液壓錐閥的有限元分析及優化

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

關鍵字: 錐閥閥心流場壓力場有限元優化設計

在三維CAD軟件SolidWork說中創建液壓錐閥的三維模型,用有限元分析軟件COSMOS/FloWorks,對其進行靜態分析,掌握錐閥閥腔內流體的流場流速分布及壓力場分布的情況,并根據有限元的計算結果,以閥心的優化設計為例,介紹了用有限元對錐閥的優化設計過程。

一引言

液壓錐閥是液壓系統中重要的元件之一,其結構簡單,閥心與閥座間的接觸應力大,密封性好,靈敏度高,在普通液壓閥中應用極為普遍。并且最常應用在單向閥和壓力閥(溢流閥、減壓閥等)中的先導控制部分。錐閥的性能優劣對整個液壓系統的性能會產生很大的影響。

現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。因此本文對液壓錐閥進行有限元分析,并在其分析的基礎對閥心的結構進行優化設計。

    二、有限元計算分析

圖1所示為錐閥的閥口結構簡圖。進口直徑為30mm,閥腔直徑為80mm,閥心半錐角為45°,閥心開口度為可變參數。

液壓錐閥的有限元分析及優化solidworks仿真分析圖片圖片1

基于計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics簡稱CFD)技術的COSMOS/F1oWorks,提供了對復雜流體流動的多方面的數值分析手段。COSMOS/F1oWorks內嵌在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

在數值分析計算過程中,對模型進行以下的假定:

(1)由于流體運動平穩時,閥心與閥座的相對位置較穩定,因此本文是對閥心開口度為一定值時的靜態分析。
(2)在流體傳動中,雖然流動液體本身的屬性對閥有一定的影響,但閥件的結構特征對傳動的影響較大,因此為了便于分析,本文選用水作為流動介質進行計算,其密度為ρ=998.2kg/m·m·m,動力粘度為?=O.OO1Pa·s。
(3)模型設有兩個邊界條件,即人口流量和出口壓力。由現實的錐閥的條件來模擬,人口流量為質量流0.5kg/s,出口壓力為大氣壓,并且在計算過程中不考慮溫度的影響。
(4)計算模型中的雷諾數

液壓錐閥的有限元分析及優化solidworks仿真分析圖片圖片2

臨界雷諾數為2320,可見模型中的雷諾數已遠大于臨界雷諾數,因而流體在錐閥內的流動狀態主要是紊流,故采用k-ε方程進行計算。
(5)數值計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定為收斂條件,控制運算迭代的次數。

    2.網格劃分

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

COSMOS/F1oWorks對網格劃分給定了1-8的標準等級,對此錐閥模型分別進行了3級和5級的運算,實際分析結果為:3級迭代了33次,劃分5205個流體單元,最終收斂控制入口壓力平均值為102670.3Pa;5級迭代了38次,劃分29229個流體單元,最終收斂控制人口壓力平均值為102678.SPa。由此可見在網格精度達到一定程度后,繼續提高網格劃分精度對計算結果影響不大,而計算量則大幅度提高。因此,只要網格劃分尺寸適當,較低的網格劃分精度也能得到理想的計算結果。本文就采用了自動的網格劃分(默認為3級),劃分5205個流體單元,迭代33次。

3.計算結果分析

(1)可看出流體通過錐閥閥口時,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),漩渦產生了能量的局部損失,因而此處出現了低壓區。
(3)理論可知,各種閥類能量損失和噪聲的產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生來提高錐閥能量利用率,降低噪聲,提高使用壽命。

液壓錐閥的有限元分析及優化solidworks仿真分析圖片圖片3

液壓錐閥的有限元分析及優化solidworks simulation分析案例圖片4

    三錐閥的優化設計

由于漩渦1的強度較小,對閥的性能影響較小。可以將閥腔的拐角弧形化,但考慮到加工難度和成本,意義并不大。漩渦2尺寸較大,強度較強,本文通過改變閥心的結構,來改善漩渦存在的情況。

    1.優化錐閥的有限元建模優化錐閥的有限元建模如圖4所示。

    2.優化結果顯示

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

液壓錐閥的有限元分析及優化solidworks simulation分析案例圖片5

液壓錐閥的有限元分析及優化solidworks simulation分析案例圖片6

    3.對比分析

    (1)通過圖6和圖3的對比,可以明顯的看出優化錐閥通過在結構上消除漩渦2存在的區域,基本上消除了漩渦2,使流場分布相對穩定。
    (2)圖7也明顯說明了優化錐閥較一般錐閥速率變化相對平穩,以減小能量損失。
    (3)圖7可定性地顯現出優化錐閥壓力變化較一般錐閥平穩,緩解了的壓力尖角狀態,從而降低了壓力損失,達到優化錐閥結構性能的目的。
    (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。

液壓錐閥的有限元分析及優化solidworks simulation分析案例圖片7

由表1定量的得出優化錐閥降低了壓力損失,由于流體在流動時必然會產生能量損失,因此完全消除壓力損失是不能的,只有盡可能地減少損失,優化其性能。同時優化錐閥還提高了閥腔內的最小負壓值,因而緩解了氣蝕現象。這都有利于提高閥的性能。

四結束語

本文通過對液壓錐閥的三維有限元分析,對錐閥閥心進行了優化設計,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果為合理設計液壓閥閥流道結構提供了理論依據,對其它的液壓閥的設計及優化有一定的參考意義。本文僅是有限元法在液壓機械應用中的一個實例,如何更充分地將CAD,CAF等先進技術手段應用到工程設計工作中來,已是未來的發展趨勢。

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