流固耦合下多路閥換向閥塊變形及模態(tài)分析

肖乃鑫，徐雷，冉光在，余方超

流固耦合下多路閥換向閥塊變形及模態(tài)分析

肖乃鑫，徐雷*，冉光在，余方超

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

多路閥廣泛應用于重大裝備領域中，其性能直接影響整機操縱的舒適性和靈活性。在對多路閥閥體進行分析以提升其性能時，內(nèi)部流體對閥體的作用效果不容忽視。在ANSYS Workbench中對某型號電液比例負載敏感多路閥換向閥塊進行流固耦合分析，得到不同閥口開度下，閥體閥芯在流體穩(wěn)定流動時的受力、變形以及自身固有頻率的變化情況。研究結果表明：隨閥口開度的增加，流體對閥體閥芯的作用力逐漸減小，換向閥塊的最大變形逐漸減小。閥體閥芯的固有頻率在流固耦合后降低，閥體閥芯固有頻率減小程度存在差異，各階固有頻率在閥口開度增加中基本保持不變。仿真結果為多路閥在設計與優(yōu)化環(huán)節(jié)中確定強度薄弱區(qū)和顫振補償所用信號選取提供參考，有助于提高整機性能。

多路閥；流固耦合；模態(tài)分析；固有頻率；受力分析

多路閥是一種集成程度很高的主控閥，因具備結構緊湊、管路連接簡單等優(yōu)點而廣泛用于工程機械、航空航天、船舶、陸裝等重大裝備領域[1-2]。與液壓系統(tǒng)的其他部件相比，多路閥具有更為復雜的結構，其內(nèi)部流體的運動狀態(tài)及閥體受力情況也更為復雜，因此對多路閥的閥體及內(nèi)部流體進行有限元分析，對于提高流場穩(wěn)定性和優(yōu)化閥體閥芯結構十分必要。

眾多學者針對多路閥進行了有限元分析，孫澤剛等[3]應用FLUENT軟件對多路閥雙U型節(jié)流槽空化流動進行分析，找到了影響空化的組合參數(shù)，并對節(jié)流槽進行優(yōu)化；張晉等[4]采用CFD流場仿真技術和PIV可視化測速技術得到不同閥口開度和流量下的某系列雙閥芯電液比例多路閥的流場分布情況，定性分析了能量損失和噪聲；張曉俊等[5]采用兩相流模型研究內(nèi)流式滑閥流場分布，并分析閥口開度、流量變化對閥芯壁面壓力分布及穩(wěn)態(tài)液動力的影響。上述研究中單獨分析了多路閥的閥體與流體，對閥芯進行結構優(yōu)化及分析內(nèi)部流體的流動情況，很少去探究流體與閥體閥芯間的作用，特別是流體對閥體閥芯的作用力及模態(tài)特性產(chǎn)生的影響，包括閥體閥芯的受力、變形及其自身固有頻率的變化，而這些變化情況是多路閥性能研究、閥體設計與優(yōu)化環(huán)節(jié)的基礎。

本文采用ANSYS Workbench對多路閥換向閥塊進行流固耦合分析，將流體分析的結果導入固體靜應力分析中，得到閥體與閥芯在流體穩(wěn)定流動時的受力、變形情況。再分別對閥體與閥芯進行模態(tài)分析，得到固有頻率的變化情況。結果可為多路閥設計環(huán)節(jié)提供參考。

1 電液比例負載敏感多路閥工作原理

某型電液比例負載敏感多路閥原理如圖1所示。該多路閥中具備三個對應三種功能的關鍵元件[6-7]：①三通流量閥通過開度調(diào)節(jié)分流多余流量，保證供給各執(zhí)行器的壓力與其負載相匹配，實現(xiàn)負載敏感控制；②閥后壓力補償閥保證各滑閥進出口壓差相等，當泵流量不能為所有功能提供所需的額定流量時，系統(tǒng)中的單個執(zhí)行器不會停止動作，所有執(zhí)行機構動作的速度將同比降低，實現(xiàn)流量分配與負載壓力無關；③電比例減壓閥通過電機轉換功能，輸出與輸入電信號對應的壓力，主閥閥芯在該壓力的作用下克服摩擦力和彈簧預壓力后按比例移動，改變進入執(zhí)行機構的流量，實現(xiàn)電液比例控制。

1.先導油路減壓閥；2.先導油路安全閥；3.恒流閥；4.反饋油路安全閥；5.三通流量閥；6.主油路安全閥；7.電比例減壓閥；8.二次溢流閥；9.主閥；10.閥后壓力補償閥。

在使用過程中，控制對象的運動精度與多路閥的性能密切相關，閥塊的受力變形會導致閥性能下降甚至失效。同時，在電液比例控制中引入顫振信號以進行摩擦補償、提升控制精度時[8]，疊加的顫振信號頻率需避開固有頻率以避免共振。因此，研究流體作用下多路閥受力，變形和固有頻率情況可為多路閥設計提供準確的參考，有助于提升多路閥自身性能。

2 流固耦合仿真

考慮多路閥換向閥塊工作狀態(tài)下的流固耦合問題，該過程包括內(nèi)部流體的流動以及流體與閥固體界面間的力與位移的傳遞[9]。當流體的應力變量與固體的位移變量同時映射到對方，即實現(xiàn)雙向流固耦合分析；當僅實現(xiàn)流體應力變量到固體的映射時，即實現(xiàn)單向流固耦合分析[10]。本文采用單向流固耦合分析。

將多路閥換向閥塊的閥體和閥芯將模型導入Workbench，提取出中間流道，得到的流道與閥體閥芯結構如圖2所示。

圖2 流道與閥體閥芯結構

2.1 初始條件設置

本文中流體采用L-HM32#抗磨液壓油，閥體材料為灰鑄鐵，閥芯材料為不銹鋼，其主要參數(shù)如表1、表2所示。

表1 流體材料參數(shù)

表2 固體材料參數(shù)

流體分析初始設置條件[11]：①假設閥體閥芯加工良好，裝配準確，流體與壁面間為無滑移邊界；②不考慮重力及熱效應；③由于流道結構復雜，流體的流動狀態(tài)為湍流，故選擇-標準模型。邊界條件參數(shù)設置如表3所示。

表3 流體仿真邊界條件

靜應力分析初始設置條件為：閥芯閥體間的接觸為綁定接觸，閥芯的左右端面、閥體左右端面及下表面受固定約束。

2.2 仿真分析結果

2.2.1 流場分析

運用FLUENT對滑閥閥芯在不同位置處的P－A和B－T流域的流體流動狀況進行仿真分析，得到相應的流場速度云圖如圖3所示，在流體入口與出口壓力保持不變的情況時，在節(jié)流口作用下P－A流域的流體在流出節(jié)流口后流速達到最大；在閥的開度逐漸增加過程中，節(jié)流口后的流體流速始終保持最大；當閥口開度由1 mm增大到2 mm時，流體的最大流速明顯增大；當閥口開度由2 mm增大到4 mm過程中，流體的最大流速變化趨勢降低，此時隨著閥口開度的增大，流量逐漸增大，使換向閥塊實現(xiàn)其功能，即通過調(diào)節(jié)閥芯位移來控制輸出流量，進而控制執(zhí)行器運動狀態(tài)。

2.2.2 閥體閥芯受力與變形分析

將流體分析結果中流體壁面壓力作為載荷作用在與之耦合的固體表面，對閥體閥芯進行靜力學分析以研究流固耦合分析中固體所受影響[12-13]。圖4為閥口開度4 mm時閥體與閥芯的受力情況。不同閥口開度下閥體閥芯所受載荷情況如圖5所示，可以看出，隨著閥口開度的增加，流體對固體的作用力整體呈減小趨勢。

圖3 不同閥口開度下兩流道流場速度云圖

將多路閥內(nèi)部流體對固體的作用力耦合到閥體閥芯上，得到流固耦合作用下的多路閥閥塊變形情況。圖6為不同閥口開度下閥體與閥芯的總變形云圖，可以看出，隨閥口開度的增大，閥體總變形逐漸增大，閥體閥芯的變形在P口處和A口附近與空置B口間的壁面處較大，易出現(xiàn)疲勞破壞，是需要進行優(yōu)化的薄弱區(qū)。

圖4 閥口開度為4 mm時閥體閥芯壓力載荷

圖5 不同閥口開度下閥體與閥芯所受壓力載荷

2.2.3 閥體閥芯固有頻率分析

由以上受力與變形的結果可知，隨著閥口開度的增加，多路閥換向塊整體所受載荷發(fā)生變化，進而使其模態(tài)受到載荷的影響而改變。因此，流固耦合后的換向閥塊的模態(tài)反映了其工作狀態(tài)下的真實狀態(tài)。

圖6 不同開度下固體總變形云圖

采用前文的邊界條件，對換向閥塊整體進行模態(tài)分析，得到換向閥塊的前六階模態(tài)情況，如表4所示，其中換向閥塊的一階模態(tài)如圖7所示。各階模態(tài)下?lián)Q向閥塊的最大變形為20.215～24.589 mm。由仿真結果得到換向閥塊整體的固有頻率較高。

為了進一步分析流體穩(wěn)定流動時閥體與閥芯自身固有頻率的變化情況，對流固耦合后的閥體閥芯整體、閥芯、閥體分別進行模態(tài)分析，其中整體的固定約束方式與前文一致，單獨分析時采用兩端固定約束方式。

圖7 閥口開度1 mm時換向閥塊的一階模態(tài)

表4 閥口開度1 mm時換向閥塊前六階固有頻率

將模態(tài)結果與無流固耦合時進行對比，得到前六階固有頻率，如表5～7所示。分析得到：閥口開度為1 mm時，與無流固耦合時相比，整體各階固有頻率分別減小0.080%、0.473%、0.228%、0.145%、0.050%、0.135%；閥體各階固有頻率分別減小0.009%、0.044%、0.002%、0.007%、0.001%、0.001%；閥芯各階固有頻率分別減小1.011%、0.178%、0.837%、0.286%、0.225%、0.0924%。這些數(shù)據(jù)表明，在流固耦合后，整體、閥體和閥芯的固有頻率均降低。單獨分析時，閥體閥芯固定約束方式相同，但閥體與閥芯的固有頻率減小程度存在差異。這是閥體與閥芯間結構及剛度和所受載荷的綜合作用的結果。同時，隨閥體開度的增加，固有頻率幾乎沒有改變。結果表明在工作狀態(tài)中，流體對固體的作用相當于對固體施加了預應力，使得其固有頻率降低；在閥口逐漸開啟的過程中，由于該作用力變化程度較小，其對固有頻率的影響也較小，故固有頻率幾乎沒有變化。

可見，在對多路閥的閥體閥芯進行有限元分析時，考慮流固耦合作用可獲取某確定工況條件下的多路閥換向閥塊的閥體閥芯的受力變形情況，可在多路閥設計中確定強度薄弱區(qū)以供后續(xù)優(yōu)化。同時更為準確的模態(tài)信息為顫振摩擦補償中顫振輸入信號頻率的確定提供參考，以避免共振。

表5 不同狀態(tài)下整體的前六階固有頻率

注：1 mm、2 mm、3 mm、4 mm為有流固耦合不同閥口開度。

表6 不同狀態(tài)下閥芯的前六階固有頻率

注：1 mm、2 mm、3 mm、4 mm為有流固耦合不同閥口開度。

表7 不同狀態(tài)下閥體的前六階固有頻率

注：1 mm、2 mm、3 mm、4 mm為有流固耦合不同閥口開度。

3 結論

通過對在不同閥口開度下的多路閥換向閥塊進行流固耦合分析，結論如下：

（1）隨著閥口開度的增加，流體對閥體閥芯的作用力的最大、最小值不斷減小，閥體閥芯的總變形最大值不斷減小；

（2）在考慮流固耦合作用后進行模態(tài)分析，得到的固有頻率比無流固耦合時小，且閥體與閥芯的固有頻率受影響程度存在差異。在閥口逐漸開啟的過程中，閥體與閥芯的固有頻率基本保持不變；

（3）考慮流固耦合作用的多路閥受力與模態(tài)分析結果更符合實際應用的工況，仿真結果可供多路閥的設計與優(yōu)化環(huán)節(jié)參考。

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Deformation and Modal Analysis of Directional Valve Block of Multi-Way Valve under Fluid-Solid Coupling

XIAO Naixin，XU Lei，RAN Guangzai，YU Fangchao

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Multi-way valves are used in construction machinery and other major equipment fields. Their performance directly affects the comfort and flexibility in operating the entire machine. In order to improve its performance, the multi-way valve was analyzed and we found that the effect of internal fluid on the valve body could not be ignored. To obtain the effect of the fluid on the valve, the multi-way valve block was analyzed by fluid-solid coupling in ANSYS workbench. The force, the deformation of the valve body and the spool and the change of their natural frequencies were obtained under different valve openings when the fluid flowed stably. The research results show that with the increase of the valve opening, the force of the fluid on the valve core gradually decreases, and the maximum deformation of the reversing valve block gradually decreases. The natural frequency of the valve body and spool decreases after fluid-solid coupling. The reduction of the natural frequency of the valve body and spool is varied, and the natural frequencies of each order remain basically constant as the valve opening increases. The simulation results provide a reference for the design and optimization of multi-way valve in determining the weakened area and the signal used for flutter compensation, which is helpful to improve the performance of the whole machine.

multi-way valve；fluid-solid coupling；modal analysis；natural frequency；force analysis

TH137.52

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.04.004

1006-0316 (2022) 04-0019-06

2021-04-22

四川省科技支撐項目（2021YFG0060）

肖乃鑫（1997－），女，吉林舒蘭人，碩士，主要研究方向為數(shù)字化設計與制造、液壓傳動與控制技術等，E-mail：2358887215@qq.com。*通訊作者：徐雷（1973－），女，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向為數(shù)字化設計與制造、智能制造，E-mail：xulei@scu.edu.cn。