基于流体-固体耦合的液压滑阀开启过程仿真分析与优化

基于流体-固体耦合的液压滑阀开启过程仿真分析与优化张胜;王强;何晓晖;高亚明;王新文【摘要】To improve the working capability of the spool during the opening process of hydraulic spool valve,a three-dimensional numerical model is established based on fluid-structure interaction theory and dynamic mesh technology,and the movement of spool under the action of driving force,spring force and flow force is simulated.The internal flow channel structure is improved in view of stress on spool.The objective functions of peak value of the maximum von Mises stress and flow force are set up through least squares fit and BP neural network,with four structural parameters of improved spool notches and convex being taken as the optimization object.The optimal values of four structure parameters of notches and convex platform are determined by using genetic algorithm.After optimization,the maximum von Mises stress is decreased by 22.0％,and the maximum flow force is decreased by 16.3％.Results show that the spool valve opening performance is obviously improved through the study of the optimization design of structural parameters of spool.%为改善液压滑阀开启过程中阀芯的工作性能,基于流体-固体耦合理论和动网格技术,建立滑阀开启过程三维流体-固体耦合数值分析模型,对阀芯在驱动力、弹簧力及液动力作用下的动作过程进行了模拟分析.针对阀芯受力分析结果,改进滑阀内部流道结构;以改进后阀芯槽口和凸台的4个结构参数为优化对象,利用最小二乘拟合和反向传播神经网络构建最大冯米塞斯应力与液动力峰值的目标函数,借助遗传算法确定了槽口和凸台的4个结构参数最优值.研究结果表明:优化后阀芯所受液动力和最大冯米塞斯应力的峰值分别减小了16.3％和22.0％;优化设计阀芯的结构参数可明显提高滑阀开启性能.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】8页(P608-615)【关键词】流体力学;液压滑阀;流体-固体耦合;动网格;遗传算法【作者】张胜;王强;何晓晖;高亚明;王新文【作者单位】解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TH137.52+1滑阀结构被液压系统的流量、方向和压力控制阀广泛采用，其开启过程中流场不稳定，会导致阀芯控制精度不高。

阀芯开启过程的动力学特征直接影响液压滑阀的控制性能，对于液压系统有着较大的影响。

考虑流体- 固体耦合的研究可追溯到19世纪初的机翼气动弹性问题[1]。

目前，流体- 固体耦合的研究主要集中于水轮机、冷却器盖[2-4]等，针对液压阀的研究并不多。

而对于液压阀阀芯的动态仿真大多是直接给定阀芯的开口度或阀芯的运动速度，并未考虑阀芯开启过程的瞬态受力情况和流体- 固体耦合的影响[5-6]。

因此，有必要对液压滑阀的阀芯及其开启过程进行重点研究，分析其瞬态受力情况并加以优化。

针对上述问题，借助流体- 固体耦合理论和动网格技术，以流体力学软件CFD-ACE+为平台，对液压滑阀开启过程进行流体- 固体耦合特性分析；针对分析结果，改进液压滑阀的内部流道结构并进行优化；建立优化后的模型，对优化结果进行仿真验证，并比较优化前后液压滑阀的开启性能。

1.1 几何模型液压滑阀通常由多个阀腔组成，基于相似性原理，用其中的一个阀腔就能说明滑阀内部流体的流动状态。

借鉴文献[7-9]的简化方法，归纳出具有共性的液压滑阀作为研究对象，其结构如图1所示。

在该滑阀阀芯的开启过程中，液压油的流动具有对称性，为提高计算效率，取流动区域和阀芯的一半作为研究对象，建立用于流体- 固体耦合分析的三维几何模型，如图2所示。

1.2 网格划分流体- 固体耦合会导致网格变形较大，出现三维瞬态流场解析发散的问题，单一的网格变形方法很难同时具有较大的网格变形能力和得到较高的变形质量。

为此，本文将弹簧法和超限插值法相结合，解决结构网格变形问题。

基于网格分块的思想，将计算区域分成16个网格块；采用弹簧连接不同网格块的角点，通过弹簧驱动各角点的变形；对于网格块内部节点，采用超限插值法将角点位移通过插值函数分布到网格块内部节点[10]；网格划分采用前处理软件GEOM实现；为更好地捕捉阀口处的流场变化，对阀口区域网格进行细化。

在大量试算的基础上，最终确定网格总数为95 252个。

其中，流域网格51 029个，阀芯网格44 223个，如图3所示。

2.1 动网格条件下的流场控制方程在网格运动过程中，流场内控制体将发生改变，一般采用积分形式来表示诸守恒方程：式中：ρ为液体密度；uf为流体速度；V为控制体体积；p为控制体压力；φ为通用变量，代表uf、V、p等求解变量；∂V为控制体体积V的边界；A为控制体截面积向量；ug为动网格变形速度；Γ为广义扩散系数，代表μ+μt、μ+μt/σk、μ+μt/σε，μ为动力黏度，μt为湍动黏度，k为湍动能，ε为湍流耗散率，σk是与k对应的Prandtl数，σε是与ε对应的Prandtl数；φ为通用变量梯度；Sφ为φ的源项。

2.2 流体- 固体耦合控制方程在流体- 固体耦合交界面处应力：式中：ΔFi为在i方向上的力(N)；ΔAi为在i方向的受力面积(m2)。

力平衡方程式中：σxx、σyy、σzz为应力分量；τxy、τxz、τyx、τyz、τzx、τzy为应变分量。

几何方程式中：ξxx、ξyy、ξzz为应变分量；u、v、w为x、y、z方向的速度分量；γxy、γyx、γzy、γyz、γxz、γzx为切应变分量。

本构方程式中：λ为泊松比；E为杨氏模量(GPa)。

3.1 流域参数入口压力取6.00 MPa，出口压力取0.15 MPa；液压油型号VG46，密度ρ=885 kg/m3，运动黏度ν=46 mm2/s，由于液压油压缩性很小，视为不可压缩流体；弹簧刚度80 N/mm；滑阀阀芯两端驱动压差1 MPa；采用k-ε湍流模型。

3.2 阀芯参数阀芯材料为45号钢。

密度ρs=7 850 kg/m3；杨氏模量Es=210 GPa；泊松比λs=0.3.4.1 阀芯运动情况分析阀芯的运动状态由驱动力、弹簧力及液动力共同决定，仿真得到的阀芯运动情况如图4所示。

图中点1为阀芯开启初期(t=0.42 ms)，点2为阀芯位移最大时(t=1.80 ms)，点3为阀芯位移达到稳态时(t=47.00 ms)。

从图4可知，液压滑阀开启过程中，阀芯位移存在一定的波动，最大位移达到1.49 mm，稳态位移为0.78 mm. 阀芯位移的波动会引起流量的波动，从而影响执行元件的运动状态；位移的波动也会产生振动和噪声，影响流场及阀芯瞬态受力情况。

液压滑阀阀芯稳态位移和稳态液动力的理论计算公式[11]为式中：D为流道直径，D=16 mm；xv为阀芯稳态位移(mm)；W为阀口的面积梯度(mm2/mm)；kt为弹簧刚度，kt=80 N/mm；F为滑阀阀芯所受的驱动力(N)；Fs为阀芯所受的稳态液动力(N)；Δp为滑阀进出口压差，Δp=5.85 MPa；Δpq为驱动压差，Δpq=1.00 MPa.联立(6)式，可以解得阀芯稳态位移xv=0.71 mm，稳态液动力Fs=-43.73 N.仿真得到的阀芯稳态位移xvf=0.78 mm，稳态液动力Fsf=-47.96 N. 比较理论计算与仿真计算结果，阀芯稳态位移和稳态液动力的误差分别为9.9%和9.7%，可以认为仿真计算结果与理论计算结果基本吻合，证明了仿真的可靠性。

误差的产生主要是因为在理论计算中稳态液动力采用经验公式求解，没有考虑内部结构不同及流场微观流动带来的影响。

4.2 流体- 固体耦合分析针对阀芯开启初期(t=0.42 ms，图4中点1)，最大位移(t=1.8 ms，图4中点2)，稳态位移(t=47 ms，图4中点3)，三维流体- 固体耦合仿真结果如图5所示，图中给出了液压滑阀流域的压力场、压力等值线分布以及液压滑阀阀芯所受的冯米塞斯应力分布。

其中，冯米塞斯应力是根据第四强度理论得到的一种当量应力，考虑了第1、第2和第3主应力。

冯米塞斯应力值越大的地方材料变形就越大，往往也是越容易受到破坏的地方，因而可以用来对疲劳、破坏等进行评价[12]。

从图5可以看出：1)在流场的A区域和B区域会产生负压，负压区域面积随着阀芯位移的增大而变大。

流场负压区是引起气蚀的主要原因，气蚀会导致阀芯产生气蚀破坏；2)在液压滑阀开启初期，阀芯应力集中于阀芯的1、2、3和4区域且四周对称分布。

当阀口位移较大后，应力集中于3和4区域。

阀芯在开启过程中所受最大冯米塞斯应力的大小和位置随时间变化情况如图6所示。

由图6可看出，最大冯米塞斯应力主要集中在1、2、3、4区域，在阀芯开启瞬间达到峰值。

4.3 液压滑阀结构优化分析为改善滑阀开启过程中阀芯受力情况，需减小阀芯所受的液动力(包括稳态液动力与瞬态液动力)和因流体- 固体耦合作用所产生的最大冯米塞斯应力。

现改进滑阀内部流道结构，在阀芯上增设凸台和槽口，新结构如图7所示。

图8分别给出了原结构、仅有凸台、仅有槽口和新结构阀芯在开启过程中最大冯米塞斯应力和液动力的变化情况。