压力对小分子气体在液压油中扩散行为影响的分子动力学研究.pdf

液 压 气 动 与 密 d - ／2 ol s年 第 0 9期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 0 6 压力对小分子气体在液压油中扩散行为影响的 分子动力学研究 安 骥 ， 金 敏 ， 王 位 ， 孔 勇 上海海事大学 商船学院， 上海 2 0 1 3 0 6 摘要 采用分子动力学方法模拟研究了不同压力下小分子气体在液压油中的扩散。模拟过程中均选用P C F F 力场 ， 首先对模拟体系 进行N P T下5 0 0 p s 时间的动力学优化 ， 随之进行N P T下5 0 0 p s 时间动力学模拟， 得到其运动轨迹 ， 并由爱因斯坦方程得出气体小分子 在液压油中的扩散系数。该文还应用 自由体积理论探究了小分子气体在液压油中的扩散机理， 发现气体在液压油中以空穴形式存在 的自由体积间进行扩散 ， 即气体的扩散是通过先在一个空穴内不停振动， 然后跳跃到下一个空穴来完成的。结果表明， 随着压力的增 大， 小分子气体在液压油中的扩散系数是减小的。 关键词 压力； 液压油 ； 扩散系数； 自由体积； 分子动力学 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 9 0 0 1 6 0 4 Effe c t s o f Pr e s s u r e o n Ga s Di f f u s i o n i n Hy d r a u l i c Oi l wi t h M o l e c ul a r Dy n a mi c s S i mu l a t i o n ANJ i , J I N Mi n ，W ANG We L KONG y o 馏 Me r c h a n t Ma ri n e C o l l a g e ， S h a n g h a i Ma r i t i me Un i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 1 3 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r s t u d i e s o n t h e e ffe c t s o f p r e s s u r e o n g a s d i ffu s i o n i n h y d r a u l i c o i l b y mo l e c u l a r d y n a mi c s s i mu l a t i o n ． Th e wh o l e s i mu l a t i o n s we r e p r o c e s s e d u n d e r PC FF f o r c e fi e l d ． Re fi n e d the s i mu l a t i o n s y s t e m b y NP T e n s e mb l e i n 5 0 0 p s fir s t l y ,t h e d i ffu s i o n c o e ffi c i e n t s we r e d e t e r mi n e d b y NP T e n s e mb l e s i mu l a t i o n i n 5 0 0 p s ． t h e n c a l c u l a t e d i t f r o m the E i n s t e i n r e l a t i o n ． T h e s ma l l g a s d i ffu s i o n me c h a n i s m i n h y - dra u l i c o i l i s a l s o d i s c u s s e d a c c o r d i n g t o f r e e v o l u me t h e o r y ． S ma l l g a s m o l e c u l e s fi r s t l y o s c i l l a t e i n s i d e o n e c a v i t y o f h y dr a u l i c o i 1 a n d t h e n j um p f r o m thi s c a v i ty t o ano the r o n e t o a c h i e v e the d i ffu s i o n p r o c e s s ． T h e r e s u l t s s h o we d that the d i ffu s i o n c o e ffic i e n t d e c r e a s e s wi th the r i s - i n g p r e s s u r e ． Ke y wo r d s p r e s s ur e ； h y dr a u l i c o i l ； d i ff u s i o n c o e ffi c i e n t ； f r e e v o l um e ； mo l e c u l a r d y n a mi c O 引言 油液有效体积弹性模量是影响液压系统性能 的主 要因素， 对液压系统的有效传动力、 位置精度 、 功率水 平 、 响应时间和稳定性动态 响应具有重要影响 。液压 油体积弹性模量的影响因素有很多， 其中， 油压对体积 弹性模量影响更为明显 ， 特别是在中低压区域n 。 近年来 ， 国内外学者针对此 问题从不 同角度进行 了许多研究。龚国芳在自然科学基金支持下进行了体 积 弹性模量 的测量设备研究和含气量的研究 。王静 设计 了基于定义法 的实验装置p ] 。T o s h i y u k i T s u b o u c h i 和 J i t s u o S h i n o d a 为研制 高弹性模 量的液压油 ， 分析温 度 、 压力 、 气泡含量等因素对体积弹性模量的影响 。 如果在体积弹性模量的表达式 中引人时间变量 。影响 基金项目 上海市教委重点学科资助项目 J 5 0 6 0 3 ； 上海海事大学“ 学术 新人 ” 基金 Y XR 2 0 1 4 0 1 8 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 3 0 作者简介 安骥 1 9 7 4 一 ， 男， 山东济宁人， 副教授， 博士， 研究方向 液压 系统体 积弹性模量控制机理 。 】 6 油液体积弹性模量的 因素 中， 最重要 的因素是不溶气 体的数量 ， 对于对响应时间要求不高的系统而言， 可 认为油液中的气体有足够的时间来溶解或析出， 但对 于某些 高频 响系统来说 ， 如电喷系统 中高速 阀的开启 和关闭， 其时间是以毫秒为计量单位的， 在如此短的时 间内可认 为空气不可能实现溶解和析出 ， 此时就必须 考虑空气扩散溶解速度的影响。 然而， 这些对液压油体积弹性模量的研究工作大 多都是试验研究 ， 目的是提高油液的弹性模量以解决 工程实际应用 的问题 ， 偏重于测量 技术 和测量结果 的 应用价值 ， 并未对其从分子模拟角度进行机理分析。 本文选用 M a t e r i a l s S tu d i o 7 ．0 软件包进行氧气在 液 压 油 中扩 散 的模 拟 研 究 ， 先 利 用 Ma t e r i a l s S t u d i o 7 ． 0 软件包中的A C A m o r p h o u s C e l 1 模块构建小分子 气体的液压油模型， 再用 D i s c o v e r 模块进行相应的分 子动力学模拟来研究氧气在液压油中的扩散性质 ， 最后用 F o r c it e 模块提取其运动轨迹 ， 对其扩散行为 进行 处理 分析 ， 探讨 压 力对 氧气 扩散 的影 响及 扩散 机 理 。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 9．2 0 1 5 1模拟方法和模拟体系 分子动力学模拟 以经典力学 为基础发展 而来 ， 即 可认 为粒 子 的运 动符合牛 顿运动方 程 。依 照经典力 学理论 ， 对任何一个 由Ⅳ个粒子组成的孤立体系而 言 ， 体 系中任何一个 原子的力可用 势能的梯度来 进行 表示 ， 即 F 一 V i - I 后 I 1 呶 i O yi O Z i 根据牛顿第一定律可知 ， i 原子的加速度表达 式为 鲁 2 在整个模拟过程中， 系统中每个原子的位置确定 系统的能量的大小 ， 结合式 1 、 2 可以获得每一个原 子力和加速度的大小， 如此反复计算， 即可得出系统中 不同时刻下原子在每一步的速度及位置。这些随着时 间变化而变化的原子坐标即可表征系统中原子运动的 途径 。这些原子 的运动途径 ， 即定 义为原子的运动轨 迹 t r a j e c t o r y ， 再对所得轨迹进行相应的数据提取与分 析， 便可得到许多有用的信息， 如材料弹性系数、 热膨 胀系数、 扩散系数等。 1 ． 1 力场选择 本模拟中采用 M a t e r i a l s S t u d i o 7 ．0 进行仿真模拟 ， 应用了 P C F F 力场 。P C F F 力场是 由C F F 9 1 力场衍生而 出的， 该 力场主要可应用 于糖类 、 脂类 、 核酸、 聚合物 、 有机物及约2 O 种无机物 的计算 。 1 ． 2 模型的构建 关于分子模型的选取与构建可参考文献【 8 】 ， 由于 氧气在液压油 中的扩散系数与空气 的大致相 同 ， 本文 将主要研究氧气在液压油 中的扩散规律 ； 而液压油则 选取 国产4 6 抗磨液压油为研究对象 。 1 ． 3 模拟过程及细节 在模拟过程中， 先分别构建氧气和链烃、 环烷烃分 子 ， 选用 D i s c o v e r 模块分别对单体进行反复能量最小化 Mi n i m i z e r ， 直至 其 能量 趋 于 收敛 ； 然 后 利 用 A mo r p h o u s C e l l 模 块 ， 根据液压油组 成成分 的不 同 ， 按 一定 比例构建周期性结构单元c e l l ， 构建出氧气的液压油模 型如图 1 。 随后对无定型周期性结构单元再次进行能量优化 M i n i m i z e r ， 并对其进行退火处理 A n n e a 1 ， 使其结构 性能尽可能与原材料保持一致， 为得到准确的数据结 果， 首先对经退火后的结构进行5 0 0 p s 的N 动力学弛 豫 ， 其 中 ， 压力温度分别 设定 为p 2 0 2 k P a 、 T 3 2 8 K， 经 动力学弛豫后 ， 为得到期望的 目标数据 ， 再在相 同条件 下进行5 0 0 p s 的N P rr 动力学计算， 并每隔 l p s 保存一帧 气体分子的扩散轨迹。整个模拟过程中， 力场均采用 P C F F 力场 ] ， 系综 均选用 N P T系综 ， 温度 和压力 的调 控 分别选 用 A n d e r s o n t ” 1 及 B e r e n d s e n 方法 1 ， 求解 牛顿 方程 时 ， 使用 V e l o c i t y V e r l e t 蛙跳法 。各分子起始速度 则选用 Ma x w e l 1 分布方法 ， 范德华力选用 A t o m B a s e d 方 法 ， 静 电力选用 E w a l d 法 ， 设 定边界条件为周期性边 界条件。 图 1氧气 的液压 油模型 1 ． 4 扩散系数 液压油中气体的存在形式可分为溶解空气以及掺 混空气。然而， 在不同工况下 ， 气体的溶解度随着外界 条件的变化而变化， 气体的溶解和析出过程都可看作 为分 子 的扩 散过程 ， 且 可用 扩散 系数 来表 征其 扩散 速度 。 扩散系数可依据爱因斯坦n 1计算公式获得 D } 蔷 [r -- rio 】 3 式 中 扩散系数 ； Ⅳ _粒子数 ； [r i 一 r i 0 】 粒子的均方位移。 由于均方位移 已经是扩散原子数 Ⅳ的平均值 ， 因 此 ， 式 3 可简化为 D 4 式中 m 均方位移与时间关系图的拟合直线斜率。 2 结果分析 2 ． 1 扩散系数 的模拟结果分析 对不同工况下的液压油模 型进行相应 的分子动力 学模拟， 初始温度均设定为3 2 8 K， 当压力分别为2 M P a 、 5 MP a 、1 0 MP a 、 2 0 MP a 、 3 0 MP a 、 5 0 MP a 、 7 0 MP a 、1 0 0 MP a 时， 模拟得到的O 的均方位移图如图2 所示。 为得到扩散系数的大小， 对图2 中均方位移曲线的 进行最小二乘法直线拟合， 得到其拟合直线的斜率， 由 式 4 便可算出其扩散系数 ， 计算结果见表1 。由表 1 可 看出， 扩散系数随压力的增大而减小， 且变化趋势越来 越小 。 1 7 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 9 ． 2 01 5 d o i l O ． 3 9 6 9 4 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ．2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 0 7 偏转板射流伺服 阀的射流级优化设计方法 刘志会 ， 王少华， 曹 伟 中航工业 西安飞行 自动控制研究所 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 5 摘 要 偏转板射流伺服阀是射流伺服阀的一种， 相对于传统的喷嘴挡板式电液伺服阀， 偏转板射流伺服阀具有更好的抗污染性能和 可靠性 ， 已经在大型运输机 、 客机等领域用于替代喷嘴挡板式伺服阀。射流级是偏转版射流伺服阀的核心组件， 其性能决定着偏转板 射流伺服阀产品的内漏 、 滞环 、 动态相应等多种性能指标。为了提高偏转板射流伺服阀的射流级压力增益， 该文首先对其射流场进行 解析建模 ， 以实现射流级压力增益的计算 ； 然后 ， 根据内漏指标要求、 工艺能力限制等因素建立射流级的设计约束； 最后 ， 结合优化算 法 ， 建立偏转板射流伺服阀的射流级优化方法， 实现射流级压力的优化设计 ， 提高伺服阀产品的性能。 关键词 偏转板 ； 射流伺服阀； 优化设计 ； 压力增益 中图分类号 T H1 3 7 ； T P 3 9 1 ． 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 9 0 0 1 9 0 3 Op t i mi s t i c De s i g n M e t h o d o f t h e J e t s t a g e f o r De f l e c t o r J e t S e r v o Va l v e LI U Z h i ．- h u i ,W ANG S h a o - h u a , C A0 W e i A V I CXi ’ a nF l i g h t A u t o ma t i c C o n t r o l R e s e a r c hI n s t i t u t e ， Xi ’ an 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a Ab s t r a c t De fl e c t j e t s e l v o v a l v e ． wh i c h i s o n e k i n d o f j e t s e r v o v a l v e a n d h a s b e e n u s e d i n s e v e r a l fi e l d i n c l u d i n g l a r g e t r ans p o r t a i r p l ane p a s s e n g e r a i r c r a f t ， g e t s a b e t t e r a n t i - f o u l i n g p e r f o r ma n c e a n d r e l i a b i l i t y c o mp a r i n g wi t h t r a d i t i o n a l e l e c t r i c h y d r a u l i c s e r v o v a l v e ． T h e j e t s t a g e i s t h e k e y s tag e o f De c t j e t s e r v o v a l v e ， and i t s p e rfo r ma n c e d e t e r mi n e s t h e s e r v o v a l v e ’ S i n t e r n a l l e a k a g e a n d h y s t e r e s i s ． I n o r d e r t o i mp r o v e t h e p r e s s u r e g a i n o f j e t s tag e ， o n e o p t i ma l d e s i g n me tho d o f j e t s t a g e i s p r o p o s e d ． F i r s t l y , o n e mo d e l i s b u i l t t o c o mp u t e t h e p r e s s ure g a i n o f o n e g i v e n j e t s tag e ； s e c o n d l y , c o n s t r a i n t s are d e fi n e d b a s e d o n r e q u i r e me n t s o f p e rf o rm a n c e and ma n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ； f i n a l l y , o n e o p t i ma l d e s i gn me tho d o f j e t s t a g e i s b u i l t ， w h i c h C an b e u s e d t o i mp r o v e t h e p r e s s u r e g a i n o f j e t s t a g e and the p e rf o r ma n c e o f the d e fl e c t j e t s e r v o v a l v e ． Ke y wo r d s d e fl e c t o r ； j e t s e r v o v a l v e ； o p t i ma l d e s i gn ； p r e s s u r e g a i n 0 引言 电液伺服阀是伺服作动器中的核心组件 ， 在飞控 系统中具有非常关键的作用 ， 作为一种新型的电液伺 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 2 5 作者简介 刘志会 1 9 8 5 一 ， 男， 吉林农安人， 工程师， 博士 ， 研究方向 航 空电液伺服阀设计、 偏转板射流伺服阀的仿真分析与设计、 多学科协同 仿真及优化设计方法。 一 - - 【 1 0 】 【 1 2 】 【 1 3 ] 服阀， 偏转板射流伺服阀具有抗污染性好、 可靠性高的 特点， 正逐步取代传统的喷嘴挡板式伺服阀。喷挡伺 服阀作为最常用的电液伺服阀产品， 与之相关的伺服 阀性能分析与设计方法受到了很广泛的关注t卜 ， 目前 已经存在大量教材对喷嘴挡板式电液伺服阀的设计原 理进行 了系统描述p ， 前置级 、 放大级 的流量 、 压力增 益计算， 以及伺服阀产品液压回路与控制回路的建模 都有较为准确的计算公式。 Mo l e c u l a r Me c h a n i c s a n d Dy n a mi c s f r o m Ab I n i t i o E n e r g y S u r f a c e s [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e N a t i o n a l Ac a d e my o f S c i e n c e s ， 1 9 8 8 ， 8 5 1 5 5 3 5 0 5 3 5 4 ． S u n H， Mu mb y S J ， Ma p l e J R， e t a1． An Ab I n i t i o C F F 9 3 Al l - a t o m F o r c e F i e l d f o r P o l y c a r b o n a t e s [ J ] ． J o u r n al o f t h e Am e r i c a n C h e m i c a l S o c i e t y ， 1 9 9 4 ， 1 l 6 7 2 9 7 8 - 2 9 8 7 ． S u n H． Ab I n i t i o Ca lI c u l a t i o n s a n d F o r c e fi e l d De v e l o p me n t for C o mp u t e r S i m u l a t i o n o f P o l y s i l a n e s [ J ] ． Ma c r o mo l e c u l e s ， 1 9 9 5 ， 2 8 3 7 0 1 7 1 2 ． Ma z e s u K，He u x L ．Mo l e c u l a r Dy n a mi c s S i mu l a t i o n o f B u l k N a t i v e C r y s t a l l i n e a n d A mo r p h o u s S t r u c t u r e s o f C e l l u l o s e[ J ] ． T h e J o u rna l o f P h y s i c a l C h e m i s t ry B ， 2 0 0 3 ， 1 0 7 1 o 】 2 3 9 4 - 2 4 0 3 ． An d e r s e n H C． Mo l e c u l a r Dy n am i c s S i mu l a t i o n s a t C o n s t a n t 【 1 4 ] [ 1 5 】 [ 1 6 】 [ 1 7 】 P r e s s u r e a n d ／ o r T e mp e r a t u r e [ J ] ． T h e J o u r n al o f C h e mi c al P h y s - i c s ， 1 9 8 0 ， 7 2 4 2 3 8 4 2 3 9 3 ． B e r e n d s e n H J C ， P o s t ma J P M， v ／ m Gu n s t e r e n W F。 e t a 1 ． Mo l e c u l a r D y n a mi c s w i t h C o u p l i n g t o a n E x t e r n al B a t h [ J ] ． T h e J o u rna l o f C h e mi c al P h y s i c s ， 1 9 8 4 ， 8 1 8 3 6 8 4 - 3 6 9 0 ． E wald P P ．Di e B e r e c h n u n g o p t i s c h e r u n d E l e k t r o s t a t i s c h e r G i t t e r p o t e n t i a l e [ J ] ．A n n al e n d e r P h y s i k ，1 9 2 1 ，3 6 9 3 2 5 3 28 7． A l l e n M P ， T i l d e s l e y D J ． C o m p u t e r S i m u l a t i o n o f L i q u i d s【 M】 ． Ox f o r d ， UK C h a r e n d o n P r e s s ， 1 9 8 7 ． 钟颖， 王瑁， 陈志谦． ， J 、 分子气体在聚叔丁基乙炔中扩散溶 解行为的分子动力学模拟[ J ] ． 西南大学学报 自然科学版， 2 0 1 2 ， 3 4 3 5 4 6 1 ． 1 9