基于DPM模型磨粒流精密加工约束流道设计

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人工关节是一种植入人体代替人骨并且具有关节功能的人造器官,可以消除关节疼痛,恢复关节正常的活动功能,具有较大的市场需求。其中钛合金由于较好的生物相容性、耐腐蚀性、弹性模量和密度等特性,适合于制造人工关节,但是钛合金人工关节结构复杂、材料导热性差,传统精密加工方法难以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性。软性磨粒流精密加工方法由于良好的形状适应性和超低的加工温度,极好的满足钛合金人工关节的抛光需要。  但是软性磨粒流精密加工中存在沿程损失和局部损失,导致流场特性分布不均匀现象,为了改善软性磨粒流流场特性,使抛光效果更加均匀,本文在软性磨粒流精密加工理论和边界层分离控制理论基础上提出了磨粒流精密加工约束流道设计方法:  1.基于Mooney粘度公式和磨粒质量-体积公式并结合磨粒流约束流道结构建立粘度与约束流道曲率对应关系,并依据粘度公式对流体动力学模型、Relizable k-ε湍流模型和DPM模型进行修正;依据修正后的流体动力学模型、Relizable k-ε湍流模型和DPM模型对软性磨粒流约束流道内流动进行数学建模。  2.选择四种不同纹理结构对约束流道进行设计,进行运用Fluent仿真软件进行数值模拟仿真得出如下结论:(1)当在约束构件上表面加纹理结构时,所选的纹理结构能改善流道减阻效果,提高整个约束流道内磨粒流流动特性的均匀性,而人字形纹理和三角形纹理效果最为突出。纹理结构同时可以改变磨粒的运动轨迹,其中三角形纹理结构能增加磨粒与加工表面的有效碰撞次数。(2)纹理结构深度、密度和角度分布分别对磨粒流的流动特性的均匀性产生较大的影响。纹理结构对其所在区域的一定范围内的磨粒流流场特性产生显著的影响。(3)通过正交试验法确定了最优纹理结构参数,并以此参数进行相应的实验。  3.通过PIV观测结果可以发现纹理结构增加了颗粒运动的无序性,能够进一步增加加工效果的均匀性,进一步验证了约束流道设计理论和仿真结果的正确性。抛光实验结果表明:纹理结构流道抛光表面粗糙度较原始流道下降40%,且表面形貌更均匀,效率提高了200%,验证了纹理结构对约束流道流态调控和减阻的可行性和有效性。  此方法能够为提高流场调控的有效性提供参考。
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