Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин - часть 26

 

  Главная      Учебники - Производство     

 

поиск по сайту           правообладателям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  24  25  26  27   ..

 

 

Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин - часть 26

 

 

ЗАПИШЕМ  ДАЛЕЕ  УРАВНЕНИЯ,  ОПИСЫВАЮЩИЕ  ФОРМУ  ПОВЕРХНОСТЕЙ 

СМЕСИТЕЛЬНЫХ 

КУЛАЧКОВ, 

ИСПОЛЬЗОВАВШИХСЯ 

В 

ЭКСПЕРИМЕНТАХ 

(ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ, ЭКСЦЕНТРИКОВЫХ И ТРЕУГОЛЬНЫХ).  

ЭКСЦЕНТРИКОВЫЕ КУЛАЧКИ: 

• 

В ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТАХ 

 

2

эксц

2

д

2

эксц

д

)

(

R

y

x

=

+

;                              (6.32) 

 

• 

В ПОЛЯРНЫХ КООРДИНАТАХ 

 

α

=

+

α

=

.

sin

;

cos

эксц

д

эксц

эксц

д

R

y

R

x

                               

(6.33) 

 
ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ КУЛАЧКИ: 

• 

В ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТАХ 

 

1

2

эл

2

д

2

эл

2

д

=

+

b

y

a

x

;                                        (6.34) 

 

• 

В ПОЛЯРНЫХ КООРДИНАТАХ 

 

α

=

α

=

.

sin

;

cos

эл

д

эл

д

b

y

a

x

                                      (6.35) 

 
ТРЕУГОЛЬНЫЕ КУЛАЧКИ: 

• 

В ПОЛЯРНЫХ КООРДИНАТАХ 

 

α





α

=

cos

2

3

sin

)

2

(

тр

тр

тр

д

R

r

r

x

 

α





α

=

sin

2

3

sin

)

2

(

тр

тр

тр

д

R

r

r

y

.                   (6.36) 

 
ПРИ  ОПРЕДЕЛЕНИИ  ГРАНИЧНЫХ  УСЛОВИЙ  ИСПОЛЬЗУЕМ  КЛАССИЧЕСКОЕ 

УСЛОВИЕ ПРИЛИПАНИЯ 

 

0

=

υ

,                                             (6.37) 

 

ГДЕ 

υ

 ОЗНАЧАЕТ РАЗНОСТЬ МЕЖДУ СКОРОСТЬЮ СРЕДЫ И СКОРОСТЬЮ ГРАНИЦЫ, 

Т.Е.  НА  ВНУТРЕННИХ  СТЕНКАХ  МАТЕРИАЛЬНОГО  ЦИЛИНДРА  СКОРОСТЬ  СРЕДЫ 
РАВНА 0, А  НА  ПОВЕРХНОСТЯХ  ВРАЩАЮЩИХСЯ  СМЕСИТЕЛЬНЫХ  ЭЛЕМЕНТОВ 
РАВНА СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ТОЧЕК ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ. 

ДЛЯ ЭТОГО НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ НАПРАВЛЕНИЯ НОРМАЛЕЙ И КАСАТЕЛЬНЫХ НА 

ПОВЕРХНОСТЯХ КУЛАЧКОВ. 

В  ОБЩЕМ  ВИДЕ  УРАВНЕНИЯ  СООТВЕТСТВЕННО  КАСАТЕЛЬНОЙ  И  НОРМАЛИ  К 

ПЛОСКОЙ  КРИВОЙ,  ЗАДАННОЙ  В  ВИДЕ  F(X, Y) = 0,  В  НЕКОТОРОЙ  ТОЧКЕ  (X

0

Y

0

) (РИС. 

6.4) ИМЕЮТ ВИД: 

 

0

)

(

)

(

0

)

,

(

0

)

,

(

0

0

0

0

=

+

y

y

y

F

x

x

x

F

y

x

y

x

,             (6.38) 

 

)

,

(

0

)

,

(

0

0

0

0

0

y

x

y

x

y

F

y

y

x

F

x

x

=

.                                 (6.39) 

 
С  УЧЕТОМ  УРАВНЕНИЙ (6.32) – (6.36), СООТНОШЕНИЯ  ДЛЯ  КАСАТЕЛЬНЫХ  И 

НОРМАЛЕЙ В ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОЧКЕ (X

0

Y

0

) ЗАПИШУТСЯ В ВИДЕ: 

• 

ДЛЯ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ КУЛАЧКОВ 

 

1

2

эл

0

д

2

эл

0

д

=

+

b

y

y

a

x

x

,                                        (6.40) 

 



+



=

2

0

2

0

д

0

2

0

2

д

b

y

a

y

x

x

b

y

a

y

.                             (6.41) 

 
 
 

F(xy) = 0

τ

n

V

V

x

V

y

x

y

Θ

r

(x

0

, y

0

)

0

РИС. 6.4. К ВЫВОДУ ГРАНИЧНЫХ 

УСЛОВИЙ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛА  

В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СМЕСИТЕЛЯ 

АНАЛОГИЧНО 

ЗАПИСЫВАЮТСЯ 

УРАВНЕНИЯ 

ДЛЯ 

ЭКСЦЕНТРИКОВЫХ 

И 

ТРЕУГОЛЬНЫХ КУЛАЧКОВ. 

ЗАПИШЕМ  ДАЛЕЕ  УРАВНЕНИЯ,  ОПИСЫВАЮЩИЕ  ДВИЖЕНИЕ  МАТЕРИАЛА  В 

ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ СМЕСИТЕЛЯ. 

УРАВНЕНИЕ 

НЕРАЗРЫВНОСТИ 

ПОТОКА 

В 

ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ 

СИСТЕМЕ 

КООРДИНАТ ЗАПИШЕТСЯ В ФОРМЕ [16, 35, 54]: 

 

0

1

)

(

1

=

Θ

υ

+

υ

Θ

r

r

r

r

r

.                           (6.42) 

 
ПРОЕКЦИИ 

УРАВНЕНИЯ 

ДВИЖЕНИЯ 

(УРАВНЕНИЕ 

НАВЬЕ-СТОКСА) 

НА 

СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ОСИ КООРДИНАТ ЗАПИШУТСЯ В ВИДЕ: 

 
 

;

1

2

1

1

2

2

2

υ

+

Θ

υ

µ

υ

Θ

υ

+

υ

µ

Θ

+

+

υ

µ

+

υ

µ

+

=



υ

Θ

υ

υ

+

υ

υ

ρ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

P

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

 

(6.43) 

 
 
 

.

1

2

1

2

1

1

υ

+

Θ

υ

µ

Θ

+

υ

υ

+

υ

µ

+

+

υ

υ

+

υ

µ

+

Θ

=

υ

υ

+

Θ

υ

υ

+

υ

υ

ρ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

P

r

r

r

r

r

r

 

(6.44) 

 
 
РЕОЛОГИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ ДЛЯ СТЕПЕННОЙ ЖИДКОСТИ [5, 54] ИМЕЕТ ВИД 
 

RT

E

n

e

m

1

0

γ

=

µ

&

.                                       (6.45) 

 
СДЕЛАЕМ ДОПУЩЕНИЕ, ЧТО СКОРОСТЬ СДВИГА В ЗАЗОРЕ 
 

H

υ

γ&

.                                             (6.46) 

 

Подставив (6.46) в (6.45), а (6.45) в (6.42) – (6.44) и интегрируя по частям, перейдем к обоб-

щенному решению 

{

}

P

r

,

,

Θ

υ

υ

, удовлетворяющему системе интегрально-дифференциальных урав-

нений: 

;

0

2

1

1

2

1

2

2

2

2

2

0

2

2

1

=

Θ

Θ

υ

+

υ

Θ

υ

Θ

+

υ

+



+

Θ

υ

Θ

+

υ

µ

+



υ

Θ

υ

υ

+

υ

υ

ρ

ω

Θ

Θ

Θ

π

Θ

Θ

∫ ∫

rdrd

r

u

u

r

r

u

r

r

u

u

r

r

r

u

P

r

u

r

r

r

u

r

r

r

r

r

R

R

r

r

r

r

r

r

r

r

r

 

(6.47) 

 
 
 

;

1

2

1

2

1

2

1

2

2

2

2

0

∫ ∫

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

π

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

Θ

ω

=

Θ

υ

Θ

υ

Θ

υ

+

+

υ

+

υ

υ

υ

υ

+

Θ

υ

Θ

µ

+

+

Θ

υ

υ

Θ

υ

υ

+

υ

υ

ρ

ω

R

R

r

r

r

R

R

r

r

rdr

u

S

rdrd

r

u

r

u

r

r

u

r

r

r

r

u

r

r

u

u

r

P

u

r

r

r

r

u

 

(6.48) 

 
 
 

( )

∫ ∫

π

Θ

=

Θ

Θ

υ

+

υ

ω

2

0

2

1

0

1

1

R

R

r

rdrd

r

r

r

r

N

,               (6.49) 

 
 
где u

i

, N – функции координат, имеющие в вариационном исчислении смысл виртуальных скоро-

стей и давления. 

Систему уравнений (6.47) – (6.49) удобно решать методом конечных элементов по стандартной 

процедуре. В результате получим поле скоростей и с учетом этого поля можно будет определить 
динамику поля концентраций. 

Так как исследования применения конечных элементов различной формы подтверждают, что 

треугольные КЭ обеспечивают лучшую сходимость, чем, например, прямоугольные [85 – 87], для 
разбиения анализируемого поперечного сечения пространства смешения выберем именно первые 
из упомянутых. 

При  построении  сетки  конечных  элементов  использовался  вариант  дискретизации  путем  на-

ложения сетки, а именно – метод, называемый "подходом с использованием модифицированного 
квадратичного дерева", который обеспечивает равномерное распределение узлов. 

Применительно  к  данному  случаю  вначале  строилось  "радиальное"  разбиение  пространства 

смешения в соответствии со следующим принципом:  сетка КЭ тем гуще, чем меньше зазор между 
кулачком и внутренней стенкой материального цилиндра. Кроме того, более густая сетка строится 
в так называемом "валковом зазоре" между кулачками, так как из опыта следует, что именно здесь 
развиваются наиболее высокие деформации (рис. 6.5). 

Этот  метод  достаточно  просто  реализуется  и  является  надежным,  поскольку  опирается  на 

геометрическую модель объекта; кроме того, он полностью поддается автоматизации как в дву-
мерном, так и в трехмерном случае. 

Так как при переработке материалов в двухшнековых смесителях, например, при изготовле-

нии резинового клея, часто имеет место растворение в условиях деформации сдвига, математиче-
скую  модель  необходимо  дополнить  уравнением  диффузии,  которое  в  двухмерном  случае  имеет 
вид [35]:  
 





+

=

y

c

D

y

x

c

D

x

L

t

c

2

1

.                      (6.50) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Рис. 6.5. Пример генерации сетки конечных элементов  

для зоны с эллиптическими кулачками 

Состояния системы рассматриваются через небольшие промежутки времени, поэтому можно 

допустить,  что  на  каждом  временном  шаге  величина 

t

c

,  имеющая  физический  смысл  скорости 

изменения  концентрации,  является  константой.  Уравнение (6.50) на  каждом  временном  шаге 
также можно решить методом конечных элементов в две стадии: сначала без учета величины 

t

c

а затем применив итерационный процесс.  

Для небольших промежутков времени t можно считать, что граница раздела между областями 

с  различной  концентрацией  (в  данном  случае  между  соседними  КЭ)  увеличивается  линейно  во 
времени по закону 
L

0

 (1 + kt)  [35]. 

Для  определения  значения  коэффициента  пропорциональности  k  необходимо  знание  поля 

скоростей (см. выше), после чего можно будет определить удлинение границ раздела и таким об-
разом рассчитать концентрацию растворяемого полимера в КЭ на следующей стадии, то есть оп-
ределить динамику поля концентраций. 

Формула для расчета k имеет вид 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  24  25  26  27   ..