CN105893647B - 一种泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计与优化的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计与优化的分析方法，适用于泡沫沥青技术领域。将CFD软件数值模拟中泡沫沥青混合料拟流体对结构的反作用，通过ANSYS Workbench平台与CFD软件间接口无数据损失的加载于搅拌结构，并通过ANSYS Workbench优化工具对结构进行优化分析，实现了将搅拌叶片的驱动、混合料拟流场的拌和，以及拟流场对搅拌叶片的反作用，进行了无缝连接，进而对泡沫沥青混合料搅拌设备的结构进行优化和分析，提供了搅拌设备的有效快速的设计方法，并提高了搅拌设备分析结果的可靠性。

Description

一种泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计与优化的分析方法

技术领域：

本发明涉及一种泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计与优化的分析方法，适用于泡沫沥青技术领域。

背景技术：

现代路面施工工程领域，单一的沥青搅拌设备逐渐已不能满足施工生产要求。泡沫沥青比普通沥青具有无可比拟的优越性，能够从根本上解决沥青混凝土的抗车辙能力、抗温度裂缝能力、抗疲劳破坏能力、抗松散能力弱等缺点，且泡沫沥青节能环保，经济效益高，故泡沫沥青被广泛应用于道路施工场合，同时泡沫沥青相关技术也受到筑路机械领域广泛关注。

泡沫沥青混合料搅拌设备是将不同粒径的粗石料和细石料按规定的比例混合，以泡沫沥青作结合料，在规定的温度下拌和成均匀的混合料，混合料的性能直接影响到所铺筑的沥青路面的质量。泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计中，搅拌臂直径和长度，搅拌轴直径和长度等多个参数对其有重要影响。且在泡沫沥青混合料搅拌过程中，搅拌臂和搅拌叶片受力发生变形，结构变形量是否在允许范围内，也需要进行受力与强度分析。故泡沫沥青技术领域迫切需要一种分析方法，为泡沫沥青混合料搅拌设备的结构设计与优化提供依据。

发明内容：

本发明的目的是提供一种泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计与优化的分析方法，并根据所述分析方法提供泡沫沥青混合料搅拌设备的一组优化参数组。

所述方法通过以下技术方案实现：

一种泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计与优化的分析方法，主要步骤包括：泡沫沥青混合料搅拌设备的结构设计，搅拌设备内泡沫沥青混合料拌合效果数值模拟，搅拌轴和叶片的静力学分析，泡沫沥青混合料搅拌设备主要结构参数的分析及优化。具体实施过程是：所述的泡沫沥青混合料搅拌设备根据运动学和动力学，进行初步结构设计；根据搅拌臂和叶片排列形式不同，采用Pro/E(或UG、SolidWorks等)建模软件分别创建反反、正正、正反不同三维实体简化模型；所述的反反、正正、正反不同三维实体简化模型导入Gambit(Hypermesh、Icem等)软件对流体区域划分网格，运用CFD软件对所述泡沫沥青搅拌设备内泡沫沥青混合料拌合效果进行数值模拟，对比分析混合料搅拌的均匀性，以确定叶片最优排列形式；对所述叶片最优排列的搅拌设备，使用Ansys Workbench进行流固耦合分析，对所述泡沫沥青搅拌系统的搅拌轴进行强度和刚度静力学分析；通过Ansys Workbench中Goal Driven Optimization(多目标驱动优化分析工具)和响应面分析等优化工具对所述搅拌设备结构参数进行优化分析，并考察不同因素对结构总变形、等效应力的影响程度，确定最佳结构参数组合，以及所述最佳参数组合下结构的总变形量和等效应力。

所述分析方法中对搅拌设备内混合料拌合效果分析过程，在叶片不同排列方式条件下，CFD中将混合料中各种不同粒径材料设置为不同“相”，分析混合料中各相混合均匀程度，混合料循环流动方式等。数值模拟结果指出：叶片为正正排列方式时，泡沫沥青混合料搅拌均匀性好，搅拌效率高。

所述分析方法中通过CFD和ANSYS Workbench建立数据接口完成流固耦合分析。在ANSYS Workbench中创建A、B、C、D四个项目，通过Pro/E将计算模型导入项目A；通过CFD将数值模拟下混合料拟流体对结构的反作用导入项目B；项目C为静力学分析模块；项目D为多目标驱动优化模块。将项目B的Solution与项目C的Setup对接；因结构静应力模型与流体动力学模型数据一致，故将项目A的Geometry与项目C的Geometry对接，则项目B与项目C共用几何模型；将项目C的Parameters与项目A的Parameters对接，以便优化后自动更新初始参数。流固耦合分析结构优化得出最佳参数组，其特征是：转速n＝25～60r/min，单搅拌轴上叶片数为8，搅拌叶片旋转半径200～300mm，搅拌臂直径d＝25～35mm，搅拌臂长度1＝185～205mm，搅拌轴直径D＝66～70mm，叶片安装角45°

根据泡沫沥青混合料搅拌设备结构与优化分析方法，通过响应面优化分析，分析搅拌臂直径d、搅拌臂长度l、搅拌轴直径D和搅拌轴长度L四个因素的影响程度排序为：d＞l＞D＞L。

有益效果：

实现了将搅拌叶片的驱动、混合料拟流场的拌和，以及拟流场对搅拌叶片的反作用，进行了无缝连接，提供了搅拌设备的有效快速的分析方法，并提高了搅拌设备分析结果的可靠性。

实现了对泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计与优化的目的，提高了研究方法的可信性、可靠性。

附图说明：

附图1是本发明的技术路线图。

附图2是本发明所述搅拌设备反反、正正、正反三种不同排列方式模型与网格

附图3是本发明所述搅拌设备Z＝0mm处正正排列模型的不同相的云图

附图4是本发明所述搅拌设备Y＝-200mm处正正排列模型的不同相的云图

附图5是本发明所述搅拌设备X＝0mm处正正排列模型的不同相的云图

附图6是本发明所述搅拌设备正正排列压力场云图

附图7是本发明所述搅拌设备正正排列速度矢量云图

附图8是本发明所述流固耦合流程图

附图9是本发明所述流固耦合项目连接图

附图10是本发明所述流固耦合受力与应变分析结果图

附图11是本发明所述响应分析结果图

附图12是本发明所述优化分析中灵敏度分析结果图

具体实施方式：

一种泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计与优化的分析方法，步骤包括(见附图1所示)：泡沫沥青混合料搅拌设备的结构设计，创建叶片反反、正正、正反多种不同实体模型，对模型进行网格划分与边界条件定义，对搅拌设备内泡沫沥青混合料拌合效果做数值模拟，对比分析模拟结果得出最优模型，对最优模型进行参数化建模并通过流固耦合分析对搅拌轴和叶片做静力学分析，不满足校核条件则重新对结构进行设计，反之则对设备主要结构参数做分析及优化。具体实施方式如下：

针对一种双卧轴强制间歇式泡沫沥青混合料搅拌设备，其结构组成主要包括：电机、二级减速器、搅拌箱体、搅拌轴、搅拌臂、搅拌叶片、入料口和出料口等。所述搅拌设备两个电机分别连接两个二级减速器，所述两个二级减速器分别连接两根搅拌轴，所述搅拌轴两端通过轴承座连接搅拌箱体，所述搅拌臂连接所述搅拌轴，所述搅拌叶片连接所述搅拌臂，所述出料口连接箱体，位于箱体下方，所述泡沫沥青喷射口连接泡沫沥青小试验机出口。

所述泡沫沥青混合料搅拌设备，搅拌箱体安装于距地面一定高度支架上，所述箱体内部腔体由两圆柱体相交(见附图2所示)而成；所述箱体对应一根搅拌轴其壳体两端设有两轴承座，用于支撑搅拌轴；所述搅拌轴上安装按一定规则分布的搅拌臂和搅拌叶片；所述两根搅拌轴分别靠两个二级减速器强制同步两轴旋转方向相反；所述搅拌臂、搅拌叶片材料均选用45号钢；所述搅拌箱体的两侧沿着轴向分布一根管，上面均匀开设多个沥青喷口，孔方向为面向轴45度朝下；所述出料口设在箱体最底部，靠液压缸驱动传动机构来完成开启和关闭。

所述泡沫沥青混合料搅拌设备，双轴搅拌臂的相位及排列形式是影响泡沫沥青混合料搅拌质量的关键因素，根据单轴上两相邻搅拌臂和叶片的安放位置不同，单置式双轴排列形式有三种，包括正正排列、正反排列、反反排列(见附图2所示)，运用Pro/E(UG、SolidWorks等)三维建模软件建立三种不同排列形式的简化计算模型(因复杂结构会加大网格划分难度，为减少运算量，保证数值模拟顺利，故将计算模型进行简化处理)，导入Gambit(Hypermesh、icem等)对流体区域划分网格及定义边界条件，以Tet/Hybrid为网格单元，检查网格质量减少各单元之间的交叉，由于间歇式卧式双轴搅拌设备进料口位于箱体的上方，不同物料按一定比例添加到搅拌箱体内，所以不需要设置压力和速度进口，只需将两轴的表面分别定义为墙wall-left、wall-right，箱体的内壁面系统自动生成wall，将箱体去除两搅拌轴后得流体区域定义为体ti。

划分好网格保存并输出.mesh文件，导入CFD软件进行数值模拟。数学模型中湍流模拟选择标准k-ε模型，多相流模拟选择欧拉(Eulerian)模型，其他模型还有质量动量等守恒方程，选择非稳态求解器。因Fluent内部模块只能设置流体区域转动，不能对轴设置转速，因此在Gambit中必须将流体区域用中间面分割为左右两个体，以便在Fluent中对两体分别设置相反转速，为使模拟趋于实际，需编程以限定边界条件，

有两种方法可实现轴的转动，一种是编写轮廓文件(Profile)对边界条件加以限定，另一种是编写UDF实现轴的转动。设置完毕后迭代求解，查看残差图收敛后进行后处理，观察搅拌设备内部不同截面处泡沫沥青、粗砂和细砂各相位云图、压力场分布和速度场分布，分析叶片不同排列形式对混合料搅拌均匀性、围流情况、力分布的影响。分析各相物料的云图，得出正正排列混合效果最好(见附图3、4、5所示，正正排列不同相的各云图颜色均匀，且对应比例尺所示颜色知各相质量分数符合级配比要求)；分析压力云图，得出搅拌箱内压力由搅拌轴中心至叶片端部逐渐增大(见附图6所示，图中包括正正排列混合相的静压、动压和总压云图)；分析速度矢量图，图中箭头方向表示混合料流动速度方向，箭头颜色表示混合料含量，箭头大小表示速度大小，结果指出正正排列模型混合料在箱体内形成围流效果较其它两种排列模型明显(见附图7所示)；综合分析，正正排列模型(顺着拌合料流动方向看，搅拌臂排列的相位方向与搅拌轴转向相同，反之为正排列)搅拌设备内部搅拌用时短且混合混匀。

运用ANSYS Workbench平台对搅拌设备最优模型做流固耦合分析(技术路线见附图8所示)，在软件中创建A、B、C、D四个项目(各项目连接关系见附图9所示)，项目A为计算模型，通过Pro/E软件导入模型；项目B为CFD(流体动力学分析)，通过Fluent软件将模拟数据导入；项目C为静力学分析；项目D为多目标驱动优化模块；为实现将流体计算结果完全对应加载到两搅拌轴和叶片上，把项目B中的Solution连接到项目C中的Setup，因结构静应力分析模型和流体动力学分析模型尺寸一致，故把项目A中的几何模型(Geometry)连接到项目C中的几何模型(Geometry)，则项目B与项目C共用几何模型，将项目C中参数(Parameters)与项目A参数化建模参数(Parameters)连接，以便优化后自动更新初始参数。搅拌过程中，搅拌轴按照一定转速进行旋转运动，搅拌轴在流体载荷作用下产生变形或运动。变形或运动轨迹又反过来影响设备内混合料流场，从而改变流体载荷的分布和大小，所以对该设备做流固耦合分析。具体计算过程中，由于优化后模块会自动更新模型初始参数，故需对模型进行参数化建模，且需重新划分流体网格及固体网格并设置边界条件，Gambit中将模型划分成了5个体，volume1、volume2、volume3、volume4、volume5，网格尺寸为18，分别将5个体设置为sator、solid1、solid2、rator1、rator2。将两搅拌轴所在圆柱区域设置为动区域(rator)；箱体内去除两动区域设置为静区域(sator)；动静交界面采用Transient RotorStator；左右旋转域上下圆表面与静域中上下圆表面之间建立interface面，确保静域与动区域之间物料的互相流通；流固耦合面为叶片、搅拌臂、搅拌轴表面；运用ANSYS Workbench软件对两搅拌轴进行固体网格划分。然后将CFD软件数值模拟结果中压力加载于左右两搅拌轴，并分别施加旋转速度、远程位移和圆柱面约束，对搅拌轴进行静应力强度分析。结果表明：最大等效应力出现在轴承两端处和搅拌臂根部，轴肩处出现应力集中，可能发生强度破坏；搅拌轴最大应力值小于所用材料45号钢的极限应力，说明搅拌轴的设计强度是满足要求的(见附图10所示，由图知：最大变形量与最大等效应力值均满足材料力学第三、四强度理论)；搅拌轴所用材料的强度过高，现有的设计尺寸比较保守为此可减少轴的粗度，以减轻整机的重量。

根据所述流固耦合静力分析结果，对满足强度和刚度要求的结构参数组，通过ANSYS Workbench优化工具进行分析和优化。由于影响结构变形的因素有搅拌臂直径、搅拌臂长度、搅拌轴直径、搅拌轴长度等多个参数，优化设计时需同时考虑多种因素，故采用Goal Driven Optimization(多目标驱动优化分析工具)优化模块进行优化设计。设置l、d、L、D四个设计变量，系统根据输入变量的参数随机生成25组设计点，选择更新设计点，系统会自动计算出25组参数对应的等效应力、形变量、质量、体积值，由表可得出形变量最小和等效应力最小对应的设计点，形变量最大和等效应力最大对应的设计点，形变量范围为0.06～0.13mm，应力范围为6～10MPa。

响应面分析也是一种最优化方法，将体系的响应(结构总变形)作为一个或多个因素(如轴径、轴长等)的函数，通过图形技术显示该函数关系(见附图11所示)，设置l、d、L、D四个设计变量，通过响应面分析法确定了4个因素对变形量影响程度排序为：d＞l＞D＞L，且通过灵敏度柱形图分析，得出结论与响应面分析法得出结论一致(见附图12所示，灵敏度大于零说明输入参数与输出参数呈现正相关，反之负相关)。

ANSYS Workbench中优化后得出一组最优参数组合范围：搅拌臂直径d＝25～35mm，搅拌臂长度l＝185～205mm，搅拌轴直径D＝66～70mm。最佳设计点参数的总变形与等效应力满足校核要求，优化结果可行，达到了节约材料、减轻整机重量的目的。

Claims (4)

1.一种泡沫沥青混合料搅拌设备结构设计与优化的分析方法，其实施步骤包括：首先对泡沫沥青混合料搅拌设备进行初步结构设计并建模，然后划分网格、定义边界条件，导入CFD软件进行仿真模拟，其次建立CFD软件与ANSYS Workbench平台的接口，将CFD数值模拟结果导入ANSYS Workbench中进行流固耦合分析，最后通过优化工具对结构参数进行优化设计，其特征是：将泡沫沥青混合料比拟为流体，运用CFD软件对搅拌设备内混合料搅拌拌合效果进行仿真分析，将数值模拟结果中拟流体对结构的反作用，通过CFD软件与ANSYSWorkbench接口无数据损失的加载于搅拌结构，对结构进行静强度和刚度分析，并通过ANSYS Workbench中Goal Driven Optimization和响应面分析优化工具对所述搅拌设备结构参数进行优化分析。

2.根据权利要求1所述方法，分析搅拌设备内混合料拌合效果，其特征在于：叶片正正排列方式泡沫沥青混合料搅拌效率高、搅拌均匀性好。

3.根据权利要求1所述方法，对泡沫沥青混合料搅拌设备参数优化后，其特征在于：转速n＝25～60r/min，单搅拌轴上叶片数为8，搅拌叶片旋转半径200～300mm，搅拌臂直径d＝25～35mm，搅拌臂长度1＝185～205mm，搅拌轴直径D＝66～70mm，叶片安装角45°。

4.根据权利要求1所述方法，分析搅拌臂直径d、搅拌臂长度l、搅拌轴直径D和搅拌轴长度L四个影响因素的影响程度，其特征在于：影响程度的排列顺序为：d＞l＞D＞L。