力學(xué)大會(huì)2015集ms2301基于流固耦合效應(yīng)氣動(dòng)閥門振動(dòng)沖擊分析

（宇航系統(tǒng)工程，異?，F(xiàn)象，如打開和關(guān)閉較大，且有局部較嚴(yán)重的磨損。由于閥門主要在氣動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生，且結(jié)構(gòu)的又影響氣動(dòng)載荷，因此本文基于閥門與氣動(dòng)載的流固耦合效應(yīng)分析了閥門的氣動(dòng)載荷，進(jìn)關(guān)鍵字 由于閥門開關(guān)是一個(gè)狀態(tài)，因此考慮其對(duì)氣動(dòng)耦合性也很必要，而上述研究對(duì)這點(diǎn)涉及甚少。純的CFD分析或者結(jié)構(gòu)分析都很難有效解決，故本文采用基于流固耦合分析方法，考慮閥門與氣動(dòng)圖1氣動(dòng)閥結(jié)構(gòu)示意圖痕跡，產(chǎn)生較明顯的塑性變形，并且定位螺桿有輕微彎曲變形，各個(gè)主要部件的材料參數(shù)如表1所示。表1彈性模量密度屈服強(qiáng)度--此采用基于氣動(dòng)流固耦合分析的閥門振動(dòng)沖擊分析方法。分析流程如圖2所示。 圖 閥門耦合分析流iu i 坐標(biāo)系下的速度分量。動(dòng)量守恒定律也任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。目前工程上通常采用基于ReynoldsN-S方程(RANS方程)的模擬方法處理不可壓縮流動(dòng)問題，RANS方程為式（2）所示。iuuu u'u' i ij xx i 'i

由于閥門的涉及CFD模型的網(wǎng)格更新，因此采用動(dòng)網(wǎng)格模型（DynamicMesh）捕捉由于 uusdA dAS dt 其中，-通量，V--液體密度，u-液體速度矢量，us-動(dòng)網(wǎng)格的變形量，-擴(kuò)散系數(shù)，S通量原項(xiàng)，V-控制體邊界。目前對(duì)于CFD網(wǎng)格重構(gòu)主要有動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、重構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)[10][11]，該對(duì)于結(jié)構(gòu)控制方程主要包括兩個(gè)方面：首先是針對(duì)閥門剛體控制方程，如0所示分析流程，在進(jìn)行閥門CFD分析時(shí)，不考慮閥門的彈塑性變形對(duì)氣動(dòng)載荷的影響，僅僅考慮結(jié)構(gòu)剛體與氣動(dòng)耦mxcxkxfs fa

fflfa x0;x0;t x0;xd0;tc包括彈簧和波紋管對(duì)閥門作用力；fl為氣動(dòng)力；fa為外腔氣動(dòng)載荷，f0為閥門打開時(shí)內(nèi)腔近似氣動(dòng)；f1為閥門關(guān)閉時(shí)內(nèi)腔近似氣動(dòng)；d0為閥門最大開度；tc為閥門與定位螺桿撞擊過程所耗在所受氣動(dòng)載荷條件下進(jìn)行響應(yīng)分析得到，流程如圖2所示。得到閥門過程中氣動(dòng)載荷，將結(jié)構(gòu)的材料彈塑性因素、非線性接觸因素進(jìn)行深入考慮，NTNdVueBTσdV(NTfdVNTTdS) e e e 其中ueN為向函數(shù)；Bσ為應(yīng)力向量；fT為面力；Ve為單元LS-DYNA進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析，通過沙漏粘性阻力向量H，接觸力R及阻尼陣C，則控制方程為如式（8）所示，最后采用差分方法進(jìn)行求解：NTNdVueBTσdV(NTfdVNTTdS)CuRH e e e 找到源。所示，網(wǎng)格數(shù)量約為500萬，在活塞開啟流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行了加密。為了更好的捕捉邊界層，在0.101MPaRealizablek-湍流模型。圖3氣動(dòng)閥幾何模型 圖4分析模 圖5活塞局部模對(duì)稱的彈簧單元進(jìn)行等效，如圖6所示。 模圖 閥門有限元分析模彈簧剛度、波紋管的剛度及結(jié)構(gòu)質(zhì)量，進(jìn)行考慮閥門下的流固耦合分析。1mm78為流線圖，從圖中看出，閥門流動(dòng)非常復(fù)雜，壓縮空氣從活塞開啟的狹小區(qū)域射出，大部分氣體集中在出口管路區(qū)域。如圖9所示，盡管數(shù)僅為0.1但活塞射流區(qū)域的數(shù)能達(dá)到1.8的超音速，已 圖 定常計(jì)算速度云 圖 開啟高度1mm的流線 圖 開啟高度為1mm的數(shù)云12為不同開度下對(duì)稱面處網(wǎng)格更新情況，邊界層質(zhì)量得到較好繼承，網(wǎng)格保持較好的質(zhì)量。 a) b)c) d)圖 不同開度下速度云a)x向軸向平動(dòng) b)y向側(cè)向平動(dòng) c)z向彎圖 閥門氣動(dòng)載荷曲 （b）圖 分很小，因此結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)載荷的因素很?。涣硪环矫媪硗飧鶕?jù)沖量定理，可得到閥門沖擊時(shí)所受到的4000N13所示，0.23mm0.22mm14所示。結(jié)構(gòu)應(yīng)力與塑性應(yīng)變?nèi)珏e(cuò)誤!未找到源。5~圖17。 (a)x向軸向位移響 (b)y向軸向位移響(c)z向軸向位移響應(yīng) z向位 y向位圖 活塞桿測(cè)向位圖 等效應(yīng) 圖 彈塑性變圖 活塞筒接觸應(yīng)通過對(duì)閥門開啟條件下的氣動(dòng)流固耦合分析得到閥門的氣動(dòng)載荷，然后基于顯示動(dòng)力學(xué)閥門碰撞沖擊相應(yīng)分析，進(jìn)行閥門氣動(dòng)與動(dòng)力耦合分析，獲得了安全閥場、速度場和流量等情況，及閥門 ，等，非全周開口滑 流場的CFD解析.與氣動(dòng)，2013，5：58- 7巴鵬， 大流量煤 FiniteElementsin ysisandDesign,2005,41(11-12):1118-1139.11， Thecoupled ysisof aticvalvebasedonfluid-structure CAO LIU ZHANG Forthe pressurizationsystem,p aticvalveisasecuritydevicewhichprotectthepropellantfromoverpressure,butsomeabnormalvibrationphenomenaoftenappeared,suchasthevalveopeningorclosingfollowwithbignoiseandthelocalseverewear.Becauseofaerodynamicload,thevalvecanmove,atsametime,themovingofvalveeffectontheaerodynamicload.So,inthispaper,theaerodynamicloadofvalvecanbeyzedbasedontheinctionbetweenmovingandaerodynamicloadofvalve,then,thevibrationandshockofvalvecanberesearchedfortheabnormalvibrationphenom