海洋工程辅助船液压防撞系统数值仿真研究

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海上环境条件复杂多变，海洋工程辅助船在与钻井平台的对接过程中，因意外或恶劣忽，经常因为与平台碰撞而遭破损，由此进水引起的沉没事故屡见不鲜。通过配置液压防撞系统，有效地解决了多用途船在大风浪忽下难以与钻井平台对接的难题。采用CFD方法对液压缓冲器工作过程的流厨行模拟，通过改变液压缓冲器的尺寸，对比缓冲器性能参数，优化缓冲器结构。

1 控制方程与模型简化1.1 控制方程在自然界中，理想流体都应满足 NS方程，直角坐标系中，三维守恒型NS方程可以写为：OU· .筹- OG"4--I-I上Re( Bx 警)(·) --- -l- L- - I lJat a ay avaz，、式中，U(P，pu，pv，pw，e) ，E、F、G为对流项；EF 、G 为粘性项。其中P、t.Y、W、e分别表示气体的密度、 方向的速度分量、Y方向的速度分量、 方向的速度分量和单位体积的总内能。对于理想气体P( -1)l e- ( W )I，对于空气，比热比y取1.4。计算流体力学就是利用计算迭代方法求解上述的微分方程组。

对于粘性系数，本文采用工业上常用的k- 湍流模型进行计算，其控制方程如下：紊动能k方程：p瓦Dk毒[( .，/ Ok 1GkGb (2)紊动能耗散率 方程 ：p瓦DE 毒[( o'1] Oxi]ct (G c )- cz (3)1.2 模型简化液压缓冲器的的结构如图 1所示，当缓冲柱塞进入排油腔时，由于缓冲柱塞与排油腔的缝隙作用，缓冲腔内的压力会骤然升高，作用在活塞上的压力也相应增大，这样就起到了缓冲的作用。

图 1 液压缓冲器结构图由于液压缓冲器的缓冲过程是-个动态的过程，收稿 Et期：2012 7-25基金项 目：浙 江势 学技术 厅优 先主题 社会 发展项 目(2011C03003)；浙江省重大科技创新平台成果转化推广计划项目(2011E61008)作者简介 ：李家兴(1962-)，男，辅福州人 ，高级工程师，学士，主要从事船舶设计工作。

2013年第2期 液压与气动 21其活塞运动的速度撒于初速度和活塞受到的压力，而活塞的速度又会影响到缓冲腔的压力，即活塞受到的压力，这是典型的运动与流场相互影响的耦合过程，需要利用 CFD中的动网格方法来解决。同时，由于液压缓冲器属于轴对称外形，因此在计算中采用 2D的轴对称模型来简化，这样能大幅度降低计算量。

2.1 方案 1的数值模拟如图 1所示，液压缓冲器活塞直径为 D，缓冲柱塞头直径为 d，长度为 Z，排油腔直径为 d。。取 D 500mm、d60 mm、Z500 mm、d 72 mm，柱塞头距离缓冲腔初始距离300 mm，活塞头的初始速度为2 m/s，活塞与-艘4500 t的船相连，总共设置4个缓冲器，因此活塞的质量等效于 1 125 t。图2为缓冲柱塞头离排油腔较远时的压力分布图和流线图，图 3是缓冲柱塞头刚进入排油腔时的压力分布图和流线图。从两幅图对比可以看出，当缓冲柱塞头刚进入排油腔时，由于缓冲腔与排油腔的连通面积急剧减小，因此压力会出现陡升形成-个峰值。图4是缓冲腔压力与活塞头移动距离的关系，图5是活塞速度与活塞头移动距离的关系。

从图可以看出，当活塞头刚进入排油腔时，缓冲腔会产. o.8 -o.6 .o.4 .o.2 o o.2 o.4图2 柱塞头离排油腔较远时的压力分布图和流线图.O.8 .0.6 .o.4 .0.2 o o.2 0.4图3 柱塞头刚进入排油腔时的压力分布图和流线图图4 排油腔压力与活塞移动距离关系图Mm图5 活塞速度与移动距离关系图生-个瞬间50 MPa左右的高压，随着活塞头的不断移动，缓冲腔的压力又会逐渐降低，活塞头的速度最终将降为0.4 m/s左右。

2.2 方案 2的数值模拟取 D300 mm、d60 mm、Z500 mm、d 72mm，其他设置与算例(1)相同。图6是缓冲腔压力与活塞头移动距离的关系，图7是活塞速度与活塞头移动距离的关系。从图可以看出，缓冲腔的最高压力在12 MPa左右，活塞头的速度最终将降为1.7 m/s左右。

与算例(1)相比，算例(2)在缓冲柱塞进入排油腔之后，图6 排油腔压力与活塞移动距离关系图21.951.91.851.81.751.7图7 活塞速度与移动距离关系图l 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ) 1 2 O O O O O O O 0 O O O 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ) l 2 O 0 O O O O 0 0 O O O22 液压与气动 2013年第2期缓冲腔的压力基本保持不变甚至升高，这是主要是由于活塞的速度太高，活塞压缩缓冲腔产生的高压不能及时通过缓冲柱塞与缓冲腔之间的缝隙卸掉。

根据以往的经验，通常认为以下三个结构参数是影响缓冲效果的主要因素：缓冲柱塞与排油腔之间的间隙：6：d。-d；排油腔与缓冲腔内径比m do/D；缓冲柱塞长度与排油腔内径比：m：l/d。，而优化参数设计的时候往往是单独考虑这三个参数的最优值的，但是实际上影响缓冲腔最高压力的是 和m ，影响活塞最终速度的是6、m 和m ，从算例(1)和算例(2)可以看出，对于这两个不同的缓冲器来说，虽然 6是-样的，但是缓冲腔内的最高压力却相差很多，因此有必要寻找新的参数来衡量缓冲器参数对缓冲腔最高压力和活塞最终速度的影响。由于影响缓冲腔最高压力的是6和m ，假设参数 A(D-d)/(d -d)，影响活塞最终速度是 6、m1和m2，假设参数 log 。(A ·D·z)。

表1是给定不同的缓冲器参数的计算结果以及相关的A和 的值。从表中可以看出，尽管缓冲腔直径 D等参数变化较大，但是基本能满足A的值越小，缓冲腔内的最大压力值越小， 值越小，活塞最终的速度越大的规律，这证明了采用本文定义的参数能够更加合理地反映出液压缓冲器参数对缓冲腔最高压力和最终速度的影响。

3 结论传统缓冲器的计算，压力部分都是采用简化公式计算，运动部分采用 Simulink模拟，这种方法虽然能够模拟缓冲器的基本运动规律，但是由于采用的是简化公式，计算结果精度有限，不能提供压力场的具体分布，特别是缓冲器柱塞进入排油腔的过程，以往都是简单地采用开关函数控制，这样就难以捕捉缓冲器柱塞进入排油腔瞬间产生的高压。

表 1 缓冲器参数的计算结果D，mm d/mm dp/mm f/mm /)rain/m ·s P /Pa A300 60 80 1O0o 1.9 4 12 7.635484300 60 70 1000 1.5 l2 24 8.237544300 60 64 100o 0.1 1O0 60 9.033424300 60 66 1000 0.65 40 40 8.681241400 60 66 1Oo0 0.O 12O 56.66667 9.108715400 60 70 1000 0.4 40 34 8.665018500 60 70 500 0.2 80 44 8.684845500 60 72 500 0.35 50 36.66667 8.526483500 60 73 500 0.5 45 33.84615 8.456959500 60 74 500 0.6 35 31.42857 8.392589500 62 76 500 0.65 37 31.2857l 8.388632500 76 78 500 0 1oo0 212 10.05061500 76 78 400 0 1000 212 9.953702500 76 80 400 0 1000 l06 9.351642500 70 76 400 0 500 71.66667 9.0l1664500 66 80 400 0.8 35 31 8.2837536oO 70 80 500 0.O8 lo0 53 8.925673600 60 80 500 0.4 25 27 8.339849600 60 76 500 0.1 40 33.75 8.533669600 60 76 400 0.3 40 33.75 8.4367592013年第2期 液压与气动 23第二类管道效应对电液伺服系统动态特性影响的研究朱 勇，姜万录，杨 超，刘云杰Dynamic Characteristics Study of Electro.hydraulic Servo SystemImpacted by the Second Pipeline EffectZHU Yong，JIANG Wan-lu，YANG Chap，LIU Yun-jie(1.燕山大学 河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，河北 秦皇岛 066004)摘 要：用功率键合图建模方法对阀控对称缸位置伺服系统进行了非线性建模及仿真，针对阀控系统中的第二类管道效应作了深入研究，揭示了第二类管道效应对系统动态特性的影响规律。研究表明：阀控系统的小管径及长管道，有利于抑制系统的非线性振动，以提高系统的稳定性，但延长了系统的动态响应时间；对于大管径及短管道的阀控系统，动态响应较快，但易出现非线性振动，相对稳定性较差；刚性管道比柔性管道响应速度快，但易受安装环境限制。管道的选择需要综合考虑响应速度、稳定性和安装条件三方面的因素进行优化设计。研究结果可为阀控液压系统的优化设计及管道动态特性的研究提供借鉴。

关键词：阀控系统；管道效应；键图模型；动态仿真中图分类号：TH137.8 文献标志码：B 文章编号：10004858(2013)02-0023-05引言阀控系统拥有响应速度快、结构简单和紧凑等优点，因此在各工程领域液压系统中获得了广泛的应用。

在阀控系统中存在两种类型的管道：第-种位于控制阀和执行机构之间；第二种位于动力源和控制 阀之间 J。从现有的文献来看，对第-类管道效应的研究较多，被认为对阀控系统的动态特性影响较大，而对第二类管道效应的研究相对较少，很多情况下，第二类管道仅被当作-个简单液阻或液容看待，被认为对阀控系统的动态特性影响较校但是，研究发现，第二类管道效应对阀控系统动态特性的影响是不可忽略的，仅将第二类管道作为液阻或液容来处理将会造成很大误差。

因此，本文用功率键合图建模方法对阀控对称缸位置伺服系统进行非线性建模及仿真，针对阀控系统中的第二类管道效应作了深入研究，旨在揭示系统中第二类管道与其他部分之间的作用机理，总结归纳出管道相关结构参数对液压系统动态特性的影响。这对优化液压系统的结构参数，提高系统运行的稳定性有重要的理论指导意义和工程实际意义。

收稿 El期：2012-07-31基金项目：国家 自然科学基金项 目(51075349)作者简介：朱勇(1986-)，男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事流体传动与控制方面的科研工作。

本文利用 CFD模拟了液压缓冲器工作过程中的流场，得到了缓冲腔最高压力和活塞的最终速度，并提出了新的衡量缓冲器性能的参考参数，通过大量的计算证明，新的参数能够更加准确地反映出液压缓冲器的性能。