CFD仿真技术在产品设计中应用.pdf

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1、第三届中国CAE工程分析技术年会论文集CFD仿真技术在产品设计中的应用1王美利张洪波焦伟伟黄玉平(中国航天科技集团公司一院十八所，北京100076)摘要：：：本文以：液压浮动球铰的产品设计分析为例，详细阐述CFD仿真技术在液浮球铰中的建模、可靠浮起、流量等性能分析中的应用，并与实验结果比较。结果表明，在静态流量分析中，计算结果与实验结果基本一致；在动态分析中，球铰的可靠浮起也得到了验证。因此，在产品的设计过程中，适当地利用CFD仿真分析技术，可以有效地缩短产品的研制周期。关键字：：：液压浮动球铰：，CFD仿真技术，流量1引言CFD（ComputationalFluidDynam

2、ics[1]）是目前国际上的一个热门的研究领域，其中的分析技术广泛应用于军事、民用产品的设计，如航空航天、汽车设计、生物医学、化工等工程领域。传统的产品开发过程是依靠简单的理论及实验分析来确定产品的结构形式，这往往需要大量的实验成本以及很长的实验开发周期，而且这样开发出来的产品不能保证其结构形式最佳。其开发流程如图1所示。图1传统设计流程图2CFD设计流程从传统的设计流程图可以看出产品从设计到生产，往往需要大量的试验，这必造成开发成本的大幅度提高。相反，通过CFD仿真分析设计（如图2），可以在产品定型之前，通过1王美利（1977。04）博士，主要从事计算流体力学数值分析方法与液

3、压控制的研究；北京市9200-77信箱（100076）315第三届中国CAE工程分析技术年会论文集数值分析评估来验证产品的性能，这样即可减少了很多设计试验环节所需要的成本，也大大的缩短了产品的研发周期。随着CFD技术的广泛应用，这必对产品的开发理念产生深远的影响。2液压浮动球铰的工作原理液压浮动球铰利用静压支撑的原理，依靠液压油的粘度特性，在球铰球表面形成了很薄的高压油，避免了球铰表面的机械磨损，只存在较小的油膜剪切摩擦力，从而有利于延长球铰的工作寿命；并且有效地消除连接间隙，提高了系统的连接刚度。如图3所示的双向推拉力式液浮球铰的结构方案[2]。1234567891盖板，2芯

4、轴，3大半球，4球窝，5低压接管嘴，6小球7连接板，8芯轴螺母，9节流器图3结构原理图在工作过程中，球铰在大半球和球窝、小半球和大半球四个球面上形成一层油膜，每个球面上有对称分布的四个油腔，油腔前设有节流器，大小球油膜液阻和节流器液阻须合理配置，使大球和小球油膜形成的静态支撑力相等，而芯轴的刚度也有精确要求，其值大小影响油膜的形成，从而影响球铰可靠浮起。因此，在设计初始阶段，利用数值仿真手段进行球铰可靠浮起过程分析，可为产品的设计提供必要的信息。从而减少产品的研发周期，降低产品的研发成本。3球铰的CFD模型在完成具体参数设计后（参数要求如图3、表1），对球铰进行CFD仿真分析时

5、，通常要从两方面入手，一方面是要找到合理的物理几何模型，其中包含描述几何模型合理的计算网格；另一方面是要选择准确的数学模型和计算方法，这直接影响着计算结果的精度。333．3．．．1111几何模型几何模型在球铰进入工作状态前，严格来说球面之间是闭合的，这与CFD分析中必须存在计算域是互相违背的。因此，假设球面之间存在非常小的缝隙（在动态浮起计算中相对厚度为0.2~0.3，316第三届中国CAE工程分析技术年会论文集静态计算为油膜稳态工作相对厚度：1），并根据图3的球铰结构，即可以提取CFD计算域，如图4所示。最终计算模型的选用直接影响到计算网格的数量和计算时间。因此，可根据具体关

6、心的参数分布选取部分计算域。这即可以提高计算效率，也可以提高计算精度。333．3．．．2222计算方法计算方法由于油膜中的流量很小，本文采用FLUENT软件提供的基于压力的层流方程。同时采用守恒隐式有限体积方法进行计算，其中的数值通量可采用二阶精度的数值迎风格式（如SIMPLE格式等）[3]。边界入口可采用压力或流量等入口条件；边界出口采用压力出口条件。在动态浮起计算中，还必须编写用户自定义程序，并设置动边界条件。图4(a)液压浮动球铰流体模型图4（b）油膜模型图4（c）节流孔模型表表表1：最大相对工作压力液压油黏度液压油密度相对静态力流量3(Kg/m-s)（Kg/m）2.3～

7、2.5~0.039850~9001≤1.5L/min317第三届中国CAE工程分析技术年会论文集4444计算结果计算结果444．4．．．1111静态分析静态分析4.1.14.1.14.1.1小球油膜小球油膜已知条件：小半球油膜入口相对压力：1，出口相对压力：0。这个条件在产品设计中，可以通过节流孔流量的设计来满足。油膜的压力分布如图5所示。此时在球铰正常工作所要求的油膜相对厚度为1的条件下，油膜的液压相对支撑力为1；小球油腔的入口相对压力为1，流量为0.447L/min。4.1.4.1.24