基于AMESim的安溢活門系統(tǒng)動力學(xué)仿真

劉靖東　喻天翔　宋筆鋒　金朋

摘要：在對安溢活門工作原理和動態(tài)特征方程研究的基礎(chǔ)上，建立安溢活門及其試驗系統(tǒng)的AMESim模型，對試驗過程中安溢活門的動態(tài)特性進行數(shù)值仿真，從系統(tǒng)角度研究該安溢活門系統(tǒng)整體性能.仿真結(jié)果與試驗測試結(jié)果吻合較好，并著重研究主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等參數(shù)對安溢活門動態(tài)特性的影響，進而為系統(tǒng)整體性能優(yōu)化提供分析設(shè)計支持.

關(guān)鍵詞：安溢活門； AMESim； 系統(tǒng)仿真； 動態(tài)特性； 流固耦合

中圖分類號： V434.1

文獻標(biāo)志碼： B

0引言

安溢活門是一種能依靠氣體介質(zhì)本身自有的能量實現(xiàn)管路自動開閉的機械裝置.作為液體火箭增壓輸送系統(tǒng)的一種多功能元件，安溢活門可在地面測試和空中飛行時作為安全閥使用，在貯箱卸壓和加注時作為排氣閥使用，在加注過量或加注設(shè)備不能正常工作導(dǎo)致不能停止加注時作為溢出閥使用.與安全閥等閥門一樣，安溢活門在使用過程中存在振動和鳴叫等問題，發(fā)生振動鳴叫的主要原因是系統(tǒng)動態(tài)特性不滿足穩(wěn)定性需求.振動鳴叫直接導(dǎo)致敏感元件膜片疲勞破裂，致使安溢活門功能失效，進而影響發(fā)射的成敗，因此對安溢活門動態(tài)特性開展深入研究有重要的工程應(yīng)用價值.

目前，研究活門動態(tài)特性主要采用試驗和數(shù)值分析兩種方法.試驗方法直接、可靠，但費用相對較高，數(shù)值分析方法經(jīng)濟、快捷，而且可以分析出試驗難以考核的工況，有助于全面系統(tǒng)地了解產(chǎn)品特性.數(shù)值分析方法主要包括流固耦合仿真和系統(tǒng)動力學(xué)仿真.流固耦合仿真偏重于從場的角度研究局部耦合的影響，可以精細地分析流固耦合作用，但是存在計算量大和分析周期長的弊端；系統(tǒng)動力學(xué)仿真主要對局部影響進行簡化，著重從系統(tǒng)角度研究整體性能，可以方便地進行大量的數(shù)值試驗，并進行系統(tǒng)整體性能尋優(yōu).

作為一種數(shù)值預(yù)測方法，系統(tǒng)動力學(xué)仿真在很多領(lǐng)域已取得很大發(fā)展.國外學(xué)者采用數(shù)值仿真方法對彈（箭）體活門動態(tài)特性進行過大量分析研究工作.SORLI等[1]對氣動壓力閥進行仿真和試驗研究；SCHALLHORN[2]對推進系統(tǒng)多種瞬態(tài)變化下壓力調(diào)節(jié)器的響應(yīng)機制進行仿真分析；YANG等[3]采用數(shù)值仿真方法分析主要設(shè)計參數(shù)變化對肼基燃料衛(wèi)星推進系統(tǒng)輸送行為的影響.在國內(nèi)，武唯強等[4]對恒壓加載式冷氦壓力調(diào)節(jié)器進行仿真研究；張煒等[5]對液體導(dǎo)彈動力系統(tǒng)過渡工作過程和動態(tài)故障特性進行數(shù)值仿真.

AMESim提供一個復(fù)雜多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)工程設(shè)計平臺，采用集總參數(shù)方法建模，將流體、機械、液壓、氣動、熱、電、磁和控制等學(xué)科領(lǐng)域的物理原型進行抽象，并進行不同功能單元模塊分割，進而劃分歸類形成機械、液壓、氣動、控制、熱和電磁等模型庫；不同學(xué)科間模塊直接連接，可以方便地進行多學(xué)科多領(lǐng)域系統(tǒng)工程建模.

本文建立安溢活門主閥、指揮閥及其試驗系統(tǒng)的AMESim系統(tǒng)動力學(xué)模型，對安溢活門試驗過程中的動態(tài)特性進行數(shù)值仿真，研究系統(tǒng)各參數(shù)對安溢活門動態(tài)特性的影響.

1安溢活門工作原理

箭體一、二級及助推器所用安溢活門采用指揮式結(jié)構(gòu)，由主閥和副閥組成，副閥控制主閥啟閉.[6]主閥膜片將閥腔分成主閥腔（A）和背壓腔（B）；副閥膜片感受壓力變化，控制背壓腔的壓力充放.工作原理見圖1.

2閥門動力學(xué)特征方程

閥門動力學(xué)特征方程詳見文獻[7]，主要包括運動系統(tǒng)動力學(xué)方程、氣動系統(tǒng)動力學(xué)方程、熱系統(tǒng)動力學(xué)方程、電路系統(tǒng)動力學(xué)方程和電磁系統(tǒng)動力學(xué)方程等.

2.1運動系統(tǒng)動力學(xué)方程

3安溢活門AMESim模型

與功率鍵合圖法類似，AMESim建模方法采用集總參數(shù)方法，將系統(tǒng)不同功能單元進行模塊分割，劃分為機械、液壓、氣動和控制等模型庫，用圖形方式描述系統(tǒng)中各元件的相互關(guān)系，反映元件間的負載效應(yīng)和系統(tǒng)中功率流動情況.元件間可雙向傳遞數(shù)據(jù)，且變量一般具有實際物理意義，遵循因果關(guān)系.系統(tǒng)AMESim模型與系統(tǒng)工作原理圖非常接近，能更直觀地反映系統(tǒng)工作原理[9]，而且可以在仿真過程監(jiān)視方程特性并自動選擇求解算法以獲得最佳結(jié)果，省去求解算法的選擇，使設(shè)計人員能夠更多地關(guān)注仿真物理模型.

根據(jù)安溢活門工作原理，安溢活門及其試驗系統(tǒng)[1]主要劃分為質(zhì)量彈簧阻尼模型、平板閥模型、氣容模型、管路模型、孔板模型、活塞模型和膜片模型等.主副膜片剛度由結(jié)構(gòu)有限元計算給出，系統(tǒng)AMESim模型見圖2，上半部分模擬指揮閥，下半部分模擬主閥.

4仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

采用非接觸測量得到的安溢活門試驗過程中，大流量性能試驗時主活閥動態(tài)位移與仿真結(jié)果的對比見圖3，可知：仿真結(jié)果較準(zhǔn)確地模擬開閥的動態(tài)調(diào)整過程，且試驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果趨于同一開度，調(diào)整頻率與試驗幾乎完全吻合，但調(diào)整幅值仿真結(jié)果比試驗結(jié)果稍大.其主要原因是系統(tǒng)動力學(xué)仿真方法不考慮流場的不均勻性及非定常性，必然造成作用在運動部件上壓強計算的誤差.開閥之始，該誤差在活閥驅(qū)動力中相對較小，因此仿真較準(zhǔn)確地計算出第一次調(diào)整的幅值；隨著不平衡力的減小，活閥振動位移不斷減小，誤差在不平衡力中所占比重增加，因此幅值誤差越來越大，以至于試驗測量幅值增加主要由系統(tǒng)不穩(wěn)定造成.

5仿真結(jié)果分析

在正確模擬安溢活門試驗過程中動態(tài)特性基礎(chǔ)上，研究系統(tǒng)參數(shù)對動態(tài)性能的影響，主要包括主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等.

5.1主副彈簧剛度影響

由圖4和5可知：主彈簧剛度對系統(tǒng)動態(tài)位移和壓強特性影響很小，副彈簧剛度對動態(tài)位移影響也較小，對主閥腔壓強影響則相對較大；副彈簧剛度越大主閥腔壓強沖值越高，波動周期越長.從系統(tǒng)靈敏度角度考慮應(yīng)選用剛度較小的副彈簧，不同副彈簧剛度造成的穩(wěn)定壓強的不同，可通過副彈簧預(yù)壓調(diào)整.

5.2主副膜片剛度影響

0.75，1.00和1.25倍現(xiàn)有主膜片剛度下主活閥動態(tài)位移和主閥腔壓強曲線見圖6，可知，主膜片剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大，體現(xiàn)在對振動幅值的影響上：主膜片剛度越大振動幅值越小，振動越容易趨于穩(wěn)定；主膜片剛度對振動頻率的影響則很小，主要是由于安溢活門采用指揮式結(jié)構(gòu)，主活閥動態(tài)特性主要由指揮閥性能決定.

0.75，1.00和1.25倍現(xiàn)有副膜片剛度下主活閥動態(tài)位移和主閥腔壓強曲線見圖7，可知，副膜片剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響與副彈簧相似，因此應(yīng)選用剛度小的膜片.由于剛度與強度密切相關(guān)，在實際設(shè)計中從安全角度出發(fā)，應(yīng)協(xié)調(diào)考慮副膜片剛度與副彈簧剛度，在滿足靈敏性和精度的前提下盡量采用剛度大的副膜片.

5.3主副膜片有效面積影響

由圖8可知，主膜片有效面積對動態(tài)特性影響很大：主膜片有效面積越大，主活閥振動幅值越大，振動越不容易趨于穩(wěn)定，主閥腔壓強波動幅值越大，波動頻率越高.因此，在滿足開啟要求的情況下，應(yīng)盡量減小主膜片的有效面積.

6結(jié)論

通過建立安溢活門及其試驗系統(tǒng)AMESim模型，對安溢活門動態(tài)特性進行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，且通過AMESim仿真可以得到與分析系統(tǒng)方程相同的結(jié)論.著重研究主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等對安溢活門動態(tài)特性的影響.

（1）相對于主彈簧，副彈簧剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性影響更大，在保證系統(tǒng)精度的前提下應(yīng)盡量減小副彈簧剛度，增大主彈簧剛度.

（2）主副膜片剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大，在保證系統(tǒng)精度前提下應(yīng)盡量采用剛度大的膜片.

（3）膜片有效面積對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大，在滿足系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性前提下應(yīng)盡量減小主膜片有效面積，增大副膜片有效面積.

（4）主活閥摩擦阻尼適當(dāng)增加可使波動周期延長，過大的摩擦力則會造成主活閥低壓回位延遲現(xiàn)象.

（5）泄壓間隙及背壓腔容積對系統(tǒng)動態(tài)特性影響較大，在工程設(shè)計時應(yīng)首先保證其他參數(shù)的優(yōu)化和可靠，在滿足精度及穩(wěn)定性要求的前提下最后對泄壓間隙和背壓腔容積進行優(yōu)化設(shè)計.

安溢活門及其試驗系統(tǒng)AMESim仿真模型的建立，為全面了解和系統(tǒng)掌控活門動態(tài)特性提供有力工具，為試驗故障模式提供定性分析工具，極大地提高對安溢活門動態(tài)特性的認識，同時也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供直接指導(dǎo).但是，由于該方法固有的局限性，系統(tǒng)動力學(xué)模型不能反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜非定常流場對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，也不能反映流固耦合作用的影響.國內(nèi)更急需對閥門系統(tǒng)流固耦合和非定常流動模擬方面的研究，為此有必要結(jié)合計算流體動力學(xué)以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)，開展流固耦合數(shù)值模擬研究，徹底解決安溢活門動態(tài)特性和參數(shù)優(yōu)化問題.

參考文獻：

[1]SORLI M， FIGLIOLINI G， PASTORELLI S. Dynamic model and experimental investigation of a pneumatic proportional pressure valve[J]. IEEE/ASME Trans Mechatronics， 2004， 9（1）： 7886.

[2]SCHALLHORN P A. Forward looking pressure regulator algorithm for improved modeling performance within the generalized fluid system simulation program[C]//40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf & Exhibit， Fort Lauderdale， 2004.

[3]YANG AnShik， KUO TienChuan. Design analysis of a satellite hydrazine propulsion system[J]. J Propulsion & Power， 2001， 18（2）： 270279.

[4]武唯強， 王海洲. 恒壓加載式冷氦壓力調(diào)節(jié)器的建模與仿真[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)， 2001（6）： 2732.

[5]張煒， 徐志高， 黃先祥. 液體推進劑導(dǎo)彈全動力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)故障仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004， 15（9）： 12051209.

[6]宋鴻堯， 丁忠堯. 液壓閥設(shè)計與計算[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 1982： 10.

[7]劉靖東， 隋國發(fā)， 婁路亮. 液體火箭增壓輸送系統(tǒng)多學(xué)科動力學(xué)研究[J]. 中國科學(xué)： E輯： 技術(shù)科學(xué)， 2009， 39（3）： 474481.

[8]LAFOND A. Numerical simulation of the flow field inside a hot gas valve， AIAA 994087[R]. 1999.

[9]袁洪濱， 張民慶， 孫彥堂. 基于AMESim的直動式電磁閥動態(tài)仿真研究[J].火箭推進， 2011， 37（5）： 3035.

（編輯于杰）

5.2主副膜片剛度影響

0.75，1.00和1.25倍現(xiàn)有主膜片剛度下主活閥動態(tài)位移和主閥腔壓強曲線見圖6，可知，主膜片剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大，體現(xiàn)在對振動幅值的影響上：主膜片剛度越大振動幅值越小，振動越容易趨于穩(wěn)定；主膜片剛度對振動頻率的影響則很小，主要是由于安溢活門采用指揮式結(jié)構(gòu)，主活閥動態(tài)特性主要由指揮閥性能決定.

0.75，1.00和1.25倍現(xiàn)有副膜片剛度下主活閥動態(tài)位移和主閥腔壓強曲線見圖7，可知，副膜片剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響與副彈簧相似，因此應(yīng)選用剛度小的膜片.由于剛度與強度密切相關(guān)，在實際設(shè)計中從安全角度出發(fā)，應(yīng)協(xié)調(diào)考慮副膜片剛度與副彈簧剛度，在滿足靈敏性和精度的前提下盡量采用剛度大的副膜片.

5.3主副膜片有效面積影響

由圖8可知，主膜片有效面積對動態(tài)特性影響很大：主膜片有效面積越大，主活閥振動幅值越大，振動越不容易趨于穩(wěn)定，主閥腔壓強波動幅值越大，波動頻率越高.因此，在滿足開啟要求的情況下，應(yīng)盡量減小主膜片的有效面積.

6結(jié)論

通過建立安溢活門及其試驗系統(tǒng)AMESim模型，對安溢活門動態(tài)特性進行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，且通過AMESim仿真可以得到與分析系統(tǒng)方程相同的結(jié)論.著重研究主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等對安溢活門動態(tài)特性的影響.

（1）相對于主彈簧，副彈簧剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性影響更大，在保證系統(tǒng)精度的前提下應(yīng)盡量減小副彈簧剛度，增大主彈簧剛度.

（2）主副膜片剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大，在保證系統(tǒng)精度前提下應(yīng)盡量采用剛度大的膜片.

（3）膜片有效面積對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大，在滿足系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性前提下應(yīng)盡量減小主膜片有效面積，增大副膜片有效面積.

（4）主活閥摩擦阻尼適當(dāng)增加可使波動周期延長，過大的摩擦力則會造成主活閥低壓回位延遲現(xiàn)象.

（5）泄壓間隙及背壓腔容積對系統(tǒng)動態(tài)特性影響較大，在工程設(shè)計時應(yīng)首先保證其他參數(shù)的優(yōu)化和可靠，在滿足精度及穩(wěn)定性要求的前提下最后對泄壓間隙和背壓腔容積進行優(yōu)化設(shè)計.

安溢活門及其試驗系統(tǒng)AMESim仿真模型的建立，為全面了解和系統(tǒng)掌控活門動態(tài)特性提供有力工具，為試驗故障模式提供定性分析工具，極大地提高對安溢活門動態(tài)特性的認識，同時也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供直接指導(dǎo).但是，由于該方法固有的局限性，系統(tǒng)動力學(xué)模型不能反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜非定常流場對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，也不能反映流固耦合作用的影響.國內(nèi)更急需對閥門系統(tǒng)流固耦合和非定常流動模擬方面的研究，為此有必要結(jié)合計算流體動力學(xué)以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)，開展流固耦合數(shù)值模擬研究，徹底解決安溢活門動態(tài)特性和參數(shù)優(yōu)化問題.

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[9]袁洪濱， 張民慶， 孫彥堂. 基于AMESim的直動式電磁閥動態(tài)仿真研究[J].火箭推進， 2011， 37（5）： 3035.

（編輯于杰）

5.2主副膜片剛度影響

0.75，1.00和1.25倍現(xiàn)有主膜片剛度下主活閥動態(tài)位移和主閥腔壓強曲線見圖6，可知，主膜片剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大，體現(xiàn)在對振動幅值的影響上：主膜片剛度越大振動幅值越小，振動越容易趨于穩(wěn)定；主膜片剛度對振動頻率的影響則很小，主要是由于安溢活門采用指揮式結(jié)構(gòu)，主活閥動態(tài)特性主要由指揮閥性能決定.

0.75，1.00和1.25倍現(xiàn)有副膜片剛度下主活閥動態(tài)位移和主閥腔壓強曲線見圖7，可知，副膜片剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響與副彈簧相似，因此應(yīng)選用剛度小的膜片.由于剛度與強度密切相關(guān)，在實際設(shè)計中從安全角度出發(fā)，應(yīng)協(xié)調(diào)考慮副膜片剛度與副彈簧剛度，在滿足靈敏性和精度的前提下盡量采用剛度大的副膜片.

5.3主副膜片有效面積影響

由圖8可知，主膜片有效面積對動態(tài)特性影響很大：主膜片有效面積越大，主活閥振動幅值越大，振動越不容易趨于穩(wěn)定，主閥腔壓強波動幅值越大，波動頻率越高.因此，在滿足開啟要求的情況下，應(yīng)盡量減小主膜片的有效面積.

6結(jié)論

通過建立安溢活門及其試驗系統(tǒng)AMESim模型，對安溢活門動態(tài)特性進行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，且通過AMESim仿真可以得到與分析系統(tǒng)方程相同的結(jié)論.著重研究主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等對安溢活門動態(tài)特性的影響.

（1）相對于主彈簧，副彈簧剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性影響更大，在保證系統(tǒng)精度的前提下應(yīng)盡量減小副彈簧剛度，增大主彈簧剛度.

（2）主副膜片剛度對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大，在保證系統(tǒng)精度前提下應(yīng)盡量采用剛度大的膜片.

（3）膜片有效面積對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很大，在滿足系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性前提下應(yīng)盡量減小主膜片有效面積，增大副膜片有效面積.

（4）主活閥摩擦阻尼適當(dāng)增加可使波動周期延長，過大的摩擦力則會造成主活閥低壓回位延遲現(xiàn)象.

（5）泄壓間隙及背壓腔容積對系統(tǒng)動態(tài)特性影響較大，在工程設(shè)計時應(yīng)首先保證其他參數(shù)的優(yōu)化和可靠，在滿足精度及穩(wěn)定性要求的前提下最后對泄壓間隙和背壓腔容積進行優(yōu)化設(shè)計.

安溢活門及其試驗系統(tǒng)AMESim仿真模型的建立，為全面了解和系統(tǒng)掌控活門動態(tài)特性提供有力工具，為試驗故障模式提供定性分析工具，極大地提高對安溢活門動態(tài)特性的認識，同時也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供直接指導(dǎo).但是，由于該方法固有的局限性，系統(tǒng)動力學(xué)模型不能反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜非定常流場對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，也不能反映流固耦合作用的影響.國內(nèi)更急需對閥門系統(tǒng)流固耦合和非定常流動模擬方面的研究，為此有必要結(jié)合計算流體動力學(xué)以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)，開展流固耦合數(shù)值模擬研究，徹底解決安溢活門動態(tài)特性和參數(shù)優(yōu)化問題.

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[9]袁洪濱， 張民慶， 孫彥堂. 基于AMESim的直動式電磁閥動態(tài)仿真研究[J].火箭推進， 2011， 37（5）： 3035.

（編輯于杰）