液压锥阀的有限元分析及优化设计(1)

     一、引言
    液压锥阀是液压系统中重要的元件之一，其结构简单，阀心与阀座间的接触应力大，密封性好，灵敏度高，在普通液压阀中应用极为普遍。并且最常应用在单向阀和压力阀(溢流阀、减压阀等)中的先导控制部分。锥阀的性能优劣对整个液压系统的性能会产生很大的影响。
  现有的液压锥阀存在着能量损失大，能量利用率低，噪声大，寿命短等主要问题。因此本文对液压锥阀进行有限元分析，并在其分析的基础对阀心的结构进行优化设计。
     二、有限元计算分析
   图1所示为锥阀的阀口结构简图。进口直径为30mm，阀腔直径为80mm,阀心半锥角为45°，阀心开口度为可变参数。
      
   基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics简称CFD)技术的COSMOS/F1oWorks,提供了对复杂流体流动的多方面的数值分析手段。COSMOS/F1oWorks内嵌在SolidWorks中，其载荷和边界条件完全提取于模型.且随着SolidWorks的几何特征的改变而更新。
     1.分析假定
   在数值分析计算过程中，对模型进行以下的假定:
   (1)由于流体运动平稳时，阀心与阀座的相对位置较稳定，因此本文是对阀心开口度为一定值时的静态分析。
   (2)在流体传动中，虽然流动液体本身的属性对阀有一定的影响，但阀件的结构特征对传动的影响较大，因此为了便于分析，本文选用水作为流动介质进行计算，其密度为ρ=998.2kg/m·m·m，动力粘度为?=O.OO1Pa·s。
   (3)模型设有两个边界条件，即人口流量和出口压力。由现实的锥阀的条件来模拟，人口流量为质量流0.5kg/s，出口压力为大气压，并且在计算过程中不考虑温度的影响。
   (4)计算模型中的雷诺数
      
  临界雷诺数为2320，可见模型中的雷诺数已远大于临界雷诺数，因而流体在锥阀内的流动状态主要是紊流，故采用k-ε方程进行计算。
  (5)数值计算方法采用有限体积法中的SIMPLER求解离散方程组。并以人口压力平均值的稳定为收敛条件，控制运算迭代的次数。
     2.网格划分
   网格划分是有限元分析的关键步骤，COSMOS/FIoWorks以Parasolid为核心，结合快速有限元算法(Fast Finite Element简称FFE),直观智能快速地划分网格单元，用户只需给出必要的网格划分信息，软件将自动完成实体的网格划分。一般来说网格划分精度越高，计算结果越接近实际，但是计算量也越大。
    COSMOS/F1oWorks对网格划分给定了1-8的标准等级，对此锥阀模型分别进行了3级和5级的运算，实际分析结果为:3级迭代了33次，划分5205个流体单元，最终收敛控制入口压力平均值为102670.3Pa;5级迭代了38次，划分29229个流体单元，最终收敛控制人口压力平均值为102678.SPa。由此可见在网格精度达到一定程度后，继续提高网格划分精度对计算结果影响不大，而计算量则大幅度提高。因此，只要网格划分尺寸适当，较低的网格划分精度也能得到理想的计算结果。本文就采用了自动的网格划分(默认为3级)，划分5205个流体单元，迭代33次。