非常结合材料测试和仿真以获得可靠的结果

2019年3月11日

当今市场的成功归结为开发可靠的产品,这些产品按预期运行,并在正确的时间推出它们。乐动体育app无法登录像其他许多公司一样,Insuyst Engineering发现,仿真是在产品内部查看并确保设计在原型制造或制造之前符合规格的有效工具。为此,模拟必须匹配现实世界的响应,并了解材料行为起着核心作用。但是,并非所有材料都可以预见。

聚合物提供其他材料不能的保护

聚合物材料通常用于必须安全承受撞击负荷或通过充当能量吸收器/负载缓解剂来保护其他设备的组件。根据论文“聚合物的高应变率表征” C.R. siviour,聚合物要么用于一次性事件,其中塑性变形是可以接受的,要么用于重复的负载,其中聚合物必须返回其原始尺寸和特性。

蠕动泵是一种利用聚合物材料在重复载荷后恢复正常能力的组件。这种泵通常在安全和寿命的高风险用例中发现,并涉及通过系统泵送无菌,清洁或侵略性液体。蠕动泵的设计目的是避免暴露液体和泵的零件:通过一组滚筒将流体推到聚合物管穿过聚合物管,并且除了管以外的任何东西都没有接触。

可以通过材料测试和模拟设计的蠕动泵的照片。
蠕动泵,该泵在管中含有清晰的液体。外壳已被卸下以显示泵的组件。

例如,在医院环境中,至关重要的是,通过输注装置泵送静脉输液,并且在旁路手术期间通过心脏肺机循环的血液不会受到污染。蠕动泵也有助于保护消费者健康,因为它们通常用于饮料和肥皂分配器中。在某些其他情况下,与另一种情况相比,流体更有可能损害泵。例如,除非安全地包含在聚合物管中,否则侵略性化学物质或采矿泥浆会迅速腐蚀任何金属零件。

众所周知,聚合物材料适用于蠕动泵管中,但不能保证任何给定的设计都会成功。与往常一样,在进行开发和生产之前,测试和预测最终产品或系统的表现是一个好主意。使用情况较高风险,更重要的测试是在设计阶段。

我们在非常稳定的办公室里度过了一天,了解了它们如何结合材料测试和模拟的方式 - 并制作了一个视频,因此您也可以直接收到它们的声音。

非线性是一种祝福和诅咒

设计蠕动泵时,需要考虑以下方面:

  • 滚子和管之间的相互作用
  • 变形量以及如何影响管子材料

作为咨询公司的工程师非常工程知道,当管子被压缩以将流体推到系统中时,会有很多变形,并且由于泵送一遍又一遍地发生,因此您可能会导致材料疲劳。为了帮助他们的客户在设计阶段避免此问题,很自然地转向模拟。

他们喜欢模拟的原因之一是,它可以随着时间的推移提供对产品性能的洞察力,以便他们可以检查设计是否在规格之内。在蠕动泵的情况下,Imalst着手观察管子中的应力,以确保其能够幸存100万个周期以及流动中的剪切应力 - 有些液体可以承受高剪切应力(例如,水),,水)而其他人则不能(例如,血液)。他们还旨在提出减少流动波动的方法。

蠕动泵的几何形状的图像。
蠕动泵的几何形状。

在任何模拟中,都必须正确地获得几何形状,边界条件和网格。熟练的模拟工程师可以做所有这些。但是,获得准确和可靠的结果也需要了解所涉及的材料的行为。这是从袖子上拔出另一只王牌的地方:他们有一个物质测试实验室。航行顺利,对吗?不太快。

聚合物之所以有用,是因为它们的非线性材料特性使它们在重复载荷后可以恢复正常,但是因此它们也很难测试。按照C.R. Siviour的论文,“以高速率对聚合物行为进行测量可能是具有挑战性的,并且使它们有用的特性有助于这一挑战。”该论文还指出,测试需要足够高的采集速度来表征样品对高速变形的结构响应。高速摄影和X射线衍射是相关的方法,而热成像很困​​难。有人可能会说非线性既是祝福又是诅咒。

是时候让模拟工程师与测试工程师联手了。

放置和拉测试导致材料模型

在ISST上,测试工程师执行拉力测试,以深入了解聚合物管的材料行为,并最终为模拟工程师提供了用于模拟中的材料模型。专门从事物质行为的高级工程师肖恩·泰勒(Sean Teller)带领我们参加了测试。

拉力测试

拉力测试是用于材料慢速张力测试的环状测试(在这种情况下,蠕动泵管)。它最终显示了材料在低压和高应力下的表现。

为了准备拉伸测试的材料,Imalst将管子取出,将其切下中间,打开狗骨标本,并添加黑白斑点图案,以使数字图像相关(DIC)系统受益that’s used for measuring the strain.

这是柜员解释拉的测试:

下降测试

Drop测试用于在聚合物材料上进行高速张力和压缩测试。聚合物材料具有应变率依赖性的材料响应,因此必须进行高速测试以充分表征这些材料。从理论上讲,这很简单,但在实践中很复杂,很难分析。

Alyst的设置包括一个高速摄像头系统,该系统可提供有见地的数据,以研究材料的高速率响应,以便在其模型中校准和模拟这些材料。这是柜员解释滴测试:

准备,设置,模拟

这些测试给出了材料的应力应变响应,从数据中,InsuyS创建了可以在仿真中使用的材料模型。通过将仿真专业知识与精确的材料模型相结合,Imalst可以对蠕动泵中不同材料之间的接触,流体和所有相互作用进行建模。

在这一点上,值得记住的是,蠕动泵行为很复杂。液体可以真的影响固体,反之亦然 - 这是一个强烈耦合的流体结构相互作用(FSI)问题。您不能忽略液体或固体;您必须同时考虑两者。此外,将流体结构域挤压到几乎灭绝的点,这意味着网格很容易被扭曲。

在获得材料模型之后,模拟工程师转向ComsolMultiphysics®软件,以了解蠕动泵行为。正如Inselst的主要工程师和模拟专家Nagi Elabbasi所说:“ Comsol在提供单片求解器或完全耦合的求解器方面是独一无二的”,用于解决强烈耦合FSI问题。控制网格机芯的内置功能也派上用场,并防止网格中的失真过多。

由Comsol多物理学创建的网状蠕动泵模型的动画。

在Comsol多物理学中创建的蠕动泵的FSI模拟的图像。
对使用Comsol多物理学产生的蠕动泵的FSI模拟。

最后,Imalst能够根据客户的规格生成准确可靠的仿真结果并优化蠕动泵设计。


评论(4)

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伊利亚斯·帕帕吉安尼斯(Ilias Papagiannis)
伊利亚斯·帕帕吉安尼斯(Ilias Papagiannis)
2019年6月17日

非常好的文章!有什么办法可以获取项目文件或类似方法?先感谢您!

范妮·格里斯默(Fanny Griesmer)
范妮·格里斯默(Fanny Griesmer)
2019年6月17日

你好伊利亚斯,

感谢您的反馈意见。

此处显示的模型是由Eleast Engineering开发的(//www.dvdachetez.com/certified-consultants/veryst)。我建议联系他们或阅读他们写有关该项目的论文://www.dvdachetez.com/paper/paper/fluid-scrupture-interaction-analysis-of-a-peristaltic-pump-1574

您还可以在应用程序库中找到类似的模型://www.dvdachetez.com/model/peristaltic-pump-985

希望这可以帮助,

金伯利·库克·钦纳
金伯利·库克·钦纳
2020年7月14日

您是否有任何COMSOL示例表明您必须创建边界条件,这些边界条件显示陶瓷材料在压缩载荷下失败?我的模型没有显示何时陶瓷圆柱体失效,即,负载不断增加,压力和应变使实际材料的最终强度和屈服强度不断增加。

江阳
江阳
2020年12月10日

做得好!谢谢!
我对移动的网络设置感到好奇。您是如何设置变形网格的?

非常感谢!

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