基于流場模擬的液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化

王昌林，王日君，陳繼文，劉天琦，郭守萌，尹憲軍

(山東建筑大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 濟南 250101)

作為液壓元件的載體，液壓閥集成塊負(fù)責(zé)連通油路的通道，既是集成設(shè)計的集中體現(xiàn)[1]，也是液壓系統(tǒng)的重要組成部分。液壓閥集成塊內(nèi)部是交錯復(fù)雜的孔道系統(tǒng)，孔道的加工過程復(fù)雜且精密，主要采用鉆孔、擴孔、鏜孔和鉸孔等傳統(tǒng)加工工序。另外，錯綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使孔道的加工更加困難，且鑄造形成的塊體結(jié)構(gòu)造成了材料的浪費[2]。增材制造技術(shù)實現(xiàn)了復(fù)雜零部件的設(shè)計自由[3]，在實現(xiàn)液壓元件輕量化、提高流動效率、可快速迭代等方面具有優(yōu)勢。

對于液壓閥集成塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，Zardin等[4]引入人工智能思想，開發(fā)了一套基于產(chǎn)生式規(guī)則的液壓集成塊智能設(shè)計系統(tǒng)。Abe等[5]著重對壓降進行估算，對比了實心集成塊和疊層集成塊，通過實驗結(jié)果獲得集成塊中管道的設(shè)計指南。李小彥[6]針對傳統(tǒng)集成塊流道壓力局部損失過大、質(zhì)量較大的問題，利用金屬增材制造技術(shù)的優(yōu)勢，為集成塊的重新設(shè)計提供了一種輕量化的全新途徑。劉耕[7]使用格子-波爾茲曼方程求解流道拓?fù)鋬?yōu)化問題，并編寫了基于統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)(compute unified device architecture，CUDA)并行計算和格子-波爾茲曼法(lattice Boltzmann method，LBM)的流體拓?fù)鋬?yōu)化程序，通過大量的數(shù)值測試得到了適用的優(yōu)化參數(shù)。

國內(nèi)外研究人員對液壓閥集成塊的設(shè)計優(yōu)化做了相關(guān)研究，但大多基于傳統(tǒng)加工設(shè)計的理念，且現(xiàn)有基于增材制造的設(shè)計方法缺乏直觀的流道提取方法。為此，將傳統(tǒng)液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)的流道局部壓力損失大、輕量化不足作為優(yōu)化目標(biāo)，基于現(xiàn)有流道模型，采用流道提取方法，通過SolidWorks提取模型中的流體路徑，利用計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)，使用有限元分析軟件FLUENT進行流體仿真分析，根據(jù)計算結(jié)果對液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)進行整體優(yōu)化。利用增材制造的優(yōu)勢，設(shè)計必要的支撐結(jié)構(gòu)和合理的壁厚，優(yōu)化液壓閥集成塊的外形，以減少材料的浪費。

1 傳統(tǒng)液壓閥集成塊建模與分析

根據(jù)研究需要，分析傳統(tǒng)液壓閥集成塊結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks建立傳統(tǒng)液壓閥集成塊的三維立體模型，如圖1所示，其孔道布局如圖2所示。

圖1 液壓閥集成塊三維模型

圖2 液壓閥集成塊孔道布局示意圖

圖中，P代表進油口，T代表回油口，A、B代表與執(zhí)行元件或控制元件連接的工作油口。此液壓閥集成塊具有閥塊的典型結(jié)構(gòu)：直角轉(zhuǎn)向通道、階梯管道、軸線非正交直角彎道和Z型管道。

直角轉(zhuǎn)向通道是液壓閥集成塊內(nèi)部最常見的管道形式。流體通過直角轉(zhuǎn)向通道時產(chǎn)生渦旋[8]，這一過程伴隨較大的能量損失，主要原因有以下兩點：1)旋轉(zhuǎn)流體本身的黏性摩擦和旋轉(zhuǎn)流體與管壁的摩擦導(dǎo)致流體動能的耗散；2)流體在轉(zhuǎn)向過程中流線與直角內(nèi)角壁表面分離造成的分離損失。因此，直角轉(zhuǎn)向通道對流體的流動效率影響不容忽視。

流體流經(jīng)階梯管道時，由于兩管道直徑的突變，在臺階的側(cè)壁上會形成渦旋，從而導(dǎo)致管道壓力突然增大，造成局部損失[9]。針對這種現(xiàn)象，在傳統(tǒng)工藝條件的限制下，只能使用多個階梯狀結(jié)構(gòu)連接具有不同直徑的管道，減少管道連接處因通道橫截面收縮而引起的局部損失。

對于液壓閥集成塊的整體結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)鑄造方式下，各管道之間的連接和定位工藝孔的加工過程要求嚴(yán)格且復(fù)雜，鑄造成型的塊狀體結(jié)構(gòu)壁厚不均勻，也會造成材料浪費。

以上提到的傳統(tǒng)液壓閥集成塊的弊端就是本文重點關(guān)注的問題，本文將重點討論液壓閥集成塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

2 流道優(yōu)化

2.1 原結(jié)構(gòu)模型仿真分析

液壓閥集成塊的流動通道和管道連接成一體。根據(jù)液壓閥集成塊的整體壓力云圖和轉(zhuǎn)彎處速度云圖，分析集成塊流道內(nèi)部的流場，進而分析流道的壓力損失[10]。通道內(nèi)部液壓流動特性的分段仿真只分析了局部障礙物壓力損失的原因，未充分考慮局部障礙物相互干擾而增加的部分能耗。因此，需從整體角度分析流道內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)。通道結(jié)構(gòu)整體壓力云圖如圖3所示。

圖3 通道結(jié)構(gòu)整體壓力云圖

液壓閥集成塊的內(nèi)部流道中最常用的結(jié)構(gòu)形式是直角轉(zhuǎn)向通道。對直角轉(zhuǎn)向通道進行具體分析，設(shè)置入口速度為v=12 m/s，出口壓力為P=30 Pa，流體溫度為T=320 K。直角轉(zhuǎn)彎處的壓力云圖和速度云圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 直角轉(zhuǎn)彎處壓力云圖

圖5 直角轉(zhuǎn)彎處速度云圖

由圖可知，直角轉(zhuǎn)彎處上游的流道內(nèi)流量變化微弱；流體流經(jīng)直角轉(zhuǎn)彎處時，速度發(fā)生劇變；流道壁內(nèi)的流速降低，流道壁內(nèi)的壓力隨之降低，流道壁上的流速增加，流道壁上的壓力隨之增加。

2.2 圓弧彎道仿真分析優(yōu)化

通過分析液壓閥塊內(nèi)部流道的流體流動特性，得出直角轉(zhuǎn)彎處的局部阻塞是造成能量損失的主要原因。由于鑄造技術(shù)和加工工藝的局限性，液壓閥集成塊內(nèi)部流道的轉(zhuǎn)向大多采用直角結(jié)構(gòu)形式，流體在流經(jīng)直角轉(zhuǎn)向處時速度急劇變化，產(chǎn)生湍流。雷諾數(shù)越大內(nèi)部流場越復(fù)雜，可以利用歐拉法分析圓弧形轉(zhuǎn)向流道中流體的流動特性。

令圓弧轉(zhuǎn)彎管道模型各參數(shù)不變，將管道的半徑設(shè)置為15 mm，轉(zhuǎn)彎處的圓弧半徑為50 mm，建立三維模型，設(shè)定邊界條件：設(shè)置入口速度為v=12 m/s,出口壓力為P=30 Pa,流體溫度為T=320 K，圓弧轉(zhuǎn)彎通道的壓力云圖和速度云圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 圓弧轉(zhuǎn)彎通道壓力云圖

圖7 圓弧轉(zhuǎn)彎通道速度云圖

由圖可知，圓弧轉(zhuǎn)彎處的流體阻力同比直角轉(zhuǎn)彎處的流體阻力低約78%，因此在其他參數(shù)相同的情況下，圓弧轉(zhuǎn)彎通道的能量損失較少。

通過FLUENT仿真軟件進行流體分析可得傳統(tǒng)加工方式加工出的油路在垂直交叉部位和階梯孔等部位的突變位置，流體的狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致流量突然減小或者出現(xiàn)湍流現(xiàn)象。常見解決辦法就是在流道內(nèi)或內(nèi)徑突變處插入插頭，引導(dǎo)流體的流動，但該方法使液壓閥集成塊的生產(chǎn)變得更為復(fù)雜。利用上述分析中圓弧轉(zhuǎn)彎通道可以減少能量損失的特點，設(shè)計流道突變的部位為圓滑過渡，以減少流道形狀或尺寸的突變給流體工作帶來的負(fù)面影響。同時，利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)液壓閥塊，去除非必要的輔助孔，避免交叉鉆孔，減少流體孔道的形狀設(shè)計約束。利用SolidWorks對流道進行建模，流道優(yōu)化結(jié)果示例如圖8所示。

基于圓弧形流道可以大幅度降低能量損耗以及局部壓力損失，對液壓閥集成塊的流道進行整體優(yōu)化，將其直角轉(zhuǎn)彎部分、階梯部分以及非正交流體部分改為圓弧連接，優(yōu)化后的液壓閥集成塊流道三維圖如圖9所示。

圖8 流道優(yōu)化結(jié)果示例

圖9 優(yōu)化后的液壓閥集成塊流道三維圖

3 確定壁厚和支撐結(jié)構(gòu)

利用增材制造的優(yōu)勢，優(yōu)化液壓閥集成塊外形，避免材料的浪費，不保留各種工藝孔、輔助孔的加工位置，只保留足夠的支撐結(jié)構(gòu)，在保證安全壁厚的條件下對液壓閥集成塊設(shè)計合理的支撐結(jié)構(gòu)。

3.1 壁厚的校核

在液壓閥集成塊的設(shè)計與優(yōu)化過程中，設(shè)計的液壓管道是否可以承載設(shè)定的壓力，油路的走向、輔助孔之間的相對位置以及材料的性質(zhì)等對液壓管路的影響不能忽視，因此為保證液壓閥集成塊安全穩(wěn)定工作，液壓閥集成塊管道生產(chǎn)設(shè)計中需要對最小壁厚進行強度校核[11]。初步設(shè)置最小壁厚為5 mm，當(dāng)液壓系統(tǒng)的壓力高于6.3 MPa或者兩孔間距離很小時,對其進行強度校核,為了防止擊穿，最小壁厚計算公式為:

(1)

式中：δ為最小壁厚，mm；p為最高工作壓力，MPa；d為油管內(nèi)徑，mm；n為安全系數(shù)，取值4～8；σ為管材抗拉強度，MPa。

孔道干涉校核的設(shè)計變量為集成塊閥塊內(nèi)部孔道的位置關(guān)系和尺寸大小。已知兩孔道的位置和尺寸參數(shù)是H1=(F1,X1,Y1,R1,L1)和H2=(F2,X2,Y2,R2,L2)，其中H1,H2為線網(wǎng)中的端孔，F(xiàn)1,F2為液壓元件安裝面，X1,X2,Y1,Y2為端孔在安裝面的相對坐標(biāo)，R1,R2為端孔的直徑，L1,L2為端孔的深度。wall為孔道安全壁厚，可根據(jù)集成塊設(shè)計要求確定。根據(jù)兩孔道所在位置基面不同，將孔道干涉的校核問題分為以下3種情況：

1)兩孔道處在同一個基面；

2)兩孔道處在兩相鄰的基面；

3)兩孔道處在兩相對的基面。

兩孔鄰面時的位置關(guān)系如圖10所示。

圖10 兩孔鄰面時位置關(guān)系

對兩孔鄰面的安全壁厚進行校核計算[12]，兩孔道頂點沿著空間X,Y,Z坐標(biāo)軸方向的距離DX，DY，DZ為：

DX=|X1-X2|

DY=|WB-L1-Y2|

DZ=|HB-L2-Z1|

(2)

式中：Z1為端孔在安裝面的相對坐標(biāo)；WB為集成塊的寬度；HB為集成塊的高度。

則兩孔道校核如下[13]：

1)若DX-R1-R2≥wall∪DY-R2≥wall∪DZ-R1≥wall，則兩孔道不相交，滿足安全壁厚的要求，安全；

2)若DY-R2

3)若DZ-R1

4)若DX-R1-R2

3.2 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于輕量化理論，在保證支撐結(jié)構(gòu)強度的前提下，液壓閥集成塊在增材制造過程中應(yīng)設(shè)計合適的支撐位置，且盡可能減輕支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，以更少的材料確定穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。添加支撐的位置通常選擇在液壓管道的應(yīng)力最大處，但在支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，其具體形狀需要另外考慮，直接加肋板還是重新設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)，需要對管道最大應(yīng)力處位置和形狀進行綜合考慮。

針對上述問題，對各分管道添加支撐結(jié)構(gòu)類型進行分析，主要步驟為：

1)通過有限元分析軟件進行管道的流體力學(xué)分析，確定管道內(nèi)應(yīng)力最大點；

2)根據(jù)仿真結(jié)果在彎道最大應(yīng)力處加入不規(guī)則肋板支撐結(jié)構(gòu)；

3)在管道孔徑變化的應(yīng)力最大處，加厚支撐結(jié)構(gòu)管壁；

4)在直管道變形方向加上立柱支撐，優(yōu)化后的液壓閥集成塊支撐結(jié)構(gòu)如圖11所示；

5)對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與原模型結(jié)構(gòu)進行有限元分析，對比優(yōu)化前后模型應(yīng)力。

圖11 液壓閥集成塊支撐結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于流場模擬的液壓閥集成塊管道優(yōu)化方法，以增材制造技術(shù)為基礎(chǔ)，以流體仿真為指導(dǎo)依據(jù)，以三維建模軟件為工具，對液壓閥集成塊進行了流體路徑的提取與優(yōu)化，較大程度改進了液壓系統(tǒng)的流動特性。通過對液壓閥集成塊典型流道流體特征的仿真分析，發(fā)現(xiàn)了圓弧形流道可以大范圍降低能量損耗以及局部損失，并以此為基礎(chǔ)對液壓閥集成塊流道進行整體優(yōu)化。最后基于增材制造在加工復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，設(shè)計了合理的壁厚和支撐結(jié)構(gòu)，減少了材料的浪費，為之后的閥體類設(shè)計提供了參考。