基于ADINA的液壓錐閥流場解析

張 婧 王基生 張俊俊 宋紅文 徐 丹

(西南科技大學制造科學與工程學院 四川綿陽 621010)

錐閥是可移動的錐形閥芯對流體流過截面進行控制的閥，是液壓系統中重要元件之一，廣泛應用于單向閥、溢流閥、減壓閥等各種液壓閥中。錐閥在工作過程中，流體在其中的流動情況是十分復雜的，當液體流經錐閥閥口時，其動量、方向、流速都在改變，必然影響到其內部液壓力的變化，同時影響到閥的穩定性從而影響到工作裝置的穩定性［1－4］。所以，對錐閥流場的研究就顯得非常必要。

ADINA作為有限元軟件中的一種，在研究流固耦合問題方面有其獨特的特點。進行流固耦合計算時，需要分別在ADINA中建立結構模型和流體模型，然后把兩個模型一起放到ADINA流固耦合求解器中進行求解。

1 建立模型

1.1 幾何模型

在結構上，閥一般由閥體、閥芯和驅使閥芯動作的部件組成。錐閥作用類似旋塞閥，閥口開啟時處于工作狀態，閥口關閉時，閥芯與閥座孔之間為線密封，因此不僅密封性能好，而且動作靈敏，閥口開啟無死區。

液壓錐閥有內流式和外流式兩種類型，論文以外流式錐閥為研究對象，在AutoCAD，Pro/E軟件中分別建立了外流式錐閥的整體模型及二維、三維的流體與結構固體模型。因為錐閥結構是完全對稱的，所以進行仿真分析時，流體和結構固體模型只建了一半。如圖1所示。

研究不同情況下流體對錐閥的影響，需要建立不同情況下的模型。本文分別建立了開口度2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，開口度為 4 mm 時，入口速度為 0.05 m/s，0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s，0.25 m/s與閥芯錐角為 60°，90°，120°，150°流體模型和結構固體模型。

圖1 錐閥流體和結構固體模型Fig.1 Themodels of poppet valve’s fluid and structure solid

1.2 數學模型

流體模型假設為牛頓流體、紊流狀態，忽略質量力的影響。根據伯努利方程，密度的變化量可近似為，因為流體本身的速度遠小于流體的波速，密度變化趨于零，所以假設流體為不可壓縮流體。該理想不可壓縮流體的微分方程(歐拉方程)如下所示:

2 仿真條件設置

2.1結構固體條件設定

錐閥以45號鋼為材料，其材料參數如表1所示。

表1 結構固體材料參數Table1 Structure solid material parameters

二維模型以錐閥閥芯的中心線和閥體的外邊界線為約束邊界，三維圖形中以錐閥閥芯的中心面和閥體的外邊界面為約束邊界。設定流固耦合模型時，流體與固體同時設定耦合邊界條件。在劃分網格之前，先劃分網格密度。根據本文研究的內容，模型的網格劃分類型屬于連續網格。二維模型網格密度設定為2，三維模型網格密度設定為0.005。以開口度為2 mm的結構固體模型為例，二維結構固體模型劃分了1 452個網格，三維結構固體模型劃分出了17 959個網格。

2.2 流體條件設定

本文流體設定為工程機械液壓系統常用的液壓油。液壓油的各個參數如表2所示。

表2 液壓油參數Table 2 Hydraulic oil parameters

流體模型特殊邊界的設定要與結構固體的設定保持一致。流體模型邊界是對稱邊界，通常施加在兩邊對稱的流動邊界上有個條件，這個條件是:

這個條件不需要參數，可以施加在二維的邊界線或三維的邊界面上。流體模型的特殊邊界條件設定完之后，二維圖形中的B，C邊界(綠色)和三維圖形中的B，C面邊界(綠色)即為流固耦合邊界。

在流體模型上需要施加兩個載荷，即進口速度和出口壓強。當開口度不同，進口速度相同時，設置速度為0.1 m/s，出口壓強為大氣壓。當開口度相同時，進口速度分別設置為 0.05 m/s，0.10 m/s，0.15 m/s，0.20 m/s，0.25 m/s，出口壓強為大氣壓。

ADINA－F分別支持下列單元類型:2－D流體單元、3－D流體單元。需要注意的是，二維流體模型需要將元素類型設置為平面。

設定網格密度:同結構固體一樣，不同的是，閥口附近區域速度梯度與壓力梯度較大，因此，流體模型在節流口處各加密10層，即網格密度是其他地方的10倍。模型的網格劃分類型屬于連續網格，二維和三維模型都選3個節點。以開口度為2 mm流體模型為例，二維流體模型劃分了2 329個網格;三維流體模型劃分出了52 904個網格。

3 仿真結果及分析

3.1 開口度不同

其他條件相同，對開口度分別為2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm的結構固體和流體進行仿真分析。在ADINA的后處理中分別得到了流體速度矢量圖、流體和結構固體的壓力云圖及動畫顯示。如圖2－圖4。通過對壓力云圖和速度矢量圖的對比，可以得到表3。

結合表3及壓力云圖、速度矢量圖、動畫顯示，可以觀察到以下一些現象:(1)流體通過錐閥內部時，流場內會產生負壓。相同條件下，隨著開口度的增大流場內的負壓區越小，閥芯受到的壓力也越小。當液壓油流體通過閥芯時，由于過流空間突然減小，流速會急速增大。(2)在速度矢量圖中，可以看到流體通過過流斷面后，有主流與壁面相脫離的現象。而且，在流體通過過流斷面后，靠近錐閥閥體的一側與靠近閥芯一側產生了與流體流向相反方向的漩渦。隨著開口度的增大，靠近閥芯一側的漩渦逐漸減小，靠近閥體一側的漩渦變化不大。

圖2 開口度為8 mm的流體壓力云圖Fig.2 The fluid pressure cloud chartwith an 8 mm openning position

圖3 開口度為8 mm的流體速度矢量圖Fig.3 The fluid velocity vector chart with an 8 mm openning position

圖4 開口度為8 mm的結構固體壓力云圖Fig.4 The structure solid pressure cloud chartwith an 8 mm openning position

表3 開口度不同對錐閥內部流場的影響Table 3 The effect of different openning positions on the cone valve interior flow field

3.2 不同入口流速

其他條件相同，開口度是4 mm，對入口流速分別為 0.05 m/s，0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s，0.25 m/s的錐閥結構固體和流體進行仿真分析。在ADINA的后處理中分別得到了壓力云圖、速度矢量圖和動畫顯示。通過入口速度分別為0.05 m/s，0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s，0.25 m/s 壓力云圖和速度矢量圖對比，可以得到表4。

表4 進口速度不同對錐閥內部流場的影響Table 4 The effect of different enfrance velocity on the cone valve interior flow field

結合表4及壓力云圖、速度矢量圖、動畫顯示，可以觀察到以下一些現象:(1)由壓力云圖可以看出錐閥內部的負壓區域，閥芯受到的作用力在開口度相同時，入口流速越大，負壓區也越大。(2)由速度矢量圖可以看出在錐閥流場內產生的漩渦。當其他條件相同時，在閥體內部流場靠近閥體一側產生的漩渦和靠近閥芯一側產生的漩渦隨著入口流速增大，漩渦區變化基本不大。

3.3 不同閥芯錐角

其他條件相同，開口度是4 mm，對錐閥閥芯錐角分別是 60°，90°，120°，150°的錐閥結構固體和流體進行仿真分析。在ADINA的后處理中分別得到了壓力云圖、速度矢量圖和動畫顯示。通過錐閥閥芯錐角分別是 60°，90°，120°，150°壓力云圖和速度矢量圖對比分析，可以得到表5。

表5 閥芯錐角不同對錐閥內部流場的影響Table 5 The effect of different conical amgles on the cone valve interior flow field

結合表5及壓力云圖、速度矢量圖、動畫顯示，可以觀察到以下一些現象:(1)當其他條件相同時，閥芯錐角逐漸變大，在閥體內部流場靠近閥體一側產生的漩渦逐漸減小，靠近閥芯一側產生的漩渦也在減小但變化不大。(2)流體通過錐閥內部時，流場內會產生負壓。閥芯受到的作用力在其他條件相同時，閥芯錐角越大，錐閥流場內部的負壓區減小，閥芯力先增大后減小，在90°時最大。當液壓油流體通過閥芯時，由于過流空間突然減小，流速急速增大。

4 結論

(1)對錐閥進行仿真研究時，二維模型與三維模型對錐閥內部的流場的定性研究是相同的，得出的結論也是一致的。(2)流場內觀察到的負壓區和漩渦與錐閥閥芯的開口度、入口流速及閥芯錐角都有關系。大量的仿真結果證明，閥芯的開口度、入口流速及閥芯錐角的大小對閥腔內流場形態及壓力分布會產生較大影響，旋渦區域的壓力較低，容易產生氣穴。因而在閥內流道設計時，可通過結構參數優化的方法減小負壓區的面積，以達到減少氣穴的目的。

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