基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)山东科技职业学院 作者:陈伟

  建立了超高压工况下电磁换向球阀优化设计的数学模型,采用ANSYS软件的命令流方式进行优化求解,得出其相关结构参数的最优值,并将结果与C++随机方向法运行的结果进行了比较。结果表明电磁换向球阀数学模型的普适性,以及利用ANSYS软件进行优化设计程序编写简单,运行速度快,结果精确度高。

  电磁换向阀是利用电磁铁吸力操纵阀芯换位,通过阀芯和阀体间相对位置的变化来接通、断开油路,从而达到控制执行元件的启动、停止,或改变运动方向的目的。球阀式电磁换向阀由于其密封性好,工作可靠性高,现已在超高压液压领域得到广泛的应用。

1、建立超高压电磁换向球阀优化设计的数学模型

  电磁换向球阀在换向过程中,阀芯上作用有电磁铁的推力、黏滞性阻尼力、瞬态液动力、稳态液动力、以及弹簧力;而在复位过程中,阀芯上作用有弹簧力、瞬态液动力、黏滞性阻尼力、稳态液动力及电磁铁剩磁力。所以,选取瞬态液动力、黏滞性阻尼力和稳态液动力作为分目标函数,分别用f1(X),f2(X),f3(X)表示。

  阀芯上作用的瞬态液动力与球阀进出口压差、阀座孔直径及流速有关;阀芯上作用的黏滞性阻尼力与阀芯移动速度及钢球阀芯半径有关;阀芯上作用的稳态液动力与球阀开口量、液体流量、钢球阀芯半径、流速和阀座孔直径有关。所以,选择阀座孔直径d、钢球阀芯半径R及球阀开口量δ三项参数作为设计变量,分别用x1,x2,x3表示。

  应用理想点法将多目标优化设计问题转化为单目标优化设计问题,数学模型为

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计 (1)
基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计 (2)

  式中 W1,W2,W3——加权系数;

  f*1——瞬态液动力的理想点;

  f*2——黏滞性阻尼力的理想点;

  f*3——稳态液动力的理想点;

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

  (压力损失小于许用压力损失值)

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

  (阀芯开口通流截面积不大于阀座孔环行流道通流截面积)

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

  (电磁铁的额定行程与杠杆比)

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

  (电磁铁的额定行程与杠杆比)

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

  (阀座孔环形流道的流速不大于阀座孔中的流速)

  g6(X)=d-0.6≥0(结构尺寸及阀口通流能力约束)

  (钢球阀芯截面积与阀座孔截面积约束)

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

  (为保证可靠密封,取10b=d,(b.阀口全开时,单边配合长度))

2、有限元分析ANSYS软件的优化设计方法

  ANSYS软件优化算法基本参数有设计变量、状态变量和目标函数。其中,设计变量就是自变量,用符号DV表示,需要定义上下限限制其变化范围,在软件ANSYS中最多允许有60个设计变量。所谓状态变量就是约束条件,用符号SV表示,它是前面设计变量的函数,这个函数可以限制其上限或下限,也可以上下限都进行限制,在软件ANSYS中可以最大定义100个状态变量。所谓目标函数就是优化设计的目标,用OBJ表示,也是设计变量的函数。

  ANSYS优化设计有2种求解运行模式:①GUI模式;②Batch模式。GUI求解模式包括2个设计文件:①分析文件;②优化控制文件。编写完这2个文件,在ANSYS的命令窗口输入优化控制文件,就可以完成整个优化过程。

3、优化设计实例

  液压系统使用抗磨液压油二位三通电磁换向球阀YB-N68,公称压力p=63MPa,最高压力pmax=80MPa,液压泵的排量υg=8mL/r,公称流量qg=11.6L/min,公称通径d=8mm,允许的压力损失[Δp]=1.5kPa。满足上述条件的电磁换向球阀的各分目标函数的数学模型建立如下:

  瞬态液动力(不考虑方向性)

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  黏滞性阻尼力

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计 (4)

  稳态液动力

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计 (5)

  约束函数如下

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

  本文采用ANSYS命令流的GUI方式求解。首先建立各分目标函数的优化分析文件,名称分别为Fx1、Fx2、Fx3,编写程序为

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

  再建立各分目标函数的优化控制文件,名称分别为optFx1、optFx2、optFx3,程序编写为:

基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

  程序编写完成后,在ANSYS软件的命令窗口输入各分目标函数的优化控制文件,就可以完成整个优化过程。得到各分目标函数的极小值如表1所示。

表1 各分目标最优解比较

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  把表1中应用ANSYS软件求解的各分目标函数的最优解代入式(1),得到理想点法优化设计的数学模型

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  同理,编制ANSYS优化设计的主程序,运行后,结果如表2所示。

表2 优化设计最优解比较

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4、分析优化设计结果

  为分析ANSYS软件优化设计模块的普遍适用性,本算例结果与用C++语言编写的随机方向法程序运行结果进行比较,由表2可见,最优化结果差别不大,说明应用ANSYS软件进行优化设计的结果是可靠的。

5、结语

  本文的超高压电磁换向球阀的数学模型具有良好的普适性。应用ANSYS软件进行优化设计,具有程序编写简单,易于学习,运行速度快,结果精确等特点,尤其适用于不懂复杂编程语言的工程技术人员使用。此外,该方法可适用于大多数液压系统的优化设计模型。

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