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仿真技术与增材制造驱动液压元件性能升级方法可行性浅述

时间:2019-06-20 10:32 来源:中福机电 作者:湖南机电

  液压机械与液压产品广泛应用于国民经济的各个领域,例如通用机械、工程机械、汽车、航空航天、运输设备等领域。作为四大类传动方式(机械、电气、液压、气压)之一,液压传动相对其他传动方式,在结构、工作性能、使用维护、可靠性与经济性上又都有着极其明显的特点。

仿真技术与增材制造驱动液压元件性能升级方法可行性浅述

图1 液压产品在国民经济中的应用

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图2 液压产品特点

  液压系统(传动系统和控制系统)基于液体静压力传动原理,是集成机械机构设计、电子电器设计、控制系统设计、力学设计等多学科设计元素的复杂产品。为满足液压机械各项技术要求,系统机械构成与工作原理所采用液压元件作用特点等也不尽相同,但最基本液压系统均可以按照“动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、工作介质”5部分构成。由于液压由多个系统构成,系统级的产品优化升级可以在重点组成部分优化的基础之上完成。

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图3 液压传动与控制系统

  液压系统与液压机械在国民经济中的重要性和社会应用价值对液压产品不断升级提高产品性能提出了更高的要求。计算机仿真技术的发展在液压机械与系统设计中发挥了重要的作用,从一维液压系统模拟到三维虚拟样机技术的应用,从CFD技术的介入到FEM技术的介入,仿真在液压系统性能、阀体开启与执行机构多体动力特性、高级泵性能设计、阀体与管道设计、机械结构强度校核以及轻量化设计中都有优秀的应用表现。特别是流体拓扑优化与尺寸优化,结构拓扑优化和尺寸优化使得泵、阀、执行器、集成块在流体性能和质量轻量化上都会有大幅提高。但传统加工方法的制约一定程度上使得流体与结构拓扑后的加工制造遭遇一定的难度,增材制造技术的不断成熟和发展进步则带来了新的契机,使得CFD和FEM介入后的泵、阀结构流体特性拓扑优化、结构拓扑轻量化以及尺寸优化设计之后的产品生产成为可能,从而让CFD仿真可算、FEM技术仿真可轻量化降重等关键技术得以真正落地。

  安世中德(Peraglobal-CADFEM)作为安世亚太公司专业项目咨询与二次开发团队,在传统CFD领域、有限元FEM领域、机电一体化产品仿真技术、增材制造技术领域都积累了非常丰富的项目实施经验以及技术解决方案。安世中德在液压系统高端核心元件增材制造技术解决方案中,逐步拟定了较为完整的液压系统与核心元件仿真-设计-制造流程:液压传动与控制系统分析入手联合虚拟样机技术进行机构运动性能模拟,利用 CFD与FEM技术,对泵、阀、管道、液压阀座进行流体拓扑优化、结构的拓扑优化、尺寸优化后,经过疲劳、动力学、刚柔耦合等验证计算,最终进入增材制造环节,结合点阵设计以及打印过程工艺仿真控制,控制打印结构最终质量,形成完整的产品设计与优化生命周期,最终提供高端液压元器产品最好的使用性能。限于篇幅,本文仅对流程中部分内容进行简要举例和技术能力说明(不以绝对液压产品举例)。

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图4 液压产品性能提升与增材制造流程

  1. 液压系统与虚拟样机仿真

  液压系统与液压机械模拟需求借助于ANSYS Motion、ANSYS Mechanical、Recurdyn以及AMESIM、HyPneu等进行联合仿真。搭建液压传动/控制系统以及液压元件功能组块,将液压过程控制与虚拟样机模型结合,进行液压系统性能和液压机械运动参数的分析。

  液压机械分析能够考虑刚柔转化,引入有限元求解技术完成液压机械中机构零部件强度、动力学、疲劳等内容的计算。

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图5 液压系统与元件仿真搭建

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图6 液压机械虚拟样机仿真

  2. CFD优化技术介入

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图7 非参数与参数优化

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