基于Creo与Ansys Workbench的液压集成块虚拟设计与仿真分析

滑利光，侯寅峰，李万有，王志亮，武瑞斌

（邯郸新兴特种管材有限公司，河北056502）

0 引言

一个液压系统中包括多个控制阀，这些控制阀多采用有管集成和无管集成两大类集成方式[1-2]。有管集成方式，主要优点是连接方式简单，不需要设计和制造油路板或油路块，其缺点是当控制元件较多时，管接头和管子较多，交错连接，占用空间大，安装维护和故障诊断不便，且系统运行时易产生泄漏，压力损失大。无管集成是将液压控制元件固定在专用或通用的具有通油孔道的辅助连接件上，按辅助连接件的型式不同，有板式、块式、链式、叠加阀式和插装式等连接形式，它们的共同特点是结构紧凑，组装方便，其中块式集成连接方式在大型复杂电液控制系统领域应用最为广泛，通常做成通用化的六面体油路块，具有油路通道短，易于加工，压力损失小，不易泄漏等优点。尽管目前有多种集成块已经标准化和系列化，然而现代电液控制系统日趋复杂，导致标准化集成块不能完全满足用户和设计要求，据统计工程实际中仍有20%～30%回路集成块需自行设计[3-4]。

自20世纪60年代末以来，我国开始研究和使用液压集成块技术，由于集成块孔系结构复杂，传统人工设计方法主要取决于设计者的经验，其设计效率低，失误率高，节流损失大[5]。随着CAD和CAE技术的快速发展，国内外众多学者开展了液压集成块三维参数化设计以及孔道特性仿真研究[6-9]。基于上述背景，本文将三维参数化设计软件Creo与有限元仿真软件Ansys相结合，开展液压集成块实体设计、结构静力学和流场特性联合仿真分析。此研究对提高复杂液压控制系统集成块设计质量和效率，减少局部阻力损失，优化液压系统回路，易于系统故障诊断等方面具有重要意义和经济价值。

1 液压集成块三维实体设计

液压集成块三维实体设计思路为：首先，分析液压系统回路及各元件的组成结构，绘制液压集成块单元等效回路；其次，利用Creo软件构建具有外形结构及联接孔系的液压元件三维实体模型库；第三，依据联接阀块数量及尺寸确定集成块结构尺寸、公用油道孔数目、孔道直径；第四，进行通油孔间的壁厚确定及其校核计算；最后，构建液压集成块三维实体模型，经元件虚拟装配及孔系干涉检查确认无误后，生成并绘制集成块二维平面图，修改部分尺寸标注，完成液压集成块设计。

现以比例伺服阀（编号41）控制伺服液压缸（编号75），即电液伺服闭环控制系统试验台为例进行介绍，其液压系统原理如图1所示。系统的额定工作压力为31.5MPa（最高工作压力为35 MPa），额定流量为63 L/min，在比例伺服阀A、B工作口装有压力表（编号20.15、20.16）和压力传感器（编号7.15、7.16），压力传感器输出0～10V的电压信号，伺服液压缸集成了内置式位移传感器，可实时检测活塞杆的位移。经系统回路分析，比例伺服阀、进回油管接头、A和B工作口管接头、进回油压力表和压力传感器等元件需集成液压集成块上。

（1）利用Creo软件构建上述各部件三维实体外形轮廓图库，创建三维实体图时应注意不要使用缺省模板inlbs-part-solid英制单位，需使用mmnspart-solid公制单位[10]，并依据比例伺服阀外形结构及其各元件联通关系，最终确定集成块阀体材质为35号钢，外形外形尺寸为120 mm×120 mm×100 mm。

图1 液压系统原理图

（2）构思连接螺纹孔及通油孔道空间布局关系，在集成块的一个侧面上采用二孔式进行设计，分别设置压力油孔P和回油孔O各一个，在其相邻的侧面设置工作口A和B各一个，其孔道直径则根据通过的流量和允许流速进行计算：

式中，q为通油管最大流量，L/min；v为油管中允许流速。注意各管路孔口须按管接头小径钻孔并攻丝。

（3）在集成块上面设置与比例伺服阀相通的孔道，其孔口直径大小应与比例伺服阀的油口直径相同，同时设置有四个连接螺纹孔，其螺纹孔直径大小应满足螺栓连接强度设计要求。对于公用孔道，压力油孔和回油孔的直径可类比同压力等级系列的集成块孔径大小来确定，也可用公式①进行设计计算。对于工艺孔应采用涨球或螺塞堵死。

（4）创建液压集成块油路三维实体模型，对连通油路进行布尔加运算和干涉检查；利用Creo软件中实体距离测量工具，孔系间的最小距离为5 mm，考虑系统工作压力已超过6.3 MPa，为防止各孔道间不会被击穿，其最小壁厚应满足强度公式：

当管内最高工作压力p=35 MPa，孔径d=10 mm，安全系数n=4，材料的抗拉极限强度σb=530 MPa[11]，最小壁厚δ≥1.32 mm。实测5 mm最小距离满足设计要求。设计的液压集成块及阀块虚拟装配模型如图2所示。

图2 集成块与阀块虚拟装配实体模型

2 结构静力学有限元仿真分析

公式②可用来设计和校核最小壁厚，但无法实现对孔道交汇处进行准确的应力分析和计算。为此，文中基于Ansys Wokbench软件中的Static Structural模块对孔道的受力情况进行仿真分析，具体过程如下：

（1）导入创建几何模型。启动Wokbench并建立分析项目，导入Creo中已创建的集成块三维实体模型。

（2）定义材料属性参数。在材料库中选择Structural Steel，定义弹性模量为“2.12e6MPa”、泊松比为0.31，密度为7.85 g/cm3，并将材料添加给几何模型。

（3）划分网格。在“Outline”窗口中选择“Mesh”按钮，采用六面体单元进行网格初步划分，在“Mesh Control”下拉菜单中选择“Sizing”命令，对交叉孔系进行局部网格控制，在“Element Size”文本框中输入数值0.3，单击“Update”按钮，完成网格划分。

（4）添加载荷和约束。选择“Fixed Support”选项，在集成块底面的连接螺纹孔处位置施加固定约束；在“Environment”工具栏中选择“Load”，点击“Hydrostatic Pressure”命令，设置流体的包围面、加载面、静水压力的大小及方向，其中静水压力为35 MPa。

（5）插入应力结果图解。在“Outline”窗口中右击“Solution（A6）”选项，在弹出的快捷菜单中选择“Insert→Stress→Environment（von-Miss）”命令，完成应力结果图解定义。

（6）应力求解与结果查看。在工具栏中单击“Solve”按钮进行求解分析，选择“Equivalent Stress”命令，查看应力结果如图3所示，最大应力为83.5 MPa，最小应力为6.87 MPa，其最大应力没超过材料的许用应力132.5 MPa，满足设计要求。考虑孔道相贯刀角容腔处等效应力最大，在进行钻孔、扩孔和铰孔孔道工艺加工时，应尽量减少或避免应力集中。

图3 应力结果图解

3 流速变化仿真分析

液压集成块内部流体运动过程复杂，一般可看作常密度黏性、不可压缩、非定常湍流流动。其数学模型复杂，时间域及空间域上连续物理量的场求解过程困难，通常基于CFD思想（Computational Fluid Dynamics）求其数值解，即把控制方程离散化，通过一定的原则和方式建立离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

3.1 基本控制方程

3.1.1 质量守恒方程

在流场中，流体通过入口面流入控制体，通过另一个面流出控制体，此期间控制体内部的流体质量也会发生变化。由此可导出流体流动连续性方程：

式中，ρ为密度；t为时间；u，v，ω分别为x，y，z三个速度方向的速度分量。

3.1.2 动量守恒方程

动量守恒方程也称为运动方程，或N-S方程，其动量随时间变化率等于作用于其上的外力总和，其微分形式表达为：

式中，v为速度；ρ为密度；f为质量力；p为压强力；μ为流体的动力粘度。

3.1.3 能量守恒方程

将热力学第一定律应用于流体运动，把各项用有关的流体物理量用方程表示出来，就是能量方程，即：

3.2 孔道速度仿真分析

流体流经液压集成块孔道后，受孔系结构的影响，特别是经过钻孔工艺而留下的刀尖角容腔时，会产生能量损失，降低液压系统工作效率。利用Ansys Wokbench软件中的CFX模块计算集成块孔道内流特性，分析流体速度分布变化规律，研究贯通进回油孔道内部产生的全部压力损失。进回油口直径均为Φ10 mm，所设计的液压集成块尺寸参数如图4所示。设液压油采用35#抗磨液压油，密度ρ=850 kg/m3，粘度μ=0.04 Pa·s，油液的温度为25℃，进口速度为2.3 m/s，出口压力为0.3 MPa，经CFX模块仿真分析，在CFD-Post结果后处理平台中得到流体流速迹线图如图5所示。

图4 液压集成块结构尺寸

图5 流体流速迹线图

由图5可以看出，液压油在进出由孔道的流速较为平稳，其迹线近似为直线，压力损失小；而在两个孔道交汇处，由于液流方向突然发生90°角突变，在刀尖角和流道内壁测出现旋涡现象，旋涡的出现会造成较大的压力损失，其压力损失大小与刀尖角区域长度有关。刀尖角区域长度α定义为孔道中心线距钻孔刀尖角的距离，当α取不同结构尺寸参数时，仿真各参数的压力损失如表1所示。由表1可知：当时α=45 mm，即0.45倍的孔道直径，其最小压力损失为0.02046 MPa；当α小于0.45倍孔道直径时，压力损失急剧增加，当α=3 mm时，即0.3倍孔道直径，其压力损失达到0.06857 MPa；当α大于4.5倍孔道直径时，压力损失随刀尖角区域长度的增加而增加。可见，液压集成块刀尖角区域长度在进行设计时既不能过大，也不能过小，应选取最佳长度尺寸，此时可在一定程度上减小系统压力损失。表1不同刀尖角区域长度时压力损失。

表1 不同刀尖角区域长度时压力损失

4 结语

（1）综合运用三维参数化设计软件Creo与有限元仿真软件Ansys的技术优势，通过分析系统油路联通关系，绘制液压集成块单元等效回路，利用Creo构建液压元件三维实体模型库，依据阀块数量和结构尺寸构思集成块孔道联通关系，通过布尔运算与干涉检测，检测分析孔系之间最小壁厚厚度，完成集成块三维实体模型构建。

（2）利用Ansys Workbench软件中的Static Structural模块完成集成块内部孔道的应力分析，发现孔道相贯刀角容腔处其等效应力最大，在进行机加工时应尽量减少或避免应力集中。

（3）基于Ansys Wokbench软件中的CFX模块完成集成块内部流场仿真分析，发现集成块刀尖角容腔处压力损失最大，且压力损失大小与刀尖角区域长度尺寸有关，设计中应合理选择其尺寸长度，以减小系统压力损失，提高能源利用效率。