基于ANSYS APDL和FLUENT Journal的液壓錐閥流場(chǎng)參數(shù)化仿真軟件設(shè)計(jì)

譚劍波，劉桓龍，于蘭英

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 600031）

液壓錐閥是液壓傳動(dòng)與控制中一種重要的基礎(chǔ)性元件，其結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但閥內(nèi)流場(chǎng)卻十分復(fù)雜。油液經(jīng)過(guò)閥口時(shí)容易出現(xiàn)漩渦和速度的重新分布，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，引起流體噪聲，嚴(yán)重影響和制約了液壓錐閥的應(yīng)用效能[1-2]。因此，對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真成為液壓錐閥設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的工作之一。

錐閥研發(fā)過(guò)程中往往需要不斷調(diào)整與優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)、邊界條件等參數(shù)，以使產(chǎn)品質(zhì)量和性能更佳。對(duì)幾何結(jié)構(gòu)、邊界條件中任何一個(gè)參數(shù)的修改，都會(huì)造成錐閥流場(chǎng)的重新計(jì)算與仿真。由于設(shè)計(jì)參數(shù)較多，部分參數(shù)取值范圍又較大，因此在整個(gè)錐閥產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、定型過(guò)程中，需要進(jìn)行各種不同參數(shù)組合的大量的具有一定重復(fù)性的仿真工作。為此，通過(guò)開(kāi)發(fā)一種參數(shù)化的液壓錐閥流場(chǎng)仿真軟件，以降低人工參與程度和重復(fù)性操作強(qiáng)度，有效提高分析效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

1 需求分析

液壓錐閥流場(chǎng)參數(shù)化仿真軟件根據(jù)用戶(hù)輸入的參數(shù)自動(dòng)完成錐閥前處理（包括流場(chǎng)建模與網(wǎng)格劃分）和流場(chǎng)分析，并輸出仿真計(jì)算結(jié)果，以便將操作者從繁復(fù)的重復(fù)工作中解脫出來(lái)，最大限度地提高分析效率。為了實(shí)現(xiàn)建模的參數(shù)化，網(wǎng)格劃分的參數(shù)化和流場(chǎng)分析的參數(shù)化，在錐閥流場(chǎng)建模、網(wǎng)格劃分和流場(chǎng)分析過(guò)程中需要預(yù)先設(shè)置各種參數(shù)，這些參數(shù)按功能歸屬分為3類(lèi)。

1.1 幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

液壓錐閥采用圖1所示的幾何結(jié)構(gòu)模型，流體在閥腔內(nèi)是三維流動(dòng)，考慮到閥腔結(jié)構(gòu)及流動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性，將錐閥流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域簡(jiǎn)化為圖2所示的二維軸對(duì)稱(chēng)幾何模型，假定閥口倒角與閥芯半錐角α相等，涉及到的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 錐閥幾何結(jié)構(gòu)模型

圖2 錐閥流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域二維軸對(duì)稱(chēng)幾何模型

表1 錐閥幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格單元參數(shù)

網(wǎng)格單元參數(shù)用于指定網(wǎng)格單元的形狀和尺寸。液壓錐閥流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型，因此網(wǎng)格單元形狀可選擇三角形或四邊形，而單元尺寸則應(yīng)根據(jù)錐閥幾何尺寸和計(jì)算要求來(lái)合理選擇。

1.3 流場(chǎng)分析參數(shù)

流場(chǎng)分析參數(shù)包括流體屬性參數(shù)、流體邊界條件和迭代求解參數(shù)。

（1）流體屬性參數(shù)

閥內(nèi)流體是包含油液和蒸汽的混合兩相流，其流體屬性參數(shù)列于表2中。

表2 流體屬性參數(shù)

（2）流體邊界條件參數(shù)

速度進(jìn)口（m/s）：軸向平均速度ui，徑向速度為0；

壓力出口（Pa）：Po。

（3）迭代求解參數(shù)

迭代計(jì)算參數(shù)包括迭代求解次數(shù)和流體速度-壓力耦合方法。迭代次數(shù)通常取決于求解殘差要求和收斂情況。FLUENT中流體速度-壓力耦合主要有標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法、SIMPLEC算法和PISO算法。一般而言，可壓縮流動(dòng)采用SIMPLE，不可壓縮流動(dòng)則采用SIMPLEC和PISO。系統(tǒng)默認(rèn)使用SIMPLE算法[3-4]。

2 總體設(shè)計(jì)

圖3 軟件的總體結(jié)構(gòu)框圖

基于系統(tǒng)需求，提出圖3所示的液壓錐閥流場(chǎng)參數(shù)化仿真軟件總體結(jié)構(gòu)，包含前處理和流場(chǎng)分析兩個(gè)模塊。前處理模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、建模、網(wǎng)格劃分和模型預(yù)覽，流場(chǎng)分析模塊完成參數(shù)設(shè)置、流場(chǎng)計(jì)算和結(jié)果輸出。前處理模塊設(shè)置幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格單元參數(shù)，而流場(chǎng)分析模塊設(shè)置流體屬性、流體邊界條件和迭代求解參數(shù)。為了管理方便，增加了一個(gè)系統(tǒng)主界面。

圖4 流場(chǎng)計(jì)算實(shí)現(xiàn)過(guò)程

錐閥流場(chǎng)的前處理和模擬仿真是基于ANSYS APDL（ANSYS Parametric Design Language，ANSYS參數(shù)化語(yǔ)言）[5]和FLUENT Journal（jou腳本程序，也是一種宏）[6]通過(guò)后臺(tái)腳本程序和命令流去操控ANSYS和FLUENT來(lái)實(shí)現(xiàn)的。軟件根據(jù)用戶(hù)輸入的幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格單元參數(shù)，生成ANSYS mac宏文件去操控ANSYS實(shí)現(xiàn)錐閥流場(chǎng)二維軸對(duì)稱(chēng)幾何模型的建立和網(wǎng)格的劃分，輸出cbd網(wǎng)格模型文件供FLUENT仿真調(diào)用。在流場(chǎng)計(jì)算與分析模塊，軟件根據(jù)用戶(hù)設(shè)置的流體屬性、邊界條件和迭代求解參數(shù)生成FLUENT jou腳本程序操控FLUENT實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的流場(chǎng)仿真計(jì)算。圖4給出了軟件流場(chǎng)計(jì)算實(shí)現(xiàn)過(guò)程。總之，參數(shù)化仿真軟件雖不直接實(shí)現(xiàn)液壓錐閥流場(chǎng)分析的前處理和計(jì)算，但整個(gè)過(guò)程都由其后臺(tái)操控ANSYS和FLUENT完成，因此它才是流場(chǎng)分析計(jì)算過(guò)程的組織和管理者。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用VB 6.0設(shè)計(jì)，包含主窗體、流場(chǎng)分析前處理和流場(chǎng)計(jì)算與分析3個(gè)窗體。對(duì)軟件設(shè)計(jì)而言，界面設(shè)計(jì)相對(duì)容易，關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的前處理和流場(chǎng)分析。

3.1 參數(shù)化的前處理

圖5為流場(chǎng)分析前處理程序的流程，重點(diǎn)在于錐閥流場(chǎng)幾何模型計(jì)算的和操控ANSYS的APDL mac宏文件設(shè)計(jì)。

（1）錐閥流場(chǎng)幾何模型計(jì)算

錐閥流場(chǎng)二維軸對(duì)稱(chēng)幾何模型如圖2所示，該區(qū)域由8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)k1～k8所連成的8條直線(xiàn)L1～L8圍成。因此，錐閥流場(chǎng)幾何模型的計(jì)算實(shí)際上就是關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算。選k1為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)，則其余關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)為：

k2：（Lin-b-Dincotα/2+h/sinα，0）；

k3：（Lin-b+(D-Din)cotα/2+h/sinα，D/2）；

k4：（Lin+Lo-Do/d，D/2）；

k5：（Lin，D/2）；

k6：（Lin,Din/2+btanα）；

k7：（Lin-b，Din/2）；

k8：（0，Din/2）。

（2）APDL mac宏文件設(shè)計(jì)

APDL的語(yǔ)法可參考ANSYS提供的官方文檔[5]，依照?qǐng)D5給出的程序流程來(lái)完成mac宏文件命令流的編寫(xiě)。限于篇幅，僅以建模為例介紹APDL命令流設(shè)計(jì)方法。

錐閥流場(chǎng)二維軸對(duì)稱(chēng)幾何模型的創(chuàng)建是由點(diǎn)→線(xiàn)→面的過(guò)程。關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建命令格式為：

K，n，x，y，z。

其中K為關(guān)鍵點(diǎn)（Key point）創(chuàng)建命令；n表示點(diǎn)的序號(hào)；x，y，z表示點(diǎn)的坐標(biāo)。因?yàn)槭嵌S模型，故只需x，y坐標(biāo)即可。

線(xiàn)創(chuàng)建命令格式為：

圖5 流場(chǎng)分析前處理程序流程圖

L，p1，p2。

其中L為線(xiàn)（Line）創(chuàng)建命令；p1，p2表示點(diǎn)號(hào)。譬如，L，3，5表示將點(diǎn)3和點(diǎn)5的連成直線(xiàn)。線(xiàn)創(chuàng)建命令中線(xiàn)號(hào)是從1開(kāi)始連續(xù)生成的，為方便網(wǎng)格劃分后的邊界定義，可以有意將同種邊界的若干條線(xiàn)段放在一起創(chuàng)建，使其線(xiàn)號(hào)連續(xù)。如圖2所示，錐閥的軸、進(jìn)口、出口只有1條線(xiàn)段，而壁面有5條線(xiàn)段，故可以先生成軸、進(jìn)口和出口的線(xiàn)段，最后再生成壁面的線(xiàn)段，這樣在定義壁面邊界時(shí)只需1條命令即可。

面創(chuàng)建命令為：AL，L1，L2，…L10AL，all。

AL為由線(xiàn)創(chuàng)建面指令，它支持最多10條線(xiàn)完成一個(gè)面，也可直接將選中的所有線(xiàn)段圍成一個(gè)面。

3.2 參數(shù)化的流場(chǎng)分析

圖6 流場(chǎng)計(jì)算與分析程序流程圖

圖6 是流場(chǎng)計(jì)算與分析窗體的程序流程，可以看出模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)操控FLUENT進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算的Journal宏文件。以設(shè)置計(jì)算模型為例，其腳本如下。

/define/models/axisymmetric?y‘定義二維軸對(duì)稱(chēng)模型

/define/models/mul/model mixture‘定義多相流混合模型

/define/models/mul/mp n‘不選擇slip velocity

/define/models/viscous/ke-rng y‘粘性模型:RNGk-ε

/define/models/viscous/nwt/ewt y‘近壁處理

4 結(jié)束語(yǔ)

圖7 流場(chǎng)分析前處理界面效果

圖8 流場(chǎng)計(jì)算與分析界面效果

應(yīng)用論文提出的設(shè)計(jì)方法，成功開(kāi)發(fā)出了液壓錐閥流場(chǎng)參數(shù)化仿真軟件。圖7，圖8分別給出了軟件流場(chǎng)分析前處理和流場(chǎng)計(jì)算與分析的界面運(yùn)行效果。參數(shù)化仿真軟件只需操作者輸入或者修改相關(guān)參數(shù)，便能自動(dòng)完成液壓錐閥流場(chǎng)的建模、網(wǎng)格劃分和流場(chǎng)計(jì)算，并獲得最終的計(jì)算結(jié)果。整個(gè)過(guò)程一般在2～10分鐘內(nèi)完成。同樣工作如用熟練CAE工程師進(jìn)行多軟件協(xié)調(diào)操作，至少需要30分鐘，提高工效達(dá)10倍以上。

軟件通過(guò)APDL宏文件和Journal宏文件操控ANSYS和FLUENT，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化的液壓錐閥流場(chǎng)分析前處理和流場(chǎng)計(jì)算，完成了前處理和求解過(guò)程的無(wú)縫連接，有效地融合與集成了錐閥流場(chǎng)計(jì)算分析過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)和信息，形成了一體化的快速仿真平臺(tái)。軟件使操作者完全避開(kāi)了對(duì)CAE專(zhuān)業(yè)軟件（包括前處理和求解軟件）的繁瑣操作和軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，大大降低了對(duì)操作者專(zhuān)業(yè)軟件技能的要求，提高了設(shè)計(jì)分析效率，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，可廣泛應(yīng)用于錐閥的工程設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試。如果修改幾何模型和相關(guān)特征參數(shù)，該軟件的設(shè)計(jì)思路還可推廣至更多產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和仿真領(lǐng)域。

［1］張利平.液壓閥原理、使用與維護(hù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2］高紅.溢流閥閥口氣穴與氣穴噪聲的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2003.

［3］ ANSYS Inc.ANSYS Fluent 12.0 User's Guide ［Z］.2009.

［4］韓占忠.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

［5］ ANSYS Inc.ANSYS ANSYS LS-DYNA User's Guide［Z］.2009.

［6］ ANSYS Inc.ANSYS Fluent 12.0 Text Command List［Z］.2009.