CN113127991B - 一种液压阀块及液压阀块的轻量化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液压阀块及液压阀块的轻量化设计方法，包括以下步骤：分析传统液压阀块的结构特征，明确各类结构组件的位置；确定传统液压阀块各流道通流的性能，并拆分阀体流道；对拆分的阀体流道进行结构优化设计；采用补偿建模法对结构优化后的阀体流道进行增材设计；对阀体流道进行壁厚设计；对液压阀块结构进行初步拓扑优化设计；对初步拓扑优化结构模型进行修改；对模型修改后的液压阀块进行性能评估，若达到使用要求，即可完成液压阀块的轻量化增材设计。本发明能够最大限度地减轻液压阀块的重量，提高液压阀块的轻量化水平，降低液流换向时压力损失，提高通流效率，提高成形阀体流道的截面圆度及整体圆柱度，改善液压阀块的性能。
Description
技术领域
本发明属于液压传动控制技术领域，具体涉及一种液压阀块及液压阀块的轻量化设计方法。
背景技术
液压阀块是安装各种液压元件，并能按照内部孔道实现元件相互连通的复杂功能块，是液压传动系统中的关键性元件。在利用传统方式制造液压阀块时，首先获得一个金属块毛坯，通过传统机加工方法将金属块修整为所需外形，然后加工出供液压流体流通的内部管路。而想要精确地加工出这些流体流通管路非常困难，管路需要在特定点准确交汇，但在一些“盲”钻定位位置上，管路时常无法精确定位从而造成废品，同时钻孔时需要开工艺孔，加工完成后用堵头进行密封，这就导致组件有可能在工艺孔的位置发生泄漏；另外为了完成阀块的传统机加工，阀块孔道的设计往往为交叉钻孔系结构，多会出现冗余结构，阀块重量较大。因此，传统液压阀往往会出现尺寸精度不稳定，强度不足、原材料浪费严重，生产效率低及制造成本高等问题。
相比于传统铸造+机械加工成形的制造方法，增材制造技术为液压阀加工提供了一种全新的制造手段，但现有的液压阀块的轻量化设计方法，内容和流程较为复杂，很难在实际产品中应用。公开号为201711104963.6的专利公开了一种适用于液压阀块的激光选区熔化成形方法，通过三维切片、扫描路径构建、三维成形、内部成形质量检测等步骤，实现液压阀块的快速制造，该专利从SLM工艺打印零件的大致流程进行叙述，只是展现了液压阀3D打印过程的过程，但3D打印液压阀在打印过程中会受到制造工艺的限制，传统的设计方式并不适应阀体的直接3D打印，需要进行阀体结构局部特征修改。公开号为201910491655.6的专利公开了一种基于SLM技术的轻量化换向阀阀体及换向阀，实现了阀体的轻量化设计，带来了换向阀的能量效率提升，但液压阀种类繁多，各种阀体的结构特征不一，很难将该阀块的设计方法推广应用到其他的液压阀设计中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种液压阀块及液压阀块的轻量化设计方法，能够最大限度地减轻液压阀块的重量，提高液压阀块的轻量化水平，降低液流换向时压力损失，提高通流效率，提高成形阀体流道的截面圆度及整体圆柱度，改善液压阀块的性能。
本发明提供了如下的技术方案：
一种液压阀块的轻量化设计方法，包括以下步骤：
分析传统液压阀块的结构特征，明确各类结构组件的位置；
确定传统液压阀块各流道通流的性能，并拆分阀体流道；
对拆分的阀体流道进行结构优化设计；
采用补偿建模法对结构优化后的阀体流道进行增材设计；
对阀体流道进行壁厚设计；
对液压阀块结构进行初步拓扑优化设计；
对液压阀块的初步拓扑优化结构模型进行修改；
对模型修改后的液压阀块进行性能评估，若达到使用要求，即可完成液压阀块的轻量化增材设计。
进一步的，分析传统液压阀块的结构特征时，明确液压阀元件安装端口、阀体流道和工艺孔的位置。
进一步的，根据液压阀块的使用工况，确定传统液压阀块各流道通流的性能，拆分阀体流道时，去除传统液压阀块的工艺孔和阀体流道中直角交叉流道的刀尖角，并将传统阀块的交叉钻孔系结构为管网结构。
进一步的，对拆分的阀体流道进行结构优化设计，具体包括步骤：
将阀体流道中直角交叉流道设计为液流换向平缓的曲线过渡流道，降低液流换向时压力损失；
利用Fluent软件进行流场分析，根据阀体流道速度流线聚集处三维位置，进行阀体流道延流线方向的三维设计，使阀体液流按照流线方向自然通流，消除液流进阀体流道时方向变化引起局部压力损失过大的现象。
进一步的，采用补偿建模法对结构优化后的阀体流道进行增材设计的具体方法包括：在打印前对阀体流道顶部悬臂结构的翘曲变形进行预测，在阀体流道建模时将预测的基于标准圆模型的向上翘曲变形转变为基于标准圆模型的向下变形，并拟合出新的阀体流道轮廓曲线，建造新的阀体流道模型。
进一步的，对阀体流道进行壁厚设计的具体方法包括：利用有限软分析软件进行阀体流道壁厚设计校核，同时考虑端口机加工时的抗扭性能，增加壁厚。
进一步的，对液压阀块结构进行初步拓扑优化设计的具体方法包括：利用变密度法的拓扑结构算法，同时基于3D打印工艺限制，将液压阀块结构中不影响强度位置的材料去除，同时将结构小于45°的部位尽可能调整为大于45°结构，避免打印时零件添加支撑，最终获得液压阀块初步拓扑结构。
进一步的，对液压阀块的初步拓扑结构模型进行修改的准则包括：模型外表面光滑，避免应力集中结构存在；模型应尽可能构建为大于45°结构，减小液压阀块打印时支撑的添加。
进一步的，利用仿真分析软件，进行液压阀块结构力学分析，同时应用熔融堆积成形或光固化成形技术进行三维模型打印，进行液压阀块插件试装，综合评估初步拓扑优化结构模型修改后的液压阀块的性能；若达到使用要求，即可完成液压阀块的轻量化增材设计；若未达到使用要求，则重新进行拓扑优化设计，并重复后续步骤，直至符合使用要求。
一种液压阀块，采用所述的液压阀块的轻量化设计方法3D打印获得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明对拆分的阀体流道进行结构优化设计，将阀体流道中直角交叉流道设计为液流换向平缓的曲线过渡流道，消除传统液压阀块在液体流通过程中存在的旋涡，降低液流换向时压力损失，通流效率得到大幅提升；
（2）本发明采用补偿建模法对结构优化后的阀体流道进行增材设计，改善SLM水平圆形流道成形轮廓精度，消除传统3D打印成形过程中阀体流道存在的悬臂结构，提高成形阀体流道的截面圆度及整体圆柱度，改善液压阀块的性能；
（3）本发明提供的设计方法，能够最大限度地减轻液压阀块的重量，提高液压阀块的轻量化水平，提高液压阀块设计评估的效率。
附图说明
图1是传统液压阀块的机加工流道结构示意图；
图2是传统液压阀块的直角交叉流道与本发明的曲线过渡流道的对比结构示意图；
图3是传统金属3D打印的阀体流道截面图；
图4是补偿建模法设计新的阀体流道模型的示意图；
图5是本发明轻量化设计后的阀体流道的结构示意图；
图6是本法明中金属3D打印获得的液压阀块模型；
图中标记为：1、液压阀元件安装端口；2、阀体流道；3、工艺孔；4、直角交叉流道；5、曲线过渡流道；6、尖角；7、标准圆模型；8、新的阀体流道模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种液压阀块的轻量化设计方法，包括以下步骤：
步骤一、分析传统液压阀块的结构特征，明确各类结构组件的位置。如图1所示，传统液压阀块的结构组件包括液压阀元件安装端口1、阀体流道2和工艺孔3，其中工艺孔3中油液不流动，需要用堵头堵死，因此工艺孔是液压阀块机加工带来的结构，影响阀体液流性能，同时带来阀体侧漏风险；阀体流道2为油液传递动力或信号的孔道，液压阀各工况的实现通过该结构完成的，存在多个直角孔道及工艺孔，导致阀体通流时存在多个旋涡，阀体通流效率较低，是流道优化设计的重点。
步骤二、根据液压阀块的使用工况，确定传统液压阀块各流道通流的性能，并拆分阀体流道，拆分阀体流道时，去除传统液压阀块的工艺孔，降低液压阀块泄露的风险，去除阀体流道中直角交叉流道的刀尖角，并将传统阀块的交叉钻孔系结构为管网结构，实现轻量化设计。
步骤三、对拆分的阀体流道进行结构优化设计。在结构优化设计过程中，首先将阀体流道中直角交叉流道设计为液流换向平缓的曲线过渡流道，降低液流换向时压力损失；然后利用Fluent软件进行流场分析，根据阀体流道速度流线聚集处三维位置，进行阀体流道延流线方向的三维设计，使阀体液流按照流线方向自然通流，消除液流进阀体流道时方向变化引起局部压力损失过大的现象。如图2（a）所示，传统液压阀块的直角交叉流道4在通流时会存在旋涡，如图2（b）所示，结构优化后的曲线过渡流道5在通流时旋涡会消除，压力损失将大大降低。
步骤四、采用补偿建模法对结构优化后的阀体流道进行增材设计。圆形阀体流道结构水力半径最大，其通流能力最佳，然而金属3D打印的阀体流道在打印成形过程中存在悬臂结构，生成热应力，从而产生向上的翘曲变形，使得最终打印成形的流道顶部变尖（如图3中的尖角6），最终导致成形阀体流道的截面圆度及整体圆柱度降低。本步骤通过补偿建模法来改善SLM水平圆形流道成形轮廓精度。在打印前对阀体流道顶部悬臂结构的翘曲变形进行预测，如图4所示，在阀体流道建模时将预测的基于标准圆模型7的向上翘曲变形转变为基于标准圆模型7的向下变形，并拟合出新的阀体流道轮廓曲线，建造新的阀体流道模型8。
步骤五、对阀体流道进行壁厚设计。具体方法包括：利用有限软分析软件（如ANSAYS软件）进行阀体流道壁厚设计校核，一般壁厚设计安全系数为2.5-3.5；同时考虑端口机加工时的抗扭性能，增加壁厚，一般壁厚再增加1-2mm。
步骤六、对液压阀块结构进行初步拓扑优化设计。具体方法包括：利用变密度法的拓扑结构算法，同时基于3D打印工艺限制，将液压阀块结构中不影响强度位置的材料去除，同时将结构小于45°的部位尽可能调整为大于45°结构，避免打印时零件添加支撑，最终获得液压阀块初步拓扑结构。在拓扑优化及结构调整中，液压阀块的结构强度应满足力学性能的要求，保证使用性能。
步骤七、对液压阀块的初步拓扑优化结构模型进行修改。修改的准则包括：模型外表面光滑，避免尖角等应力集中结构存在；模型应尽可能构建为大于45°结构，通过这种自支撑结构设计，减小液压阀块打印时支撑的添加。
步骤八、利用仿真分析软件，进行液压阀块结构力学分析，同时应用熔融堆积成形或光固化成形技术进行三维模型打印，进行液压阀块插件试装，综合评估初步拓扑优化结构模型修改后的液压阀块的性能；若达到使用要求，即可完成液压阀块的轻量化增材设计；若未达到使用要求，则重新进行拓扑优化设计，并重复后续步骤，直至符合使用要求。如图5为轻量化设计后的阀体流道的整体结构。
实施例2
一种液压阀块，采用实施例1所述的液压阀块的轻量化设计方法3D打印获得。如图6为金属3D打印获得的液压阀块模型，相比传统液压阀块减重53%，主油路压力损失降低20%，同时液压阀块的动态响应及散热性能也得到提升。
本发明提供的设计方法，能够最大限度地减轻液压阀块的重量，提高液压阀块的轻量化水平。本发明对拆分的阀体流道进行结构优化设计，将阀体流道中直角交叉流道设计为液流换向平缓的曲线过渡流道，消除传统液压阀块在液体流通过程中存在的旋涡，降低液流换向时压力损失，通流效率得到大幅提升。本发明采用补偿建模法对结构优化后的阀体流道进行增材设计，改善SLM水平圆形流道成形轮廓精度，消除传统3D打印成形过程中阀体流道存在的悬臂结构，提高成形阀体流道的截面圆度及整体圆柱度，改善液压阀块的性能。本发明的产品设计评估效率更高，由于传统加工方式限制因素多，加工工序较长，传统液压阀块的设计、制造及评估关键是相互脱节的，然而通过本设计方法的应用，可以实现液压阀块轻量化设计过程的性能评估、制造方式的仿真及评估等，提高了产品设计评估的效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种液压阀块的轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
分析传统液压阀块的结构特征，明确各类结构组件的位置；
确定传统液压阀块各流道通流的性能，并拆分阀体流道；
对拆分的阀体流道进行结构优化设计；
采用补偿建模法对结构优化后的阀体流道进行增材设计；
对阀体流道进行壁厚设计；
对液压阀块结构进行初步拓扑优化设计；
对液压阀块的初步拓扑优化结构模型进行修改；
对模型修改后的液压阀块进行性能评估，若达到使用要求，即可完成液压阀块的轻量化增材设计；
采用补偿建模法对结构优化后的阀体流道进行增材设计的具体方法包括：在打印前对阀体流道顶部悬臂结构的翘曲变形进行预测，在阀体流道建模时将预测的基于标准圆模型的向上翘曲变形转变为基于标准圆模型的向下变形，并拟合出新的阀体流道轮廓曲线，建造新的阀体流道模型；
对液压阀块结构进行初步拓扑优化设计的具体方法包括：利用变密度法的拓扑结构算法，同时基于3D打印工艺限制，将液压阀块结构中不影响强度位置的材料去除，同时将结构小于45°的部位尽可能调整为大于45°结构，避免打印时零件添加支撑，最终获得液压阀块初步拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的液压阀块的轻量化设计方法，其特征在于，分析传统液压阀块的结构特征时，明确液压阀元件安装端口、阀体流道和工艺孔的位置。
3.根据权利要求1所述的液压阀块的轻量化设计方法，其特征在于，根据液压阀块的使用工况，确定传统液压阀块各流道通流的性能，拆分阀体流道时，去除传统液压阀块工艺孔和阀体流道中直角交叉流道的刀尖角，并将传统阀块的交叉钻孔系结构为管网结构。
4.根据权利要求1所述的液压阀块的轻量化设计方法，其特征在于，对拆分的阀体流道进行结构优化设计，具体包括步骤：
将阀体流道中直角交叉流道设计为液流换向平缓的曲线过渡流道，降低液流换向时压力损失；
利用Fluent软件进行流场分析，根据阀体流道速度流线聚集处三维位置，进行阀体流道延流线方向的三维设计，使阀体液流按照流线方向自然通流，消除液流进阀体流道时方向变化引起局部压力损失过大的现象。
5.根据权利要求1所述的液压阀块的轻量化设计方法，其特征在于，对阀体流道进行壁厚设计的具体方法包括：利用有限软分析软件进行阀体流道壁厚设计校核，同时考虑端口机加工时的抗扭性能，增加壁厚。
6.根据权利要求1所述的液压阀块的轻量化设计方法，其特征在于，对液压阀块的初步拓扑结构模型进行修改的准则包括：模型外表面光滑，避免应力集中结构存在；模型应尽可能构建为大于45°结构，减小液压阀块打印时支撑的添加。
7.根据权利要求1所述的液压阀块的轻量化设计方法，其特征在于，利用仿真分析软件，进行液压阀块结构力学分析，同时应用熔融堆积成形或光固化成形技术进行三维模型打印，进行液压阀块插件试装，综合评估初步拓扑优化结构模型修改后的液压阀块的性能；若达到使用要求，即可完成液压阀块的轻量化增材设计；若未达到使用要求，则重新进行拓扑优化设计，并重复后续步骤，直至符合使用要求。
8.一种液压阀块，其特征在于，采用权利要求1～7中任一项所述的液压阀块的轻量化设计方法3D打印获得。
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