柱塞泵动力学有限元分析

收稿日期:2006204215

作者简介:杨智炜(19742),男,浙江宁波人,浙江大学硕士研究生,机械电子工程专业,从事轴向柱塞泵和动力学仿真研究。

基于虚拟样机技术的轴向柱塞泵特性仿真

杨智炜,徐　兵,张　斌

(浙江大学流体传动与控制国家重点实验室,杭州　310027)

摘　要:为了对柱塞泵的特性进行研究,以ADAMS 为平台,结合Pro/E 中建立的三维模型、ANSYS 柔性化处理和AM ES 2

im 中建立的液压系统模型,建立了HAWE V30型柱塞泵的虚拟样机。对配流盘位置与压力冲击,泵出口容积与压力脉动,柱塞运动特性和主轴应力应变进行了分析。基于虚拟样机技术的仿真研究,物理意义明晰,分析灵活方便,对于研究分析柱塞泵性能具有重要意义。

关键词:虚拟样机技术;轴向柱塞泵;仿真;ADAMS ;AM ESim 中图分类号:T H137 文献标识码:A 文章编号:100820813(2006)0320033204

Simulation of axial piston pump characteristic based

on virt ual prototype technology

YAN G Zhi 2wei ,XU Bing ,ZAN G Bin

(The Key State Lab of Fluid Power Transmission and Control ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China )Abstract :In order to study the characteristic of piston pump ,a virtual prototype of the HAWE V30piston pump is devel 2oped ,which is a dynamic simulation method in ADAMS ,combined with modeling in Pro/E ,flexibility analyzed by ANSYS ,and hydraulic modeling in AM ESim.The pressure ripple related to the position of swash plate ,the pressure pulsations relat 2ed to pump outlet volume ,the kinetic characteristic of the piston ,the stress and strain of the shaft are analyzed.Because of its clear physical concept and flexible analysis ,the simulation based on virtual prototyping is more convenient for the research into the characteristics of piston pump.

K ey w ords :virtual prototype technology ;axial piston pump ;simulation ;ADAMS ;AM ESim 1　引言

随着液压传动与控制技术的不断发展,对柱塞泵的性能提

出了更高的要求,为研究和设计高性能的柱塞泵,单纯运用传统的物理实验法,费工费时,变更参数或条件困难,有时甚至无法实现。并且柱塞泵的某些构件的弹性变形存在非线性惯性耦合,液压系统又大量存在非线性环节,因此若采用通常的理论分析法,其结果往往与实际相差甚远。虚拟样机技术的发展为这类非线性复杂系统进行精确的仿真研究提供了可能性。

虚拟样机(Virtual Prototyping )技术是一项新生的工程技术。借助于这项技术,用户和设计人员可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在现实环境下系统的运动和动力特性,它以对象的动力学/运动学模型为核心,其他相关模型为补充,利用多领域建模工具和仿真技术建立对象的虚拟样机原型系统。由于虚拟样机完全按照对象最本质的因素建模,在动力学特性上非常接近于物理样机,因而对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机总体设计性能的评估[1]。

本文利用虚拟样机技术集成化的特点,以多体系统动力分析仿真软件ADAMS 为核心,结合CAD 软件Pro/E 中建立的三维模型、有限元分析软件ANSYS 柔性化处理和系统仿真软件AM ESim 中建立的液压系统模型,建立了柱塞泵的虚拟样机。进行仿真便可以得到柱塞泵流量与压力脉动,部件应力、应变等

精确的结果。利用虚拟样机技术,改变参数方便,与客观实际一致性好,省时省力,可缩短研究周期,提高研究质量。

2　柱塞泵虚拟样机的建立

柱塞泵实现机械能向液压能的转化,因此不能单独从纯机械动力学的角度来分析。这里的仿真其实是一个液固耦合仿真,本文将AM ESim 中的液压模型与ADAMS 中的机械模型联系起来,进行联合仿真。又因为柱塞泵某些部件的柔性显著,其弹性变形对系统整体运动的影响已不能忽略,所以对柱塞泵进行运动学和动力学仿真研究,要采取刚柔耦合的方法进行。本文集成有限元分析软件ANSYS 和机械系统动力学仿真软件

ADAMS 两种软件的功能来进行刚柔耦合仿真。

因此,在本文中柱塞泵虚拟样机的建立综合使用了CAD 软件、有限元分析软件、系统仿真软件和机械系统动力学仿真软件,四者之间的数据传递关系如图1所示

。

图1　柱塞泵虚拟样机的数据流

3

3

211　建立柱塞泵动力学模型

1)三维实体模型。由于ADAMS 所提供的三维绘图工具并

不适合于复杂几何体的构建,所以采用将三维CAD 专业软件Pro/E 作为建模的前处理器,在Pro/E 中建立三维模型后,利用Pro/E 与ADAMS 的专用接口软件Mechanism/Pro 将模型输入到ADAMS 中进行下一步的分析,三维实体模型除包含部件质量、质心位置、转动惯量等内在特征参数外,还产生了具有外观材质的特征

。

图2　柱塞泵三维实体模型

2)动力学模型。将从Pro/E 导入的三维模型添加各种约束

和力,建立柱塞泵的动力学模型。柱塞泵在工作过程中,各个柱塞都要经历压缩与膨胀两个过程,会受到液压油的作用力,在ADAMS 建模过程中采用样条函数A KISPL 来拟合柱塞所受的液压力,而样条曲线是由在AM ESim 中建立的液压系统仿真得出的数据文件所绘制。

3)柔性化处理。为了准确地模拟柱塞泵的运动,对柱塞泵关键部件进行精确的动应力应变分析,就要考虑柔性体对系统运动的影响。本文采用ANSYS 有限元分析软件对柱塞和主轴进行了柔性化处理,通过ADAMS 软件与ANSYS 软件之间的双向接口,得到柱塞泵刚柔耦合的动力学模型,进行仿真可得到部件基于精确动力仿真的应力应变分析结果,提高分析精度。

ADAMS 软件的ADAMS/Flex 模块允许在ADAMS 模型中根据模态频率数据创建柔性体部件。ANSYS 软件则提供了一种方便的创建柔性体部件的方法[2],在ANSYS 中生成柔性体部件的有限元模型之后,利用adams 1mac 宏命令输出ADAMS 软件所需要的模态中性文件(mnf 文件),此文件包含了ADAMS 中柔性体的所有信息,在ADAMS/Flex 模块中直接读入此文件即可看到柔性体部件的模型,指定柔性体与刚性体的连结方式,按实际情

况定义载荷和边界条件后即得到柔性化的柱塞泵动力学模型。

图3　柱塞泵的动力学学模型

212　建立柱塞泵液压模型

AM ESim 软件除能按照数学方程式建模外,还为操作人员

提供了按照面向原理图进行建模的方式,此种方式建立模型的

优点在于完全依照物理样机的结构或原理进行建模,物理意义

非常清晰,提高了工作效率。本文在AM ESim 软件提供的五柱塞泵模型的基础上建立了九柱塞泵的液压模型,如图4

。

图4　AMESim 中建立的轴向柱塞泵液压模型

1)柱塞的运动分析。如图5所示,设斜盘平面相对缸体横

截面的倾角为α,取坐标系O x y z ,并以通过O x y 平面的点A (A

为柱塞球头中心的起点),当缸体转过任一角度φ时,柱塞球头中心转至点B ,此时柱塞球头中心的坐标为[3]:

x =-(R cos φ)tan α=-R tan αcos φy =R cos φz =R sin

φ

在建立泵液压模型时,设置了一个函数f (x ,y )=tan αsin

φ将柱塞的运动速度v = x =ωR tan αsin

φ与斜盘倾角α与缸体转动角度φ联系起来。

图5　柱塞运动分析

2)柱塞。柱塞泵是传动轴驱动缸体旋转后,由于斜盘的作

用,使柱塞产生往复运动,当柱塞底部的密闭容积不断增大时,就将形成局部真空,低压油在大气压的作用下,经过配流盘的腰形孔进入柱塞的底部,完成吸油;当柱塞底部的密闭容积不断减小时,油液受压经配流盘的另一腰形孔排出,完成压油,形成高压油。当斜盘倾角发生改变时,泵的输出流量也就随之改变。在AM ESim 建立的柱塞泵液压模型中,单个柱塞与缸体建立起一个可变容腔,其进出油口分别与配流盘的高低压腔相连,柱塞与缸体之间的间隙有油泄漏并通往油箱,容腔体积的变化与斜盘倾角和缸体转角发生联系,如图6所示。

4

3