冲击载荷下液压缸内压的流固耦合仿真与振动分析

　　本文研究内容是国资委“煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室”项目“支护设备特性实验室”建设重点设备之一“立柱抗冲击性能试验台”前期结构设计部分的研究内容。综采工作面液压支柱的落锤冲击试验是模拟采煤工作面有冲击倾向的煤层或坚硬顶板断裂后迅速沉降时，给立柱施加的冲击载荷，测试立柱的抗冲击性能。对立柱冲击载荷计算机模拟计算分析是建立试验系统的理论基础，以确定系统参数、数据采集和处理方式。目前，对立柱受到冲击是内压的分析主要是动力学波动方程和数学理论去模拟^{[1 -9]}，对流体和固体局部压力和受力的状况了解不全面。本文用分析软件Ansys workbench12.1 对立柱整体建模，并进行流固耦合模拟得出工作介质内压分布，同时用动力学波动方程对相同的模型进行模拟，并对两种结果进行对比分析，互相验证准确性。

　　1 力学模型

　　液压立柱的模型如图1 所示，工作介质高度l =3.5 m，直径d₁= 500 mm，初撑压力p₀= 20 MPa，缸筒外径d₂= 580 mm。m = 30 t 的重物从h = 3.2 m 高处自由落体，以v_m=的速度与立柱顶端发生碰撞，计算时间总长为45 ms。工作介质为乳化液。忽略工作中各个部件之间的摩擦，密封无泄漏，沿轴向等截面，不计机械装置的阻力影响( 弹簧等)。

　　2 计算流体力学流固耦合求解

　　耦合场分析是考虑两个或两个以上工程学科( 物理场) 间相互作用的分析。例如流体与固体的耦合分析，即流固耦合( Fluid structure interaction) ，流体流动的压力作用于固体，固体将产生变形，而固体的变形又导致了流体的流道变化，因此是相互作用的问题。在这里，我们用Ansys Workbench( Ansys-Cfx) 来实现单向流固耦合( FSI) 方法来分析。

　　用Workbench 对流体固体建模，Icem-cfd 进行网格划分，并对边界层进行一定细化。在流体和油缸之间建立流固耦合面，定义重块初始速度vm= 7.29m / s，时间间隔 0. 00003 s，计算时间长度0. 045 s。

　　由于径向压力变化很小，我们主要研究轴向中心线压力分布，图2 是轴向中心线压力在t = 1、10、15、30、45 ms 的分布情况。

　　可以看出，在碰撞一瞬间，接触面附近的工作介质内压急剧升高，然后以波的形式向下传播。在传播的过程中，最大压力的数值有一个先上升后下降的趋势，在25. 2 ms 有个77. 88 MPa 的峰值。

　　3 动力学波动方程求解

　　在用波动方程分析前我们需要做如下假设:

　　( 1) 工作介质为x 轴方向的一维流动;

　　( 2) 忽略工作介质与活柱体、缸体之间以及活柱体与缸体之间的摩擦;