基于ANSYS的超高压电磁换向球阀优化设计

2015-01-20 陈伟山东科技职业学院

　　建立了超高压工况下电磁换向球阀优化设计的数学模型，采用ANSYS软件的命令流方式进行优化求解，得出其相关结构参数的最优值，并将结果与C++随机方向法运行的结果进行了比较。结果表明电磁换向球阀数学模型的普适性，以及利用ANSYS软件进行优化设计程序编写简单，运行速度快，结果精确度高。

　　电磁换向阀是利用电磁铁吸力操纵阀芯换位，通过阀芯和阀体间相对位置的变化来接通、断开油路，从而达到控制执行元件的启动、停止，或改变运动方向的目的。球阀式电磁换向阀由于其密封性好，工作可靠性高，现已在超高压液压领域得到广泛的应用。

1、建立超高压电磁换向球阀优化设计的数学模型

　　电磁换向球阀在换向过程中，阀芯上作用有电磁铁的推力、黏滞性阻尼力、瞬态液动力、稳态液动力、以及弹簧力;而在复位过程中，阀芯上作用有弹簧力、瞬态液动力、黏滞性阻尼力、稳态液动力及电磁铁剩磁力。所以，选取瞬态液动力、黏滞性阻尼力和稳态液动力作为分目标函数，分别用f1(X)，f2(X)，f3(X)表示。

　　阀芯上作用的瞬态液动力与球阀进出口压差、阀座孔直径及流速有关;阀芯上作用的黏滞性阻尼力与阀芯移动速度及钢球阀芯半径有关;阀芯上作用的稳态液动力与球阀开口量、液体流量、钢球阀芯半径、流速和阀座孔直径有关。所以，选择阀座孔直径d、钢球阀芯半径R及球阀开口量δ三项参数作为设计变量，分别用x1，x2，x3表示。

　　应用理想点法将多目标优化设计问题转化为单目标优化设计问题，数学模型为

　(1)

　(2)

　　式中 W1，W2，W3——加权系数;

　　f*1——瞬态液动力的理想点;

　　f*2——黏滞性阻尼力的理想点;

　　f*3——稳态液动力的理想点;

　　(压力损失小于许用压力损失值)

　　(阀芯开口通流截面积不大于阀座孔环行流道通流截面积)

　　(电磁铁的额定行程与杠杆比)

　　(阀座孔环形流道的流速不大于阀座孔中的流速)

　　g6(X)=d-0.6≥0(结构尺寸及阀口通流能力约束)

　　(钢球阀芯截面积与阀座孔截面积约束)

　　(为保证可靠密封，取10b=d，(b.阀口全开时，单边配合长度))

2、有限元分析ANSYS软件的优化设计方法

　　ANSYS软件优化算法基本参数有设计变量、状态变量和目标函数。其中，设计变量就是自变量，用符号DV表示，需要定义上下限限制其变化范围，在软件ANSYS中最多允许有60个设计变量。所谓状态变量就是约束条件，用符号SV表示，它是前面设计变量的函数，这个函数可以限制其上限或下限，也可以上下限都进行限制，在软件ANSYS中可以最大定义100个状态变量。所谓目标函数就是优化设计的目标，用OBJ表示，也是设计变量的函数。

　　ANSYS优化设计有2种求解运行模式：①GUI模式;②Batch模式。GUI求解模式包括2个设计文件：①分析文件;②优化控制文件。编写完这2个文件，在ANSYS的命令窗口输入优化控制文件，就可以完成整个优化过程。

3、优化设计实例

　　液压系统使用抗磨液压油二位三通电磁换向球阀YB-N68，公称压力p=63MPa，最高压力pmax=80MPa，液压泵的排量υg=8mL/r，公称流量qg=11.6L/min，公称通径d=8mm，允许的压力损失[Δp]=1.5kPa。满足上述条件的电磁换向球阀的各分目标函数的数学模型建立如下：

　　瞬态液动力(不考虑方向性)