基于流固耦合的液压缸碰撞研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ．5 ． 2 01 2 基于流固耦合的液压缸碰撞研究 姚 雪明 ， 权 辉 第二炮兵工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 2 5 摘 要 针对经典碰撞模型的局 限性 ， 通过采用缸筒弹簧模 型， 建立了新 型液压缸碰撞模 型 ； 通过构建描述液压缸碰撞 的流固耦合方程 组 ． 利用有限元软件 A D I N A分析了有无流体及不同负载力对液压缸碰撞位移 、 速度和应力 的影响 ， 分析结果 表明流体 对于液压缸碰撞 具有 明显的阻尼作用 。 关键词 液压缸 ； 流固耦合 ； 碰撞 ； A D I N A 中囤分类号 T H1 3 7 ． 5 1 ； T P 1 3 6 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 2 一 0 5 0 0 1 3 - 0 4 Co l l i s i o n Ana l y s i s o f t he Cy l i n d e r Ba s e d o n F l u i d S t r u c t u r e I n t e r a c t i o n Y A0 Xu e - mi n g ， Q U A N Hu i S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 2 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e l i mi t a t i o n s o f t h e c l a s s i c a l c o l l i s i o n mo d e l ， a s i mp l i f i e d d e s c r i p t i o n o f t h e c y l i n d e r c o l l i s i o n i s ma d e w i t h t h e c y l i n d e r t u b e s p r i n g mo d e l ； e q u a t i o n s s e t o f t h e c y l i n d e r c o l l i s i o n i s e s t a b l i s h e d a n d t h e i n fl u e n c e s o f t h e c o n d i t i o n s wi th o r wi t h o u t l i q u i d an d d i ff e r e n t l o a d ， v e l o c i t y a n d p r e s s u r e o n d i s p l a c e me n t ， v e l o c i t y a n d s t r e s s o f c y l i n d e r w h e n c o l l i s i o n 0 C C 1 1 1 “S a re an aly z e d b y A DI NA， wh i c h s h o w t h a t l i q u i d h a s d a mp i n g e ff e c t o n t h e c y l i n d e r c o l l i s i o n ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ； fl u i d - s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n； c o l l i s i o n； ADI N A O 前 言 多级油缸与单级油缸相 比。在缸体初始长度相同 的情况下具有更长的行程 ，因此采用多级油缸完成结 构紧凑 的大型机 械装 置的起 竖运动是一种有 效 的方 法。含多级缸的液压系统在驱动负载时。 由于各级活塞 杆的依次伸 出是通过相互间的碰撞来实现限位的 ， 液 压缸运动过程中存在换级碰撞和到位碰撞 ，容易对负 载产生过大冲击。要提高起竖过程的快速性 ． 又要保证 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 1 - 2 3 作者简 介 姚雪明 1 9 6 3 一 ， 男 ， 河北正定人 ， 高级工 程师 ， 主要从事控制 方面的科研工作 。 器不仅有提供流量和压力的作用 。其吸收系统冲击的 作用也比较明显 5 通过仿真计算说 明， A ME S i m 7 ． 0软件 的仿真计 算结果和实际工况基本接近 ，说明该软件仿真结果可 信度 比较高 ， 其运用必将越来越广泛。 参 考文 献 [ 1 】 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真【 M】 ． 北 京 北京 航空航天出 版社． 2 0 0 6 ． 其平稳性 ， 必须研究多级油缸运动过程的碰撞特性。当 前对液压缸碰撞的研究多采用刚体碰撞模型【 n ， 且很少 考虑流固耦合的影响 ，致使求解精度距实际情况有一 定差距 。本文在充分考虑流 固耦合的情况下对液压缸 碰撞的规律进行深人研究 。 1 经典碰撞模型研究 传统液压缸 碰撞 的研究 多采用基于 弹性 力学 的 He rt z 接触力模型[ 1 J 。碰撞期 间活塞杆与缸筒盖的碰撞 力可以表示为 D ， 1 式 中 碰撞力 ； [ 2 】 吴根茂， 丘敏秀， 王庆丰， 等． 实用电液 比例技术【 M】 ． 杭州 浙江 大学 出版社。 2 0 0 4 ． 【 3 ] 翟大 勇， 周志鸿 ， 林 嘉栋． 基于 A ME S i m的压路机振动液压系 统仿真研究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 ， 1 ． 【 4 】 雷天 觉等． 新编液 压工程 手册【 M】 ． 北 京 北京理 工大学 出版 社 ． 1 9 9 8 ． 【 5 】 刘龙 园， 傅连东 ， 王佳， 等． A ME S i m仿真技术在矫直机液压系 统 中的应用【 J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 ， 6 ． 1 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 5期 活塞位移 ； D x 阻尼函数 ； Ii} H e r t z刚度系数 ， 与接触面材料和曲率半径 有关 。 根据 H u n t 和 G r o s s l e y的研究[ 2 1 ， 阻尼函数形如 D x C x 2 式中C 一 滞后阻尼系数 。 对于大多数 的低速碰撞行为 ，即碰撞前接触体之 间的相对速度不大于 0 ． 5 m ／ s 时， C可以表达为[ 3 1 c l k 3 式中 材料系数 ， 对于碳钢和青铜材料 ， 可取 ， 0． 08 0． 3 2s ／ m 。 由此碰撞力可进一步表示为 C k x “ } 。 ‘ 1r c k x x 1 4 【 手 t J 4 经典碰撞模型主要研究对象是质体 自由碰撞 ， 而 实际液压缸碰撞与之差别较大 。 主要表现在 1 液压缸碰撞并非 自由碰撞 ， 碰撞 同时受到液压 油的作用 2 由于活塞和缸盖厚度相对于缸筒长度 比较小 ， 所以其轴向的弹性变形相对于缸筒 比较小 ，基于此可 以认为液压缸碰撞中主要变形来 自缸筒轴 向伸长 ， 而 非碰撞部分压缩。 根据以上分析 ，可以得出经典碰撞模型在研究液 压缸碰撞时并不适用 。本文采用在研究接触时被广泛 使用的弹簧模型 ， 并假设材料为完全弹性 ， 忽略恢复因 数的影响 ，由于活塞和缸盖的轴 向形变相对于缸筒较 小 ， 将其形变忽略不计 ， 仅作为几何面处理 ， 将缸筒视 为弹簧 。 建立新 的液压缸碰撞模型。根据模型的假设条 件可以得到 Z 。 Z 5 r r R 柏 I J 。J R O lz d r 6 式 中f 流体区域长度 ； Z 缸筒长度 ； 缸筒应力 。 2 流固耦合方程组 对于液压缸碰撞 ，可以分别建立缸筒和活塞杆 的 运动方程 ， 再加上流体控 制方程 、 几何物理方程 ， 形成 求解碰撞问题的封闭方程组 ，由边界条件组合求解碰 撞 过程 。 1 4 设 足起 竖液 压缸 F铰 支 点为原 点 ， 沿 轴线 向上 为 Z 轴正 向， 建立柱坐标系 ， 半径 和角度分别用 r 、 表示。 根据流体力学和弹性力学知识可以得到如下方程组 。 流体连续性方程 a t , P ， Lr 0 r u t 0 式中P f ．流体密度 ； 流体轴向流速 ； 流体径 向流速。 流体轴向运动方程 p 詈 p F 【 等j 式中p 压力 ； 一黏度。 流体径向运动方程 p p p F p l 0r 11 ／．,tr J 根据正压流体理论 。 流体状态方程为 p 式 中p 广流体初始密度 ； 厂一 流体体积模量 。 以上流体方程组中 4个未知量 、 p、 和 l ， ，由边 界条件可以封闭求解。 缸筒轴 向运动方程 p 0 t t lz 毗 毗 缸筒径 向运动方程 P 0 ， D l ， p 一 活塞杆轴向运动方程 垴 等 活塞杆径向运动方程 ， ， 一旦 旦 二 二 P p “2 z 一 以上缸筒与活塞杆的方程组中 ， ， 口 结构密度 ； Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 5 ． 2 0 1 2 n 。 结构轴向位移 ； “ ． 结构 径 向位 移 ； 一 正 应力 切应力 角标“ 1 ” 缸筒 角标“ 2 ” 活塞杆。 几何物理方程 专 [ ] 专[ ] 击 【 】 赤 以上 4个方程式中 可取值 1 或 2 卜弹性模量； ， l 一 泊松比。 3 A D I N A仿真分析 在液压缸换级和伸出到位时都会发生碰撞 。其特 点是流固耦合 。本文仅考虑到位碰撞 ， 通过 AD I N A有 限元软件仿真． 研究流固耦合对液压缸碰撞的影 响。为 分析这种影响， 采用如下仿真方案 方案一 在考虑流体和不考虑流体两种情况下分别 建立流固耦合模型和非流固耦合模型。 比较碰撞过程的 位移 、 速度和应力变化 ， 用 以说明流体对碰撞的影响 ； 方案二 在流 固耦合模 型的基础上 ， 给流体施加不 同的人 口压力 ，讨论空载状态下不同流体压力对碰撞 的影 响 。 3 ． 1 仿 真模 型建立 及求解 采用 A D I N A M建模 ， 结构主要尺寸为 缸筒段长 9 5 3 m m， 内径 6 3 m m， 外径 8 3 ram， 缸筒盖厚取 5 0 m m； 活 塞段 长 5 0 m m，直径 6 3 m m；活塞杆长 8 6 7 mm，直径 3 2 m m。液体模型尺寸长为 8 5 3 mm， 直径 6 3 mm。以液压 缸底部中心为原点 ， 液压缸运动方向为 Y轴正 向， 垂直 桌面向外为 轴正向， 轴与 轴 、 Y轴成右手螺旋 ， 建 立空间直角坐标系。结构主 自由度为三轴平移。 液压缸结构底部 轴方 向外壁两点 固定 ．顶部 轴方向外壁两点约束 、 z方 向位移。定义接触组 1 ， 缸 筒盖与活塞碰撞 面为接触对 l ，缸筒 内壁 与活塞滑移 接触面为接触对 2 ，缸筒盖与活塞杆移接触面为接触 对 3 流体和活塞杆 同时施加初始速度 0 ． 0 1 m ／ s 。结构材 料 为线 弹性材料 ，弹性模量 为 2 ． 0 7 e l 1 P a ，泊松 比为 0 ． 2 9 ， 密度为 7 8 0 0 k g ／ m， 。液体材料为势流体 ， 体积模量 为 2 ． 5 6 e 9 ， 密度为 l 0 0 0 k g ／ m 。结构单元组选用三维实 体 ， 液体单元组选用三维流体 。网格划分密度采用定长 值 ， 整个模型设为 0 ． 0 3 m。划分网格后液压缸模型如图 1所示 图 1碰 堙 模 型 网 格 图 选择隐式动力模型 。设置求解步长为 0 ． 0 0 0 l s ， 步 数为 3 0步 ， 选 择 自动时 间步 ， 在 0 3 0步缓慢 加载 。 按照上文 的各仿 真方案设定流体模 型 ，分别施加 载 荷并求解 。 3 ． 2仿真 结果分 析 取缸筒长度 1 1 2处横截面上 z坐标最大点 。 命名为 MI D1 ； 活塞杆长度 1 1 2处横截面上 z坐标最大点 ， 命名 为 MI D 2 ； 活塞底部中心点， 命名为 E N D1 ； 活塞杆顶部 坐标最大点 ， 命名为 E N D 2 。对这 4个特征点的 Y向位 移 、 速度和正应力变化作出比较 ， 定性分析 出流固耦合 对液压缸碰撞的影响。液压缸碰撞的危害主要表现在 其对活塞杆位移 、 速度 、 应力 以及缸筒应力 的影响上 ． 所以在具体各仿真方案 的研究 中没有考虑缸筒的位移 和速 度 。 1 有无流体的情况下碰撞效果比较 根 据 方 案 一 ， 在 加 人 流 体 流 体 人 口端 施 加 3 0 0 0 0 P a 压力 和不加人流体两种情况下分别建模求 解。分别在两个求解结果中取 E N D 2的位移 、 速度 ， 利 用 MA T L A B进行仿真计算 ， 绘出其随时间变化曲线， 如 图 2 、 图 3所示； 取 MI D 1的应力 ， 在 MA T L A B中绘出其 随时间变化 的曲线 ， 如图4所示。 点 橱 呈 甚 时问／ s 1 图 2流 固耦合对碰撞位移的影响 1 5 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 5期 T { 嘲 时间， s Xl O 图 3流固耦合对碰撞速度的影响 嗡～ 一 一一 一 十 有 耦 合 f 一 ‘无 耦 合 ■ 一 ⋯ ⋯ 一 图 4流 固 耦 合对 碰 撞 应 力 的 影 响 从以上位移 、 速度以及应力的比较可看出 ， 由于流 体的阻尼作用 ， 碰撞过程 中活塞杆的位移 、 速度都有一 定减小 ， 缸筒应力有明显的减小。 2 不同压力对碰撞 的影响 根据方案二 ，在流固耦合模型的流体人 口端分别 施加 3 0 0 0 0 P a 压力和 3 0 0 0 P a压力并求解 。 分别在两个 求解结果中取 E N D1的位移、 速度 ， 通过 MA T L A B绘出 它们随时间变化的曲线，如图 5 、 6所示 ；取 MI D1 的应 力， 用 MA T L A B绘 出其随时间变化的曲线 ， 如图7所示。 Xl 0 6 1 6 罢 趟 时 间， s Xl O 图 5压力对碰撞位移 的影响 Xl O 6 时日] ／ S Xl O 图 6压力对碰撞 速度 的影响 翻 时间， s 图 7压 力 对 碰 撞 应 力 的影 响 从以上位移、 速度以及应力 的比较可看出， 流体压 力大小对活塞杆位移和速度没有影 响，随着流体压力 的增 大，缸筒应力有明显减弱 。综合仿真结果可以得 出， 流体在液压缸碰撞过程 中起到了阻尼器的作用。流 体压力变化对碰撞位移和速度没有影响 ，对缸筒应力 具有 明显的减小作用 。 4 结语 本文根据 经典碰撞模型 。 结合 实际情况 ， 建立 了 液压缸碰撞模型 。由流体力学和弹性力学相关理论构 建 了描述液压缸碰撞的流 固耦合方程组 ， 通过 A D I N A 软件分析了有无流体 、 流体不同人 口压力对 液压缸碰 撞位移 、 速度和应力的影响。分析结果表明 ， 流体对于 液压缸碰撞具有明显的阻尼作用 ， 在设计 和实践 中可 以充分 利用这一特点对液压 系统性 能提 出更好 的改 进措施。 参 考 文 献 [ 1 】 高钦 和， 黄先祥． 多级缸起竖系统运动过程 的建模与仿真[ J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 5 ， 1 7 7 ． 【 2 】 S M a h F a i k ， H o l l y Wi t t e ma n ． M o d e l i n g o f I mp a c t D y n a m i c s ． A L i t e r a t u r e S u e y 【 R 】 ． A n n A r b o r I n t e r n a t i o n a l ADAMS Us e r C o n f e r e n c e ． 2 0 o O ． 【 3 】 金 栋平 ， 胡 海岩 ． 碰撞 振 动 与控 制【 M】 ． 北 京 科 学 出版 社 ， 2 0o 5． [ 4 】 A ．S ．T i j s s e l i n g ．F l u i d S t r u c t u r e I n t e r a c t i o n i n C a s e o f Wa t e r Ha m m e r w i t h C a v i t a t i o n 【 D 】 ．D e l f t D e lf t U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 1 9 9 3 ． 【 5 】 卢芳云． 一 维不定常流体动力学教程【 M 】 ． 北京 科学 出版社 ， 2 00 6． [ 6 ] 雷天 觉． 新 编液压 工程手册 【 M】 ． 北京 北京 理工大 学 出版 社， 1 9 9 9 ． 【 7 】 杨文华 ． 液控原理【 M】 ． 北京 学术书刊出版社， 1 9 9 0 ． [ 8 】 陆元 章． 现代 机械设 备设计 手册【 M】 ． 北 京 机械工 业出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 9 】 杨培元， 朱福元． 液压系统设计简明手册【 M] ． 北京 机械工业 出 版 社 ． 2 0 1 1 ． u v 蟹 } 甚