液壓錐閥的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(1)

     一、引言
    液壓錐閥是液壓系統(tǒng)中重要的元件之一，其結(jié)構(gòu)簡單，閥心與閥座間的接觸應力大，密封性好，靈敏度高，在普通液壓閥中應用極為普遍。并且最常應用在單向閥和壓力閥(溢流閥、減壓閥等)中的先導控制部分。錐閥的性能優(yōu)劣對整個液壓系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生很大的影響。
  現(xiàn)有的液壓錐閥存在著能量損失大，能量利用率低，噪聲大，壽命短等主要問題。因此本文對液壓錐閥進行有限元分析，并在其分析的基礎(chǔ)對閥心的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。
     二、有限元計算分析
   圖1所示為錐閥的閥口結(jié)構(gòu)簡圖。進口直徑為30mm，閥腔直徑為80mm,閥心半錐角為45°，閥心開口度為可變參數(shù)。
      
   基于計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics簡稱CFD)技術(shù)的COSMOS/F1oWorks,提供了對復雜流體流動的多方面的數(shù)值分析手段。COSMOS/F1oWorks內(nèi)嵌在SolidWorks中，其載荷和邊界條件完全提取于模型.且隨著SolidWorks的幾何特征的改變而更新。
     1.分析假定
   在數(shù)值分析計算過程中，對模型進行以下的假定:
   (1)由于流體運動平穩(wěn)時，閥心與閥座的相對位置較穩(wěn)定，因此本文是對閥心開口度為一定值時的靜態(tài)分析。
   (2)在流體傳動中，雖然流動液體本身的屬性對閥有一定的影響，但閥件的結(jié)構(gòu)特征對傳動的影響較大，因此為了便于分析，本文選用水作為流動介質(zhì)進行計算，其密度為ρ=998.2kg/m·m·m，動力粘度為?=O.OO1Pa·s。
   (3)模型設(shè)有兩個邊界條件，即人口流量和出口壓力。由現(xiàn)實的錐閥的條件來模擬，人口流量為質(zhì)量流0.5kg/s，出口壓力為大氣壓，并且在計算過程中不考慮溫度的影響。
   (4)計算模型中的雷諾數(shù)
      
  臨界雷諾數(shù)為2320，可見模型中的雷諾數(shù)已遠大于臨界雷諾數(shù)，因而流體在錐閥內(nèi)的流動狀態(tài)主要是紊流，故采用k-ε方程進行計算。
  (5)數(shù)值計算方法采用有限體積法中的SIMPLER求解離散方程組。并以人口壓力平均值的穩(wěn)定為收斂條件，控制運算迭代的次數(shù)。
     2.網(wǎng)格劃分
   網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟，COSMOS/FIoWorks以Parasolid為核心，結(jié)合快速有限元算法(Fast Finite Element簡稱FFE),直觀智能快速地劃分網(wǎng)格單元，用戶只需給出必要的網(wǎng)格劃分信息，軟件將自動完成實體的網(wǎng)格劃分。一般來說網(wǎng)格劃分精度越高，計算結(jié)果越接近實際，但是計算量也越大。
    COSMOS/F1oWorks對網(wǎng)格劃分給定了1-8的標準等級，對此錐閥模型分別進行了3級和5級的運算，實際分析結(jié)果為:3級迭代了33次，劃分5205個流體單元，最終收斂控制入口壓力平均值為102670.3Pa;5級迭代了38次，劃分29229個流體單元，最終收斂控制人口壓力平均值為102678.SPa。由此可見在網(wǎng)格精度達到一定程度后，繼續(xù)提高網(wǎng)格劃分精度對計算結(jié)果影響不大，而計算量則大幅度提高。因此，只要網(wǎng)格劃分尺寸適當，較低的網(wǎng)格劃分精度也能得到理想的計算結(jié)果。本文就采用了自動的網(wǎng)格劃分(默認為3級)，劃分5205個流體單元，迭代33次。