流固耦合下多路阀换向阀块变形及模态分析

肖乃鑫，徐雷，冉光在，余方超

流固耦合下多路阀换向阀块变形及模态分析

肖乃鑫，徐雷*，冉光在，余方超

（四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065）

多路阀广泛应用于重大装备领域中，其性能直接影响整机操纵的舒适性和灵活性。在对多路阀阀体进行分析以提升其性能时，内部流体对阀体的作用效果不容忽视。在ANSYS Workbench中对某型号电液比例负载敏感多路阀换向阀块进行流固耦合分析，得到不同阀口开度下，阀体阀芯在流体稳定流动时的受力、变形以及自身固有频率的变化情况。研究结果表明：随阀口开度的增加，流体对阀体阀芯的作用力逐渐减小，换向阀块的最大变形逐渐减小。阀体阀芯的固有频率在流固耦合后降低，阀体阀芯固有频率减小程度存在差异，各阶固有频率在阀口开度增加中基本保持不变。仿真结果为多路阀在设计与优化环节中确定强度薄弱区和颤振补偿所用信号选取提供参考，有助于提高整机性能。

多路阀；流固耦合；模态分析；固有频率；受力分析

多路阀是一种集成程度很高的主控阀，因具备结构紧凑、管路连接简单等优点而广泛用于工程机械、航空航天、船舶、陆装等重大装备领域[1-2]。与液压系统的其他部件相比，多路阀具有更为复杂的结构，其内部流体的运动状态及阀体受力情况也更为复杂，因此对多路阀的阀体及内部流体进行有限元分析，对于提高流场稳定性和优化阀体阀芯结构十分必要。

众多学者针对多路阀进行了有限元分析，孙泽刚等[3]应用FLUENT软件对多路阀双U型节流槽空化流动进行分析，找到了影响空化的组合参数，并对节流槽进行优化；张晋等[4]采用CFD流场仿真技术和PIV可视化测速技术得到不同阀口开度和流量下的某系列双阀芯电液比例多路阀的流场分布情况，定性分析了能量损失和噪声；张晓俊等[5]采用两相流模型研究内流式滑阀流场分布，并分析阀口开度、流量变化对阀芯壁面压力分布及稳态液动力的影响。上述研究中单独分析了多路阀的阀体与流体，对阀芯进行结构优化及分析内部流体的流动情况，很少去探究流体与阀体阀芯间的作用，特别是流体对阀体阀芯的作用力及模态特性产生的影响，包括阀体阀芯的受力、变形及其自身固有频率的变化，而这些变化情况是多路阀性能研究、阀体设计与优化环节的基础。

本文采用ANSYS Workbench对多路阀换向阀块进行流固耦合分析，将流体分析的结果导入固体静应力分析中，得到阀体与阀芯在流体稳定流动时的受力、变形情况。再分别对阀体与阀芯进行模态分析，得到固有频率的变化情况。结果可为多路阀设计环节提供参考。

1 电液比例负载敏感多路阀工作原理

某型电液比例负载敏感多路阀原理如图1所示。该多路阀中具备三个对应三种功能的关键元件[6-7]：①三通流量阀通过开度调节分流多余流量，保证供给各执行器的压力与其负载相匹配，实现负载敏感控制；②阀后压力补偿阀保证各滑阀进出口压差相等，当泵流量不能为所有功能提供所需的额定流量时，系统中的单个执行器不会停止动作，所有执行机构动作的速度将同比降低，实现流量分配与负载压力无关；③电比例减压阀通过电机转换功能，输出与输入电信号对应的压力，主阀阀芯在该压力的作用下克服摩擦力和弹簧预压力后按比例移动，改变进入执行机构的流量，实现电液比例控制。

1.先导油路减压阀；2.先导油路安全阀；3.恒流阀；4.反馈油路安全阀；5.三通流量阀；6.主油路安全阀；7.电比例减压阀；8.二次溢流阀；9.主阀；10.阀后压力补偿阀。

在使用过程中，控制对象的运动精度与多路阀的性能密切相关，阀块的受力变形会导致阀性能下降甚至失效。同时，在电液比例控制中引入颤振信号以进行摩擦补偿、提升控制精度时[8]，叠加的颤振信号频率需避开固有频率以避免共振。因此，研究流体作用下多路阀受力，变形和固有频率情况可为多路阀设计提供准确的参考，有助于提升多路阀自身性能。

2 流固耦合仿真

考虑多路阀换向阀块工作状态下的流固耦合问题，该过程包括内部流体的流动以及流体与阀固体界面间的力与位移的传递[9]。当流体的应力变量与固体的位移变量同时映射到对方，即实现双向流固耦合分析；当仅实现流体应力变量到固体的映射时，即实现单向流固耦合分析[10]。本文采用单向流固耦合分析。

将多路阀换向阀块的阀体和阀芯将模型导入Workbench，提取出中间流道，得到的流道与阀体阀芯结构如图2所示。

图2 流道与阀体阀芯结构

2.1 初始条件设置

本文中流体采用L-HM32#抗磨液压油，阀体材料为灰铸铁，阀芯材料为不锈钢，其主要参数如表1、表2所示。

表1 流体材料参数

表2 固体材料参数

流体分析初始设置条件[11]：①假设阀体阀芯加工良好，装配准确，流体与壁面间为无滑移边界；②不考虑重力及热效应；③由于流道结构复杂，流体的流动状态为湍流，故选择-标准模型。边界条件参数设置如表3所示。

表3 流体仿真边界条件

静应力分析初始设置条件为：阀芯阀体间的接触为绑定接触，阀芯的左右端面、阀体左右端面及下表面受固定约束。

2.2 仿真分析结果

2.2.1 流场分析

运用FLUENT对滑阀阀芯在不同位置处的P－A和B－T流域的流体流动状况进行仿真分析，得到相应的流场速度云图如图3所示，在流体入口与出口压力保持不变的情况时，在节流口作用下P－A流域的流体在流出节流口后流速达到最大；在阀的开度逐渐增加过程中，节流口后的流体流速始终保持最大；当阀口开度由1 mm增大到2 mm时，流体的最大流速明显增大；当阀口开度由2 mm增大到4 mm过程中，流体的最大流速变化趋势降低，此时随着阀口开度的增大，流量逐渐增大，使换向阀块实现其功能，即通过调节阀芯位移来控制输出流量，进而控制执行器运动状态。

2.2.2 阀体阀芯受力与变形分析

将流体分析结果中流体壁面压力作为载荷作用在与之耦合的固体表面，对阀体阀芯进行静力学分析以研究流固耦合分析中固体所受影响[12-13]。图4为阀口开度4 mm时阀体与阀芯的受力情况。不同阀口开度下阀体阀芯所受载荷情况如图5所示，可以看出，随着阀口开度的增加，流体对固体的作用力整体呈减小趋势。

图3 不同阀口开度下两流道流场速度云图

将多路阀内部流体对固体的作用力耦合到阀体阀芯上，得到流固耦合作用下的多路阀阀块变形情况。图6为不同阀口开度下阀体与阀芯的总变形云图，可以看出，随阀口开度的增大，阀体总变形逐渐增大，阀体阀芯的变形在P口处和A口附近与空置B口间的壁面处较大，易出现疲劳破坏，是需要进行优化的薄弱区。

图4 阀口开度为4 mm时阀体阀芯压力载荷

图5 不同阀口开度下阀体与阀芯所受压力载荷

2.2.3 阀体阀芯固有频率分析

由以上受力与变形的结果可知，随着阀口开度的增加，多路阀换向块整体所受载荷发生变化，进而使其模态受到载荷的影响而改变。因此，流固耦合后的换向阀块的模态反映了其工作状态下的真实状态。

图6 不同开度下固体总变形云图

采用前文的边界条件，对换向阀块整体进行模态分析，得到换向阀块的前六阶模态情况，如表4所示，其中换向阀块的一阶模态如图7所示。各阶模态下换向阀块的最大变形为20.215～24.589 mm。由仿真结果得到换向阀块整体的固有频率较高。

为了进一步分析流体稳定流动时阀体与阀芯自身固有频率的变化情况，对流固耦合后的阀体阀芯整体、阀芯、阀体分别进行模态分析，其中整体的固定约束方式与前文一致，单独分析时采用两端固定约束方式。

图7 阀口开度1 mm时换向阀块的一阶模态

表4 阀口开度1 mm时换向阀块前六阶固有频率

将模态结果与无流固耦合时进行对比，得到前六阶固有频率，如表5～7所示。分析得到：阀口开度为1 mm时，与无流固耦合时相比，整体各阶固有频率分别减小0.080%、0.473%、0.228%、0.145%、0.050%、0.135%；阀体各阶固有频率分别减小0.009%、0.044%、0.002%、0.007%、0.001%、0.001%；阀芯各阶固有频率分别减小1.011%、0.178%、0.837%、0.286%、0.225%、0.0924%。这些数据表明，在流固耦合后，整体、阀体和阀芯的固有频率均降低。单独分析时，阀体阀芯固定约束方式相同，但阀体与阀芯的固有频率减小程度存在差异。这是阀体与阀芯间结构及刚度和所受载荷的综合作用的结果。同时，随阀体开度的增加，固有频率几乎没有改变。结果表明在工作状态中，流体对固体的作用相当于对固体施加了预应力，使得其固有频率降低；在阀口逐渐开启的过程中，由于该作用力变化程度较小，其对固有频率的影响也较小，故固有频率几乎没有变化。

可见，在对多路阀的阀体阀芯进行有限元分析时，考虑流固耦合作用可获取某确定工况条件下的多路阀换向阀块的阀体阀芯的受力变形情况，可在多路阀设计中确定强度薄弱区以供后续优化。同时更为准确的模态信息为颤振摩擦补偿中颤振输入信号频率的确定提供参考，以避免共振。

表5 不同状态下整体的前六阶固有频率

注：1 mm、2 mm、3 mm、4 mm为有流固耦合不同阀口开度。

表6 不同状态下阀芯的前六阶固有频率

注：1 mm、2 mm、3 mm、4 mm为有流固耦合不同阀口开度。

表7 不同状态下阀体的前六阶固有频率

注：1 mm、2 mm、3 mm、4 mm为有流固耦合不同阀口开度。

3 结论

通过对在不同阀口开度下的多路阀换向阀块进行流固耦合分析，结论如下：

（1）随着阀口开度的增加，流体对阀体阀芯的作用力的最大、最小值不断减小，阀体阀芯的总变形最大值不断减小；

（2）在考虑流固耦合作用后进行模态分析，得到的固有频率比无流固耦合时小，且阀体与阀芯的固有频率受影响程度存在差异。在阀口逐渐开启的过程中，阀体与阀芯的固有频率基本保持不变；

（3）考虑流固耦合作用的多路阀受力与模态分析结果更符合实际应用的工况，仿真结果可供多路阀的设计与优化环节参考。

[1]焦宗夏，彭传龙，吴帅. 工程机械多路阀研究进展与发展展望[J]. 液压与气动，2013（11）：1-6.

[2]冀宏，左嘉韵，程源. 工程机械液压元件及节能液压系统的发展与思考[J]. 液压与气动，2013（5）：1-8.

[3]孙泽刚，肖世德，王德华，等. 多路阀双U型节流槽结构对气穴的影响及优化[J]. 华中科技大学学报（自然科学版），2015，43（4）：38-43.

[4]张晋，朱汉银，姚静，等. 某双阀芯电液比例多路阀主阀进口节流流场及阀口压降特性研究[J]. 中国机械工程，2017，28（10）：1135-1143.

[5]张晓俊，权龙，赵斌. 内流式滑阀壁面压力分布可视化计算及试验验证[J]. 机械工程学报，2016，52（14）：196-203.

[6]刘伟，徐兵，杨华勇，等. LUDV多路阀的挖掘机电液流量匹配控制系统特性[J]. 浙江大学学报（工学版），2012，46（8）：1360-1368.

[7]陈革新，王维福，宋佳，等. 负载敏感比例多路阀中二通压力补偿阀对微动特性的影响[J]. 液压与气动，2018（7）：72-80.

[8]熊璐，徐松云，余卓平. 基于颤振补偿的电子液压制动系统液压力优化控制[J]. 机械工程学报，2016，52（12）：100-106.

[9]彭川桃，罗阳，周博，等. 基于CFD的真空阀流固耦合及热应力分析[J]. 机械，2021，48（3）：17-22.

[10]干梁，许锋. 飞机废水管路流固耦合动力学仿真分析[J]. 机械，2019，46（4）：16-21.

[11]宋官学，蔡林，张华. ANSYS流固耦合分析与工程实例[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012：3-4.

[12]施卫东，王国涛，张德胜，等. 基于流固耦合的轴流泵叶片应力特性[J]. 排灌机械工程学报，2013，31（9）：737-740，757.

[13]母东杰. 双喷嘴挡板伺服阀流固耦合特性分析及振动抑制[D]. 北京：北京交通大学，2015.

Deformation and Modal Analysis of Directional Valve Block of Multi-Way Valve under Fluid-Solid Coupling

XIAO Naixin，XU Lei，RAN Guangzai，YU Fangchao

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Multi-way valves are used in construction machinery and other major equipment fields. Their performance directly affects the comfort and flexibility in operating the entire machine. In order to improve its performance, the multi-way valve was analyzed and we found that the effect of internal fluid on the valve body could not be ignored. To obtain the effect of the fluid on the valve, the multi-way valve block was analyzed by fluid-solid coupling in ANSYS workbench. The force, the deformation of the valve body and the spool and the change of their natural frequencies were obtained under different valve openings when the fluid flowed stably. The research results show that with the increase of the valve opening, the force of the fluid on the valve core gradually decreases, and the maximum deformation of the reversing valve block gradually decreases. The natural frequency of the valve body and spool decreases after fluid-solid coupling. The reduction of the natural frequency of the valve body and spool is varied, and the natural frequencies of each order remain basically constant as the valve opening increases. The simulation results provide a reference for the design and optimization of multi-way valve in determining the weakened area and the signal used for flutter compensation, which is helpful to improve the performance of the whole machine.

multi-way valve；fluid-solid coupling；modal analysis；natural frequency；force analysis

TH137.52

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.04.004

1006-0316 (2022) 04-0019-06

2021-04-22

四川省科技支撑项目（2021YFG0060）

肖乃鑫（1997－），女，吉林舒兰人，硕士，主要研究方向为数字化设计与制造、液压传动与控制技术等，E-mail：2358887215@qq.com。*通讯作者：徐雷（1973－），女，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向为数字化设计与制造、智能制造，E-mail：xulei@scu.edu.cn。