液動(dòng)射流沖擊器仿真分析方法綜述

液動(dòng)射流沖擊器仿真分析方法綜述

計(jì)算機(jī)仿真分析復(fù)雜問(wèn)題的研究方法在確定的背景基于設(shè)計(jì)師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，初級(jí)液體運(yùn)動(dòng)模擬器的開(kāi)發(fā)主要依靠設(shè)計(jì)師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，將真實(shí)的元素引入實(shí)踐系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)試，以研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制模式的變化對(duì)沖浪器動(dòng)態(tài)性能的影響。但射流沖擊器結(jié)構(gòu)的更改和試驗(yàn)系統(tǒng)的建立以及進(jìn)行具體的試驗(yàn)過(guò)程不僅需要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力和寶貴的時(shí)間,而且一次成功的可能性很小,改變系統(tǒng)參數(shù)也比較困難。多體動(dòng)力學(xué)理論的不斷完善,使準(zhǔn)確建立沖擊器活塞動(dòng)力學(xué)方程成為可能。設(shè)計(jì)者開(kāi)始對(duì)射流沖擊器的內(nèi)部工作過(guò)程進(jìn)行理論分析,但受到射流元件理論研究滯后的影響,分析結(jié)果與實(shí)際工作情況往往相差甚遠(yuǎn)且無(wú)法在理論層面上加以解釋。另一方面借助于相似理論構(gòu)造模型進(jìn)行中間試驗(yàn)的研究機(jī)制始終沒(méi)有建立,故而使得理論分析方法至今仍存在很大局限性,主要體現(xiàn)為分析結(jié)果無(wú)法精確量化,分析結(jié)論無(wú)法準(zhǔn)確反映射流元件與動(dòng)力活塞間的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系等。在試驗(yàn)手段和理論分析都遇到困難、無(wú)法突破自身局限的情況下,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為液動(dòng)射流沖擊器的研制提供了較為理想的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。自20世紀(jì)90年代中期以來(lái),先后有4種典型的方案應(yīng)用于液動(dòng)射流沖擊器的研制過(guò)程,分別為:1)采用高級(jí)語(yǔ)言編程的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算研究;2)基于Matlab建立反饋控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析;3)應(yīng)用CFD軟件進(jìn)行射流元件內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的仿真分析;4)應(yīng)用CAD/CAE/CFD軟件進(jìn)行射流沖擊器動(dòng)力學(xué)耦合特性的綜合仿真分析。4種典型的仿真分析方案是在計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的不同階段依次提出的,但由于不同的仿真分析方法在其所能揭示的液動(dòng)射流沖擊器內(nèi)部工作機(jī)理與性能參數(shù)變化規(guī)律的內(nèi)容有所區(qū)別,研制過(guò)程中需要通過(guò)仿真分析方法所獲取的信息經(jīng)常變化,軟件版本的不斷更新,又使得各種仿真方法逐步得以完善,故而在新型射流沖擊器結(jié)構(gòu)方案論證、定型產(chǎn)品性能預(yù)測(cè)、射流元件內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)特性分析、射流沖擊器常見(jiàn)故障診斷等諸多研制工作過(guò)程中,利用不同方法進(jìn)行仿真分析都不失其應(yīng)用方面的必要性和技術(shù)上的先進(jìn)性,且所得出的結(jié)論皆具有重要的參考價(jià)值。由于各種仿真分析方案所采用的工作平臺(tái)及技術(shù)細(xì)節(jié)不同、實(shí)施仿真分析的具體工作流程不同、仿真分析所揭示的內(nèi)在規(guī)律和預(yù)測(cè)目標(biāo)有所差異,筆者將面向液動(dòng)射流沖擊器計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)的核心內(nèi)容,即系統(tǒng)、模型及實(shí)施仿真的具體步驟逐一進(jìn)行介紹。1仿真模擬方法根據(jù)活塞運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程建立數(shù)學(xué)模型,不考慮元件內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程,并利用有限差分原理編程進(jìn)行射流沖擊器仿真計(jì)算,編程語(yǔ)言先后采用了Basic、VB、VC++等,程序運(yùn)行環(huán)境也由初期的DOS升級(jí)至Windows系統(tǒng)。這是一種較為原始,但能夠可靠反映結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制參數(shù)對(duì)液動(dòng)射流沖擊器性能影響趨勢(shì)的定性化計(jì)算機(jī)仿真方法,其典型流程如圖1所示。通過(guò)該方法,得出了加大活塞行程、加大活塞沖錘質(zhì)量、提高泵排量可以提高液動(dòng)射流沖擊器單次沖擊功的結(jié)論。多年來(lái),該方法一直被沿用,大量試驗(yàn)也證明了上述結(jié)論的正確性。隨著程序復(fù)雜程度的增加,活塞及活塞桿直徑、流體通道的沿程損失和局部損失等因素對(duì)液動(dòng)射流沖擊器性能的影響也考慮在內(nèi)。盡管編程仿真工作量大,基于準(zhǔn)靜態(tài)微段的有限差分模型難以反映沖擊器活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)射流元件輸出特性和控制特性的影響,但仿真結(jié)果真實(shí)反映了變更結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)沖擊器性能的影響趨勢(shì),并且程序能夠反映不同影響因素之間的相互制約關(guān)系,從而為以提高沖擊功或改變沖擊頻率為目的射流沖擊器研制工作提供了重要的參考。2插裝式整體模型Matlab軟件具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力和較為直觀的可視化功能,其擴(kuò)展工具箱Simulink可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)建模、動(dòng)態(tài)仿真分析和數(shù)據(jù)分析。液動(dòng)射流沖擊器就其工作性質(zhì)而言是一種具有雙穩(wěn)態(tài)且能夠在脈沖反饋壓力作用下切換的自激式?jīng)_擊振動(dòng)系統(tǒng),適宜采用Matlab軟件及Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行仿真分析。應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行液動(dòng)射流沖擊器仿真,需要將其置于完整的反饋控制系統(tǒng)內(nèi)考慮,該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。從反饋控制系統(tǒng)的角度分析,液動(dòng)射流沖擊器主要由高壓水泵、射流元件、活塞與砧體三個(gè)主要的動(dòng)力和控制環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中高壓水泵是系統(tǒng)的動(dòng)力元件,提供了壓力-流量信號(hào),水泵的動(dòng)態(tài)特性在仿真過(guò)程中給予了考慮,并忽略了原動(dòng)機(jī)性能對(duì)回路的影響。沖擊器活塞是系統(tǒng)的執(zhí)行元件,其動(dòng)力學(xué)特性已經(jīng)能夠用較為成熟的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。圖3為內(nèi)缸上腔管道與沖擊活塞系統(tǒng)的方塊圖。與常規(guī)閥控缸系統(tǒng)不同的是,對(duì)射流沖擊器活塞的分析需重點(diǎn)考察其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及相關(guān)的瞬態(tài)指標(biāo),如啟動(dòng)加速度和沖擊末速度等。活塞沖程終了時(shí)與砧體發(fā)生碰撞,碰撞后上腔引起水擊現(xiàn)象,水擊壓力作為反饋信號(hào)推動(dòng)射流元件附壁側(cè)切換,進(jìn)而沖擊活塞回程開(kāi)始。仿真模型需根據(jù)這樣的復(fù)雜狀態(tài)轉(zhuǎn)換設(shè)定相應(yīng)的判斷準(zhǔn)則,通常沖擊活塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變以活塞位移是否到達(dá)行程終點(diǎn)作為判斷依據(jù),而沖擊活塞行程終了所產(chǎn)生水擊波的傳播決定了射流元件的附壁切換過(guò)程,無(wú)論沖擊活塞還是射流元件都需要在工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換瞬間重新設(shè)置初始條件并改變動(dòng)力學(xué)參數(shù)。采用狀態(tài)方程或基于Simlink建?？梢詼?zhǔn)確反映系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)。此外,液動(dòng)射流沖擊器的內(nèi)缸限制了活塞的運(yùn)動(dòng)空間,其上下腔壓力和流量成為影響活塞動(dòng)力學(xué)特性的重要外部因素,回程結(jié)束時(shí)還需通過(guò)活塞與缸體撞擊后產(chǎn)生的水擊壓強(qiáng)作為反饋信號(hào)推動(dòng)射流元件附壁側(cè)切換,開(kāi)始下一次沖程。因此缸體結(jié)構(gòu)及其上下腔的壓力、流量特性是仿真過(guò)程中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。排空孔提供了內(nèi)缸上下腔的輸出通道,同時(shí)射流元件的卷吸作用也通過(guò)排空孔補(bǔ)充流量,實(shí)際工作過(guò)程中排空孔的壓力取決于鉆進(jìn)時(shí)的孔內(nèi)圍壓。為簡(jiǎn)化問(wèn)題,仿真過(guò)程中直接將排空孔道接至水箱,這種處理方式和試驗(yàn)過(guò)程完全相符。射流元件內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性給基于控制理論的建模工作帶來(lái)了困難,仿真過(guò)程中通常以“灰箱”方式對(duì)其進(jìn)行處理,然后借助于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí),根據(jù)擬合結(jié)果設(shè)定射流元件輸入-輸出特性以及切換條件、附壁穩(wěn)定條件。近年來(lái),隨著CFD技術(shù)的完善,對(duì)射流元件內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的研究與認(rèn)識(shí)程度不斷深入,已經(jīng)得出很多有使用價(jià)值的結(jié)論。此外,液動(dòng)射流沖擊器的內(nèi)缸限制了活塞的運(yùn)動(dòng)空間,其上下腔壓力和流量成為影響活塞動(dòng)力學(xué)特性的重要外部因素,回程結(jié)束時(shí)還需通過(guò)活塞與缸體撞擊后產(chǎn)生的水擊壓強(qiáng)作為反饋信號(hào)推動(dòng)射流元件附壁側(cè)切換,開(kāi)始下一次沖程。因此缸體結(jié)構(gòu)及其上下腔的壓力、流量特性是仿真過(guò)程中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。排空孔提供了內(nèi)缸上下腔的輸出通道,同時(shí)射流元件的卷吸作用也通過(guò)排空孔補(bǔ)充流量,實(shí)際工作過(guò)程中排空孔的壓力取決于鉆進(jìn)時(shí)的孔內(nèi)圍壓。為簡(jiǎn)化問(wèn)題,仿真過(guò)程中直接將排空孔道接至水箱,這種處理方式和試驗(yàn)過(guò)程是完全相符的。3cfd試驗(yàn)方案CFD(computationalfluiddynamics)即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),是以電子計(jì)算機(jī)數(shù)值方法作為理論基礎(chǔ),通過(guò)網(wǎng)格劃分進(jìn)行流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的離散化,即利用離散方法(discretizationmethod)將微分方程簡(jiǎn)化成代數(shù)方程,進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)求數(shù)值解。CFD技術(shù)與理論分析、試驗(yàn)在現(xiàn)代流體力學(xué)研究過(guò)程中具有同等重要的地位。射流元件的CFD分析目前是利用商用程序進(jìn)行的,其內(nèi)部流場(chǎng)的分析過(guò)程一般分成如下幾個(gè)步驟:1)建立射流元件內(nèi)部流場(chǎng)的實(shí)體模型,設(shè)定計(jì)算域;2)設(shè)置工作介質(zhì)類(lèi)型、物理屬性及其變化規(guī)律;3)劃分網(wǎng)格,產(chǎn)生離散單元;4)設(shè)定射流元件入口、左右出口、控制流道和排空孔處邊界條件;5)選擇合適的紊流模型、設(shè)定求解方法、監(jiān)控目標(biāo)及穩(wěn)定判據(jù);6)進(jìn)行迭代求解,求解過(guò)程中根據(jù)需要修正模型或改變求解參數(shù);7)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果后處理,重點(diǎn)考察射流元件內(nèi)部流場(chǎng)的壓力和流速分布規(guī)律。通過(guò)射流元件內(nèi)部流場(chǎng)CFD分析的可視化結(jié)果如圖4所示,在模擬環(huán)境中可以清楚地觀察到射流的附壁現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)反復(fù)變更工作介質(zhì)得出水、液壓油、壓縮空氣等單相流體通過(guò)射流元件時(shí)發(fā)生附壁現(xiàn)象所需滿足的基本條件。根據(jù)CFD計(jì)算所提供的流場(chǎng)內(nèi)壓強(qiáng)分布規(guī)律,可考察附壁穩(wěn)定性及元件輸出口液流承受靜載的能力,而根據(jù)射流流速分布規(guī)律可分析元件內(nèi)部流場(chǎng)的渦流結(jié)構(gòu)、各孔道液流流向和流量大小,同時(shí)可視化的流線分布清楚地反映附壁射流的卷吸所用,驗(yàn)證了以往根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果作出的推斷,并在假設(shè)的穩(wěn)態(tài)邊界條件下實(shí)現(xiàn)了部分關(guān)鍵流動(dòng)參數(shù)(如輸出口壓力、排空孔卷吸流量)的定量化計(jì)算。然而實(shí)際沖擊器中射流元件并非獨(dú)立工作,元件各個(gè)對(duì)外接口的邊界條件也是非穩(wěn)態(tài)的。因此基于穩(wěn)態(tài)邊界條件進(jìn)行的CFD計(jì)算結(jié)果尚不能反映射流元件的動(dòng)態(tài)性能。為了進(jìn)一步反映元件與沖擊活塞間的動(dòng)力學(xué)耦合特性,使模型元件與實(shí)際元件工況相符合,提出了以CFD技術(shù)與試驗(yàn)相結(jié)合的方案對(duì)射流元件內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究。具體技術(shù)路線如圖5所示。首先根據(jù)射流沖擊器的結(jié)構(gòu)及工作原理建立射流沖擊器綜合試驗(yàn)裝置。為便于觀察射流元件內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程,射流元件模型的蓋板材料選擇淡黃色透明的聚氨酯板(見(jiàn)圖4);在工作介質(zhì)中混入示蹤粒子、利用PIV技術(shù)對(duì)二維流場(chǎng)進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)觀測(cè)。綜合試驗(yàn)裝置可模擬射流沖擊器實(shí)際工作過(guò)程,同時(shí)對(duì)射流元件輸入孔道、輸出孔道、控制信號(hào)道和排空孔道處壓強(qiáng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量;也可對(duì)輸入流量、輸出孔道流量和排空流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果也將為射流元件內(nèi)部流場(chǎng)的CFD分析提供非穩(wěn)態(tài)邊界條件,在計(jì)算過(guò)程中非穩(wěn)態(tài)的邊界條件可以自定義函數(shù)(如Fluent的UDF)的形式施加在相應(yīng)位置,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的射流元件CFD計(jì)算可反映元件與沖擊系統(tǒng)整體的動(dòng)力學(xué)耦合特性。目前,綜合試驗(yàn)器尚處于研制階段,相信在不久的將來(lái)會(huì)在揭秘射流元件內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)特性的工作中發(fā)揮重要的作用。4建模網(wǎng)格劃分利用通用的CAD軟件(如UG、Solidworks,Inventor等)可以很方便地建立射流沖擊器實(shí)體模型。一些CAD軟件內(nèi)部集成了力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及CFD分析功能,可以進(jìn)行單一工具集成環(huán)境下的CAE/CFD聯(lián)合仿真分析,例如Solidworks軟件即整合了CosmoWorks、CosmosMotion和FlowWorks等模塊,分別用于零部件有限元分析、動(dòng)力學(xué)仿真分析和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析。對(duì)射流沖擊器系統(tǒng)整體進(jìn)行CAE/CFD研究的另一個(gè)思路是借助多種軟件,把沖擊器幾何造型工作與仿真分析工作分開(kāi),而在具體分析過(guò)程將沖擊活塞動(dòng)力學(xué)分析、元件與缸體內(nèi)部流場(chǎng)的CFD分析協(xié)同進(jìn)行,其基本原理是流場(chǎng)的瞬態(tài)邊界條件隨沖擊活塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變更,而基于瞬態(tài)邊界條件的CFD計(jì)算結(jié)果以壓力、流量的形式作用于沖擊活塞,然后在考慮流場(chǎng)遷移特性的同時(shí)選取特定的算法進(jìn)行微小時(shí)段內(nèi)的耦合求解。由于各類(lèi)軟件功能各有側(cè)重,后一方案明顯更為合理,這樣能夠充分利用不同軟件各自的優(yōu)勢(shì),但需要各個(gè)軟件提供完善的接口程序,以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作環(huán)境中高效、精確的建模仿真過(guò)程。實(shí)踐過(guò)程中液動(dòng)射流沖擊器建模仿真利用了UG、Icemcfd和Fluent三種軟件和C語(yǔ)言編程環(huán)境。液動(dòng)射流沖擊器的實(shí)體建模網(wǎng)格劃分是在UG和Icemcfd環(huán)境中完成的(如圖6所示),根據(jù)射流沖擊器的幾何特點(diǎn)和動(dòng)力學(xué)特性,劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以有效節(jié)省計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源,加快運(yùn)算速度并提高解算精度。CFD計(jì)算在Fluent環(huán)境中進(jìn)行,湍流模型一般采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,速度—壓力耦合算法選擇Simple算法。控制方程中的擴(kuò)散項(xiàng)一般采用中心差分格式離散,而對(duì)流項(xiàng)則可采用多種不同的格式進(jìn)行離散。默認(rèn)情況下,當(dāng)使用分離式求解器時(shí),所有方程中的對(duì)流項(xiàng)均用一階迎風(fēng)格式離散;當(dāng)使用耦合式求解器時(shí),流動(dòng)方程使用二階精度格式,其他方程使用一階精度格式進(jìn)行離散。仿真過(guò)程中應(yīng)用了動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來(lái)模擬根據(jù)域邊界的運(yùn)動(dòng)情況隨時(shí)間改變的流動(dòng)域形狀。體網(wǎng)格更新可以根據(jù)邊界的新位置在每一時(shí)間步自動(dòng)處理。為了使用動(dòng)網(wǎng)格模型,需要提供一個(gè)初始體網(wǎng)格和相關(guān)流動(dòng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)描述。Fluent軟件可以在邊界輪廓上采用用戶定義函數(shù),或通過(guò)六自由度求解(6DOF)來(lái)描述運(yùn)動(dòng)。Fluent也可以對(duì)指定的面或單元區(qū)域進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)描述,對(duì)于模型的運(yùn)動(dòng)和非運(yùn)動(dòng)區(qū)域,最初進(jìn)行體網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)該把相應(yīng)的面或單元組成單獨(dú)區(qū)域。不同區(qū)域之間的邊界類(lèi)型不必一致,最終模型中可以使用非一致或滑移界面功能將不同區(qū)域連接起來(lái)。應(yīng)用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)的液動(dòng)射流沖擊器仿真過(guò)程中,需將沖擊活塞有效作用面設(shè)置為剛體、沖擊活塞與內(nèi)缸配合圓柱面設(shè)置為變形壁。整個(gè)沖擊系統(tǒng)分成三個(gè)流動(dòng)區(qū)域,內(nèi)缸上下腔流域及其通道設(shè)置為內(nèi)部條件,其它所有的各面均為流體與固體相互接觸面,屬于壁面類(lèi)型的邊界。在此基礎(chǔ)上設(shè)置系統(tǒng)整體邊界條件與初始條件,其中入口設(shè)為速度入口,出口為壓力出口。網(wǎng)格采用動(dòng)態(tài)鋪層方法進(jìn)行遷移。此外,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性需要編程從內(nèi)缸上、下腔提取,所提取的動(dòng)態(tài)參數(shù)作為下一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程的初始條件,由程序自動(dòng)施加給動(dòng)態(tài)遷移至新位置的網(wǎng)格化邊界。CAD/CAE/CFD技術(shù)為液動(dòng)射流沖擊系統(tǒng)構(gòu)造了虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真分析環(huán)境,仿真對(duì)象是利用CAD技術(shù)構(gòu)造的實(shí)體模型,元件與缸體之間設(shè)置了真實(shí)流道,沖擊活塞的幾何尺寸及質(zhì)量特性都與現(xiàn)役沖擊器活塞相符合。不考慮加工精度及表面光潔度對(duì)射流附壁特性和沖擊活塞動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響,通過(guò)基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的仿真分析可以求出沖擊活塞運(yùn)動(dòng)速度變化過(guò)程對(duì)活塞上下腔壓力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的影響,尤其在活塞反彈瞬間活塞上下腔流動(dòng)特征的突變。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,可以考察活塞運(yùn)動(dòng)方向改變后水擊壓力作用下元件射流附壁側(cè)切換的具體過(guò)程,并且可以獲得重要參數(shù),如切換時(shí)間、信號(hào)道內(nèi)瞬態(tài)速度-壓力等。同時(shí),對(duì)液動(dòng)射流沖擊器不同工作參數(shù)組合反復(fù)進(jìn)行CFD計(jì)算,即可進(jìn)行參數(shù)組合尋優(yōu)工作,判斷不同參數(shù)對(duì)液動(dòng)射流沖擊器工作性能的影響,也可通過(guò)單一因素影響尋找某一參數(shù)對(duì)沖擊器工作性能的影響規(guī)律,為合理設(shè)計(jì)系列化、新型液動(dòng)射流沖擊器提供重要的依據(jù)。5氣動(dòng)射