CN112632877A - 耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法 - Google Patents

耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，包括：S1：通过高速开关阀电磁、液、固物理场耦合建模，获取阀芯与阀座、动衔铁与铁芯的高频碰撞激振源数据与耦合阀体内壁面受到的压力冲击和空化冲击的流体冲击激振源数据；S2：以高频碰撞与流体冲击激振源数据为输入，分析振动传递路径，进行高速开关阀瞬态振动响应建模，获取高速开关阀壳体表面振动响应数据；S3：借助壳体表面振动响应数据，通过瞬态边界元法，完成高速开关阀声场建模，获取高速开关阀声场数据。该方法准确实现高速开关阀电磁、液、固物理场耦合建模，全面获取并耦合了流体与机械激振源，快速且精准预测高速开关阀的声场数据，缩短高速开关阀的研发周期。

Description

耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法
技术领域
本发明涉及一种耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法。
背景技术
微秒级高速开关阀具有响应速度快、控制精度高等特点，广泛应用于航天航空等重要领域。其工作原理是通过电磁铁激励动衔铁，动衔铁、弹簧等部件与压力油共同作用于阀芯，使之产生高频换向动作，实现阀口交替通、断，进而达到精准控制燃油流量的目的。然而高频换向导致油液动能的瞬间变化，势必会引发强烈的压力冲击和空化冲击；并且阀芯与动衔铁的高频换向需要通过阀芯与阀座、动衔铁与铁芯碰撞实现动能的瞬间耗散。由此引发的流体冲击激振源和高频碰撞激振源将传递到壳体，引发强烈振动噪声。
高速开关阀的振动噪声是影响其性能的重要参数。在研发阶段，设计人员必须对其振动噪声进行精准预测。然而，目前国内外对于阀体振动噪声的研究局限于：
(1)仅分析阀口开度保持一定时、由于压力冲击、气蚀、空化等流体冲击激振源引发的振动噪声；
(2)缺少适合于高速开关阀阀芯等运动部件高频换向运动特点所引发的流体冲击激振源的建模方法；
(3)缺少适合于高速开关阀阀芯与阀体、动衔铁与铁芯高频碰撞产生的高频碰撞激振源的建模方法；
(4)缺少耦合流体冲击激振源与高频碰撞激振源的高速开关阀模拟声场的建模方法。
发明内容
本发明的目的在于避免和解决上述技术问题，提供一种耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，能准确实现高速开关阀电磁、液、固物理场耦合建模，全面获取并耦合流体与机械激振源，快速且精准预测高速开关阀的声场数据，缩短高速开关阀的研发周期。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，包括如下步骤：
步骤S1、通过建立高速开关阀的电磁、流、固耦合模型，获取阀芯与阀座、动衔铁与铁芯的高频碰撞激振源数据以及耦合阀体内壁面受到的压力冲击和空化冲击的流体冲击激振源数据；
步骤S2、以高频碰撞激振源数据与流体冲击激振源数据为输入，并分析振动传递路径，获取振动传递至高速开关阀壳体并引发高速开关阀壳体表面振动响应特性数据；
步骤S3、以高速开关阀壳体表面振动响应特性数据为输入，通过瞬态边界元法，获取高速开关阀声场辐射模型数据。
在本发明一实施例中，所述步骤S1具体实现如下：
S11、借助瞬态流场分析软件，依据高速开关阀运动特点，建立瞬态流场模型，拟合高速开关阀中运动部件在瞬态流场分析中的动力学函数；
S12、依托动力学函数，获取高速开关阀由于阀口高频关闭与开启引发的流体冲击激振源数据和高速开关阀中运动部件惯性力数据；
S13、借助刚体动力学分析软件，将运动部件惯性力数据导入刚体动力学模型，获取高频碰撞激振源力学特性数据。
在本发明一实施例中，所述步骤S11具体实现如下：
S111、借助Pumplinx仿真平台，基于二叉树方法的数值笛卡尔网格划分技术划分瞬态流场网格；
S112、将外部电磁激励特性数据通过数据拟合方式，得到电磁激励时域函数；
S113、将电磁激励时域函数添加到瞬态流场中的运动部件的动力学方程中，拟合高速开关阀中运动部件在瞬态流场分析中的动力学函数，实现电磁、液、固耦合。
在本发明一实施例中，所述步骤S12具体实现如下：
依托运动部件在瞬态流场分析中的动力学函数，借助耦合模型，获取高速开关阀由于阀口高频关闭与开启引发的流体冲击激振源数据，并导出步骤S11中运动部件的惯性力数据。
在本发明一实施例中，所述步骤S13具体实现如下：
借助Adams仿真平台，建立高速开关阀刚体动力学模型，依托其自带的样条函数模块，导入瞬态流场仿真获取的高速开关阀运动部件惯性力数据，实现电磁、液、固多物理场耦合，获取多激励源耦合作用于高速开关阀产生的高频碰撞激振源力学特性数据。
在本发明一实施例中，所述步骤S2具体实现如下：
S21、借助有限元分析方法，对高速开关阀进行模态分析；
S22、分析各激振源的传递路径分别为：阀芯与阀座的高频碰撞激振源从阀座经过阀体传递到阀体表面，动衔铁与铁芯的高频碰撞激振源从铁芯经过电磁铁传递至电磁铁表面，阀体内壁面受到的流体冲击激振源数据从各内壁面经过阀体传递至阀体表面；
S23、借助ANSYS仿真平台中ANSYS Transient Structural分析模块，在阀芯与阀座、动衔铁与铁芯接触区域导入高频碰撞激振源和在阀体内壁面导入流体冲击激振源时域响应数据，实现流、固激振源耦合，进而获取流、固激振源耦合作用下的高速开关阀壳体表面振动响应特性数据。
在本发明一实施例中，所述步骤S3具体实现如下：
S31、借助LMS.Virtual.lab仿真平台中Acoustic Transient BEM分析模块，导入高速开关阀阀体振动响应特性数据和高速开关阀阀体表面三角形面网格，由于高速开关阀工作频率较高且尺寸较小，因此需限制最大网格尺寸，并且需在对于振动响应影响大的阀座和铁芯对应的阀体与电磁铁表面加密网格；
S32、通过Data Transfer Case模块传递高速开关阀阀体振动响应特性数据至高速开关阀壳体表面网格，由于激振源频率较大，因此设置较短的仿真时间和较小的仿真步长，借助传递的高速开关阀阀体振动响应特性数据仿真获取高速开关阀的声辐射数据。
在本发明一实施例中，步骤S31中，最大网格尺寸小于1.8mm。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明方法适合于高速开关阀的工作特点，实现了将外部电磁激励与高速开关阀本身流、固物理场进行耦合，成功获取了阀芯等运动部件高频换向时瞬态流场中的阀体内壁面受到的流体冲击激振源数据；
(2)本发明方法成功获取了阀芯等运动部件高频换向时，阀芯与阀座、动衔铁与铁芯高频碰撞引发的机械激振源数据；
(3)本发明方法成功实现了耦合流体冲击流体激振源与高频碰撞机械激振源引发的阀体振动噪声的建模仿真。
附图说明
图1为一种耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场的建模方法流程图；
图2为获取高频碰撞激振源和流体冲击激振源数据的仿真流程图；
图3为瞬态流场仿真获取的运动部件惯性力数据向刚体动力学仿真的传递图；
图4为耦合流体冲击和高频碰撞激振源作用后的高速开关阀壳体声辐射响应图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，包括以下步骤：
S1：建立瞬态流场模型，拟合高速开关阀阀芯和动衔铁等运动部件在瞬态流场分析中的动力学函数，获取高速开关阀阀体内壁面受到的耦合压力冲击与空化冲击的流体冲击激振源数据和高速开关阀运动部件惯性力数据并将运动部件惯性力数据导入刚体动力学模型，获取阀芯与阀座、动衔铁与铁芯高频碰撞激振源数据；
S2：建立高速开关阀瞬态振动响应模型，分析振动传递路径，在阀座和铁芯处导入上述高频碰撞激振源、在阀体内壁面导入上述流体冲击激振源时域响应数据，实现流、固激振源耦合，获取壳体振动响应数据；
S3：传递上述高速开关阀壳体振动响应数据至壳体表面边界元网格，借助瞬态边界元分析方法，获取壳体声学特性数据。
进一步的，步骤S1包括：
S11：建立高速开关阀的流场几何模型，对流场进行分区，选择Valves模块，利用阀模板划分网格，耦合交互面，选择Cavitation模块分析瞬态流场空化气蚀特性、选择Translation模块耦合运动部件动力学函数；
S12：将外部电磁激励数据拟合为时域函数，并耦合到瞬态流场中S1中运动部件的动力学函数中，借助Pumplinx仿真平台，获取实现电磁、流、固耦合作用下的阀体内壁面受到的流体冲击激振源力学特性数据和运动部件惯性力数据；
S13：创建开关阀的刚体动力学模型，设置材料参数，创建各部件的约束、驱动关系；
S14：借助Adams仿真平台，导入试验数据-创建样条线-导入依靠瞬态流场仿真获取的电磁、流、固耦合作用下的运动部件惯性力数据，并借助SPLINE函数将惯性力数据添加到运动部件的动力学函数中；
S15：创建接触模型；
S16：实现电磁、液、固耦合，获取阀芯与阀座、动衔铁与铁芯高频碰撞激振源力学特性数据。
进一步的，步骤S12瞬态流场仿真中的流体信息通过求解下列方程获得：
连续性方程：
Figure BDA0002887716220000041
动量方程：
Figure BDA0002887716220000042
式中Ω(t)和σ是控制体的体积和表面积，
Figure BDA0002887716220000043
表示控制体表面的法向量，ρ表示流体密度，p表示流体压力，
Figure BDA0002887716220000044
和
Figure BDA0002887716220000045
表示速度矢量和表面运动速度，对于牛顿流体，剪应力张量可以表示为：
Figure BDA0002887716220000046
式中ui表示矢量速度
Figure BDA0002887716220000051
的分量，δij表示克罗内克函数。
进一步的，步骤S15接触模型选用下述Impact模型：
Figure BDA0002887716220000052
式中s0表示两个要碰撞物体的初始距离；s为两物体碰撞过程中的实际距离；k为刚度系数；e为碰撞指数；cmax为最大阻尼系数；d为切入深度。
进一步的，步骤S2包括：
S21：对三维几何模型进行简化，导入有限元仿真软件，设置材料属性，划分网格，设置边界条件；
S22：首先对模型进行模态分析，获取壳体模态数据，确认开关阀无共振可能性，接着在阀座与铁芯处导入高频碰撞激振源时域响应数据和在阀体内壁面导入流体冲击激振源时域响应数据，实现流、固激振源耦合，接着生成壳体表面三角形网格，借助FEM模块转换成nas格式导出。
进一步的，步骤S22瞬态振动响应模型，根据如下动力学方程：
Figure BDA0002887716220000053
获取壳体振动响应数据，式中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，
Figure BDA0002887716220000054
为节点加速度向量，
Figure BDA0002887716220000055
为节点速度向量，{u}为节点位移向量，{Fm(t)}为高频碰撞激振力，{Ff(t)}流体冲击激振力。
进一步的，步骤S3包括：
S31：借助瞬态边界元分析方法，将高速开关阀壳体振动响应数据向壳体表面声学面传递；
S32：设置场点网格、介质材料、求解模型、平滑系数、仿真时间等，获取高速开关阀声场辐射数据。
实施例
如图1所示，本实施例中耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，包括以下步骤：
步骤S1：首先建立瞬态流场仿真模型，获取阀体内壁面受到的流体冲击激振源；接着建立刚体动力学仿真模型，导入瞬态流场仿真模型中获取的阀芯、动衔铁等运动部件惯性力数据，获取高频碰撞激振源，仿真步骤如图2所示，具体过程为：
使用SOLIDWORKS建立开关阀三维几何模型，模型导入Workbench Geometry，借助DesignModeler-Tools-Fill模块对模型进行处理，导出流场模型；
流场模型导入Pumplinx仿真平台，查看流场尺寸并缩放为流场实际尺寸，对流场模型进行分区，划分出可压缩、拉伸区域，并创建阀芯、阀体间隙；
根据流场流动特性，利用阀门模板划分网格，并基于二叉树方法的数值笛卡尔网格划分技术对局部区域进行网格细化，在各分区接触区域创建交互面，确保流场连通；
将外部的电磁激励特性数据拟合为时域函数，借助pumplinx的公式编辑器编辑时域函数，完成流场模型的外部数据导入；
设置运动部件初始位置、质量，刚度、阻尼、静态摩擦系数、动态摩擦系数等运动特性数据，基于流量连续性方程、动量方程和动力学方程拟合流场运动特性函数；
将运动特性特性函数与阀模板相关联，完成运动部件的运动特性函数加载；
空化模型选用恒定气体质量分数模型，根据实际使用情况设置流体介质属性，创建边界条件，求解器选择适合瞬态分析的收敛性较好的算法，设置仿真步数、时间，进行仿真求解；
获取借助Pumplinx仿真平台实现电磁、液、固耦合作用下的阀体内壁面受到的耦合压力冲击与空化冲击的流体激振源力学特性数据；
导出瞬态流场仿真获取的高速开关阀阀芯、动衔铁等运动部件惯性力数据；
接着将高速开关阀三维几何模型导入Adams仿真平台，设置单位，根据实际情况创建零部件材料特性；
修改栅格位置、尺寸，创建各部件的连接关系，对运动部件创建驱动；
在可发生接触的部件间创建接触关系,选用Impact模型计算碰撞接触力，设置刚度、阻尼和库仑摩擦相关系数等参数；
通过Adams自带的样条函数模块，导入瞬态流场仿真获取的高速开关阀运动部件惯性力数据，如图3所示；
设置动力学求解器模型，设置允许误差值，设置仿真步长与瞬态流场仿真步长一致；
借助Adams仿真平台，实现电磁、固、液多物理场耦合，获取多激励源耦合作用的机械激振源力学特性数据。
步骤S2：建立高速开关阀瞬态振动响应模型，在阀座与铁芯处导入高频碰撞激振源时域响应数据和在阀体内壁面导入流体冲击激振源时域响应数据，实现流、固激振源耦合，获取壳体振动响应数据，具体包括以下步骤：
借助SOLIDWORKS对三维几何模型进行简化，去除螺纹、小孔等局部特征，将简化后的模型导入有限元仿真软件，根据实际情况设置材料属性，单位属性；
划分网格，对激振源加载区域进行合理的局部网格细化，根据网格质量评定方式，确保网格质量满足仿真要求；
根据实际安装使用情况设置边界条件，对模型进行模态分析；
参考步骤S1的仿真步长、步数，设置瞬态振动响应仿真的步长、步数等参数；
在阀体内壁面加载流体激振源力学特性数据以及在阀座与铁芯对应区域加载机械激振源力学特性数据，获取壳体瞬态振动响应数据；
声辐射仿真需要高速开关阀壳体表面网格数据，因此依据高速开关阀三维实体模型创建壳体表面，并抑制高速开关阀实体，仅保留壳体表面；
对高速开关阀壳体表面生成网格，网格类型选用三角形网格；
对生成的三角形网格数据进行处理，借助FEM模块生成nas格式文件。
步骤S3：建立瞬态边界元模型，传递高速开关阀振动响应数据至声场边界元网格，获取高速开关阀模拟声场数据，具体包括以下步骤：
建立瞬态边界元模型，导入高速开关阀振动响应数据和壳体表面三角形网格数据；
将壳体振动响应数据转移至声学边界元网格，优化节点之间冲突；
创建标准场点网格，设置材料属性、仿真平滑系数、仿真步长、仿真持续时间等参数；
运用瞬态边界元法计算微秒级高速开关阀壳体表面声辐射分布情况，如图4所示，并获取开关阀的声场响应数据。
在本发明实施例中，首先通过建立高速开关阀瞬态流场模型和刚体动力学模型，实现电磁、流、固耦合的仿真，该方法可以全面准确的模拟出高速开关阀产生的流体冲击和高频碰撞激振源，接着通过建立瞬态振动响应模型，能够耦合机械和流体的激振源，最后通过瞬态边界元法，能快速仿真出高速开关阀的声场响应。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种动作或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、通过建立高速开关阀的电磁、流、固耦合模型，获取阀芯与阀座、动衔铁与铁芯的高频碰撞激振源数据以及耦合阀体内壁面受到的压力冲击和空化冲击的流体冲击激振源数据；
步骤S2、以高频碰撞激振源数据与流体冲击激振源数据为输入，并分析振动传递路径，获取振动传递至高速开关阀壳体并引发高速开关阀壳体表面振动响应特性数据；
步骤S3、以高速开关阀壳体表面振动响应特性数据为输入，通过瞬态边界元法，获取高速开关阀声场辐射模型数据。
2.根据权利要求1所述的耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，其特征在于，所述步骤S1具体实现如下：
S11、借助瞬态流场分析软件，依据高速开关阀运动特点，建立瞬态流场模型，拟合高速开关阀中运动部件在瞬态流场分析中的动力学函数；
S12、依托动力学函数，获取高速开关阀由于阀口高频关闭与开启引发的流体冲击激振源数据和高速开关阀中运动部件惯性力数据；
S13、借助刚体动力学分析软件，将运动部件惯性力数据导入刚体动力学模型，获取高频碰撞激振源力学特性数据。
3.根据权利要求2所述的耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，其特征在于，所述步骤S11具体实现如下：
S111、借助Pumplinx仿真平台，基于二叉树方法的数值笛卡尔网格划分技术划分瞬态流场网格；
S112、将外部电磁激励特性数据通过数据拟合方式，得到电磁激励时域函数；
S113、将电磁激励时域函数添加到瞬态流场中的运动部件的动力学方程中，拟合高速开关阀中运动部件在瞬态流场分析中的动力学函数，实现电磁、液、固耦合。
4.根据权利要求2所述的耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，其特征在于，所述步骤S12具体实现如下：
依托运动部件在瞬态流场分析中的动力学函数，借助耦合模型，获取高速开关阀由于阀口高频关闭与开启引发的流体冲击激振源数据，并导出步骤S11中运动部件的惯性力数据。
5.根据权利要求2所述的耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场的建模方法，其特征在于，所述步骤S13具体实现如下：
借助Adams仿真平台，建立高速开关阀刚体动力学模型，依托其自带的样条函数模块，导入瞬态流场仿真获取的高速开关阀运动部件惯性力数据，实现电磁、液、固多物理场耦合，获取多激励源耦合作用于高速开关阀产生的高频碰撞激振源力学特性数据。
6.根据权利要求1所述的耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，其特征在于，所述步骤S2具体实现如下：
S21、借助有限元分析方法，对高速开关阀进行模态分析；
S22、分析各激振源的传递路径分别为：阀芯与阀座的高频碰撞激振源从阀座经过阀体传递到阀体表面，动衔铁与铁芯的高频碰撞激振源从铁芯经过电磁铁传递至电磁铁表面，阀体内壁面受到的流体冲击激振源数据从各内壁面经过阀体传递至阀体表面；
S23、借助ANSYS仿真平台中ANSYS Transient Structural分析模块，在阀芯与阀座、动衔铁与铁芯接触区域导入高频碰撞激振源和在阀体内壁面导入流体冲击激振源时域响应数据，实现流、固激振源耦合，进而获取流、固激振源耦合作用下的高速开关阀壳体表面振动响应特性数据。
7.根据权利要求1所述的耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现如下：
S31、借助LMS.Virtual.lab仿真平台中Acoustic Transient BEM分析模块，导入高速开关阀阀体振动响应特性数据和高速开关阀阀体表面三角形面网格，由于高速开关阀工作频率较高且尺寸较小，因此需限制最大网格尺寸，并且需在对于振动响应影响大的阀座和铁芯对应的阀体与电磁铁表面加密网格；
S32、通过Data Transfer Case模块传递高速开关阀阀体振动响应特性数据至高速开关阀壳体表面网格，由于激振源频率较大，因此设置较短的仿真时间和较小的仿真步长，借助传递的高速开关阀阀体振动响应特性数据仿真获取高速开关阀的声场数据。
8.根据权利要求7所述的耦合高频碰撞与流体冲击的高速开关阀模拟声场建模方法，其特征在于，步骤S31中，最大网格尺寸小于1.8mm。
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