以CFD方法研究液压集成块设计策略

　　

　　0　引　言

　　液压集成块作为液压阀及其他附件的承装载体,其设计过程可以分为外部元件的布局设计和内部孔道的连通设计[1].目前,国内外所见的各种集成块CAD研究,主要围绕结构设计进行.文献[2、3]运用人工智能和CAD技术相结合解决集成块的元件布局和孔道设计问题;文献[4]将集成块的设计过程分为液压阀布局、油路概念设计、油路详细设计和集成块校核4个阶段,借助虚拟装配技术进行集成块的快速设计;文献[5、6]应用遗传算法、模拟退火算法及人机结合的智能虚拟设计模式进行集成块的优化设计,实现了外部布局和内部布孔集成方案的自动优化.

　　评价一个布局方案的优劣,不仅要依据块体体积、工艺孔数目及孔道长度等结构指标,还要分析该布局方案下的连通孔道是否具有好的通流品质.在孔道连通设计阶段,尽管构成的流道在结构上皆可实现连通,但其通流性能往往有明显差别.因此,在液压集成块的设计过程中,只有将通流性能指标纳入以布局设计及孔道连通设计为核心的结构设计当中,获得的设计结果才对工程实际更具现实意义.基于此,本文用计算流体动力学(CFD)方法对流道的流动特性进行研究,分析以优良通流品质为目标的性能约束条件,将其纳入结构设计约束并进行综合寻优,确立结构与性能兼优的集成块设计策略.

　　1　液压集成块流道模型

　　如图1(a)所示,集成块模型的进、出流孔道与外部的两个液压阀相连,在内部通过一条工艺孔道实现连通,并由此构成两个局部阻碍结构(直角转向).当液压阀在块体表面进行同面、邻面及对面布局时,随之可构成在结构上具有相似性,并且皆可满足连通要求的三类流道,如图1(b)所示.为方便说明,假设入流孔道通径d1大于出流孔道通径d2.

　　2　数值计算方法

　　数值计算采用FLUENT作为CFD求解器[7],本文是研究流道的稳态流动特性,可假设流体是粘性不可压流体,则流体运动的控制方程为

式中:v是速度矢量,p是压力,ρ是密度,ν是运动黏度.　　方程雷诺应力项的平均是基于Boussinesq假设,求解过程采用标准k-ε紊流模型.控制方程的离散方法是有限体积法,为避免数值振荡现象和提高计算精度,对流项采用二阶迎风格式进行离散,而扩散项的离散则采用中心差分格式.边界条是采用速度入口及出口自由出流的搭配方式,其他约束条件皆是固定无滑移壁面,速度的大小根据下文所要研究的问题而定.以非结构化网格对计算域进行网格划分,为提高数值计算结果的准确度,保证划分的网格数目与计算结果不相关.在贴体坐标系下,采用SIMPLE算法迭代求解各变量的离散方程.