基于CFD的液壓錐閥開啟過程流固耦合分析

， 　， 　(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京　210007)

引言

液壓錐閥結(jié)構(gòu)簡單，較液壓滑閥和球閥具有更好的密封性能，因此應(yīng)用非常廣泛。液壓錐閥在開啟過程流場不穩(wěn)定，并且其性能對(duì)于液壓系統(tǒng)有著較大的影響。流固耦合的研究可以追溯到19世紀(jì)初的機(jī)翼氣動(dòng)彈性問題[1]。當(dāng)前，流固耦合的研究主要集中于水輪機(jī)、軸流泵[2-4]等，針對(duì)液壓閥的研究并不多。文獻(xiàn)[5]對(duì)液壓閥進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)的單向流固耦合計(jì)算，流固耦合分析結(jié)果表明閥芯受力較大，約為閥體的3倍，但其沒有考慮閥芯開啟過程的瞬態(tài)受力情況。因此，有必要對(duì)液壓錐閥的閥芯進(jìn)行重點(diǎn)研究，并分析其瞬態(tài)受力情況。針對(duì)上述問題，借助動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和流固耦合理論，以流體力學(xué)軟件CFD-ACE+為平臺(tái)，對(duì)液壓錐閥開啟過程進(jìn)行液閥的流固耦合分析，為改善液壓錐閥內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)和閥芯受力狀況提供依據(jù)。

1　幾何模型和網(wǎng)格劃分

1.1　幾何模型

借鑒文獻(xiàn)[6]歸納出的具有共性的液壓錐閥作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)及尺寸見圖1。

該錐閥的閥芯在開啟過程中液壓油的流動(dòng)具有對(duì)稱性，為提高計(jì)算效率，取流動(dòng)區(qū)域和閥芯的一半作為研究對(duì)象，建立的用于流固耦合分析的幾何模型如圖2所示。

圖1　液壓閥結(jié)構(gòu)

圖2　錐閥流固耦合分析模型錐閥幾何模型

1.2　網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分直接影響到計(jì)算精度和效率，網(wǎng)格過于稀疏會(huì)使精度降低，過于密集會(huì)使效率降低。根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，本研究采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分采用處理軟件GEOM實(shí)現(xiàn)，為更好地捕捉閥口處的流場變化，對(duì)閥口區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。在大量試算的基礎(chǔ)上，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為64087個(gè)。其中，流域網(wǎng)格47222個(gè)，閥芯網(wǎng)格16865個(gè)。網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格劃分

2　控制方程

2.1　動(dòng)網(wǎng)格條件下的流場控制方程

在網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)過程中，流場內(nèi)控制體將發(fā)生改變，一般采用積分形式來表示諸守恒方程[7]：

(1)

2.2　流固耦合控制方程

在流固耦合交界面處應(yīng)力：

(2)

式中， ΔFi為在i方向上的力，N；ΔAi為在i方向的受力面積，m2。

力平衡方程：

(3)

式中，σxx、σyy、σzz為應(yīng)力分量；τxy、τxz、τyx、τyz、τzx、τzy為應(yīng)變分量。

幾何方程：

(4)

式中，ξxx、ξyy、ξzz為應(yīng)變分量；u、v、w為速度分量；γxy、γyx、γzy、γyz、γxz、γzx為切應(yīng)變分量。

本構(gòu)方程：

式中，μ為泊松比；E為楊氏模量，GPa；G為切變模量，GPa。

3　邊界條件與參數(shù)選取

3.1　流域參數(shù)

入口條件：壓力入口，選取6.3 MPa；

出口條件：壓力出口，設(shè)為大氣壓；

液壓油：型號(hào)VG46，其密度ρ=885 kg/m3；運(yùn)動(dòng)黏度μ=46 mm2/s；由于液壓油壓縮性很小[8]，設(shè)為不可壓縮流體；

彈簧剛度：125 N/mm；

湍流模型：采用k-ε湍流模型。

3.2　閥芯參數(shù)

閥芯材料為45號(hào)鋼。密度ρ=7850 kg/m2；楊氏模量E=210 GPa；泊松比ν=0.3。

4　仿真結(jié)果分析

4.1　閥芯運(yùn)動(dòng)情況分析

閥芯的運(yùn)動(dòng)情況由閥口靜壓、液動(dòng)力以及彈簧力共同決定，仿真得到的運(yùn)動(dòng)情況如圖4所示。圖中點(diǎn)1為閥芯開啟初期(t=0.2 ms)，點(diǎn)3為閥芯位移最大時(shí)(t=0.55 ms)，點(diǎn)5為閥芯穩(wěn)態(tài)位移時(shí)(t=5 ms)，點(diǎn)2、點(diǎn)4分別為波動(dòng)幅度最大過程中位移相同速度相反的兩點(diǎn)(t=0.4 ms、t=0.7 ms)。

從圖4中可以看出在液壓錐閥開啟過程，閥芯位移存在一定的波動(dòng)，最大位移達(dá)到0.00175 m，穩(wěn)態(tài)位移為0.0011 m，位移的波動(dòng)引起流量的波動(dòng)，從而影響執(zhí)行裝置的運(yùn)動(dòng)情況；閥芯位移的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，也會(huì)影響流場及閥芯瞬態(tài)受力情況。

液壓錐閥閥芯穩(wěn)態(tài)位移的理論計(jì)算公式為：

(6)

式中，p為閥口靜壓，6.3 MPa；d為流道直徑，12 mm；k為彈簧剛度，125 N/mm；Fl為閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力；ρ為液壓油密度，885 kg/m3；Q為穩(wěn)態(tài)流量；Cd為流量系數(shù)，錐閥為0.77～0.8，選取0.8；α為液壓錐閥的半錐角，45°；A為過流面積；Δp為壓差，6.3 MPa。

聯(lián)立上式，可以解得閥芯穩(wěn)態(tài)位移x0=0.001 m。

仿真得到的閥芯穩(wěn)態(tài)位移xf=0.0011 m。理論計(jì)算與仿真計(jì)算結(jié)果的誤差為9.1%，可以認(rèn)為仿真計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，證明了仿真的可靠性。誤差的產(chǎn)生是因?yàn)樵诶碚撚?jì)算中使用半錐角代替節(jié)流口處的液流角，且沒有考慮液壓錐閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同及流場微觀流動(dòng)帶來的影響。

4.2　流固耦合分析

閥芯開啟初期(t=0.2 ms，圖4中點(diǎn)1)、最大位移(t=0.55 ms，圖4中點(diǎn)3)、穩(wěn)態(tài)位移(t=5 ms，圖4中點(diǎn)5)的仿真結(jié)果如圖5所示。圖中給出了液壓錐閥流域的壓力場、壓力等值線分布以及液壓錐閥閥芯所受的馮米斯應(yīng)力。馮米斯應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的一種當(dāng)量應(yīng)力，可以用來對(duì)疲勞、破壞等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

從圖5可以看出：

(1) 在流場的H區(qū)域會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓區(qū)域面積隨著閥芯的運(yùn)動(dòng)而變大。流場負(fù)壓區(qū)是引起氣蝕的主要原因，氣蝕會(huì)導(dǎo)致閥芯產(chǎn)生氣蝕破壞；

(2) 在液壓錐閥開啟初期，閥芯應(yīng)力集中于閥芯的A區(qū)域和B區(qū)域且四周對(duì)稱分布，當(dāng)閥口開度較大后，應(yīng)力集中于B區(qū)域；

(3) 在閥芯開啟過程中，液壓錐閥閥芯同一位置所受應(yīng)力是變化的。

閥芯運(yùn)動(dòng)過程中位移相同、速度相反的兩點(diǎn)，即t=0.4 ms(圖4中點(diǎn)2)和t=0.7 ms(圖4中點(diǎn)4)的仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可看出：雖然閥芯位移相同，但流域的壓力場、閥芯的應(yīng)力場均存在較大差異，這是由于閥芯運(yùn)動(dòng)的速度不同引起的；從圖6b中可以看出，當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)的速度方向與流體流動(dòng)方向相反時(shí)，流域壓力較大，閥芯所受的應(yīng)力也較大并且集中于閥芯的A區(qū)域。

綜合圖5、圖6分析結(jié)果可知，液壓錐閥閥芯所受應(yīng)力主要集中于A區(qū)域和B區(qū)域，兩點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況如圖7所示。

從圖7中可以看出：在液壓錐閥開啟過程中，最大瞬時(shí)應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力均在A處，分別為15.3 MPa和12.3 MPa，均滿足45號(hào)鋼材料許用強(qiáng)度； A、B兩處的應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，B處的波動(dòng)幅度更大，易產(chǎn)生疲勞破壞；閥芯開啟初期，B處所受瞬時(shí)應(yīng)力較大，隨后A處應(yīng)力較大。

5　結(jié)論

(1) 液壓錐閥開啟過程中流域會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓是產(chǎn)生氣蝕的主要原因，可以對(duì)流域結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)來減小或避免負(fù)壓區(qū)域的產(chǎn)生；

圖7　A和B兩點(diǎn)應(yīng)力變化情況

(2) 液壓錐閥開啟過程中不同位置閥芯所受應(yīng)力是不斷變化的，流場和應(yīng)力場的分布不僅僅與閥芯位移有關(guān)，還與閥芯速度有關(guān)；

(3)液壓錐閥開啟過程中閥芯應(yīng)力主要集中于兩個(gè)區(qū)域，對(duì)該區(qū)域應(yīng)力變化情況進(jìn)行研究可以為改進(jìn)閥芯結(jié)構(gòu)、提高閥芯壽命提供依據(jù)。

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