（机械电子工程专业论文）液压缸间隙密封流场下支承环的流固耦合分析.pdf

第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt 1 1 em o u l dh v 山? a u l i co s c i l l a t i o ns v s t e m ，m ew o r h n gp e r f - o n n a l l c eo ft h em o u l d o s c i l l a t i o ns e oh y d r a u l i cc y l i n d e rh a di m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h em 枷ve 丘i c i e n tp r o d u c t i o n o fm ec o n t i n u o u sc a s t i i l gl 证e f o rt h e 、v o r k i n gp e d o n n a n c e ，t l l em a i nf - a c t o r sw e r et l l es e a l i n g c o m b i n a t i o no nt 1 1 ep i s t o na i l dt l l ep i s t o nr o d b e c a u s et 1 1 eh y d r a 山i cc y l i n d e ro r e nw o r k si nt 1 1 e 1 1 i 曲丘e q u e n c ya 1 1 db i gl o a d 、o d d n ge n v i r o r 吼e n t ，t r a d i t i o n a ln l b b e rs e a l i n gr i l l gc o m b i l l a t i o n 、v o u l dc a u s es e v e r e 、v e a ra n df 醣1 u r ei nt h j sc o n d i t i o n s t ba d d r e s sm i ss i t l l a t i o n ，s h a o g u a n h y d r a u l i cc o h l p o n e n t sf a c t o 巧o p e n e db a l a l l c e d p r e s s u r e 铲0 0 v e so nt h ep i s t o nt ou s ean e w n o n c o n t a c ts e a l 、硼眵一c l e a r a n c es e a l t m sm e 廿1 0 dc o u l de 丘、e c t i v e l ya v o i dt 1 1 ed i s 缸l v a l l t a g e so f 仃a d i t i o n a ls e a l ，s ot h a t 廿1 eq u a l i 够o fm ec y l i n d e rg o tb i g g e rp r o m o t i o n b u to nt 1 1 ep i s t o nr o d ， t h eg u i d es l e e v es t i l lu s e dt r a d i t i o n a lr u b b e rs e a l i l l g 血g i i lt l l eh a r s hc o n d i t i o n s ，t ：h j sc o u l d c a u s es e v e r e 衔c t i o na n da1 0 to ff e v e r ，w h j c hc o u l db 啪m ep i s t o nr o dp l a t i n gc h d l l l i cl a y e r a n dc a u s es e r i o u sl e a k a g e b a s e do nt l l es n a t i o n ，t 1 1 i sp a p e rd e s i 盟e dan e w 咖eo f b a c k u p r i n gw i mc l e 黜l c es e a l ，i i l s t e a do f t 1 1 eg u i d es l e e v e ，a 1 1 d 印p l i e df l u i d - s o l i d 砷 e r a c t i o na 1 1 a l y s i s m e t l l o dt or e s e a r c hi ta n df i n a l i z et h ed e s i g m f i r s t l y ju s i n gp r o ea n dg 锄b i tt oe s t 山l i s ht 1 1 em o d e lo fb a c k u pr i n ga n df l o wf i e l do f g a ps e a l u s i n gr e l e v a l l ts o 行w a r et om e s hm em o d e l s e c o n d l y ，b a s e do nw b d ( b e n c h ，u s i l l gf 1 u e n tt oa 1 1 a l y s i st 1 1 en o wf i e l d ，m e ni n l p o n i n gt l l e r e s u l t si m oa n s y sm e c h a l l i c a la p d la 1 1 du s i n gi tt or e s e a r c h 缸l eb a c k u pr i n g ( f l u i d s 0 1 i d i n t e r a c t i o na n a l y s i s ) f i n a l l y ，c o m p a r e ds 油u l a t i o nr e s u l t sd a t 钆t l l i sp a p e rg o tt l l eb e s tc l e a r a n c es e a l e d c l e a r a n c et h i c k n e s sa n ds u p p o r r t i n gr i n gt h i c k n e s s t h ep a p e ri n 仃o d u c e dan e ws i m u l a t i o nm e t h o do ff l u i d s o l i di n t e r a c t i o na 1 1 a l v s i sm t o h y d r 砌i cf i e l dt os t u d yt l l ec l e a r a n c es e a la 1 1 dt l l es o l i d 血g ，w h i c hw a sv e r yi m p o r t a n tt om e r e s e a r c ho fc l e a r a n c es e a la n di t sa p p l i c a t i o ni nt l l ef 1 1 _ t l 】r e k e yw o r d s ：h y ( 1 r a u l i cc y l i n d e r ；c l e a r a l l c es e a l ；b a c k - u p 血g ；f l u i d - s o l i di n t e r a c t i o n ；m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 选题背景 连续铸钢是把钢水直接连续地浇铸成钢坯的新工艺，省去了用初轧机开坯的工序，因 而使生产成本降低，提高了钢水的成材率【l 吲。随着液压传动与控制技术的不断发展与完善， 许多专家学者将液压技术应用于连铸生产线上，尤其是连铸核心设备一结晶器振动设备 上，钢坯的连续浇铸能力大大加强，产品质量对比与机械振动得到了很大提高。根据这些 优异特点，众多专家提出了高效连铸概念，连铸技术的发展进一步加速。 结晶器是连铸生产线最重要的的设备，它的性能关系到连铸线的生产能力与钢坯的质 量，堪称为连铸机的“心脏”。结晶器自发明以来，已经经历了三代技术革新。第一代结 晶器为静止型，仅作为钢水制冷成型的模坯，其生产出来的钢坯坯壳拉裂及漏钢事故频发， 而且拉钢阻力大，钢坯质量也很差，不适于大规模工业生产。第二代结晶器为振动型，驱 动装置为机械振动，有四连杆式和四偏心轮板簧导向式，其出现明显改善了第一代产生的 巨大缺陷，钢坯质量及产能得到很大提高。但是此类型结晶器，由于其载重量较小，仅适 于小坯振动，而且其振动频率与振动波形在线调节困难，控制呆板，机械刚性冲击大，故 障率高，故在铸钢产能及质量上也有一定的局限性。而第三代弧形结晶器的出现与应用切 好针对性的解决了第二代的局限性与问题【3 】。第三代结晶器也是振动型，但其驱动形式为 液压驱动。上个世纪9 0 年代中末期，国外连铸公司纷纷推出连铸液压振动结晶器，由于技 术的先进性，其在西方各国的板铸连铸机上得到了普遍应用。国内最早的结晶器液压振动 技术也于1 9 9 9 年安阳钢厂得到首次应用。随着其优越的性能，这项技术也在国内慢慢普及。 而作为液压振动的关键执行机构结晶器振动伺服液压缸，近年来也得到国内各大厂家 及科研技术人员的不断重视。 相较于欧美日本，我国的液压技术起步较晚，自主研发能力比较薄弱，生产实践上缺 少创新性和相应的理论技术支持。因此在技术含量较高的产品如伺服液压缸的生产制造上 与国外相比，仍有较大差距。国内生产的伺服液压缸，质量上普遍不高，使用寿命短，存 在加工精度较低、欠密封、泄漏等技术缺陷。尤其是对于像结晶器振动液压缸这种在大负 载、高频率、小幅值、高精度控制条件下工作的液压件，其生产使用寿命甚至不到国外的 十分之一。 自从改革开放以来，国家加大对先进科学技术的引进消化吸收，增强国内科研自主创 新能力，取得的成果比较显著，涌现出了一批具有一定知名度和竞争力的液压件生产企业， 如广东韶关液压件厂、榆次油研、北京华德液压、伟光液压缸有限公司等。其中广东韶关 液压件厂，是国内拥有4 7 年较长发展历史的专业生产液压缸企业，其生产的高端伺服液压 缸：a g c 缸、a w c 缸已经进入国内各大钢铁集团公司并且运良好。2 0 1 1 年韶关液压件厂与武 汉科技大学流体传动与控制实验室展开合作，联合开发1 0 0 0 0 、4 6 0 0 、1 5 0 0 吨型a g c 伺服液 压缸测试液压系统。此项目打破了国外对a g c 高端伺服液压缸测试技术的垄断，填补了国 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 内高端伺服液压缸测试领域的空白，为我国钢铁行业轧线生产提供了有效地技术支持与高 端的售后服务【4 j 。但是在高端伺服液压缸结晶器振动缸的生产研究上，其生产的液压 缸使用时间不长。具体表现在活塞杆导向套处的橡胶密封组件高压变形，紧贴活塞杆，在 高频振动情况下，密封圈与活塞杆产生摩擦，严重发热，灼伤镀铬层( 如图1 1 所示，图 1 1 中a 图为活塞及活塞杆整体图，b 图为活塞杆局部放大磨损图) ，同时密封圈磨损也较严 重，导致液压缸泄露量大、爬行、推力不足、工作不稳，无法满足连铸线正常生产需要。 图1 1 活塞杆导向套处镀铬层磨损图 经过拆装检验，与其对比发现采用间隙密封的活塞与缸筒内壁几乎无摩擦损坏。因此， 韶关液压件厂对导向套进行技术改造，设计出一种新型的采用间隙密封的支承环来代替导 向套。经过多次试验发现支承环在高压流场环境下工作，间隙量如果太大，液压缸泄露就 较严重，间隙量较小，支承环产生变形直接与活塞杆接触，对活塞杆以及本身的磨损也较 为严重。因此从间隙密封的机理出发，研究间隙密封流场下支承环的的变形，优化支承环 的结构设计，对结晶器振动液压缸性能提升具有重大意义。 1 2 间隙密封的研究现状及在液压领域中的应用 1 2 1 间隙密封的国内外研究现状 根据密封件与密封作用的零部件间相对运动情况，密封可分为静密封和动密封；根据 密封面是否接触，密封又可分为接触式和非接触式密封。而间隙密封就是非接触式动密封 众多种类中的一种。间隙密封中，被密封流体在通过微小的环形间隙时产生节流效应，从 而达到阻止泄露的密封目的【5 j 。跟接触式密封相比，密封面上轮廓峰不接触，密封面被流 体膜液体膜或气体膜完全隔开，摩擦状态为流体润滑状态。 间隙密封是基于流体润滑理论的密封技术，其较多的用于旋转和往复式运动机械，如 汽轮机、燃气轮机、鼓风机、压缩机、液压缸、液压阀等轴端或级间密封【5 j 。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 1 8 8 6 年，法国学者l g i r a r 首度提出流体静压润滑理论，即：使用外压向摩擦面间输 送较高压力的液压油，使两个接触的表面分离，从而将摩擦力降成很低的粘性力。在启动 和停止阶段，流体静压润滑接触面不产生任何实际的接触，摩擦仅在流体内部分子间进行， 摩擦系数很小。因此，使用流体静压润滑技术，可以获得较低的启动阻力，及很低的运行 摩擦力。这对于频率响应要求较高的设备来说是一个非常好的密封方式。 流体润滑摩擦副被人类利用的历史已有两千多年了，但真正认识到其机理在相对 运动中，摩擦副可以依靠流体的动压效应将承载表面分离、隔开的现象与规律始自于1 9 世 纪末期。1 8 8 3 年英国工程师t o w e r 在滑动轴承实验研究中观察到此现象，1 8 8 6 年r e v n o l d s 的根据此现象做出了具有决定性的奠基性理论工作。在i 沁y n o l d s 流体动压润滑理论的基础 上，流体润滑在近1 0 0 多年取得了突飞猛进的发展，形成比较完善的理论和技术体系【“1 0 】。 u k 著名的摩擦学学者- d o w s o n 教授，在总结二十世纪润滑理论和技术的发展与应 用时指出，随着润滑设计制造技术的日益进步与完善，典型润滑系统润滑膜的厚度不断减 小，最小膜厚已从l o 1 0 0 朋( 2 0 世纪初期) 减小到o 1 1 朋( 2 0 世纪8 0 年代) 。随着膜厚的 减小、速度与压力的提高及设备的微型化，流体润滑理论和技术也在不断拓展和深化，弹 性流体动力润滑和薄膜润滑在近3 0 年来先后成为国内外流体润滑研究的主要方向，并在理 论、实验和应用方面取得显著的进展【l 2 1 。 孙婷梅围绕间隙密封的动力特性系数展开研究，采用f 1 u e n t 软件对化工机械的间隙密 封内部流场进行了仿真研究，并提出了一种计算密封动力学特性系数的方法 1 3 1 。 裘雪玲应用c f d 软件对直通型间隙密封腔内可压缩气体流场进行建模和分析，并提出 了一种间隙密封流场与转子动力学流固准耦合的分析方法。最后，应用这种方法分析了化 工机械中带间隙密封的多圆盘转子系统的动力学特性【1 4 1 。 王美华采用有限元法对可控油膜压力场、温度场及密封环静力变形进行了研究，得出 了产生油膜有两个关键要素：一是有两密封面，密封面非绝对光滑，这样才能产生动压效 果；二是两密封面要存在相对运动【i5 1 。 候煜推出了环形间隙密封泄漏的理论公式，并运用f l u e n t 对同心的环形间隙密封纯压 差流及纯剪切流进行了仿真研究，验证了泄漏公式的正确性【l6 1 。 t i e d t 研究了单向流体流过环形通道时的摩擦阻力【l7 1 。而王树众研究了两相流( 空气和 水) 流过竖直环形间隙通道时的摩擦阻力，并推导出了一种环形间隙通道内计算摩擦阻 力的方法，通过实验和仿真分析，证明了此方法具有较高的可行性【l 引。 1 2 2 间隙密封技术在液压领域的应用 间隙密封在最开始的时候主要运用于旋转机械上，如水轮机、汽轮机、鼓风机、燃气 轮机，离心泵等。这些机械设备几乎都具备了高温、高压、高旋转频率的特点。随着液压 技术的发展，系统对压力及工作频率要求也越来越高，因此将间隙密封应用在液压元件上， 对于液压系统向高压高频发展具有重要意义。尤其是将其从旋转机械运用到往复式( 直线 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 型) 机械，如液压阀、液压缸等更具有创新性意义。 德国憾神( h a e n c h e n ) 是全球著名的伺服液压缸研发与生产制造的专业型企业。撼神以 其独特的享有专利权的活塞杆导向及密封方式间隙密封( s e r v o f l o a t ) 和塑料组合密 封( s e r v o c o p ) 以及完善的活塞密封方法接触式和非接触式密封，可以根据客户的要 求进行不同密封件组合来满足液压缸在任何场合的几乎全部要求。其超高精度，超低摩擦， 超小位移，超高频率( 可达1 0 0 0 h z ) 的伺服液压缸是撼神公司最具有竞争力的产品【l5 1 。尤 其是其单杆活塞式对称液压缸，在目前全球中尚无任何竞争对手能对其构成挑战。高品质 作为其代名词，为撼神公司赢得了几乎全球各国的高级高端市场。欧洲达索( d a s s a u l t ) 幻影战斗机，空中客车( a i r b u s ) a 3 4 0 、a 3 8 0 以及正在研发的a 4 0 0 大型民用飞机，美国波 音( b o e i n g ) 7 3 7 、7 4 7 、7 5 7 、7 6 7 、7 7 7 、7 8 7 大型民用飞机以及麦道( m c d o n n e l l 一d o u g l a s ) 运载火箭及超音速战斗轰炸机，其地面仿真静、动态测试系统中均采用了撼神公司的单杆 活塞式对称缸及其测试缸。另外德国本土的奔驰、宝马生产线，奥迪的车门测试系统，中 国的载人航天地面仿真测试系统均大量采用了撼神伺服液压缸。其全球卓越领先的品质毋 庸置疑1 9 1 。 作为连铸机的心脏结晶器振动的驱动机构：伺服液压缸，应满足摩擦力低、无爬 行、高频率响应、高可靠性、长寿命、可在线调幅等众多高标准要求，才能实现高效连铸 目标。而撼神专门推出了一款针对于此要求的液压缸结晶器振动伺服液压缸，其采用 了具有专利的间隙密封( s e r v o f l o a t ) 技术，可以实现超低阻力启动，快速高频响应及在 线调幅，尤其是其可连续使用6 年而不需整体更换。因此在连铸高端领域，德国撼神液压 缸的也具有非常强大的竞争力，占据了市场很大份额。 】234567 图1 2 结晶器振动液压缸结构简图 卜活塞杆焊接体2 一防护盖3 一缸头4 一缸体5 一采用间隙密封的活塞 6 一缸底7 一压盖8 一防护塞9 一拉板1 0 一活塞杆密封1 1 一浮动间隙密封支承环 1 2 一。型圈1 3 一耐磨环1 4 一活塞杆 作为国内的专业的液压缸企业韶关液压，为了打破国外企业在这一领域的垄断地 位也推出了自己的采用间隙密封技术的结晶器振动伺服液压缸，如图1 2 所示。可是因为 国内在间隙密封，尤其是液压领域往复式机械上的间隙密封技术研究较少，没有强大的理 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 论技术做背后支撑，其生产的液压缸在使用寿命上也完全无法达到国外的技术水平，甚至 寿命不到撼神十分之一。在为数不多的液压间隙密封资料中，武汉科技大学液压实验室独 占鳌头。张宏伟( 武汉科技大学液压实验室研究生) 采用p r o e 建立了液压滑阀上间隙密封 流场模型，运用f l u e n t 分析卡紧力及泄漏量；焉勇( 武汉科技大学液压实验室研究生) 根 据液压缸活塞的间隙密封机理展开研究，采用c f d 软件分析间隙密封流场的压力分布及速 度矢量分布；蒋俊( 武汉科技大学液压实验室研究生) 对采用间隙密封的变形活塞进行了 c a e 仿真，分析了流场流速、剪切力及活塞变形情况【2 0 2 2 1 。 在图1 2 中，5 一活塞上采用间隙密封技术，开取了5 条均衡槽。1 1 一浮动支承环也采用 了间隙密封技术，在环内壁也开取了5 条均衡槽，并且主体结构采用钢结构，在环内壁则 镀上了一层铝青铜。这样做的目的是因为钢具有较大的弹性模量，能在较大的压力下只产 生少量的变形，而铝青铜则具有良好的耐磨性，在与活塞杆产生接触时不易摩擦损坏。但 是韶关液压件厂这种结构设计，在实际运用中，由于流场间隙厚度没有事先仿真设计，因 此在工作中，其对油液的泄漏及活塞杆的摩擦仍然无法控制，最终造成的结果仍如图1 1 所示。为了改善浮动间隙支承环实际工作中的状况，本文设计了一种新型的支承环，在环 内壁同样开取了5 条均衡槽，其结构如如图1 4 所示，但是其材料全部采用铝青铜。由于材 料较为贵重，为控制生产成本，并避免图1 1 所示结果，对其进行仿真分析就显得十分必 要。 密封蛋糟謇封一格 图1 3 原浮动支承环图图1 4 浮动支承环设计简图 1 3 课题的研究意义和内容 综合国内已有的论文及其他参考文献，我们可知对活塞上开平衡槽形成间隙密封流场 的研究已经有了一定基础，但是对于活塞杆上的支承环开平衡槽形成间隙密封流场的研究 还没有特别多的探究与分析。在间隙密封流场及液压缸高压腔液压油的作用下，支承环会 自动对中，与活塞杆同心，这时支承环由于油液的压力会产生变形，而支承环的变形又会 使夹在其与活塞杆间的间隙密封流场发生变化，进而又影响支承环的变形。因此对其分析， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 确定支承环材料厚度及间隙流场间隙厚度较为困难。此时若只采用传统的数值计算分析方 法，即只采用c f d 软件单独分析流场，那么支承环的变形无法计算；只采用有限元分析软 件单独分析支承环的变形，那么支承环与流场域接触的壁面载荷无法精确施加，分析的结 果也不够精确。这时我们需要一种全新的数值分析方法流固耦合，来进行对此种问题 的求解。流固耦合作为一种全新的计算机数值计算分析技术，既考虑流场对可变性固体的 作用，又考虑固体变形对流场作用。在水利水电，飞机制造行业，流固耦合已经得到了充 分应用，而相对于机械传动，液压传动作为一种较新的技术，其考虑的流固耦合作用较小， 因此流固耦合在液压行业的应用较少。目前国内仅见的参考文献都是为数不多的且没有被 广泛引用参考的新作，如：尚翠霞在“控制阀流固耦合特性的研究”一文中，通过a n s y s w o r k b e n c h 分析平台，以c f x 做流场分析软件，a n s y s ya p d l 为固体分析工具，计算分析 了一种控制阀流固耦合特性【2 3 】。李小波在“液力减振器流固耦合( f s 工) 动特仿真研究”一 文中以某型小汽车的双筒液力减振器作为研究对象，通过对其工作原理和阀系结构的分析 与研究，建立了减震器整体流固耦合动力学模型【2 4 j 。裴吉在“基于流固耦合的离心泵流 动诱导振动特性数值研究”一文中对普通泵内部流场和转子振动结构首次建立了同步交换 联合求解的流固耦合计算模型，分析发现了流固耦合作用下泵内部流场压力速度的变化规 律以及转子结构的瞬态动力特性【2 5 1 。 针对国内液压行业目前主要只用c f d 软件对系统或元件内部流场做分析的情况，将一 种新的、更全面的数值计算分析方法流固耦合分析引入液压领域，对液压行业的发展 无疑具有更加全面而重要的影响。流固耦合分析可在液压控制元件、执行元件的结构设计 与定型，系统的振动与噪声冲击以及泄漏与卡紧等方面发挥重要作用。 本文将流固耦合分析技术引入液压缸设计与定型，具体表现在流固耦合作用下带有间 隙密封的支承环的结构及间隙厚度的分析与定型上。因此本文主要做的工作如下： ( 1 ) 对原有的支承环结构及间隙厚度进行测量，运用p r o e 初步绘出支承环三维结 构图，并总结出能代表大多数间隙密封的间隙厚度尺寸。 ( 2 ) 在g a m b i t 中建立间隙流场域的三维模型并划分网格，定义边界条件，特别是编 辑好耦合面的设定，然后导入w o r k b e n c h 里f l u e n t 模块进行流场分析。 ( 3 ) 对缝隙流动泄漏量进行理论分析，并观察仿真分析泄漏量结果及耦合面的压力 分布，为流固耦合的下一步分析做准备。 ( 4 ) 将建立好的支承环初步三维模型导入w o r k b e n c h 里静力结构分析模块，划分网 格，定义约束，施加载荷并导入f 1 u e n t 分析的耦合面压力数据，然后进行计算分析。 ( 5 ) 建立多个流场域及支承环模型，进行多次流固耦合分析，然后对比分析，对支 承环结构及间隙厚度做出最后定型。 武汉科技大学硕：上学位论文第7 页 第二章流固耦合分析基础 2 1 流固耦合的基本定义 经过几十年不断地发展，计算机数值分析技术逐渐完善和成熟，其应用也从科 学研究领域逐渐走进工业应用领域。计算固体力学分析( c s m ) 和计算流体力学分析 ( c f d ) 作为其两个重要分支也得到了不断发展，目前已广泛应用于造船、汽车、航空 航天、建筑、机械、电子等各行业。 随着应用中遇到的实际问题如飞机的气动弹性问题，大桥及高层建筑的风激振 动问题等不断出现，计算固体力学与计算流体力学各自作为一种分析技术已经不能 单独满足此类问题的解决需要。在寻找问题答案的过程中，流固耦合分析作为一种 古老而全新的方法，逐渐走入广大科研人员的视野。流固耦合分析的英文全称为 f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o na n a l y s is ，是计算流体力学与固体力学相互交叉耦合 而生成的一门新的力学分支，涉及到多物理场中流固二相分析。其研究流场作用下 可变形固体的各种行为以及固体的变形对流场的影响这二者的相互作用 2 引。 流固耦合问题可以理解为即涉及固体求解又涉及流体求解，而两者又不能被忽 略的模拟问题【2 引。其同时考虑流体与固体的结构特性，可以保证结果更贴近与物理现象 本身规律，有效节约分析成本和时间。因而近些年来，流固耦合分析在工业设计中尤其是 虚拟设计和仿真中的应用逐渐广泛与深入。 流固耦合的研究和应用在众多工业领域，包括水利水电、航空航天、石油化工、建筑、 海洋工程设备以及生物医药领域，有着非常重要的意义和广阔的应用前景。如水利水电行 业中，坝基稳定性和水轮发电机与水流的相互作用；航空航天行业中，飞机机翼在高速气 流中产生颤振，飞船返回大气层剧烈摩擦，产生高温烧蚀进而带来的飞船结构变形的复杂 流固耦合问题；石油化工行业中，长距离输油，原油的流动导致长距离输油管振动的情况； 海洋工程设备中，石油钻井平台在强风强波浪下的结构安全性；生物医药领域中，血流与 血管、组织液与细胞的生物力学耦合现象等，这些相关分析都与流固耦合分析紧密联系。 显然，流固耦合的作用，无论时代的变化和科技的进步，一直存在。但是其分析和广 泛应用是随着计算流体力学与计算固体力学的不断发展而产生和实现的。因此要探析研究 流固耦合的基本原理需要从上述两种力学分析入手。 2 2 计算流体力学的基本方程 计算流体力学即计算流体动力学，英文全称为c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) 。 它是基于离散化的数值计算方法，是利用电子计算机对流体相对于不同固体边界的内外流 场进行数值模拟和分析的学科，属于流体力学的一个分支【3 0 】。计算流体力学其研究对象 为流体，任何流体的流动都必须遵守基本的物理守恒定律，即：质量守恒、动量守恒与能 量守恒等。在具体建模分析求解过程中，根据流体的分类，流体流动的分类要添加相应的 第8 页武汉习 披大学硕士学位论文 控制方程【3 1 ： ( 1 ) 连续性方程 连续性方程也称质量守恒方程，即：单位时间内，控制体流出的流体净质量等 于相同时间间隔内控制体中减少的净质量，简单的说就是流出质量等于减少质量或 者流出等于流入，由此可导出流体流动的质量守恒方程的微分形式： 鱼+ 塑尘+ 型+ 塑堕：o a t瓠 a y 8 z 式中：p 表示密度，t 表示时间，“、v 和w 是速度矢量在x 、y 和z 方向的分量。 ( 2 ) 动量方程 2 3 计算固体力学的基本方程 计算固体力学是以电子计算机为工具，基于离散化的数值计算方法来求解分析 固体力学中各种问题的 3 2 1 。在计算固体力学中用的最多的离散方法便是有限元法。 有限元法必须以弹性理论等为基础，遵循相关的有限元方程 3 3 1 。 ( 1 ) 运动方程： ( 2 ) 几何方程： 饥i 篮瑟饥i 峨一砂监砂巩一砂 饥i百饥百 + + + 工 y ： 吒 吆 q ， p q t = = = 幽一班咖一出咖一以 瓯 巧乃 、丁一订一挑 k a 一钆 e p 坼 a 一融 程 叶 柳 肚 量钆蹈旦研 锄一酽挑一酽挑矿 d 0 d = | l = x ， r 吒 + + + 眈一如吆瑟虹瑟 笠砂峨可可 堕舐笠苏鱼彘 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 ( 4 ) 本构关系： 。一锄，：坐+ 空 2 丙，叫一瓦十瓦 础哕 勺2 瓦2 瓦+ 瓦 乞2ik 2 i + i t ：苴q 一( q + 吒) 岛= 掣勺 勺= 扣一( 吒+ q ) = 掣 t = 长吒一( q + q ) = 掣吃 2 4 流固耦合方程 在流固耦合的耦合面处，流体与固体应遵循力、温度、位移、热量守恒，即要 满足4 个方程，如下： 气f n f2 t s n s d f = d s q f2 qs 弓2t 下标s 表示的是固体，f 表示的是流体。 2 5 流固耦合的分类 根据前面所述，可知两种计算力学都是以电子计算机为工具，采用离散化的数 值计算方法，进行研究分析的。从算法来讲，可采用分离解法，即流体域与固体域 单独分析，然后在二者间进行数据传递进一步分析来求解流固耦合的问题。根据数 据传递不同方向，流固耦合可以分为两类：单向流固耦合分析( 0 n e w a yc o u p l i n g ) 与双向流固耦合分析( t w o w a yc o u p l i n g ) 。 ( 1 ) 单向流固耦合分析：流固耦合交界面，数据的传递是单方向的，一般是将 c f d 计算的结果( 如压力、温度或对流载荷) 传递给固体结构进行分析，而固体结 构的分析结果不传递给流场。这就是说，流体分析的结果对结构分析产生了重大影 响，而结构的变形等非常微小，对流场的分析作用几乎可以忽略不计。此类现象和 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 分析非常的普遍，比如：海洋石油钻井平台在强波浪下的静态结构分析，风力发电 机叶片在强风中结构变形分析，水轮机的结构强度分析等都是单向耦合分析。 ( 2 ) 双向流固耦合分析：流固耦合交界面，数据的传递是双方向的，既有c f d 计算的结果( 如压力，温度或对流载荷) 传递给固体结构进行分析，又有固体结构 的计算结果( 如形变、速度或加速度) 反向传递给流场计算分析。这就是说，流体 分析的结果对结构分析产生了重大影响，而结构的变形等非常显著，反向对流场的 作用也产生了重大影响。这类现象与分析也非常的普遍。比较常见的有挡板在强风 中的振动分析、血液流动与血管壁的耦合分析、邮箱的振动与晃动分析等。 图2 1 流固耦合数据传递图 一般来说，对大多数流固耦合作用现象，如只考虑固体的静态结构特性，采用 单向分析便足够，但要考虑固体振动等动力特性，双向流固耦合分析则必不可少。 这也就是说双向分析大多是为了解决固体大变形和振动情况而进行的。 2 6 流固耦合的数值模拟实现及软件介绍 计算固体力学和计算流体力学是流固耦合的重要基础，而上述两大力学都是基 于离散化数值计算的方法，因此流固耦合的实现( 即建模计算分析) 也是基于上述方法，通过流体分析软件与固体分析软件以及第三方数值传递平台来 实现耦合的数值建模与分析。 近年来，随着广大科研人员与工程师进一步分析应用，流固耦合的研究得到了 飞速发展。尤其是安世亚太( a n s y si n c ) 公司于2 0 0 3 年、2 0 0 6 年先后收购c f x 以及f l u e n t 以来，通过推出a n s y sw o r k b e n c h 融合上述两种c f d 软件，流固耦合可 以在不再需要第三方软件情况下实现建模分析，求解过程也变得容易起来。下面就 介绍本文将要用到的w o r k b e n c h l 2 ，g a m b i t ，f l u e n t ，m e c h a n i c a la p d l 软件。 ( 1 ) w o r k b e n c h l 2 a n s y sw o r k b e n c h l 2 作为一个集成框架，它整合现有的各种应用，并将仿真过程结 合在一起【3 1 。通俗的来说，w o r k b e n c h 就是一个工作平台，它将流体分析，热应力分 析，显示动力学分析，电场分析，频率响应分析，静态结构分析等模块集合在平台 上的工具箱里，根据工程需要，将相关分析软件模块整合在平台上，组成操作分析 “流水线”，如同工厂的生产线一样。不过不同的是，科研人员可以根据自己的分 析要求，提取自己需要的分析模块然后组合在一起，在分析过程中也可变更流程， 具有极大自主性。w o r k b e n c h l 2 与旧版本相比，其操作界面变化巨大，引入了工程 图解显示界面，操作更加形象具体化，但是其核心应用程序并无大的改变。其在多 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 物理场耦合分析与应用的优点依然得到了保持，甚至于提升( 多场仿真的速度比以 前更快) 。 ( 2 ) g a m b i t 网格的划分是c a e 仿真前处理的重要环节，也是整个计算仿真项目所需时间最多的 环节，而且其质量对后续数值计算的结果正确性有着重要的影响。因此简单快捷地 生成一套高质量的网格是广大工程人员及科研人员的目标与梦想。g a m b i t 是面向 c f d 的专业前处理软件，是功能强大且灵活方便的几何建模及网格划分工具，可以 直接进行点、线、面、体的模型建立及边界层、线、面、体的网格划分，也可以实 现与c a d 的衔接，处理复杂的几何模型，并能生成与多个c f d 软件无缝连接的高质 量网格【3 j o 在w o r k b e n c h 里，其f l u e n t 模块自带有m e s h 网格划分环节，也可以生成网格， 但是在处理复杂的流场几何模型时，其划分算法还不足以生成高质量的六面体结构化网 格，而g a m b i t 在处理复杂模型时，其拥有的网格划分算法却足以保证高质量的六面 体网格能直接划分。 ( 3 ) f l u e n t 作为世界上较早推出的专业c f d 商业软件，f l u e n t 由于其友好的用户界面、成熟全 面的算法、新用户容易上手等各种优点得到了广大客户的一致好评，成为全球普遍 应用的计算流体力学软件之一。其基于有限体积法的离散化方式，能适应的网格类 型较多比如结构化的、非结构化的、混合型的、动变形的以及滑移的网格类型。其 物理模型丰富先进，能满足大多数流体计算工程的需要。自从2 0 0 6 年被a n s y si n c 公司收购后，其多物理场耦合支持的功能更加强大，实现起来也更加容易方便。在 流固，热固耦合场分析领域，其打破了c f x ( 另外一种c f d 商业软件) 的垄断格局， 为耦合场的分析提供了另一种可行的可靠的方法，本文的问题就是基于此项方法上 实现的。 ( 4 ) m e c h a n i c a la p d l 从a n s y s 公司近年来推出w o r k b e n c h 版本以来，a n s y s 公司就包含了多种计算求解 软件，既有流体又有固体的，而作为其过去的拳头产品m e c h a n i c a la p d l 的光辉也 逐渐被掩盖，但是其固有的优势和特点却使之成为不可忽略的经典。m e c h a n ic a l a p d l 也称作a n s y sc l a s s i c a l ，是安世亚太公司诞生以来推出的首部巨作，其固体力 学、结构分析在钢结构仿真分析上，与其它软件相比，其前处理的快捷性、求解的 快速性、后处理的直观性以及结果与现实物理现象的接近性具有显著优势。这些优 势也为其与其他软件的耦合计算提供了可靠基础。m e c h a n i c a la p d l 是基于有限单 元的离散化方法进行数值计算的，可以自己生成六面体网格也可以接受其他前处理 软件如h y p e r m e s h 或者c a d 生成的结构或非结构化网格。 2 7a n s y sw o r k b e c h l 2 下单向流固耦合模块组合方式 a n s y sw o r k b e n c h l 2 用户界面主要有两大块组成，一个是工具箱( t o o l b o x ) ， 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 一个是项目流程界面( p r o j e c ts c h e m a t i c ) 。其中工具箱由四个工作系统组成，分 别用于不同场合，具体如下： a n a l y s i ss y s t e m s ：分析系统，具有多种软件计算模块，为流程搭建做准备； c o m p o n e n ts y s t e m s ：模块系统，具有具体建模模块及结果显示模块，为流程的 扩展做准备； c u s t o ms y s t e m s ：经典耦合模块系统，可以为用户提供常用的的耦合模块流程 d e s i g ne x p l o r a t i o n ：设计开发系统，用于参数管理和优化。 项目流程界面是用户按照项目需要自己搭建分析模块流程的工作平台， 所需模块均可在工具箱里调用。 启动w o r k b e n c h l 2 ，在t 0 0 1 b o x 中根据单向流固耦合的流程主要有c f x + s t a t ic s t r u c t u r a l ( a n s y s ) 和f l u e n t + s t a t i cs t r u c t u r a l ( a n s y s ) 两种。前者擅长于旋转机 械的流固耦合分析，后者长于超音速和多相流的分析。根据本文分析的问题，在这里 选择后者进行建模分析。由于模型建立的方法以及网格生成的方式不同，可以按图 2 2 2 4 几种流程搭建模块。 ， d o e ，甏蠢翻翟瞄罄瀚慝，蜀麓盘慰窭雹盔露曩_ 2 i m p o r 暑d h e 5 n 誓2 眵e 吲n e 唧q d 如 j 3 瞬5 咖p 喾3 眵6 e 。m e 时 ? j 国5 0 i u t i 。n学、斗h 。d e l。争j 誉裔箍。l ；节1 j 随一；。t u p宫i ：| ： 6 囱5 0 o n 7 ：6 裔r e s u i t s s t a t i c5 t r u c t u r a i ( a n 5 y 5 ) 图2 2 f，r 6 j 鞠圈踊翻豳蕊圉_i 嗣闼豳黧翻融飚豳 2 与6 e o m e t r y 警 j 2 l 势 e n g i n e e r i n qd ata、 一 3 1 9 卜1 e 5 h 言、13 i g e o m e t r y 翟一 珥+ 磕遭5 e t u p学。斗! 睁卜1 0 d e l宫j 5 囝5 0 i u t i o n营j _ 5l 离毫5 e t u p管j 6 6 r e s u i t 5管6 稳5 0 o n孕j f i u i df i o w ( f l u e n t ) 7j 百 r e s u i t s冒 j 5 t a 七i c5 t r u c t u r a l ( a n 5 y 5 ) 图2 3 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 翻露露嬲翻，嗣盛霉翟慰弧 2 卿6 m e c r yj 2 e n g l n e e n q d a aj 3 m e 5 h v ， 3 嘟g e o m e 呻j q 国5 e t u p 4 pm o d e ij 5 国5 0 0 nv ，j 叫5 馥5 e u p j 6 国r e s u l 【s oj 6 国5 0 恤o nj f l u df b w ( f l u e n t )7 。囟r e 5 d t 5 、一 5 c a t 虻5 c r u c t u ra l ( a n 5 v 5 ) 图2 4 图2 2 ，流固模型分开建模，流体网格在g a m b i t 中生成再导入f 1 u e n t ，而固体 结构网格直接在a n s y s 中生成。 图2 3 ，流固模型一起建模，模型在c a d 软件生成后导入二者共享的g e o m e t r y 。 在网格划分和求解时，要将f l u e n t 中固体模型抑制( 屏蔽) ，a n s y s 中流场模型抑 制，这样才能避免各自计算分析时另外的模型干涉和影响。 图2 4 ，流固模型分开，直接在f l u e n t 和a n s y s 中建立模型划分网格，f l u e n t 中求解的压力数据传递给a n s y s 的前处理阶段，a n s y s 再进行固体结构计算分析。 根据本课题所研究的流固耦合的实际模型，本文采用流体域模型在g a m b i t 内 建立并划分网格，固体域模型在p r o e 中建立再导入a n s y s 中划分网格，具体如流 程二所示。 豳一 ， l 2 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章流场域的建模分析 3 1 引言 液压油流过支承环与活塞杆间的间隙时，由于环形问隙的节流效应及沿壁面的 摩擦及其他原因造成的能量损失，压力从入口到出口是不断下降的。为了具体弄清 楚整个流场的压力分布及速度分布，可采用w o r k b e n c h 中f 1 u e n t 模块对流场域进 行建模分析。对于间隙厚度具体为多少，可根据支承环变形后不得接触活塞杆的原 则来确定。具体的间隙密封流场如图3 1 所示。出口为背压腔，出口压力统一取2 m p a ； 进口位于活塞工作的高压腔，由于结晶器振动液压系统压力可调，为分析支承环在 不同压力下的变化，本论文选取进口压力分别为1 5 a 、2 0m p a 、2 5m p a ，因此本文 要做3 种流场分析。在整个流固耦合分析开始前，支承环的厚度并未确定，本文先 暂定支承环模型厚度分别