超高压水射流增压器内高压缸体应力应变仿真

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Stress·-strain Simulation for High--pressure Cylinder in SuperHigh-pressure W ater Jet IntensifierWANG Kun.SONG Danlu。SONG Yuegan(School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science andTechnology，Mianyang Sichuan 621010，China)Abstract：According to the principle of the fluid pressure intensifier，the mode1 of the high-pressure cylinder was built. Consid-ering the characteristics of the movement and force，the cylinder was divided into three parts.The theory of fluid structural interactionwas used to analyze the flow field of high-pressure cylinder.With the ANSYS Workbench platform and dynamic mesh technique，thecylinderS stress and strain were calculated.The stress and strain diagrams were goten which was useful to the analysis of fatigue dam-age·Keywords：Intensifier；High·pressure cylinder；Stress-strain simulation；Fluid structural interaction磨料超高压水射流切割具有高能、冷态、点割的特点，加上数控以及环保的优势，国际上普遍认为，它将成为21世纪优先发展的切割技术。作为-种新兴的切割工艺，其应用已经涉及切割、抛光、去毛刺、拨层、裁剪、钻孑L领域。目前超高压水射流系统主要采用2种形式的超高压发生器：第-种是直接驱动的超高压柱塞泵 ，第二种是 目前国外采用较多的增压器。超高压发生器是超高压水射流切割机的核心，除结构设计和运行可靠性之外 ，由于其中低压部分可采用现有的液压技术解决，因此问题的关键集中在高压部件的疲劳寿命以及动态密封件的使用寿命上。

高压部件的可靠性与尺寸大小撒于所选用的材料。由于在系统运行中高压缸体承受较高的压力，并伴有交变载荷和冲击载荷，所以材料必须满足机械强度高、塑性和韧性好、可锻性和淬透性好等基本要求。用于高压系统零件的材料，其抗拉强度至少为≥900 MPa，伸长率 ≥10%，断口收缩率 ≥40% [23。 此外，超高压材料还应具有以下特性：不塑坠 三二 二 雪 霞霾 三三 高压水着 IA 阀图 I 增压器结构液压油从低压缸左侧进口，流人低压缸体，带动活塞与活塞杆向右运动，高压腔左侧水膨胀，右侧水被压缩，接下来的运动分为3个阶段：第-阶段，左侧和右侧的单向阀都没有打开，左侧水压降低，右端水压升高。

收稿日期 ：2012-03-27作者简介：王垄 (1988-)，男，硕士研究生，研究方向为超高压水射流压力发生系统。E-mail：279521482###qq.com。

第7期 王垄 等：超高压水射流增压器内高压缸体应力应变仿真 ·179·第二阶段，左侧进水单向阀打开，水压稳定，右侧水被继续压缩。

第三阶段，右侧出水单向阀打开 ，高压水被压出高压腔，直到活塞运动到终点换向，如此往复形成了连续的高压水射流 。

图2 缸体力学模型图2中 为左侧低压水对活塞杆的压力 ，因其较小 ，可以忽略不计 ；F 为液压油对活塞 的作用力 ，取 F220 MPa。活塞杆3个阶段的运动特性经计算后结果如下：第-阶段：大致需要0.2 ms，速度不断增大 ，最后达到 11.3 m/s；第二阶段：大约为 1 ms，速度先增 大后减小 ，最大速度可达到 16.5 m/s；第三阶段 ：大约0.6 s，速度-直减小 ，最后趋近于133mm/s，直到换向。活塞杆总共行程为 80 mm。

2 理论分析和仿真计算2.1 ANSYS Workbench和流固耦合理论ANSYS Workbench是-款强大的 CAE分析软件 ，随着计算机和有限元理论的发展，在各个领域得到了高度的评价和广泛的应用。Workbench是-个集成型框架，整合了现有的各种应用程序，并将仿真过程结合在-起，其工作台可组成各种不同的工程应用功能，相应地 Fluid Structural Interaction(FSI)即流 固耦合 ，在 Workbench平台下的实现变得十分简单 。

流固耦合问题是研究流体与固体两相介质之间的交互作用。-般来说，可以分为单向耦合和双向耦合。单向耦合是假设固体变形，没有明显地改变流体的运动路径，或者流体路径的改变对固体受到的载荷没有显著影响。双向流固耦合是把流体对固体载荷的影响以及固体对流体运动的路径变化都考虑在内，运用-个矩阵方程进行求解或者在每-个载荷步内先计算流体压力，然后计算出固体变形量，接下来把变形量立即导人流体区域，如此往复。单向耦合的优点是：可以将固体与流体独立建模 ，物理环境可以分开描述；缺点是：不同问题的计算精度与稳定性有差别，较难发现错误。双向耦合的优点是：比单向耦合具有更高的精度与稳定性；缺点是：对计算机性能要求较高，不能计算不同物理环境下的问题。

此例中模型比较简单，计算量较小，所以采用双向流固耦合进行分析以提高运算精度与稳定性。

Workbench下进行双向流固耦合的步骤是：(1)确定要分析的问题。首先定义好建模 目标，再确定要建的 域”模型。

(2)前处理和求解。打开 Workbench建立流体和固体的工作拈，进行固体域的模型网格划分、约束与载荷的添加，并设置流固耦合面；然后，进行流体域网格划分，添加流固耦合与流体边界条件，设置初始条件等；最后进行求解。

2.2 几何模型的建立与前处理2.2.1 几何模型的建立通过上面的分析 ，将模型简化后建立流体与固体的模型，模型包括高压缸体、活塞杆和流体部分，如图3所示。其中缸体的直径为d ，高压腔的直径为d ，缸体长度为 ，活塞杆的长度为 z，活塞杆初始位置距 离缸体 最右 端 的距 离为 s，流体 出 口直径为 d 。

表 1 仿真计算所用参数 mm2.2.2 固体部分的前处理进入固体拈后 (ANSYS)将流体压缩，划分固体部分的网格，得到的网格质量见表2。

表 2 网格质量参数设置相应的载荷与约束，对缸体施加两端约束，约束设置如下： (1)缸体：两端 Fix Suppo； (2)活塞杆：端面Frictionless Suppo； (3)高压缸体内壁：流固耦合面； (4)活塞杆右端：施加400 MPa压力。

2.2.3 流体部分的理论分析与边界条件设置(1)流体的理论分析与动网格技术进入 CFX前处理器，流体部分的模型为-个 圆柱 ，考虑到后 面 的网格变形 较为复 杂，因此 采 用六 面体 网格。

流体部分 的运动 比较 图4 流体模型复杂，其运动情况如图4所示。

已知流体进口与出口的直径分别为d ：22 mm，第7期 王垄 等：超高压水射流增压器内高压缸体应力应变仿真 ·181·从图中可以看 出：应力分布在 140～800 MPa之间，最大应变为0.032 mm。通过对应力的分析可将高压缸体分为3个部分，取高压缸体最上端为 0处 ，竖直向下为正方向，给出高压水缸对称轴处 3个单元的应力，如图7所示。最上面的部分 (以 45mm处点为代表)-直未和高压水接触，受到的应力最小；而最下面的部分 (以 135 mm处点为代表)- 直和高压水接触，因此在整个活塞运动过程中都受到高压水的挤压，故而受力最大，应变也是最大的；中间部分 (以 70 mm处点为代表)开始应力很大，后面逐渐变小并且变化速度很快。

图 7 不同坐标处应力与时间关系4 结论(1)利用 Workbench平台，借用流固耦合知识，对水射流的增压器的-个零部件--高压水缸的高压工况进行了计算，得到了缸体-个行程的应力应变的分布图，为下-步的疲劳分析提供了数据。

(2)通过以上分析，在高压工况下将高压缸体看成3个部分来分析是合理的。其中-部分是-直未和高压水接触的缸体和-直和高压水接触的前端，最后是中间部分。受到应力以及应变最大的是前端，应力变化速度最快的是中间部分，这两部分都是最容易出现疲劳以及失效的地方。

(3)由于增压器 的运动是-个循环的过程，因此缸体应力特征还应该包括低压运动部分，因此下-步进行疲劳分析时，应该把以上的分析结果和低压运动时的应力应变特征结合起来，这样才能得到准确的疲劳分析结果。