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水射流破碎废旧轮胎的数值模拟与试验研究

作　者: 刘辉
导　师: 张东速
学　校: 安徽理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 轮胎回收 SPH方法数值模拟侵蚀粒度分析
分类号: U463.341
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 13次
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内容摘要

高压水射流方法回收废旧轮胎橡胶是一种回收率高且无污染的新方法。目前,对于此种方法的回收机理研究还不深入,需要进一步研究。本文采用数值模拟与试验这两种方法做一些初期的探索,为理解回收机理提供参考。水射流冲击问题的数值模拟如利用有限元方法存在困难,这是因为在处理流体大变形及散裂问题时有限单元网格会发生畸变,导致计算出错。而光滑粒子动力学法(SPH)是一种无网格方法,该方法具有自适应性的优点,适用于处理流体大变形问题。橡胶属于超弹性体,一般采用有限元法(FEM)。本文应用SPH-FEM耦合计算方法模拟液体与超弹性体的冲击问题,充分利用两种方法各自的优势。水的本构模型在计算中采用空模型,其偏剪应力与偏剪应变率成正比。状态方程采用Mie-Gruneisen状态方程。在橡胶的各种应变能方程中选用了Ogden的三阶模型,该模型在预测大变形时仍不失准确性,适用于本文中的问题,为之选择了合适的橡胶材料参数,作为样本用于本文的分析。本文模拟计算了水射流冲击橡胶从接触开始20μs内的演化过程,并对计算结果进行了分析。首先分析了水射流与橡胶的变形过程及水射流内部压力变化规律。其次通过分析坐标轴方向的应力,得出了橡胶在水射流作用下应变坑周围的应力状态分布规律。又通过橡胶内部等效应变的分析,得出了橡胶材料的变形大小分布的规律。最后,在不同射流速度下做了分析,得出了同一时刻侵蚀坑深度与射流速度的关系。另外本文利用高压水射流设备做了水射流冲击剥离橡胶颗粒的试验,用扫描电镜观察了对回收的橡胶颗粒与断面微观形貌,并用激光粒度分析仪分析了橡胶颗粒的粒径分布,橡胶颗粒的粒径尺寸与数值模拟所推测出的冲击界面处橡胶剥离所发生的宽度范围也较吻合。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-14
引言  14-16
1 绪论  16-22
  1.1 高压水射流技术简介  16-17
  1.2 本文的研究的背景、目的及意义  17-19
    1.2.1 课题来源  17
    1.2.2 废旧轮胎的循环利用现状  17-19
    1.2.3 本文研究的目的与意义  19
  1.3 非线性显式动力学分析简介  19-20
  1.4 本文相关试验的意义  20
  1.5 本文的研究内容  20-21
  1.6 本章小结  21-22
2 数值计算的相关理论  22-32
  2.1 概述  22
  2.2 SPH方法  22-29
    2.2.1 SPH方法的基本思想  22-23
    2.2.2 SPH方法的基本方程  23-26
    2.2.3 SPH方法在计算实施中的一些问题  26-29
    2.2.4 SPH方法水冲击问题模拟  29
  2.3 有限单元法(FEM)  29-30
  2.4 接触算法  30-31
  2.5 本章小结  31-32
3 轮胎橡胶材料及橡胶的超弹性本构关系  32-44
  3.1 概述  32-33
  3.2 轮胎橡胶材料  33-37
    3.2.1 橡胶  33
    3.2.2 橡胶的配合剂  33-35
    3.2.3 橡胶的老化对力学性能的影响  35
    3.2.4 轮胎各部位对胶料的性能  35-37
  3.3 超弹性体的本构方程  37-40
  3.4 应变能函数  40-42
  3.5 橡胶本构试验  42
  3.6 本文橡胶本构模型的选用  42-43
  3.7 本章小结  43-44
4. 基于Ansys-Autodyn的模拟分析  44-62
  4.1 Ansys-Autodyn介绍  44-45
  4.2 计算模型的建立  45-46
  4.3 材料定义  46-49
    4.3.1 Ansys-Autodyn的材料定义各项的意义  46-47
    4.3.2 水射流的材料参数和其它关键设定  47-48
    4.3.3 橡胶的材料参数  48-49
  4.4 粒子填充与网格划分  49-50
  4.5 边界条件  50
  4.6 接触定义  50-51
  4.7 计算结果分析  51-60
    4.7.1 水射流与橡胶的变形过程分析  51-53
    4.7.2 橡胶坐标轴方向应力张量分析  53-55
    4.7.3 橡胶等效应变分析  55-58
    4.7.4 不同射流速度下的侵蚀效率分析  58-60
  4.8 本章小结  60-62
5 水射流破碎胎面胶的试验研究  62-70
  5.1 水射流的流速计算  62
  5.2 试验设备介绍  62-65
  5.3 试验步骤  65-66
  5.4 试验结果分析  66-68
  5.5 本章小结  68-70
结论  70-72
参考文献  72-74
后记或致谢  74-76
作者简介及读研期间主要科研成果  76

水射流破碎废旧轮胎的数值模拟与试验研究

内容摘要

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