基于Creo與Ansys Workbench的液壓集成塊虛擬設(shè)計(jì)與仿真分析

滑利光，侯寅峰，李萬(wàn)有，王志亮，武瑞斌

（邯鄲新興特種管材有限公司，河北056502）

0 引言

一個(gè)液壓系統(tǒng)中包括多個(gè)控制閥，這些控制閥多采用有管集成和無(wú)管集成兩大類集成方式[1-2]。有管集成方式，主要優(yōu)點(diǎn)是連接方式簡(jiǎn)單，不需要設(shè)計(jì)和制造油路板或油路塊，其缺點(diǎn)是當(dāng)控制元件較多時(shí)，管接頭和管子較多，交錯(cuò)連接，占用空間大，安裝維護(hù)和故障診斷不便，且系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生泄漏，壓力損失大。無(wú)管集成是將液壓控制元件固定在專用或通用的具有通油孔道的輔助連接件上，按輔助連接件的型式不同，有板式、塊式、鏈?zhǔn)?、疊加閥式和插裝式等連接形式，它們的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，組裝方便，其中塊式集成連接方式在大型復(fù)雜電液控制系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，通常做成通用化的六面體油路塊，具有油路通道短，易于加工，壓力損失小，不易泄漏等優(yōu)點(diǎn)。盡管目前有多種集成塊已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，然而現(xiàn)代電液控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化集成塊不能完全滿足用戶和設(shè)計(jì)要求，據(jù)統(tǒng)計(jì)工程實(shí)際中仍有20%～30%回路集成塊需自行設(shè)計(jì)[3-4]。

自20世紀(jì)60年代末以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始研究和使用液壓集成塊技術(shù)，由于集成塊孔系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)方法主要取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)效率低，失誤率高，節(jié)流損失大[5]。隨著CAD和CAE技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了液壓集成塊三維參數(shù)化設(shè)計(jì)以及孔道特性仿真研究[6-9]。基于上述背景，本文將三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Creo與有限元仿真軟件Ansys相結(jié)合，開(kāi)展液壓集成塊實(shí)體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和流場(chǎng)特性聯(lián)合仿真分析。此研究對(duì)提高復(fù)雜液壓控制系統(tǒng)集成塊設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，減少局部阻力損失，優(yōu)化液壓系統(tǒng)回路，易于系統(tǒng)故障診斷等方面具有重要意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 液壓集成塊三維實(shí)體設(shè)計(jì)

液壓集成塊三維實(shí)體設(shè)計(jì)思路為：首先，分析液壓系統(tǒng)回路及各元件的組成結(jié)構(gòu)，繪制液壓集成塊單元等效回路；其次，利用Creo軟件構(gòu)建具有外形結(jié)構(gòu)及聯(lián)接孔系的液壓元件三維實(shí)體模型庫(kù)；第三，依據(jù)聯(lián)接閥塊數(shù)量及尺寸確定集成塊結(jié)構(gòu)尺寸、公用油道孔數(shù)目、孔道直徑；第四，進(jìn)行通油孔間的壁厚確定及其校核計(jì)算；最后，構(gòu)建液壓集成塊三維實(shí)體模型，經(jīng)元件虛擬裝配及孔系干涉檢查確認(rèn)無(wú)誤后，生成并繪制集成塊二維平面圖，修改部分尺寸標(biāo)注，完成液壓集成塊設(shè)計(jì)。

現(xiàn)以比例伺服閥（編號(hào)41）控制伺服液壓缸（編號(hào)75），即電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)為例進(jìn)行介紹，其液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)的額定工作壓力為31.5MPa（最高工作壓力為35 MPa），額定流量為63 L/min，在比例伺服閥A、B工作口裝有壓力表（編號(hào)20.15、20.16）和壓力傳感器（編號(hào)7.15、7.16），壓力傳感器輸出0～10V的電壓信號(hào)，伺服液壓缸集成了內(nèi)置式位移傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)活塞桿的位移。經(jīng)系統(tǒng)回路分析，比例伺服閥、進(jìn)回油管接頭、A和B工作口管接頭、進(jìn)回油壓力表和壓力傳感器等元件需集成液壓集成塊上。

（1）利用Creo軟件構(gòu)建上述各部件三維實(shí)體外形輪廓圖庫(kù)，創(chuàng)建三維實(shí)體圖時(shí)應(yīng)注意不要使用缺省模板inlbs-part-solid英制單位，需使用mmnspart-solid公制單位[10]，并依據(jù)比例伺服閥外形結(jié)構(gòu)及其各元件聯(lián)通關(guān)系，最終確定集成塊閥體材質(zhì)為35號(hào)鋼，外形外形尺寸為120 mm×120 mm×100 mm。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

（2）構(gòu)思連接螺紋孔及通油孔道空間布局關(guān)系，在集成塊的一個(gè)側(cè)面上采用二孔式進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別設(shè)置壓力油孔P和回油孔O各一個(gè)，在其相鄰的側(cè)面設(shè)置工作口A和B各一個(gè)，其孔道直徑則根據(jù)通過(guò)的流量和允許流速進(jìn)行計(jì)算：

式中，q為通油管最大流量，L/min；v為油管中允許流速。注意各管路孔口須按管接頭小徑鉆孔并攻絲。

（3）在集成塊上面設(shè)置與比例伺服閥相通的孔道，其孔口直徑大小應(yīng)與比例伺服閥的油口直徑相同，同時(shí)設(shè)置有四個(gè)連接螺紋孔，其螺紋孔直徑大小應(yīng)滿足螺栓連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。對(duì)于公用孔道，壓力油孔和回油孔的直徑可類比同壓力等級(jí)系列的集成塊孔徑大小來(lái)確定，也可用公式①進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)于工藝孔應(yīng)采用漲球或螺塞堵死。

（4）創(chuàng)建液壓集成塊油路三維實(shí)體模型，對(duì)連通油路進(jìn)行布爾加運(yùn)算和干涉檢查；利用Creo軟件中實(shí)體距離測(cè)量工具，孔系間的最小距離為5 mm，考慮系統(tǒng)工作壓力已超過(guò)6.3 MPa，為防止各孔道間不會(huì)被擊穿，其最小壁厚應(yīng)滿足強(qiáng)度公式：

當(dāng)管內(nèi)最高工作壓力p=35 MPa，孔徑d=10 mm，安全系數(shù)n=4，材料的抗拉極限強(qiáng)度σb=530 MPa[11]，最小壁厚δ≥1.32 mm。實(shí)測(cè)5 mm最小距離滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)的液壓集成塊及閥塊虛擬裝配模型如圖2所示。

圖2 集成塊與閥塊虛擬裝配實(shí)體模型

2 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元仿真分析

公式②可用來(lái)設(shè)計(jì)和校核最小壁厚，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)孔道交匯處進(jìn)行準(zhǔn)確的應(yīng)力分析和計(jì)算。為此，文中基于Ansys Wokbench軟件中的Static Structural模塊對(duì)孔道的受力情況進(jìn)行仿真分析，具體過(guò)程如下：

（1）導(dǎo)入創(chuàng)建幾何模型。啟動(dòng)Wokbench并建立分析項(xiàng)目，導(dǎo)入Creo中已創(chuàng)建的集成塊三維實(shí)體模型。

（2）定義材料屬性參數(shù)。在材料庫(kù)中選擇Structural Steel，定義彈性模量為“2.12e6MPa”、泊松比為0.31，密度為7.85 g/cm3，并將材料添加給幾何模型。

（3）劃分網(wǎng)格。在“Outline”窗口中選擇“Mesh”按鈕，采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格初步劃分，在“Mesh Control”下拉菜單中選擇“Sizing”命令，對(duì)交叉孔系進(jìn)行局部網(wǎng)格控制，在“Element Size”文本框中輸入數(shù)值0.3，單擊“Update”按鈕，完成網(wǎng)格劃分。

（4）添加載荷和約束。選擇“Fixed Support”選項(xiàng)，在集成塊底面的連接螺紋孔處位置施加固定約束；在“Environment”工具欄中選擇“Load”，點(diǎn)擊“Hydrostatic Pressure”命令，設(shè)置流體的包圍面、加載面、靜水壓力的大小及方向，其中靜水壓力為35 MPa。

（5）插入應(yīng)力結(jié)果圖解。在“Outline”窗口中右擊“Solution（A6）”選項(xiàng)，在彈出的快捷菜單中選擇“Insert→Stress→Environment（von-Miss）”命令，完成應(yīng)力結(jié)果圖解定義。

（6）應(yīng)力求解與結(jié)果查看。在工具欄中單擊“Solve”按鈕進(jìn)行求解分析，選擇“Equivalent Stress”命令，查看應(yīng)力結(jié)果如圖3所示，最大應(yīng)力為83.5 MPa，最小應(yīng)力為6.87 MPa，其最大應(yīng)力沒(méi)超過(guò)材料的許用應(yīng)力132.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]孔道相貫刀角容腔處等效應(yīng)力最大，在進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔和鉸孔孔道工藝加工時(shí)，應(yīng)盡量減少或避免應(yīng)力集中。

圖3 應(yīng)力結(jié)果圖解

3 流速變化仿真分析

液壓集成塊內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，一般可看作常密度黏性、不可壓縮、非定常湍流流動(dòng)。其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，時(shí)間域及空間域上連續(xù)物理量的場(chǎng)求解過(guò)程困難，通?；贑FD思想（Computational Fluid Dynamics）求其數(shù)值解，即把控制方程離散化，通過(guò)一定的原則和方式建立離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。

3.1 基本控制方程

3.1.1 質(zhì)量守恒方程

在流場(chǎng)中，流體通過(guò)入口面流入控制體，通過(guò)另一個(gè)面流出控制體，此期間控制體內(nèi)部的流體質(zhì)量也會(huì)發(fā)生變化。由此可導(dǎo)出流體流動(dòng)連續(xù)性方程：

式中，ρ為密度；t為時(shí)間；u，v，ω分別為x，y，z三個(gè)速度方向的速度分量。

3.1.2 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程也稱為運(yùn)動(dòng)方程，或N-S方程，其動(dòng)量隨時(shí)間變化率等于作用于其上的外力總和，其微分形式表達(dá)為：

式中，v為速度；ρ為密度；f為質(zhì)量力；p為壓強(qiáng)力；μ為流體的動(dòng)力粘度。

3.1.3 能量守恒方程

將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于流體運(yùn)動(dòng)，把各項(xiàng)用有關(guān)的流體物理量用方程表示出來(lái)，就是能量方程，即：

3.2 孔道速度仿真分析

流體流經(jīng)液壓集成塊孔道后，受孔系結(jié)構(gòu)的影響，特別是經(jīng)過(guò)鉆孔工藝而留下的刀尖角容腔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能量損失，降低液壓系統(tǒng)工作效率。利用Ansys Wokbench軟件中的CFX模塊計(jì)算集成塊孔道內(nèi)流特性，分析流體速度分布變化規(guī)律，研究貫通進(jìn)回油孔道內(nèi)部產(chǎn)生的全部壓力損失。進(jìn)回油口直徑均為Φ10 mm，所設(shè)計(jì)的液壓集成塊尺寸參數(shù)如圖4所示。設(shè)液壓油采用35#抗磨液壓油，密度ρ=850 kg/m3，粘度μ=0.04 Pa·s，油液的溫度為25℃，進(jìn)口速度為2.3 m/s，出口壓力為0.3 MPa，經(jīng)CFX模塊仿真分析，在CFD-Post結(jié)果后處理平臺(tái)中得到流體流速跡線圖如圖5所示。

圖4 液壓集成塊結(jié)構(gòu)尺寸

圖5 流體流速跡線圖

由圖5可以看出，液壓油在進(jìn)出由孔道的流速較為平穩(wěn)，其跡線近似為直線，壓力損失??；而在兩個(gè)孔道交匯處，由于液流方向突然發(fā)生90°角突變，在刀尖角和流道內(nèi)壁測(cè)出現(xiàn)旋渦現(xiàn)象，旋渦的出現(xiàn)會(huì)造成較大的壓力損失，其壓力損失大小與刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度有關(guān)。刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度α定義為孔道中心線距鉆孔刀尖角的距離，當(dāng)α取不同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)時(shí)，仿真各參數(shù)的壓力損失如表1所示。由表1可知：當(dāng)時(shí)α=45 mm，即0.45倍的孔道直徑，其最小壓力損失為0.02046 MPa；當(dāng)α小于0.45倍孔道直徑時(shí)，壓力損失急劇增加，當(dāng)α=3 mm時(shí)，即0.3倍孔道直徑，其壓力損失達(dá)到0.06857 MPa；當(dāng)α大于4.5倍孔道直徑時(shí)，壓力損失隨刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度的增加而增加?？梢?jiàn)，液壓集成塊刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)既不能過(guò)大，也不能過(guò)小，應(yīng)選取最佳長(zhǎng)度尺寸，此時(shí)可在一定程度上減小系統(tǒng)壓力損失。表1不同刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度時(shí)壓力損失。

表1 不同刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度時(shí)壓力損失

4 結(jié)語(yǔ)

（1）綜合運(yùn)用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Creo與有限元仿真軟件Ansys的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)分析系統(tǒng)油路聯(lián)通關(guān)系，繪制液壓集成塊單元等效回路，利用Creo構(gòu)建液壓元件三維實(shí)體模型庫(kù)，依據(jù)閥塊數(shù)量和結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)思集成塊孔道聯(lián)通關(guān)系，通過(guò)布爾運(yùn)算與干涉檢測(cè)，檢測(cè)分析孔系之間最小壁厚厚度，完成集成塊三維實(shí)體模型構(gòu)建。

（2）利用Ansys Workbench軟件中的Static Structural模塊完成集成塊內(nèi)部孔道的應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)孔道相貫刀角容腔處其等效應(yīng)力最大，在進(jìn)行機(jī)加工時(shí)應(yīng)盡量減少或避免應(yīng)力集中。

（3）基于Ansys Wokbench軟件中的CFX模塊完成集成塊內(nèi)部流場(chǎng)仿真分析，發(fā)現(xiàn)集成塊刀尖角容腔處壓力損失最大，且壓力損失大小與刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度尺寸有關(guān)，設(shè)計(jì)中應(yīng)合理選擇其尺寸長(zhǎng)度，以減小系統(tǒng)壓力損失，提高能源利用效率。