基于AMESim的安溢活门系统动力学仿真

刘靖东　喻天翔　宋笔锋　金朋

摘要：在对安溢活门工作原理和动态特征方程研究的基础上，建立安溢活门及其试验系统的AMESim模型，对试验过程中安溢活门的动态特性进行数值仿真，从系统角度研究该安溢活门系统整体性能.仿真结果与试验测试结果吻合较好，并着重研究主副弹簧刚度、主副膜片刚度、主副膜片有效面积、主活阀摩擦阻尼、背压腔容积和泄压间隙等参数对安溢活门动态特性的影响，进而为系统整体性能优化提供分析设计支持.

关键词：安溢活门； AMESim； 系统仿真； 动态特性； 流固耦合

中图分类号： V434.1

文献标志码： B

0引言

安溢活门是一种能依靠气体介质本身自有的能量实现管路自动开闭的机械装置.作为液体火箭增压输送系统的一种多功能元件，安溢活门可在地面测试和空中飞行时作为安全阀使用，在贮箱卸压和加注时作为排气阀使用，在加注过量或加注设备不能正常工作导致不能停止加注时作为溢出阀使用.与安全阀等阀门一样，安溢活门在使用过程中存在振动和鸣叫等问题，发生振动鸣叫的主要原因是系统动态特性不满足稳定性需求.振动鸣叫直接导致敏感元件膜片疲劳破裂，致使安溢活门功能失效，进而影响发射的成败，因此对安溢活门动态特性开展深入研究有重要的工程应用价值.

目前，研究活门动态特性主要采用试验和数值分析两种方法.试验方法直接、可靠，但费用相对较高，数值分析方法经济、快捷，而且可以分析出试验难以考核的工况，有助于全面系统地了解产品特性.数值分析方法主要包括流固耦合仿真和系统动力学仿真.流固耦合仿真偏重于从场的角度研究局部耦合的影响，可以精细地分析流固耦合作用，但是存在计算量大和分析周期长的弊端；系统动力学仿真主要对局部影响进行简化，着重从系统角度研究整体性能，可以方便地进行大量的数值试验，并进行系统整体性能寻优.

作为一种数值预测方法，系统动力学仿真在很多领域已取得很大发展.国外学者采用数值仿真方法对弹（箭）体活门动态特性进行过大量分析研究工作.SORLI等[1]对气动压力阀进行仿真和试验研究；SCHALLHORN[2]对推进系统多种瞬态变化下压力调节器的响应机制进行仿真分析；YANG等[3]采用数值仿真方法分析主要设计参数变化对肼基燃料卫星推进系统输送行为的影响.在国内，武唯强等[4]对恒压加载式冷氦压力调节器进行仿真研究；张炜等[5]对液体导弹动力系统过渡工作过程和动态故障特性进行数值仿真.

AMESim提供一个复杂多学科领域系统工程设计平台，采用集总参数方法建模，将流体、机械、液压、气动、热、电、磁和控制等学科领域的物理原型进行抽象，并进行不同功能单元模块分割，进而划分归类形成机械、液压、气动、控制、热和电磁等模型库；不同学科间模块直接连接，可以方便地进行多学科多领域系统工程建模.

本文建立安溢活门主阀、指挥阀及其试验系统的AMESim系统动力学模型，对安溢活门试验过程中的动态特性进行数值仿真，研究系统各参数对安溢活门动态特性的影响.

1安溢活门工作原理

箭体一、二级及助推器所用安溢活门采用指挥式结构，由主阀和副阀组成，副阀控制主阀启闭.[6]主阀膜片将阀腔分成主阀腔（A）和背压腔（B）；副阀膜片感受压力变化，控制背压腔的压力充放.工作原理见图1.

2阀门动力学特征方程

阀门动力学特征方程详见文献[7]，主要包括运动系统动力学方程、气动系统动力学方程、热系统动力学方程、电路系统动力学方程和电磁系统动力学方程等.

2.1运动系统动力学方程

3安溢活门AMESim模型

与功率键合图法类似，AMESim建模方法采用集总参数方法，将系统不同功能单元进行模块分割，划分为机械、液压、气动和控制等模型库，用图形方式描述系统中各元件的相互关系，反映元件间的负载效应和系统中功率流动情况.元件间可双向传递数据，且变量一般具有实际物理意义，遵循因果关系.系统AMESim模型与系统工作原理图非常接近，能更直观地反映系统工作原理[9]，而且可以在仿真过程监视方程特性并自动选择求解算法以获得最佳结果，省去求解算法的选择，使设计人员能够更多地关注仿真物理模型.

根据安溢活门工作原理，安溢活门及其试验系统[1]主要划分为质量弹簧阻尼模型、平板阀模型、气容模型、管路模型、孔板模型、活塞模型和膜片模型等.主副膜片刚度由结构有限元计算给出，系统AMESim模型见图2，上半部分模拟指挥阀，下半部分模拟主阀.

4仿真结果与试验结果对比

采用非接触测量得到的安溢活门试验过程中，大流量性能试验时主活阀动态位移与仿真结果的对比见图3，可知：仿真结果较准确地模拟开阀的动态调整过程，且试验测试结果与仿真结果趋于同一开度，调整频率与试验几乎完全吻合，但调整幅值仿真结果比试验结果稍大.其主要原因是系统动力学仿真方法不考虑流场的不均匀性及非定常性，必然造成作用在运动部件上压强计算的误差.开阀之始，该误差在活阀驱动力中相对较小，因此仿真较准确地计算出第一次调整的幅值；随着不平衡力的减小，活阀振动位移不断减小，误差在不平衡力中所占比重增加，因此幅值误差越来越大，以至于试验测量幅值增加主要由系统不稳定造成.

5仿真结果分析

在正确模拟安溢活门试验过程中动态特性基础上，研究系统参数对动态性能的影响，主要包括主副弹簧刚度、主副膜片刚度、主副膜片有效面积、主活阀摩擦阻尼、背压腔容积和泄压间隙等.

5.1主副弹簧刚度影响

由图4和5可知：主弹簧刚度对系统动态位移和压强特性影响很小，副弹簧刚度对动态位移影响也较小，对主阀腔压强影响则相对较大；副弹簧刚度越大主阀腔压强冲值越高，波动周期越长.从系统灵敏度角度考虑应选用刚度较小的副弹簧，不同副弹簧刚度造成的稳定压强的不同，可通过副弹簧预压调整.

5.2主副膜片刚度影响

0.75，1.00和1.25倍现有主膜片刚度下主活阀动态位移和主阀腔压强曲线见图6，可知，主膜片刚度对系统动态特性影响很大，体现在对振动幅值的影响上：主膜片刚度越大振动幅值越小，振动越容易趋于稳定；主膜片刚度对振动频率的影响则很小，主要是由于安溢活门采用指挥式结构，主活阀动态特性主要由指挥阀性能决定.

0.75，1.00和1.25倍现有副膜片刚度下主活阀动态位移和主阀腔压强曲线见图7，可知，副膜片刚度对系统动态特性的影响与副弹簧相似，因此应选用刚度小的膜片.由于刚度与强度密切相关，在实际设计中从安全角度出发，应协调考虑副膜片刚度与副弹簧刚度，在满足灵敏性和精度的前提下尽量采用刚度大的副膜片.

5.3主副膜片有效面积影响

由图8可知，主膜片有效面积对动态特性影响很大：主膜片有效面积越大，主活阀振动幅值越大，振动越不容易趋于稳定，主阀腔压强波动幅值越大，波动频率越高.因此，在满足开启要求的情况下，应尽量减小主膜片的有效面积.

6结论

通过建立安溢活门及其试验系统AMESim模型，对安溢活门动态特性进行数值仿真，仿真结果与试验结果吻合较好，且通过AMESim仿真可以得到与分析系统方程相同的结论.着重研究主副弹簧刚度、主副膜片刚度、主副膜片有效面积、主活阀摩擦阻尼、背压腔容积和泄压间隙等对安溢活门动态特性的影响.

（1）相对于主弹簧，副弹簧刚度对系统动态特性影响更大，在保证系统精度的前提下应尽量减小副弹簧刚度，增大主弹簧刚度.

（2）主副膜片刚度对系统动态特性影响很大，在保证系统精度前提下应尽量采用刚度大的膜片.

（3）膜片有效面积对系统动态特性影响很大，在满足系统精度和稳定性前提下应尽量减小主膜片有效面积，增大副膜片有效面积.

（4）主活阀摩擦阻尼适当增加可使波动周期延长，过大的摩擦力则会造成主活阀低压回位延迟现象.

（5）泄压间隙及背压腔容积对系统动态特性影响较大，在工程设计时应首先保证其他参数的优化和可靠，在满足精度及稳定性要求的前提下最后对泄压间隙和背压腔容积进行优化设计.

安溢活门及其试验系统AMESim仿真模型的建立，为全面了解和系统掌控活门动态特性提供有力工具，为试验故障模式提供定性分析工具，极大地提高对安溢活门动态特性的认识，同时也为结构优化设计提供直接指导.但是，由于该方法固有的局限性，系统动力学模型不能反映结构内部复杂非定常流场对系统动态特性的影响，也不能反映流固耦合作用的影响.国内更急需对阀门系统流固耦合和非定常流动模拟方面的研究，为此有必要结合计算流体动力学以及结构动力学，开展流固耦合数值模拟研究，彻底解决安溢活门动态特性和参数优化问题.

参考文献：

[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]武唯强， 王海洲. 恒压加载式冷氦压力调节器的建模与仿真[J].导弹与航天运载技术， 2001（6）： 2732.

[5]张炜， 徐志高， 黄先祥. 液体推进剂导弹全动力系统稳态故障仿真[J].系统仿真学报，2004， 15（9）： 12051209.

[6]宋鸿尧， 丁忠尧. 液压阀设计与计算[M]. 北京： 机械工业出版社， 1982： 10.

[7]刘靖东， 隋国发， 娄路亮. 液体火箭增压输送系统多学科动力学研究[J]. 中国科学： E辑： 技术科学， 2009， 39（3）： 474481.

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

[9]袁洪滨， 张民庆， 孙彦堂. 基于AMESim的直动式电磁阀动态仿真研究[J].火箭推进， 2011， 37（5）： 3035.

（编辑于杰）

5.2主副膜片刚度影响

0.75，1.00和1.25倍现有主膜片刚度下主活阀动态位移和主阀腔压强曲线见图6，可知，主膜片刚度对系统动态特性影响很大，体现在对振动幅值的影响上：主膜片刚度越大振动幅值越小，振动越容易趋于稳定；主膜片刚度对振动频率的影响则很小，主要是由于安溢活门采用指挥式结构，主活阀动态特性主要由指挥阀性能决定.

0.75，1.00和1.25倍现有副膜片刚度下主活阀动态位移和主阀腔压强曲线见图7，可知，副膜片刚度对系统动态特性的影响与副弹簧相似，因此应选用刚度小的膜片.由于刚度与强度密切相关，在实际设计中从安全角度出发，应协调考虑副膜片刚度与副弹簧刚度，在满足灵敏性和精度的前提下尽量采用刚度大的副膜片.

5.3主副膜片有效面积影响

由图8可知，主膜片有效面积对动态特性影响很大：主膜片有效面积越大，主活阀振动幅值越大，振动越不容易趋于稳定，主阀腔压强波动幅值越大，波动频率越高.因此，在满足开启要求的情况下，应尽量减小主膜片的有效面积.

6结论

通过建立安溢活门及其试验系统AMESim模型，对安溢活门动态特性进行数值仿真，仿真结果与试验结果吻合较好，且通过AMESim仿真可以得到与分析系统方程相同的结论.着重研究主副弹簧刚度、主副膜片刚度、主副膜片有效面积、主活阀摩擦阻尼、背压腔容积和泄压间隙等对安溢活门动态特性的影响.

（1）相对于主弹簧，副弹簧刚度对系统动态特性影响更大，在保证系统精度的前提下应尽量减小副弹簧刚度，增大主弹簧刚度.

（2）主副膜片刚度对系统动态特性影响很大，在保证系统精度前提下应尽量采用刚度大的膜片.

（3）膜片有效面积对系统动态特性影响很大，在满足系统精度和稳定性前提下应尽量减小主膜片有效面积，增大副膜片有效面积.

（4）主活阀摩擦阻尼适当增加可使波动周期延长，过大的摩擦力则会造成主活阀低压回位延迟现象.

（5）泄压间隙及背压腔容积对系统动态特性影响较大，在工程设计时应首先保证其他参数的优化和可靠，在满足精度及稳定性要求的前提下最后对泄压间隙和背压腔容积进行优化设计.

安溢活门及其试验系统AMESim仿真模型的建立，为全面了解和系统掌控活门动态特性提供有力工具，为试验故障模式提供定性分析工具，极大地提高对安溢活门动态特性的认识，同时也为结构优化设计提供直接指导.但是，由于该方法固有的局限性，系统动力学模型不能反映结构内部复杂非定常流场对系统动态特性的影响，也不能反映流固耦合作用的影响.国内更急需对阀门系统流固耦合和非定常流动模拟方面的研究，为此有必要结合计算流体动力学以及结构动力学，开展流固耦合数值模拟研究，彻底解决安溢活门动态特性和参数优化问题.

参考文献：

[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]武唯强， 王海洲. 恒压加载式冷氦压力调节器的建模与仿真[J].导弹与航天运载技术， 2001（6）： 2732.

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

[9]袁洪滨， 张民庆， 孙彦堂. 基于AMESim的直动式电磁阀动态仿真研究[J].火箭推进， 2011， 37（5）： 3035.

（编辑于杰）

5.2主副膜片刚度影响

0.75，1.00和1.25倍现有主膜片刚度下主活阀动态位移和主阀腔压强曲线见图6，可知，主膜片刚度对系统动态特性影响很大，体现在对振动幅值的影响上：主膜片刚度越大振动幅值越小，振动越容易趋于稳定；主膜片刚度对振动频率的影响则很小，主要是由于安溢活门采用指挥式结构，主活阀动态特性主要由指挥阀性能决定.

0.75，1.00和1.25倍现有副膜片刚度下主活阀动态位移和主阀腔压强曲线见图7，可知，副膜片刚度对系统动态特性的影响与副弹簧相似，因此应选用刚度小的膜片.由于刚度与强度密切相关，在实际设计中从安全角度出发，应协调考虑副膜片刚度与副弹簧刚度，在满足灵敏性和精度的前提下尽量采用刚度大的副膜片.

5.3主副膜片有效面积影响

由图8可知，主膜片有效面积对动态特性影响很大：主膜片有效面积越大，主活阀振动幅值越大，振动越不容易趋于稳定，主阀腔压强波动幅值越大，波动频率越高.因此，在满足开启要求的情况下，应尽量减小主膜片的有效面积.

6结论

通过建立安溢活门及其试验系统AMESim模型，对安溢活门动态特性进行数值仿真，仿真结果与试验结果吻合较好，且通过AMESim仿真可以得到与分析系统方程相同的结论.着重研究主副弹簧刚度、主副膜片刚度、主副膜片有效面积、主活阀摩擦阻尼、背压腔容积和泄压间隙等对安溢活门动态特性的影响.

（1）相对于主弹簧，副弹簧刚度对系统动态特性影响更大，在保证系统精度的前提下应尽量减小副弹簧刚度，增大主弹簧刚度.

（2）主副膜片刚度对系统动态特性影响很大，在保证系统精度前提下应尽量采用刚度大的膜片.

（3）膜片有效面积对系统动态特性影响很大，在满足系统精度和稳定性前提下应尽量减小主膜片有效面积，增大副膜片有效面积.

（4）主活阀摩擦阻尼适当增加可使波动周期延长，过大的摩擦力则会造成主活阀低压回位延迟现象.

（5）泄压间隙及背压腔容积对系统动态特性影响较大，在工程设计时应首先保证其他参数的优化和可靠，在满足精度及稳定性要求的前提下最后对泄压间隙和背压腔容积进行优化设计.

安溢活门及其试验系统AMESim仿真模型的建立，为全面了解和系统掌控活门动态特性提供有力工具，为试验故障模式提供定性分析工具，极大地提高对安溢活门动态特性的认识，同时也为结构优化设计提供直接指导.但是，由于该方法固有的局限性，系统动力学模型不能反映结构内部复杂非定常流场对系统动态特性的影响，也不能反映流固耦合作用的影响.国内更急需对阀门系统流固耦合和非定常流动模拟方面的研究，为此有必要结合计算流体动力学以及结构动力学，开展流固耦合数值模拟研究，彻底解决安溢活门动态特性和参数优化问题.

参考文献：

[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.

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[5]张炜， 徐志高， 黄先祥. 液体推进剂导弹全动力系统稳态故障仿真[J].系统仿真学报，2004， 15（9）： 12051209.

[6]宋鸿尧， 丁忠尧. 液压阀设计与计算[M]. 北京： 机械工业出版社， 1982： 10.

[7]刘靖东， 隋国发， 娄路亮. 液体火箭增压输送系统多学科动力学研究[J]. 中国科学： E辑： 技术科学， 2009， 39（3）： 474481.

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

[9]袁洪滨， 张民庆， 孙彦堂. 基于AMESim的直动式电磁阀动态仿真研究[J].火箭推进， 2011， 37（5）： 3035.

（编辑于杰）