液壓錐閥的有限元分析及優(yōu)化

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關(guān)鍵字: 錐閥閥心流場壓力場有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

在三維CAD軟件SolidWork說中創(chuàng)建液壓錐閥的三維模型,用有限元分析軟件COSMOS/FloWorks,對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析,掌握錐閥閥腔內(nèi)流體的流場流速分布及壓力場分布的情況,并根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果,以閥心的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例,介紹了用有限元對(duì)錐閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

一引言

液壓錐閥是液壓系統(tǒng)中重要的元件之一,其結(jié)構(gòu)簡單,閥心與閥座間的接觸應(yīng)力大,密封性好,靈敏度高,在普通液壓閥中應(yīng)用極為普遍。并且最常應(yīng)用在單向閥和壓力閥(溢流閥、減壓閥等)中的先導(dǎo)控制部分。錐閥的性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

現(xiàn)有的液壓錐閥存在著能量損失大,能量利用率低,噪聲大,壽命短等主要問題。因此本文對(duì)液壓錐閥進(jìn)行有限元分析,并在其分析的基礎(chǔ)對(duì)閥心的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    二、有限元計(jì)算分析

圖1所示為錐閥的閥口結(jié)構(gòu)簡圖。進(jìn)口直徑為30mm,閥腔直徑為80mm,閥心半錐角為45°,閥心開口度為可變參數(shù)。

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基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics簡稱CFD)技術(shù)的COSMOS/F1oWorks,提供了對(duì)復(fù)雜流體流動(dòng)的多方面的數(shù)值分析手段。COSMOS/F1oWorks內(nèi)嵌在SolidWorks中,其載荷和邊界條件完全提取于模型.且隨著SolidWorks的幾何特征的改變而更新。

    1.分析假定

在數(shù)值分析計(jì)算過程中,對(duì)模型進(jìn)行以下的假定:

(1)由于流體運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)時(shí),閥心與閥座的相對(duì)位置較穩(wěn)定,因此本文是對(duì)閥心開口度為一定值時(shí)的靜態(tài)分析。
(2)在流體傳動(dòng)中,雖然流動(dòng)液體本身的屬性對(duì)閥有一定的影響,但閥件的結(jié)構(gòu)特征對(duì)傳動(dòng)的影響較大,因此為了便于分析,本文選用水作為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算,其密度為ρ=998.2kg/m·m·m,動(dòng)力粘度為?=O.OO1Pa·s。
(3)模型設(shè)有兩個(gè)邊界條件,即人口流量和出口壓力。由現(xiàn)實(shí)的錐閥的條件來模擬,人口流量為質(zhì)量流0.5kg/s,出口壓力為大氣壓,并且在計(jì)算過程中不考慮溫度的影響。
(4)計(jì)算模型中的雷諾數(shù)

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臨界雷諾數(shù)為2320,可見模型中的雷諾數(shù)已遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù),因而流體在錐閥內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)主要是紊流,故采用k-ε方程進(jìn)行計(jì)算。
(5)數(shù)值計(jì)算方法采用有限體積法中的SIMPLER求解離散方程組。并以人口壓力平均值的穩(wěn)定為收斂條件,控制運(yùn)算迭代的次數(shù)。

    2.網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟,COSMOS/FIoWorks以Parasolid為核心,結(jié)合快速有限元算法(Fast Finite Element簡稱FFE),直觀智能快速地劃分網(wǎng)格單元,用戶只需給出必要的網(wǎng)格劃分信息,軟件將自動(dòng)完成實(shí)體的網(wǎng)格劃分。一般來說網(wǎng)格劃分精度越高,計(jì)算結(jié)果越接近實(shí)際,但是計(jì)算量也越大。

COSMOS/F1oWorks對(duì)網(wǎng)格劃分給定了1-8的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí),對(duì)此錐閥模型分別進(jìn)行了3級(jí)和5級(jí)的運(yùn)算,實(shí)際分析結(jié)果為:3級(jí)迭代了33次,劃分5205個(gè)流體單元,最終收斂控制入口壓力平均值為102670.3Pa;5級(jí)迭代了38次,劃分29229個(gè)流體單元,最終收斂控制人口壓力平均值為102678.SPa。由此可見在網(wǎng)格精度達(dá)到一定程度后,繼續(xù)提高網(wǎng)格劃分精度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大,而計(jì)算量則大幅度提高。因此,只要網(wǎng)格劃分尺寸適當(dāng),較低的網(wǎng)格劃分精度也能得到理想的計(jì)算結(jié)果。本文就采用了自動(dòng)的網(wǎng)格劃分(默認(rèn)為3級(jí)),劃分5205個(gè)流體單元,迭代33次。

3.計(jì)算結(jié)果分析

(1)可看出流體通過錐閥閥口時(shí),流速迅速增大(見圖3),壓力減小(如圖2、圖3所示)。
(2)從圖3可明顯看出,除了從流人到流出的主流外,在閥腔內(nèi)形成了兩處漩渦流,一處位于閥座拐角處(漩渦1),另一處位于閥心處(漩渦2),漩渦產(chǎn)生了能量的局部損失,因而此處出現(xiàn)了低壓區(qū)。
(3)理論可知,各種閥類能量損失和噪聲的產(chǎn)生主要原因之一是漩渦的存在,因此就要通過消除或緩解漩渦的產(chǎn)生來提高錐閥能量利用率,降低噪聲,提高使用壽命。

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    三錐閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于漩渦1的強(qiáng)度較小,對(duì)閥的性能影響較小?？梢詫㈤y腔的拐角弧形化,但考慮到加工難度和成本,意義并不大。漩渦2尺寸較大,強(qiáng)度較強(qiáng),本文通過改變閥心的結(jié)構(gòu),來改善漩渦存在的情況。

    1.優(yōu)化錐閥的有限元建模優(yōu)化錐閥的有限元建模如圖4所示。

    2.優(yōu)化結(jié)果顯示

    前提條件完全相同,同樣采取自動(dòng)網(wǎng)格劃分,劃分流體單元為.5236個(gè),迭代了35次。流體流動(dòng)狀況如圖5、圖6所示。

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    3.對(duì)比分析

    (1)通過圖6和圖3的對(duì)比,可以明顯的看出優(yōu)化錐閥通過在結(jié)構(gòu)上消除漩渦2存在的區(qū)域,基本上消除了漩渦2,使流場分布相對(duì)穩(wěn)定。
    (2)圖7也明顯說明了優(yōu)化錐閥較一般錐閥速率變化相對(duì)平穩(wěn),以減小能量損失。
    (3)圖7可定性地顯現(xiàn)出優(yōu)化錐閥壓力變化較一般錐閥平穩(wěn),緩解了的壓力尖角狀態(tài),從而降低了壓力損失,達(dá)到優(yōu)化錐閥結(jié)構(gòu)性能的目的。
    (4)定量分析壓力損失兩種錐閥的壓力損失比較如表1所示。

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由表1定量的得出優(yōu)化錐閥降低了壓力損失,由于流體在流動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生能量損失,因此完全消除壓力損失是不能的,只有盡可能地減少損失,優(yōu)化其性能。同時(shí)優(yōu)化錐閥還提高了閥腔內(nèi)的最小負(fù)壓值,因而緩解了氣蝕現(xiàn)象。這都有利于提高閥的性能。

四結(jié)束語

本文通過對(duì)液壓錐閥的三維有限元分析,對(duì)錐閥閥心進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),降低了壓力損失,提高了能量利用率。可視化的分析過程的結(jié)果為合理設(shè)計(jì)液壓閥閥流道結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù),對(duì)其它的液壓閥的設(shè)計(jì)及優(yōu)化有一定的參考意義。本文僅是有限元法在液壓機(jī)械應(yīng)用中的一個(gè)實(shí)例,如何更充分地將CAD,CAF等先進(jìn)技術(shù)手段應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)工作中來,已是未來的發(fā)展趨勢。

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