CN114091294B - 一种用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法，主要包括柱塞副前段接触力的加载、柱塞副后段接触力的加载和柱塞副后端液压力的加载，实现将柱塞泵缸体的转动引起的柱塞腔内受力的变化转化为柱塞腔内各部分载荷随时间的变化，大幅缩短仿真计算时间。

Description

一种用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法

技术领域

本发明属于流体传动与控制技术领域，具体涉及一种用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法。

背景技术

液压传动技术由于其功率密度高，传输距离远而被广泛应用于工程机械、航空航天和汽车领域，柱塞泵不断将机械能转化为液压能，为整个液压传动系统提供动力，被称为整个液压系统的心脏；柱塞泵在完成能量转化的过程中，柱塞泵缸体扮演着至关重要的作用，是整个柱塞泵的核心部件，因此柱塞泵缸体的力学性能直接影响整个液压系统的可靠性。

虽然虚拟样机技术被越来越多地应用在柱塞泵整体性能的分析上，然而虚拟机技术涉及整个柱塞泵各个部件的装配和仿真，很少单独用来分析柱塞泵缸体的力学性能；如果借助有限元仿真软件利用刚-柔耦合分析缸体性能，涉及的接触较多，计算很难收敛，且计算时间较长；因此借助有限元计算软件单独分析缸体力学性能，既能准确有效分析，又能大幅节省计算时间；

然而由于柱塞泵工作过程中，随着柱塞在柱塞腔中的往复运动实现吸排油过程，柱塞腔内的受力相对是比较复杂的，在对柱塞泵缸体单独分析时，如何实现柱塞腔内载荷的施加是一个比较棘手的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法，将柱塞泵缸体的转动引起的柱塞腔内受力的变化转化为柱塞腔内各部分载荷随时间的变化，大幅缩短仿真计算时间。

用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法，主要步骤包括：

步骤1、柱塞泵缸体柱塞腔内载荷计算，具体为：

柱塞对柱塞腔作用力计算：通过对柱塞和滑靴进行受力分析，列力和力矩平衡方程，得到柱塞对柱塞腔的作用力变化规律；

其中，作用在柱塞端面的液压力随着柱塞泵缸体的转动随时间不断变化，在分析中以柱塞开始吸油为起始点，并从1到n依次编号；

步骤2、几何切割和载荷简化，具体为：

几何建模并编号：借助Solidworks软件建立柱塞泵缸体几何模型，并将柱塞腔沿缸体转动方向依次从1到n编号(其中n为柱塞个数)；

柱塞腔柱塞副接触区域空间离散：将各个柱塞腔与柱塞接触的前段区域等分为5-10份并连续编号，将各个柱塞腔与柱塞接触的后段区域按柱塞在柱塞腔中的运动规律划分；不同柱塞划分规律不一样，奇数个柱塞划分为((n+1)/2)段，偶数个柱塞则划分为(n/2)段，并在划分基础上连续编号；

所述柱塞副前段为柱塞在柱塞腔中的最小留长段，靠近滑靴副侧，柱塞和柱塞腔一直接触，所述柱塞副后段为柱塞在柱塞腔中的行程段，靠近配流副；

作用力时间离散：将得到的柱塞对柱塞腔的作用力F1随缸体转角的变化平均离散为n等份，并取各时间段内的均值F1i(i＝1,2,…,n)作为该时间段内柱塞对缸体的作用力；同时将得到的柱塞对柱塞腔的作用力F2随缸体转角的变化平均离散为n等份，并取各时间段内的均值F2i(i＝1,2,…,n)作为该时间段内柱塞对缸体的作用力；

步骤3、以载荷的变化模拟柱塞泵缸体的转动实现柱塞腔内载荷的加载，具体为：

本发明以柱塞腔内各个区域的载荷随时间不断变化，模拟由于柱塞泵缸体转动引起的柱塞腔内的载荷变化；

柱塞对柱塞腔前段接触力F1的加载：

由于柱塞副前段的接触力按线性规律分布，靠近滑靴副侧的接触力大，而靠近配流副侧的接触力小；

不同编号柱塞腔，以与其相对应编号的载荷为起点，依次将各时间段内的柱塞副前段的平均接触力F1i按线性规律施加到划分的柱塞腔与柱塞接触的前段区域，使该时间段内施加在各区域的合力刚好等于F1i，且靠近滑靴副侧的接触力大，靠近配流副侧的接触力小；

柱塞对柱塞腔后段接触力F2的加载：

由于柱塞副后段的接触力按线性规律分布，靠近配流副侧的接触力大，而靠近滑靴副侧的接触力小；

不同编号柱塞腔，以与其相对应编号的载荷为起点，将各时间段内的柱塞副后段的平均接触力F2i按线性规律施加到划分的柱塞腔与柱塞接触的后段区域，使施加在各区域的合力刚好等于F2i，且靠近配流副侧的接触力大，靠近滑靴副侧的接触力小；

柱塞副后段液压力的加载：

柱塞腔内的油液压力与柱塞腔所处位置有关，当柱塞腔处于吸油区，柱塞腔内油液压力为吸油压力，当柱塞腔处于排油区，柱塞腔内油液压力为排油压力；

柱塞副后段部分柱塞相对柱塞腔轴向运动，随着柱塞在柱塞腔中的位置不同，液压油会不断进入和排出柱塞腔，从而实现吸排油过程；

柱塞腔内柱塞与柱塞腔不接触区域(柱塞副后段)液压力：随着柱塞在柱塞腔内位置的变化，柱塞腔内受到液压力的范围也是不断变化的；吸油过程中，柱塞副后段接触区域减小，减小区域受到吸油压力的作用；排油过程中，柱塞副后段接触区域变大，接触区域不受液压力作用，而柱塞副后段未接触区域受到排油压力的作用；

不同编号柱塞腔，以与其相对应编号的油液压力为起点，按柱塞运动规律在柱塞副后段柱塞与柱塞腔不接触区域分别施加相应时刻的油液压力；

本发明具有如下有益效果：

本发明的一种用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法，主要包括柱塞副前段接触力的加载、柱塞副后段接触力的加载和柱塞副后端液压力的加载，实现将柱塞泵缸体的转动引起的柱塞腔内受力的变化转化为柱塞腔内各部分载荷随时间的变化，大幅缩短仿真计算时间。

附图说明

图1为本发明的一种用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法流程图；

图2为柱塞受力分析示意图；

图3为柱塞腔内油液压力随转角变化示意图；

图4为柱塞副前段作用力随转角变化示意图；

图5为柱塞副后段作用力随转角变化示意图；

图6为九柱塞柱塞泵缸体三维图；

图7为九柱塞柱塞泵柱塞腔沿分布圆分布图；

图8为柱塞腔前段几何划分示意图；

图9为柱塞腔后段几何划分示意图；

图10为柱塞副前段作用力随转角变化划分简化示意图；

图11为柱塞副后段作用力随转角变化划分简化示意图；

图12柱塞腔前段各部分接触力随转角变化示意图；

图13柱塞腔后段各部分接触力随转角变化示意图；

图14柱塞腔后段各部分油液压力随转角变化示意图；

1、柱塞腔一；2、柱塞腔二；3、柱塞腔三；4、柱塞腔四；5、柱塞腔五；6、柱塞腔六；7、柱塞腔七；8、柱塞腔八；9、柱塞腔九；81、柱塞腔前段接触区域一；82、柱塞腔前段接触区域二；83、柱塞腔前段接触区域三；84、柱塞腔前段接触区域四；85、柱塞腔前段接触区域五；91、柱塞腔后段接触区域一；92、柱塞腔后段接触区域二；93、柱塞腔后段接触区域三；94、柱塞腔后段接触区域四；95、柱塞腔后段接触区域五。

具体实施方式

下面结合附图，并以9柱塞柱塞泵为例，对本发明进行详细描述。

本发明针对柱塞泵缸体有限仿真，提供一种用于柱塞腔载荷的加载方法，将柱塞泵缸体的转动引起的柱塞腔内受力的变化转化为柱塞腔内各部分载荷随时间的变化，大幅缩短仿真计算时间。

用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法，主要步骤如图1所示：

步骤1、柱塞泵缸体柱塞腔内载荷计算：如图2所示，以其中一个柱塞腔为例，本发明通过整体分析柱塞和滑靴受力求解柱塞对柱塞腔的作用力；

以柱塞开始吸油作为柱塞泵缸体转角的起点，柱塞端面受到的油液压力随柱塞泵缸体转角的变化规律示意图如图3所示，并从1到n依次编号，其中较小值为吸油口压力，较大值为排油口压力，在由吸油区到排油区以及排油区到吸油区过渡区取平均值作为该时间段内的油液压力；

柱塞对柱塞腔前段的作用力F1随缸体转角的变化规律示意图如图4所示；柱塞对柱塞腔后段的作用力F2随缸体转角的变化规律示意图如图5所示。

步骤2、几何切割和载荷简化：

几何建模并编号：本发明借助Solidworks软件建立柱塞泵缸体几何模型，如图6所示，并将柱塞腔沿缸体转动方向依次从1到n编号(其中n为柱塞个数)；本实例柱塞数目为9个，因此编号为1-9，如图6和图7所示；

柱塞腔柱塞副接触区域空间离散：本发明将各个柱塞腔与柱塞接触的前段区域等分为5-10段，如图8所示，本实例将柱塞腔前段接触区域划分为5段，并按靠近滑靴副侧到靠近配流副侧方向分别编号为81至85；将各个柱塞腔与柱塞接触的后段区域按柱塞在柱塞腔中的运动规律划分；不同柱塞划分规律不一样，奇数个柱塞划分为((n+1)/2)段，偶数个柱塞则划分为(n/2)段，并按靠近滑靴副侧到靠近配流副侧方向分别编号为1至((n+1)/2)或者1至(n/2)；如图9所示，本实例将柱塞腔后段接触区域划分为5段，并依次编号为91、92、93、94、95；

所述柱塞副前段为柱塞在柱塞腔中的最小留长段，靠近滑靴副侧，柱塞和柱塞腔一直接触，所述柱塞副后段为柱塞在柱塞腔中的行程段，靠近配流副；

作用力时间离散：本发明将图4所示的柱塞对柱塞腔前段的作用力F1随缸体转角的变化平均离散为n等份，并取各时间段内的均值F1i(i＝0,2,…,n-1)作为该时间段内柱塞对缸体的作用力，如图10所示；

本发明将如图5所示的柱塞对柱塞腔后段的作用力F2随缸体转角的变化平均离散为n等份，并取各时间段内的均值F2i(i＝0,2,…,n-1)作为该时间段内柱塞对缸体的作用力，如图11所示；

步骤3、以载荷的变化模拟柱塞泵缸体的转动实现柱塞腔内载荷的加载：

本发明以柱塞腔内各个区域的载荷随时间不断变化，模拟由于柱塞泵缸体转动引起的柱塞腔内的载荷变化；

本发明以图6和图7所示1号柱塞腔载荷为例详细说明载荷加载过程；

1号柱塞对柱塞腔前段接触力F1的加载：

如图2所示，柱塞副前段的接触力F1按线性规律分布，靠近滑靴副侧的接触力大，而靠近配流副侧的接触力小；

1号柱塞腔内柱塞对其作用力随着转角的变化不断变化，本发明以柱塞腔内载荷的变化实现由于缸体转动，柱塞在柱塞腔内的运动引起的柱塞对柱塞腔作用力的变化；

将如图10所示的各时间段内的柱塞副前段的平均接触力F1i按线性规律施加到如图8划分的柱塞腔与柱塞接触的前段区域，使在某一时间段内，施加在图8所示各区域的合力刚好等于图10所示该时间段内的F1i，且靠近滑靴副侧的接触力大，靠近配流副侧的接触力小；柱塞对柱塞腔前段各部分作用力随转角变化规律示意图如图11所示；

柱塞对柱塞腔后段接触力F2的加载：

如图2所示，柱塞副后段的接触力F2按线性规律分布，靠近配流副侧的接触力大，而靠近滑靴副侧的接触力小；

将如图12所示的各时间段内的柱塞副后段的平均接触力F2i按线性规律施加到如图9划分的柱塞腔与柱塞接触的后段区域，使在某一时间段内，施加在图9各区域的合力刚好等于图12所示该时间段内的F2i，且靠近配流副侧的接触力大，靠近滑靴副侧的接触力小；柱塞对柱塞腔后段各部分作用力随转角变化规律示意图如图13所示；

柱塞副后段液压力的加载：

柱塞腔内的油液压力与柱塞腔所处位置有关，当柱塞腔处于吸油区，柱塞腔内油液压力为吸油压力，当柱塞腔处于排油区，柱塞腔内油液压力为排油压力；

柱塞副后段部分柱塞相对柱塞腔轴向运动，随着柱塞在柱塞腔中的位置不同，液压油会不断进入和排出柱塞腔，从而实现吸排油过程；

柱塞腔内柱塞与柱塞腔不接触区域(柱塞副后段)液压力：随着柱塞在柱塞腔内位置的变化，柱塞腔内受到液压力的范围也是不断变化的；吸油过程中，柱塞副后段接触区域减小，减小区域受到吸油压力的作用；排油过程中，柱塞副后段接触区域变大，接触区域不受液压力作用，而柱塞副后段未接触区域受到排油压力的作用；

对于1号柱塞腔，以编号为1的油液压力为起点，按柱塞运动规律在如图9所示的柱塞副后段柱塞与柱塞腔不接触区域分别施加相应时刻的油液压力，柱塞副后段各部分液压力随转角变化示意图如图14所示；

其他编号柱塞腔内的载荷，以与其相对应编号的载荷为起点，按照编号1柱塞腔载荷施加方法依次施加个载荷，但是整体载荷编号形成闭合，以5号柱塞腔载荷为例，载荷施加顺序编号为：5-6-7-8-0-1-2-3-4-5。

本发明的一种用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法，主要包括柱塞副前段接触力的加载、柱塞副后段接触力的加载和柱塞副后端液压力的加载，实现将柱塞泵缸体的转动引起的柱塞腔内受力的变化转化为柱塞腔内各部分载荷随时间的变化，大幅缩短仿真计算时间。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于柱塞泵缸体有限元仿真的柱塞腔载荷加载方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、柱塞泵缸体柱塞腔内载荷计算，具体为：

柱塞对柱塞腔作用力计算：通过对柱塞和滑靴进行受力分析，列力和力矩平衡方程，得到柱塞对柱塞腔的作用力变化规律；

其中，作用在柱塞端面的液压力随着柱塞泵缸体的转动随时间不断变化，在分析中以柱塞开始吸油为起始点，并从1到n依次编号；

步骤2、几何切割和载荷简化，具体为：

几何建模并编号：借助Solidworks软件建立柱塞泵缸体几何模型，并将柱塞腔沿缸体转动方向依次从1到n编号，其中n为柱塞个数；

柱塞腔柱塞副接触区域空间离散：将各个柱塞腔与柱塞接触的前段区域等分为5-10份并连续编号，将各个柱塞腔与柱塞接触的后段区域按柱塞在柱塞腔中的运动规律划分；不同柱塞划分规律不一样，奇数个柱塞划分为(n+1)/2段，偶数个柱塞则划分为n/2段，并在划分基础上连续编号；

柱塞副前段为柱塞在柱塞腔中的最小留长段，靠近滑靴副侧，柱塞和柱塞腔一直接触，柱塞副后段为柱塞在柱塞腔中的行程段，靠近配流副；

作用力时间离散：将得到的柱塞对柱塞腔前段接触力F1随缸体转角的变化平均离散为n等份，并取各时间段内的均值F1i，i＝0,2,…,n-1，作为该时间段内柱塞副前段的平均接触力；同时将得到的柱塞对柱塞腔后段接触力F2随缸体转角的变化平均离散为n等份，并取各时间段内的均值F2i，i＝0,2,…,n-1，作为该时间段内柱塞副后段的平均接触力；

步骤3、以载荷的变化模拟柱塞泵缸体的转动实现柱塞腔内载荷的加载：

柱塞腔内各个区域的载荷随时间不断变化，模拟由于柱塞泵缸体转动引起的柱塞腔内的载荷变化；

柱塞对柱塞腔前段接触力F1的加载：

由于柱塞副前段的接触力按线性规律分布，靠近滑靴副侧的接触力大，而靠近配流副侧的接触力小；

不同编号柱塞腔，以与其相对应编号的载荷为起点，依次将各时间段内的柱塞副前段的平均接触力F1i按线性规律施加到划分的柱塞腔与柱塞接触的前段区域，使该时间段内施加在各区域的合力刚好等于F1i，且靠近滑靴副侧的接触力大，靠近配流副侧的接触力小；

柱塞对柱塞腔后段接触力F2的加载：

由于柱塞副后段的接触力按线性规律分布，靠近配流副侧的接触力大，而靠近滑靴副侧的接触力小；

不同编号柱塞腔，以与其相对应编号的载荷为起点，将各时间段内的柱塞副后段的平均接触力F2i按线性规律施加到划分的柱塞腔与柱塞接触的后段区域，使施加在各区域的合力刚好等于F2i，且靠近配流副侧的接触力大，靠近滑靴副侧的接触力小；

柱塞副后段液压力的加载：

柱塞腔内的油液压力与柱塞腔所处位置有关，当柱塞腔处于吸油区，柱塞腔内油液压力为吸油压力，当柱塞腔处于排油区，柱塞腔内油液压力为排油压力；

柱塞副后段部分柱塞相对柱塞腔轴向运动，随着柱塞在柱塞腔中的位置不同，液压油会不断进入和排出柱塞腔，从而实现吸排油过程；

随着柱塞在柱塞腔内位置的变化，柱塞腔内受到液压力的范围也是不断变化的；吸油过程中，柱塞副后段接触区域减小，减小区域受到吸油压力的作用；排油过程中，柱塞副后段接触区域变大，接触区域不受液压力作用，而柱塞副后段未接触区域受到排油压力的作用；

不同编号柱塞腔，以与其相对应编号的油液压力为起点，按柱塞运动规律在柱塞副后段柱塞与柱塞腔不接触区域分别施加相应时刻的油液压力。

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