鎖止回路控制流道的流固耦合分析與優(yōu)化*

彭 昭，吳懷超，楊 炫，董 勇

(貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引言

作為重型液力自動變速器液壓控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)，鎖止閥一直起著舉足輕重的作用[1-2]。鎖止閥不僅與換擋電磁閥搭配作用以保證各檔位之間的正常邏輯切換工作，同時意外斷電時還能使變速器由電液控制迅速進入純液壓工況[3]。在鎖止閥工作的回路中，控制油壓經(jīng)過的流道即為鎖止回路控制流道，其結(jié)構(gòu)會對鎖止閥工作精度與使用壽命產(chǎn)生重要影響。合理的鎖止回路控制流道能減少油液的能量損失，改善鎖止閥的工作性能，同時能夠減小沖擊與內(nèi)部壓力，保證鎖止閥的工作壽命。因此對鎖止回路控制流道進行深入研究分析與優(yōu)化具有非常重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國外對鎖止閥設(shè)計理論的技術(shù)封鎖較為嚴密，但從Allison 公司的產(chǎn)品可以了解到，鎖止閥逐漸在高響應(yīng)、穩(wěn)定性強和換擋平穩(wěn)的方向發(fā)展。文獻[4]對鎖止閥及斷電保護系統(tǒng)做出了詳細的概述，針對電控自動變速器進行電控系統(tǒng)突斷電試驗研究，從結(jié)構(gòu)上分析了自動變速器的工作原理以及斷電檔位互鎖功能實現(xiàn)的原理,能夠為今后設(shè)計此類變速器提供理論支持。文獻[5]通過同步采集多路電磁閥的占空比分析了斷電保護鎖止閥和電磁閥在正常升降擋時的工作邏輯。結(jié)果表明，鎖止閥先導(dǎo)電磁閥與其它電磁閥的工作時序必須要合乎要求。然而，他們的工作僅停留在對于鎖止閥功能的系統(tǒng)研究上，沒有從鎖止閥內(nèi)部進行結(jié)構(gòu)分析，更是鮮有學(xué)者對鎖止回路的控制流道展開研究。

針對以上研究中的不足，本文以某重型液力自動變速器鎖止回路控制流道為對象，使用ANSYS仿真軟件進行有限元分析，使用CCD響應(yīng)面法對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為改善鎖止閥工作性能提供了有力的依據(jù)。

1 仿真模型

鎖止回路控制流道結(jié)構(gòu)如圖1所示，油液從進油口A流入，經(jīng)過閥口，然后從出油口B流出。

圖1 鎖止閥控制腔結(jié)構(gòu)模型

用建模軟件UG建立仿真模型，初始模型時，閥口開度為1.0 mm，結(jié)構(gòu)參數(shù)h=2.8 mm。速度進口為6 m/s，壓力出口為1.042 MPa。仿真模型由流道模型和閥體模型兩部分組成。為了模擬近壁流場，在鎖止閥控制腔流道模型中添加3層邊界層網(wǎng)格，增長率為1.2[6]。圖2為鎖止回路控制流道流體域的網(wǎng)格模型圖，其網(wǎng)格單元數(shù)為553 284個，節(jié)點數(shù)為198 354個。

圖2 流道模型網(wǎng)格圖

2 流固耦合分析

2.1 流場域數(shù)值模擬

用計算流體動力學(xué)軟件(CFD)fluent對鎖止回路控制流道進行有限元分析，其仿真結(jié)果如圖3所示。

(a)壓力分布云圖 (b)速度矢量圖圖3 fluent分析結(jié)果圖

由圖3a可知，從油液進入控制流道內(nèi)到第一個拐角過程中，能量損耗主要為沿程流動損失。同樣地，油液在出油口前的那一段流動過程中，能量損耗主要還是沿程流動損失。而局部流動損失主要發(fā)生在流道拐角和球閥口兩個部位。在拐角處，由于離心力的作用，導(dǎo)致流道內(nèi)壁區(qū)域的壓力減小，外壁區(qū)域的壓力增大，從而出現(xiàn)內(nèi)壁收縮，外壁擴散現(xiàn)象，進而在拐角處形成渦流。在球閥口處，由于油液通流截面的急劇收縮，形成了一個節(jié)流口。又由圖4可知，在此處油液流速達到最高，同時壓降最大，能量損耗最大。而油壓的急劇下降，可能會導(dǎo)致氣穴的產(chǎn)生，出現(xiàn)氣蝕，更會造成對閥芯及閥體的沖擊和振動，降低鎖止閥的使用壽命。同時，通過fluent分析結(jié)果得知，鎖止回路控制流道進出口的油壓差為0.118 9 MPa,能量損失較多，對于鎖止閥工作的快速性和穩(wěn)定性會產(chǎn)生不利的影響。

2.2 靜力學(xué)分析

將流場域的計算結(jié)果作為邊界條件加載到閥芯和閥體與流體部分耦合面上，同時設(shè)置好約束條件，使用ANSYS Workbench軟件進行靜力學(xué)分析[7]。其閥芯和和閥體材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

在Workbench Static Structural中求解，得到位移云圖和Von-mises應(yīng)力云圖，分別如圖4a、4b所示。從圖中可以看出形變最大處為閥芯下端，最大形變?yōu)?.513 1×10-4mm；最大Von-mises應(yīng)力為8.234 8 MPa，遠小于材料的屈服極限，基本滿足設(shè)計需求。但是由于閥芯局部區(qū)域在工作過程中始終處于高沖擊狀態(tài)，可能引起應(yīng)力疲勞破壞，因此可以改進鎖止閥控制腔設(shè)計結(jié)構(gòu)來提高閥體及閥芯的承載能力，例如：優(yōu)化閥口開度LS及尺寸參數(shù)h。

(a)位移云圖 (b)Von-mises應(yīng)力云圖圖4 靜力學(xué)分析結(jié)果

2.3 影響參數(shù)分析

內(nèi)部閥口過流面積為：

(1)

式中，LS為閥口開度；d0為鋼球直徑；d1為閥座孔直徑。根據(jù)公式(1)，得到過流面積S隨閥口開度LS的關(guān)系如圖5所示。

圖5 過流面積S和閥口開度LS的關(guān)系圖

如圖6所示，過流面積S和閥口開度LS的關(guān)系圖近似為一條直線，且S隨著LS的增大而增大。因此為了減少流體能量損失，同時減小閥體和閥芯所受沖擊，可以適當(dāng)增大過流面積，即增大閥口開度。

對不同參數(shù)下的鎖止回路控制流道進行流固耦合數(shù)值模擬分析，其結(jié)果圖6所示。

(a) 不同閥口開度LS下的數(shù)值模擬結(jié)果

(b) 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)h下的數(shù)值模擬結(jié)果圖6 不同參數(shù)下的有限元仿真結(jié)果

通過圖6結(jié)果可知，進出口壓降和最大Von-mises應(yīng)力隨著閥口開度LS的增大而減小，這與上文過流面積隨閥口開度LS的變化是一致的。同時，進出口壓降和最大Von-mises應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)h的增大而增大。因此，在進行鎖止閥控制腔的性能優(yōu)化時，可以適當(dāng)減小參數(shù)h，同時適當(dāng)增大閥口開度LS。

由分析可知，閥口開度LS和結(jié)構(gòu)參數(shù)h的變化會對鎖止閥控制腔的壓降及最大Von-mises應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響，為了提升鎖止閥的工作性能和使用壽命，需要對其參數(shù)進行優(yōu)化。

3 響應(yīng)面法優(yōu)化

本文使用Design-Expert軟件作為分析和優(yōu)化工具，以鎖止回路控制流道進出口壓降和最大Von-mises應(yīng)力為優(yōu)化目標，閥口開度LS和結(jié)構(gòu)參數(shù)h、R1、R2作為優(yōu)化參數(shù)，其優(yōu)化范圍見表2所示。

表2 各參數(shù)優(yōu)化范圍

3.1 響應(yīng)面法及回歸模型

考慮到各參數(shù)之間的交互作用，本文采用包含交叉項的完全二階響應(yīng)面模型，其數(shù)學(xué)模型為[8]：

(2)

式中，Y為目標函數(shù)，Xi為參數(shù)變量，βi為多項式待定系數(shù)，ε為隨機誤差。

以進出口壓降和最大Von-mises應(yīng)力作為優(yōu)化標準，其目標函數(shù)為：

Y=w1ΔP+w2Pv

(3)

式中，w1、w2為權(quán)重系數(shù)，且w1+w2=1；ΔP為進出口壓降；Pv為最大Von-mises應(yīng)力。

為了使得擬合響應(yīng)面模型更好地反映出目標函數(shù)與鎖止回路控制流道各參數(shù)之間的關(guān)系，本文采用擬合精度高的Central Composite Design響應(yīng)面設(shè)計(CCD-RSM)來進行數(shù)值模擬，同時能得到超出原定水平的數(shù)據(jù)，使得模型更具真實性。最終得到各組參數(shù)下所對應(yīng)的目標函數(shù)值Y，根據(jù)公式(1)進行非線性回歸擬合，并刪減掉其中的不顯著項，得到公式(3)[9]：

(4)

3.2 模型分析

通過診斷圖(包括殘差的正態(tài)概率、預(yù)測值與實際值、殘差與預(yù)測值以及標準化殘差與運行次數(shù)圖)來評估回歸模型的擬合優(yōu)度[8]。正態(tài)概率圖描述殘差的正態(tài)分布性，并且越靠近直線越好。圖7a表明簡化模型的預(yù)測值與實際數(shù)據(jù)之間存在著隨機偏差的正態(tài)分布，同時也說明了殘差獨立性和簡化模型的高有效性[8]。根據(jù)圖7b的預(yù)測值與殘差研究圖得知，當(dāng)缺少恒定誤差時，各個色點都被隨機的分散在±2范圍內(nèi)，并且靠近零坐標軸。圖7c預(yù)測值與實際值的對應(yīng)關(guān)系圖表明各個色點集中分布于直線兩側(cè)，其預(yù)測值與試驗值基本吻合，證明了簡化模型的適用性。圖7d為殘差與運行次數(shù)關(guān)系圖，其中各個色點隨機均勻發(fā)散，沒有表現(xiàn)出任何規(guī)律性和異常性結(jié)構(gòu)。通過分析，可判斷該簡化模型的充分可靠性。

(a) 殘差的正態(tài)概率分布 (b) 預(yù)測值與殘差

(c) 預(yù)測值與實際值 (d)殘差與運行次數(shù)圖7 簡化模型診斷圖

回歸模型中具有顯著性交互作用的LSh項對目標函數(shù)Y的響應(yīng)面及等高線如圖8所示。由響應(yīng)面圖(圖8a)可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)R1和R2為固定值時，目標函數(shù)Y隨著閥口開度LS的增大而逐漸減小，隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)h的增大而逐漸增大。且當(dāng)閥口開度LS較小時，結(jié)構(gòu)參數(shù)h的變化對目標函數(shù)Y的影響比較明顯；而當(dāng)閥口開度LS較大時，結(jié)構(gòu)參數(shù)h的變化對目標函數(shù)Y的影響較小。由等高線圖(圖8b)可知，隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)h的增大和開口度LS的減小，目標函數(shù)Y增大的速度降低。這主要是由于油液流經(jīng)球閥口時，其通流截面突然發(fā)生變化所引起的局部壓力損失導(dǎo)致的，其局部壓力損失由式(5)所示[10]。

(5)

式中,vt為油液的閥口局部損失流速。由上文分析，閥口開度LS和結(jié)構(gòu)參數(shù)h的變化會使得閥口最小通流截面發(fā)生變化，進而改變油液的閥口局部損失流速，使得局部壓力損失發(fā)生變化。

(a) 響應(yīng)面圖 (b) 等高線圖圖8 閥口開度LS和結(jié)構(gòu)參數(shù)h的交互作用圖

3.3 目標參數(shù)優(yōu)化

使用響應(yīng)面法得出最佳優(yōu)化結(jié)果如表6所示[11]。圖9為優(yōu)化后鎖止回路控制流道有限元分析圖。由圖9可知，優(yōu)化后鎖止回路控制流道的有限元分析結(jié)果明顯改善，其進出口壓降減小了31.37%，這是由于拐角處流道結(jié)構(gòu)得到改進，降低了渦流強度，減小了能量損失；同時又減小了油液的閥口局部損失流速，使得其局部壓力損失降低。和優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的最大Von-mises應(yīng)力和最大變形量分別減小了31.20%和57.55%，充分說明響應(yīng)面法優(yōu)化的有效性，對提高鎖止閥的工作性能和壽命提供了有力的依據(jù)。

表4 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

(a) 優(yōu)化后壓力分布云圖 (b) 優(yōu)化后速度矢量圖圖9 優(yōu)化后有限元分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用ANSYS軟件對鎖止閥控制流道進行流固耦合分析，并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化:

(1)使用Fluent軟件分析鎖止回路控制流道的流場特性，得知沿程壓力損失和局部壓力損失的部位，同時球閥下端壓降最大，且拐角處容易形成渦流，增加能量損耗。

(2)由流固耦合分析結(jié)果得知，形變最大處為閥芯下端，且最大Von-mises應(yīng)力和最大形變基本滿足設(shè)計要求。通過不同閥口開度和不同參數(shù)h下的流固耦合結(jié)果得知，可以適當(dāng)減小參數(shù)h，同時適當(dāng)增大閥口開度。

(3)根據(jù)CCD-RSM的仿真結(jié)果，建立完全二階響應(yīng)面模型并進行優(yōu)化，優(yōu)化后鎖止回路控制流道進出口壓降、最大Von-mises應(yīng)力和最大變形明顯改善，進一步說明了響應(yīng)面法優(yōu)化的可行性，為提高鎖止閥的工作性能與使用壽命提供了有力的依據(jù)。