基于CFD的液压阻尼器低速特性仿真分析.pdf

．设计 ． 计算． 研究． 基于 CF D的液压 阻尼器低速特性仿真分析 ★ 贺李平 顾 亮 刘建 勇 王 猛 北 京理工 大学 【 摘要】 以液压阻尼器结构特点为基础， 采用预留液体间隙层方法模拟阻尼器的内部泄漏 ， 建立了具有较高精度 的阻尼器流体 网格模 型 ， 应用计算流体动力学 C F D 数值方法对其进行 了仿真分析 ， 获得 了阻尼器低速特性以及 内流 场规律 测试结果验证 了 C F D仿真分析 的准确性。 主题词 液压 阻尼器CF D仿真分析 中图分类号 U 4 6 3 ． 2 1 3 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 f 2 0 1 0 0 5 0 0 1 0 0 4 S i mu l a t i v e An a l y s i s o f Lo w S p e e d Ch a r a c t e r i s t i c s f o r Hy d r a u l i c Da mp e r s b a s e d o n CFD He L i p i n g ， Gu L i a n g ， L i u J i a n y o n g ， Wa n g Me n g B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 【 A b s t r a c t ] T h e i n t e r n a l l e a k a g e o f h y d r a u l i c d a m p e r s i s mo d e l e d w i t h p r e a r r a n g e d fl u i d l a y e r o n t h e b a s i s o f s t r u c t u r a l c h a r a c t e ri s t i c o f d a mp e rs， t h e n ， t h e fl u i d g r i d mo d e l o f d a mp e r s wi t h h i g h a c c u r a c y i s e s t a b l i s h e d ， a n d u s e d f o r C F D s i mu l a t i o n ．F i n all y ，t h e l o w s p e e d c h a r a c t e ris t i c s a n d i n t e rna l fl u i d fi e l d d i s t rib u t i o n o f d a mp e rs a r e o b t a i n e d ．Th e e x p e ri me n t s p r o v e t h a t t h e C F D s i mu l a t i o n i s s a t i s f a c t o r y a c c u r a t e ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c d a mp e r s ， CF D， S i mula t i v e a n a l y s i s 1 前言 液压阻尼器 的阻尼减振作用 由内部 的阻尼 阀 产生 ． 因此 ． 阻尼阀特性对阻尼器特性有决定性影 响[ 1 ．2 J 。在传统 的阻尼器参数模型中 。 通常采用工程 流体力学的半经验公式对阻尼 阀特性进行估算 。 而 模型参数主要依赖于试验 ． 同时阻尼阀的阀片变形 量、 流量系数和节流指数等关键参数也不容易准确 得到[ 3 - 6 ] ． 导致估算结果误差较大。随着有限元方法 F E M 和计算流体动力学 C F D 技术 的进步 ． 在 阻 尼器设计阶段准确预测其性能并进行优化设计 已经 成为可能 。 这对于提高阻尼器的设计效率 、 缩短开发 周期 具有重 要意 义 本文在分析阻尼器结构特点 的基础上 ．应用 } 基 金项 目 国家部委预研项 目 5 1 4 0 4 0 4 0 1 0 4 B Q 0 1 4 6 。 C F D数值方法对 阻尼器建立 了精度较高的流体网 格模型，并对其进行 了 C F D仿真分析及试验验证 ， 获得了阻尼器低速特性以及内流场规律．也为进一 步进行流一 固耦合仿真奠定 了基础。 2 液压 阻尼器结构及特性分析 图 1 为液压阻尼器活塞阀结构图 活塞阀包括 工作于拉伸行程的复原阀 l 以及工作于压缩行程的 流通阀 2两部分 ， 其 中， Q 为流经复原阀的流量 ， Q 为流经流通阀的流量。 拉伸行程 中 ．液压 油液从左侧腔室流经活塞 孑 L ． 再 由复原 阀阀片常通小孔及活塞与阀片变形缝 隙流人右侧腔室 图 1 箭 头所示 Q ， 从而 产生阻 尼力 。低速时 ． 油液压力不足以推动处于预压载荷 4 T h e Ma t h w o r k s I n c． I ， 0 Re f e r e n c e Gu i d e ． Xp c T a r g e t Wi t h Re a l T i me w o r k s h o p ， 2 0 0 4 ． 5 Ad v a n t e c h C AN C a r d P CI 一1 6 8 O U Us e r ’S Ma n u a 1 ． T a i wa n Ad v a n t e c h C o L t d． 2 0 o 4 ． 6 孟 诏 ， 杨建 武 。 孙树 文． 基于 V C供 L a b v i e w 调用 的 C A N 一 1 0 一 卡驱动设计． 微计算机信息， 2 0 0 8 ， 2 5 1 7 7 1 7 9 ． 7 赵 亚明． 马旭 东． S i mu l i n k ／ R T W 下 x P C T a r g e t的 S函数 驱动模块开发． 机械工程与 自动化， 2 0 0 7 3 5 0 ～ 5 2 ． 责任编辑帘青 修改稿收到 日期为 2 0 1 0年 3月 2 9日。 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．设计 ． 计算 研究 作用下 的阀片产生挠度变形 ， 因此油液仅能 由阀片 常通小孔流 出 中高速时 ， 油液压力克服 阀片预压 载荷 ． 推动 阀片产生挠度 变形 ， 油液通过 阀片常通 小孔以及活塞与 阀片变形缝 隙流人右侧腔室 ， 同样 产生阻尼力。 压 缩 行 程 中 ．油 液 从 右 侧 腔 室 流 经 活 塞 常 通 孔 ． 推动流通 阀阀片产生挠度变形 ， 从而 流入左侧 腔室 图 1 箭头所示 Q 。 由于流通 阀阀片很薄 ， 且 不存在预压载荷 ． 使阀 门开启压力很小 ． 阀片挠度 变形较大 ．因此可将其看作单 向阀而不考虑节 流 作用 。 图 2为典型的液压阻尼器拉伸行程速度特性曲 线 曲线主要分为 3段 第 l段为低速特性 ， 即阀片 未产生挠度变形 第 2段为中速特性 ， 阀片产生挠度 变形且未达到最大变形量 第 3段为高速特性 。 阀片 已达最大挠度变形量 ， 变形不再增加。其中 ， 为活 塞运动速度 ， I ， 为开阀点活塞运动速度 ， 为最大 开 阀 点 活塞 运 动 速 度 ； 为 阻尼 力 ， 。 为 开 阀点 阻 尼力 ， 为最 大开 阀点 阻尼 力 。 拉伸行程 ● _- ___ 。 压缩行程 - __ _- ■ 图 1 液压阻尼器活塞阀结构 O 图 2液压 阻尼器速度特性 曲线 3 C F D数值方法 一 般情况下 ．阻尼器所用油液可看作不可压缩 的牛 顿流 体 ， 满 足 连续 方程 及运 动 方程 Ⅳ- ．s方程 。 由于节流通道复杂 ． 阻尼器内流场一般应为湍流 ， 流 体控制方程采用数值解法求解。 3 ． 1 湍流平均运动控制方程 湍流运动可看作由时间平均流动和瞬时脉动流 动两个流动叠加而成17 1 。例如 ． 将速度矢量 y看作平 均速度矢量y 和脉动速度矢量 之和 。 即 2 0 1 0年第 5期 1 以下为表示方便 ， 除脉动量 的时均值外 ， 省略表 示平均值 的上划线符号“ 一 ” ， 如 来表示 。 由质量守恒定律可得连续方程 Vg V O 2 由动 量守 恒定 律 可得运 动 方程 g p 印 g V O 3 式 2 、 式 3 中， 为哈密顿算子 ； p为密度 ； 为时 间； ∥ 为体积力 ； P为压力 ； 为动力粘度 ； - p V V 雷诺应力张量的时均值 3 ． 2 湍 流模 型 由于在 ， 、 ， 一 Js方程 中引入了雷诺应力 ． 因此还需 引入湍流模型才能使控制方程封闭。 基于 后 模型的 S S T湍流模型综合 了近壁 一 c J 模型的稳定性及边界层外部 一 模型的独立性的 优点 ， 计算性能优于后两者。 S S T湍流模型的控制方 程 为【 0 1 V g p v k V g 等 卟 4 V g p V oJ g ∞ ] 1 - 2 I口 古 z 5 式 中 ， k为湍 动 能 ； ∞ 为 湍动 频 率 ； 为 涡粘 性 系 数 ； 2 、 O w 2 、 O t 、 为经 验常 数 ， 一般 分别 取 为 1 、 0 ． 0 9 、 1 ． 1 6 8、 0． 4 4、 0． 08 2 8。 另外 ， 表示 由粘性力引起的产生项 P vv 7 6 为合成函数 F t a n h a r g l 7 其 中． 一mi n ， ， 4 p k 】 8 式 中， Y 。 为到壁面的距离 ； 为运动粘度。 c D m a 【 【2 p 者 ．j} ’ 1 ．0 1 0 。 9 引入 涡粘性 系数 l ， t V t- a 丽lk 1 0 式 中， 5 ／ 9 ； S为应变率 的不变测度。 垃 1 1 P 为合成 函数 F 2 t a n h a r g 2 2 1 2 一 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．设计 ． 计算 ． 研究 ． 其 中 ． a r g 2 一x ， 1 3 3 ． 3方程离散 及流 场求解 采用有限体积法对控制方程进行离散 ，并采用 S I MP L E算法求解流场 首先使用预测的压力场求 解离散形式的 Ⅳ 一 ．s方程 ． 得 出速度场 接着求解通 过连续方程离散形式建立的压力修正方程．得到压 力场的修正值 然后利用压力修正值更新速度场和 压 力场 这样反 复迭代 直至 收敛 。 4 液压阻尼器流场网格模型 活塞阀在拉伸行程中．油液主要流经图 1 所示 的流道 除此之外 ．部分油液将流过活塞与缸体之 间 的环 形 缝 隙 以及 导 向器 与 活 塞 杆之 问 的 环形 缝 隙． 从而产生一定泄漏 然而 ． 若在流场仿真模型中 建 立这两 处泄漏 模 型将极大 增加计 算量 ．难 以取得 精 确结果 为模 拟油 液泄漏 ，本 文在 阀片与 活塞之 间预 留液体间隙层 ．这样还可用来进行 开阀后 的 流一 固耦合仿真 为提高计算精度． 以六面体优先方式对复原阀流 场进行网格划分．并将预留间隙层划分为 1 0层六面 体。 复原阀下游较长， 以设置合理的边界条件。 考虑复 原 阀流场 的对称性 。 建立 l ／ 4网格模 型 ． 如 图 3所示 。 模型 网格特征列于表 1 ． 在关键节流 区域 网格较密 一 1 2 一 a 复原阀网格模型 b 复原阀局部网格 隙 层 c 常通 小 孔 局 部 网 格 图 3 复原阀流场 1 厂 4网格模型 表 1 复原阀流 场网格特征 个 网格形式 六面体 楔形体 金字塔 四面体 网格 数 量 4 4 7 3 4 7 1 7 6 9 41 3 0 5 8 8 8 5 合 计 51 2 l 3 1 5 C F D仿真分析与试验 5 ． 1 边界 条件 上游入 口边界均匀速度与时 间关 系如 图 4所 示 ， 湍流强度为 5 ％； 下游出口压强 P O 相对大气压 强 ； 对称面采用对称边界 ； 其余壁面为无滑移壁面 边界条件。 g 口 时 l司／ s 图 4 人 口速度与时间曲线 5 ． 2 预 留液体 间隙 层 通过监测流经阀片常通小孔和预留液体间隙层 的流量 ．可确定不 同预留液体间隙层厚度所引起的 泄漏量 图 5 ． 从而确定用于阻尼仿真 的最终计算 模型 运 厦 V mm S 图 5 阀片常通小孔流量与速度曲线 图 5中． 6为预留液体间隙层厚度 。由图 5可 知 ． 在 6 0 ． 0 2 mm时 ． 流 经 阀片 常通小 孔 的流量 接近 无预 留液体间隙层 0 的流量。 过薄的预留液体间 隙层将给网格处理带来困难 ． 同时影响计算精度 ． 因 此 ．本文选择 6 0 ． 0 2 m m作为阻尼仿真的最终计算 模 型。 ． 、 ， 5 ． 3阻尼仿 真与试 验 随着入 口速度由零逐渐增大 ．流场将经历从层 流到紊流的转变。因此在 V ≤6 0 mm ／ s 时采用层流 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．设计 - 计算 ． 研究 模型 ，在 6 0 m m ／ s ≤V d ≤1 0 0 m m ／ s 时采用 S S T湍流 模 型进行 仿 真 。 通过监测 固壁所受力值．可以直接获取活塞阀 阻尼值。 为进行对 比分析 ， 分别采用层流模型与 S S T 湍流模型进行 了仿真 ， 如图 6所示。 Z 速 度 V J mm S 。 。 图 6活塞阀低速速度特性 对比 图 6中 ． C F D仿 真 所 得 的 阻 尼 值 包 含 了 试 验 实测 的机 械 摩 擦 阻 力 2 8 ． 4 N 。由 图 6可 知 。 层 流 模 型在 ≤6 0 m m／ s时与试 验值吻合很好 ，但 随 着活塞运动速度 的增加 ．计算值偏离试 验值不断 上升 ； S S T湍流模型在 ≤6 0 mn l ／ s时相对试 验值 略 偏 小 层 流 一 S S T湍 流 模 型 考 虑 了初 始 层 流 流 动 和后续湍流流动 ．在整个速度 区间与试验 值吻合 较好 。 5 ． 4流场 分析 C F D仿真分析可以获取试验难 以测试 、 理论难 以计算的流场细节。图 7为复原阀压力云 图 1 0 0 m m ／ s ． 图 8为对应 的流线 图 。 “2 5 1 0 6 ～ ／ 图 7复原 阀压力 云图 1 0 0, n m ／ s 流线速度／ m． s 5 2 3 9 2 6 l 3 0 图 8复原 阀流线 图 V a 1 0 0 mm ／ s 由图 7可知。阻尼阀的低速特性 由阀片常通小 孑 L 决 定 ，即阀片 常通 小 孔起 主 要节 流 作用 。 由图 8 2 0 1 0年第 5期 可知 。油液流经阀片常通小孔后 ．流场处于紊流状 态 ．也进一步说明出口位置有必要设置在远离阀口 的下 游 区域 。 6结束 语 a ． 可采用预留液体 间隙层模拟阻尼阀泄漏方 法模拟液压阻尼器的动态特性 这种模拟方法不仅 适用于阻尼阀低速特性仿真 ， 而且适用于中 、 高速的 流一 固耦合仿真。 b ． 采用层 流一 S S T湍流混合模 型能充分考虑 到流场历经层流到湍流的全过程 ． 符合实际情况 ． 试 验也验证 了这一事实 c ． 采 用 C F D仿真方法对 阻尼器进 行动态特 性模拟可以取得满意的计算精度 这种仿真方法对 于深入理解阻尼器的工作原理 、 改进结构设计、 减少 试验 费用 、 缩 短产 品研 发 周期 具有 重要 意 义 。 参 考 文 献 1 贺李平． 顾亮 。 辛 国国． 等． 减振器环形 阀片大挠 曲变形 的 高精度解析式． 北京理工大学学报， 2 0 0 9 ， 2 9 6 5 1 0 ～ 5 1 4 ． 2 吕振华． 姜利泉． 基于液一 固耦合有限元分析方法 的气一 液 型 减 振 器 补 偿 阀性 能研 究 ． 工 程 力 学 ， 2 0 0 6 ， 2 3 1 1 1 63 ～1 69． 3 R i c h a r d K a s t e e l ， Wa n g C h e n g g u o ， Q i a n L i x i n ， e t a 1 ． A n e w s 、h o c k a b s o r b e r mo d e l f o r u s e i n v e h i c l e d y n a mi c s s t u d i e s ． V e h i c l e S y s t e m D y n a mi c s ， 2 0 0 5 ， 4 3 9 61 3 - 6 3 1 ． 4 Du y m S ．S i mu l a t i o n t o o l s ，mo d e l l i n g a n d i d e n t i f i c a t i o n ，f o r a n a u t o mo t i v e s h o c k a b s o r b e r i n t h e c o n t e x t o f v e h i c l e ● ， d y n a mi c s ． Ve h i c l e S y s t e m Dy n a mi c s ， 2 0 0 0 ， 3 3 2 6 1 - 2 8 5 ． 5 Du y m S ， S t i e n s R， Re y b r o u c k K． E v a l u a t i o n o f s h o c k a b s o r b e r mo d e l s ． Ve h i c l e S y s t e m Dy n a mi c s ，1 9 9 7 ， 2 7 1 0 9 - 1 2 7． 6 Kw a n g i n L e e ． Nu me ri c a l mo d e l l i n g f o r t h e h y d r a u l i c p e r f o r ma n c e p r e d i c t i o n o f a u t o mo t i v e mo n o t u b e d a mp e r s ． Ve h i c l e S y s t e m D y n a mi c s ， 1 9 9 7 ， 2 8 2 5 - 3 9 ． 7 林建忠。 阮晓东， 陈邦 国． 等． 流体力 学． 北京 清华大学 出 版社． 2 0 0 5 ． 8 W i l c o x D C．Mu h i s c a l e mo d e l for t u r b u l e n t fl o ws ．AI AA 2 4 t h Ae r o s p a c e S c i e n c e s Me e t i n g ．US A Ame ric a n I n s t i t u t e o f Ae r o na u t i c s a nd As t r o na u t i c s ，1 98 6． 9 Me n t e r F R．Mu h i s c a l e mo d e l f o r t u r b u l e n t fl o w s ． 2 4 t h F l u i d Dy n a mi c s C o n f e r e n c e ． US A Ame ri c a n I n s t i t u t e o f Ae r o n a u t i c s a n d As t r o na u t i c s ，1 993 ． 1 0 Me n t e r F R． T w o e q u a t i o n e d d y- v i s c o s i t y t u r b u l e n c e mo d e l s for e n g i n e e ri n g a p p l i c a t i o n s ． A I A A ，[ 9 9 4 ， 3 2 8 1 5 9 8 ～ l 6 0 5 ． 责任编辑帘青 修改稿收到 日期为 2 0 1 0年 2月 1 7 1 3 一 】 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m