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基于管网液流特性仿真的液压集成块优化设计

张宏  
【摘要】: 发展液压阀的集成配置,是典型液压系统实现集成化和标准化的普遍要求。液压集成块作为阀类元件的承装载体,是集成式液压系统中最关键的零部件之一。纵观国内外的研究现状,液压集成块的设计工作主要是以满足内部连通要求和外部阀类元件布局要求为主的结构设计,但随着工业技术的不断发展,系统对机器性能要求也日益提高。对于液压集成块这种由复杂管网构成的连通载体,内部的液流流动状态将直接影响到整个液压系统的能量损失及运动特性。本文针对这种情况,从研究液流在液压集成块内流动机理出发,探讨液压集成块管内流道结构参数对液流流动性能的影响因素,从而对液压集成块的结构设计进行改进,使设计出的集成块块体不但能满足系统的连通安装要求,而且还能实现性能的匹配,达到集成块结构优化设计在更高性能品质基础上实施的目的。本文应用计算流体动力学(CFD)的方法首次从液压集成块液流流动特性的角度出发,探讨集成块的结构优化设计问题,研究内容与成果包括: 根据液压集成块内管网结构特点及承装元件的执行功能,本文提出在圆柱坐标系下建立适用动静态分析的定常流与非定常流流动的三维耦合数学模型。该模型将管网内的液流分为定常流与非定常流,对定常流中紊流的瞬态Navier-Stokes方程做时间平均化处理,同时引入关于紊动能k和耗散率ε的低Re数k-ε方程;在非定常流流动中,在考虑液流粘性的同时将与时间相关的运动方程加载到耦合模型当中去。该模型的建立为流场仿真计算奠定数学基础。文中对耦合模型采用有限体积法进行离散并采用SIMPLE算法进行数学模型的求解。 本文通过前期研究成果得到的项目数据库,采用面向对象的方法,驱动生成管网三维结构实体(即流动区域),并对管网结构实体采用基于贴体坐标的分块式结构化网格进行离散。在重点求解区域用网格加密的方式提高模型求解质量。结构实体的建立和网格的自动生成为求解上述数学模型即控制方程,建立管网仿真的平台系统提供了保障。 在全面总结液压集成块外部元件的执行功能,以及管网中油口的复杂性特点的基础上,经过深入分析,给出了边界条件的求解规则,并提出采用基于规则的启发式算法进行油口的辨识与边界给定的策略。结果表明,该算法按照规则集的搜索方向,在解空间中能找到一组保证油口单一边界条件、满足油液流动顺序、符合外装阀类元件执行机能的边界条件组。 上述研究内容为液压集成块管网的CFD数值模拟提供了技术保障,应用计算流体动力学(CFD)全面系统地对液压集成块内部常见的典型流道进行了模拟研究,首次提出了从液流特性的角度进行液压集成块优化设计的方法。通过对液压集成块内典型流道液流特征(速度、流线、流动的分离与再附壁,旋涡的产生与消失等)的数值模拟,得出了液压集成块内典型流道结构形式对液阻性能的影响规律:①具有单向流动特征的单一管网,应尽量满足刀尖角与主液流方向相对的流道结构形式实现管路的连通;②应取所需要连通的管路当中管径最大者为工艺孔直径,即d_(工艺孔)=max{d_1,d_2…d_n},其中n为需要用同一个工艺孔连通的管路数目;③垂直连通的两条管路之间偏心距应满足σ<0.8d;④对于Z字型管路,两平行管路的中心距离l与连通两管路的管路管径d之比应满足:l/d≠1.5;⑤对于Π字型管路,两平行管路的中心距离应满足:l=(?),其中δ_0为安全壁厚,d为连通管路的管径。⑥当有可能采用精密铸造方法加工液压集成块时,推荐直角转弯的圆弧过渡半径满足关系式:r_0/b_0=R_0/b_0+0.65。进而确立了从性能角度进行液压集成块二次设计问题的评价目标和调改规则,将管网的性能优化设计嵌入到前期的液压集成块结构优化设计中去,最终实现结构设计与性能设计融为一体的液压集成块总体优化设计。 在全面深入地了解液压集成块管网模拟仿真过程以及液流流动特性的基础上,应用Visual C++对CFD软件Fluent进行了二次开发,成功实现了基于液流特性仿真的液压集成块自动优化设计。该系统主要由四个模块构成,即项目数据模块、边界条件模块、网格生成模块和评价规则模块。将该设计系统嵌入到课题组前期开发的基于智能优化的结构设计系统,即可构成一套具备结构优化与性能优化且效率较高的液压集成块自动优化设计平台。最后,针对典型液压集成系统工程实例进行了设计,取得了令人满意的效果,使该系统的实用性与本文方法的可行性得到了较充分的验证。


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