基于A(yíng)NSYS的超高壓電磁換向球閥優(yōu)化設計
建立了超高壓工況下電磁換向球閥優(yōu)化設計的數學(xué)模型，采用ANSYS軟件的命令流方式進(jìn)行優(yōu)化求解，得出其相關(guān)結構參數的最優(yōu)值，并將結果與C++隨機方向法運行的結果進(jìn)行了比較。結果表明電磁換向球閥數學(xué)模型的普適性，以及利用ANSYS軟件進(jìn)行優(yōu)化設計程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，運行速度快，結果精確度高。
電磁換向閥是利用電磁鐵吸力操縱閥芯換位，通過(guò)閥芯和閥體間相對位置的變化來(lái)接通、斷開(kāi)油路，從而達到控制執行元件的啟動(dòng)、停止，或改變運動(dòng)方向的目的。球閥式電磁換向閥由于其密封性好，工作可靠性高，現已在超高壓液壓領(lǐng)域得到廣泛的應用。
1、建立超高壓電磁換向球閥優(yōu)化設計的數學(xué)模型
電磁換向球閥在換向過(guò)程中，閥芯上作用有電磁鐵的推力、黏滯性阻尼力、瞬態(tài)液動(dòng)力、穩態(tài)液動(dòng)力、以及彈簧力;而在復位過(guò)程中，閥芯上作用有彈簧力、瞬態(tài)液動(dòng)力、黏滯性阻尼力、穩態(tài)液動(dòng)力及電磁鐵剩磁力。所以，選取瞬態(tài)液動(dòng)力、黏滯性阻尼力和穩態(tài)液動(dòng)力作為分目標函數，分別用f1(X)，f2(X)，f3(X)表示。
閥芯上作用的瞬態(tài)液動(dòng)力與球閥進(jìn)出口壓差、閥座孔直徑及流速有關(guān);閥芯上作用的黏滯性阻尼力與閥芯移動(dòng)速度及鋼球閥芯半徑有關(guān);閥芯上作用的穩態(tài)液動(dòng)力與球閥開(kāi)口量、液體流量、鋼球閥芯半徑、流速和閥座孔直徑有關(guān)。所以，選擇閥座孔直徑d、鋼球閥芯半徑R及球閥開(kāi)口量δ三項參數作為設計變量，分別用x1，x2，x3表示。
應用理想點(diǎn)法將多目標優(yōu)化設計問(wèn)題轉化為單目標優(yōu)化設計問(wèn)題，數學(xué)模型為
(1)
(2)式中 W1，W2，W3——加權系數;
f*1——瞬態(tài)液動(dòng)力的理想點(diǎn);
f*2——黏滯性阻尼力的理想點(diǎn);
f*3——穩態(tài)液動(dòng)力的理想點(diǎn);
(壓力損失小于許用壓力損失值)
(閥芯開(kāi)口通流截面積不大于閥座孔環(huán)行流道通流截面積)
(電磁鐵的額定行程與杠桿比)
(電磁鐵的額定行程與杠桿比)
(閥座孔環(huán)形流道的流速不大于閥座孔中的流速)
g6(X)=d-0.6≥0(結構尺寸及閥口通流能力約束)
(鋼球閥芯截面積與閥座孔截面積約束)
(為保證可靠密封，取10b=d，(b.閥口全開(kāi)時(shí)，單邊配合長(cháng)度))
2、有限元分析ANSYS軟件的優(yōu)化設計方法
ANSYS軟件優(yōu)化算法基本參數有設計變量、狀態(tài)變量和目標函數。其中，設計變量就是自變量，用符號DV表示，需要定義上下限限制其變化范圍，在軟件ANSYS中最多允許有60個(gè)設計變量。所謂狀態(tài)變量就是約束條件，用符號SV表示，它是前面設計變量的函數，這個(gè)函數可以限制其上限或下限，也可以上下限都進(jìn)行限制，在軟件ANSYS中可以最大定義100個(gè)狀態(tài)變量。所謂目標函數就是優(yōu)化設計的目標，用OBJ表示，也是設計變量的函數。
ANSYS優(yōu)化設計有2種求解運行模式：①GUI模式;②Batch模式。GUI求解模式包括2個(gè)設計文件：①分析文件;②優(yōu)化控制文件。編寫(xiě)完這2個(gè)文件，在A(yíng)NSYS的命令窗口輸入優(yōu)化控制文件，就可以完成整個(gè)優(yōu)化過(guò)程。
3、優(yōu)化設計實(shí)例
液壓系統使用抗磨液壓油二位三通電磁換向球閥YB-N68，公稱(chēng)壓力p=63MPa，最高壓力pmax=80MPa，液壓泵的排量υg=8mL/r，公稱(chēng)流量qg=11.6L/min，公稱(chēng)通徑d=8mm，允許的壓力損失[Δp]=1.5kPa。滿(mǎn)足上述條件的電磁換向球閥的各分目標函數的數學(xué)模型建立如下：
瞬態(tài)液動(dòng)力(不考慮方向性)
(3)黏滯性阻尼力
(4)穩態(tài)液動(dòng)力
(5)約束函數如下
本文采用ANSYS命令流的GUI方式求解。首先建立各分目標函數的優(yōu)化分析文件，名稱(chēng)分別為Fx1、Fx2、Fx3，編寫(xiě)程序為
再建立各分目標函數的優(yōu)化控制文件，名稱(chēng)分別為optFx1、optFx2、optFx3，程序編寫(xiě)為：
程序編寫(xiě)完成后，在A(yíng)NSYS軟件的命令窗口輸入各分目標函數的優(yōu)化控制文件，就可以完成整個(gè)優(yōu)化過(guò)程。得到各分目標函數的極小值如表1所示。
表1 各分目標最優(yōu)解比較
把表1中應用ANSYS軟件求解的各分目標函數的最優(yōu)解代入式(1)，得到理想點(diǎn)法優(yōu)化設計的數學(xué)模型
同理，編制ANSYS優(yōu)化設計的主程序，運行后，結果如表2所示。
表2 優(yōu)化設計最優(yōu)解比較
4、分析優(yōu)化設計結果
為分析ANSYS軟件優(yōu)化設計模塊的普遍適用性，本算例結果與用C++語(yǔ)言編寫(xiě)的隨機方向法程序運行結果進(jìn)行比較，由表2可見(jiàn)，最優(yōu)化結果差別不大，說(shuō)明應用ANSYS軟件進(jìn)行優(yōu)化設計的結果是可靠的。
5、結語(yǔ)
本文的超高壓電磁換向球閥的數學(xué)模型具有良好的普適性。應用ANSYS軟件進(jìn)行優(yōu)化設計，具有程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，易于學(xué)習，運行速度快，結果精確等特點(diǎn)，尤其適用于不懂復雜編程語(yǔ)言的工程技術(shù)人員使用。此外，該方法可適用于大多數液壓系統的優(yōu)化設計模型。
