二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法及结构优化方法技术

本发明专利技术属于液压传动仿真领域，具体涉及一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法及结构优化方法，包括：泵体结构建模；流体域建模；固体瞬态结构仿真设置；流体域仿真设置；流固耦合仿真计算；后处理分析等步骤。本发明专利技术能够综合考虑二维柱塞电机泵泵体结构的变形和泵内流体压力载荷的双向流固耦合作用，可以快速、准确的分析二维柱塞电机泵的流场特性。准确的分析二维柱塞电机泵的流场特性。准确的分析二维柱塞电机泵的流场特性。

【技术实现步骤摘要】
二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法及结构优化方法


[0001]本专利技术涉及液压传动仿真领域，特别涉及一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法。

技术介绍

[0002]二维柱塞电机泵是将二维柱塞泵与电机进行一体化设计。电机转子带动柱塞轴旋转，通过空间凸轮将柱塞轴的旋转运动变为有一定规律的旋转加平移运动，从而实现二维柱塞电机泵的吸油和排油。
[0003]对二维柱塞电机泵流场特性进行分析以及结构优化最直接的研究方法是试验研究，但试验研究的方法对设备有着极高的要求，成本极其昂贵，同时难以观察泵体内油液的运动情况。
[0004]基于上述问题，申请人提出一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法及结构优化方法。

技术实现思路

[0005]针对以上问题，本专利技术提供一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法及结构优化方法，能够综合考虑二维柱塞电机泵泵体结构的变形和泵内流体压力载荷的双向流固耦合作用，可以快速、准确的分析二维柱塞电机泵的流场特性，也可以为二维柱塞电机泵的结构优化提供理论依据。
[0006]本专利技术主要对二维柱塞电机泵泵体结构进行流固耦合仿真分析，为了节省计算时间，省去了电机的模型，具体技术方案如下：
[0007]一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法，包括：
[0008]步骤1，利用三维建模软件对二维柱塞电机泵泵体零件进行建模并进行装配；
[0009]步骤2，将零件的模型文件导入AnsysWorkbench软件中的DesignModeler模块中，对泵体模型进行布尔减运算，剩余的模型即为流体域模型，并对泵体模型和流体域模型分别定义材料属性；
[0010]步骤3，在AnsysWorkbench软件中进行固体瞬态仿真设置；
[0011]步骤4，在AnsysWorkbench软件中进行流体域仿真设置；
[0012]步骤5，进行流固耦合仿真计算；
[0013]步骤6，利用后处理软件对流固耦合仿真计算结果进行分析，得到二维柱塞电机泵结构场的应力和应变，以及流场结构的压力。
[0014]进一步地，所述步骤1还包括：在三维建模软件中将装配模型保存为通用的类型文件。
[0015]进一步地，所述步骤3包括：
[0016]步骤3.1，将二维柱塞电机泵泵体模型导入瞬态结构力学模块(Transient Thermal)，使用AnsysWorkbench软件自带的Mesh(网格)模块对泵体模型进行网格划分；
[0017]步骤3.2，进行边界条件设置：根据二维柱塞电机泵泵体结构的工作原理，为模型施加载荷和约束，创建流固耦合交界面；
[0018]步骤3.3，为瞬态结构动力学仿真设置时间步长和步数。
[0019]进一步地，所述步骤4包括：
[0020]步骤4.1，将流体域模型导入Fluent模块，使用Fluent模块自带的Mesh模块对泵体模型进行网格划分；
[0021]步骤4.2，进行边界条件定义：设置为压力进口、压力出口、interface交界面和壁面四种形式；
[0022]步骤4.3，定义时间步长、总时间以及流体域的求解器类型。
[0023]进一步地，所述步骤5包括：
[0024]步骤5.1，为了能对二维柱塞电机泵泵体结构固体域进行结构变形求解，以及对流体域进行流体计算，需要建立计算流体力学模型，计算流体力学模型的建立过程如下：
[0025]计算流体力学模型包括流体控制方程和结构场控制方程，流体控制方程包括质量控制方程与动量守恒方程；
[0026]质量控制方程(连续方程)为：
[0027][0028]式中：第2、3、4项为质量流密度的散度，表示单位时间内通过单位面积的流体质量；ρ为流体密度，单位为kg/m3；t为时间，单位为s；u为流场速度，单位为m/s；u
x
、u
y
、u
z
分别为速度矢量u在x、y、z方向上的分量；
[0029]动量守恒方程为：
[0030][0031]式中：p为压力，单位为Pa；τ
ij
为应力张量；F
i
为单位体积流体受到的外力；g
i
为重力加速度；
[0032]结构场控制方程为：
[0033][0034]式中：M
s
为质量矩阵；C
S
为阻尼矩阵；K
s
为刚度矩阵；d
s
为固体的位移，单位为mm；τ
s
为固体受到的应力，单位为MPa；r为单位体积固体的位移；
[0035]步骤5.2，利用fluent计算流体力学(CFD)求解器进行非定常流场数值计算，对流体域进行数值计算，使用质量控制方程和动量守恒方程进行离散求解，计算流固耦合交界面上的流体作用力；
[0036]步骤5.3，将计算得到的流体作用力作为流固耦合交界面上的载荷，传递到有限元结构求解器(FEM)中利用结构场控制方程进行离散求解，计算泵体结构的变形，得到新的流固耦合交界面位置；
[0037]步骤5.4，基于新的流固耦合交界面位置，对流体域模型网格进行更新；
[0038]步骤5.5，重复步骤5.2、5.3和5.4，直到设置的预定求解时间。
[0039]进一步地，所述步骤6中后处理软件为fluent自带的后处理模块或Tecplot软件。
[0040]本专利技术还提供一种二维柱塞电机泵结构优化方法，包括：利用如上所述的流固耦合仿真分析方法进行多次仿真分析，每次仿真分析对二维柱塞电机泵模型设置不同的参数，根据仿真分析结果得到最佳的参数方案，从而对二维柱塞电机泵进行结构优化。
[0041]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：对于液压泵这种内部工作情况难以直接观测的元件，通过试验研究的方法分析其工作特性需要昂贵的设备仪器，而本专利技术的流固耦合仿真分析方法可以通过仿真近似反应其内部工作情况，更加简单，成本更低。并且对于新型元件，可以通过本专利技术的流固耦合仿真分析方法对其工作特性进行分析，依据仿真结果可以对元件易出现故障或不足之处进行优化设计改进，降低成本提高效率。
附图说明
[0042]图1为本专利技术所述的二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法的流程图；
[0043]图2为本专利技术所述的二维柱塞电机泵泵体结构模型示意图；
[0044]图3为本专利技术所述的流体域模型示意图；
[0045]图4和图5为本专利技术所述的流体域边界条件设置示意图；
[0046]图6为本专利技术所述的出口流量图；
[0047]图7为本专利技术所述的出口压力图；
[0048]图8为本专利技术所述凸轮机构位于最高点处，凸轮的最大接触正应力收敛图；
[0049]图9为本专利技术所述的两个圆柱体接触情况图；
[0050]图10为本专利技术所述的凸轮机构处于最高点处的截面图。
[0051]图中：1为左空间凸轮；2为锥滚轮；3为滚轮轴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法，其特征在于，包括：步骤1，利用三维建模软件对二维柱塞电机泵泵体零件进行建模并进行装配；步骤2，将零件的模型文件导入AnsysWorkbench软件中的DesignModeler模块中，对泵体模型进行布尔减运算，剩余的模型即为流体域模型，并对泵体模型和流体域模型分别定义材料属性；步骤3，在AnsysWorkbench软件中进行固体瞬态仿真设置；步骤4，在AnsysWorkbench软件中进行流体域仿真设置；步骤5，进行流固耦合仿真计算；步骤6，利用后处理软件对流固耦合仿真计算结果进行分析，得到二维柱塞电机泵结构场的应力和应变，以及流场结构的压力。2.根据权利要求1所述的一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1还包括：在三维建模软件中将装配模型保存为通用的类型文件。3.根据权利要求1所述的一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1，将二维柱塞电机泵泵体模型导入瞬态结构力学模块，使用AnsysWorkbench软件自带的Mesh模块对泵体模型进行网格划分；步骤3.2，进行边界条件设置：根据二维柱塞电机泵泵体结构的工作原理，为模型施加载荷和约束，创建流固耦合交界面；步骤3.3，为瞬态结构动力学仿真设置时间步长和步数。4.根据权利要求1所述的一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法，其特征在于，所述步骤4包括：步骤4.1，将流体域模型导入Fluent模块，使用Fluent模块自带的Mesh模块对泵体模型进行网格划分；步骤4.2，进行边界条件定义：设置为压力进口、压力出口、interface交界面和壁面四种形式；步骤4.3，定义时间步长、总时间以及流体域的求解器类型。5.根据权利要求1所述的一种二维柱塞电机泵流固耦合仿真分析方法，其特征在于，所述步骤5包括：步骤5.1，建立计算流体力学模型，计算流体力学模型包括流体控制方程和结构场控制方程，流体控制方程包括质量控制方程与动量守恒方程；质量控制方程为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈奎阁，裘信国，姜伟，季行健，郑颖，王富城，李帅，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：