CN112883664B - 一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法 - Google Patents

一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，包括以下步骤：获取直角弯流道设计时的尺寸常数，给定圆弧过渡流道的壁厚变量、流道内壁的内径R1变量和外径R2变量初始数值，完成三维建模；将三维模型导入仿真软件中，根据预设的工作参数进行流固耦合仿真；以流固耦合仿真结果中的流体仿真结果为参照，调整R1和R2的大小以减小仿真中产生旋涡现象的流道内部空间，仿真验证并进一步调整变量大小，从而获取流道压力损失优化后的R1与R2数值；以流道内壁最终模型的流固耦合仿真结果中的固体应力云图为参照，调整流道壁面各处厚度，建立满足强度要求下减小压力损失的流道模型。

Description

一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法
技术领域
本公开属于零部件尺寸优化技术领域，具体涉及一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
液压系统中常用的液压集成块，通过内部交错转弯排布的流道结构实现多个液压元件的连接。在进行直角弯流道的加工过程中，传统的加工方式为根据液压原理图在铸造或锻造方形料上钻孔使流道相交于转弯、岔口区域，不可避免地会在相交处形成工艺加工孔，造成旋涡的产生，引起液压油的压力损失，从而造成能量耗散。另外，液压集成块材料冗余，远远超出了对强度的要求，造成设计空间和加工材料的浪费。液压集成块过高的压损、重量以及体积不适合对轻量化、高效率有要求的应用场景。
发明人了解到，工艺加工孔是造成压力损失的主要原因，在增减材复合制造方式中，通过将带有工艺加工孔的直角转弯部分流道替换为圆弧过渡流道可在一定程度上降低压力损失，但圆截面不变的流道在圆弧内外径位置同样会产生旋涡现象，壁面无法在最大程度上贴合内部流体的流动情况，且上述方案未考虑到流道外部的材料冗余问题。
发明内容
本公开的目的是提供一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，能够解决上述技术问题。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，包括以下步骤：
步骤1，确定入口端及出口端流道内径D1、流道入口和流道出口在水平和竖直方向的相对距离L1和L2，给定圆弧过渡流道的壁厚、流道内壁的内径R1和外径R2的初始数值，完成三维建模；
步骤2，将三维模型导入仿真软件中，根据预设的入口流速、出口压力、工作温度、液压油参数，进行流固耦合仿真。
以流固耦合仿真结果中的流体仿真结果为参照，调整R1和R2的大小以减小仿真中产生旋涡现象的流道内部空间，仿真验证并进一步调整变量大小，从而获取流道压力损失优化后的R1与R2数值，得到流道内壁最终模型；
步骤3，以流道内壁最终模型的流固耦合仿真结果中的固体应力云图为参照，调整流道壁面各处厚度，仿真验证并进一步调整各处壁厚大小，建立满足强度要求下能够减小压力损失和材料体积的流道模型。
作为进一步的改进，步骤1中，定义第一样条曲线和第二样条曲线，第一样条曲线处于圆弧形流道外壁的内径处，第二样条曲线处于圆弧形流道外壁的外径处，第一样条曲线、第二样条曲线及入口端流道的中轴线、出口端流道的中轴线处于同一平面。
作为进一步的改进，所述第一样条曲线及第二样条曲线分别由六个样点定位。
作为进一步的改进，第一样条曲线包括第一样点、第二样点、第三样点、第四样点、第五样点和第六样点，第一样条曲线与入口方向流道壁和出口方向流道壁分别相切于第一样点和第六样点。
作为进一步的改进，第二样条曲线上的样点依次为第七样点、第八样点、第九样点、第十样点、第十一样点和第十二样点；第二样条曲线与入口方向流道壁和出口方向流道壁分别相切于第七样点和第十二样点。
作为进一步的改进，第八样点与第十一样点的位置由几何约束定义，分别为过其前后相邻两点圆弧段的中点，第二样点与第八样点对应圆弧段的圆心纵坐标分别与第一样点与第七样点的纵坐标一致。
作为进一步的改进，第八样点与第十一样点的位置由几何约束定义，分别为过其前后相邻两点圆弧段的中点，第五样点与第十一样点对应圆弧段的圆心横坐标分别与第六样点与第十二样点的横坐标一致。
作为进一步的改进，第三样点与第四样点所在位置定义两个变量x2和x3用于表示当前位置与流道内壁的最小距离。
作为进一步的改进，在第九样点与第十样点所在位置定义两个变量x4和x5用于表示当前位置与流道内壁的最小距离。
以上一个或多个技术方案的有益效果：
本公开中通过设计样条曲线和定义变量来控制流道外壁的形状，实现适应不同位置应力情况的变厚度流道，经仿真优化后得到的最优流道外壁形状实现了结构的最大轻量化，保证流道结构在满足强度要求的情况下，每部分的壁厚达到最小，最大程度地节省了制造材料，大大减小了液压集成块的体积和重量。
本公开中利用流固耦合仿真中的流体仿真结果作为参照，通过调整圆弧流道的内壁内径及内壁外径来减少流体中的旋涡现象；通过调整圆弧流道外壁内径及外壁外径，在减少材料冗余的情况下，减少应力集中。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本公开一个或多个实施例中的整体结构示意图。
图2为本公开一个或多个实施例中沿过轴线平面剖开的剖视图。
图3为本公开一个或多个实施例中的整体结构右视图。
图4为本公开一个或多个实施例中的尺寸标注说明图。
其中，1、流道入口；2、流道出口；3、入口方向流道壁；4、出口方向流道壁；5、内螺纹接头；6、直角弯流道内径部分；7、直角弯流道外径部分；8、第一样条曲线；9、第二样条曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本公开中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
本实施例提供一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，包括以下步骤：
步骤1，以传统加工方式获得的流道中的流道内径D1、流道入口和出口在水平和竖直方向的相对距离L1和L2、流道内螺纹接头内径D2及长度L3等尺寸为建模的基本固定尺寸，确定液压集成块流道的入口流速、出口压力以及内部液压油的工作温度和性能参数。
步骤2，为实现流道内壁的建模过程，令流道壁为均匀厚度并定义x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝D1/2，以流道内壁的内径R1和外径R2为流道内壁建模过程中的变量，定义R1和R2的初始值分别为R1＝D1、R2＝1.5×D1，将初始模型导入仿真软件中，设置好仿真计算模型和入口流速、出口压力、工作温度、液压油参数等各项参数后进行流固耦合仿真，以流固耦合仿真结果中的流体仿真结果为参照，通过调整R1和R2的大小来减小仿真中产生旋涡现象的流道内部空间，进而进行仿真验证并进一步调整变量大小，从而获取减小流道压力损失的流道内壁模型。
步骤3，以流道内壁最终建模方案的流固耦合仿真结果中的固体应力云图为参照，调整流道壁各厚度x1-x6，对应力较大位置做加厚调整，对应力较小位置做减薄处理，进而进行仿真验证并进一步调整变量大小，从而建立满足强度要求下减小压力损失的轻量化流道模型。
需要指出的是，为了便于实现液压集成块直角弯流道的三维建模，在本实施例中提供一种液压集成块直角弯流道的参数化模型，参照图1至图4，包括入口端流道部分、圆弧过渡部分和出口端流道部分，流道入口内径D1、内螺纹接头5长度L3与流道出口2内径D2为液压集成块固定参数。
所述入口端流道部分由流道入口1和入口方向流道壁3构成，所述入口端流道部分长度为L4，所述入口方向流道壁3的壁厚为x1。其中，入口方向流道壁3的壁厚x1为变量。流道入口1与外接液压阀的安装面相连接，工作时液压油经液压阀从流道入口1处进入流道结构。
所述圆弧过渡部分包括直角弯流道内径部分6和直角弯流道外径部分7，此部分流道横截面内外圈皆非正圆形，为解决流道在压力损失和材料冗余两方面的问题，本公开对流道的内壁和外壁分别采用不同的设计方案：对于流道内壁而言，以实现压力损失最小为目标，设计内径R1和外径R2两个变量，中轴线的半径取内径R1和外径R2的平均值以保证流道内壁的形状不会发生扭曲变形；对于流道外壁而言，以保证流道结构满足工作时的强度要求为前提，以流道壁面体积最小为目标。
以流道内壁的形状为三维建模基准，定义第一样条曲线8和第二样条曲线9来分别描述直角弯流道内径部分6和直角弯流道外径部分7外壁的形状。第一样条曲线、第二样条曲线及入口端流道的中轴线、出口端流道的中轴线处于同一平面。
如图4所示，所述第一样条曲线8与第二样条曲线9均有6个样点，在图中用黑点表示。沿液压油流动方向定义第一样条曲线8上的样点依次为第一样点、第二样点、第三样点、第四样点、第五样点和第六样点，定义第二样条曲线9上的样点依次为第七样点、第八样点、第九样点、第十样点、第十一样点和第十二样点。
所述第一样条曲线8与入口方向流道壁3和出口方向流道壁4分别相切于第一样点和第六样点，在第三样点与第四样点所在位置定义两个变量x2和x3用于表示当前位置与流道内壁的最小距离；所述第二样条曲线9与入口方向流道壁3和出口方向流道壁4分别相切于第七样点和第十二样点，在第九样点与第十样点所在位置定义两个变量x4和x5用于表示当前位置与流道内壁的最小距离。第二样点、第五样点、第八样点与第十一样点的位置由几何约束定义，分别为过其前后相邻两点圆弧段的中点，其中，第二样点与第八样点对应圆弧段的圆心纵坐标分别与第一样点与第七样点的纵坐标一致，第五样点与第十一样点对应圆弧段的圆心横坐标分别与第六样点与第十二样点的横坐标一致，从而确定各圆心的具体位置，以此确定第二样点、第五样点、第八样点与第十一样点的具体位置，进而保证圆弧过渡部分的外壁与另外两部分的过渡更平滑，以减少应力集中现象。
对于内壁和外壁而言，内径与外径上沿流道方向的母线均与入口端流道部分和出口端流道部分相切，由于流道入口1与流道出口2的相对位置固定不变，因此圆弧过渡部分变量的变化同时会引起入口端流道部分长度L4与出口端流道部分长度L5的变化。
所述出口端流道部分由流道出口2、出口方向流道壁4和内螺纹接头5构成，所述内螺纹接头5内设置有一段螺纹，用于安装与其相匹配的外螺纹接口，进而与其他液压元件连接。所述出口端流道部分长度为L5，所述出口方向流道壁4的壁厚为x6，所述内螺纹接头5的长度为L3，所述流道出口2的内径为D2。其中，出口方向流道壁4的壁厚x6为变量。工作时液压油从流道出口2处流出流道结构。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取直角弯流道设计时的尺寸常数，给定圆弧过渡流道的壁厚变量、流道内壁的内径R1变量和外径R2变量初始数值，完成三维建模；
步骤2，将三维模型导入仿真软件中，根据预设的工作参数进行流固耦合仿真；以流固耦合仿真结果中的流体仿真结果为参照，调整R1和R2的大小以减小仿真中产生旋涡现象的流道内部空间，仿真验证并进一步调整变量大小，从而获取流道压力损失优化后的R1与R2数值，得到流道内壁最终模型；
步骤3，以流道内壁最终模型的流固耦合仿真结果中的固体应力云图为参照，调整流道壁面各处厚度，对应力较大位置做加厚调整，对应力较小位置做减薄处理，仿真验证并进一步调整各处壁厚大小，建立满足强度要求下减小压力损失的流道模型；
对流道的内壁和外壁分别采用不同的设计方案：对于流道内壁而言，以实现压力损失最小为目标，设计内径R1和外径R2两个变量，中轴线的半径取内径R1和外径R2的平均值以保证流道内壁的形状不会发生扭曲变形；对于流道外壁而言，以保证流道结构满足工作时的强度要求为前提，以流道壁面体积最小为目标。
2.根据权利要求1所述的液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，所述尺寸常数包括：入口端及出口端流道内径D1、流道入口和流道出口在水平和竖直方向的相对距离L1和L2，确定螺纹接头处的流道内径D2，螺纹接头的长度为L3；所述工作参数包括入口流速、出口压力、工作温度、液压油参数。
3.根据权利要求1所述的液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，步骤1中，定义第一样条曲线和第二样条曲线，第一样条曲线处于圆弧形流道外壁的内径处，第二样条曲线处于圆弧形流道外壁的外径处，第一样条曲线、第二样条曲线及入口端流道的中轴线、出口端流道的中轴线处于同一平面。
4.根据权利要求3所述的液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，所述第一样条曲线及第二样条曲线分别由六个样点定位。
5.根据权利要求4所述的液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，第一样条曲线包括第一样点、第二样点、第三样点、第四样点、第五样点和第六样点，第一样条曲线与入口方向流道壁和出口方向流道壁分别相切于第一样点和第六样点。
6.根据权利要求4所述的液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，第二样条曲线上的样点依次为第七样点、第八样点、第九样点、第十样点、第十一样点和第十二样点；第二样条曲线与入口方向流道壁和出口方向流道壁分别相切于第七样点和第十二样点。
7.根据权利要求5所述的液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，第八样点与第十一样点的位置由几何约束定义，分别为过其前后相邻两点圆弧段的中点，第二样点与第八样点对应圆弧段的圆心纵坐标分别与第一样点与第七样点的纵坐标一致。
8.根据权利要求6所述的液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，第八样点与第十一样点的位置由几何约束定义，分别为过其前后相邻两点圆弧段的中点，第五样点与第十一样点对应圆弧段的圆心横坐标分别与第六样点与第十二样点的横坐标一致。
9.根据权利要求5所述的液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，第三样点与第四样点所在位置定义两个变量x2和x3用于表示当前位置与流道内壁的最小距离。
10.根据权利要求6所述的液压集成块直角弯流道的尺寸优化方法，其特征在于，在第九样点与第十样点所在位置定义两个变量x4和x5用于表示当前位置与流道内壁的最小距离。
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