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基於流固耦合的多級（jí）缸缸體性能分析（xī）

2016-8-22 來源：山東科技大學機械電子工程學院作者：隋秀（xiù）華劉翠蘇旭何靜

以ZZ15000/24/47 型液壓支架（jià）立柱缸（gāng）體為研究對象，利用三維數字化建模（mó）軟件對（duì）缸體進行建模，應用有限元分析軟件，基於單向流固耦合原理對缸體（tǐ）結構進行流固耦合分析，對（duì）純油液壓力作用下（xià）缸體結構進行靜力學分析，然後將缸體結構在上述2 種分析中得到的位移雲圖和應力雲圖（tú）進行分析比較。

電感1 000 mH。圖4、圖5 是最終輸出的相電壓和線電壓波形，相（xiàng）電壓輸出（chū）為3 個電平，線電壓（yā）輸出為5 個電平。相電（diàn）流波形如圖6 所示。

圖4 逆變器輸出的相電壓波形

圖5 逆變器輸出的線電壓波形

圖6 相電流波形

若（ruò）帶的負載為電機時，輸出的線電壓波形如圖7 所示。

圖7 帶電機時的（de）相電壓波形

4 結語在傳統的煤礦變頻器SVPWM 算（suàn）法（fǎ）的基（jī）礎上采用了一種基於60°坐（zuò）標係SVPWM 的新算法，該方法極大地簡化了扇區判斷（duàn）和矢量作用時間的計（jì）算過（guò）程，具有很強的實用性，並通過MATLAB 建模仿真實現了該算法，在仿真中采用了電機負載和靜態阻感負載2 種負載，結果表明（míng）了該方法（fǎ）的（de）正確性。

液壓支架是機械化（huà）采煤的重要設備，通常用於支撐煤壁和保護（hù）采煤過程順利進行，而立柱是液壓支架重要的部件，其穩定（dìng）性直接影響著支架的可靠性。立（lì）柱的強度校核是液壓支架設計的關鍵環節，本文采用有限元分析軟件，基於單（dān）向（xiàng）流（liú）固耦合對液壓支架伸縮式雙作用立柱全部伸出時的缸體進（jìn）行流固耦合分析，獲得流場真實的壓力載荷，將此載荷（hé）施（shī）加到缸體內表（biǎo）麵上進行結構分析；同時對缸（gāng）體在油液壓力作用下進行了結構靜力學分析。最後對比2種分析下缸體的應力分布和變形分布。

1 缸體流固（gù）耦合數值模擬

（1）流固耦合問題的數值求解方法流固耦合是流體力學與固體力學交叉生成的一（yī）門學科。近年來得（dé）到了廣泛的應用（yòng）。從控製方程解法角度，流固耦合分為直（zhí）接求解的強耦合和分區迭代的弱耦（ǒu）合。從本質上講，強耦合即為流固耦（ǒu）合問題的求解應（yīng）該根據統一的耦合方程，在（zài）一個時間步內（nèi）對流體域和固體域中所有（yǒu）的未知量同時求解。忽略固體變形對流場的影響，選用弱耦合方法中的（de）單（dān）向流固耦合方法對缸體結構進行力學性能分析。

（2）幾何模型的建立

選取ZZ15000/24/47 型液壓（yā）支（zhī）架立柱為研究對象。采用三維建模軟件Pro/E 對（duì）立柱進（jìn）行建模，如圖（tú）1 所示。本文主要分析（xī）缸體，因此需要對缸（gāng）體結構進行簡化，去除受力不大的附件、倒角等結構。為能正確（què）反映缸體的實際工作情況（kuàng），需要保留中缸（gāng）體和缸底。簡化後立柱缸體的三維模型如圖2 所示。

（3）缸體流固耦合分析

①缸體流場模型流場計算選用的（de）是有限元分析軟件中的流體模塊fluent，分析時將缸體的進口

設為（wéi）泵站壓（yā）力（p=32 MPa），中缸（gāng）體底端底閥處作為缸體流場（chǎng）的出（chū）口，將該出口設（shè）為壓力出口，出口壓力為中缸體內部壓力，固壁邊（biān）界采用無滑移邊界條件，近壁區（qū）域（yù）采用標準壁麵函數處理。將分析中流動（dòng）介質設為（wéi）水，采用SIMPLEC 算法及基（jī）於壓（yā）力基穩態求解器，選（xuǎn）用（yòng）標準的k-ε 雙方程湍流（liú）模型，標準k-ε 模型（xíng）

②缸體內流（liú）道靜（jìng）壓分布油（yóu）缸ZX 對稱麵上的（de）油壓分布圖如圖3 所（suǒ）示。由於立柱油缸的動力是由泵站提供的，油缸（gāng）的進口與泵站相連，所以油缸進（jìn）口（kǒu）處油壓為33 MPa。中缸體底端底閥處為缸體（tǐ）流場的出口，油（yóu）壓最大為62.4 MPa，並且缸體內部的流場壓力分布均（jun1）勻；

圖3 油缸ZX 對稱麵上的靜壓分布圖（MPa）

③缸體有限元模型基於ANSYS Workbench平台對立柱缸體（tǐ）進行（háng）流固耦合分（fèn）析。利（lì）用ANSYS12.0軟件（jiàn）的無縫連接功能，將缸體的三維視圖（tú）傳遞（dì）到靜態結構分析中，油缸（gāng）的材料采用27SiMn，材料屬（shǔ）性如表（biǎo）1 所示。利用ANSYS Workbench 網格劃分功（gōng）能，進行缸體的網格劃分。

缸體有限元模（mó）型的約束條（tiáo）件：缸體的缸底采用固定約束；中缸體內部的油液對中缸體的下表麵（miàn）有（yǒu）壓（yā）力作（zuò）用，所以在保留的中缸體的下表麵施加壓力載荷；

④計算結果分（fèn）析圖4 和（hé）圖5 分別為流固耦合作用（yòng）下的位移變形及（jí）應力（lì）雲圖。由圖4 可以看出，在（zài）流固耦合作（zuò）用下，位於（yú）中缸（gāng）體底端底閥處的位移變形最大，最大值為1.723 mm，且位於缸體結（jié）構體上越靠近缸體底（dǐ）端（duān）位移（yí）變（biàn）形越小。由圖5 可知，油液經缸體進口進入到缸體內時油壓（yā）均（jun1）勻作用到內表麵，致使缸體的內表麵壓力變化比較均勻，應力值為160.19 MPa，缸（gāng）體頂端應力值（zhí）為639.82 MPa，中缸體底端底閥處應力值最大，應力值為1 439.2 MPa。

圖4 流固耦合作用下缸體的位移變形（xíng）雲圖

圖5 流固耦合作用下缸體的應力雲圖

2 油液壓力作用（yòng）下缸體（tǐ）的結構靜力學分析

（1）缸體的有限元模型

將上述分析中結構體模型導入到結構靜力分析模（mó）塊中，對（duì）缸體的缸（gāng）底施加固定約束，把油缸看

作是受壓容（róng）器（qì），所以（yǐ）分析時在缸體的內部、中缸體的底（dǐ）端均施加壓力載荷。缸體加載壓力（lì）

圖6 和圖7 為分析後的位移變形雲圖和（hé）應力雲圖。由圖6 可以（yǐ）看出，中缸體底（dǐ）端底閥（fá）處位移變（biàn）

形最大，最大值為0.781 1 mm，且缸體上越靠近（jìn）底端位移變形值越小。由圖7 可知，缸體進出口處的（de）

應力（lì）值最大，最大值為（wéi）623.71 MPa。且缸體頂端的應力（lì）值為278.56 MPa，缸體內表麵（miàn）應力值為347.59

MPa。

圖6 缸體的位移變形雲圖

圖7 缸體的應力雲圖

3 分析（xī）結果比較

對比（bǐ）分析上述2 種工況可以得到，缸（gāng）體在純油液壓力作用下的位移變形與在流固（gù）耦合作用下（xià）的位移變形變化（huà）趨勢一（yī）致，但（dàn）同一（yī）位置處的變形值（zhí）相差較大。在流固耦合作（zuò）用下中缸體底端（duān）底閥處最大應力為1 439.2 MPa，遠大（dà）於油液壓力作用下的（de）最大應力值623.71 MPa，這是因為從活柱傳（chuán）遞（dì）來的力使（shǐ）中缸體內的壓力增大，並且底閥處的截（jié）麵（miàn）積突然減小，油液經（jīng）缸體進入到中缸體內時，油液的阻力變大，致使底閥處的應力值最（zuì）大。立柱的材料為27SiMn，其屈服極限為σs=835 MPa，中缸體底端底閥處的應力值大於材料的屈服極限，此處為危險位置（zhì）。並且（qiě）流固（gù）耦合作用下缸體頂端的應力值大於油液壓（yā）力作用下（xià）此處的應力值。通過分析可得應用流固耦合對立柱進行分析更加符合實際情況。

4 結語

（1）缸體在流固（gù）耦合作用下的應力分布比較均勻，最大應力（lì）出現在中缸體底端底閥處（chù），超過了油缸材料的屈（qū）服極（jí）限，此處為立柱的危險位置，越靠近缸體底端位移變形越小；

（2）缸體在純油液壓力作用下的位移變形與（yǔ）流固耦（ǒu）合作用（yòng）下的位移（yí）變形變化趨勢一致，但相同位置處（chù）的變形值相差較大。缸體（tǐ）的應力分布比較均（jun1）勻，中缸體底端底閥（fá）處應力沒有超過材料的屈服極限，是安全的；

（3）立柱作為液壓支架重要的部件，不僅要考慮油液壓力對缸體的作用，還要考慮油液的流固耦合作用對立（lì）柱缸體帶來的影響。

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