CN111209696B - 一种基于slm成型技术的液压集成块路径设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，包括：获取液压集成块的油路孔道布局和块体边界；利用Fluent流场仿真建立液压集成块的初始模型；利用Ansys结构分析所述初始模型的结构参数，筛选出所述初始模型中待优化的参数；确定液压集成块以结构沿程压力损失最小为优化目标，以结构整体重量、固有频率、应力集中、壁面形变、强度安全、工作温度为约束条件，分析所述优化目标和约束条件以确定收敛条件和迭代次数，采用优化算法对所述结构进行优化，得到最终的液压集成块设计结果。本发明充分发挥SLM成型技术的优势，提高材料利用率和装置使用效率，液压集成块的结构和性能都将迈上一个新的台阶。

Description

一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法

技术领域

本发明涉及一种液压集成块的设计方法，涉及集成式液压系统领域和金属增材制造领域，尤其涉及一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法。

背景技术

液压集成块是集成式液压系统中关键零部件之一，其结构设计工作以满足内部连通要求和外部阀元件布局要求为主,传统设计方式和机加工生产会造成工艺容腔、孔道突缩(扩)、质量沉重等问题，已渐不能满足系统需求。SLM成型技术广泛的商业化应用，为工业生产设计和解决复杂结构的制造问题提供新的思路和方案，但需要明确的一点是国内仍处于对包含扫描方式、热源功率、金属熔体温度等在内的成形工艺参数摸索阶段。

考虑到集成块的性能优化和轻量化设计涉及诸多结构参数，如应力、强度等，故此为寻找出给定条件和约束下的所述局部最优解，需要不断调整所述参数，导致设计和生产加工效率低下。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，解决液压集成块传统机加工生产过程中无法解决的工艺容腔、孔道截面突缩(扩)等问题。

本发明所采用的技术方案如下：一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，包括：

获取液压集成块的油路孔道布局和块体边界；

利用Fluent流场仿真建立液压集成块的初始模型；

利用Ansys结构分析所述初始模型的结构参数，筛选出所述初始模型中待优化的参数；

确定液压集成块以结构沿程压力损失最小为优化目标，以结构整体重量、固有频率、应力集中、壁面形变、强度安全、工作温度为约束条件，分析所述优化目标和约束条件以确定收敛条件和迭代次数，采用优化算法对所述结构进行优化，得到最终的液压集成块设计结果。

进一步地，所述获取液压集成块的油路孔道布局和块体边界时，需综合考虑满足液压原理图、液压集成块安全设计和校核准则、阀体安装与干涉原则的要求。

进一步地，所述利用Fluent流场仿真建立液压集成块的初始模型，包括：

通过Fluent流场仿真和数值模拟得到液压集成块空腔内三维流场自由发展的压力云图、速度矢量图及流线图；

分析Fluent流场仿真结果中所述压力云图、速度矢量图及流线图的涡旋大小、位置及压力损失成因，对流场完全发展区域通过三维重构方法获得所述初始模型。

进一步地，所述流场完全发展区域为取某点处流场的流速达到空腔内最大流速的99％及以上。

进一步地，所述三维重构方法为对流场完全发展区域轮廓线按顺序进行放样。

进一步地，所述分析所述初始模型的结构参数，包括：

通过Fluent流场仿真分析所述初始模型，得到所述初始模型结构的沿程压力损失；

通过Ansys结构仿真分析所述初始模型，得到所述初始模型结构的整体重量值、固有频率值、相对应力图、相对位移图、相对应变图、工作温升值。

进一步地，所述收敛条件预设为三类：

第一类为根据结构的整体重量值、壁面变形量、固有频率、工作温升的设计要求以及最小的沿程压力损失进行目标数值设置；

第二类为根据结构的整体重量值、壁面变形量、固有频率、工作温升以及压力损失在对所述结构参数进行优化的过程中的变化量进行残差设置；

第三类为对所述结构参数优化过程的执行次数。

进一步地，所述迭代次数可视为两类：

一类为对所述结构参数进行优化的全部执行次数；

另一类为满足所述收敛条件时已进行优化的全部执行次数，反之若无法满足收敛条件，该迭代次数计为+∞。

进一步地，判断优化算法或过程结束的条件：

若所述收敛条件为所述目标数值，判断当前的结构参数是否小于或者等于设置的所述目标数值，为真则继续优化过程直到满足收敛条件，反之结束进程；

若所述收敛条件为所述变化量，判断当前的改变值是否小于或者等于设置的所述残差，为假则继续优化过程直到满足收敛条件，反之结束进程；

若所述收敛条件为所述执行次数，判断当前的优化次数是否小于或者等于设置的所述优化次数，为真则继续优化过程直到满足收敛条件，反之结束进程；

进一步地，所述优化算法为拓扑优化、遗传退火算法、小生境遗传算法或者拉格朗日非线性规划法。

本发明的有益效果如下：

采用流场完全发展区域三维重构方法，可提高工程师设计自由度，降低复杂液压集成块的油路孔道布局难度；

采用SLM成型技术一方面可解决液压集成块在传统机加工生产中工艺容腔、孔道突缩(扩)的问题，降低结构沿程压力损失，提高集成块工作效率；另一方面可解决液压集成块在传统设计空间尺寸大、整体质量沉重的问题，实现结构轻量化，提高成型材料利用率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法的流程图；

图2是本实施例中Ansys应力仿真的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合本文的附图，对本设计方法中的技术方案进行清晰、完备的描述。本实施例中，如图1所述，本发明实施例提供一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法包括如下步骤：

S100、获取液压集成块的油路孔道布局和块体边界；

具体的，综合考虑满足液压原理图、液压集成块安全设计和校核准则、阀体安装与干涉原则的要求，确定液压集成块三维空间尺寸和油路进出口在阀面的分布位置及大小；

通过Solidworks、ProE或ANSYS workbench的三维建模软件相应地建立在外侧壁面开有通孔的块体空腔模型；

S200、利用Fluent流场仿真建立液压集成块的初始模型；

具体的，利用Fluent对上述空腔模型进行流场仿真，进行结构化网格、采用k-ε模型、定义工质为46号液压油、定义油路进出口、设置入口边界条件为流体质量流量和出口边界条件为压力、定义壁面粗糙度为光滑、残差选用默认值e-3,通过数值模拟获得液压集成块空腔内三维流场自由发展的压力云图、速度矢量图及流线图；

在此实施例中取某点处流场的流速达到空腔内最大流速的99％及以上称为流场完全发展区域，分析上述流场仿真结果中压力云图、速度矢量图及流线图的涡旋大小、位置及压力损失成因，通过对所述流场完全发展区域轮廓线按顺序进行放样，三维重构出所述液压集成块的初始模型；

S300、利用Ansys结构分析所述初始模型的结构参数，筛选出所述初始模型中待优化的参数；

具体的，利用Fluent对上述空腔模型进行流场仿真，获得所述初始模型的沿程压力损失；利用Ansys对上述初始模型进行结构分析，定义材料特质弹性模量为e-11、泊松比为0.3、密度为7800kg/m³、对底面施加全方位约束、定义受力情形并求解获得所述初始模型的整体重量、固有频率、应力集中、壁面形变、强度安全、工作温度等结构参数；

S400、确定液压集成块以结构沿程压力损失最小为优化目标，以结构整体重量、固有频率、应力集中、壁面形变、强度安全、工作温度为约束条件，分析所述优化目标和约束条件以确定收敛条件和迭代次数，采用优化算法对所述结构进行优化，得到最终的液压集成块设计结果，如图2所示。

具体的，确定液压集成块以结构沿程压力损失最小为优化目标，以结构整体重量、固有频率、应力集中、壁面形变、强度安全、工作温度为约束条件，筛选出所述初始模型中待优化的参数；

分析所述优化目标和约束条件以确定收敛条件和迭代次数，采用优化算法为拓扑优化、遗传退火算法、小生境遗传算法或者拉格朗日非线性规划法；

其中，所述收敛条件预设为三类：

第一类为根据结构的整体重量值、壁面变形量、固有频率、工作温升的设计要求以及最小的沿程压力损失进行目标数值设置；

第二类为根据结构的整体重量值、壁面变形量、固有频率、工作温升以及压力损失在对所述结构参数进行优化的过程中的变化量进行残差设置；

第三类为对所述结构参数优化过程的执行次数。

其中，所述迭代次数可视为两类：

一类为对所述结构参数进行优化的全部执行次数；

另一类为满足所述收敛条件时已进行优化的全部执行次数，反之若无法满足收敛条件，该迭代次数计为+∞。

判断优化算法或过程结束的条件：

若所述收敛条件为所述目标数值，判断当前的结构参数是否小于或者等于设置的所述目标数值，为真则继续优化过程直到满足收敛条件，反之结束进程；

若所述收敛条件为所述变化量，判断当前的改变值是否小于或者等于设置的所述残差，为假则继续优化过程直到满足收敛条件，反之结束进程；

若所述收敛条件为所述执行次数，判断当前的优化次数是否小于或者等于设置的所述优化次数，为真则继续优化过程直到满足收敛条件，反之结束进程。

在本实施例中根据所述整体质量、壁面变形量、固有频率、工作温升以及沿程压力损失在对所述结构参数进行优化的过程中的变化量进行收敛条件的残差设置，并认为当该变化量小于±0.1时满足收敛条件，该给定量也可放宽取值范围，例如在±1之间或者更大，具体视工程情况而定；

在本实施例中预设的迭代次数为优化过程的执行次数，并认为执行总次数超过500次时停止优化过程，该次数也可放宽取值范围，例如1000次或者更大，具体视工程情况而定；

对所述结构进行优化；选择上述优化结果作为最终进行SLM成型的三维导入模型并进行打印。

本发明充分发挥SLM成型技术强大的复杂零件制造能力和可观的小批量生产经济适应性等优势，对现有工业设计方法下生产的典型集成块实现孔道设计自由化、整体结构轻量化、降低装置沿程压力损失，提高材料利用率和装置使用效率，液压集成块的结构和性能都将迈上一个新的台阶。

Claims (7)

1.一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，其特征在于，包括：

获取液压集成块的油路孔道布局和块体边界；

利用Fluent流场仿真建立液压集成块的初始模型；

利用Ansys结构分析所述初始模型的结构参数，筛选出所述初始模型中待优化的参数；

确定液压集成块以结构沿程压力损失最小为优化目标，以结构整体重量、固有频率、应力集中、壁面形变、强度安全、工作温度为约束条件，分析所述优化目标和约束条件以确定收敛条件和迭代次数，采用优化算法对所述结构进行优化，得到最终的液压集成块设计结果；

所述利用Fluent流场仿真建立液压集成块的初始模型，包括：

通过Fluent流场仿真和数值模拟得到液压集成块空腔内三维流场自由发展的压力云图、速度矢量图及流线图；

分析Fluent流场仿真结果中所述压力云图、速度矢量图及流线图的涡旋大小、位置及压力损失成因，对流场完全发展区域通过三维重构方法获得所述初始模型；

所述流场完全发展区域为取某点处流场的流速达到空腔内最大流速的99%及以上；

所述三维重构方法为对流场完全发展区域轮廓线按顺序进行放样。

2.根据权利要求1所述的一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，其特征在于，所述获取液压集成块的油路孔道布局和块体边界时，需综合考虑满足液压原理图、液压集成块安全设计和校核准则、阀体安装与干涉原则的要求。

3.根据权利要求1所述的一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，其特征在于，所述分析所述初始模型的结构参数，包括：

通过Fluent流场仿真分析所述初始模型，得到所述初始模型结构的沿程压力损失；

通过Ansys结构仿真分析所述初始模型，得到所述初始模型结构的整体重量值、固有频率值、相对应力图、相对位移图、相对应变图、工作温升值。

4.根据权利要求1所述的一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，其特征在于，所述收敛条件预设为三类：

第一类为根据结构的整体重量值、壁面变形量、固有频率、工作温升的设计要求以及最小的沿程压力损失进行目标数值设置；

第二类为根据结构的整体重量值、壁面变形量、固有频率、工作温升以及压力损失在对所述结构参数进行优化的过程中的变化量进行残差设置；

第三类为对所述结构参数优化过程的执行次数。

5.根据权利要求1所述的一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，其特征在于，所述迭代次数可视为两类：

一类为对所述结构参数进行优化的全部执行次数；

另一类为满足所述收敛条件时已进行优化的全部执行次数，反之若无法满足收敛条件，该迭代次数计为+∞。

6.根据权利要求4所述的一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，其特征在于，判断优化算法或过程结束的条件：

若所述收敛条件为所述目标数值，判断当前的结构参数是否小于或者等于设置的所述目标数值，为真则继续优化过程直到满足收敛条件，反之结束进程；

若所述收敛条件为所述变化量，判断当前的变化量是否小于或者等于设置的所述残差，为假则继续优化过程直到满足收敛条件，反之结束进程；

若所述收敛条件为所述执行次数，判断当前的执行次数是否小于或者等于设置的所述执行次数，为真则继续优化过程直到满足收敛条件，反之结束进程。

7.根据权利要求1所述的一种基于SLM成型技术的液压集成块路径设计方法，其特征在于，所述优化算法为拓扑优化、遗传退火算法、小生境遗传算法或者拉格朗日非线性规划法。

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