仿真技术与增材制造驱动液压元件性能升级方法可行性浅述

付稣昇 安世中德

液压机械与液压产品广泛应用于国民经济的各个领域，如通用机械、工程机械、汽车、航空航天和运输设备等领域（图1）。作为四大类传动方式（机械、电气、液压和气压）之一，液压传动相對其他传动方式，在结构、工作性能、使用维护和可靠性、经济性上又都有着极其明显的特点，如图2所示。

液压系统（传动系统和控制系统）基于液体静压力传动原理，是集成机械机构设计、电子电器设计、控制系统设计和力学设计等多学科设计元素的复杂产品。为满足液压机械各项技术要求，系统的机械构成、工作原理以及所采用的液压元件作用特点等也不尽相同，但最基本的液压系统均可以按照动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质五部分构成。由于液压由多个系统构成，如图3所示，系统级的产品优化升级可以在重点组成部分优化的基础上完成。

液压系统与液压机械在国民经济中的重要性和社会应用价值，对液压产品不断升级，提高产品性能提出了更高的要求。计算机仿真技术的发展在液压机械与系统设计中发挥了至关重要的作用，从一维液压系统模拟到三维虚拟样机技术的应用，从CFD技术的介入到FEM技术的介入，仿真在液压系统性能、阀体开启与执行机构多体动力特性、高级泵性能设计、阀体与管道设计、机械结构强度校核以及轻量化设计中都有优秀的应用表现。特别是流体拓扑优化与尺寸优化，结构拓扑优化和尺寸优化使得泵、阀、执行器和集成块在流体_生能和质量轻量化上都有大幅提高。但传统加工方法的制约一定程度上使得流体与结构拓扑后的加工制造遇到一些难点，增材制造技术的不断成熟和发展进步则带来了新的契机，使得CFD和FEM介入后的泵、阀结构流体特性拓扑优化、结构拓扑轻量化以及尺寸优化设计之后的产品生产成为可能，从而让CFD仿真可算、FEM技术仿真可轻量化降重等关键技术得以真正落地。

安世中德（Peraglobal-CADFEM）作为安世亚太公司专业项目咨询与二次开发团队，在传统CFD领域、有限元FEM领域、机电—体化产品仿真技术和增材制造技术领域都积累了非常丰富的项目实施经验以及技术解决方案。安世中德在液压系统高端核心元件增材制造技术解决方案中，逐步拟定了较为完整的液压系统与核心元件仿真一设计一制造流程。液压传动与控制系统分析入手联合虚拟样机技术进行机构运动性能模拟，利用CFD与FEM技术，对泵、阀、管道及液压阀座进行流体拓扑优化、结构的拓扑优化和尺寸优化后，经过疲劳、动力学和刚柔耦合等验证计算，最终进入增材制造环节，结合点阵设计以及打印过程工艺仿真控制，控制打印结构最终质量，形成完整的产品设计与优化生命周期，最终提供高端液压元器产品最好的使用性能，如图4所示。限于篇幅，本文仅对流程中部分内容进行简要举例和技术能力说明（不以绝对液压产品为例）。

一、液压系统与虚拟样机仿真

液压系统与液压机械模拟需求借助于ANSYS Motion、ANSYS Mechanical、Recurdyn、AMESIM以及HyPneu等进行联合仿真。搭建液压传动/控制系统以及液压元件功能组块，将液压过程控制与虚拟样机模型结合，进行液压系统性能和液压机械运动参数的分析。

液压机械分析能够考虑刚柔转化，引入有限元求解技术完成液压机械中机构零部件强度、动力学和疲劳等内容的计算，如图5、6所示。

二、CFD优化技术介入

执行器移动速度、负载能力以及同步、级进等过程需求，通常由液压泵和阀类（机械、电磁和伺服）控制系统进行阀芯移动、开启关闭与其他类型的流量控制，而且控制精度非常之高。

然而CFD流体优化技术依然有能力对于泵、阀及管路进行更优化设计以解决流体流动过程中的压力损失，生成更佳的设计、制造更轻巧且_生能优异的液压元件和产品。基于结构拓扑优化技术与尺寸优化技术（图7），能够在泵、阀基体结构上进行质量轻量化设计、融合制造和设计以满足高端液压产品对于质量、可靠性和密封等性能的苛刻需求。流体通道优化过后形状不规则以及外壳结构的形状不规则通过增材制造技术进行实现，这是传统设计与加工所无法比拟的。

安世中德在CFD仿真与优化方面主要技术着手点基于三种技术方法实现：Design Exploration、MeshMorpher Optimizer RBF-Morph和Adjoint Solver。

如图8所示，前两者是基于参数化的优化方法，能进行多尺寸、多目标变量的优化，而Adjoint Solver具备更广泛的设计空间，基于创新性的基于梯度的外形优化方法。三种技术在多种流体案例中都有很好的应用，这些案例的成功应用都为液压元器件的流体_生能优化提供了可借鉴的方法。具体设计界面如图9-12所示。

三、FEM优化技术介入与轻量化设计

一般适用于液压产品结构优化的结构产品优化方法，主要包括两大类：结构非参数优化和结构参数优化。

非参数优化以拓扑优化、形状优化、自由尺寸优化及形貌优化为代表，能够支持基于线_生静态、惯性释放、模态、频率响应、热、屈曲、随机振动及非线性接触等多种分析类型的优化设计，如图13所示。

参数优化基于参数建模驱动模型进行优化设计（cAD/cAE双向驱动），主要应用方向集中于参数敏感性、多学科多目标优化、稳健性和可靠性优化等，如图14所示。

增材制造技术使得复杂点阵结构的大量应用成为可能。点阵设计在液压增材制造中能够充分填充液压元器件壁厚，对于采用液压驱动且有明显轻量化需求的产品，点阵设计不失为—种好的选择。安世中德基于点阵没计进行了点阵晶胞参数插件的开发，这为点阵的设计堤供了理想的计算方法，保证了点阵应用的可行断口可靠性（点阵设计与点阵仿真应用如图15、16所示）。

四、增材制造工艺仿真

打印件的质量取决于多种因素，需要打印工程师不仅关注打印问题的孔隙率、微观结构与材料性能，还需要考虑刮板干涉（碰撞）、支撑断裂、部件开裂及变形过大等问题，另外合格的增材制造需要解决可重复工艺、保证质量和工艺控制等诸多问题。常见打印机缺陷和影响因素如图17所示。在打印工艺模拟中，安世中德借助Workbench Additive、Additive Print和Additive Science通过仿真解决了增材制造的工艺问题（图18）对上述打印过程中打印材料性能、孔隙率等进行模拟，对打印过程出现的缺陷进行仿真排查，确保打印成功。

五、液压核心元件仿真与增材制造愿景

安世中德有志于借助安世亚太多种仿真产品以及自身积累的机电液一体化仿真能力、CFD的流体拓扑与尺寸拓扑仿真能力、FEM的结构拓扑和点阵设计开发能力以及一体化增材设计、工艺、验证计算能力等为企业提供更多质轻、质优和具有竞争力的高端液压产品及解决方案，以更好地帮助客户提升产品质量，为社会创造更多价值。