崔景芝，江海鋒，劉春姐，葛孝月

0 引 言

氣動(dòng)活門動(dòng)態(tài)特性的研究主要采用試驗(yàn)方法及數(shù)值分析兩種方法。試驗(yàn)方法直接、可靠，但成本較高；數(shù)值方法不但經(jīng)濟(jì)、快捷，而且還可分析出試驗(yàn)難以考核的工況，有助于全面、系統(tǒng)地了解產(chǎn)品特性。目前，研究氣動(dòng)活門的數(shù)值方法主要有：a）三維流固耦合模擬；b）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真。三維流固耦合偏重于從場(chǎng)角度研究局部耦合的影響，精細(xì)地分析流固耦合作用。

有限元技術(shù)分析仿真軟件（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis，ADINA）在閥門三維流固耦合（Fluid Structure Interaction，F(xiàn)SI）模擬方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。ADINA軟件通過(guò)FSI求解器，將流體模型數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)綜合在一起，構(gòu)造流體和結(jié)構(gòu)零件發(fā)生作用的 FSI界面并形成附加方程，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行求解[1]。安溢閥工作過(guò)程模擬復(fù)雜，要完成該項(xiàng)工作，F(xiàn)SI功能是基礎(chǔ)，而動(dòng)網(wǎng)格控制技術(shù)、控制流體通道的開(kāi)啟或關(guān)閉（Gap）等功能則是不可缺少的輔助，通過(guò)Gap邊界用來(lái)模擬不同控制腔之間在不同時(shí)刻的打開(kāi)-關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換。然而零件在流場(chǎng)中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求流場(chǎng)網(wǎng)格實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，為滿足系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)附加方程，可通過(guò)ADINA軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)[2]。本文采用ADINA軟件建立了氣動(dòng)安溢閥的整閥三維流固耦合模型，采用等效方法進(jìn)行了局部流場(chǎng)分析，并對(duì)活門的運(yùn)動(dòng)特性及各腔壓力進(jìn)行仿真分析，對(duì)于進(jìn)一步了解閥門特性提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 氣動(dòng)元件—安溢閥工作原理

作為運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)中的重要功能元件，安溢閥在工作過(guò)程中一直處于動(dòng)態(tài)調(diào)整狀態(tài)，動(dòng)態(tài)特性是影響其性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素。調(diào)整過(guò)程不僅包含流體的非定常流動(dòng)、活門的剛體運(yùn)動(dòng)以及彈性敏感元件的變形運(yùn)動(dòng)，而且還包含流體與活門、流體與敏感元件之間的耦合振動(dòng)，因此是一種典型的流固耦合問(wèn)題。高精度安溢閥一般為指揮作用式結(jié)構(gòu)，由主閥和指揮閥組成，主閥是介質(zhì)排出的主要通道，指揮閥控制主閥的啟閉、調(diào)整主閥的開(kāi)度[3,4]，如所圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)安溢閥入口壓力高于打開(kāi)壓力時(shí)，指揮閥敏感元件在壓差作用下帶動(dòng)指揮閥拉桿運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)背壓腔放氣通道，使背壓腔壓力降低，主閥敏感元件在壓差作用下帶動(dòng)主閥打開(kāi)；當(dāng)安溢閥入口壓力低于關(guān)閉壓力時(shí)，指揮閥敏感元件兩側(cè)壓差減小，指揮閥回位運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉背壓腔放氣通道，打開(kāi)主閥腔經(jīng)過(guò)指揮閥與背壓腔連接的充氣通道，使背壓腔壓力升高，主閥在回位彈簧作用下關(guān)閉[5,6]。

圖1 安溢閥原理圖Fig.1 Principle Diagram of Safety Valve

2 指揮閥環(huán)流間隙等效模擬研究

安溢閥中指揮閥主要起調(diào)節(jié)反饋?zhàn)饔?，用?lái)控制安溢閥的精度及靈敏度，指揮閥中的導(dǎo)向間隙對(duì)指揮閥動(dòng)作起如下作用：

a）導(dǎo)向間隙連通主閥腔和指揮腔，在兩側(cè)壓差的作用下形成流動(dòng)，同時(shí)平衡兩腔壓力；

b）導(dǎo)向間隙小、流速大，對(duì)結(jié)構(gòu)具有一定阻尼力。

由于導(dǎo)向間隙和結(jié)構(gòu)耦合作用是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)節(jié)，因此對(duì)整體流固耦合系統(tǒng)響應(yīng)起重要影響，但從分析模擬的角度出發(fā)，可以采用一個(gè)獨(dú)立局部模型來(lái)確定其對(duì)系統(tǒng)模型的影響，而不用在系統(tǒng)模型中直接體現(xiàn)局部復(fù)雜的環(huán)節(jié)。因?yàn)榫植康膹?fù)雜性可增加系統(tǒng)模型的復(fù)雜性，導(dǎo)致模型的建模和求解困難，從而無(wú)法保證系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性和順利求解[7,8]。

采用局部模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先只是通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算獲得阻尼力，然后將阻尼力施加在結(jié)構(gòu)上再次進(jìn)行流固耦合分析，這樣就可以在系統(tǒng)模型中考慮阻尼力的影響。主要過(guò)程如下：

a）建立以等效導(dǎo)向間隙面積實(shí)現(xiàn)流量的模型，完全不考慮阻尼力，進(jìn)行流固耦合系統(tǒng)的計(jì)算，同時(shí)提取各個(gè)腔流體壓力的變化曲線；

b）建立導(dǎo)向間隙局部真實(shí)模型，將上述計(jì)算獲得的各個(gè)腔壓力變化載荷施加在獨(dú)立局部模型的入口，獲得獨(dú)立局部模型的流動(dòng)特性及其對(duì)結(jié)構(gòu)形成的作用力（由于與導(dǎo)向間隙的流體相比，結(jié)構(gòu)（即拉桿）運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于流動(dòng)速度，對(duì)于導(dǎo)向間隙的流場(chǎng)和流動(dòng)不構(gòu)成明顯的影響，因此這樣的假設(shè)是成立的）；

c）將流場(chǎng)仿真獲得的阻尼力施加到系統(tǒng)模型中，重新進(jìn)行計(jì)算，從而獲得施加阻尼力的計(jì)算結(jié)果；

d）驗(yàn)證結(jié)果阻尼力施加的有效性。

3 建立以等效導(dǎo)向間隙面積實(shí)現(xiàn)流量的模型

建立導(dǎo)向間隙環(huán)流的等效流固耦合模型，導(dǎo)向間隙的流量是按照流量直徑等效，如圖2所示，在主閥腔和指揮腔之間建立一個(gè)連通管，獲得其等效直徑及等效面積。

圖2 間隙環(huán)流等效模型Fig.2 Equivalent Model of Gap Circulation

在完全不考慮阻尼力的情況下，可獲得安溢閥的整體系統(tǒng)特性。在大流量及額定流量工況下，各個(gè)邊界的壓力變化通過(guò)ADINA軟件進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出功能整理為TXT格式文件，這些文件當(dāng)作曲線數(shù)據(jù)在獨(dú)立局部模型中讀入并施加在相應(yīng)邊界上。

3.1 建立導(dǎo)向間隙局部真實(shí)模型

建立真實(shí)構(gòu)型的局部模型（見(jiàn)圖3），通過(guò)布爾運(yùn)算，獲得環(huán)流間隙的物理尺寸。局部模型與外界流場(chǎng)相連的位置為邊界，需要引入計(jì)算獲得的壓力變化數(shù)值作為邊界條件，通過(guò)局部模型的計(jì)算，提取相應(yīng)流場(chǎng)條件下的局部模型提供給指揮閥的阻尼力。

圖3 局部模型Fig.3 Particle Equivalent Model

在等效局部模型中，施加壓力條件的邊界有 4個(gè)（見(jiàn)圖4），分別是：

a）指揮腔連接到主腔的端面；

b）指揮腔作用于膜盒的阻尼孔端面；

c）指揮腔拉套內(nèi)部流場(chǎng)連通端面；

d）指揮腔與拉套外側(cè)流場(chǎng)連通端面（導(dǎo)向間隙）。

圖4 局部模型的施壓邊界Fig.4 Boundary of the Particle Model of Gap Circulation

通過(guò)計(jì)算得到4個(gè)端面的壓力變化結(jié)果如圖5所示。

圖5 邊界壓力變化Fig.5 Transformation of Boundary Pressure

由圖5可知，將圖5a～d曲線中的數(shù)據(jù)以TXT數(shù)據(jù)格式讀入到局部模型中，并作為輸入?yún)?shù)，啟動(dòng)局部模型的計(jì)算。

3.2 阻尼力等效計(jì)算

通過(guò)局部模型計(jì)算，獲得局部模型給出的對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力，這種作用力在x，y，z 3個(gè)方向都存在，但只考慮z方向的作用力曲線，如圖6所示。圖6中的曲線數(shù)據(jù)同樣可以用 ADINA軟件的參數(shù)傳遞再次傳遞給系統(tǒng)模型，作為時(shí)間-力曲線施加在指揮閥拉桿中心點(diǎn)。

圖6 局部模型計(jì)算獲得阻尼力曲線Fig.6 Damping Force Curve Calculated in Particle Model

將阻尼力曲線施加到整體模型中并重新進(jìn)行計(jì)算，從而可以獲得考慮阻尼力的計(jì)算結(jié)果。

3.3 等效模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此方法的有效性，將阻尼力等效計(jì)算獲得的邊界壓力曲線與建立以等效導(dǎo)向間隙面積實(shí)現(xiàn)流量的模型相應(yīng)曲線進(jìn)行比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)兩組曲線趨勢(shì)相近，如圖 7所示。因此可進(jìn)一步判斷如果將考慮阻尼力的結(jié)果作為局部模型的輸入條件，可以獲得更為準(zhǔn)確的阻尼力，這是一個(gè)迭代收斂的過(guò)程。

圖7 兩種情況的阻力曲線對(duì)比Fig.7 Damping Force Comparison Curve

4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真計(jì)算可知，在大流量工況中，試驗(yàn)系統(tǒng)控制輸入氣枕流量的孔板前入口壓力從0.2 s的初始?jí)毫€性增大到0.3 s的1.5 MPa并一直保持不變。在計(jì)算過(guò)程中，最長(zhǎng)步長(zhǎng)為0.05 s，最小步長(zhǎng)為0.001 s，總計(jì)算步數(shù)為1 500 步，模擬的物理時(shí)間為5 s，計(jì)算時(shí)間約36 h?；铋T運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主閥及指揮閥的特性曲線如圖8所示。

圖8 活門運(yùn)動(dòng)特性曲線Fig.8 Movement Curve of Valve

由圖8可知，在大流量工況下，指揮閥開(kāi)啟時(shí)間為0.74 s，主閥在0.83 s時(shí)開(kāi)啟，兩者延遲時(shí)間為0.09 s。主閥開(kāi)度最大約為 3.66 mm，之后將呈現(xiàn)某個(gè)主頻率主導(dǎo)的振蕩運(yùn)動(dòng)，振蕩幅度逐步減小，但在5 s的時(shí)間內(nèi)，主閥仍未達(dá)到穩(wěn)定或者靜止。對(duì)于指揮閥，初次開(kāi)啟、關(guān)閉后并非一直處于關(guān)閉狀態(tài)，在主閥的振蕩過(guò)程中，指揮閥仍開(kāi)啟，但開(kāi)啟的開(kāi)度很小，時(shí)間很短。此外，在模型中由于指揮閥的初始位置不為零，因此在0～0.2 s的過(guò)程中，指揮閥為了達(dá)到關(guān)閉的位置，具有一個(gè)很小的位移，此位移發(fā)生后其所在的位置是指揮閥的初始位置。

在活門工作過(guò)程中，流場(chǎng)的開(kāi)啟、關(guān)閉導(dǎo)致了流場(chǎng)不同腔的壓力發(fā)生明顯的變化。主閥腔、背壓腔的壓力變化過(guò)程如圖9所示。

圖9 主閥腔和背壓腔的壓力變化曲線Fig.9 Pressure Curve of Main Valve and Control Valve

由圖 9可知，背壓腔開(kāi)啟前主閥腔和背壓腔的壓力變化相同，背壓腔開(kāi)啟時(shí)的壓力值為0.376 MPa時(shí)，背壓腔壓力迅速降低，并維持在0.2 MPa附近振蕩。主閥腔的壓力也經(jīng)歷升高、降低并振蕩的過(guò)程，并有趨于穩(wěn)定的跡象。

5 結(jié) 論

a）采用ADINA軟件，建立了安溢閥三維流固耦和分析的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)于間隙流場(chǎng)，建立了等效模型與真實(shí)模型進(jìn)行了比對(duì)分析；

b）采用等效模型進(jìn)行了額定流量與大流量的仿真計(jì)算，獲得了閥門內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)曲線以及主閥腔與背壓腔的壓力變化曲線；

c）對(duì)于充分了解安溢閥結(jié)構(gòu)部件的運(yùn)動(dòng)特性與流場(chǎng)的邏輯關(guān)系提供理論支持。