喷涂无人机流道压应力仿真分析

喷涂无人机流道压应力仿真分析

张鑫浩 ,邢明明,史雅琪,秦群

山东省临沂市兰山区临沂大学 276002

摘要：鉴于喷涂无人机流道受压应力大，磨损严重，失效率高的特点，本文进行了对喷涂无人机流道的压应力仿真模拟分析。首先，基于有限元分析方法模拟流道受压应力情况，得出流道的压应力云图，通过对材料以及材料尺寸进行不同的仿真模拟测试，分析了不同参数下的应力变化规律，探索极限载荷下的管道的最优参数。本文仿真结果对于提高管道和箱体的疲劳寿命具有重要的理论意义，对于提高喷涂无人机流道稳定性和安全性具有重要的实际意义。

关键词：喷涂无人机； 有限元分析；；极限载荷；流道压力

1.引文

目前喷涂无机流道存在震动幅度大，容易引起箱体因承受载荷变化过大而导致的寿命大幅降低的情况。赵增强，李 慧，高云萌曾设计过一种运动控制系统的新型喷涂设备对此喷涂设备进行应力应变分析，重点介绍了机械系统构成和用西门子SIMOTION D运动控制系统实现整个系统的协调，推动制造业向更好的方向发展使得喷涂设备在未来的使用和发展中会变得更加稳定[1]；黄春杰，殷硕，李文亚，郭学平在研究中说道，与传统的热喷涂相比，冷喷涂具有沉积温度低、沉积效率高、孔隙率低，以及粉末在沉积过程中 不易发生氧化、分解、相变和纳米结构材料的晶粒长大等问题，这使得氧化敏感、温度敏感和相变敏感等 材料的高质量涂层制备成为可能，同时冷喷涂技术会降低喷涂管道在喷涂过程中产生的热量减少对材料的伤害[2]；使用良好的流道材料可以有效降低结构系统中的振动易损性，良好的流道材料可以有效提高喷涂流道的隔振效率，大幅度减小喷涂流道的剪切应变，降低结构系统的易损性[3]；周斌,王星,陈兰奎,王文进介绍了一种管道膜拉压应力测试装置,属于联轴器检测技术领域。管道膜片联轴器拉压应力测试装置包括管道膜片联轴器、用于检测管道膜片联轴器应力的应力检测模块、用于检测管道膜片联轴器的转速的转速检测模块，包括发射机构、设置在管道膜片联轴器上的反光片,发射机构包括用于向反光片发射激光的光电转速传感器、连接在光电转速传感器一侧的用于调整光电转速传感器激光发射方向的万向调整机构，这种管道膜片的拉压测试方法具有较强的借鉴意义，精准而贴合实际[4]。结合管道材料拉压测试优化设计的管线喷涂流道口布局优化模型和规范设计法，使其强度、刚度、稳定性均有大幅度提升，证明了此想法更稳定可靠[5]；赵锡龙,何峰,王堃,陆欣红,任康明提出了一种管道残余应力测试用的辅助机械臂装置,包括底板,底板上部设置有基座；所述基座上设置有轴承和旋转轴；所述旋转轴上设置有承载台；所述承载台上部设置有卡托；所述卡托上设置有机壳；所述机壳内部设置有螺杆；所述螺杆上设置有垫片,所述螺杆上设置有螺帽,所述螺杆端部设置有旋紧螺钉,所述螺杆上连接有一级臂；所述一级臂上连接有二级臂。本实用新型机械臂操作简便,能够夹持应力测试过程中所需要的不同设备,解决了以往应力测试过程中频繁更换设备的工序,大大降低了繁琐性,有效提高工作效率,保证了测试工作的正常进行。[6]赖少川,何勇君,熊道英等人提出了一种变形管道应力测试确定方法,该方法包括以下步骤,确定被测变形管道的变形参数；确定并记录测试点的数量及位置；将打好圆孔的绝缘胶纸粘贴在测点表面,并使所述测试点位于所述圆孔中心,对所述测试点进行电解抛光；利用X射线应力测试仪对每个所述的测试点进行轴向和环向两个方向的应力测试；根据所得的轴向应力和环向应力,计算所述测试点的Mises等效应力。此方法可以有效解决仿真模拟方法的应力数据误差较大的问题,也可以解决在应变的间接测试方法的不能反映真实绝对应力的问题[7]；康逊也曾经做过天然气管道运输的研究同样是通过有限元分析软件ANSYS的模拟计算,管道各个关键点的Von-Mises应力值与实际测量值的相对误差在3%以内,证明该模型分析可信且有效。在该模型的基础上,探讨了管径、壁厚、埋深、埋土弹性模量、埋土泊松比对管道应力状态的影响。增大壁厚和回填土弹性模量以及减小埋深和管径均可降低非均匀沉降时管道的最大VonMises应力。这篇文章的研究结果为目前大量在建及在役天然气埋地管道的安全运行提供了理论支持,并提出了针对性的预防措施[8]。曹俊.公开了一种室外用抗老化管道材料,包括基材层,基材层上下表面涂覆有抗老化膜层,抗老化膜层表上下表面涂覆有紫外线吸收层；其中,基材层包括聚乙烯树脂100重量份；抗老化膜层包括如下重量份的组份：35～40重量份去离子水；5～20重量份水性丙烯酸树脂；12～15重量份金红石型纳米二氧化钛；10～15重量份乙烯基三氯硅烷；1～2重量份流平剂；1～2重量份分散剂；12～15重量份水性聚氨酯；紫外线吸收层包括1～3重量份的紫外线吸收剂。发明还公布了该管道材料的制备方法,通过本方法制备的室外用抗老化管道材料,能够有效提升管道的抗光老化能力,提升室外用管道的抗老化能力提高材料的使用性能，与拉压应力测试相结合便可创造出在有限材料的情况下提高材料的使用寿命和疲劳强度。

[9]所以，喷涂流道的拉压应力应变的仿真分析在机器作业中发挥着重要作用。因此，必须对喷涂无人机流道进行优化仿真测试，探索极限载荷下喷涂无人机喷涂管道和箱体的最优参数，不仅对提高喷涂无人机流道的疲劳寿命，降低喷涂无人机流道的损耗率具有重要的理论意义，而且对于提高喷涂无人机振动稳定性和安全性具有重要的实际意义。

2. 力学模型

鉴于喷涂无人机工作实际要求，喷涂无人机流道需要较大的强度和刚度，保证恶劣环境载荷下安全可靠，本文设模型如下图1 所示，其基本参数见表1.

图1 力学模型    

表1 力学模型基本参数

（表格需要自己插入，编写）                  

3. 应力应变分析

基于有限元法分析方法，进行流道压力仿真分析。其基本流程图如图2所示。

图2 有限元分析流程图

分析过程如下：首先将模型进行国际单位制标准化处理，然后进行网格划分，划分依据以平均值k为判断标准，若偏差较大，则进行布局和整体网格细分处理。对其边界条件进行设定，选择筒体两端边线，创建固定约束，选择筒体表面，施加力载荷Pressure=1MPa

Fixed Support，设置所需结果Deformation中的Total和Stress中的Equivalent（von-Mises）。在Mechanical标准工具栏中单击Solve进行求解运算，运算结束后单击Total Deformation生成支撑变形分布云图；单击Equivalent Stress生成支撑应力分布云图。在导航树选项卡中提取载荷参数、结果变形参数和结果应力参数，提取完成之后退出Mechanical分析环境，返回Workbench主界面。创建屈曲分析导出Eigenvalue Buckling 自动导入结构静力分析为预应力返回Mechenica分析窗口设置Deformation的Total结果，单机Solve进行求解运算得出临界线性屈曲载荷。

图3  Total 结果分布云图

图4 Equivelent stress结果分布云图

图5屈曲分析Total结果云图

表1基本工作环境参数

创建几何非线性屈曲分析，一般来说非线性屈曲分析更接近工程实际，此项目采取给几何施加初始缺陷，改变几何结构的初始形状方法。

首先设置初始缺陷更新几何模型命名为X并保存。返回Workbench主界面导出Mechenical APDL 将之前命名保存的X文件导入Mechenical APDL中继续导出Finite Element Modeler并且由此导出Static Structural重新连接单元转换项目单元格的Model与结构静力分析的项目单元格的Model。之后在Workbench主界面将各个单元以正确的方式相连如图5所示接着进行数据更新与传递。

图5

进行分析参数设置，压强设置为1.44MPa。单击Analysis Settings 设置Step Eed Time=1440s其他参数也以想要的方式设置完成设置Total结果单击Solve进行求解运算查看屈曲变化结果

图6 屈曲分析Total结果云图

表2变形随载荷历程的变化曲线及数据

插入稳定能查看稳定能变化结果，如表3所示，当载荷超过1.2384MPa时，稳定能骤然

上升到结构失效前达到峰值52.994mJ

表3非线性屈曲分析稳定能

创建后屈曲分析，以便更加真实全面的分析结果，调整施加压强及其其他力和时间的参数插入图表重新进行一次屈曲分析、得出应力分析结果如图7和表4

图7后屈曲变形云图

                   表4后屈曲变形随载荷历程的变化曲线及数据

给出一个小结论：根据优化结果可知：不同参数下，什么压力最大值，最小值多少，可以看出，什么参数组合下，受应力应变最合适，然后才能说明咱们优化的目的，找到了最优的一组参数。

4.结论

因为应力与应力会集在现代丁业生产里造成了越来越多的问题。应力会集是管道、压力容器、涡轮盘、压缩机叶片和飞机构件等重要承载结构件发作失效的重要要原因之一。对结构件进行压应力计算、状态评价以期尽早发现应力会集区域，快速有效的剖析行测定结构件重要部分的应力与应变散布。实现对结构件的强度剖析，一起评价结构件的运用情况和寿数实现早期确诊与监测，这是应力领城现在亟需处理的问题，也是近年来力学研讨的主要方向。因而应力检测测验及状态评价是国内外研讨的热门.应力发生与应力会集最终导致资料和结构的损坏和失效。所以要减少和消除应力变形首先要研讨资料的应力散布及应力状态下资料的物理特性，能够预防项目应用中可能出现的损坏或失效。应力也不是只要缺陷，有时会发生一些有利的物性改动，对这样的加以合理的使用能增强资料的机械性能，因而言分析资料的压应力散布及压应力状态下的物理性质具有理论研讨与实际应用价值，压应力计算和检测方法是实现这价值的必要手法，对于中国工程工业发展具有重要理论与实际意义。

5.引用

[1]赵增强,李慧,高云萌.基于SIMOTION D运动控制系统的新型喷涂设备[J].制造业自动化,2021,43(07):109-113.

[2]黄春杰,殷硕,李文亚,郭学平.冷喷涂技术及其系统的研究现状与展望[J].表面技术,2021,50(07):1-23.DOI:10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.07.001.

[3]焦禹萱,谢伟,张奕乾,任凡. 一种管道材料熔接装置[P]. 新疆维吾尔自治区：CN217197041U,2022-08-16.

[4]周斌,王星,陈兰奎,王文进. 一种膜片联轴器拉压应力测试装置[P]. 江西省：CN209446611U,2019-09-27.

[5]赵锡龙,何峰,王堃,陆欣红,任康明,姜悦凯,曾洋,郑鑫源,王军航,张轩瑜. 一种用于管道焊缝盲孔法残余应力测试基座[P]. 甘肃省：CN217237051U,2022-08-19.

[6]赵锡龙,任康明,王堃,何峰,陆欣红,姜悦凯,曾洋,郑鑫源,王军航,张轩瑜. 一种管道残余应力测试用辅助机械臂装置[P]. 甘肃省：CN216746525U,2022-06-14.

[7]赖少川,何勇君,熊道英,蔡景明,张平,曹水亮. 变形管道应力测试确定方法[P]. 北京市：CN111238699A,2020-06-05.

[8]康逊. 天然气管道在非均匀沉降状态下的应力测试与分析[D].华南理工大学,2017.

[9]卜文平,帅健,王晓明,张劲军.打孔管道焊接修复结构的残余应力测试[J].中国石油大学学报(自然科学版),2006(03):81-84.

[10]曹俊. 一种室外用抗老化管道材料及其制备方法[P]. 江苏省：CN114479150A,2022-05-13.修,2010(11):33-34.