液动射流冲击器仿真分析方法综述

液动射流冲击器仿真分析方法综述

计算机仿真分析复杂问题的研究方法在确定的背景基于设计师的知识和经验，初级液体运动模拟器的开发主要依靠设计师的知识和经验，将真实的元素引入实践系统，并在此基础上进行测试，以研究结构参数和控制模式的变化对冲浪器动态性能的影响。但射流冲击器结构的更改和试验系统的建立以及进行具体的试验过程不仅需要花费大量的人力、物力、财力和宝贵的时间,而且一次成功的可能性很小,改变系统参数也比较困难。多体动力学理论的不断完善,使准确建立冲击器活塞动力学方程成为可能。设计者开始对射流冲击器的内部工作过程进行理论分析,但受到射流元件理论研究滞后的影响,分析结果与实际工作情况往往相差甚远且无法在理论层面上加以解释。另一方面借助于相似理论构造模型进行中间试验的研究机制始终没有建立,故而使得理论分析方法至今仍存在很大局限性,主要体现为分析结果无法精确量化,分析结论无法准确反映射流元件与动力活塞间的动力学耦合关系等。在试验手段和理论分析都遇到困难、无法突破自身局限的情况下,计算机仿真技术为液动射流冲击器的研制提供了较为理想的设计计算方法。自20世纪90年代中期以来,先后有4种典型的方案应用于液动射流冲击器的研制过程,分别为:1)采用高级语言编程的计算机仿真计算研究;2)基于Matlab建立反馈控制系统模型进行仿真分析;3)应用CFD软件进行射流元件内部流场结构的仿真分析;4)应用CAD/CAE/CFD软件进行射流冲击器动力学耦合特性的综合仿真分析。4种典型的仿真分析方案是在计算机软硬件技术发展的不同阶段依次提出的,但由于不同的仿真分析方法在其所能揭示的液动射流冲击器内部工作机理与性能参数变化规律的内容有所区别,研制过程中需要通过仿真分析方法所获取的信息经常变化,软件版本的不断更新,又使得各种仿真方法逐步得以完善,故而在新型射流冲击器结构方案论证、定型产品性能预测、射流元件内部流场流动特性分析、射流冲击器常见故障诊断等诸多研制工作过程中,利用不同方法进行仿真分析都不失其应用方面的必要性和技术上的先进性,且所得出的结论皆具有重要的参考价值。由于各种仿真分析方案所采用的工作平台及技术细节不同、实施仿真分析的具体工作流程不同、仿真分析所揭示的内在规律和预测目标有所差异,笔者将面向液动射流冲击器计算机仿真分析技术的核心内容,即系统、模型及实施仿真的具体步骤逐一进行介绍。1仿真模拟方法根据活塞运动的动力学方程建立数学模型,不考虑元件内部复杂的流动过程,并利用有限差分原理编程进行射流冲击器仿真计算,编程语言先后采用了Basic、VB、VC++等,程序运行环境也由初期的DOS升级至Windows系统。这是一种较为原始,但能够可靠反映结构参数及控制参数对液动射流冲击器性能影响趋势的定性化计算机仿真方法,其典型流程如图1所示。通过该方法,得出了加大活塞行程、加大活塞冲锤质量、提高泵排量可以提高液动射流冲击器单次冲击功的结论。多年来,该方法一直被沿用,大量试验也证明了上述结论的正确性。随着程序复杂程度的增加,活塞及活塞杆直径、流体通道的沿程损失和局部损失等因素对液动射流冲击器性能的影响也考虑在内。尽管编程仿真工作量大,基于准静态微段的有限差分模型难以反映冲击器活塞运动过程中对射流元件输出特性和控制特性的影响,但仿真结果真实反映了变更结构参数对冲击器性能的影响趋势,并且程序能够反映不同影响因素之间的相互制约关系,从而为以提高冲击功或改变冲击频率为目的射流冲击器研制工作提供了重要的参考。2插装式整体模型Matlab软件具有强大的矩阵运算能力和较为直观的可视化功能,其扩展工具箱Simulink可以方便地进行系统建模、动态仿真分析和数据分析。液动射流冲击器就其工作性质而言是一种具有双稳态且能够在脉冲反馈压力作用下切换的自激式冲击振动系统,适宜采用Matlab软件及Simulink工具箱对其进行仿真分析。应用Matlab软件进行液动射流冲击器仿真,需要将其置于完整的反馈控制系统内考虑,该系统的组成结构如图2所示。从反馈控制系统的角度分析,液动射流冲击器主要由高压水泵、射流元件、活塞与砧体三个主要的动力和控制环节构成。其中高压水泵是系统的动力元件,提供了压力-流量信号,水泵的动态特性在仿真过程中给予了考虑,并忽略了原动机性能对回路的影响。冲击器活塞是系统的执行元件,其动力学特性已经能够用较为成熟的数学模型来描述。图3为内缸上腔管道与冲击活塞系统的方块图。与常规阀控缸系统不同的是,对射流冲击器活塞的分析需重点考察其动态响应特性及相关的瞬态指标,如启动加速度和冲击末速度等。活塞冲程终了时与砧体发生碰撞,碰撞后上腔引起水击现象,水击压力作为反馈信号推动射流元件附壁侧切换,进而冲击活塞回程开始。仿真模型需根据这样的复杂状态转换设定相应的判断准则,通常冲击活塞运动状态的改变以活塞位移是否到达行程终点作为判断依据,而冲击活塞行程终了所产生水击波的传播决定了射流元件的附壁切换过程,无论冲击活塞还是射流元件都需要在工作状态转换瞬间重新设置初始条件并改变动力学参数。采用状态方程或基于Simlink建模可以准确反映系统内部工作状态。此外,液动射流冲击器的内缸限制了活塞的运动空间,其上下腔压力和流量成为影响活塞动力学特性的重要外部因素,回程结束时还需通过活塞与缸体撞击后产生的水击压强作为反馈信号推动射流元件附壁侧切换,开始下一次冲程。因此缸体结构及其上下腔的压力、流量特性是仿真过程中重点考虑的内容。排空孔提供了内缸上下腔的输出通道,同时射流元件的卷吸作用也通过排空孔补充流量,实际工作过程中排空孔的压力取决于钻进时的孔内围压。为简化问题,仿真过程中直接将排空孔道接至水箱,这种处理方式和试验过程完全相符。射流元件内部流场的复杂性给基于控制理论的建模工作带来了困难,仿真过程中通常以“灰箱”方式对其进行处理,然后借助于试验结果进行系统辨识,根据拟合结果设定射流元件输入-输出特性以及切换条件、附壁稳定条件。近年来,随着CFD技术的完善,对射流元件内部流动机理的研究与认识程度不断深入,已经得出很多有使用价值的结论。此外,液动射流冲击器的内缸限制了活塞的运动空间,其上下腔压力和流量成为影响活塞动力学特性的重要外部因素,回程结束时还需通过活塞与缸体撞击后产生的水击压强作为反馈信号推动射流元件附壁侧切换,开始下一次冲程。因此缸体结构及其上下腔的压力、流量特性是仿真过程中重点考虑的内容。排空孔提供了内缸上下腔的输出通道,同时射流元件的卷吸作用也通过排空孔补充流量,实际工作过程中排空孔的压力取决于钻进时的孔内围压。为简化问题,仿真过程中直接将排空孔道接至水箱,这种处理方式和试验过程是完全相符的。3cfd试验方案CFD(computationalfluiddynamics)即计算流体动力学,是以电子计算机数值方法作为理论基础,通过网格划分进行流场结构的离散化,即利用离散方法(discretizationmethod)将微分方程简化成代数方程,进而利用计算机求数值解。CFD技术与理论分析、试验在现代流体力学研究过程中具有同等重要的地位。射流元件的CFD分析目前是利用商用程序进行的,其内部流场的分析过程一般分成如下几个步骤:1)建立射流元件内部流场的实体模型,设定计算域;2)设置工作介质类型、物理属性及其变化规律;3)划分网格,产生离散单元;4)设定射流元件入口、左右出口、控制流道和排空孔处边界条件;5)选择合适的紊流模型、设定求解方法、监控目标及稳定判据;6)进行迭代求解,求解过程中根据需要修正模型或改变求解参数;7)进行计算结果后处理,重点考察射流元件内部流场的压力和流速分布规律。通过射流元件内部流场CFD分析的可视化结果如图4所示,在模拟环境中可以清楚地观察到射流的附壁现象。经过反复变更工作介质得出水、液压油、压缩空气等单相流体通过射流元件时发生附壁现象所需满足的基本条件。根据CFD计算所提供的流场内压强分布规律,可考察附壁稳定性及元件输出口液流承受静载的能力,而根据射流流速分布规律可分析元件内部流场的涡流结构、各孔道液流流向和流量大小,同时可视化的流线分布清楚地反映附壁射流的卷吸所用,验证了以往根据理论分析和试验结果作出的推断,并在假设的稳态边界条件下实现了部分关键流动参数(如输出口压力、排空孔卷吸流量)的定量化计算。然而实际冲击器中射流元件并非独立工作,元件各个对外接口的边界条件也是非稳态的。因此基于稳态边界条件进行的CFD计算结果尚不能反映射流元件的动态性能。为了进一步反映元件与冲击活塞间的动力学耦合特性,使模型元件与实际元件工况相符合,提出了以CFD技术与试验相结合的方案对射流元件内部流场进行研究。具体技术路线如图5所示。首先根据射流冲击器的结构及工作原理建立射流冲击器综合试验装置。为便于观察射流元件内部流动过程,射流元件模型的盖板材料选择淡黄色透明的聚氨酯板(见图4);在工作介质中混入示踪粒子、利用PIV技术对二维流场进行无扰动观测。综合试验装置可模拟射流冲击器实际工作过程,同时对射流元件输入孔道、输出孔道、控制信号道和排空孔道处压强进行动态测量;也可对输入流量、输出孔道流量和排空流量进行动态测量。试验结果也将为射流元件内部流场的CFD分析提供非稳态边界条件,在计算过程中非稳态的边界条件可以自定义函数(如Fluent的UDF)的形式施加在相应位置,在此基础上进行的射流元件CFD计算可反映元件与冲击系统整体的动力学耦合特性。目前,综合试验器尚处于研制阶段,相信在不久的将来会在揭秘射流元件内部复杂流动特性的工作中发挥重要的作用。4建模网格划分利用通用的CAD软件(如UG、Solidworks,Inventor等)可以很方便地建立射流冲击器实体模型。一些CAD软件内部集成了力学、运动学及CFD分析功能,可以进行单一工具集成环境下的CAE/CFD联合仿真分析,例如Solidworks软件即整合了CosmoWorks、CosmosMotion和FlowWorks等模块,分别用于零部件有限元分析、动力学仿真分析和计算流体动力学分析。对射流冲击器系统整体进行CAE/CFD研究的另一个思路是借助多种软件,把冲击器几何造型工作与仿真分析工作分开,而在具体分析过程将冲击活塞动力学分析、元件与缸体内部流场的CFD分析协同进行,其基本原理是流场的瞬态边界条件随冲击活塞运动状态变更,而基于瞬态边界条件的CFD计算结果以压力、流量的形式作用于冲击活塞,然后在考虑流场迁移特性的同时选取特定的算法进行微小时段内的耦合求解。由于各类软件功能各有侧重,后一方案明显更为合理,这样能够充分利用不同软件各自的优势,但需要各个软件提供完善的接口程序,以实现协同工作环境中高效、精确的建模仿真过程。实践过程中液动射流冲击器建模仿真利用了UG、Icemcfd和Fluent三种软件和C语言编程环境。液动射流冲击器的实体建模网格划分是在UG和Icemcfd环境中完成的(如图6所示),根据射流冲击器的几何特点和动力学特性,划分结构化网格可以有效节省计算机系统资源,加快运算速度并提高解算精度。CFD计算在Fluent环境中进行,湍流模型一般采用标准k-ε模型,速度—压力耦合算法选择Simple算法。控制方程中的扩散项一般采用中心差分格式离散,而对流项则可采用多种不同的格式进行离散。默认情况下,当使用分离式求解器时,所有方程中的对流项均用一阶迎风格式离散;当使用耦合式求解器时,流动方程使用二阶精度格式,其他方程使用一阶精度格式进行离散。仿真过程中应用了动网格技术来模拟根据域边界的运动情况随时间改变的流动域形状。体网格更新可以根据边界的新位置在每一时间步自动处理。为了使用动网格模型,需要提供一个初始体网格和相关流动区域的运动描述。Fluent软件可以在边界轮廓上采用用户定义函数,或通过六自由度求解(6DOF)来描述运动。Fluent也可以对指定的面或单元区域进行运动预测描述,对于模型的运动和非运动区域,最初进行体网格划分时应该把相应的面或单元组成单独区域。不同区域之间的边界类型不必一致,最终模型中可以使用非一致或滑移界面功能将不同区域连接起来。应用动态网格技术的液动射流冲击器仿真过程中,需将冲击活塞有效作用面设置为刚体、冲击活塞与内缸配合圆柱面设置为变形壁。整个冲击系统分成三个流动区域,内缸上下腔流域及其通道设置为内部条件,其它所有的各面均为流体与固体相互接触面,属于壁面类型的边界。在此基础上设置系统整体边界条件与初始条件,其中入口设为速度入口,出口为压力出口。网格采用动态铺层方法进行迁移。此外,系统动态特性需要编程从内缸上、下腔提取,所提取的动态参数作为下一时间步长内准稳态过程的初始条件,由程序自动施加给动态迁移至新位置的网格化边界。CAD/CAE/CFD技术为液动射流冲击系统构造了虚拟现实的仿真分析环境,仿真对象是利用CAD技术构造的实体模型,元件与缸体之间设置了真实流道,冲击活塞的几何尺寸及质量特性都与现役冲击器活塞相符合。不考虑加工精度及表面光洁度对射流附壁特性和冲击活塞动力学过程的影响,通过基于虚拟样机技术的仿真分析可以求出冲击活塞运动速度变化过程对活塞上下腔压力动态变化过程的影响,尤其在活塞反弹瞬间活塞上下腔流动特征的突变。对仿真结果进行分析,可以考察活塞运动方向改变后水击压力作用下元件射流附壁侧切换的具体过程,并且可以获得重要参数,如切换时间、信号道内瞬态速度-压力等。同时,对液动射流冲击器不同工作参数组合反复进行CFD计算,即可进行参数组合寻优工作,判断不同参数对液动射流冲击器工作性能的影响,也可通过单一因素影响寻找某一参数对冲击器工作性能的影响规律,为合理设计系列化、新型液动射流冲击器提供重要的依据。5气动射