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基于CFD和FEM的超磁致伸缩驱动水压伺服阀性能研究

常家庆  
【摘要】:超磁致伸缩材料(GMM)是一种具有应变大、响应速度快、能量传输密度高、输出力大等优异性能的新型功能材料。基于超磁致伸缩驱动器(GMA),提出了一种新型的双相对置超磁致伸缩自传感驱动水压伺服控制阀,并以此为研究对象,采用了计算流体力学(CFD)、有限元法(FEM)以及自动控制系统MATLAB动态仿真等方法,对所设计的双相对置超磁致伸缩自传感驱动水压伺服阀进行了系统、深入的分析和研究。 基于流体力学中管道流动和各种典型节流口流动理论,对超磁致伸缩水压伺服阀的液压桥路进行了理论分析,建立了液压桥路简化模型和阀芯两端压差与挡板位移之间的关系式,验证了后续仿真分析结果的正确性。利用CFD稳态流技术研究了挡板和喷嘴前端面的压力分布,以及阀芯两端压差随着挡板位置的变化情况。 利用CFD动网格技术建立了滑阀启闭过程的动态计算模型,节流口的大小变化通过FLUENT软件中的UDF函数来定义,研究了开口量逐步减小过程中流场的分布情况。对两种不同结构型式的滑阀进行了CFD动网格分析,结果表明带有环形槽的滑阀产生了较小的稳态液动力。利用CFD稳态流技术计算得到滑阀阀芯的径向不平衡力。结果表明,径向不平衡力远远小于静压支撑力,阀芯可很好的悬浮于阀套内。 利用ABAQUS软件的ABAQUS/Standard模块对喷嘴头和喷嘴块的过盈配合进行了仿真分析,比较了不同温度下接触力的变化情况。仿真表明,由于温度的升高和材料的线膨胀效应,接触应力会发生变化,但是总体来说接触应力变化不大,喷嘴头和喷嘴块能保持很好的接触。 对水压伺服阀的反馈杆-滑阀组件的稳定状态进行了力学分析,提出了伺服阀稳态分析的有限元计算模型。计算得到了不同反馈杆配置下水压伺服阀滑阀的位移输出,可用于指导设计出合适粗细的反馈杆。 提出了双相对置超磁致伸缩驱动器的等效动力学模型,并由此得到了磁致伸缩水压伺服阀的物理传递模型。利用自动控制系统MATLAB动态仿真方法对该伺服阀的物理模型进行了仿真。结果表明,该阀的响应时间为0.016s,幅频宽为60Hz,相频宽为50Hz,能够满足快速响应的要求。


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