基于CFD的液压滑阀多学科优化设计

　　液压滑阀广泛应用于工程车辆、机床、飞机、船舶等现代化机械产品中,其主要作用为控制执行机构运动状态.液压滑阀主要性能为换向平稳、冲击小、响应快,而滑阀液动力是影响这些性能的主要因素.因此,尽可能降低液动力对滑阀换向、冲击、控制等的影响是提高滑阀性能的主要目标之一.

　　近年来,国内外众多学者致力于液压滑阀的内部结构与流场的研究[1-3],但大部分研究借助于数值模拟方法对液压滑阀内部流场进行解析计算[4-7],本文在此基础上建立了滑阀内部流道参数化模型,构建一体化集成优化设计平台,借助于试验设计方法和响应面函数技术,获取了滑阀开启瞬间瞬态液动力关于流道结构参数的动态响应模型,并进行了优化再设计.

　　1　计算流体动力学数学模型

　　采用CFD软件Fluent[8]对滑阀开启过程中阀内三维流场进行数值模拟,分析内部流场特性,采用雷诺时均方程法,流动为三维瞬态、不可压缩、考虑黏性假设的湍流流动,其数学模型连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程分别为:

式中:ρ为流体密度;ui、uj、ul为速度分量;xi、xj、xl为坐标分量;p为微元体上的压力;μ为动力黏度;为雷诺应力项为有效热传导系数,keff=k+kt,kt是湍流热传导系数;T为温度;Jj′为组分扩散流量;(τ_ij)_eff为黏度切应力;Sh为化学反应以及其他体积热源项.

　　选用标准k　-　ε湍流模型,在控制方程的基础上,利用Simple算法对控制方程离散化处理,通过对CED方程组的迭代求解可以获得整个流场的数值解析结果,为更精确描述和模拟滑阀开启过程内部流场提供了理论基础.

　　2　液压滑阀开启过程动态数值模拟

　　2.1　液压滑阀工作原理

　　如图1所示,当阀芯处于中位时,P、A、B、T腔是互不相通的;当滑阀阀芯向左移动时,P-A相通,T-B相通;当滑阀阀芯向右移动时,P-B相通,T-A相通.由于4个腔开启和关闭过程原理一致,故本文选取P-B腔进行建模,模型如图2所示.

　　滑阀瞬态液动力(F)主要发生在滑阀开启(关闭)瞬间,假设开启位移为s,把开启瞬间划分为如下2个阶段:

　　(1) 0≤s≤1.5,滑阀从中位开始运动到P-B腔将要开启;

　　(2) 1.5≤s≤3.5,滑阀从P-B腔开启到开启行程为2 mm的过程;

　　2.2　滑阀CFD模型

　　为了分析滑阀内部结构参数对瞬态液动力的影响,建立2种典型的滑阀流道结构,如图3所示.其中:(a)图为普通滑阀,(b)图为球型阀芯滑阀(带阀座沉槽以及阀芯间具有凸台结构).对2种结构的滑阀CFD三维模型进行了网格划分,结果如图4所示.