Veryst结合了材料测试和模拟的可靠结果

2019年3月11日,

在今天的市场上,成功取决于开发可靠的产品,并在正确的时间发布它们。乐动体育app无法登录与许多其他公司一样,Veryst Engineering发现,模拟是一种有效的工具,可以查看产品内部,并在原型或制造之前确保设计符合规格。为了实现这一目标,模拟必须与真实世界的反应相匹配,而理解材料的行为则扮演着核心角色。然而,并非所有材料的表现都是可预测的。

聚合物提供其他材料无法提供的保护

聚合物材料通常用于必须安全地承受冲击载荷的部件,或通过充当能量吸收器/负载缓冲器来保护其他设备。据报纸报道聚合物的高应变率表征在C.R. Siviour的研究中,聚合物要么用于一次性事件,即塑性变形是可以接受的,要么用于重复加载,即聚合物必须恢复到原来的尺寸和性能。

蠕动泵是一种利用聚合物材料在重复加载后能够恢复正常的部件。这种泵通常出现在高风险的使用案例中,在这些案例中,安全性和寿命是优先考虑的,涉及将无菌、清洁或腐蚀性流体泵入系统。蠕动泵的设计是为了避免流体和泵部件相互接触:流体通过一组滚轮被推过聚合物管,除了管之外永远不会接触任何东西。

一张蠕动泵的照片,可以通过材料测试和模拟来设计。
一种蠕动泵,管内含有透明液体。外壳已被拆除,以显示泵的部件。

例如,在医院环境中,至关重要的是,当静脉输液被泵入输液器时,必须保持无菌,在搭桥手术中,通过心肺机循环的血液不会被污染。蠕动泵也有助于保护消费者的健康,因为它们经常用于饮料和肥皂分配器。在某些其他情况下,流体更有可能损害泵,而不是反过来。例如,腐蚀性化学品或矿浆会迅速腐蚀任何金属部件,除非将其安全地装在聚合物管中。

众所周知,聚合物材料适用于蠕动泵管,但这并不保证任何给定的设计都会成功。和往常一样,在进入开发和生产之前测试和预测最终产品或系统的运行情况是一个好主意。用例的风险越高,在设计阶段进行的测试就越重要。

我们在Veryst办公室花了一天的时间学习他们如何将材料测试和模拟结合起来,并制作了一段视频,这样你也可以直接听到他们的声音。

非线性是福也是祸

在设计蠕动泵时,需要考虑以下几个方面:

  • 辊子与管之间的相互作用
  • 变形量以及变形量对管材的影响

作为咨询公司的工程师Veryst工程要知道,当管道被压缩以推动流体通过系统时,会有很大的变形,而且由于泵送反复发生,最终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这个问题,Veryst很自然地转向了模拟。

他们喜欢模拟的一个原因是,它提供了对产品随时间变化的性能的洞察,这样他们就可以检查设计是否符合规格。以蠕动泵为例,Veryst开始观察管内的应力,以确保它能经受100万次循环,以及流动中的剪切应力——一些流体可以承受高剪切应力(如水),而另一些则不能(如血液)。他们还旨在找到减少流量波动的方法。

蠕动泵的几何图形。
蠕动泵的几何形状。

在任何模拟中,获得正确的几何、边界条件和网格是很重要的。一个熟练的模拟工程师可以做到所有这些。然而,要得到准确可靠的结果,还需要了解所涉及材料的性能。在这里,Veryst拿出了另一张王牌:他们在现场有一个材料测试实验室。一帆风顺的,对吧?没有那么快。

聚合物是有用的,因为它们的非线性材料特性允许它们在重复加载后恢复正常,但由于这个原因,它们也很难测试。按照C.R. Siviour的论文,“在高速率下测量聚合物的行为可能是一项挑战,而使它们有用的特性也有助于实现这一挑战。”本文还指出,测试需要足够高的采集速度来表征试件对高速率变形的结构响应;高速摄影和x射线衍射是相关的方法,而热成像比较困难。有人可能会说,非线性既是福也是祸。

现在是模拟工程师和测试工程师联合起来的时候了。

下降和拉测试导致材料模型

在Veryst,测试工程师进行拉和落测试,以了解聚合物管的材料行为,并最终为模拟工程师提供材料模型,用于模拟。专门研究材料行为的Veryst高级工程师肖恩·特勒(Sean Teller)为我们介绍了这些测试。

拉力测试

拉力试验是一种循环试验,用于材料(在这种情况下是蠕动泵管)的低速拉力试验。它最终显示了材料在低应变和高应力下的表现。

为了准备拉伸测试的材料,Veryst把管子取出来,从中间切开,打出一个狗骨头标本,并添加一个黑白散斑图案,以便用于测量应变的数字图像相关(DIC)系统使用。

以下是泰勒对拉力测试的解释:

下测试

跌落试验用于高分子材料的高速率拉伸和压缩试验。聚合物材料具有应变率相关的材料响应,因此需要进行高速率测试来充分表征这些材料。这在理论上是简单的,但在实践中是复杂的,而且很难分析。

Veryst的设置包括一个高速摄像系统,为研究材料的高速率响应提供深刻的数据,以便校准和模拟这些材料在他们的模型。以下是泰勒对跌落测试的解释:

准备,设置,模拟

测试给出了材料的应力-应变响应,根据数据,Veryst创建了可用于模拟的材料模型。通过将模拟专业知识与精确的材料模型相结合,Veryst能够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的行为是复杂的。液体可以真的这是一个强耦合流固相互作用(FSI)问题。你不能忽视流体或固体;你必须把这两种情况都考虑进去。此外,流体域被挤压到几乎消失的点,这意味着网格很容易被扭曲。

在获得材料模型后,仿真工程师转向COMSOL Multiphysics®软件,以深入了解蠕动泵的行为。正如Veryst的首席工程师和模拟专家Nagi Elabbasi所说,“COMSOL在提供单片求解器或完全耦合求解器方面是独一无二的”,可以解决强耦合的FSI问题。控制网格运动的内置功能也很方便,可以防止网格中的太多失真。

用COMSOL Multiphysics创建的网格蠕动泵模型的动画。

在COMSOL Multiphysics中创建的蠕动泵的FSI模拟图像。
用COMSOL Multiphysics软件对蠕动泵进行了流固耦合仿真。

最后,Veryst能够生成准确可靠的模拟结果,并根据客户的规格优化蠕动泵设计。


评论(4)

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伊利亚斯Papagiannis称
2019年6月17日

很好的文章!有什么办法能让我拿到项目文件或类似的东西吗?提前谢谢你!

范妮Griesmer
2019年6月17日

你好,伊利亚斯,

谢谢你的反馈。

这里展示的模型是由Veryst Engineering (//www.dvdachetez.com/certified-consultants/veryst).我建议联系他们或者阅读他们写的关于这个项目的论文://www.dvdachetez.com/paper/fluid-structure-interaction-analysis-of-a-peristaltic-pump-11574

你也可以在Application Gallery中找到一个类似的模型://www.dvdachetez.com/model/peristaltic-pump-985

希望这有助于
范妮

金伯利Cook-Chennault
2020年7月14日

你有任何comsol的例子表明你必须创造边界条件,当陶瓷材料在压缩载荷下失效?我的模型没有显示陶瓷圆柱体何时失效,即载荷持续增加,应力和应变持续增加,超过实际材料的极限和屈服强度。

李建东杨
2020年12月10日,

不错的工作!谢谢你!
我对移动的网格设置很好奇。你如何设置变形的网格?

非常感谢!

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