基于ANSYS APDL和FLUENT Journal的液壓錐閥流場參數(shù)化仿真軟件設計

譚劍波，劉桓龍，于蘭英

（西南交通大學機械工程學院，四川成都 600031）

液壓錐閥是液壓傳動與控制中一種重要的基礎性元件，其結構雖然簡單，但閥內流場卻十分復雜。油液經(jīng)過閥口時容易出現(xiàn)漩渦和速度的重新分布，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，引起流體噪聲，嚴重影響和制約了液壓錐閥的應用效能[1-2]。因此，對閥內流場進行模擬仿真成為液壓錐閥設計過程中不可或缺的工作之一。

錐閥研發(fā)過程中往往需要不斷調整與優(yōu)化幾何結構、邊界條件等參數(shù)，以使產(chǎn)品質量和性能更佳。對幾何結構、邊界條件中任何一個參數(shù)的修改，都會造成錐閥流場的重新計算與仿真。由于設計參數(shù)較多，部分參數(shù)取值范圍又較大，因此在整個錐閥產(chǎn)品設計、試驗、定型過程中，需要進行各種不同參數(shù)組合的大量的具有一定重復性的仿真工作。為此，通過開發(fā)一種參數(shù)化的液壓錐閥流場仿真軟件，以降低人工參與程度和重復性操作強度，有效提高分析效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

1 需求分析

液壓錐閥流場參數(shù)化仿真軟件根據(jù)用戶輸入的參數(shù)自動完成錐閥前處理（包括流場建模與網(wǎng)格劃分）和流場分析，并輸出仿真計算結果，以便將操作者從繁復的重復工作中解脫出來，最大限度地提高分析效率。為了實現(xiàn)建模的參數(shù)化，網(wǎng)格劃分的參數(shù)化和流場分析的參數(shù)化，在錐閥流場建模、網(wǎng)格劃分和流場分析過程中需要預先設置各種參數(shù)，這些參數(shù)按功能歸屬分為3類。

1.1 幾何結構參數(shù)

液壓錐閥采用圖1所示的幾何結構模型，流體在閥腔內是三維流動，考慮到閥腔結構及流動的對稱性，將錐閥流場計算區(qū)域簡化為圖2所示的二維軸對稱幾何模型，假定閥口倒角與閥芯半錐角α相等，涉及到的幾何結構參數(shù)如表1所示。

圖1 錐閥幾何結構模型

圖2 錐閥流場計算區(qū)域二維軸對稱幾何模型

表1 錐閥幾何結構參數(shù)

1.2 網(wǎng)格單元參數(shù)

網(wǎng)格單元參數(shù)用于指定網(wǎng)格單元的形狀和尺寸。液壓錐閥流場計算區(qū)域采用二維軸對稱模型，因此網(wǎng)格單元形狀可選擇三角形或四邊形，而單元尺寸則應根據(jù)錐閥幾何尺寸和計算要求來合理選擇。

1.3 流場分析參數(shù)

流場分析參數(shù)包括流體屬性參數(shù)、流體邊界條件和迭代求解參數(shù)。

（1）流體屬性參數(shù)

閥內流體是包含油液和蒸汽的混合兩相流，其流體屬性參數(shù)列于表2中。

表2 流體屬性參數(shù)

（2）流體邊界條件參數(shù)

速度進口（m/s）：軸向平均速度ui，徑向速度為0；

壓力出口（Pa）：Po。

（3）迭代求解參數(shù)

迭代計算參數(shù)包括迭代求解次數(shù)和流體速度-壓力耦合方法。迭代次數(shù)通常取決于求解殘差要求和收斂情況。FLUENT中流體速度-壓力耦合主要有標準SIMPLE算法、SIMPLEC算法和PISO算法。一般而言，可壓縮流動采用SIMPLE，不可壓縮流動則采用SIMPLEC和PISO。系統(tǒng)默認使用SIMPLE算法[3-4]。

2 總體設計

圖3 軟件的總體結構框圖

基于系統(tǒng)需求，提出圖3所示的液壓錐閥流場參數(shù)化仿真軟件總體結構，包含前處理和流場分析兩個模塊。前處理模塊實現(xiàn)參數(shù)設置、建模、網(wǎng)格劃分和模型預覽，流場分析模塊完成參數(shù)設置、流場計算和結果輸出。前處理模塊設置幾何結構和網(wǎng)格單元參數(shù)，而流場分析模塊設置流體屬性、流體邊界條件和迭代求解參數(shù)。為了管理方便，增加了一個系統(tǒng)主界面。

圖4 流場計算實現(xiàn)過程

錐閥流場的前處理和模擬仿真是基于ANSYS APDL（ANSYS Parametric Design Language，ANSYS參數(shù)化語言）[5]和FLUENT Journal（jou腳本程序，也是一種宏）[6]通過后臺腳本程序和命令流去操控ANSYS和FLUENT來實現(xiàn)的。軟件根據(jù)用戶輸入的幾何結構和網(wǎng)格單元參數(shù)，生成ANSYS mac宏文件去操控ANSYS實現(xiàn)錐閥流場二維軸對稱幾何模型的建立和網(wǎng)格的劃分，輸出cbd網(wǎng)格模型文件供FLUENT仿真調用。在流場計算與分析模塊，軟件根據(jù)用戶設置的流體屬性、邊界條件和迭代求解參數(shù)生成FLUENT jou腳本程序操控FLUENT實現(xiàn)參數(shù)化的流場仿真計算。圖4給出了軟件流場計算實現(xiàn)過程。總之，參數(shù)化仿真軟件雖不直接實現(xiàn)液壓錐閥流場分析的前處理和計算，但整個過程都由其后臺操控ANSYS和FLUENT完成，因此它才是流場分析計算過程的組織和管理者。

3 軟件設計

軟件采用VB 6.0設計，包含主窗體、流場分析前處理和流場計算與分析3個窗體。對軟件設計而言，界面設計相對容易，關鍵在于如何實現(xiàn)參數(shù)化的前處理和流場分析。

3.1 參數(shù)化的前處理

圖5為流場分析前處理程序的流程，重點在于錐閥流場幾何模型計算的和操控ANSYS的APDL mac宏文件設計。

（1）錐閥流場幾何模型計算

錐閥流場二維軸對稱幾何模型如圖2所示，該區(qū)域由8個關鍵點k1～k8所連成的8條直線L1～L8圍成。因此，錐閥流場幾何模型的計算實際上就是關鍵點的坐標計算。選k1為坐標原點(0，0)，則其余關鍵點的坐標為：

k2：（Lin-b-Dincotα/2+h/sinα，0）；

k3：（Lin-b+(D-Din)cotα/2+h/sinα，D/2）；

k4：（Lin+Lo-Do/d，D/2）；

k5：（Lin，D/2）；

k6：（Lin,Din/2+btanα）；

k7：（Lin-b，Din/2）；

k8：（0，Din/2）。

（2）APDL mac宏文件設計

APDL的語法可參考ANSYS提供的官方文檔[5]，依照圖5給出的程序流程來完成mac宏文件命令流的編寫。限于篇幅，僅以建模為例介紹APDL命令流設計方法。

錐閥流場二維軸對稱幾何模型的創(chuàng)建是由點→線→面的過程。關鍵點創(chuàng)建命令格式為：

K，n，x，y，z。

其中K為關鍵點（Key point）創(chuàng)建命令；n表示點的序號；x，y，z表示點的坐標。因為是二維模型，故只需x，y坐標即可。

線創(chuàng)建命令格式為：

圖5 流場分析前處理程序流程圖

L，p1，p2。

其中L為線（Line）創(chuàng)建命令；p1，p2表示點號。譬如，L，3，5表示將點3和點5的連成直線。線創(chuàng)建命令中線號是從1開始連續(xù)生成的，為方便網(wǎng)格劃分后的邊界定義，可以有意將同種邊界的若干條線段放在一起創(chuàng)建，使其線號連續(xù)。如圖2所示，錐閥的軸、進口、出口只有1條線段，而壁面有5條線段，故可以先生成軸、進口和出口的線段，最后再生成壁面的線段，這樣在定義壁面邊界時只需1條命令即可。

面創(chuàng)建命令為：AL，L1，L2，…L10AL，all。

AL為由線創(chuàng)建面指令，它支持最多10條線完成一個面，也可直接將選中的所有線段圍成一個面。

3.2 參數(shù)化的流場分析

圖6 流場計算與分析程序流程圖

圖6 是流場計算與分析窗體的程序流程，可以看出模塊設計的重點是設計操控FLUENT進行流場計算的Journal宏文件。以設置計算模型為例，其腳本如下。

/define/models/axisymmetric?y‘定義二維軸對稱模型

/define/models/mul/model mixture‘定義多相流混合模型

/define/models/mul/mp n‘不選擇slip velocity

/define/models/viscous/ke-rng y‘粘性模型:RNGk-ε

/define/models/viscous/nwt/ewt y‘近壁處理

4 結束語

圖7 流場分析前處理界面效果

圖8 流場計算與分析界面效果

應用論文提出的設計方法，成功開發(fā)出了液壓錐閥流場參數(shù)化仿真軟件。圖7，圖8分別給出了軟件流場分析前處理和流場計算與分析的界面運行效果。參數(shù)化仿真軟件只需操作者輸入或者修改相關參數(shù)，便能自動完成液壓錐閥流場的建模、網(wǎng)格劃分和流場計算，并獲得最終的計算結果。整個過程一般在2～10分鐘內完成。同樣工作如用熟練CAE工程師進行多軟件協(xié)調操作，至少需要30分鐘，提高工效達10倍以上。

軟件通過APDL宏文件和Journal宏文件操控ANSYS和FLUENT，實現(xiàn)了參數(shù)化的液壓錐閥流場分析前處理和流場計算，完成了前處理和求解過程的無縫連接，有效地融合與集成了錐閥流場計算分析過程中的各種數(shù)據(jù)和信息，形成了一體化的快速仿真平臺。軟件使操作者完全避開了對CAE專業(yè)軟件（包括前處理和求解軟件）的繁瑣操作和軟件間的數(shù)據(jù)轉換，大大降低了對操作者專業(yè)軟件技能的要求，提高了設計分析效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，可廣泛應用于錐閥的工程設計和仿真測試。如果修改幾何模型和相關特征參數(shù)，該軟件的設計思路還可推廣至更多產(chǎn)品的設計和仿真領域。

［1］張利平.液壓閥原理、使用與維護［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

［2］高紅.溢流閥閥口氣穴與氣穴噪聲的研究［D］.杭州：浙江大學，2003.

［3］ ANSYS Inc.ANSYS Fluent 12.0 User's Guide ［Z］.2009.

［4］韓占忠.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2009.

［5］ ANSYS Inc.ANSYS ANSYS LS-DYNA User's Guide［Z］.2009.

［6］ ANSYS Inc.ANSYS Fluent 12.0 Text Command List［Z］.2009.