付穌昇 安世中德

液壓機(jī)械與液壓產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如通用機(jī)械、工程機(jī)械、汽車、航空航天和運(yùn)輸設(shè)備等領(lǐng)域（圖1）。作為四大類傳動(dòng)方式（機(jī)械、電氣、液壓和氣壓）之一，液壓傳動(dòng)相對(duì)其他傳動(dòng)方式，在結(jié)構(gòu)、工作性能、使用維護(hù)和可靠性、經(jīng)濟(jì)性上又都有著極其明顯的特點(diǎn)，如圖2所示。

液壓系統(tǒng)（傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)）基于液體靜壓力傳動(dòng)原理，是集成機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子電器設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和力學(xué)設(shè)計(jì)等多學(xué)科設(shè)計(jì)元素的復(fù)雜產(chǎn)品。為滿足液壓機(jī)械各項(xiàng)技術(shù)要求，系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)成、工作原理以及所采用的液壓元件作用特點(diǎn)等也不盡相同，但最基本的液壓系統(tǒng)均可以按照動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作介質(zhì)五部分構(gòu)成。由于液壓由多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示，系統(tǒng)級(jí)的產(chǎn)品優(yōu)化升級(jí)可以在重點(diǎn)組成部分優(yōu)化的基礎(chǔ)上完成。

液壓系統(tǒng)與液壓機(jī)械在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性和社會(huì)應(yīng)用價(jià)值，對(duì)液壓產(chǎn)品不斷升級(jí)，提高產(chǎn)品性能提出了更高的要求。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展在液壓機(jī)械與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，從一維液壓系統(tǒng)模擬到三維虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，從CFD技術(shù)的介入到FEM技術(shù)的介入，仿真在液壓系統(tǒng)性能、閥體開(kāi)啟與執(zhí)行機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力特性、高級(jí)泵性能設(shè)計(jì)、閥體與管道設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核以及輕量化設(shè)計(jì)中都有優(yōu)秀的應(yīng)用表現(xiàn)。特別是流體拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化使得泵、閥、執(zhí)行器和集成塊在流體_生能和質(zhì)量輕量化上都有大幅提高。但傳統(tǒng)加工方法的制約一定程度上使得流體與結(jié)構(gòu)拓?fù)浜蟮募庸ぶ圃煊龅揭恍╇y點(diǎn)，增材制造技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展進(jìn)步則帶來(lái)了新的契機(jī)，使得CFD和FEM介入后的泵、閥結(jié)構(gòu)流體特性拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)拓?fù)漭p量化以及尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的產(chǎn)品生產(chǎn)成為可能，從而讓CFD仿真可算、FEM技術(shù)仿真可輕量化降重等關(guān)鍵技術(shù)得以真正落地。

安世中德（Peraglobal-CADFEM）作為安世亞太公司專業(yè)項(xiàng)目咨詢與二次開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，在傳統(tǒng)CFD領(lǐng)域、有限元FEM領(lǐng)域、機(jī)電—體化產(chǎn)品仿真技術(shù)和增材制造技術(shù)領(lǐng)域都積累了非常豐富的項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)解決方案。安世中德在液壓系統(tǒng)高端核心元件增材制造技術(shù)解決方案中，逐步擬定了較為完整的液壓系統(tǒng)與核心元件仿真一設(shè)計(jì)一制造流程。液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)分析入手聯(lián)合虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能模擬，利用CFD與FEM技術(shù)，對(duì)泵、閥、管道及液壓閥座進(jìn)行流體拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化后，經(jīng)過(guò)疲勞、動(dòng)力學(xué)和剛?cè)狁詈系闰?yàn)證計(jì)算，最終進(jìn)入增材制造環(huán)節(jié)，結(jié)合點(diǎn)陣設(shè)計(jì)以及打印過(guò)程工藝仿真控制，控制打印結(jié)構(gòu)最終質(zhì)量，形成完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化生命周期，最終提供高端液壓元器產(chǎn)品最好的使用性能，如圖4所示。限于篇幅，本文僅對(duì)流程中部分內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要舉例和技術(shù)能力說(shuō)明（不以絕對(duì)液壓產(chǎn)品為例）。

一、液壓系統(tǒng)與虛擬樣機(jī)仿真

液壓系統(tǒng)與液壓機(jī)械模擬需求借助于ANSYS Motion、ANSYS Mechanical、Recurdyn、AMESIM以及HyPneu等進(jìn)行聯(lián)合仿真。搭建液壓傳動(dòng)/控制系統(tǒng)以及液壓元件功能組塊，將液壓過(guò)程控制與虛擬樣機(jī)模型結(jié)合，進(jìn)行液壓系統(tǒng)性能和液壓機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)的分析。

液壓機(jī)械分析能夠考慮剛?cè)徂D(zhuǎn)化，引入有限元求解技術(shù)完成液壓機(jī)械中機(jī)構(gòu)零部件強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)和疲勞等內(nèi)容的計(jì)算，如圖5、6所示。

二、CFD優(yōu)化技術(shù)介入

執(zhí)行器移動(dòng)速度、負(fù)載能力以及同步、級(jí)進(jìn)等過(guò)程需求，通常由液壓泵和閥類（機(jī)械、電磁和伺服）控制系統(tǒng)進(jìn)行閥芯移動(dòng)、開(kāi)啟關(guān)閉與其他類型的流量控制，而且控制精度非常之高。

然而CFD流體優(yōu)化技術(shù)依然有能力對(duì)于泵、閥及管路進(jìn)行更優(yōu)化設(shè)計(jì)以解決流體流動(dòng)過(guò)程中的壓力損失，生成更佳的設(shè)計(jì)、制造更輕巧且_生能優(yōu)異的液壓元件和產(chǎn)品?；诮Y(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與尺寸優(yōu)化技術(shù)（圖7），能夠在泵、閥基體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行質(zhì)量輕量化設(shè)計(jì)、融合制造和設(shè)計(jì)以滿足高端液壓產(chǎn)品對(duì)于質(zhì)量、可靠性和密封等性能的苛刻需求。流體通道優(yōu)化過(guò)后形狀不規(guī)則以及外殼結(jié)構(gòu)的形狀不規(guī)則通過(guò)增材制造技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與加工所無(wú)法比擬的。

安世中德在CFD仿真與優(yōu)化方面主要技術(shù)著手點(diǎn)基于三種技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)：Design Exploration、MeshMorpher Optimizer RBF-Morph和Adjoint Solver。

如圖8所示，前兩者是基于參數(shù)化的優(yōu)化方法，能進(jìn)行多尺寸、多目標(biāo)變量的優(yōu)化，而Adjoint Solver具備更廣泛的設(shè)計(jì)空間，基于創(chuàng)新性的基于梯度的外形優(yōu)化方法。三種技術(shù)在多種流體案例中都有很好的應(yīng)用，這些案例的成功應(yīng)用都為液壓元器件的流體_生能優(yōu)化提供了可借鑒的方法。具體設(shè)計(jì)界面如圖9-12所示。

三、FEM優(yōu)化技術(shù)介入與輕量化設(shè)計(jì)

一般適用于液壓產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品優(yōu)化方法，主要包括兩大類：結(jié)構(gòu)非參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

非參數(shù)優(yōu)化以拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化及形貌優(yōu)化為代表，能夠支持基于線_生靜態(tài)、慣性釋放、模態(tài)、頻率響應(yīng)、熱、屈曲、隨機(jī)振動(dòng)及非線性接觸等多種分析類型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖13所示。

參數(shù)優(yōu)化基于參數(shù)建模驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（cAD/cAE雙向驅(qū)動(dòng)），主要應(yīng)用方向集中于參數(shù)敏感性、多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化、穩(wěn)健性和可靠性優(yōu)化等，如圖14所示。

增材制造技術(shù)使得復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用成為可能。點(diǎn)陣設(shè)計(jì)在液壓增材制造中能夠充分填充液壓元器件壁厚，對(duì)于采用液壓驅(qū)動(dòng)且有明顯輕量化需求的產(chǎn)品，點(diǎn)陣設(shè)計(jì)不失為—種好的選擇。安世中德基于點(diǎn)陣沒(méi)計(jì)進(jìn)行了點(diǎn)陣晶胞參數(shù)插件的開(kāi)發(fā)，這為點(diǎn)陣的設(shè)計(jì)堤供了理想的計(jì)算方法，保證了點(diǎn)陣應(yīng)用的可行斷口可靠性（點(diǎn)陣設(shè)計(jì)與點(diǎn)陣仿真應(yīng)用如圖15、16所示）。

四、增材制造工藝仿真

打印件的質(zhì)量取決于多種因素，需要打印工程師不僅關(guān)注打印問(wèn)題的孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)與材料性能，還需要考慮刮板干涉（碰撞）、支撐斷裂、部件開(kāi)裂及變形過(guò)大等問(wèn)題，另外合格的增材制造需要解決可重復(fù)工藝、保證質(zhì)量和工藝控制等諸多問(wèn)題。常見(jiàn)打印機(jī)缺陷和影響因素如圖17所示。在打印工藝模擬中，安世中德借助Workbench Additive、Additive Print和Additive Science通過(guò)仿真解決了增材制造的工藝問(wèn)題（圖18）對(duì)上述打印過(guò)程中打印材料性能、孔隙率等進(jìn)行模擬，對(duì)打印過(guò)程出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行仿真排查，確保打印成功。

五、液壓核心元件仿真與增材制造愿景

安世中德有志于借助安世亞太多種仿真產(chǎn)品以及自身積累的機(jī)電液一體化仿真能力、CFD的流體拓?fù)渑c尺寸拓?fù)浞抡婺芰?、FEM的結(jié)構(gòu)拓?fù)浜忘c(diǎn)陣設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力以及一體化增材設(shè)計(jì)、工藝、驗(yàn)證計(jì)算能力等為企業(yè)提供更多質(zhì)輕、質(zhì)優(yōu)和具有競(jìng)爭(zhēng)力的高端液壓產(chǎn)品及解決方案，以更好地幫助客戶提升產(chǎn)品質(zhì)量，為社會(huì)創(chuàng)造更多價(jià)值。