防护罩流场模拟分析

1.本发明涉及模拟分析技术领域，具体为防护罩流场模拟分析。


背景技术：

2.目前1000℃热轧钢坯从流水线工艺的热辐射、流场对喷码机器人防护罩的影响颇大，热轧钢坯在此温度下对整个车间的热辐射，热轧钢坯温度的衰减速率，以及高温热轧钢坯都可能会对喷码系统造成较大影响，而实地进行数据检测繁琐成本较高；
3.本分析方法通过建立机器人圆筒型和锥筒型两种防护罩模型，准确有效的网格划分，以及详细的参数的设置，利用fluent软件再对机器人圆筒型和锥筒型两种防护罩进行流场数值分析，通过合理喷码位置及该位置的对应温度，以及作为参考的热对流空气流速这些热辐射所分析的结果，从而对所建立的圆筒型防护罩和锥筒型防护罩两种防护罩进行绕流温度分析，进而区分那种结构对热辐射的效果更好。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供防护罩流场模拟分析，具有简化系统模型、减小计算量、提高仿真实验准确性、缩短网格生成周期、保证结果精确度的优点、解决了现有技术中的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：防护罩流场模拟分析，包括几何建模、网格划分、仿真实验和结果处理；
6.所述几何建模，采用catia进行机器人防护罩圆筒型防护罩与锥筒型防护罩的几何模型建立；
7.所述网格划分采用icem-cfd对圆筒型防护罩与锥筒型防护罩两种防护罩几何模型分别进行边界的命名，包括设置参数、生成网格与网格输出，所述设置参数分三步：a.机器人的全局网格最大参数设为16，边界层网格第一层参数设为0.5，总高为1.82；b.在防护罩的入口和出口在part mesh中设置网格参数为8，从而保证进出口网格质量，防止分析过程中出现不必要的问题；c.设置面网格尺寸，选择surface mesh setup，选中机器人中尺寸较小的面，设置其尺寸为4；所述网格输出，先保存网格，选择output命令中的输出求解器选择 select solver，选择ansys fluent，点击apply；选择writer input输出网格，选择所生成的网格，点击done输出网格，格式为.msh；
8.所述仿真实验，采用cfd软件fluent进行仿真实验，fluent中的湍流模型有单方程模型、双方程模型、雷诺应力模型和转捩模型；
9.所述边界条件设置，进口边界选择速度入口边界条件，参考热辐射分析中的自然对流情况下的空气流动情况，设入口流速为0.27m/s；
10.所述结果处理，采用可视化处理与数值化处理，可视化处理包括温度及流场可视化，所述数值化，在机器人表面上建立了一系列的点，两种防护罩模型点坐标均一致。
11.优选的，所述生成网格方法与步骤与钢坯网格相同，最终网格数量为 2236048，网
格质量：最小质量0.179851,最大质量0.999284,平均质量 0.808810902092。
12.优选的，进行分网处理，利用icem cfd软件使网格质量只有均在0.1以上。
13.优选的，所述圆筒型防护罩模型建立利用创成式曲面设计，在定位好的点及面上建立直径600mm的圆，使用拉伸命令生成防护罩。
14.优选的，所述锥筒型防护罩模型的建立与圆筒型相似，控制前段进风量，与圆筒型防护罩入口直径大小相同，缩短尾部的直径，采用多截面曲面命令建立锥筒型防护罩。
15.优选的，所述fluent进行仿真实验对热轧钢坯的热辐射分析第一、由温度变化趋势可知，热辐射对于地面的温度影响较大，因此需要对喷码机器人加护防护罩，尽量隔绝钢坯对喷码机器人的热辐射；第二、当距离达到0.07米左右时，温度大幅度下降，当达到0.12米左右时，温度下降速率减缓，直至几乎不发生发生改变；第三、当距离到达0.12时，温度几乎不发生改变，温度到达277℃，此时对喷码机工作系统不产生影响，可确保喷码机正常工作。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：防护罩流场模拟分析，通过三维软件建模catia进行机器人防护罩的几何模型建立，简化系统模型，减小计算量的同时保证仿真实验的准确性网格划分，网格的划分以及网格的输出，是其后fluent进行仿真的重要基础，合适的网格尺寸能够减少网格数量，从而加快之后的分析速率；利用icem强大的非结构网格功能，能够极大地缩短网格生成周期，兼顾质量与效率；良好的网格质量能够保证结果的精度。
附图说明
17.图1为本发明防护罩流场模拟分析流程结构示意图；
18.图2为本发明防护罩流场模拟分析建模内容示意图；
19.图3为本发明防护罩流场模拟分析网格划分模块示意图；
20.图4为本发明防护罩流场模拟分析仿真实验模块示意图；
21.图5为本发明防护罩流场模拟分析结果处理模块示意图；
22.图6为本发明防护罩流场模拟分析圆筒型防护罩二维图；
23.图7为本发明防护罩流场模拟分析锥筒型防护罩二维图；
24.图8为本发明防护罩流场模拟分析点系位置示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.实施例1，
27.请参阅图1-7，防护罩流场模拟分析，包括几何建模、网格划分、仿真实验和结果处理；
28.几何建模，采用catia进行机器人防护罩圆筒型防护罩与锥筒型防护罩的几何模型建立；
29.网格划分采用icem-cfd对圆筒型防护罩与锥筒型防护罩两种防护罩几何模型分别进行边界的命名，包括设置参数、生成网格与网格输出，设置参数分三步：a.机器人的全局网格最大参数设为16，边界层网格第一层参数设为0.5，总高为1.82；b.在防护罩的入口和出口在part mesh中设置网格参数为8，从而保证进出口网格质量，防止分析过程中出现不必要的问题；c.设置面网格尺寸，选择surface mesh setup，选中机器人中尺寸较小的面，设置其尺寸为4；网格输出，先保存网格，选择output命令中的输出求解器选择select solver，选择ansys fluent，点击apply；选择writer input输出网格，选择所生成的网格，点击done输出网格，格式为.msh；
30.仿真实验，采用cfd软件fluent进行仿真实验，fluent中的湍流模型有单方程模型、双方程模型、雷诺应力模型和转捩模型；
31.边界条件设置，进口边界选择速度入口边界条件，参考热辐射分析中的自然对流情况下的空气流动情况，设入口流速为0.27m/s；
32.结果处理，采用可视化处理与数值化处理，可视化处理包括温度及流场可视化，数值化，在机器人表面上建立了一系列的点，两种防护罩模型点坐标均一致；
33.实施列2，
34.所述圆筒型防护罩模型建立利用创成式曲面设计，在定位好的点及面上建立直径600mm的圆，使用拉伸命令生成防护罩，所述锥筒型防护罩模型的建立与圆筒型相似，控制前段进风量，与圆筒型防护罩入口直径大小相同，缩短尾部的直径，采用多截面曲面命令建立锥筒型防护罩；
35.实施列3，
36.采用catia进行机器人防护罩圆筒型防护罩与锥筒型防护罩的几何模型建立网格划分，采用icem-cfd对两种防护罩几何模型分别进行边界的命名，生成网格方法与步骤与钢坯网格相同，最终网格数量为2236048，网格质量：最小质量0.179851,最大质量0.999284,平均质0.808810902092；
37.参数设置：“a.机器人的全局网格最大参数设为16，边界层网格第一层参数设为0.5，总高为1.82，b.在防护罩的入口和出口在part mesh中设置网格参数为8，从而保证进出口网格质量，防止分析过程中出现不必要的问题；b. 设置面网格尺寸，选择surface mesh setup，选中机器人中尺寸较小的面，设置其尺寸为4”；
38.网格输出：保存网格，选择output命令中的输出求解器选择select solver，选择ansys fluent，点击apply；选择writer input输出网格，选择所生成的网格，点击done输出网格，格式为.msh
39.分网处理：利用icem cfd软件使网格质量只有均在0.1以上；
40.在适当的时候减小网格尺寸，在减小网格产生错误概率的同时提高网格质量。根据上述网格生成方法，共建立的钢坯厂房网格和两种防护罩网格，网格质量均满足之后的仿真分析；
41.实施例4，
42.fluent进行仿真实验对热轧钢坯的热辐射分析第一、由温度变化趋势可知，热辐射对于地面的温度影响较大，因此需要对喷码机器人加护防护罩，尽量隔绝钢坯对喷码机器人的热辐射；第二、当距离达到0.07米左右时，温度大幅度下降，当达到0.12米左右时，温
度下降速率减缓，直至几乎不发生发生改变；第三、当距离到达0.12时，温度几乎不发生改变，温度到达277℃，此时对喷码机工作系统不产生影响，可确保喷码机正常工作；
43.实施列5，
44.数值化，与热辐射分析相同，在防护罩的流场分析中，具体的数值尤为重要，因此在机器人表面上建立了一系列的点，两种防护罩模型点坐标均一致，具体所在位置及意义如下：
45.1、2两点为喷码机上两点；
46.3、4两点为法兰盘前端上下两点，分别为其上最高、最低温度点；
47.5、6两点为法兰盘后端上下两点，分别为其上最低、最高温度点；
48.7、8两点为法兰盘轴上前后两点；
49.9、12两点为腕夹套上前后两点；
50.13点为手臂下端面点；
51.10、14两点为手臂上端前后两点：分别为上端面最高、最低温度点；
52.15点为手臂后方圆柱上一点；
53.16、17两点为末端轴上两点；
54.点系坐标及温度值由上表可知：（1）在喷码机处圆筒型防护罩比锥筒型防护罩高出20℃-25℃；
55.(2)在法兰盘前端，圆筒型防护罩比锥筒型防护罩最高温度高出41℃；最低温度高出35℃；
56.(3)在法兰盘末端，圆筒型防护罩比锥筒型防护罩最高温度高出31℃；最低温度高出48℃；
57.(4)在法兰盘轴上，圆筒型防护罩比直筒型防护罩温度低5℃-37℃；
58.(5)在机器人后手臂部分，圆筒型防护罩比锥筒型防护罩低出20℃-80℃不等。
59.工作原理：防护罩流场模拟分析，先采用采用catia进行机器人防护罩圆筒型防护罩与锥筒型防护罩的几何模型建立，通过网格划分采用icem-cfd对圆筒型防护罩与锥筒型防护罩两种防护罩几何模型分别进行边界的命名，包括设置参数、生成网格与网格输出，之后采用cfd软件fluent进行仿真实验，最后通过可视化处理与数值化处理对结果进行处理，由实施列中数据可得出，由于两种防护罩的结构差异性，导致两种防护罩在相同的入口流速下，流场的流速却截然不同，圆筒型流速低，锥筒型流速高；流速在中后段的巨大差异导致圆筒型防护罩流速很低，重力对其影响极大，导致高度方向上温差加大；由于锥筒型防护罩后部分直径尺寸变小，导致防护罩内流场速度急剧升高，在等量的进风量和热量输入情况下，将大量的热量带到出口处，同时减小上下温差，致使法兰盘处温度比圆筒型低20-50℃，在手臂处却比圆筒型高处20-80℃，通过 fluent对圆筒型和锥筒型两种防护罩进行了流场分析，通过一系列边界条件的设定，来进行简化求解。从可视化结果和数值分析来看，两种防护罩在温度的分布上存在明显的差异，对于喷码机器人来讲，若是对喷码机器人前端喷码机进行防护，则锥筒型防护罩的降温效果更好，若是对法兰盘轴以后及手臂部分进行防护，则圆筒型防护罩的降温效果更好。
60.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
61.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。