流固耦合作用下的液控換向閥動態特性仿真

張順鋒，張 勝，王 強，何曉暉，徐 磊

(解放軍理工大學 野戰工程學院， 南京 210007)

【機械制造與檢測技術】

流固耦合作用下的液控換向閥動態特性仿真

張順鋒，張 勝，王 強，何曉暉，徐 磊

(解放軍理工大學 野戰工程學院， 南京 210007)

基于流固耦合理論和動網格技術，運用CFD-ACE+軟件建立了計算流體力學三維模型。對在彈簧力、驅動力及流體力的作用下液控換向閥的開啟過程進行了仿真，仿真結果與理論值、AMESim數值計算基本一致。對3種節流結構的液控換向閥開啟過程瞬時的流場、閥芯位移、液動力、von Mises應力分布和形變進行了對比。

液控換向閥；流固耦合；動網格；動態仿真

simulation

在各類液壓系統中液控換向閥應用廣泛，其性能影響著整個液壓系統的工作。滑閥式換向閥的主要性能是平穩換向，迅速反應。滑閥內部流場、液動力以及動態響應特性是目前研究的熱點。趙蕾等[1-3]利用計算流體動力學方法對液壓滑閥開啟過程或關閉時內部的流場分布及液動力進行了仿真分析，其中動態模擬時閥芯速度是預先給定，實際上滑閥開啟中閥芯速度是不斷變化著的。姜濤[4]對換向閥P-B通道(進行了動態仿真研究，換向閥的動態開啟過程是通過假定閥芯不動來實現的，但在實際運行中閥芯和流體相互影響，需要考慮流固耦合的影響。張蕊華[5]對閥芯及其周圍流場數值模擬時考慮了流固耦合，先對流場分析進行了計算，然后將數值結果加載到固體結構上，顯然這種流固耦合的數值計算是單向的。在換向閥的實際工作中，換向閥的開合是一個動態過程，閥芯的運動及形變相反又會對流體運動產生重要影響[6]。

針對上述問題，將流固耦合理論和動網格技術相結合，以流體力學軟件CFD-ACE+為平臺，對3種不同節流結構的液控換向閥在彈簧力、驅動力及流體力作用下的開啟過程進行動態模擬分析，為改善液壓滑閥內部流體流動狀態、動態響應特性和閥芯受力狀況提供依據。

1 三維幾何模型和網格劃分

液控換向滑閥由多個閥體內腔組成，本文主要對其中的一個閥體內腔進行研究[7]。以P-B口開啟過程為例，其結構示意圖如圖1所示，在出口節流處閥芯臺肩上設有3種不同的節流結構。

借鑒朱鈺[8]的簡化方法，將液控換向滑閥閥芯兩端部分及其附近流域略去，彈簧模型加載到閥芯一端。由于閥體內腔、流域和閥的內芯均以閥中央對稱布置，為提高計算效率取流體區域和閥芯的對稱作為研究對象。

在劃分網格時采用高精度六面體結構網格，考慮流固耦合導致網格形變較大，三維瞬態流場解析誤差太大，因此采用單一的網格變形方式，劃分網格的變形能力和變形品質就很難控制。本研究將彈簧法和超限插值法聯系起來處理結構網格的形變。基于分塊網格的觀點，將計算區域分成16個網格區。采取彈簧聯系不同網格區的角點，通過彈簧啟動各角點的形變[9]。3種不同節流結構的液控換向滑閥網格劃分情況如圖2所示，在閥芯出口臺肩處為A、B、C 3種不同的節流結構。對節流處進行細化網格可以大大提高數值模擬結果的準確性。

圖1 液控換向滑閥結構示意圖

圖2 網格劃分

2 計算條件及參數設置

入口條件：壓力入口，選取6 MPa；

出口條件：壓力出口，設為大氣壓；

閥芯驅動壓差：1 MPa；

彈簧剛度：80 N/mm；

液壓油：型號VG46，密度ρ=890 kg/m3；運動粘度μ=46 mm2/s；設為不可壓縮流體；

湍流模型：k-ε湍流模型。

仿真中不考慮溫度、泄漏的影響，閥芯和閥體之間配合良好，無徑向間隙，閥芯只考慮軸向位移。

3 仿真結果分析

3.1 閥芯運動情況分析

閥芯的運動影響因素主要是驅動力、液動力以及彈簧力。為驗證數值計算結果的正確性，利用AMESim軟件建立如圖3所示的液控換向閥模型，與CFD-ACE+所建立的無節流結構理想滑閥模型仿真結果進行對比，兩種軟件仿真得到的閥芯位移、速度和加速度對比情況如圖4所示。

圖3 液控換向閥AMESim模型

閥芯穩態位移的計算公式為：

(3)

式中：D為流道直徑；xv為閥芯穩態位移；W為閥口的面積梯度；k為彈簧剛度；F為滑閥閥芯所受的驅動力；Fs為閥芯所受的穩態液動力；Δp為滑閥進出口壓差；Δp1為驅動壓差。

從式(3)，解得閥芯的穩態位移為0.71 mm，而CFD-ACE+和AMESim仿真的結果與理論計算值誤差分別為3.1%和11.3%，CFD-ACE+的數值計算結果因考慮了流固耦合作用和流場微小流動帶來的影響而更加精準。但因仿真條件的設置和理論計算的方法不可能完全一致，仍存在一定的誤差。

圖4 CFD-ACE+和AMESim仿真結果

利用CFD-ACE+仿真得到的3種節流結構的液控換向閥閥芯位移隨時間的變化情況如圖5所示，假設當閥芯位移同一波動周期內波動幅度與該段波峰值之比小于0.5%時，即為穩態。

從圖5可看出在液控換向閥P-B開啟過程中，3種節流結構閥芯位移均存在一定的波動，超調量分別為45.9%、48.9%和48.7%，穩態位移分別為0.64 mm、0.59 mm和0.48 mm。A型超調量最小，穩態位移最大，達到穩態所需的時間也最短。

圖5 閥芯開啟過程的位移

3.2 液動力分析

滑閥閥芯表面所受到的軸向力可以由閥芯表面所受的壓力對表面積積分得到，閥芯表面軸向力即為液動力[10-12]。圖6給出了3種閥芯開啟過程中所受液動力變化情況，包括瞬態液動力和穩態液動力，其中瞬態液動力等于不同瞬間總的液動力與穩態液動力之差。可知穩態液動力的大小均為負值，方向即為閥口關閉的方向。在閥芯開啟過程瞬間，瞬態液動力變化較大，設計閥時須加以考慮。A型閥芯穩態液動力值最小，達到穩態所需的時間最短，但瞬態液動力波動峰值較大。

圖6 閥芯開啟過程液動力變化

3.3 流固耦合分析

圖7給出了3種節流結構液控換向閥在開啟初期、最大位移和穩態時流域的壓力場和閥芯所受的馮.米斯應力場。馮·米斯應力是根據第四強度理論得到的一種當量應力，可以用來對疲勞、破壞等進行評價[13]。

圖7 不同時刻壓力場和應力場

從圖7可以看出，在閥口節流區域靠近閥體的流場均會產生負壓，其中B型閥芯負壓區域較大。流場的負壓導致產生氣蝕。由于氣蝕，閥芯則容易破壞。在入口靠近閥桿的流場均出現了高壓區，這會對閥芯形成高壓沖擊，從而影響閥芯的徑向平衡，容易造成閥芯卡死。3種節流結構閥芯所受馮.米斯應力值的分布基本一致，在閥芯臺肩和閥桿連接處馮.米斯應力值均最大。圖8為閥芯開啟過程應力值的峰值隨時間變化情況。從其中可知，閥芯開啟過程最大馮.米塞斯應力值均存在波動，其中A型閥芯穩態值最小，B型閥體內芯穩態值和瞬態值最大。B型閥芯開啟過程所受馮.米塞斯應力的峰值為35.5 MPa，閥芯材料(20CrMo)的抗拉、抗剪和抗壓強度都大于200 MPa[14]，根據換向閥的強度理論，換向閥使用過程中的安全系數取為2，由此文中所研究的3種節流結構的閥芯強度均滿足要求，設計時無需考慮閥芯的疲勞破壞。

圖9給出了3種節流結構閥芯在開啟初期、最大位移和穩態位移時閥芯的形變及其分布情況。

從圖9可看出，閥芯的徑向形變主要發生在閥桿上，最大形變分布位置和大小隨時間不斷變化。達到穩態時，閥桿在入口處靠近閥口方向和出口處背離閥口方向產生較大變形。穩態時3種節流結構閥芯的最大形變分布位置基本相同，B型閥芯最大形變較大，A型閥芯最大形變較小。

圖8 閥芯開啟過程最大馮·米塞斯應力值變化

圖9 不同時刻閥芯形變

4 結論

1) 液控換向閥開啟時在閥口節流區域靠近閥體的流場產生負壓區，在入口靠近閥桿的流場出現高壓區；

2) 在閥芯開啟同時，瞬態液動力值變動較大，馮·米斯應力最大值主要集中在閥芯臺肩和閥桿連接處，設計閥時須加以考慮；

3) 穩態時3種節流結構閥芯的最大變形分布基本相同， A型閥芯最大變形較小；

4) A型閥芯在試驗條件下達到穩態時位移最大，液動力、穩態馮.米塞斯應力值最小和位移超調量最小，時間最短，設計閥芯時可以考慮采用該節流結構。

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(責任編輯周江川)

TransientPropertiesofHydraulicOperatedDirectionalValveBasedonFluid-structureInteraction

ZHANG Shunfeng, ZHANG Sheng, WANG Qiang, HE Xiaohui, XU Lei

(College of Field Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)

Three-dimensional CFD modals were established via CFD-ACE+ software based on fluid-structure interaction and dynamic mesh.The opening process of hydraulic operated directional valves under the spring force, driving force and flow force process were simulated and the results are consistent with the theoretical values and values calculated by AMESim.The transient flow fields, spool displacement, flow force, distribution of von Mises stress, deformation of three different throttle structure of hydraulic operated directional valves in the opening process were compared and analyzed.

hydraulic operated directional valve; fluid-structure interaction; dynamic mesh; dynamic

2017-04-23；

：2017-05-11

：國家自然科學基金項目(51175511)

張順鋒,碩士研究生,主要從事液壓傳動與控制研究。

王強，教授，主要從事液壓傳動與控制研究，E-mail：wangqiangjs@sohu.com。

10.11809/scbgxb2017.09.032

format:ZHANG Shunfeng, ZHANG Sheng, WANG Qiang, et al.Transient Properties of Hydraulic Operated Directional Valve Based on Fluid-structure Interaction[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):151-155.

TH137

：A

2096-2304(2017)09-0151-05

本文引用格式：張順鋒，張勝，王強，等.流固耦合作用下的液控換向閥動態特性仿真[J].兵器裝備工程學報，2017(9):151-155.