng)用介紹如下。大批量零件生產(chǎn)所用的夾具，要設(shè)計(jì)得易于裝、卸、清洗，通常須安裝在分度臺上。低粘度 磨?？捎脕韺α慵吔堑箞A和小通道的研磨【 5】 。固定工件和夾具，在一定的壓力作用下，使磨粒通過被加工表面，達(dá)到研磨，去毛刺，倒角及拋光的目的 (圖 11)。其更大優(yōu)勢在于，隨著 現(xiàn)代制造技術(shù)微型化，密集化，越來越多的零件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出封閉的無規(guī)則的同時(shí)又要求高質(zhì)量表面的各種型腔、通道等，磨粒流工藝在這些部位的微量加工和拋光方面可謂獨(dú)樹一幟。 精密零件制 造中的最終精加工是一種勞動(dòng)強(qiáng)度大而不易控制的過程，它在全