基于流固耦合的液壓閥塊數值模擬分析*

李　卉，木合塔爾·克力木,孫海霞，王建潭

(新疆大學 機械工程學院,烏魯木齊　830047)

0　引言

液壓系統日益明顯地朝著集成化和標準化方向發展，液壓閥塊是集成液壓系統的核心元件[1]。液壓閥塊內部流道位置、連通方式不合理，雖能滿足系統需要，但系統效率低、漏油、振動甚至影響內部其他油路。

液壓閥塊作為液壓系統的中樞元件，而且內部孔道繁多，以及錯綜復雜的連通，給設計人員帶來難題，因此一貫是研究的熱點項目。高殿榮等[2]運用計算流體動力學方法對閥塊內部流道進行仿真分析，為閥塊內部流道設計提出優化方案。杜經民等對液壓集成塊的流道進行建模和仿真，運用CFD方法分析了壓力損失的主要原因，研究流道結構對液流能量損失的影響，發現在刀尖角處形成的漩渦是液流能量損失的主要原因[3]。謝國慶等對液壓集成塊內“Z”形流道進行建模，運用CFD方法分析了不同長度和直徑的工藝孔以及不同長度的刀尖角容腔對液流流場的影響。從數據分析和對比結果可以看出，適當加大工藝孔的直徑并設計無刀尖角容腔的流道，可以減少液流產生漩渦的數量和減弱漩渦的強度，從而提高能量利用率[4]。胡建軍等為清晰直觀地觀察液壓集成塊內部復雜流道流場，運用2D-PIV流場測試技術搭建了不同刀尖角的流道結構的低速可視化測量試驗臺，發現出口位置與刀尖角容腔正對的流道結構液流損失較小[5]。

以往學者主要研究液壓閥內流場分析，本文分析自卸車[6]舉升系統的液壓閥塊，采用流固耦合計算，將流體壓力數據導入液壓閥塊閥體中，進行應力、應變和位移的計算。分析了閥塊的應力和變形，通過改變流道相交方式，優化流道，提高液壓閥塊的可靠性。

1　建立模型

1.1　物理模型的建立

運用SolidWorks軟件繪制液壓閥塊實體模型[7]。首先根據自卸車舉升的工作原理設計自卸車舉升回路原理圖如圖1所示。圖中的集成液壓閥塊由兩個液控單向閥，一個三位四通手動換向閥和一個分流集流閥組成。依據負載壓力等參數選擇元件類型，然后根據液壓閥件廠商提供的閥件尺寸和油口位置設計閥件在液壓閥塊的相對位置，最后合理地設計液壓閥塊的尺寸和各工藝孔位置及長度。

閥塊內流道的長度根據各閥件流道的連通關系確定；由公式(1)確定流道的直徑d(單位：mm)：

(1)

式中，qv——液體流量(m3/s)；

V——流速，一般按以下原則選取：壓油管路流速為5～10m/s；吸油管路流速為1～2m/s。

圖1　自卸車舉升回路原理圖

依照閥塊設計原則，選擇45號鋼作為閥塊材料，在SolidWorks軟件中設計出閥塊模型，液壓閥塊裝配圖模型如圖2a，液壓閥塊總流道模型如圖2b。

選用液壓系統最大壓力的工作狀態進行研究，當三位四通換向閥處于左位機能時，自卸車舉升系統處于最大負載狀態，分析此狀態的液壓閥塊。最大壓力狀態時流道模型如圖2c，是由液壓閥塊內部3段流道與一個三位四通手動換向閥流道、一個液控單向閥流道組成的液壓回路。采用圓弧流道(如圖2c中的1和2處)代替液壓閥件(液控單向閥、三位四通換向閥)的流道[8],使液壓閥塊內部的流道連通,整體地分析了閥體、液流以及固液兩項的相互作用的特性。并用帶圓弧轉彎孔的長方體(如圖2d的1和2處)代替液壓閥件(液控單向閥、三位四通換向閥)，使模型有利于流固耦合面的完整分析。液壓閥塊模型如圖2d。

(a)裝配體　　　　　　　(b)總流道

(c)流道　　　　　　　　 (d)液壓閥塊圖2　液壓閥塊及流道的物理模型

1.2　數學模型的建立

(1)液壓閥塊內液流為液壓油，液壓油的流動過程遵循物質守恒定律，而且液壓油是不可壓縮粘性流體(密度ρ為常數)。所以液壓閥塊內部流道流場數值模擬方程由質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程組成。為簡化問題，假設液流流動過程無熱量交換，不考慮能量守恒方程[9]。

1)質量守恒方程:

(1)

式中，u，v和w為速度矢量在x，y和z方向的分量。

2)動量( Navier-Stokes) 方程:

(2)

式中，ρ為流體密度;ui，uj為平均速度，i、j=1,2,3;σij為應力；fi為方向i的作用力。

(2)液壓閥塊流道結構密集復雜，液流流動狀態復雜,把液流的流動狀態視為湍流流動，因此采用最基本的標準k-ε模型[10]。 標準k-ε方程:

(3)

式中，μt為湍動黏度;Cμ為經驗常數，這里取Cμ=0.09;k為湍動能;ε為湍動耗散率。

(3)由于液壓閥塊內部是流場與固體變形場之間的相互作用，流固交界面處應滿足流體與固體的各變量相等。流固耦合交界面處參數方程：

n·τf=n·τs
rf=rs
vf=vs

(4)

式中，τf，τs分別為流體和閥塊的應力；rf，rf分別為流體和閥塊的位移；vf，vf分別為流體和閥塊的速度。

液壓閥塊的流固耦合分析，運用了FLUENT軟件和Workbench軟件。對于流道中的液流，在FLUENT軟件中根據方程式(1)～式(3)進行模擬分析，將計算結果施加到流道內壁，在Workbench軟件中根據方程式(4)進行分析計算。

2　網格劃分與仿真設置

2.1　網格劃分

液壓閥塊和液道采用ANSYS Workbench自動網格劃分功能[11]，將參數相關性中心(Relevance Center)設置為細化(Fine)，平滑度(Smoothing)設置為高(High)，跨度中心角(Span Angle Center)設置為細化(Fine)。流道網格單元總數為280874，液壓閥塊網格單元數為220652。流道和閥體的網格劃分如圖3所示。

(a)流道　　　　　　　　　(b) 閥體圖3　網格劃分

2.2　仿真設置

(1)流場分析設置

假設液壓閥塊內部流道中液流為不可壓縮的黏性液體,密度ρ= 900kg/m3,黏度μ= 0.042Pa·s，設置模型的邊界條件為速度入口，給定速度為2m/s，假定液流在入口斷面的速度分布規律沿流動方向不變；設置出口邊界條件為壓力出口，給定壓力為16MPa，假定開放出口邊界。流道壁面上施加無滑移邊界條件(即所有速度分量都為零)。

(2)結構分析設置

采用流固耦合數值模擬方法，根據相關資料[12]，選擇45#鋼為液壓閥塊材料，材料特性包括密度為7850 kg/m3，彈性模量為 210GPa，泊松比為0.3。設置閥體與流道相接觸表面為流固耦合作用面。

3　計算結果及分析

3.1　數值模擬

(1)通過FLUENT流場計算，將計算結果經過CFD-POST軟件后處理，轉化成流道的速度矢量圖，流固耦合面的壓力云圖(如圖4所示)。

(a)速度矢量圖　　　　　　(b)流固耦合面的壓力云圖圖4　流道的數值模擬結果

從圖4a所示的流道的速度矢量圖可以看出，在直流道區域，速度變化不明顯，表明結構不變化的流道中液流流動基本穩定。當流道結構發生變化時，流速變化明顯，液流在直角轉向后速度變化明顯。在圓弧轉彎流道2處的速度最大，達到14.45m/s，此處是替代三位四通換向閥流道的圓弧流道，只是為了使液壓閥塊內部流道連通，換向閥流道是經過廠家校核的，滿足系統需要。從圖4b所示的流固耦合面的壓力云圖可以看出，直流道的壓力基本恒定，說明液流的沿程壓力損失較小。液流在流經每個直角轉向后都會產生壓力損失，液流從流道A流向流道B時的壓差最大，大約為0.05MPa。而在直流道中壓力分布基本沒有變化，因此，直角轉向的流道結構是閥塊內部液流產生能量損失的主要來源。

(2)采用ANSYS Workbench 軟件，建立流體場與固體場的耦合，將流體壓力施加到液壓閥塊流道表面，獲得液壓閥塊閥體的應力分布和總變形情況，如圖5所示。

(a)應力圖　　　　　　　　　　(b)總變形圖圖5　閥體數值模擬結果

從圖5a所示的閥體應力圖可以看出，閥體應力最大值出現在流道A直角轉向后，達到59.615MPa。此處液流對閥體的沖擊大，易發生液壓閥塊的孔系損傷，從而導致漏油，產生噪音。從圖5b所示的閥體總變形圖可以看出，A流道的變形嚴重，造成孔道干涉，經兩鄰面孔道校核，孔道之間不能滿足安全壁厚的要求。系統壓力增大，會造成兩干涉流道連通，系統不能正常工作。

3.2　優化流道

(1)改變流道A的深度，使流道B的中心線與流道A的下圓柱面相交。對液壓閥塊的流道和閥體模擬分析。通過FLUENT流場計算，將計算結果經過CFD-POST軟件后處理，轉化成流道的速度矢量圖，流固耦合面的壓力云圖(如圖6所示)。

(a)速度矢量圖　　　　　 (b)流固耦合面的壓力云圖圖6　流道的數值模擬結果

從圖6a所示的流道的速度矢量圖可以看出，液流最大速度為14.79m/s，與圖4a相比變化不大，最大速度位置沒有改變。從圖4b看出，流道A壓力最大為16.26MPa，通過圖6與圖4相比較，改變流道A與流道B相交程度，液壓閥塊內液流的流動特性變化較小。

(2)采用流固耦合方法，獲得新閥體的應力分布圖和總位移圖，如圖7所示。

(a)應力圖　　　　　　　　　　(b)總變形圖圖7　閥體數值模擬結果

由圖7所示，改變流道A與流道B相交程度，流道A直角轉向處壓力為37.873MPa，與優化前閥體同位置處的應力值59.615MPa相比較變化明顯。通過圖7b總變形圖看出，流道A的變形小，經兩鄰面孔道校核結果可知兩孔道滿足安全壁厚的要求。

優化流道與未優化流道的對比得出結論，改變兩流道的相交程度可以減弱閥體的應力集中現象。改變流道相交方式，使流道與流道間滿足安全壁厚的要求，液壓閥塊性能提高。

4　結論

通過對自卸車液壓閥塊進行流固耦合計算，流固耦合作用對液壓閥塊的影響有了進一步的認識，可以得出以下結論:

(1)液流在液壓閥塊內部的流動復雜，采用流固耦合計算能更精確地對液壓閥塊閥體性能分析。通過閥體應力分布圖可以看出，在流道直角轉向處，閥體所受液壓力急劇上升，使液壓閥塊疲勞產生裂紋，導致閥塊漏油。

(2)液壓閥塊體內包括幾十個流道，流道構成流道網，流道不僅要保證正確的連通，還要保證不與其他閥內流道產生干涉。對流道的干涉校核是液壓閥塊設計必不可少的過程。

(3)改變兩鄰面流道相交程度，清晰地看到閥塊在直角轉彎處的應力變化，分析結果表明，當B流道的中心線與A圓柱流道底面在同一平面的時，液壓閥塊在直角轉向處的應力較小，不與閥內其他流道產生干涉現象。

(4)該研究為液壓閥塊的結構優化設計和提高能源利用率提供一定的理論依據。

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(編輯李秀敏)