流固耦合作用下的液控?fù)Q向閥動(dòng)態(tài)特性仿真

張順鋒，張 勝，王 強(qiáng)，何曉暉，徐 磊

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

【機(jī)械制造與檢測技術(shù)】

流固耦合作用下的液控?fù)Q向閥動(dòng)態(tài)特性仿真

張順鋒，張 勝，王 強(qiáng)，何曉暉，徐 磊

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

基于流固耦合理論和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，運(yùn)用CFD-ACE+軟件建立了計(jì)算流體力學(xué)三維模型。對(duì)在彈簧力、驅(qū)動(dòng)力及流體力的作用下液控?fù)Q向閥的開啟過程進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果與理論值、AMESim數(shù)值計(jì)算基本一致。對(duì)3種節(jié)流結(jié)構(gòu)的液控?fù)Q向閥開啟過程瞬時(shí)的流場、閥芯位移、液動(dòng)力、von Mises應(yīng)力分布和形變進(jìn)行了對(duì)比。

液控?fù)Q向閥；流固耦合；動(dòng)網(wǎng)格；動(dòng)態(tài)仿真

simulation

在各類液壓系統(tǒng)中液控?fù)Q向閥應(yīng)用廣泛，其性能影響著整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作?；y式換向閥的主要性能是平穩(wěn)換向，迅速反應(yīng)?；y內(nèi)部流場、液動(dòng)力以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是目前研究的熱點(diǎn)。趙蕾等[1-3]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)液壓滑閥開啟過程或關(guān)閉時(shí)內(nèi)部的流場分布及液動(dòng)力進(jìn)行了仿真分析，其中動(dòng)態(tài)模擬時(shí)閥芯速度是預(yù)先給定，實(shí)際上滑閥開啟中閥芯速度是不斷變化著的。姜濤[4]對(duì)換向閥P-B通道(進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真研究，換向閥的動(dòng)態(tài)開啟過程是通過假定閥芯不動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，但在實(shí)際運(yùn)行中閥芯和流體相互影響，需要考慮流固耦合的影響。張蕊華[5]對(duì)閥芯及其周圍流場數(shù)值模擬時(shí)考慮了流固耦合，先對(duì)流場分析進(jìn)行了計(jì)算，然后將數(shù)值結(jié)果加載到固體結(jié)構(gòu)上，顯然這種流固耦合的數(shù)值計(jì)算是單向的。在換向閥的實(shí)際工作中，換向閥的開合是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，閥芯的運(yùn)動(dòng)及形變相反又會(huì)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響[6]。

針對(duì)上述問題，將流固耦合理論和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)相結(jié)合，以流體力學(xué)軟件CFD-ACE+為平臺(tái)，對(duì)3種不同節(jié)流結(jié)構(gòu)的液控?fù)Q向閥在彈簧力、驅(qū)動(dòng)力及流體力作用下的開啟過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，為改善液壓滑閥內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和閥芯受力狀況提供依據(jù)。

1 三維幾何模型和網(wǎng)格劃分

液控?fù)Q向滑閥由多個(gè)閥體內(nèi)腔組成，本文主要對(duì)其中的一個(gè)閥體內(nèi)腔進(jìn)行研究[7]。以P-B口開啟過程為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在出口節(jié)流處閥芯臺(tái)肩上設(shè)有3種不同的節(jié)流結(jié)構(gòu)。

借鑒朱鈺[8]的簡化方法，將液控?fù)Q向滑閥閥芯兩端部分及其附近流域略去，彈簧模型加載到閥芯一端。由于閥體內(nèi)腔、流域和閥的內(nèi)芯均以閥中央對(duì)稱布置，為提高計(jì)算效率取流體區(qū)域和閥芯的對(duì)稱作為研究對(duì)象。

在劃分網(wǎng)格時(shí)采用高精度六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，考慮流固耦合導(dǎo)致網(wǎng)格形變較大，三維瞬態(tài)流場解析誤差太大，因此采用單一的網(wǎng)格變形方式，劃分網(wǎng)格的變形能力和變形品質(zhì)就很難控制。本研究將彈簧法和超限插值法聯(lián)系起來處理結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的形變?；诜謮K網(wǎng)格的觀點(diǎn)，將計(jì)算區(qū)域分成16個(gè)網(wǎng)格區(qū)。采取彈簧聯(lián)系不同網(wǎng)格區(qū)的角點(diǎn)，通過彈簧啟動(dòng)各角點(diǎn)的形變[9]。3種不同節(jié)流結(jié)構(gòu)的液控?fù)Q向滑閥網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，在閥芯出口臺(tái)肩處為A、B、C 3種不同的節(jié)流結(jié)構(gòu)。對(duì)節(jié)流處進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格可以大大提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 液控?fù)Q向滑閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算條件及參數(shù)設(shè)置

入口條件：壓力入口，選取6 MPa；

出口條件：壓力出口，設(shè)為大氣壓；

閥芯驅(qū)動(dòng)壓差：1 MPa；

彈簧剛度：80 N/mm；

液壓油：型號(hào)VG46，密度ρ=890 kg/m3；運(yùn)動(dòng)粘度μ=46 mm2/s；設(shè)為不可壓縮流體；

湍流模型：k-ε湍流模型。

仿真中不考慮溫度、泄漏的影響，閥芯和閥體之間配合良好，無徑向間隙，閥芯只考慮軸向位移。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 閥芯運(yùn)動(dòng)情況分析

閥芯的運(yùn)動(dòng)影響因素主要是驅(qū)動(dòng)力、液動(dòng)力以及彈簧力。為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，利用AMESim軟件建立如圖3所示的液控?fù)Q向閥模型，與CFD-ACE+所建立的無節(jié)流結(jié)構(gòu)理想滑閥模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩種軟件仿真得到的閥芯位移、速度和加速度對(duì)比情況如圖4所示。

圖3 液控?fù)Q向閥AMESim模型

閥芯穩(wěn)態(tài)位移的計(jì)算公式為：

(3)

式中：D為流道直徑；xv為閥芯穩(wěn)態(tài)位移；W為閥口的面積梯度；k為彈簧剛度；F為滑閥閥芯所受的驅(qū)動(dòng)力；Fs為閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力；Δp為滑閥進(jìn)出口壓差；Δp1為驅(qū)動(dòng)壓差。

從式(3)，解得閥芯的穩(wěn)態(tài)位移為0.71 mm，而CFD-ACE+和AMESim仿真的結(jié)果與理論計(jì)算值誤差分別為3.1%和11.3%，CFD-ACE+的數(shù)值計(jì)算結(jié)果因考慮了流固耦合作用和流場微小流動(dòng)帶來的影響而更加精準(zhǔn)。但因仿真條件的設(shè)置和理論計(jì)算的方法不可能完全一致，仍存在一定的誤差。

圖4 CFD-ACE+和AMESim仿真結(jié)果

利用CFD-ACE+仿真得到的3種節(jié)流結(jié)構(gòu)的液控?fù)Q向閥閥芯位移隨時(shí)間的變化情況如圖5所示，假設(shè)當(dāng)閥芯位移同一波動(dòng)周期內(nèi)波動(dòng)幅度與該段波峰值之比小于0.5%時(shí)，即為穩(wěn)態(tài)。

從圖5可看出在液控?fù)Q向閥P-B開啟過程中，3種節(jié)流結(jié)構(gòu)閥芯位移均存在一定的波動(dòng)，超調(diào)量分別為45.9%、48.9%和48.7%，穩(wěn)態(tài)位移分別為0.64 mm、0.59 mm和0.48 mm。A型超調(diào)量最小，穩(wěn)態(tài)位移最大，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間也最短。

圖5 閥芯開啟過程的位移

3.2 液動(dòng)力分析

滑閥閥芯表面所受到的軸向力可以由閥芯表面所受的壓力對(duì)表面積積分得到，閥芯表面軸向力即為液動(dòng)力[10-12]。圖6給出了3種閥芯開啟過程中所受液動(dòng)力變化情況，包括瞬態(tài)液動(dòng)力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，其中瞬態(tài)液動(dòng)力等于不同瞬間總的液動(dòng)力與穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力之差?？芍€(wěn)態(tài)液動(dòng)力的大小均為負(fù)值，方向即為閥口關(guān)閉的方向。在閥芯開啟過程瞬間，瞬態(tài)液動(dòng)力變化較大，設(shè)計(jì)閥時(shí)須加以考慮。A型閥芯穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力值最小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間最短，但瞬態(tài)液動(dòng)力波動(dòng)峰值較大。

圖6 閥芯開啟過程液動(dòng)力變化

3.3 流固耦合分析

圖7給出了3種節(jié)流結(jié)構(gòu)液控?fù)Q向閥在開啟初期、最大位移和穩(wěn)態(tài)時(shí)流域的壓力場和閥芯所受的馮.米斯應(yīng)力場。馮·米斯應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的一種當(dāng)量應(yīng)力，可以用來對(duì)疲勞、破壞等進(jìn)行評(píng)價(jià)[13]。

圖7 不同時(shí)刻壓力場和應(yīng)力場

從圖7可以看出，在閥口節(jié)流區(qū)域靠近閥體的流場均會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，其中B型閥芯負(fù)壓區(qū)域較大。流場的負(fù)壓導(dǎo)致產(chǎn)生氣蝕。由于氣蝕，閥芯則容易破壞。在入口靠近閥桿的流場均出現(xiàn)了高壓區(qū)，這會(huì)對(duì)閥芯形成高壓沖擊，從而影響閥芯的徑向平衡，容易造成閥芯卡死。3種節(jié)流結(jié)構(gòu)閥芯所受馮.米斯應(yīng)力值的分布基本一致，在閥芯臺(tái)肩和閥桿連接處馮.米斯應(yīng)力值均最大。圖8為閥芯開啟過程應(yīng)力值的峰值隨時(shí)間變化情況。從其中可知，閥芯開啟過程最大馮.米塞斯應(yīng)力值均存在波動(dòng)，其中A型閥芯穩(wěn)態(tài)值最小，B型閥體內(nèi)芯穩(wěn)態(tài)值和瞬態(tài)值最大。B型閥芯開啟過程所受馮.米塞斯應(yīng)力的峰值為35.5 MPa，閥芯材料(20CrMo)的抗拉、抗剪和抗壓強(qiáng)度都大于200 MPa[14]，根據(jù)換向閥的強(qiáng)度理論，換向閥使用過程中的安全系數(shù)取為2，由此文中所研究的3種節(jié)流結(jié)構(gòu)的閥芯強(qiáng)度均滿足要求，設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮閥芯的疲勞破壞。

圖9給出了3種節(jié)流結(jié)構(gòu)閥芯在開啟初期、最大位移和穩(wěn)態(tài)位移時(shí)閥芯的形變及其分布情況。

從圖9可看出，閥芯的徑向形變主要發(fā)生在閥桿上，最大形變分布位置和大小隨時(shí)間不斷變化。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，閥桿在入口處靠近閥口方向和出口處背離閥口方向產(chǎn)生較大變形。穩(wěn)態(tài)時(shí)3種節(jié)流結(jié)構(gòu)閥芯的最大形變分布位置基本相同，B型閥芯最大形變較大，A型閥芯最大形變較小。

圖8 閥芯開啟過程最大馮·米塞斯應(yīng)力值變化

圖9 不同時(shí)刻閥芯形變

4 結(jié)論

1) 液控?fù)Q向閥開啟時(shí)在閥口節(jié)流區(qū)域靠近閥體的流場產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，在入口靠近閥桿的流場出現(xiàn)高壓區(qū)；

2) 在閥芯開啟同時(shí)，瞬態(tài)液動(dòng)力值變動(dòng)較大，馮·米斯應(yīng)力最大值主要集中在閥芯臺(tái)肩和閥桿連接處，設(shè)計(jì)閥時(shí)須加以考慮；

3) 穩(wěn)態(tài)時(shí)3種節(jié)流結(jié)構(gòu)閥芯的最大變形分布基本相同， A型閥芯最大變形較小；

4) A型閥芯在試驗(yàn)條件下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)位移最大，液動(dòng)力、穩(wěn)態(tài)馮.米塞斯應(yīng)力值最小和位移超調(diào)量最小，時(shí)間最短，設(shè)計(jì)閥芯時(shí)可以考慮采用該節(jié)流結(jié)構(gòu)。

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(責(zé)任編輯周江川)

TransientPropertiesofHydraulicOperatedDirectionalValveBasedonFluid-structureInteraction

ZHANG Shunfeng, ZHANG Sheng, WANG Qiang, HE Xiaohui, XU Lei

(College of Field Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)

Three-dimensional CFD modals were established via CFD-ACE+ software based on fluid-structure interaction and dynamic mesh.The opening process of hydraulic operated directional valves under the spring force, driving force and flow force process were simulated and the results are consistent with the theoretical values and values calculated by AMESim.The transient flow fields, spool displacement, flow force, distribution of von Mises stress, deformation of three different throttle structure of hydraulic operated directional valves in the opening process were compared and analyzed.

hydraulic operated directional valve; fluid-structure interaction; dynamic mesh; dynamic

2017-04-23；

：2017-05-11

：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175511)

張順鋒,碩士研究生,主要從事液壓傳動(dòng)與控制研究。

王強(qiáng)，教授，主要從事液壓傳動(dòng)與控制研究，E-mail：wangqiangjs@sohu.com。

10.11809/scbgxb2017.09.032

format:ZHANG Shunfeng, ZHANG Sheng, WANG Qiang, et al.Transient Properties of Hydraulic Operated Directional Valve Based on Fluid-structure Interaction[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):151-155.

TH137

：A

2096-2304(2017)09-0151-05

本文引用格式：張順鋒，張勝，王強(qiáng)，等.流固耦合作用下的液控?fù)Q向閥動(dòng)態(tài)特性仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(9):151-155.