基于流固耦合的电子泵密封性分析

崔瑾，向永超，冉昭，陈晓峰

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心 ，河北保定 071000)



基于流固耦合的电子泵密封性分析

崔瑾1,2，向永超1,2，冉昭1,2，陈晓峰1,2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心 ，河北保定 071000)

摘要：对不同温度工况下的电泵流体域进行流体仿真，确定油温对泄漏量的影响。应用流固耦合(FSI)分析的方法，对极限工况下电子泵壳体与端盖间结合面压进行仿真计算。将仿真结果用于电子泵密封性的评价。分析结果表明：电子泵壳体与端盖结合面密封性不足，存在泄露泄漏风险。针对密封性不足区域的设计提出改进意见，以减少电子泵工作泄漏量，提高工作效率。

关键词：电子泵；流固耦合；结合面压；密封性

0引言

机械效率和容积效率是泵体开发过程中关注的焦点。为得到更高效的液压泵，一般设计人员从两方面出发：提高转子的啮合平顺性，以降低转子因摩擦和振动带来的机械损失[1]；提高泵体的密封性，以减少工作中的泄漏量。

结合面压受零部件材料、结构、装配连接等多方面影响，是密封性装备的重要技术指标[2]。传统的泵体密封性分析是应用结构静强度分析的手段对泵体内部高压区加载负载压力，忽略泵体内部低压区的压力对泵结构变形的影响。与传统方法相比，流固耦合分析考虑了泵体内部流体的真实流场对固体壁面的作用。将流体的压力脉动作用于流固交界面上[3-4]，计算结果更加真实地反映出液体流动对结构变形的影响。

作者应用单向流固耦合方法对电子泵密封性进行了仿真计算。首先进行了4种工作油温下的流体域分析，得出温度对电子泵内部压力场分布的影响，再应用流固耦合的方法对极限工况下电子泵壳体与端盖间的结合面压进行仿真。

1电子泵仿真数模

1.1设计模型及有限元模型

电子泵主要由5个部分组成：壳体、端盖、电机、运转件、紧固件。其中运转件主要包括转子、轴、轴承。电子泵结构有限元模型如图1所示。

对电子泵壳体与端盖间的结合面压进行计算，构建有限元模型之前首先要对原设计模型进行适当的简化，去掉不必要的特征，方便仿真分析过程进行网格划分，减少仿真计算的工作量。在原三维模型的基础上去掉电机，保留电机外壳与端盖的固定端面(如图1中元件3所示)，只保留螺栓整体尺寸，去掉螺纹特征，对螺帽进行简化。

1.2电子泵流体域及有限元模型

流固耦合问题考虑的是结构与流体之间存在相互作用而产生的相互影响[5]。对电子泵进行流固耦合计算，泵体内部运转件所在的流体域是有限元分析的重点。在三维CAD软件中，对电子泵进行特征简化，生成内部流体域，导入有限元软件中进行网格划分。流固耦合数值模拟的重点在于流体域固体之间的数值传递。为保证流固数值传递的顺畅，模型简化的过程要保证流固交界面的特征一一对应。流体和固体在不同的网格生成器中进行网格划分，要保证流固交界面上的网格尺寸尽量一致。

1.3网格控制

有限元模型的构建需要设置合理的网格类型及尺寸：关注位置的特征需要保留且不失真，采用较小尺寸的网格避免网格过大引起应力集中现象的发生；不关注的位置可以采用较大尺寸的网格，以控制有限元模型整体的网格数量，缩短计算时间。在电子泵壳体与端盖结合面上采用面网格尺寸控制，根据网格划分的协调性[6]，电子泵结构内部流固交界面与流体域外壁面进行相同尺寸的网格设置。

2流体域分析

2.1流固耦合分析方法确定

对电子泵进行瞬态计算，查看电子泵进、出口流量分布曲线，得到：电子泵内转子转动一圈后，进、出口流量已经趋于稳定(如图3所示)。电子泵正常工作转速为800～3 500 r/min，因此电子泵从启动到正常工作的响应时间最长为0.075 s，即液体流动对电子泵产生的瞬间冲击作用时间最长只有0.075 s，且发生频次非常低，可以忽略。因此对电子泵进行流固耦合分析，只需要进行单向流固耦合分析[7]即可，关注油液在电子泵内部产生的稳态压力分布对电子泵结构的影响。

电子泵正常工作油温度范围为0～125 ℃，温度直接影响油品性能，进而影响油液的流动特性。因此流固耦合分析还需要考虑不同温度工况下流体域压力的分布。

2.2不同温度下的流体域仿真

油液在流体域内流动，在进油腔会形成局部负压。假设负压产生在泄压槽内，则会加强电子泵壳体与端盖的结合力；假设泄压槽内压力全部为正值，则会削弱壳体与端盖间的结合力。因此对电子泵进行流固耦合分析，对泄压槽加载真实油压，可以更加真实地反映出结合面压力。

将流体域计算结果中不同温度工况下，泄压槽内大于0的压力分布显示出来(如图4所示)，低压区泄压槽显示缺损区域即为负压区。分析结果云图显示：不同温度下泄压槽内负压区的面积大小是不同的，且随油温上升负压区面积增大。因此采用流固耦合方法对电子泵密封性进行分析的极限工况发生在油温最高时，即125 ℃工况。

3单向流固耦合分析

3.1加载及约束

与结构静强度分析方法相比，流固耦合分析考虑了流动油液的压力场对结构的影响，对电子泵端盖上的泄压槽高压区和低压区都加载油压。

在流体软件中选择适当的湍流模型，设置125 ℃油品的密度和动力黏度等属性，对电子泵进、出口加载压力边界，进口加载1个标准大气压，出口加载电子泵负载极限压力0.8 MPa，对流体域进行分析，计算直至模型自动收敛。将流体计算的压力分布结果全部映射到结构壁面上。对电子泵壳体与端盖之间的4个紧固螺栓加载3 521 N预紧力，在电子泵壳体底部的4个固定孔位施加固定约束。流固耦合分析加载见图5。

式中：F为螺栓预紧力(N)；T为螺栓拧紧力矩(N·m)；d为螺栓公称直径(m)。

3.2分析结果

对电子泵密封性的判定，需要通过查看结合面压分布情况。依据力学平衡原理，需要确保壳体与端盖结合面接触应力σ不小于内部压力p[8]，即σ≥p。

电子泵正常工作中，内部流体域高压区压力值为0.8 MPa，所以，对该电子泵密封性的判断标准为：

σ≥0.8 MPa

对流固耦合分析中结构模块的分析结果进行后处理，从变形量、结合面压和接触状态3个方面对电子泵分析结果进行评价：

查看端盖Z向的位移量(转子的轴向为Z向，且指向壳体一侧为正)。端盖中心区域的位移与靠近螺栓孔位置区域的位移方向完全相反，即端盖发生了翘曲变形[如图6(b)所示]。

查看电子泵壳体与端盖之间的结合面压云图(图7)，并对面压小于0.8 MPa的区域进行节点上的数据采集和显示。

查看电子泵壳体与端盖的接触状态分布图8。

通过结合面压分布及接触状态显示：最大结合面压出现在

壳体与端盖间的4个螺栓孔位置，且结合面压沿远离螺栓孔位的方向逐渐减小；接触状态呈现Near的区域，采集的节点面压数值大部分为0，即端盖与壳体之间产生了缝隙。

4结论

通过流固耦合方法对电子泵进行了密封性仿真分析，得出如下结论：

(1)对壳体与端盖间螺栓加载5 N·m拧紧力矩时，电子泵存在泄漏风险。

(2)随电子泵工作油温越高，泄漏风险越大。

针对该电子泵密封性的仿真分析结果，为了减小电子泵的泄漏量，可以进行3种尝试：

(1)在电子泵壳体与端盖结合面上增加连接螺栓个数；

(2)更换能够承受更大拧紧力矩规格的螺栓；

(3)通过改变端盖表面加强筋的设计，来提高端盖的刚度。

参考文献:

【1】吴文海,杨宇澜,刘桓龙,等.基于液压泵效率的挖掘机节能研究[J].机床与液压,2014,42(22):94-96.

【2】陈成军,杨国庆,常东方,等.面向结合面密封性能要求的装配连接工艺设计[J].西安交通大学学报,2012,46(3):75-83.

【3】孔繁余,王婷,王文廷,等.基于流固耦合的高温泵叶轮应力有限元分析[J].江苏大学学报:自然科学版,2012,33(3):269-273.

【4】王海宇,张德胜,施卫东,等.基于流固耦合的离心泵蜗壳结构分析与优化[J].排灌机械工程学报,2014,32(6):472-476.

【5】金连根,毛建生,方兵.混流式水轮机转轮流场单向、双向流固耦合数值的分析比较研究[J].机电工程,2014,31(12):1564-1568.

【6】李海峰，吴翼川，刘建波，等.有限元网格剖分与网格质量判定指标[J].中国机械工程，2012,23(3)：368-377.

【7】吕倩.基于流固耦合的液力变矩器叶片分析与寿命计算[D].南京:南京航空航天大学,2014.

【8】葛玉霞,李旭东,张洁,等.发动机气缸垫密封性有限元分析[J].铁道机车车辆,2011,31:184-187.

E-pump Sealing Analysis Based on Fluid-structure Interaction

CUI Jin1,2，XIANG Yongchao1,2，RAN Zhao1,2，CHEN Xiaofeng1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China ;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:E-pump; Fluid-structure interaction；Contact surface pressure； Sealing

Abstract:The fluid field of E-pump under different temperature conditions was simulated, to make sure the influence of temperature to leakage. Fluid-structure interaction(FSI) method was applied to calculate the contact surface pressure between E-pump housing and cover under ultimate working condition. The simulation results were used to evaluate the sealing of E-pump. The calculation results showed that: the sealing of contact surface between E-pump housing and cover was insufficient, existing leak risk.Some improvement suggestions were proposed aiming at sealing shortage area, in order to reduce E-pump sealing and improve working efficiency.

收稿日期：2015-12-11

作者简介：崔瑾(1988—)，女，硕士，主要从事汽车零部件设计与仿真。E-mail：cuijinhappy@163.com。

中图分类号:U46

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)05-026-05