基于流固耦合的液壓閥塊數(shù)值模擬分析*

李　卉，木合塔爾·克力木,孫海霞，王建潭

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,烏魯木齊　830047)

0　引言

液壓系統(tǒng)日益明顯地朝著集成化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，液壓閥塊是集成液壓系統(tǒng)的核心元件[1]。液壓閥塊內(nèi)部流道位置、連通方式不合理，雖能滿足系統(tǒng)需要，但系統(tǒng)效率低、漏油、振動(dòng)甚至影響內(nèi)部其他油路。

液壓閥塊作為液壓系統(tǒng)的中樞元件，而且內(nèi)部孔道繁多，以及錯(cuò)綜復(fù)雜的連通，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)難題，因此一貫是研究的熱點(diǎn)項(xiàng)目。高殿榮等[2]運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)閥塊內(nèi)部流道進(jìn)行仿真分析，為閥塊內(nèi)部流道設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案。杜經(jīng)民等對(duì)液壓集成塊的流道進(jìn)行建模和仿真，運(yùn)用CFD方法分析了壓力損失的主要原因，研究流道結(jié)構(gòu)對(duì)液流能量損失的影響，發(fā)現(xiàn)在刀尖角處形成的漩渦是液流能量損失的主要原因[3]。謝國(guó)慶等對(duì)液壓集成塊內(nèi)“Z”形流道進(jìn)行建模，運(yùn)用CFD方法分析了不同長(zhǎng)度和直徑的工藝孔以及不同長(zhǎng)度的刀尖角容腔對(duì)液流流場(chǎng)的影響。從數(shù)據(jù)分析和對(duì)比結(jié)果可以看出，適當(dāng)加大工藝孔的直徑并設(shè)計(jì)無(wú)刀尖角容腔的流道，可以減少液流產(chǎn)生漩渦的數(shù)量和減弱漩渦的強(qiáng)度，從而提高能量利用率[4]。胡建軍等為清晰直觀地觀察液壓集成塊內(nèi)部復(fù)雜流道流場(chǎng)，運(yùn)用2D-PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)搭建了不同刀尖角的流道結(jié)構(gòu)的低速可視化測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)，發(fā)現(xiàn)出口位置與刀尖角容腔正對(duì)的流道結(jié)構(gòu)液流損失較小[5]。

以往學(xué)者主要研究液壓閥內(nèi)流場(chǎng)分析，本文分析自卸車[6]舉升系統(tǒng)的液壓閥塊，采用流固耦合計(jì)算，將流體壓力數(shù)據(jù)導(dǎo)入液壓閥塊閥體中，進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和位移的計(jì)算。分析了閥塊的應(yīng)力和變形，通過(guò)改變流道相交方式，優(yōu)化流道，提高液壓閥塊的可靠性。

1　建立模型

1.1　物理模型的建立

運(yùn)用SolidWorks軟件繪制液壓閥塊實(shí)體模型[7]。首先根據(jù)自卸車舉升的工作原理設(shè)計(jì)自卸車舉升回路原理圖如圖1所示。圖中的集成液壓閥塊由兩個(gè)液控單向閥，一個(gè)三位四通手動(dòng)換向閥和一個(gè)分流集流閥組成。依據(jù)負(fù)載壓力等參數(shù)選擇元件類型，然后根據(jù)液壓閥件廠商提供的閥件尺寸和油口位置設(shè)計(jì)閥件在液壓閥塊的相對(duì)位置，最后合理地設(shè)計(jì)液壓閥塊的尺寸和各工藝孔位置及長(zhǎng)度。

閥塊內(nèi)流道的長(zhǎng)度根據(jù)各閥件流道的連通關(guān)系確定；由公式(1)確定流道的直徑d(單位：mm)：

(1)

式中，qv——液體流量(m3/s)；

V——流速，一般按以下原則選取：壓油管路流速為5～10m/s；吸油管路流速為1～2m/s。

圖1　自卸車舉升回路原理圖

依照閥塊設(shè)計(jì)原則，選擇45號(hào)鋼作為閥塊材料，在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)出閥塊模型，液壓閥塊裝配圖模型如圖2a，液壓閥塊總流道模型如圖2b。

選用液壓系統(tǒng)最大壓力的工作狀態(tài)進(jìn)行研究，當(dāng)三位四通換向閥處于左位機(jī)能時(shí)，自卸車舉升系統(tǒng)處于最大負(fù)載狀態(tài)，分析此狀態(tài)的液壓閥塊。最大壓力狀態(tài)時(shí)流道模型如圖2c，是由液壓閥塊內(nèi)部3段流道與一個(gè)三位四通手動(dòng)換向閥流道、一個(gè)液控單向閥流道組成的液壓回路。采用圓弧流道(如圖2c中的1和2處)代替液壓閥件(液控單向閥、三位四通換向閥)的流道[8],使液壓閥塊內(nèi)部的流道連通,整體地分析了閥體、液流以及固液兩項(xiàng)的相互作用的特性。并用帶圓弧轉(zhuǎn)彎孔的長(zhǎng)方體(如圖2d的1和2處)代替液壓閥件(液控單向閥、三位四通換向閥)，使模型有利于流固耦合面的完整分析。液壓閥塊模型如圖2d。

(a)裝配體　　　　　　　(b)總流道

(c)流道　　　　　　　　 (d)液壓閥塊圖2　液壓閥塊及流道的物理模型

1.2　數(shù)學(xué)模型的建立

(1)液壓閥塊內(nèi)液流為液壓油，液壓油的流動(dòng)過(guò)程遵循物質(zhì)守恒定律，而且液壓油是不可壓縮粘性流體(密度ρ為常數(shù))。所以液壓閥塊內(nèi)部流道流場(chǎng)數(shù)值模擬方程由質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程組成。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)液流流動(dòng)過(guò)程無(wú)熱量交換，不考慮能量守恒方程[9]。

1)質(zhì)量守恒方程:

(1)

式中，u，v和w為速度矢量在x，y和z方向的分量。

2)動(dòng)量( Navier-Stokes) 方程:

(2)

式中，ρ為流體密度;ui，uj為平均速度，i、j=1,2,3;σij為應(yīng)力；fi為方向i的作用力。

(2)液壓閥塊流道結(jié)構(gòu)密集復(fù)雜，液流流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜,把液流的流動(dòng)狀態(tài)視為湍流流動(dòng)，因此采用最基本的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[10]。 標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程:

(3)

式中，μt為湍動(dòng)黏度;Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，這里取Cμ=0.09;k為湍動(dòng)能;ε為湍動(dòng)耗散率。

(3)由于液壓閥塊內(nèi)部是流場(chǎng)與固體變形場(chǎng)之間的相互作用，流固交界面處應(yīng)滿足流體與固體的各變量相等。流固耦合交界面處參數(shù)方程：

n·τf=n·τs
rf=rs
vf=vs

(4)

式中，τf，τs分別為流體和閥塊的應(yīng)力；rf，rf分別為流體和閥塊的位移；vf，vf分別為流體和閥塊的速度。

液壓閥塊的流固耦合分析，運(yùn)用了FLUENT軟件和Workbench軟件。對(duì)于流道中的液流，在FLUENT軟件中根據(jù)方程式(1)～式(3)進(jìn)行模擬分析，將計(jì)算結(jié)果施加到流道內(nèi)壁，在Workbench軟件中根據(jù)方程式(4)進(jìn)行分析計(jì)算。

2　網(wǎng)格劃分與仿真設(shè)置

2.1　網(wǎng)格劃分

液壓閥塊和液道采用ANSYS Workbench自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能[11]，將參數(shù)相關(guān)性中心(Relevance Center)設(shè)置為細(xì)化(Fine)，平滑度(Smoothing)設(shè)置為高(High)，跨度中心角(Span Angle Center)設(shè)置為細(xì)化(Fine)。流道網(wǎng)格單元總數(shù)為280874，液壓閥塊網(wǎng)格單元數(shù)為220652。流道和閥體的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

(a)流道　　　　　　　　　(b) 閥體圖3　網(wǎng)格劃分

2.2　仿真設(shè)置

(1)流場(chǎng)分析設(shè)置

假設(shè)液壓閥塊內(nèi)部流道中液流為不可壓縮的黏性液體,密度ρ= 900kg/m3,黏度μ= 0.042Pa·s，設(shè)置模型的邊界條件為速度入口，給定速度為2m/s，假定液流在入口斷面的速度分布規(guī)律沿流動(dòng)方向不變；設(shè)置出口邊界條件為壓力出口，給定壓力為16MPa，假定開放出口邊界。流道壁面上施加無(wú)滑移邊界條件(即所有速度分量都為零)。

(2)結(jié)構(gòu)分析設(shè)置

采用流固耦合數(shù)值模擬方法，根據(jù)相關(guān)資料[12]，選擇45#鋼為液壓閥塊材料，材料特性包括密度為7850 kg/m3，彈性模量為 210GPa，泊松比為0.3。設(shè)置閥體與流道相接觸表面為流固耦合作用面。

3　計(jì)算結(jié)果及分析

3.1　數(shù)值模擬

(1)通過(guò)FLUENT流場(chǎng)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)CFD-POST軟件后處理，轉(zhuǎn)化成流道的速度矢量圖，流固耦合面的壓力云圖(如圖4所示)。

(a)速度矢量圖　　　　　　(b)流固耦合面的壓力云圖圖4　流道的數(shù)值模擬結(jié)果

從圖4a所示的流道的速度矢量圖可以看出，在直流道區(qū)域，速度變化不明顯，表明結(jié)構(gòu)不變化的流道中液流流動(dòng)基本穩(wěn)定。當(dāng)流道結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，流速變化明顯，液流在直角轉(zhuǎn)向后速度變化明顯。在圓弧轉(zhuǎn)彎流道2處的速度最大，達(dá)到14.45m/s，此處是替代三位四通換向閥流道的圓弧流道，只是為了使液壓閥塊內(nèi)部流道連通，換向閥流道是經(jīng)過(guò)廠家校核的，滿足系統(tǒng)需要。從圖4b所示的流固耦合面的壓力云圖可以看出，直流道的壓力基本恒定，說(shuō)明液流的沿程壓力損失較小。液流在流經(jīng)每個(gè)直角轉(zhuǎn)向后都會(huì)產(chǎn)生壓力損失，液流從流道A流向流道B時(shí)的壓差最大，大約為0.05MPa。而在直流道中壓力分布基本沒(méi)有變化，因此，直角轉(zhuǎn)向的流道結(jié)構(gòu)是閥塊內(nèi)部液流產(chǎn)生能量損失的主要來(lái)源。

(2)采用ANSYS Workbench 軟件，建立流體場(chǎng)與固體場(chǎng)的耦合，將流體壓力施加到液壓閥塊流道表面，獲得液壓閥塊閥體的應(yīng)力分布和總變形情況，如圖5所示。

(a)應(yīng)力圖　　　　　　　　　　(b)總變形圖圖5　閥體數(shù)值模擬結(jié)果

從圖5a所示的閥體應(yīng)力圖可以看出，閥體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在流道A直角轉(zhuǎn)向后，達(dá)到59.615MPa。此處液流對(duì)閥體的沖擊大，易發(fā)生液壓閥塊的孔系損傷，從而導(dǎo)致漏油，產(chǎn)生噪音。從圖5b所示的閥體總變形圖可以看出，A流道的變形嚴(yán)重，造成孔道干涉，經(jīng)兩鄰面孔道校核，孔道之間不能滿足安全壁厚的要求。系統(tǒng)壓力增大，會(huì)造成兩干涉流道連通，系統(tǒng)不能正常工作。

3.2　優(yōu)化流道

(1)改變流道A的深度，使流道B的中心線與流道A的下圓柱面相交。對(duì)液壓閥塊的流道和閥體模擬分析。通過(guò)FLUENT流場(chǎng)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)CFD-POST軟件后處理，轉(zhuǎn)化成流道的速度矢量圖，流固耦合面的壓力云圖(如圖6所示)。

(a)速度矢量圖　　　　　 (b)流固耦合面的壓力云圖圖6　流道的數(shù)值模擬結(jié)果

從圖6a所示的流道的速度矢量圖可以看出，液流最大速度為14.79m/s，與圖4a相比變化不大，最大速度位置沒(méi)有改變。從圖4b看出，流道A壓力最大為16.26MPa，通過(guò)圖6與圖4相比較，改變流道A與流道B相交程度，液壓閥塊內(nèi)液流的流動(dòng)特性變化較小。

(2)采用流固耦合方法，獲得新閥體的應(yīng)力分布圖和總位移圖，如圖7所示。

(a)應(yīng)力圖　　　　　　　　　　(b)總變形圖圖7　閥體數(shù)值模擬結(jié)果

由圖7所示，改變流道A與流道B相交程度，流道A直角轉(zhuǎn)向處壓力為37.873MPa，與優(yōu)化前閥體同位置處的應(yīng)力值59.615MPa相比較變化明顯。通過(guò)圖7b總變形圖看出，流道A的變形小，經(jīng)兩鄰面孔道校核結(jié)果可知兩孔道滿足安全壁厚的要求。

優(yōu)化流道與未優(yōu)化流道的對(duì)比得出結(jié)論，改變兩流道的相交程度可以減弱閥體的應(yīng)力集中現(xiàn)象。改變流道相交方式，使流道與流道間滿足安全壁厚的要求，液壓閥塊性能提高。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)自卸車液壓閥塊進(jìn)行流固耦合計(jì)算，流固耦合作用對(duì)液壓閥塊的影響有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，可以得出以下結(jié)論:

(1)液流在液壓閥塊內(nèi)部的流動(dòng)復(fù)雜，采用流固耦合計(jì)算能更精確地對(duì)液壓閥塊閥體性能分析。通過(guò)閥體應(yīng)力分布圖可以看出，在流道直角轉(zhuǎn)向處，閥體所受液壓力急劇上升，使液壓閥塊疲勞產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致閥塊漏油。

(2)液壓閥塊體內(nèi)包括幾十個(gè)流道，流道構(gòu)成流道網(wǎng)，流道不僅要保證正確的連通，還要保證不與其他閥內(nèi)流道產(chǎn)生干涉。對(duì)流道的干涉校核是液壓閥塊設(shè)計(jì)必不可少的過(guò)程。

(3)改變兩鄰面流道相交程度，清晰地看到閥塊在直角轉(zhuǎn)彎處的應(yīng)力變化，分析結(jié)果表明，當(dāng)B流道的中心線與A圓柱流道底面在同一平面的時(shí)，液壓閥塊在直角轉(zhuǎn)向處的應(yīng)力較小，不與閥內(nèi)其他流道產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

(4)該研究為液壓閥塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高能源利用率提供一定的理論依據(jù)。

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(編輯李秀敏)