基于流固耦合的液压阀块数值模拟分析*

李　卉，木合塔尔·克力木,孙海霞，王建潭

(新疆大学 机械工程学院,乌鲁木齐　830047)

0　引言

液压系统日益明显地朝着集成化和标准化方向发展，液压阀块是集成液压系统的核心元件[1]。液压阀块内部流道位置、连通方式不合理，虽能满足系统需要，但系统效率低、漏油、振动甚至影响内部其他油路。

液压阀块作为液压系统的中枢元件，而且内部孔道繁多，以及错综复杂的连通，给设计人员带来难题，因此一贯是研究的热点项目。高殿荣等[2]运用计算流体动力学方法对阀块内部流道进行仿真分析，为阀块内部流道设计提出优化方案。杜经民等对液压集成块的流道进行建模和仿真，运用CFD方法分析了压力损失的主要原因，研究流道结构对液流能量损失的影响，发现在刀尖角处形成的漩涡是液流能量损失的主要原因[3]。谢国庆等对液压集成块内“Z”形流道进行建模，运用CFD方法分析了不同长度和直径的工艺孔以及不同长度的刀尖角容腔对液流流场的影响。从数据分析和对比结果可以看出，适当加大工艺孔的直径并设计无刀尖角容腔的流道，可以减少液流产生漩涡的数量和减弱漩涡的强度，从而提高能量利用率[4]。胡建军等为清晰直观地观察液压集成块内部复杂流道流场，运用2D-PIV流场测试技术搭建了不同刀尖角的流道结构的低速可视化测量试验台，发现出口位置与刀尖角容腔正对的流道结构液流损失较小[5]。

以往学者主要研究液压阀内流场分析，本文分析自卸车[6]举升系统的液压阀块，采用流固耦合计算，将流体压力数据导入液压阀块阀体中，进行应力、应变和位移的计算。分析了阀块的应力和变形，通过改变流道相交方式，优化流道，提高液压阀块的可靠性。

1　建立模型

1.1　物理模型的建立

运用SolidWorks软件绘制液压阀块实体模型[7]。首先根据自卸车举升的工作原理设计自卸车举升回路原理图如图1所示。图中的集成液压阀块由两个液控单向阀，一个三位四通手动换向阀和一个分流集流阀组成。依据负载压力等参数选择元件类型，然后根据液压阀件厂商提供的阀件尺寸和油口位置设计阀件在液压阀块的相对位置，最后合理地设计液压阀块的尺寸和各工艺孔位置及长度。

阀块内流道的长度根据各阀件流道的连通关系确定；由公式(1)确定流道的直径d(单位：mm)：

(1)

式中，qv——液体流量(m3/s)；

V——流速，一般按以下原则选取：压油管路流速为5～10m/s；吸油管路流速为1～2m/s。

图1　自卸车举升回路原理图

依照阀块设计原则，选择45号钢作为阀块材料，在SolidWorks软件中设计出阀块模型，液压阀块装配图模型如图2a，液压阀块总流道模型如图2b。

选用液压系统最大压力的工作状态进行研究，当三位四通换向阀处于左位机能时，自卸车举升系统处于最大负载状态，分析此状态的液压阀块。最大压力状态时流道模型如图2c，是由液压阀块内部3段流道与一个三位四通手动换向阀流道、一个液控单向阀流道组成的液压回路。采用圆弧流道(如图2c中的1和2处)代替液压阀件(液控单向阀、三位四通换向阀)的流道[8],使液压阀块内部的流道连通,整体地分析了阀体、液流以及固液两项的相互作用的特性。并用带圆弧转弯孔的长方体(如图2d的1和2处)代替液压阀件(液控单向阀、三位四通换向阀)，使模型有利于流固耦合面的完整分析。液压阀块模型如图2d。

(a)装配体　　　　　　　(b)总流道

(c)流道　　　　　　　　 (d)液压阀块图2　液压阀块及流道的物理模型

1.2　数学模型的建立

(1)液压阀块内液流为液压油，液压油的流动过程遵循物质守恒定律，而且液压油是不可压缩粘性流体(密度ρ为常数)。所以液压阀块内部流道流场数值模拟方程由质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程组成。为简化问题，假设液流流动过程无热量交换，不考虑能量守恒方程[9]。

1)质量守恒方程:

(1)

式中，u，v和w为速度矢量在x，y和z方向的分量。

2)动量( Navier-Stokes) 方程:

(2)

式中，ρ为流体密度;ui，uj为平均速度，i、j=1,2,3;σij为应力；fi为方向i的作用力。

(2)液压阀块流道结构密集复杂，液流流动状态复杂,把液流的流动状态视为湍流流动，因此采用最基本的标准k-ε模型[10]。 标准k-ε方程:

(3)

式中，μt为湍动黏度;Cμ为经验常数，这里取Cμ=0.09;k为湍动能;ε为湍动耗散率。

(3)由于液压阀块内部是流场与固体变形场之间的相互作用，流固交界面处应满足流体与固体的各变量相等。流固耦合交界面处参数方程：

n·τf=n·τs
rf=rs
vf=vs

(4)

式中，τf，τs分别为流体和阀块的应力；rf，rf分别为流体和阀块的位移；vf，vf分别为流体和阀块的速度。

液压阀块的流固耦合分析，运用了FLUENT软件和Workbench软件。对于流道中的液流，在FLUENT软件中根据方程式(1)～式(3)进行模拟分析，将计算结果施加到流道内壁，在Workbench软件中根据方程式(4)进行分析计算。

2　网格划分与仿真设置

2.1　网格划分

液压阀块和液道采用ANSYS Workbench自动网格划分功能[11]，将参数相关性中心(Relevance Center)设置为细化(Fine)，平滑度(Smoothing)设置为高(High)，跨度中心角(Span Angle Center)设置为细化(Fine)。流道网格单元总数为280874，液压阀块网格单元数为220652。流道和阀体的网格划分如图3所示。

(a)流道　　　　　　　　　(b) 阀体图3　网格划分

2.2　仿真设置

(1)流场分析设置

假设液压阀块内部流道中液流为不可压缩的黏性液体,密度ρ= 900kg/m3,黏度μ= 0.042Pa·s，设置模型的边界条件为速度入口，给定速度为2m/s，假定液流在入口断面的速度分布规律沿流动方向不变；设置出口边界条件为压力出口，给定压力为16MPa，假定开放出口边界。流道壁面上施加无滑移边界条件(即所有速度分量都为零)。

(2)结构分析设置

采用流固耦合数值模拟方法，根据相关资料[12]，选择45#钢为液压阀块材料，材料特性包括密度为7850 kg/m3，弹性模量为 210GPa，泊松比为0.3。设置阀体与流道相接触表面为流固耦合作用面。

3　计算结果及分析

3.1　数值模拟

(1)通过FLUENT流场计算，将计算结果经过CFD-POST软件后处理，转化成流道的速度矢量图，流固耦合面的压力云图(如图4所示)。

(a)速度矢量图　　　　　　(b)流固耦合面的压力云图图4　流道的数值模拟结果

从图4a所示的流道的速度矢量图可以看出，在直流道区域，速度变化不明显，表明结构不变化的流道中液流流动基本稳定。当流道结构发生变化时，流速变化明显，液流在直角转向后速度变化明显。在圆弧转弯流道2处的速度最大，达到14.45m/s，此处是替代三位四通换向阀流道的圆弧流道，只是为了使液压阀块内部流道连通，换向阀流道是经过厂家校核的，满足系统需要。从图4b所示的流固耦合面的压力云图可以看出，直流道的压力基本恒定，说明液流的沿程压力损失较小。液流在流经每个直角转向后都会产生压力损失，液流从流道A流向流道B时的压差最大，大约为0.05MPa。而在直流道中压力分布基本没有变化，因此，直角转向的流道结构是阀块内部液流产生能量损失的主要来源。

(2)采用ANSYS Workbench 软件，建立流体场与固体场的耦合，将流体压力施加到液压阀块流道表面，获得液压阀块阀体的应力分布和总变形情况，如图5所示。

(a)应力图　　　　　　　　　　(b)总变形图图5　阀体数值模拟结果

从图5a所示的阀体应力图可以看出，阀体应力最大值出现在流道A直角转向后，达到59.615MPa。此处液流对阀体的冲击大，易发生液压阀块的孔系损伤，从而导致漏油，产生噪音。从图5b所示的阀体总变形图可以看出，A流道的变形严重，造成孔道干涉，经两邻面孔道校核，孔道之间不能满足安全壁厚的要求。系统压力增大，会造成两干涉流道连通，系统不能正常工作。

3.2　优化流道

(1)改变流道A的深度，使流道B的中心线与流道A的下圆柱面相交。对液压阀块的流道和阀体模拟分析。通过FLUENT流场计算，将计算结果经过CFD-POST软件后处理，转化成流道的速度矢量图，流固耦合面的压力云图(如图6所示)。

(a)速度矢量图　　　　　 (b)流固耦合面的压力云图图6　流道的数值模拟结果

从图6a所示的流道的速度矢量图可以看出，液流最大速度为14.79m/s，与图4a相比变化不大，最大速度位置没有改变。从图4b看出，流道A压力最大为16.26MPa，通过图6与图4相比较，改变流道A与流道B相交程度，液压阀块内液流的流动特性变化较小。

(2)采用流固耦合方法，获得新阀体的应力分布图和总位移图，如图7所示。

(a)应力图　　　　　　　　　　(b)总变形图图7　阀体数值模拟结果

由图7所示，改变流道A与流道B相交程度，流道A直角转向处压力为37.873MPa，与优化前阀体同位置处的应力值59.615MPa相比较变化明显。通过图7b总变形图看出，流道A的变形小，经两邻面孔道校核结果可知两孔道满足安全壁厚的要求。

优化流道与未优化流道的对比得出结论，改变两流道的相交程度可以减弱阀体的应力集中现象。改变流道相交方式，使流道与流道间满足安全壁厚的要求，液压阀块性能提高。

4　结论

通过对自卸车液压阀块进行流固耦合计算，流固耦合作用对液压阀块的影响有了进一步的认识，可以得出以下结论:

(1)液流在液压阀块内部的流动复杂，采用流固耦合计算能更精确地对液压阀块阀体性能分析。通过阀体应力分布图可以看出，在流道直角转向处，阀体所受液压力急剧上升，使液压阀块疲劳产生裂纹，导致阀块漏油。

(2)液压阀块体内包括几十个流道，流道构成流道网，流道不仅要保证正确的连通，还要保证不与其他阀内流道产生干涉。对流道的干涉校核是液压阀块设计必不可少的过程。

(3)改变两邻面流道相交程度，清晰地看到阀块在直角转弯处的应力变化，分析结果表明，当B流道的中心线与A圆柱流道底面在同一平面的时，液压阀块在直角转向处的应力较小，不与阀内其他流道产生干涉现象。

(4)该研究为液压阀块的结构优化设计和提高能源利用率提供一定的理论依据。

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(编辑李秀敏)