順序增壓切換閥沖擊過程仿真分析

竺盛才，賈建利，鐘毅，李圣辰，劉升升

(1.西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.重慶市地勘局205地質(zhì)隊，重慶 402160)

順序增壓切換閥工作在柴油機排氣工作環(huán)境中，與渦輪增壓器進(jìn)口相連接，作為順序增壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，對實現(xiàn)增壓器的能量分配、發(fā)動機不同工況的壓比、流量調(diào)節(jié)以及全工況匹配起到關(guān)鍵作用。順序增壓系統(tǒng)對切換閥的要求是：響應(yīng)速度快、靈活性好、能夠隨著發(fā)動機工況需求快速啟閉。因此切換閥在工作過程中的沖擊效應(yīng)不可忽視，切換閥閥體擋臺接觸面一旦失效，就會失去截斷氣流的作用，進(jìn)而使順序增壓系統(tǒng)喪失增壓功能，影響發(fā)動機性能。目前國內(nèi)學(xué)者對直動類閥門關(guān)閉時的沖擊應(yīng)力進(jìn)行了大量的研究：曲光磊對快關(guān)閥在滿足關(guān)閉時間要求情況下的結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行研究；何勁使用分區(qū)域能量法計算出進(jìn)氣快關(guān)閥所承受的最大沖擊力；仇前峰對主蒸汽閥門結(jié)構(gòu)在不同工況下的沖擊強度進(jìn)行研究；黃津津?qū)椥?剛性體碰撞和彈性體間的接觸問題進(jìn)行聯(lián)合求解，得到較好的計算結(jié)果；鐘功祥針對針閥更換頻繁的問題，對橡膠圈伸出厚度、閥體錐角及閥座類型泵閥的沖擊特性進(jìn)行了動態(tài)仿真分析。對旋轉(zhuǎn)類閥門的研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方面：陳松通過對三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出雙軸設(shè)計可以降低蝶閥流阻的結(jié)論；潘永軍運用熱-結(jié)構(gòu)耦合的方法對高溫高壓沖擊下的三偏心蝶閥應(yīng)力和密封特性進(jìn)行研究；王挺通過確定三偏心蝶閥回轉(zhuǎn)中心位置的方法控制啟閉力矩和反密封性能；李威通過對RTO中高溫閥進(jìn)行流場仿真，發(fā)現(xiàn)在小角度開啟時閥板背風(fēng)面存在較大渦流，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計降低了流阻。

目前國內(nèi)學(xué)者對于旋轉(zhuǎn)類閥門工作過程中的沖擊問題研究較少。本研究針對順序增壓切換閥在快速關(guān)閉狀態(tài)下的沖擊過程進(jìn)行動力學(xué)仿真，對順序增壓切換閥的沖擊過程進(jìn)行分析，得到閥板速度和閥體擋臺接觸面應(yīng)力的變化規(guī)律，獲得適用于順序增壓切換閥的沖擊強度研究方法，實現(xiàn)了對沖擊過程中順序增壓切換閥閥體擋臺接觸面強度的評估。

1 模型建立

1.1 幾何模型

根據(jù)圣維南原理可知，沖擊響應(yīng)主要發(fā)生在閥板與閥體擋臺的接觸面上，而對遠(yuǎn)離閥板與閥體擋臺的切換閥零部件的影響較小。選取順序增壓切換閥的閥體、閥板、短閥軸、長閥軸、閥板與長短閥軸連接銷共8個零件作為研究對象。在不影響閥體結(jié)構(gòu)強度和仿真精度的前提下，為保證網(wǎng)格質(zhì)量和計算效率，忽略切換閥中幾何尺寸較小和遠(yuǎn)離沖擊碰撞部位的模型特征，如閥體倒角、螺紋孔等，采用Cero軟件建立順序增壓切換閥的三維模型。切換閥在全閉狀態(tài)下的有限元仿真幾何模型見圖1。

圖1 有限元仿真幾何模型

1.2 瞬態(tài)動力學(xué)求解模型

結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程的一般形式為

(1)

在時間間隔Δ內(nèi)，

(2)

(3)

式中：，為Newmark積分參數(shù)。

在完全瞬態(tài)分析中，HHT 時間積分法由式(4)給出：

(4)

式中：

{+1-}=(1-){+1}+{}，

HHT參數(shù)分別為

(5)

式中：為振幅衰減因子。

針對二階系統(tǒng)的無條件穩(wěn)定，時間積分準(zhǔn)確性不降低，4個參數(shù)還應(yīng)該滿足：

(6)

將式(3)與式(2)代入式(4)得：

(7)

在完全瞬態(tài)分析中，HHT 是通過兩個連續(xù)步長的線性組合求解瞬態(tài)動力學(xué)平衡方程。幅值衰減因子一定時，其余4個參數(shù)求解方法為

1.3 沖擊力學(xué)模型

根據(jù)閥板的運動形式，對切換閥進(jìn)行角動量研究。

根據(jù)角動量定理得：

(8)

根據(jù)動量矩定理得：

=。

(9)

式中：為閥板及其轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量，與閥板的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)有關(guān)；Δ為閥板角速度的變化量；為力矩；為沖擊力；相當(dāng)于力臂，即為中心軸距閥座密封面間的距離；為沖擊力作用初始時間；為沖擊力作用結(jié)束時間，與切換閥材料有關(guān)。

結(jié)合式(8)、式(9)可得轉(zhuǎn)動沖擊力計算公式為

(10)

因此接觸面所受單位沖擊應(yīng)力為

(11)

式中：為接觸面面積。

1.4 有限元仿真分析總體思路

根據(jù)所建立的仿真模型及順序增壓切換閥的工況要求，建立順序增壓切換閥沖擊碰撞仿真流程(見圖2)。

圖2 切換閥沖擊碰撞仿真流程圖

2 仿真模擬計算

2.1 網(wǎng)格劃分

在有限元仿真中，模型網(wǎng)格的質(zhì)量是關(guān)乎仿真結(jié)果精度與可信度的關(guān)鍵因素。為了提高仿真計算精度，整體采用以六面體單元為主、四面體單元為輔的Hex Dominant網(wǎng)格劃分方法，部分關(guān)鍵部位采用Number of Divisions的方法控制網(wǎng)格數(shù)。為了能更好地得出順序增壓切換閥閥體擋臺接觸面應(yīng)力變化，控制閥板與閥體擋臺接觸面至少有兩層網(wǎng)格，且網(wǎng)格單元類型設(shè)置為帶有中間節(jié)點的高階單元。順序增壓切換閥劃分的網(wǎng)格數(shù)量為188 835，節(jié)點數(shù)量為715 335，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.794，達(dá)到高質(zhì)量網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)。切換閥網(wǎng)格模型見圖3。

圖3 切換閥網(wǎng)格模型

2.2 材料參數(shù)設(shè)定

順序增壓切換閥工作在柴油機排氣環(huán)境中，排氣溫度最高可達(dá)730 ℃，因此順序增壓切換閥中閥體、閥板、短軸、長軸等零件選擇使用耐熱不銹鋼00Cr25Ni20,此材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 邊界條件設(shè)定

由數(shù)學(xué)模型的建立過程可知,切換閥沖擊力的大小與增壓系統(tǒng)切換閥發(fā)生碰撞時閥板的速度、轉(zhuǎn)動零部件的轉(zhuǎn)動慣量、閥板與閥體的材料、接觸面面積等因素有關(guān)，而與切換閥關(guān)閉過程的運動角度無關(guān)。為了節(jié)約計算成本，將增壓系統(tǒng)切換閥的運動角度及關(guān)閉時間同時縮減10倍，以保證接觸瞬間速度大小不變。

根據(jù)實際工況,對順序增壓切換閥進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析計算時邊界條件設(shè)定如下：對閥體的下底面和左右兩側(cè)面施加固定約束；對閥板施加旋轉(zhuǎn)位移約束；閥板與閥體擋臺接觸面設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.1；設(shè)置順序增壓切換閥關(guān)閉時間為標(biāo)準(zhǔn)工況下的0.06 s。為了得到切換閥關(guān)閉時間與閥板速度峰值、閥體擋臺接觸面應(yīng)力之間的規(guī)律，進(jìn)行多工況仿真分析，選擇關(guān)閉時間分別為0.03 s，0.05 s，0.07 s，0.09 s；沖擊響應(yīng)時間統(tǒng)一設(shè)置為0.02 s，則瞬態(tài)動力學(xué)總分析時間分別為0.05 s，0.07 s，0.08 s，0.09 s，0.11 s。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型可靠性驗證

為了驗證5種工況下順序增壓切換閥閥體擋臺接觸面應(yīng)力仿真結(jié)果的正確性，將順序增壓切換閥相應(yīng)參數(shù)代入式(11)中，假設(shè)在一次沖擊響應(yīng)波動范圍內(nèi)閥體擋臺接觸面上的力在作用時間內(nèi)是等值的。求得在5種工況下切換閥閥體接觸面應(yīng)力峰值理論值，理論值與仿真值偏差率見表2。理論計算過程中以增壓系統(tǒng)切換閥接觸面的危險點作為計算依據(jù)，使得計算出來的理論應(yīng)力大于仿真應(yīng)力結(jié)果，整體來說理論計算出的接觸面應(yīng)力與仿真得到的接觸面應(yīng)力偏差在10%以內(nèi)，理論值與仿真值的變化趨勢相同且偏差均在合理范圍內(nèi)。

表2 5種工況下閥體擋臺接觸面應(yīng)力

3.2 閥板速度變化分析

由圖4和圖5可知，在標(biāo)準(zhǔn)工況下增壓系統(tǒng)切換閥的閥板速度在開始的12.5 ms 內(nèi)呈現(xiàn)出波動趨勢，波動范圍為26～310 mm/s；閥板加速度在初始時刻較大，隨著運動狀態(tài)的發(fā)展，同樣在12.5 ms左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于閥板的運動狀態(tài)發(fā)生突變，由初始的靜止?fàn)顟B(tài)變化為運動狀態(tài)，為了達(dá)到順序增壓切換閥關(guān)閉時間要求，閥板速度處于波動狀態(tài)，隨著閥板加速度的減小，閥板速度的波動幅度也隨之減小并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在0.012 5 s時閥板速度與加速度均處于穩(wěn)定，達(dá)到了仿真設(shè)置所要求的閥體轉(zhuǎn)動速度，并在發(fā)生沖擊前保持穩(wěn)定。在0.06 s時順序增壓切換閥閥板與閥體接觸后發(fā)生沖擊碰撞響應(yīng)，由圖4可以看到，在發(fā)生沖擊后的0.16 ms內(nèi)閥板的速度發(fā)生大幅度變化，閥體速度最大值由穩(wěn)定狀態(tài)下的158 mm/s突增至速度峰值416.6 mm/s。由圖5閥板加速度變化曲線可以看出，順序增壓切換閥在發(fā)生碰撞之后，閥板的旋轉(zhuǎn)運動趨勢被閥體擋臺阻止，致使閥體擋臺接觸面上產(chǎn)生的作用在閥板接觸面上的力使得閥板加速度發(fā)生突變，在發(fā)生碰撞后的0.2 ms內(nèi)后達(dá)到峰值，由圖4可知，此時同樣為閥板速度變化最為激烈的時刻。隨著振動的進(jìn)行，沖擊能量轉(zhuǎn)化為損傷耗散、摩擦耗散、應(yīng)變能、黏性耗散、熱能等能量形式向外界耗散，使閥板速度由峰值狀態(tài)逐步波動為穩(wěn)定狀態(tài)。從圖4與圖5中可看出，閥板速度與加速度均在接觸碰撞后的5 ms內(nèi)劇烈波動，閥板速度與加速度從最大值分別振蕩衰減至0 mm/s，0 mm/s左右。由圖6閥板速度云圖可以看出，閥板速度峰值發(fā)生在閥板距轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)處，閥板各部位速度大小與各部位至轉(zhuǎn)軸軸線距離成正比，并且閥板速度大小關(guān)于轉(zhuǎn)軸軸線對稱，符合閥板的對稱結(jié)構(gòu)特征。結(jié)合圖4、圖5和圖6可知，閥板與閥體接觸碰撞后閥體速度與加速度在響應(yīng)時間波動范圍較大，在0.16 ms閥板速度達(dá)到峰值為416.6 mm/s，在0.2 ms閥板加速度達(dá)到峰值。閥板與閥座的總沖擊響應(yīng)時間為5 ms左右。

5種工況下閥板到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時的速度、沖擊碰撞后速度峰值見表3。由表3可以看出，切換閥關(guān)閉時間與閥板速度成反比，隨著切換閥關(guān)閉時間減小，閥板速度峰值及其與穩(wěn)定狀態(tài)閥板速度差值變大。

圖4 0.06 s工況下閥板速度變化曲線

圖5 0.06 s工況下閥板加速度變化曲線

圖6 0.06 s工況下閥板速度云圖

表3 5種工況下閥板速度

3.3 閥體擋臺接觸面應(yīng)力變化分析

在標(biāo)準(zhǔn)工況下，順序增壓切換閥的運動過程分為0～0.06 s內(nèi)的閥門關(guān)閉階段和0.06～0.08 s內(nèi)的沖擊響應(yīng)階段。從圖7可以看出，在0～0.06 s這個時間段內(nèi)閥體擋臺接觸面上應(yīng)力值變化較小且隨著轉(zhuǎn)速的增加處于平穩(wěn)上升階段，應(yīng)力值在0.3 MPa左右。在這時間段內(nèi)順序增壓切換閥的應(yīng)力最大部位發(fā)生在閥體擋臺與長短閥軸的接觸部分，是在順序增壓切換閥關(guān)閉時間內(nèi)切換閥閥體與長短軸在轉(zhuǎn)動過程中與閥體擋臺發(fā)生摩擦接觸造成的。在 0.06 s 時刻閥板與閥體擋臺發(fā)生接觸碰撞，在沖擊瞬間閥板加速度、閥體加速度與閥體擋臺接觸面應(yīng)力均急劇變化。由圖7中閥體擋臺接觸應(yīng)力變化曲線局部放大圖可以看出，切換閥閥體擋臺接觸面在碰撞后0.2 ms時閥體擋臺接觸面應(yīng)力急劇波動達(dá)到應(yīng)力峰值，為7.253 MPa。結(jié)合圖5、圖7與圖8可以看出，在增壓系統(tǒng)切換閥閥板與閥體擋臺發(fā)生接觸碰撞后的0.2 ms時刻，閥板加速度與閥體加速度在劇烈變化中同時達(dá)到峰值，且此時也為閥體接觸面擋臺應(yīng)力峰值時刻。結(jié)合圖7與圖8可以得知，閥體接觸面應(yīng)力變化狀態(tài)與加速度變化狀態(tài)相同。從圖9可以看出，閥體擋臺接觸面應(yīng)力峰值部位處于閥體擋臺接觸面距離切換閥軸線距離最遠(yuǎn)處，此部位也是閥體擋臺與閥體壁連接的結(jié)構(gòu)特征突變部位，易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，是增壓系統(tǒng)切換閥的薄弱環(huán)節(jié),且接觸應(yīng)力分布趨勢符合切換閥閥體的結(jié)構(gòu)對稱特征。閥體擋臺接觸面應(yīng)力分布趨勢與圖6閥板速度云圖分布趨勢基本相符。

圖7 0.06 s工況下閥體擋臺接觸面應(yīng)力變化曲線

圖8 0.06 s工況下閥體加速度變化曲線

圖9 0.06 s工況下閥體擋臺接觸面應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

a) 在關(guān)閉時間為0.06 s的標(biāo)準(zhǔn)工況下，順序增壓切換閥發(fā)生接觸碰撞后閥板速度在0.16 ms內(nèi)由穩(wěn)定狀態(tài)下的158 mm/s變化至416.6 mm/s；閥體擋臺接觸面峰值應(yīng)力由0.3 MPa突變至7.253 MPa；閥板與閥體的沖擊作用時間只有5 ms左右，沖擊過程對切換閥閥體擋臺接觸面造成的影響很大；

b) 根據(jù)仿真結(jié)果可知，閥板距旋轉(zhuǎn)軸線的最遠(yuǎn)處速度最大，致使閥體擋臺與閥體壁接觸處的應(yīng)力幅值最大，是切換閥的薄弱環(huán)節(jié)，與切換閥的結(jié)構(gòu)特征相符。