虚拟样机技术在液压油源机组设计中的应用＊

胡剑波

（海军驻九江地区军事代表室 九江 332007）

1 引言

液压系统具有功率重量比大、控制方便等优点，在舰艇上得到了广泛的运用。油源机组作为舰船液压系统的动力装置，设计时必须考虑舰船使用的特殊条件，满足体积小、重量轻、耐腐蚀、坚固耐用等船用环境条件要求。以往的油源机组设计，受条件限制，采用传统的设计方法：方案选定→零件绘制→试制样机→反复试验→不断修改和完善设计图纸→正式投入生产。产品开发周期长、成本高且难以保证设计质量，而虚拟样机技术的运用恰恰解决了这一问题。在某型舰船电动液压舵机的油源机组设计中，通过采用虚拟样机技术大大的缩短了研制周期、保证了设计质量，并降低了产品开发费用。虚拟样机技术是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。设计者利用计算机技术建立机械系统的数字化模型（虚拟样机），根据产品实际使用工况对模型进行结构分析和动力学仿真分析。根据仿真分析结果优化设计，改进设计方案，是一种全新的产品研发设计方法。

虚拟样机技术在油源机组设计中的应用是通过Solid-Works软件来实现的。SolidWorks是基于 Windows的CAD／CAM／CAE集成化机械设计软件，具有全面的零件实体建模功能和变量化的草图轮廓绘制功能。根据Solid-Works的功能特点，采取图1所示步骤和方法进行油源机组设计和分析。

图1 基于SolidWorks虚拟样机设计方法

2 油源机组液压原理设计

根据总体对油源机组的要求，确定其原理如图2所示。油源机组由两套相同的泵机组和控制油路组成，各自独立，互为备用。泵6启动后，液压油经过高压滤油器7、单向阀11（开启压力0.05MPa）、“M”型电磁换向阀13、节流阀12直接回到油箱，油液流动过程中压力损失较小，所以此工况下系统的功率消耗很小。节流阀12的进口压力调整为液动阀16的控制压力（约0.5MPa），以保证泵6启动后由液压力使液动阀16随即换向到 “左位”工作位置，并控制液动阀16在打舵过程中始终处在“左位”；除此之外，节流阀1 2还确保泵停止工作后液动阀16控制口X的控制油压力能迅速释放，使液动阀16快速回到中位，隔离两套相同的油路。

泵6启动后，给电磁换向阀13一边电磁铁通电，液压油经双单向节流阀15的单向阀和液动阀16输出液压油，系统排出的液压油经双单向节流阀15节流后再经过节流阀12回到油箱。系统采用出口节流调速方式既提高了系统机构运行的平稳性，又可防止失速或振动。

图2 油源机组液压系统原理图

3 集成阀块设计

3.1 阀块设计

油源机组中阀件8，9，11，12，13，15，16集成在一个阀块上，具有结构紧凑、安装维修方便等优点。由于阀块内部油孔多、连通情况复杂，常规的二维软件设计极其繁琐、复杂且容易出错。设计中出现错误很难避免，往往到样机调试过程中才发现，造成资源浪费、工程延期。SolidWorks软件具有壁厚自动分析功能，不同颜色表示不同的通道壁厚值（参见图3）。在SolidWorks软件中，可以将模型的任意一个或多个面设置为透明，观察模型内部结构。这大大减轻了设计人员的工作量，提高了设计质量和设计效率，为阀块设计提供了一种全新的思路。

在阀块设计时将其表面设置为“透明”，并进行空间旋转，从多角度仔细观察阀块内部通道的连通情况，判断内部通道连通是否符合液压原理图要求（见图3）。

图3 阀块内部通道及孔道壁厚分析图

在阀块设计完成后必须进行通道壁厚校核，防止液压冲击时液压油击穿通道壁。SolidWorks具有全颜色显示通道壁厚的功能，在小于设定壁厚的部位会以鲜艳的颜色显示出来，使得通道壁厚校核变得直观、简单（见图3）。

3.2 阀块装配体设计

图4 阀块三维设计图与实际装配图

使用SolidWorks软件对阀块进行模拟装配可以检查各元件的装配关系是否正确，如安装元件空间位置够不够、元件安装面油口与阀块安装面油口是否对应，调节元件是否有足够的调节空间等。这使复杂的液压集成块设计变得“简单”了。液压集成块三维设计图和实际装配图如图4所示。

4 油源机组设计

4.1 油箱设计

为方便油源机组使用和维修，液压元件布置在油箱顶面。油箱顶板要具备足够的承重能力，同时还得满足油箱体积小、重量轻、结构紧凑的要求。因此，必须对油箱进行应力、变形分析以优化结构设计。为避免出现实际装配过程中零部件无法安装的情况，对整个油源机组进行虚拟装配并对装配体进行干涉检查。

油箱箱体选用4毫米1Cr18Ni9Ti不锈钢板焊接而成，在箱体顶板下及箱体下部焊接加强筋，以增强油箱体的承重能力。在没有实物样机的情况下，焊接后的油箱体承重能力如何只能通过对其进行应力、变形分析确定。如果没有必要的应力、变形分析，就无法保证油箱的设计质量，产品可能会存在由于承载能力差引起箱体变形或由于裕量太大造成箱体笨重的设计缺陷。

COSMOSWorks有限元分析模块，是一个与Solid－Works完全集成的设计分析系统。COSMOSWorks能够提供广泛的分析工具去检验和分析复杂零件和装配体。利用COSMOSWorks可以进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析、优化分析、非线性分析、掉落测试分析和疲劳分析。使用COSMOSWorks模拟分析代替昂贵的现场测试，不但可以减少成本及开发周期，还可以快速模拟多个概念与情景，让设计者在作出最终决定之前有更多的时间思考创新设计。

图5 油箱体应力分析图

COSMOSWorks分析模块对油箱体进行设备安装后的应力分析见图5，设备安装后的箱体变形大小分析见图6，安全系数检查见图7。从图中可以看出给整个油箱体加上等量实际负载后应力分布、变形及安全系数均很理想，最大的变形点在油箱顶板中部的阀块底座上，变形量只有0.1056mm，油箱体其它部位变形量更小；油箱的最小安全系数点出现在顶板下的支撑架上，最小安全系数值是12。从图5、图6和图7的分析结果可以看出：油箱结构合理，受力均匀，完全满足使用要求。

图6 油箱体合力位移分析图

图7 油箱体设计检查图

4.2 油源机组装配设计

油箱设计完成后对油源机组进行模拟装配，然后对装配体进行物理特性计算，对组装元件进行干涉检查。

用SolidWorks软件对油源机组进行模拟装配可以很直观的判断设计尺寸是否正确无误、结构是否合理、各元件之间装配关系是否正确、外形是否美观。油源机组三维设计图和实际装配图如图8所示。

图8 油源机组三维设计图和实际装配图

复杂的装配体中，用视觉来检查零部件之间是否干涉是很困难的。SolidWorks具有 “干涉检查”功能，将互相干涉的零部件透明，将干涉部位不同的颜色表示出来。油源机组预装配后干涉检查结果如图9所示。

预装配设计完成后可应用软件所带的工具自动计算装配体的物理特性，包括装配体的质量、体积、表面积、重心等参数，如图10所示，这些参数对油源机组在艇上的安装有重要意义。软件计算的油源机组质量为339.47kg实际称重约330kg，相差无几，差值主要是由各元器件样本标注重量与实际重量的误差累计造成的。

采用虚拟样机技术设计的油源机组在零部件加工和装配过程中，所有零部件一次装配到位，液压元件与阀块油口对应准确，阀块油路连通正确，油源机组做到了一次试车成功，取得了良好的效果。

图9 油源机组干涉检查结果

图10 油源机组质量特性计算结果

5 结语

在产品开发和设计过程中，尝试采用新技术进行产品设计，可以提高设计效率，缩短研制周期，保证设计质量，避免试制过程中的设计更改，为顺利完成军工研发任务提供保障、为企业带来实实在在的经济效益。

［1］黎启柏.液压元件手册［M］.冶金工业出版社，机械工业出版社，2000，8，（1）.

［2］叶修梓，陈超详.COSMOS基础教程：COSMOSWorks Designer（美）SolidWorks公司著［M］.机械工业出版社，2007，（4）.

［3］叶修梓，陈超详.COSMOS基础教程：COSMOSWorks professional（美）SolidWorks公司著［M］.机械工业出版社，2007，（4）.