使用 COMSOL 软件预测和优化产品性能

2019年 3月 11日

在当今市场中,取得成功意味着既要开发出正常运行的可靠产品,又要在合适的时间推出。与许多其他公司一样,Veryst Engineering 发现仿真是一种有效的工具,可以在原型制作或制造之前研究产品内部,确保设计符合规范。要做到这一点,必须使仿真与现实世界相匹配,同时理解材料特性也至关重要。然而,并非所有材料的特性都是可预测的。

聚合物提供了其他材料无法实现的防护

聚合物材料通常用于必须安全地承受冲击载荷或通过充当能量吸收器/载荷缓解器来保护其他装置的部件。根据 C.R. Siviour 的论文 “High Strain Rate Characterization of Polymers”,聚合物或者用于一次性用途,承受可接受的塑性变形,或者用于重复载荷,其中聚合物必须恢复到其原始尺寸和性能。

蠕动泵是利用聚合物材料在经受重复载荷作用后恢复正常性能的一个部件。这种泵通常用于高风险使用情况,其中安全性和寿命得到优先考虑,往往通过系统泵送无菌、清洁或腐蚀性流体。蠕动泵设计用于避免流体与泵部件彼此接触:流体通过一组辊子被推到聚合物管,除管之外不与任何物体接触。

可以通过材料测试和仿真进行设计的蠕动泵的照片。
管中装有透明液体的蠕动泵。外壳已拆下,以显示泵组件。

例如,在医院环境中,静脉注射液通过输液装置泵送时保持无菌至关重要,在搭桥手术中通过心肺机循环的血液不被污染也有同样的要求。蠕动泵还常用于保护消费者健康,例如饮料和肥皂分配器中的应用。在其他一些情况下,流体比其他方式更有可能损坏泵。例如,除非安全地装在聚合物管内,否则腐蚀性化学品或矿泥会迅速腐蚀任何金属部件。

众所周知,聚合物材料适用于蠕动泵管,但这并不能保证任何给定的设计都会成功。依照经验,最好在进行开发和生产之前测试和预测最终产品或系统将如何运行。用例风险越高,在设计阶段进行的测试越重要。

 

我们在 Veryst 办公室花了一天时间了解他们如何将材料测试和仿真相结合——并制作了一段视频,这样你也可以直接听到他们的声音。

非线性有好处也有坏处

在设计蠕动泵时,我们需要考虑以下几个方面:

  • 辊子与管之间的相互作用
  • 变形量及其对管材料的影响

正如咨询公司 Veryst Engineering 的工程师们所知,当管被压缩以推动流体通过系统时,会发生很大程度的变形,并且由于泵送不断发生,最终可能会导致材料疲劳。为了帮助客户在设计阶段避免这个问题,Veryst 很自然地开始使用仿真。

他们喜欢仿真的一个原因是,通过仿真可以深入了解产品性能随时间变化的情况,这样他们就可以检查设计是否符合规范。在蠕动泵案例中,Veryst 尝试观察管中的应力,以确保它能够经受一百万次循环,以及流动中的剪切应力——有些流体可以承受高剪切应力(例如,水),有些流体则不能(例如,血液)。他们还致力于提出减少流量波动的方法。

蠕动泵的几何结构图像。
蠕动泵的几何结构。

在任何仿真中,获得正确的几何结构、边界条件和网格都相当重要,熟练的仿真工程师就可以做到。但是,要获得准确可靠的结果,还需要了解相关材料的特性。这是 Veryst 打出另一张王牌的地方:他们在现场有一个材料测试实验室。一帆风顺,对吧?没那么快。

聚合物非常有用,原因是它们的非线性材料特性使得它们在经历重复载荷作用后恢复正常,但由于这个原因,它们也难以测试。根据 C.R. Siviour 的论文,“以高速率进行聚合物特性的测量可能具有挑战性,而使它们有用的特性有助于应对这一挑战。”论文中还指出,测试需要足够高的采集速度来表现试样对高速变形的结构响应;高速摄影和 X 射线衍射是相应的方法,而热成像很困难。有人可能会说非线性有好处也有坏处。

现在是仿真工程师和测试工程师联手的时候了。

跌落和拉力测试得出材料模型

在 Veryst,测试工程师执行拉力和跌落测试,以深入了解聚合物管的材料特性,并最终为仿真工程师提供用于仿真的材料模型。Veryst 的高级工程师 Sean Teller 专门研究材料特性,他带领我们完成测试。

拉力测试

拉力测试是一种循环测试,用于材料(在本例中为蠕动泵管)的慢速拉伸测试,最终表明材料在低应变和应力以及高应变和应力下的表现。

为了准备用于拉伸测试的材料,Veryst 取出管,从中间切开,冲压出狗骨形样条,并添加黑白斑点图案,这有利于用于测量应变的数字图像相关(DIC)系统。

Teller 解释了拉力测试:

 

跌落测试

跌落测试用于聚合物材料的高速拉伸和压缩测试。聚合物材料具有应变率相关的材料响应,因此需要高速测试来充分描述这些材料的特征。理论上很简单,但实际上很复杂,很难分析。

Veryst 的装置包括一个高速摄像系统,可以提供详尽的数据,用于研究材料的高速响应,以便在模型中校准和模拟这些材料。Teller 解释了跌落测试:

 

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 创建了可用于仿真的材料模型。通过将仿真专业知识与精确的材料模型相结合,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。

此时,值得留心的是蠕动泵的特性很复杂。流体可以真正 影响固体,反之亦然——这是一个强耦合的流-固耦合(FSI)问题。你不能忽视流体或固体,必须两者兼顾。此外,流体域被挤压到几乎消失的程度,这意味着网格很容易变形​​。

拿到材料模型后,仿真工程师开始使用 COMSOL Multiphysics® 软件,从内部观察蠕动泵特性。正如 Veryst 的首席工程师和仿真专家 Nagi Elabbasi 所说,“COMSOL 在提供整体式求解器或全耦合求解器”来解决强耦合 FSI 问题方面是独一无二的。用于控制网格运动的内置功能也很方便,可以防止网格过度扭曲。

 

用 COMSOL Multiphysics 创建的网状蠕动泵模型的动画。

在 COMSOL Multiphysics 中创建的蠕动泵的 FSI 仿真图像。
用 COMSOL Multiphysics 创建的蠕动泵的 FSI 仿真。

最终,Veryst 能够生成准确可靠的仿真结果,并根据客户的规格优化蠕动泵设计。


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