仿生非光滑结构对螺旋绞刀挤泥效果影响的数值模拟研究

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真空练泥机是陶瓷工业生产中的关键设备,它用于生产可塑性泥段。但是,由于螺旋挤出运动机理本身的特点,练泥机工作时会不可避免地造成泥料流速不均、分层、螺旋纹、摩擦发热以及颗粒定向排列等缺陷,这些泥料缺陷会严重影响着成形坯体的质量,进而影响陶瓷制品的质量。为了最大程度地消除真空练泥机挤出成形中的泥料缺陷,本文提出利用仿生学的方法,通过模仿土壤动物体表非光滑结构的减粘降阻机理,将练泥机的连续螺旋绞刀部分设计成非光滑表面,使其具备与土壤动物体表一样的减阻特性。通过对螺旋绞刀表面形状改进后,螺旋绞刀与泥料之间的摩擦阻力会降低,从而优化机筒内陶瓷泥料的动力传递和运动形式,达到减少泥料分层、开裂、螺旋纹等缺陷的目的。本文TL-125B型真空练泥机为研究对象,利用流变学、有限体积法和计算流体动力学等理论方法,对连续螺旋绞刀段的陶瓷泥料进行数值模拟计算。计算结果表明:仿生非光滑螺旋绞刀相对于原螺旋绞刀来说,其表面的摩擦阻力系数Cf平均下降17%,泥料的相对角速度方差S2平均下降4%,泥料的最大相对角速度梯度max(dω/dr)平均下降18%。这说明仿生优化后,非光滑螺旋绞刀具备良好的减阻性能,各层泥料之间相对滑动减小,泥料质量有所提高。最后,通过正交试验设计方法,分析了非光滑结构的形态、大小、密集度这三个因素对练泥机挤泥效果影响,挑选出两类非光滑螺旋绞刀的最优方案,为真空练泥机的仿生优化设计提供了参考。
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