一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化方法技术

一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化方法，属于工程机械中多路阀仿真分析领域，步骤为：首先，搭建多路阀测试实验台，对不同开度和流量下多路阀的压力损失和液动力进行测试。其次，根据二维图纸，利用Solidworks建立三维模型，将模型导入ANSYS中进行流道模型抽取以网格划分；将网格模型导入Fluent中设置仿真条件并进行仿真，将仿真结果与实验结果进行拟合，不断修正仿真模型。最后，根据修正过的仿真模型找出影响压力损失和液动力的关键结构尺寸，利用Matlab和Isight的算法工具箱对结构参数和优化目标进行拟合和方程求解，并根据实际需求选取最优解。本发明专利技术通过实验和数值模拟相结合的办法，提供一种多路阀的结构参数优化方法，为阀类元件的设计生产提供指导。

A simulation analysis and structure optimization method of multi way valve based on fluent

【技术实现步骤摘要】
一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化方法
本专利技术属于工程机械中多路阀仿真分析领域，涉及一种基于Fluent的多路阀仿真分析与结构优化设计的方法。
技术介绍
多路阀是多联换向阀集成于一体的多功能换向阀，能够对不同的执行机构实现同时控制，从而实现执行机构的复合动作，在各种工程机械中有着广泛的应用。多路阀的性能直接决定了液压系统控制的精确性。国内外许多学者应用理论推导、实验或者仿真的手段对多路阀的各种特性展开了研究。众多学者在阀类元件的液动力的分析，射流角度、压力损失等方面做了大量的研究。对于实验研究来说，由于实验条件的限制，并不能直观的了解阀内流场的状态以及阀芯壁面所受力的情况。同时对于数值模拟的方法来讲，往往由于缺少相关实验数据作为参照，导致仿真边界模型选取不准确，并不能真实的模拟阀内流场的情况。同时多路阀结构复杂，阀芯和阀体的设计和制造成本较高，很难制造大量的元件进行结构优化分析和实验。基于此，本专利技术方法根据工程应用的多路阀模型为研究对象，以实验数据为基础，以数值模拟为研究手段，提出了一种多路阀仿真分析和结构优化设计的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是，针对现有实验与仿真研究方法的不足，提出一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化设计的方法，将多路阀结构优化的工程性问题变成数学和仿真分析问题，为多路阀结构优化提供了简单快捷的方法。为了解决上述的技术问题，本专利技术所提供的技术方案为：一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化设计的方法，包括以下步骤：第一步：对多路阀的液动力、压力损失进行实验测试1.1)搭建实验台，对多路阀测试回路进行连接；1.2)测试多路阀在不同流量、不同阀口开度下的液动力、压力损失情况，并对所得数据进行记录。第二步：利用Fluent对多路阀进行仿真分析2.1)根据多路阀的二维图纸，得到多路阀模型的基本尺寸参数，利用Solidworks建立不同阀口开度的多路阀三维模型，并输出为igs文件；2.2)将步骤2.1)中输出的igs文件导入Workbench中DM模型处理器，利用DM中的填充和修补工具，将多路阀内油液流动的流道模型抽取出来。将流道模型导入Workbench中的Mesh网格处理器，采用多区网格划分的方法对流道模型划分网格，并设定模型的各个入口、出口以及壁面的名称，并输出为mesh文件；2.3)利用Fluent读取步骤2.2)中得到的mesh文件进行仿真分析，设置仿真的数学模型、物性参数、边界条件，选择计算方法，设定模型的迭代步数为3000步，并开始数值模拟计算，得到仿真结果；所述的数学模型包括多相流模型、k-e湍流模型；所述的物性参数包括流体密度、动力粘度、饱和蒸汽压、蒸汽黏度；所述的边界条件包括入口流量、出口压力、壁面条件。2.4)仿真计算结束之后，利用Fluent自带的后处理工具，查看多路阀内各处流场流动分布状态，观察并记录液动力以及压力损失数据，得到多路阀节流口处的速度矢量云图和压力分布云图。分别导入不同阀口开度下的多路阀流道三维模型，改变入口处流量，保持其他条件不变进行仿真，同样记录液动力和压力损失的数据。2.5)将仿真记录的数据与实验数据进行对比，如果数据之间的误差在误差允许范围内，则认为仿真所采用的各种条件及网格划分方法是可靠的，如果数据之间误差超过误差允许范围，则重复2.1)-2.4)步骤，修正网格划分、数学模型以及边界条件的设置，直到误差达到误差允许的范围内。所述的误差允许范围为以实验数据为基准的±25％之内。第三步：分析仿真云图并对阀芯关键尺寸参数进行优化分析3.1)通过对第二步Fluent生成的速度矢量云图、压力分布云图进行分析，观察流场中节流发生的关键位置，分析可能对压力损失、液动力造成关键影响的尺寸参数，在一定的范围内调整尺寸参数，仿真再次记录改变之后的流量、压力损失以及液动力的数值，找到尺寸参数变化的合理范围。所述的尺寸参数主要包括节流口处节流槽的周向的数量，节流槽的深度以及节流槽本身的形状尺寸。3.2)首先，利用Matlab中拉丁超立方抽样方法在步骤3.1)确定的变量范围内抽取一部分尺寸参数作为响应面分析的基础数据。其次，根据拉丁超立方抽样方法生成的若干组尺寸参数重新建模，并按照第二步的方法进行仿真，记录多路阀在这些尺寸参数下的液动力、压力损失的数据。最后，利用Matlab中二阶多项式响应面模型工具，对拉丁超立方得出的尺寸参数和对应的仿真结果进行回归分析，拟合出这些尺寸参数和优化目标(液动力、压力损失)之间的关系式。3.3)利用Isight中自带的遗传算法工具箱，对二阶多项式响应面模型拟合出来的关系式进行求解，计算出一个Pareto最优解集，根据工程实际选择适合的最优解，再代入到Fluent中进行模拟仿真验证，验证优化结果的准确性。如果仿真和计算结果误差在±15％之内，且较优化前的结果有明显的提升，则认为优化结果成立。本专利技术的有益在于：将实验与仿真结合，通过实验数据验证仿真结果的正确性，利用仿真模拟实验中阀内流场的流动状态，将工程实际问题转化成数学和仿真问题，利用成熟的Matlab和Isight算法工具箱，为尺寸参数优化设计找到了捷径，为多路阀结构优化提供了新思路。附图说明图1是多路阀实验测试原理图。图2是实验、仿真分析以及优化设计流程图。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化方法，包括以下步骤：第一步：对多路阀的液动力、压力损失进行实验测试在多路阀测试台上搭建液压测试回路，实验中需要的设备有多路阀、拉压力传感器、动力源、连接管路、涡轮流量计、压力传感器。实验中共设置四个测压点，分别测量阀P、T、A、B四个位置的压力情况。实验时A、B之间采用无负载连接的方式。拉压力传感器直接与阀芯相连并且固定，通过螺纹进给的方式调整并且固定阀口开度，测量阀芯在不同阀口开度下，液流流过时所受的液动力的大，。流量计用来监测和调整实验时通过测试阀系统的流量大小。为防止安装等其他因素造成的开度误差，在阀芯另一端用电子显示的游标卡尺再进行测量阀芯的伸出长度，确保阀芯开度位置的准确性。在每一个开度下分别记录P、T、A、B四个阀口的压力，AB阀口之间的流量，以及阀芯的液动力情况。改变进口处的流量大小，重复上述不同开度下的测量过程并记录数据。第二步：利用Fluent对多路阀进行流场仿真分析2.1)根据多路阀的二维图纸，得到多路阀基本尺寸参数，利用Solidworks建立实体模型。分别建立阀体和阀芯两部分，然后根据阀芯的不同开度进行分别装配。将装配好的零件生成igs格式进行保存。2.2)在Workbench中对不同阀口开度下的多路阀流道进行抽取，在Workbench中选取DM模块，将生成的igs文件导入到DM当中，对阀体的进口和出口进行封闭。利用Surface命令创建平面，使阀内部形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n第一步：对多路阀的液动力、压力损失进行实验测试/n1.1)搭建实验台，对多路阀测试回路进行连接；/n1.2)测试多路阀在不同流量、不同阀口开度下的液动力、压力损失情况，并对所得数据进行记录；/n第二步：利用Fluent对多路阀进行仿真分析/n2.1)根据多路阀的二维图纸，得到多路阀模型的基本尺寸参数，利用Solidworks建立不同阀口开度的多路阀三维模型，并输出igs文件；/n2.2)将步骤2.1)中输出的igs文件导入Workbench中DM模型处理器，利用DM中的填充和修补工具，抽取出多路阀内油液流动的流道模型；再将流道模型导入Workbench中的Mesh网格处理器，采用多区网格划分的方法对流道模型划分网格，并设定模型的各个入口、出口以及壁面的名称，输出为mesh文件；/n2.3)利用Fluent读取步骤2.2)中得到的mesh文件进行仿真分析，设置仿真的数学模型、物性参数、边界条件，选择计算方法，开始数值模拟计算，得到仿真结果；/n2.4)仿真计算结束之后，利用Fluent后处理工具，查看多路阀内各处流场流动分布状态，观察并记录液动力以及压力损失数据，得到多路阀节流口处的速度矢量云图和压力分布云图；分别导入不同阀口开度下的多路阀流道三维模型，改变入口处流量，保持其他条件不变再进行仿真，同样记录液动力和压力损失的数据；/n2.5)将仿真记录的数据与实验数据进行对比，如果数据之间的误差在误差允许范围内，则认为仿真所采用的各种条件及网格划分方法是可靠的，如果数据之间误差超过误差允许范围，则重复2.1)-2.4)步骤，修正网格划分、数学模型以及边界条件的设置，直到误差达到误差允许的范围内；/n第三步：分析仿真云图并对阀芯关键尺寸参数进行优化分析/n3.1)通过对第二步Fluent生成的速度矢量云图、压力分布云图进行分析，观察流场中节流发生的关键位置，分析可能对压力损失、液动力造成关键影响的尺寸参数，并调整尺寸参数，仿真再次记录改变之后的流量、压力损失以及液动力的数值，找到尺寸参数变化的合理范围；/n3.2)首先，利用Matlab中拉丁超立方抽样方法在步骤3.1)确定的变量范围内抽取一部分尺寸参数作为响应面分析的基础数据；其次，根据拉丁超立方抽样方法生成的若干组尺寸参数重新建模，并按照第二步的方法进行仿真，记录多路阀在这些尺寸参数下的液动力、压力损失的数据；最后，利用Matlab中二阶多项式响应面模型工具，对拉丁超立方得出的尺寸参数和对应的仿真结果进行回归分析，拟合出这些尺寸参数和优化目标之间的关系式；/n3.3)对二阶多项式响应面模型拟合出来的关系式进行求解，计算得到一个Pareto最优解集，根据工程实际选择适合的最优解，再代入到Fluent中进行模拟仿真验证，验证优化结果的准确性；如果仿真和计算结果误差在±15％之内，且较优化前的结果有提升，则认为优化结果成立。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：对多路阀的液动力、压力损失进行实验测试
1.1)搭建实验台，对多路阀测试回路进行连接；
1.2)测试多路阀在不同流量、不同阀口开度下的液动力、压力损失情况，并对所得数据进行记录；
第二步：利用Fluent对多路阀进行仿真分析
2.1)根据多路阀的二维图纸，得到多路阀模型的基本尺寸参数，利用Solidworks建立不同阀口开度的多路阀三维模型，并输出igs文件；
2.2)将步骤2.1)中输出的igs文件导入Workbench中DM模型处理器，利用DM中的填充和修补工具，抽取出多路阀内油液流动的流道模型；再将流道模型导入Workbench中的Mesh网格处理器，采用多区网格划分的方法对流道模型划分网格，并设定模型的各个入口、出口以及壁面的名称，输出为mesh文件；
2.3)利用Fluent读取步骤2.2)中得到的mesh文件进行仿真分析，设置仿真的数学模型、物性参数、边界条件，选择计算方法，开始数值模拟计算，得到仿真结果；
2.4)仿真计算结束之后，利用Fluent后处理工具，查看多路阀内各处流场流动分布状态，观察并记录液动力以及压力损失数据，得到多路阀节流口处的速度矢量云图和压力分布云图；分别导入不同阀口开度下的多路阀流道三维模型，改变入口处流量，保持其他条件不变再进行仿真，同样记录液动力和压力损失的数据；
2.5)将仿真记录的数据与实验数据进行对比，如果数据之间的误差在误差允许范围内，则认为仿真所采用的各种条件及网格划分方法是可靠的，如果数据之间误差超过误差允许范围，则重复2.1)-2.4)步骤，修正网格划分、数学模型以及边界条件的设置，直到误差达到误差允许的范围内；
第三步：分析仿真云图并对阀芯关键尺寸参数进行优化分析
3.1)通过对第二步Fluent生成的速度矢量云图、压力分布云图进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宏，关天元，卢宇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21