基于AMESim的安溢活门系统动力学仿真

第23卷第Ⅰ期计算机辅助工程Vol 23 No. 12014年2月Computer Aided EngineeringFeb.2014文章编号:1006-0871(2014)01-0031-06DOI:10.13340/jcae.2014.01.007基于 AMESim的安溢活门系统动力学仿真刘靖东,喻天翔,宋笔锋,金朋(西北工业大学航空学院,西安710072)摘要:在对安溢活门工作原理和动态特征方程研究的基础上,建立安溢活门及其试验系统的AMESim模型,对试验过程中安溢活门的动态特性进行数值仿真,从系统角度研究该安溢活门系统整体性能.仿真结果与试验测试结果吻合较妤,并着重研究主副弹簧刚度、主副膜片刚度、主副膜片有效面积、主活摩擦阻尼、背压腔容积和泄压间隙等参数对安溢活门动态特性的影响,进而为系统整体性能优化提供分析设计支持关键词:安溢活门; AMESim;系统仿真;动态特性;流固耦合中图分类号:V434.1文献标志码:BSystem dynamics simulation on safety valve based on AMESimLIU Jingdong, YU Tianxiang, SONG Bifeng, JIN PengSchool of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)Abstract: Based on the research of safety valve working principle and dynamic characteristic equationan AMESim model of a safety valve and its test system is built to numerically simulate the dynamiccharacteristics of safety valve during test process, and the valve performance is studied from a systemperspective. The simulation results are in good consistency with the test results, and the effect of theparameters on the dynamic characteristics of the safe valve are mainly discussed, including main anddauxiliary spring stiffness, main and auxiliary diaphragm stiffness, effective area of main and auxiliarydiaphragm, the frictional damping of main valve, back pressure chamber volume, pressure relief gap andso on, which provides analysis and design support for the optimization on the overall performance of theKey words: safety valve; AMESim; system simulation; dynamic characteristics; fluid-structure coupling能正常工作导致不能停止加注时作为溢出阀使用0引言与安全阀等阀门一样,安溢活门在使用过程中存在安溢活门是一种能依靠气体介质本身自有的能振动和鸣叫等问题,发生振动鸣叫的主要原因是系量实现管路自动开闭的机械装置,作为液体火箭增统动态特性不满足稳定性需求振动鸣叫直接导致压输送系统的一种多功能元件,安溢活门可在地面敏感元件膜片疲劳破裂致使安溢活门功能失效,进测试和空中飞行时作为安全阀使用,在贮箱卸压和而影响发射的成败,因此对安溢活门动态特性开展加注时作为排气阀使用,在加注过量或加注设备不深入研究有重要的工程应用价值收稿日期:2013-09-23修回日期:2013-l1-09H中国煤化工基金项目:国家自然科学基金(51105308)作者简介:刘靖东(1979一),男,河南新郑人,博士研究生研究方向为动力学分析,(ECNMHGhttp://www.chinacae.cn计算机辅助工程2014年目前,研究活门动态特性主要采用试验和数值分析两种方法试验方法直接、可靠,但费用相对较高,数值分析方法经济、快捷,而且可以分析出试验难以考核的工况,有助于全面系统地了解产品特性数值分析方法主要包括流固耦合仿真和系统动力学仿真.流固耦合仿真偏重于从场的角度研究局部耦合的影响,可以精细地分析流固耦合作用,但是存在计算量大和分析周期长的弊端;系统动力学仿真主要对局部影响进行简化,着重从系统角度研究整体性能,可以方便地进行大量的数值试验,并进行系统图1安溢活门工作原理示意整体性能寻优Fig 1 Schematic of safety valve working principle作为一种数值预测方法系统动力学仿真在很2阀门动力学特征方程多领域已取得很大发展国外学者采用数值仿真方法对弹(箭)体活门动态特性进行过大量分析研究阀门动力学特征方程详见文献[7],主要包括工作SORI等对气动压力阀进行仿真和试验研运动系统动力学方程气动系统动力学方程热系统究; SCHALLHORN2对推进系统多种瞬态变化下压动力学方程、电路系统动力学方程和电磁系统动力力调节器的响应机制进行仿真分析;YANG等采学方程等用数值仿真方法分析主要设计参数变化对肼基燃料2.1运动系统动力学方程卫星推进系统输送行为的影响在国内,武唯强阀门产品涉及机械系统中的惯性元件、弹性元等“对恒压加载式冷氦压力调节器进行仿真研究件和阻尼元件等.活门运动可简化为一维质量弹簧张炜等对液体导弹动力系统过渡工作过程和动阻尼动力学方程态故障特性进行数值仿真.Mi(t)+Ci(t)+kx(t= F(t)(1)AMeSim提供一个复杂多学科领域系统工程设式中x(t)为位移;F()为外力;M为质量;C为黏性计平台,采用集总参数方法建模将流体、机械液阻尼系数;K为刚度压气动热、电磁和控制等学科领域的物理原型进2.2气动系统动力学方程行抽象,并进行不同功能单元模块分割,进而划分归类形成机械、液压、气动、控制、热和电磁等模型库假定气动系统工作介质为理想气体,气体流过限流位置时流动等熵;容腔内压力场和温度场均匀不同学科间模块直接连接,可以方便地进行多学科分布;忽略黏性阻力及引力场的影响"孔口等熵多领域系统工程建模出流质量流量见式(2)本文建立安溢活门主阀、指挥阀及其试验系统的 AMESim系统动力学模型,对安溢活门试验过程aAp, BTk+1中的动态特性进行数值仿真,研究系统各参数对安=d pz溢活门动态特性的影响PIaAp, Ck安溢活门工作原理(2)箭体一、二级及助推器所用安溢活门采用指挥式结构由主阀和副阀组成副阀控制主阀启闭.式中:(P2)=2);A为节流面积;BPPPI主阀膜片将阀腔分成主阀腔(A)和背压腔(B);副阀膜片感受压力变化,控制背压腔的压力充放.工作R(k-1):Ck为绝热系原理见图1.当入口压强低于安溢活门打开压强时,数;R为气体常数;c为流量系数;p和T,为上游压副阀关闭,主阀腔与背压腔连通(PA=P),安溢活强和温度;p2为下游压强门处于关闭状态;当入口压强高于安溢活门打开压可变容积气容模型压强和温度的求解为pan),主阀膜片在压差作用下带动主活塞运动使安d强时,副阀开启,背压腔与出口腔连通放气(PA>dTYHa中国煤化工T+doP溢活门打开CNMHGhttp:/www.chinacae.cn第1期刘靖东,等:基于 AMESim的安溢活门系统动力学仿真33出=长(∑mRt +mRdt dv(4)3安溢活门 AMESim模型式中:T为温度;P为压强;V为容积;m;为质量流与功率键合图法类似, AMESim建模方法采用量;Q为热流量;cy为比定压热容;h为焓值集总参数方法,将系统不同功能单元进行模块分割,管路模型由质量、动量和能量三大守恒定律划分为机械液压、气动和控制等模型库,用图形方确定,式描述系统中各元件的相互关系,反映元件间的负吧+塑=载效应和系统中功率流动情况.元件间可双向传递0t0x数据,且变量一般具有实际物理意义,遵循因果关dpu pu+ dp=(5)系.系统AMSm模型与系统工作原理图非常接近,t能更直观地反映系统工作原理9,而且可以在仿真-h(T-to)过程监视方程特性并自动选择求解算法以获得最佳a=-Px+中+A结果,省去求解算法的选择,使设计人员能够更多地式中:e为内能;为黏性力功;A为导热系数;hr为关注仿真物理模型传热系数根据安溢活门工作原理,安溢活门及其试验系2.3热系统动力学方程统主要划分为质量弹簧阻尼模型、平板阀模型、气容模型、管路模型、孔板模型、活塞模型和膜片模对于气瓶充放气、长管道传输等过程,导热现象型等.主副膜片刚度由结构有限元计算给出,系统可以通过傅里叶定律描述,一维稳态导热方程为AMESim模型见图2,上半部分模拟指挥阀,下半部dT(6)分模拟主阀式中:A为导热系数4仿真结果与试验结果对比对流传热过程由牛顿冷却公式确定,采用非接触测量得到的安溢活门试验过程中q=h△T(7)大流量性能试验时主活阀动态位移与仿真结果的对式中:h为表面传热系数比见图3,可知:仿真结果较准确地模拟开阀的动态2.4电路系统动力学方程调整过程,且试验测试结果与仿真结果趋于同一开电路数学模型可通过基尔霍夫定律得到,典型度,调整频率与试验几乎完全吻合,但调整幅值仿真电阻、电容、电感系统方程为结果比试验结果稍大其主要原因是系统动力学仿真方法不考虑流场的不均匀性及非定常性,必然造lq(t)+Ri(t)+I()=e()(8)成作用在运动部件上压强计算的误差开阀之始该式中:e(t)为电压;q(t)为电荷;L为电感;R为电阻;误差在活阀驱动力中相对较小,因此仿真较准确地C为电容计算出第一次调整的幅值;随着不平衡力的减小,活阀振动位移不断减小,误差在不平衡力中所占比重2.5电磁系统动力学方程增加,因此幅值误差越来越大,以至于试验测量幅值对于电磁类阀门电磁铁的设计,动态特性通常增加主要由系统不稳定造成包括线圈电流i,电磁吸力F4线圈磁链ψ,运动部分位移x,速度dx/dt和加速度d2x/d2的变化5仿真结果分析电磁铁线圈回路方程为在正确模拟安溢活门试验过程中动态特性基础dyu=ir dt ,y=f(i, x)(9)上,研究系统参数对动态性能的影响主要包括主副弹簧刚度、主副膜片刚度、主副膜片有效面积、主活衔铁运动方程为阀摩擦阻尼、背压腔容积和泄压间隙等d2+F(x)+(10)51主副弹簧刚度影响dt由图4和5可知:主弹簧刚度对系统动态位移对于线性磁路有和压强特性影响很小副磁簪刚度对动态位移影响y=L,F,=0.52业(1)也较小对中国煤化工大:副弹簧刚度越大主阀CNMHG越长从系统灵http://www.chi计算机辅助工程2014年敏度角度考虑应选用刚度较小的副弹簧,不同副弹调整簧刚度造成的稳定压强的不同,可通过副弹簧预压ask-c:e}心p→Qin注:Cp1一气瓶;C2一主腔;Cn3副阀腔;C一换压腔;Cn3泄压腔;Cn一背压腔;V,一主活;V,一小活阀;M,一主膜片;M,一副膜片;K1一主弹簧;K2一副弹簧;Xd一泄压环;Qm一气瓶进气图2安溢活门及其试验系统 AMESim模型Fig 2 AMESim model of safety valve and test system0.430k2=25000k2=28000—仿真=320000.420染150.415綸0.50.4050.400(a)位移(b)压强图5不同副弹簧刚度下主活阀位移和主阀腔压强曲线Fig 5 Displaofof main valve chamber under different stiffness of图3仿真结果与试验结果对比Fig 3 Comparison of simulation result and test result5.2主副膜片刚度影响k=1000k=10000.75,1.00和1.25倍现有主膜片刚度下主活0.425阀动态位移和主阀腔压强曲线见图6,可知,主膜片刚度对系统动态特性影响很大,体现在对振动幅值20的影响上:主膜片刚度越大振动幅值越小,振动越容1.5易趋于稳定;主膜片刚度对振动频率的影响则很小,主要是由于安溢活门采用指挥式结构,主活阀动态66特性主要由指挥阀性能决定.0.75,1,00和1.25倍现有副膜片刚度下主活阀动态位移和主阀腔压强曲(a)位移(b)压强线见图7,可知,副膜片刚度对系统动态特性的影响图4不同主弹簧刚度下主活阀位移和主阀腔压强曲线与副弹簧相似,因此应选用刚度小的膜片由于刚度Fg4 Displacement curves of main valve and pressure curves与强度密切相羊有守际沿汁山全角度出发应of main valve chamber under different stiffness of main协调考虑副中国煤化在满足灵敏性和精度的前CNMHG膜片www.c第1期刘靖东,等:基于 AMESim的安溢活门系统动力学仿真0.75倍0.75倍由图9可知,副膜片有效面积同样对动态特性影0.4300.42525倍响很大,但影响趋势与主膜片恰好相反.副膜片有效3.025面积越小,主活阀振动幅值越大,主阀腔压强波动幅值越大,振动越不容易趋于稳定因此在设计时应尽04100.405量加大副膜片的有效面积,对于不同有效面积对应不0.400同主阀腔压强,则可通过副弹簧预压进行调整直径42直径44(a)位移(b)压强3.5直径46mm04直径46m图6不同主膜片刚度下主活阀位移和主阀腔压强曲线045Fig 6 Displacement curves of main valve and pressure curvesof main valve chamber under different stiffness of main I0003.50.75倍0425100倍125倍(a)位移(b)压强20图9不同副膜片有效面积下主活阀位移和主阀腔压强曲线075倍0410Fig9 Displacement curves of main valve and pressure curves-1.25倍of main valve chamber under different effective area of0400(a)位移(b)压强5.4主活阀摩擦阻尼影响图7不同副膜片刚度下主活阀位移和主阀腔压强曲线主活阀摩擦阻尼主要由密封圈与阀杆之间摩擦Fig7 Displacement curves of main valve and pressure curves阻力产生由图10可知,摩擦力在正常变化情况下of main valve chamber under different stiffness of对系统动态特性影响不大,但大的摩擦力延长压强auxiliary diaphragm波动周期,对系统动态特性有利,而过大的摩擦力会5.3主副膜片有效面积影响造成主活阀低压回位延迟现象由图8可知,主膜片有效面积对动态特性影响0.430很大:主膜片有效面积越大,主活阀振动幅值越大10N振动越不容易趋于稳定,主阀腔压强波动幅值越大,2010420波动频率越高因此在满足开启要求的情况下,应1510尽量减小主膜片的有效面积0.410-15N0.435直径800.430直径82mm径84mm0.42(a)位移(b)压强图10不同摩擦力下主活阀位移和主阀腔压强曲线直径80mm0415直径82mmDisplacement curves of main valve and pressure cuI---直径84mm04104/9of main valve chamber under different friction force1/s55背压腔容积影响(a)位移(b)压强由图11可知,背压腔容积对主阀动态特性有较图8不同主膜片有效面积下主活阀位移和主阀腔压强大影响.一方面背压腔容积越小,主活阀振动和主阀曲线腔压强波动频率越高越容易引起系统振动;另一方Fg;!8 Displacement curves of main valve and pressure curves面背压腔容积越小,主阀腔内压强波动就越小,系统of main valve chamber under different effective area of精度越高n中国煤化工际设计工作中应综合考虑CNMHGhttp://www.chinacae.cn计算机辅助工程2014年400.430256mL型,对安溢活门动态特性进行数值仿真,仿真结果与3.5042545.6mL试验结果吻合较好,且通过 AMESim仿真可以得到0.420与分析系统方程相同的结论着重研究主副弹簧刚1.00.4100.5236m04题度、主副膜片刚度主副膜片有效面积主活阀摩擦-4.56mL阻尼、背压腔容积和泄压间隙等对安溢活门动态特性的影响(1)相对于主弹簧,副弹簧刚度对系统动态特(a)位移(b)压强性影响更大,在保证系统精度的前提下应尽量减小图11不同背压腔容积下主活阀位移和主阀腔压强曲线副弹簧刚度,增大主弹簧刚度.Fig. 11 Displacement curves of main valve and pressure curves(2)主副膜片刚度对系统动态特性影响很大of main valve chamber under different back pressure在保证系统精度前提下应尽量采用刚度大的膜片chamber volume3)膜片有效面积对系统动态特性影响很大,5.6泄压间隙影响在满足系统精度和稳定性前提下应尽量减小主膜片由图12可知泄压间隙对系统动态特性影响很有效面积增大副膜片有效面积大间隙越大主活阀振动和主阀腔压强波动幅值越(4)主活阀摩擦阻尼适当增加可使波动周期延小,系统越容易趋于稳定,但间隙过大有可能影响背长,过大的摩擦力则会造成主活阀低压回位延迟压腔充放气,因此在设计中应综合其他因素选择适现象当的环带间隙(5)泄压间隙及背压腔容积对系统动态特性影050n响较大,在工程设计时应首先保证其他参数的优化0.4350.050mm0.4300065mm和可靠,在满足精度及稳定性要求的前提下最后对302.520425-0080mm泄压间隙和背压腔容积进行优化设计20安溢活门及其试验系统 AMESim仿真模型的建04150410立,为全面了解和系统掌控活门动态特性提供有力工具,为试验故障模式提供定性分析工具,极大地提高对安溢活门动态特性的认识,同时也为结构优化(a)位移(b)压强设计提供直接指导.但是,由于该方法固有的局限图12不同泄压间隙下主活阀位移和主阀腔压强曲线性,系统动力学模型不能反映结构内部复杂非定常Figl2 Displacement curves of main valve and pressure curves of流场对系统动态特性的影响,也不能反映流固耦合main valve chamber under different pressure relief gap作用的影响国内更急需对阀门系统流固耦合和非定常流动模拟方面的研究,为此有必要结合计算流6结论体动力学以及结构动力学,开展流固耦合数值模拟通过建立安溢活门及其试验系统 AMESim模研究彻底解决安溢活门动态特性和参数优化问题参考文献:[1] SORLI M, FIGLIOLINI G, PASTORELLI S. Dynamic model and experimental investigation of a pneumatic proportional pressure valve[ J]. IEEE/ASME Trans Mechatronics, 2004, 9(1): 78-86[2] SCHALLHORN P A. Forward looking pressure regulator algorithm for improved modeling performance within the generalized fluid system simulationprogram[ C]//40th AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf Exhibit, Fort Lauderdale, 2004[3 YANG An-Shik, KUO Tien-Chuan. Design analysis of a satellite hydrazine propulsion system[J ]. J Propulsion Power, 2001, 18 (2):270279[4]武唯强,王海洲,恒压加载式冷氯压力调节器的建模与仿真[冂导弹与航天运载技术,200(6:2732.WU Weiqiang, WANG Haizhou. Mathematical model and digital simulations of cold helium constant pressure loaded regulator[J]Space Vehicles, 2001(6): 27-32[5]张炜,徐志高,黄先祥,液体推进剂导弹全动力系统稳态故障仿真[]·系统仿真学报,2004,15(9):1205-1209ZHANG Wei, XU Zhigao, HUANG Xianxiang. Simulation of steady-state fault foryH中国煤化工 system[J. J SystSimulation,2004,15(9):1205-1209CNMHG下转第55页)httpd/www.chinacae.cn第1期万夫,等:修井机Y形支座受井架坠落撞击的数值模拟55井架上部63917单元受力最小;所有单元随着时间座发生大变形或产生裂纹的部位进行补焊加固,而的推移等效应力逐渐下降,直至撞击结束部分单元后再对井架进行实际承载能力检测依然存在较小应力,说明产生遗留效应,材料性能发生变化.4结论(1)建立井架坠落撞击支座的有限元模型,模拟事故发生的物理过程,结果认为撞击接触时刻Y0.15形支座受力最大,而后受到反复的压力并逐渐减小(2)分析结果可指导现场无损检测:焊缝附近为塑性应变最严重区域,需着重检测,及时补焊.检0.05测结果与计算结果较为吻合分析结果同时可以指406080100120140160导井架实际承载能力测试,以便得到准确的承载能力,为分析此类事故及修理事故井架提供参考图8井架大腿单元应力时间曲线(3)对井架大变形部位进行加固或者更换梁Fig 8 Stress-time curves of derrick leg elements建议重新进行应力分析,同时配合井架承载能力检与Y形支座接触的4根立柱,由于其焊接处局测.计算结果可指导事故井架修理,避免设备损失,部最大应力已超过应力屈服极限,因此对井架与支对安全快速的油气开发有重要意义参考文献:[1]尹永晶,杨汉立。石油修井机[M].北京:石油工业出版社,2003:143[2]SYT5202-2005石油修井机[S][3]SYT6408--2012钻井和修井井架、底座的检查、维护、修理与使用[S][4]SY6326—2012石油钻机和修井机井架、底座承載能力检测评定方法[S][5]张汝清.固体力学变分原理及其应用[M].重庆:重庆大学出版社,1991:118[6hallquistJo.Ls-Dynatheorymanualeb/ol].(2006-12-31)[2013-01-10].http://ftp.Istc.com/anonymous/outgoing/trent001/[7]尚晓江,苏建宇,王化锋. ANSYS/ LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005:194[8]李裕春,时党勇,赵远, ANSYS1.0/ LS-DYNA基础理论与工程实践[M].北京:中国水利水电出版社,2008:258[9]郝好山,胡仁喜,康士廷,等. ANSYS12.0 LS-DYNA非线性有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社[10]sheldonImaoka.Contactanalysistips[Eb/Ol].(2009-10-31)[2013-01-10].http://ansys.net/sheldon-tips/20 Analysis第20Tips(上接第36页)[6]宋鸿尧,丁忠尧.液压阀设计与计算[M].北京:机械工业出版社,1982:10.7]刘靖东,隋国发,娄路亮,液体火箭增压輪送系统多学科动力学研究[].中国科学:E輯:技术科学,2009,39(3):474481LIU Jingdong, SUI Guofa, LOU Luliang. Research of multidisciplinary dynamics of liquid rocket feed system[J]. Sci China: Series E:Technological Sci, 2009, 39(3): 4744[8]LAFOND A. Numerical simulation of the flow field inside a hot gas valve, AIAA 99-4087[R].1999[9]袁洪滨,张民庆,孙彦堂.基于 AMESim的直动式电磁阀动态仿真研究[冂].火箭推进,2011,37(5):30-35YUAN Hongbin, ZHANG Minqing, SUN Yantang. AMESim-based simulation analysis of dynamic characteristics of direct-acting solenoidvalve[J]. J Rocket Propulsion, 2011, 37(5): 30-35编辑于杰)中国煤化工CNMHGhttpd//