基于AMESim的安溢活門系統動力學仿真

劉靖東　喻天翔　宋筆鋒　金朋

摘要：在對安溢活門工作原理和動態特征方程研究的基礎上，建立安溢活門及其試驗系統的AMESim模型，對試驗過程中安溢活門的動態特性進行數值仿真，從系統角度研究該安溢活門系統整體性能.仿真結果與試驗測試結果吻合較好，并著重研究主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等參數對安溢活門動態特性的影響，進而為系統整體性能優化提供分析設計支持.

關鍵詞：安溢活門； AMESim； 系統仿真； 動態特性； 流固耦合

中圖分類號： V434.1

文獻標志碼： B

0引言

安溢活門是一種能依靠氣體介質本身自有的能量實現管路自動開閉的機械裝置.作為液體火箭增壓輸送系統的一種多功能元件，安溢活門可在地面測試和空中飛行時作為安全閥使用，在貯箱卸壓和加注時作為排氣閥使用，在加注過量或加注設備不能正常工作導致不能停止加注時作為溢出閥使用.與安全閥等閥門一樣，安溢活門在使用過程中存在振動和鳴叫等問題，發生振動鳴叫的主要原因是系統動態特性不滿足穩定性需求.振動鳴叫直接導致敏感元件膜片疲勞破裂，致使安溢活門功能失效，進而影響發射的成敗，因此對安溢活門動態特性開展深入研究有重要的工程應用價值.

目前，研究活門動態特性主要采用試驗和數值分析兩種方法.試驗方法直接、可靠，但費用相對較高，數值分析方法經濟、快捷，而且可以分析出試驗難以考核的工況，有助于全面系統地了解產品特性.數值分析方法主要包括流固耦合仿真和系統動力學仿真.流固耦合仿真偏重于從場的角度研究局部耦合的影響，可以精細地分析流固耦合作用，但是存在計算量大和分析周期長的弊端；系統動力學仿真主要對局部影響進行簡化，著重從系統角度研究整體性能，可以方便地進行大量的數值試驗，并進行系統整體性能尋優.

作為一種數值預測方法，系統動力學仿真在很多領域已取得很大發展.國外學者采用數值仿真方法對彈（箭）體活門動態特性進行過大量分析研究工作.SORLI等[1]對氣動壓力閥進行仿真和試驗研究；SCHALLHORN[2]對推進系統多種瞬態變化下壓力調節器的響應機制進行仿真分析；YANG等[3]采用數值仿真方法分析主要設計參數變化對肼基燃料衛星推進系統輸送行為的影響.在國內，武唯強等[4]對恒壓加載式冷氦壓力調節器進行仿真研究；張煒等[5]對液體導彈動力系統過渡工作過程和動態故障特性進行數值仿真.

AMESim提供一個復雜多學科領域系統工程設計平臺，采用集總參數方法建模，將流體、機械、液壓、氣動、熱、電、磁和控制等學科領域的物理原型進行抽象，并進行不同功能單元模塊分割，進而劃分歸類形成機械、液壓、氣動、控制、熱和電磁等模型庫；不同學科間模塊直接連接，可以方便地進行多學科多領域系統工程建模.

本文建立安溢活門主閥、指揮閥及其試驗系統的AMESim系統動力學模型，對安溢活門試驗過程中的動態特性進行數值仿真，研究系統各參數對安溢活門動態特性的影響.

1安溢活門工作原理

箭體一、二級及助推器所用安溢活門采用指揮式結構，由主閥和副閥組成，副閥控制主閥啟閉.[6]主閥膜片將閥腔分成主閥腔（A）和背壓腔（B）；副閥膜片感受壓力變化，控制背壓腔的壓力充放.工作原理見圖1.

2閥門動力學特征方程

閥門動力學特征方程詳見文獻[7]，主要包括運動系統動力學方程、氣動系統動力學方程、熱系統動力學方程、電路系統動力學方程和電磁系統動力學方程等.

2.1運動系統動力學方程

3安溢活門AMESim模型

與功率鍵合圖法類似，AMESim建模方法采用集總參數方法，將系統不同功能單元進行模塊分割，劃分為機械、液壓、氣動和控制等模型庫，用圖形方式描述系統中各元件的相互關系，反映元件間的負載效應和系統中功率流動情況.元件間可雙向傳遞數據，且變量一般具有實際物理意義，遵循因果關系.系統AMESim模型與系統工作原理圖非常接近，能更直觀地反映系統工作原理[9]，而且可以在仿真過程監視方程特性并自動選擇求解算法以獲得最佳結果，省去求解算法的選擇，使設計人員能夠更多地關注仿真物理模型.

根據安溢活門工作原理，安溢活門及其試驗系統[1]主要劃分為質量彈簧阻尼模型、平板閥模型、氣容模型、管路模型、孔板模型、活塞模型和膜片模型等.主副膜片剛度由結構有限元計算給出，系統AMESim模型見圖2，上半部分模擬指揮閥，下半部分模擬主閥.

4仿真結果與試驗結果對比

采用非接觸測量得到的安溢活門試驗過程中，大流量性能試驗時主活閥動態位移與仿真結果的對比見圖3，可知：仿真結果較準確地模擬開閥的動態調整過程，且試驗測試結果與仿真結果趨于同一開度，調整頻率與試驗幾乎完全吻合，但調整幅值仿真結果比試驗結果稍大.其主要原因是系統動力學仿真方法不考慮流場的不均勻性及非定常性，必然造成作用在運動部件上壓強計算的誤差.開閥之始，該誤差在活閥驅動力中相對較小，因此仿真較準確地計算出第一次調整的幅值；隨著不平衡力的減小，活閥振動位移不斷減小，誤差在不平衡力中所占比重增加，因此幅值誤差越來越大，以至于試驗測量幅值增加主要由系統不穩定造成.

5仿真結果分析

在正確模擬安溢活門試驗過程中動態特性基礎上，研究系統參數對動態性能的影響，主要包括主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等.

5.1主副彈簧剛度影響

由圖4和5可知：主彈簧剛度對系統動態位移和壓強特性影響很小，副彈簧剛度對動態位移影響也較小，對主閥腔壓強影響則相對較大；副彈簧剛度越大主閥腔壓強沖值越高，波動周期越長.從系統靈敏度角度考慮應選用剛度較小的副彈簧，不同副彈簧剛度造成的穩定壓強的不同，可通過副彈簧預壓調整.

5.2主副膜片剛度影響

0.75，1.00和1.25倍現有主膜片剛度下主活閥動態位移和主閥腔壓強曲線見圖6，可知，主膜片剛度對系統動態特性影響很大，體現在對振動幅值的影響上：主膜片剛度越大振動幅值越小，振動越容易趨于穩定；主膜片剛度對振動頻率的影響則很小，主要是由于安溢活門采用指揮式結構，主活閥動態特性主要由指揮閥性能決定.

0.75，1.00和1.25倍現有副膜片剛度下主活閥動態位移和主閥腔壓強曲線見圖7，可知，副膜片剛度對系統動態特性的影響與副彈簧相似，因此應選用剛度小的膜片.由于剛度與強度密切相關，在實際設計中從安全角度出發，應協調考慮副膜片剛度與副彈簧剛度，在滿足靈敏性和精度的前提下盡量采用剛度大的副膜片.

5.3主副膜片有效面積影響

由圖8可知，主膜片有效面積對動態特性影響很大：主膜片有效面積越大，主活閥振動幅值越大，振動越不容易趨于穩定，主閥腔壓強波動幅值越大，波動頻率越高.因此，在滿足開啟要求的情況下，應盡量減小主膜片的有效面積.

6結論

通過建立安溢活門及其試驗系統AMESim模型，對安溢活門動態特性進行數值仿真，仿真結果與試驗結果吻合較好，且通過AMESim仿真可以得到與分析系統方程相同的結論.著重研究主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等對安溢活門動態特性的影響.

（1）相對于主彈簧，副彈簧剛度對系統動態特性影響更大，在保證系統精度的前提下應盡量減小副彈簧剛度，增大主彈簧剛度.

（2）主副膜片剛度對系統動態特性影響很大，在保證系統精度前提下應盡量采用剛度大的膜片.

（3）膜片有效面積對系統動態特性影響很大，在滿足系統精度和穩定性前提下應盡量減小主膜片有效面積，增大副膜片有效面積.

（4）主活閥摩擦阻尼適當增加可使波動周期延長，過大的摩擦力則會造成主活閥低壓回位延遲現象.

（5）泄壓間隙及背壓腔容積對系統動態特性影響較大，在工程設計時應首先保證其他參數的優化和可靠，在滿足精度及穩定性要求的前提下最后對泄壓間隙和背壓腔容積進行優化設計.

安溢活門及其試驗系統AMESim仿真模型的建立，為全面了解和系統掌控活門動態特性提供有力工具，為試驗故障模式提供定性分析工具，極大地提高對安溢活門動態特性的認識，同時也為結構優化設計提供直接指導.但是，由于該方法固有的局限性，系統動力學模型不能反映結構內部復雜非定常流場對系統動態特性的影響，也不能反映流固耦合作用的影響.國內更急需對閥門系統流固耦合和非定常流動模擬方面的研究，為此有必要結合計算流體動力學以及結構動力學，開展流固耦合數值模擬研究，徹底解決安溢活門動態特性和參數優化問題.

參考文獻：

[1]SORLI M， FIGLIOLINI G， PASTORELLI S. Dynamic model and experimental investigation of a pneumatic proportional pressure valve[J]. IEEE/ASME Trans Mechatronics， 2004， 9（1）： 7886.

[2]SCHALLHORN P A. Forward looking pressure regulator algorithm for improved modeling performance within the generalized fluid system simulation program[C]//40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf & Exhibit， Fort Lauderdale， 2004.

[3]YANG AnShik， KUO TienChuan. Design analysis of a satellite hydrazine propulsion system[J]. J Propulsion & Power， 2001， 18（2）： 270279.

[4]武唯強， 王海洲. 恒壓加載式冷氦壓力調節器的建模與仿真[J].導彈與航天運載技術， 2001（6）： 2732.

[5]張煒， 徐志高， 黃先祥. 液體推進劑導彈全動力系統穩態故障仿真[J].系統仿真學報，2004， 15（9）： 12051209.

[6]宋鴻堯， 丁忠堯. 液壓閥設計與計算[M]. 北京： 機械工業出版社， 1982： 10.

[7]劉靖東， 隋國發， 婁路亮. 液體火箭增壓輸送系統多學科動力學研究[J]. 中國科學： E輯： 技術科學， 2009， 39（3）： 474481.

[8]LAFOND A. Numerical simulation of the flow field inside a hot gas valve， AIAA 994087[R]. 1999.

[9]袁洪濱， 張民慶， 孫彥堂. 基于AMESim的直動式電磁閥動態仿真研究[J].火箭推進， 2011， 37（5）： 3035.

（編輯于杰）

5.2主副膜片剛度影響

0.75，1.00和1.25倍現有主膜片剛度下主活閥動態位移和主閥腔壓強曲線見圖6，可知，主膜片剛度對系統動態特性影響很大，體現在對振動幅值的影響上：主膜片剛度越大振動幅值越小，振動越容易趨于穩定；主膜片剛度對振動頻率的影響則很小，主要是由于安溢活門采用指揮式結構，主活閥動態特性主要由指揮閥性能決定.

0.75，1.00和1.25倍現有副膜片剛度下主活閥動態位移和主閥腔壓強曲線見圖7，可知，副膜片剛度對系統動態特性的影響與副彈簧相似，因此應選用剛度小的膜片.由于剛度與強度密切相關，在實際設計中從安全角度出發，應協調考慮副膜片剛度與副彈簧剛度，在滿足靈敏性和精度的前提下盡量采用剛度大的副膜片.

5.3主副膜片有效面積影響

由圖8可知，主膜片有效面積對動態特性影響很大：主膜片有效面積越大，主活閥振動幅值越大，振動越不容易趨于穩定，主閥腔壓強波動幅值越大，波動頻率越高.因此，在滿足開啟要求的情況下，應盡量減小主膜片的有效面積.

6結論

通過建立安溢活門及其試驗系統AMESim模型，對安溢活門動態特性進行數值仿真，仿真結果與試驗結果吻合較好，且通過AMESim仿真可以得到與分析系統方程相同的結論.著重研究主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等對安溢活門動態特性的影響.

（1）相對于主彈簧，副彈簧剛度對系統動態特性影響更大，在保證系統精度的前提下應盡量減小副彈簧剛度，增大主彈簧剛度.

（2）主副膜片剛度對系統動態特性影響很大，在保證系統精度前提下應盡量采用剛度大的膜片.

（3）膜片有效面積對系統動態特性影響很大，在滿足系統精度和穩定性前提下應盡量減小主膜片有效面積，增大副膜片有效面積.

（4）主活閥摩擦阻尼適當增加可使波動周期延長，過大的摩擦力則會造成主活閥低壓回位延遲現象.

（5）泄壓間隙及背壓腔容積對系統動態特性影響較大，在工程設計時應首先保證其他參數的優化和可靠，在滿足精度及穩定性要求的前提下最后對泄壓間隙和背壓腔容積進行優化設計.

安溢活門及其試驗系統AMESim仿真模型的建立，為全面了解和系統掌控活門動態特性提供有力工具，為試驗故障模式提供定性分析工具，極大地提高對安溢活門動態特性的認識，同時也為結構優化設計提供直接指導.但是，由于該方法固有的局限性，系統動力學模型不能反映結構內部復雜非定常流場對系統動態特性的影響，也不能反映流固耦合作用的影響.國內更急需對閥門系統流固耦合和非定常流動模擬方面的研究，為此有必要結合計算流體動力學以及結構動力學，開展流固耦合數值模擬研究，徹底解決安溢活門動態特性和參數優化問題.

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[8]LAFOND A. Numerical simulation of the flow field inside a hot gas valve， AIAA 994087[R]. 1999.

[9]袁洪濱， 張民慶， 孫彥堂. 基于AMESim的直動式電磁閥動態仿真研究[J].火箭推進， 2011， 37（5）： 3035.

（編輯于杰）

5.2主副膜片剛度影響

0.75，1.00和1.25倍現有主膜片剛度下主活閥動態位移和主閥腔壓強曲線見圖6，可知，主膜片剛度對系統動態特性影響很大，體現在對振動幅值的影響上：主膜片剛度越大振動幅值越小，振動越容易趨于穩定；主膜片剛度對振動頻率的影響則很小，主要是由于安溢活門采用指揮式結構，主活閥動態特性主要由指揮閥性能決定.

0.75，1.00和1.25倍現有副膜片剛度下主活閥動態位移和主閥腔壓強曲線見圖7，可知，副膜片剛度對系統動態特性的影響與副彈簧相似，因此應選用剛度小的膜片.由于剛度與強度密切相關，在實際設計中從安全角度出發，應協調考慮副膜片剛度與副彈簧剛度，在滿足靈敏性和精度的前提下盡量采用剛度大的副膜片.

5.3主副膜片有效面積影響

由圖8可知，主膜片有效面積對動態特性影響很大：主膜片有效面積越大，主活閥振動幅值越大，振動越不容易趨于穩定，主閥腔壓強波動幅值越大，波動頻率越高.因此，在滿足開啟要求的情況下，應盡量減小主膜片的有效面積.

6結論

通過建立安溢活門及其試驗系統AMESim模型，對安溢活門動態特性進行數值仿真，仿真結果與試驗結果吻合較好，且通過AMESim仿真可以得到與分析系統方程相同的結論.著重研究主副彈簧剛度、主副膜片剛度、主副膜片有效面積、主活閥摩擦阻尼、背壓腔容積和泄壓間隙等對安溢活門動態特性的影響.

（1）相對于主彈簧，副彈簧剛度對系統動態特性影響更大，在保證系統精度的前提下應盡量減小副彈簧剛度，增大主彈簧剛度.

（2）主副膜片剛度對系統動態特性影響很大，在保證系統精度前提下應盡量采用剛度大的膜片.

（3）膜片有效面積對系統動態特性影響很大，在滿足系統精度和穩定性前提下應盡量減小主膜片有效面積，增大副膜片有效面積.

（4）主活閥摩擦阻尼適當增加可使波動周期延長，過大的摩擦力則會造成主活閥低壓回位延遲現象.

（5）泄壓間隙及背壓腔容積對系統動態特性影響較大，在工程設計時應首先保證其他參數的優化和可靠，在滿足精度及穩定性要求的前提下最后對泄壓間隙和背壓腔容積進行優化設計.

安溢活門及其試驗系統AMESim仿真模型的建立，為全面了解和系統掌控活門動態特性提供有力工具，為試驗故障模式提供定性分析工具，極大地提高對安溢活門動態特性的認識，同時也為結構優化設計提供直接指導.但是，由于該方法固有的局限性，系統動力學模型不能反映結構內部復雜非定常流場對系統動態特性的影響，也不能反映流固耦合作用的影響.國內更急需對閥門系統流固耦合和非定常流動模擬方面的研究，為此有必要結合計算流體動力學以及結構動力學，開展流固耦合數值模擬研究，徹底解決安溢活門動態特性和參數優化問題.

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[9]袁洪濱， 張民慶， 孫彥堂. 基于AMESim的直動式電磁閥動態仿真研究[J].火箭推進， 2011， 37（5）： 3035.

（編輯于杰）