本发明涉及液压传动
技术领域：
，更具体的说是涉及一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法。
背景技术：
：轴向柱塞泵具有功率密度大、效率高以及寿命长等优点，因此广泛应用于航空航天、工程机械等领域。在轴向柱塞泵工作过程中，当压力降到饱和蒸气压以下时，油液就会由于空化而产生气泡。当气泡流经高压区域时，它们会由于压力剧增而溃灭，从而对结构表面造成破坏，最终导致轴向柱塞泵寿命变短。因此，为了保证泵内部的油液压力高于发生空化的饱和压力，轴向柱塞泵的入口压力应该更高，此时的入口压力即为临界入口压力。在工程实践中，通常采用测试泵出口流量下降的拐点来判定临界入口压力。但是该方法存在诸多缺点。一方面，当泵出口流量出现流量拐点时，柱塞泵内部已经发生了严重的空化现象。另一方面，由于实验条件的限制，测试得到的临界入口压力只针对特定类型的液压油，应用范围较窄。此外，测试方法还存在周期长，花费大等缺点。因此，如何提供一种能够准确方便预测轴向柱塞泵临界入口压力的方法，使其为工程实践提供更可靠的指导，是本领域技术人员亟需解决的问题。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供了一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，能够准确预测轴向柱塞泵的临界入口压力，具有应用范围广、预测周期短和花费低的特点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，包括以下步骤：建立所述轴向柱塞泵的流体域几何模型；对所述流体域几何模型的不同部件进行网格划分，生成流体域网格；设定所述流体域几何模型的相关物理模型及材料性质；基于所述流体域网格，确定所述流体域几何模型的边界条件；基于所述边界条件及所述材料性质，利用所述物理模型对所述流体域几何模型进行仿真计算，得到当前边界条件下的所述轴向柱塞泵的吸入流量；将当前边界条件下的所述轴向柱塞泵的吸入流量与理论吸入流量进行对比，判断其比值是否满足预设区间范围；如果满足，则当前边界条件即为所述轴向柱塞泵的临界入口压力；如果不满足，则对当前边界条件进行调整，并再次进行仿真计算，直至所述比值满足所述预设区间范围。优选的，所述流体域几何模型的建立方法为：根据轴向柱塞泵的几何参数，在三维软件中建立轴向柱塞泵的三维几何模型；将所述三维几何模型导入ansysgeometry中，利用fill工具抽取所述三维几何模型中的流道；对抽取后的流道的进出口进行延伸，得到新的三维几何模型，将所述新的三维几何模型作为轴向柱塞泵的流体域几何模型。优选的，对所述流体域几何模型的不同部件进行网格划分，生成流体域网格，包括：将所述流体域几何模型保存为stl文件格式，并导入至pumplinx软件；对导入的所述流体域几何模型的不同部件进行区域分割；利用rotortemplatemesher中的swashplatepiston对所述流体域几何模型中的柱塞部件进行网格划分；利用generalmesher对于所述流体域几何模型中的其他部件进行网格划分。优选的，设定所述流体域几何模型的相关物理模型及材料性质，包括：利用mgi工具连接所述流体域几何模型的不同区域，生成交界面；选择turbulence模型作为轴向柱塞泵的湍流模型；选择cavitation模型作为轴向柱塞泵的空化模型；设定仿真过程中的压力速度耦合方法；设定所述流体域几何模型中柱塞的旋转速度；设定流经所述流体域几何模型中流道的液压油的物性参数；所述物性参数至少包括密度、运动粘度、弹性模量、饱和蒸气压和油液中气体质量分数。优选的，所述湍流模型选择标准k-ε模型；所述空化模型选择equilibriumdissolvegasmodel；所述压力速度耦合方法为simple。优选的，基于所述流体域网格，确定所述流体域几何模型的边界条件，包括：基于所述流体域网格，确定所述流体域几何模型的出口边界、入口边界和其他边界；定义所述流体域几何模型的出口边界为压力出口，并设定所述出口边界的压力值；定义所述流体域几何模型的入口边界为压力入口，并设定所述入口边界的压力值；将所述流体域几何模型的其他边界保持默认设置。优选的，基于所述边界条件及所述材料性质，利用所述物理模型对所述流体域几何模型进行仿真计算，得到当前边界条件下的轴向柱塞泵的吸入流量，包括：设定所述流体域几何模型中柱塞的个数、旋转次数以及每个柱塞旋转周期内的时间步数360/z，其中，z表示柱塞的个数；运行所述流体域几何模型的相关物理模型进行仿真；仿真结束后提取一个旋转周期内流入各个柱塞腔的液压油质量流量随时间变化的方程m(t)；在一个旋转周期内，利用下式对m(t)进行积分，得到流入各个柱塞腔的液压油的质量m；优选的，所述轴向柱塞泵的临界入口压力的判定方法为：按照下式计算一个周期内流入各个柱塞腔的液压油的理论质量m'；m′＝ρ·vg(2)；上式中，ρ为液压油密度，vg为轴向柱塞泵的排量；利用下式判定流入各个柱塞腔的液压油的质量m是否满足临界入口压力的判定条件；上式中，cip为特定转速下的临界入口压力；公式(3)表示，当仿真得到的流入各个柱塞腔的液压油质量与理论质量之比处于区间(0.96，0.98)时，则当前入口边界所对应的入口压力值为当前转速下的临界入口压力；若不满足公式(3)中的判定条件，则重新调整入口边界条件，并进行仿真计算，直至所述入口边界条件满足公式(3)中的判定条件。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，基于pumplinx软件对轴向柱塞泵的空化流动进行建模仿真，以柱塞泵一个旋转周期内吸入的油液质量作为判定依据，能够对轴向柱塞泵不同转速条件下的临界入口压力进行高精度预测。解决了现有技术中对轴向柱塞泵临界入口压力预测的压力存在偏差大、应用范围窄、周期长和花费大等缺点。同时，本发明有利于保障轴向柱塞泵的安全长效运行。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1附图为本发明提供的基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法的流程图；图2附图为本发明提供的流体域几何模型的结构示意图；图3附图为本发明提供的流体域网格的结构示意图；图4附图为本发明提供的仿真得到的一个周期内进入柱塞腔的质量流量变化曲线；图5附图为本发明提供的不同转速下的临界入口压力变化曲线。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本发明实施例公开了一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，包括以下步骤：s1、建立轴向柱塞泵的流体域几何模型；s2、对流体域几何模型的不同部件进行网格划分，生成流体域网格；s3、设定流体域几何模型的相关物理模型及材料性质；s4、基于流体域网格，确定流体域几何模型的边界条件；s5、基于边界条件及材料性质，利用物理模型对流体域几何模型进行仿真计算，得到当前边界条件下的轴向柱塞泵的吸入流量；s6、将当前边界条件下的轴向柱塞泵的吸入流量与理论吸入流量进行对比，判断其比值是否满足预设区间范围；如果满足，则当前边界条件即为轴向柱塞泵的临界入口压力；如果不满足，则对当前边界条件进行调整，并再次进行仿真计算，直至比值满足预设区间范围。下面结合具体实施例对上述各步骤进行详细说明。本发明实施例某型号轴向柱塞泵为研究对象，泵排量为9.5ml/r，柱塞个数为9，额定压力为21mpa，额定转速为4000r/min。具体实施步骤如下：s1、建立轴向柱塞泵的流体域几何模型。根据轴向柱塞泵的几何参数，在三维软件中建立轴向柱塞泵的三维几何模型；将三维几何模型导入ansysgeometry中，利用fill工具抽取三维几何模型中的流道；对抽取后的流道的进出口进行延伸，得到新的三维几何模型，将新的三维几何模型作为轴向柱塞泵的流体域几何模型。流体域几何模型的结构示意图如图2所示。s2、对流体域几何模型的不同部件进行网格划分，生成流体域网格。将s1中建立的轴向柱塞泵流体域几何模型导入pumplinx中，将流体域几何模型按各部件进行分割，得到柱塞流域1、配油盘流域2、进油流域3和排油流域4。对柱塞流域采用rotortemplatemesher中的swashplatepiston进行网格划分，柱塞数为9，旋转轴矢量为(0，0，1)，maximumcellsize设定为0.004，minimumcellsize设定为0.0004，cellsizeonsurfaces设定为0.002，其余为默认设置，生成柱塞流域网格。对配油盘流域采用generalmesher进行网格划分，cellsizespecification选择relativetoallcadsurfaces，maximumcellsize设定为0.004，minimumcellsize设定为0.0004，cellsizeonsurfaces设定为0.002，其余为默认设置，生成配油盘流域网格。对其余流域采用generalmesher进行网格划分，cellsizespecification选择relativetoallcadsurfaces，maximumcellsize设定为0.008，minimumcellsize设定为0.0008，cellsizeonsurfaces设定为0.004，其余为默认设置，生成其余流域网格。最终得到整个流体域网格，如图3所示。s3、设定流体域几何模型的相关物理模型及材料性质。在physicalmodelselection面板中选择turbulence和cavitation模型。其中湍流模型选择标准k-ε模型，空化模型选择equilibriumdissolvegasmodel，压力速度耦合方法选择simple。定义斜盘法向向量为(0，tan(12°)，1)，设定旋转速度为4000r/min。液压油物性定义如表1所示。表1液压油物理性质物理性质值单位密度835kg/m3运动粘度10cst弹性模量1.48×109pa饱和蒸气压400pa油液中气体质量分数9×10-5-s4、基于流体域网格，确定流体域几何模型的边界条件。定义流体域几何模型的出口边界为压力出口，压力值设定为210bar，定义流体域几何模型的入口边界为压力入口，给定压力原始值为3bar，其余边界保持默认设置。s5、仿真计算及结果处理：基于边界条件及材料性质，利用物理模型对流体域几何模型进行仿真计算，得到当前边界条件下的轴向柱塞泵的吸入流量。设定流体域几何模型中numberofrevolutions(旋转次数)设定为5，timestepsperpistonrotations(每个柱塞旋转周期内的时间步数)设定为40，运行相关物理模型开始仿真。仿真结束后，仿真结束后提取一个旋转周期内流入各个柱塞腔的液压油质量流量随时间变化的方程m(t)；最终得到一个周期内进入柱塞腔的质量流量如图4所示。在一个旋转周期内，利用下式对m(t)进行积分，得到流入各个柱塞腔的液压油的质量m；将得到的质量流量曲线对时间求积分，即求曲线与x轴所形成的面积，得到4000r/min时一个旋转周期内流入柱塞腔油液的质量为8.044×10-4kg。s6、判断当前边界条件下的轴向柱塞泵的吸入流量是否满足临界入口压力的判定条件临界入口压力的判定条件。按照下式计算一个周期内流入各个柱塞腔的液压油的理论质量m'；m′＝ρ·vg(2)；上式中，ρ为液压油密度，vg为轴向柱塞泵的排量；利用下式判定流入各个柱塞腔的液压油的质量m是否满足临界入口压力的判定条件；上式中，cip为特定转速下的临界入口压力；公式(3)表示，当仿真得到的流入各个柱塞腔的液压油质量与理论质量之比处于区间(0.96，0.98)时，则当前入口边界所对应的入口压力值为当前转速下的临界入口压力；若不满足公式(3)中的判定条件，则重新调整入口边界条件，并进行仿真计算，直至入口边界条件满足公式(3)中的判定条件。本发明实施例中，轴向柱塞泵的排量为9.5ml/r，液压油密度为835kg/m3，则轴向柱塞泵一个周期内理论吸油量为7.933×10-4kg。仿真得到的吸入油液的质量为8.044×10-4kg，二者之比为1.014，不在区间(0.96,0.98)范围内，说明初始入口压力设定偏高，因此适当降低入口压力，重复s4-s6。当入口压力调整到1.1bar时，仿真得到的吸油量与理论吸油量之比在(0.96,0.98)范围内，因此，该型号轴向柱塞泵4000r/min时对应的临界入口压力为1.1bar。根据上述方法可以得到该型号轴向柱塞泵在转速(1000-6000)r/min范围内的临界入口压力曲线，如图5所示。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立所述轴向柱塞泵的流体域几何模型；
对所述流体域几何模型的不同部件进行网格划分，生成流体域网格；
设定所述流体域几何模型的相关物理模型及材料性质；
基于所述流体域网格，确定所述流体域几何模型的边界条件；
基于所述边界条件及所述材料性质，利用所述物理模型对所述流体域几何模型进行仿真计算，得到当前边界条件下的所述轴向柱塞泵的吸入流量；
将当前边界条件下的所述轴向柱塞泵的吸入流量与理论吸入流量进行对比，判断其比值是否满足预设区间范围；如果满足，则当前边界条件即为所述轴向柱塞泵的临界入口压力；如果不满足，则对当前边界条件进行调整，并再次进行仿真计算，直至所述比值满足所述预设区间范围。
2.根据权利要求1所述的一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，其特征在于，所述流体域几何模型的建立方法为：
根据轴向柱塞泵的几何参数，在三维软件中建立轴向柱塞泵的三维几何模型；
将所述三维几何模型导入ansysgeometry中，利用fill工具抽取所述三维几何模型中的流道；
对抽取后的流道的进出口进行延伸，得到新的三维几何模型，将所述新的三维几何模型作为轴向柱塞泵的流体域几何模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，其特征在于，对所述流体域几何模型的不同部件进行网格划分，生成流体域网格，包括：
将所述流体域几何模型保存为stl文件格式，并导入至pumplinx软件；
对导入的所述流体域几何模型的不同部件进行区域分割；
利用rotortemplatemesher中的swashplatepiston对所述流体域几何模型中的柱塞部件进行网格划分；
利用generalmesher对于所述流体域几何模型中的其他部件进行网格划分。
4.根据权利要求3所述的一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，其特征在于，设定所述流体域几何模型的相关物理模型及材料性质，包括：
利用mgi工具连接所述流体域几何模型的不同区域，生成交界面；
选择turbulence模型作为轴向柱塞泵的湍流模型；选择cavitation模型作为轴向柱塞泵的空化模型；设定仿真过程中的压力速度耦合方法；
设定所述流体域几何模型中柱塞的旋转速度；
设定流经所述流体域几何模型中流道的液压油的物性参数；所述物性参数至少包括密度、运动粘度、弹性模量、饱和蒸气压和油液中气体质量分数。
5.根据权利要求4所述的一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，其特征在于，所述湍流模型选择标准k-ε模型；所述空化模型选择equilibriumdissolvegasmodel；所述压力速度耦合方法为simple。
6.根据权利要求1所述的一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，其特征在于，基于所述流体域网格，确定所述流体域几何模型的边界条件，包括：
基于所述流体域网格，确定所述流体域几何模型的出口边界、入口边界和其他边界；
定义所述流体域几何模型的出口边界为压力出口，并设定所述出口边界的压力值；
定义所述流体域几何模型的入口边界为压力入口，并设定所述入口边界的压力值；
将所述流体域几何模型的其他边界保持默认设置。
7.根据权利要求6所述的一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，其特征在于，基于所述边界条件及所述材料性质，利用所述物理模型对所述流体域几何模型进行仿真计算，得到当前边界条件下的轴向柱塞泵的吸入流量，包括：
设定所述流体域几何模型中柱塞的个数、旋转次数以及每个柱塞旋转周期内的时间步数360/z，其中，z表示柱塞的个数；
运行所述流体域几何模型的相关物理模型进行仿真；仿真结束后提取一个旋转周期内流入各个柱塞腔的液压油质量流量随时间变化的方程m(t)；
在一个旋转周期内，利用下式对m(t)进行积分，得到流入各个柱塞腔的液压油的质量m；
8.根据权利要求7所述的一种基于cfd的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，其特征在于，所述轴向柱塞泵的临界入口压力的判定方法为：
按照下式计算一个周期内流入各个柱塞腔的液压油的理论质量m'；
m′＝ρ·vg(2)；
上式中，ρ为液压油密度，vg为轴向柱塞泵的排量；
利用下式判定流入各个柱塞腔的液压油的质量m是否满足临界入口压力的判定条件；
上式中，cip为特定转速下的临界入口压力；公式(3)表示，当仿真得到的流入各个柱塞腔的液压油质量与理论质量之比处于区间(0.96，0.98)时，则当前入口边界所对应的入口压力值为当前转速下的临界入口压力；
若不满足公式(3)中的判定条件，则重新调整入口边界条件，并进行仿真计算，直至所述入口边界条件满足公式(3)中的判定条件。
技术总结本发明公开了一种基于CFD的轴向柱塞泵临界入口压力的预测方法，包括：建立流体域几何模型；对流体域几何模型的不同部件进行网格划分；设定流体域几何模型的相关物理模型及材料性质；确定流体域几何模型的边界条件；对流体域几何模型进行仿真计算，得到当前边界条件下的轴向柱塞泵的吸入流量；将当前边界条件下的轴向柱塞泵的吸入流量与理论吸入流量进行对比，判断其比值是否满足预设区间范围；如果满足，则当前边界条件即为轴向柱塞泵的临界入口压力；如果不满足，则对当前边界条件进行调整，并再次进行仿真计算，直至比值满足预设区间范围。本发明能够准确预测轴向柱塞泵的临界入口压力，具有应用范围广、预测周期短和花费低的特点。
技术研发人员：王岩;董洪康;陈剑锋;何勇灵
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2020.12.07
技术公布日：2021.03.12
