液压锥阀的有限元分析及优化

2013-06-23 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

关键字: 锥阀阀心流场压力场有限元优化设计

在三维CAD软件SolidWork说中创建液压锥阀的三维模型,用有限元分析软件COSMOS/FloWorks,对其进行静态分析,掌握锥阀阀腔内流体的流场流速分布及压力场分布的情况,并根据有限元的计算结果,以阀心的优化设计为例,介绍了用有限元对锥阀的优化设计过程。

一引言

液压锥阀是液压系统中重要的元件之一,其结构简单,阀心与阀座间的接触应力大,密封性好,灵敏度高,在普通液压阀中应用极为普遍。并且最常应用在单向阀和压力阀(溢流阀、减压阀等)中的先导控制部分。锥阀的性能优劣对整个液压系统的性能会产生很大的影响。

现有的液压锥阀存在着能量损失大,能量利用率低,噪声大,寿命短等主要问题。因此本文对液压锥阀进行有限元分析,并在其分析的基础对阀心的结构进行优化设计。

    二、有限元计算分析

图1所示为锥阀的阀口结构简图。进口直径为30mm,阀腔直径为80mm,阀心半锥角为45°,阀心开口度为可变参数。

液压锥阀的有限元分析及优化solidworks仿真分析图片图片1

基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics简称CFD)技术的COSMOS/F1oWorks,提供了对复杂流体流动的多方面的数值分析手段。COSMOS/F1oWorks内嵌在SolidWorks中,其载荷和边界条件完全提取于模型.且随着SolidWorks的几何特征的改变而更新。

    1.分析假定

在数值分析计算过程中,对模型进行以下的假定:

(1)由于流体运动平稳时,阀心与阀座的相对位置较稳定,因此本文是对阀心开口度为一定值时的静态分析。
(2)在流体传动中,虽然流动液体本身的属性对阀有一定的影响,但阀件的结构特征对传动的影响较大,因此为了便于分析,本文选用水作为流动介质进行计算,其密度为ρ=998.2kg/m·m·m,动力粘度为?=O.OO1Pa·s。
(3)模型设有两个边界条件,即人口流量和出口压力。由现实的锥阀的条件来模拟,人口流量为质量流0.5kg/s,出口压力为大气压,并且在计算过程中不考虑温度的影响。
(4)计算模型中的雷诺数

液压锥阀的有限元分析及优化solidworks仿真分析图片图片2

临界雷诺数为2320,可见模型中的雷诺数已远大于临界雷诺数,因而流体在锥阀内的流动状态主要是紊流,故采用k-ε方程进行计算。
(5)数值计算方法采用有限体积法中的SIMPLER求解离散方程组。并以人口压力平均值的稳定为收敛条件,控制运算迭代的次数。

    2.网格划分

网格划分是有限元分析的关键步骤,COSMOS/FIoWorks以Parasolid为核心,结合快速有限元算法(Fast Finite Element简称FFE),直观智能快速地划分网格单元,用户只需给出必要的网格划分信息,软件将自动完成实体的网格划分。一般来说网格划分精度越高,计算结果越接近实际,但是计算量也越大。

COSMOS/F1oWorks对网格划分给定了1-8的标准等级,对此锥阀模型分别进行了3级和5级的运算,实际分析结果为:3级迭代了33次,划分5205个流体单元,最终收敛控制入口压力平均值为102670.3Pa;5级迭代了38次,划分29229个流体单元,最终收敛控制人口压力平均值为102678.SPa。由此可见在网格精度达到一定程度后,继续提高网格划分精度对计算结果影响不大,而计算量则大幅度提高。因此,只要网格划分尺寸适当,较低的网格划分精度也能得到理想的计算结果。本文就采用了自动的网格划分(默认为3级),划分5205个流体单元,迭代33次。

3.计算结果分析

(1)可看出流体通过锥阀阀口时,流速迅速增大(见图3),压力减小(如图2、图3所示)。
(2)从图3可明显看出,除了从流人到流出的主流外,在阀腔内形成了两处漩涡流,一处位于阀座拐角处(漩涡1),另一处位于阀心处(漩涡2),漩涡产生了能量的局部损失,因而此处出现了低压区。
(3)理论可知,各种阀类能量损失和噪声的产生主要原因之一是漩涡的存在,因此就要通过消除或缓解漩涡的产生来提高锥阀能量利用率,降低噪声,提高使用寿命。

液压锥阀的有限元分析及优化solidworks仿真分析图片图片3

液压锥阀的有限元分析及优化solidworks simulation分析案例图片4

    三锥阀的优化设计

由于漩涡1的强度较小,对阀的性能影响较小。可以将阀腔的拐角弧形化,但考虑到加工难度和成本,意义并不大。漩涡2尺寸较大,强度较强,本文通过改变阀心的结构,来改善漩涡存在的情况。

    1.优化锥阀的有限元建模优化锥阀的有限元建模如图4所示。

    2.优化结果显示

    前提条件完全相同,同样采取自动网格划分,划分流体单元为.5236个,迭代了35次。流体流动状况如图5、图6所示。

液压锥阀的有限元分析及优化solidworks simulation分析案例图片5

液压锥阀的有限元分析及优化solidworks simulation分析案例图片6

    3.对比分析

    (1)通过图6和图3的对比,可以明显的看出优化锥阀通过在结构上消除漩涡2存在的区域,基本上消除了漩涡2,使流场分布相对稳定。
    (2)图7也明显说明了优化锥阀较一般锥阀速率变化相对平稳,以减小能量损失。
    (3)图7可定性地显现出优化锥阀压力变化较一般锥阀平稳,缓解了的压力尖角状态,从而降低了压力损失,达到优化锥阀结构性能的目的。
    (4)定量分析压力损失两种锥阀的压力损失比较如表1所示。

液压锥阀的有限元分析及优化solidworks simulation分析案例图片7

由表1定量的得出优化锥阀降低了压力损失,由于流体在流动时必然会产生能量损失,因此完全消除压力损失是不能的,只有尽可能地减少损失,优化其性能。同时优化锥阀还提高了阀腔内的最小负压值,因而缓解了气蚀现象。这都有利于提高阀的性能。

四结束语

本文通过对液压锥阀的三维有限元分析,对锥阀阀心进行了优化设计,降低了压力损失,提高了能量利用率。可视化的分析过程的结果为合理设计液压阀阀流道结构提供了理论依据,对其它的液压阀的设计及优化有一定的参考意义。本文仅是有限元法在液压机械应用中的一个实例,如何更充分地将CAD,CAF等先进技术手段应用到工程设计工作中来,已是未来的发展趋势。

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