[doc] 液动射流冲击器计算机仿真技术的发展与应用

[doc] 液动射流冲击器计算机仿真技术的发展与应用 液动射流冲击器计算机仿真技术的发展与 应用 第36卷第1期石油钻探技术 PETROIEUMDRIIIINGTECHNIQUES Vo1.36,NO.1 Jan.,2008 工具与设备 液动射流冲击器计算机仿真技术的发展与应用 王清岩殷琨彭枧明陈家旺 (1.吉林大学建设工程学院,吉林长春130026;2.吉林大学地下信息探测技术教育部重点实验室,吉林长春130026) 摘要:计算机仿真分析技术在液动射流冲击器研制过程中具有重要作用,根据应用该技术进行计算机辅助 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的具体工作过程,列举了几种典型的仿真分析方法.结合电子计算机软硬件技术的发展过程,介绍了不同时 期依赖于不同工作平台的各种仿真分析方法的技术特点和工作 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 , 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 了各种仿真分析方法在揭示和预测射流 冲击器性能参数变化规律方面所能够发挥的作用.根据目前工作情况及各种仿真分析方法间的比较,提出基于虚 拟样机技术和CFD技术的计算机仿真分析方法已经成为液动射流 冲击器计算机仿真分析技术的主流. 关键词:射流冲击器;计算机仿真;虚拟样机;计算流体动力学 中图分类号:TE921文献标识码:A文章编号:100卜 0045—05 0890(2008)01— 引言 早期液动射流冲击器的研制主要凭借设计者的 知识和经验,用真实的元件接入实际系统,并以此为 基础进行试验,考察结构参数和控制方式的变更对 冲击器动态性能的影响.但射流冲击器结构的更改 和试验系统的建立以及进行具体的试验过程不仅需 要花费大量的人力,物力,财力和宝贵的时间,而且 一 次成功的可能性很小,改变系统参数也比较困难. 多体动力学理论的不断完善,使准确建立冲击器活 塞动力学方程成为可能.设计者开始对射流冲击器 的内部工作过程进行理论分析,但受到射流元件理 论研究滞后的影响,分析结果与实际工作情况往往 相差甚远且无法在理论层面上加以解释.另一方面 借助于相似理论构造模型进行中问试验的研究机制 始终没有建立,故而使得理论分析方法至今仍存在 很大局限性,主要体现为分析结果无法精确量化,分 析结论无法准确反映射流元件与动力活塞间的动力 学耦合关系等. 在试验手段和理论分析都遇到困难,无法突破 自身局限的情况下,计算机仿真技术为液动射流冲 击器的研制提供了较为理想的设计计算方法.自 20世纪90年代中期以来,先后有4种典型的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 应用于液动射流冲击器的研制过程,分别为:1)采用 高级语言编程的计算机仿真计算研究;2)基于Mat— lab建立反馈控制系统模型进行仿真分析;3)应用 CFD软件进行射流元件内部流场结构的仿真分析; 4)应用CAD/CAE/CFD软件进行射流冲击器动力 学耦合特性的综合仿真分析.4种典型的仿真分析 方案是在计算机软硬件技术发展的不同阶段依次提 出的,但由于不同的仿真分析方法在其所能揭示的 液动射流冲击器内部工作机理与性能参数变化规律 的内容有所区别,研制过程中需要通过仿真分析方 法所获取的信息经常变化,软件版本的不断更新,又 使得各种仿真方法逐步得以完善,故而在新型射流 冲击器结构方案论证,定型产品性能预测,射流元件 内部流场流动特性分析,射流冲击器常见故障诊断 等诸多研制工作过程中,利用不同方法进行仿真分 析都不失其应用方面的必要性和技术上的先进性, 且所得出的结论皆具有重要的参考价值.由于各种 仿真分析方案所采用的工作平台及技术细节不同, 实施仿真分析的具体工作流程不同,仿真分析所揭 示的内在规律和预测目标有所差异,笔者将面向液 动射流冲击器计算机仿真分析技术的核心内容,即 系统,模型及实施仿真的具体步骤逐一进行介绍. 收稿日期:2007—07—12;改回日期:2007—10—19 基金项目:国家863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ”高效破岩冲击器的研制及旋冲破岩工 艺技术研究”专题”高效破岩冲击器的研制”子专题(编号; 2006AAO6A1O9—3—2—1)资助 作者简介:王清岩(197O),男,1992年毕业于哈尔滨工业大学 流体传动及控制专业,2000年获吉林大学地质工程专业硕士学位, 在读博士研究生,副教授,主要从事岩土钻凿设备与机具研究及相关 的CAD/CAE/CFD技术教学工作. 联系电话:(0431)87697039 石油钻探技术2008年1月 1采用高级语言编程的计算机仿真 根据活塞运动的动力学方程建立数学模型,不 考虑元件内部复杂的流动过程,并利用有限差分原 理编程进行射流冲击器仿真计算,编程语言先后采 用了Basic,VB,VC++等,程序运行环境也由初期 的DOS升级至Windows系统.这是一种较为原 始,但能够可靠反映结构参数及控制参数对液动射 流冲击器性能影响趋势的定性化计算机仿真方法, 其典型流程如图1所示.通过该方法,得出了加大 活塞行程,加大活塞冲锤质量,提高泵排量可以提高 液动射流冲击器单次冲击功的结论口.多年来, 该方法一直被沿用,大量试验也证明了上述结论的 正确性.随着程序复杂程度的增加,活塞及活塞杆 直径,流体通道的沿程损失和局部损失等因素对液 动射流冲击器性能的影响也考虑在内. /结构参数及水泵出口/ /参数数据准备/ ? I射流元件稳定附壁输入输出特性计算I.1射流元件稳定附壁输入输 出特性计算1 (射流进入缸体下腔的稳态过程)广l(射流进入缸体上腔的稳态过程) ?? I活塞回程动力学过程计算Il活塞冲程动力学过程计算1 麈率 厂]YT/,,= 图1采用高级语言编程方法进行液 动射流冲击器仿真计算的流程 尽管编程仿真工作量大,基于准静态微段的有 限差分模型难以反映冲击器活塞运动过程中对射流 元件输出特性和控制特性的影响,但仿真结果真实 反映了变更结构参数对冲击器性能的影响趋势,并 且程序能够反映不同影响因素之间的相互制约关 系,从而为以提高冲击功或改变冲击频率为目的射 流冲击器研制工作提供了重要的参考. 2基于Matlab建立的仿真模型 Matlab软件具有强大的矩阵运算能力和较为 直观的可视化功能,其扩展工具箱Simulink可以方 便地进行系统建模,动态仿真分析和数据分析.液 动射流冲击器就其工作性质而言是一种具有双稳态 且能够在脉冲反馈压力作用下切换的自激式冲击振 动系统,适宜采用Matlab软件及Simulink工具箱 对其进行仿真分析.应用Matlab软件进行液动射 流冲击器仿真,需要将其置于完整的反馈控制系统 内考虑,该系统的组成结构如图2所示. 图2液动射流冲击器反馈控制系统组成原理 从反馈控制系统的角度分析,液动射流冲击器 主要由高压水泵,射流元件,活塞与砧体三个主要的 动力和控制环节构成.其中高压水泵是系统的动力 元件,提供了压力一流量信号,水泵的动态特性在仿 真过程中给予了考虑,并忽略了原动机性能对回路 的影响.冲击器活塞是系统的执行元件,其动力学 特性已经能够用较为成熟的数学模型来描述.图3 为内缸上腔管道与冲击活塞系统的方块图.与常规 阀控缸系统不同的是,对射流冲击器活塞的分析需 重点考察其动态响应特性及相关的瞬态指标,如启 动加速度和冲击末速度等.活塞冲程终了时与砧体 发生碰撞,碰撞后上腔引起水击现象,水击压力作为 反馈信号推动射流元件附壁侧切换,进而冲击活塞 回程开始.仿真模型需根据这样的复杂状态转换设 定相应的判断准则,通常冲击活塞运动状态的改变 以活塞位移是否到达行程终点作为判断依据,而冲 击活塞行程终了所产生水击波的传播决定了射流元 件的附壁切换过程,无论冲击活塞还是射流元件都 需要在工作状态转换瞬间重新设置初始条件并改变 动力学参数.采用状态方程或基于Simlink建模可 以准确反映系统内部工作状态l3]. 图3考虑内缸上腔通道的冲击活塞控制回路 石油钻探技术 非稳态边界条件,在计算过程中非稳态的边界条件 可以自定义函数(如Fluent的UDF)的形式施加在 相应位置,在此基础上进行的射流元件CFD计算可 反映元件与冲击系统整体的动力学耦合特性.目 前,综合试验器尚处于研制阶段,相信在不久的将来 会在揭秘射流元件内部复杂流动特性的工作中发挥 重要的作用. 图5射流式液动冲击器流体动力学理论与 实验研究技术路线 4应用CAD/CAE/CFD软件进行的 综合仿真 利用通用的CAD软件(如UG,Solidworks,In— ventor等)可以很方便地建立射流冲击器实体模型. 一 些CAD软件内部集成了力学,运动学及CFD分 析功能,可以进行单一工具集成环境下的CAE/ CFD联合仿真分析,例如Solidworks软件即整合了 CosmoWorks,CosmosMotion和FlowWorks等模 块,分别用于零部件有限元分析,动力学仿真分析和 计算流体动力学分析.对射流冲击器系统整体进行 CAE/cFD研究的另一个思路是借助多种软件,把 冲击器几何造型工作与仿真分析工作分开,而在具 体分析过程将冲击活塞动力学分析,元件与缸体内 部流场的CFD分析协同进行,其基本原理是流场的 瞬态边界条件随冲击活塞运动状态变更,而基于瞬 态边界条件的CFD计算结果以压力,流量的形式作 用于冲击活塞,然后在考虑流场迁移特性的同时选 取特定的算法进行微小时段内的耦合求解. 由于各类软件功能各有侧重,后一方案明显更 为合理,这样能够充分利用不同软件各自的优势,但 需要各个软件提供完善的接口程序,以实现协同工 作环境中高效,精确的建模仿真过程.实践过程中 液动射流冲击器建模仿真利用了UG,Icemcfd和 Fluent三种软件和c语言编程环境.液动射流冲 击器的实体建模网格划分是在UG和Icemcfd环境 中完成的(如图6所示),根据射流冲击器的几何特 点和动力学特性,划分结构化网格可以有效节省计 算机系统资源,加快运算速度并提高解算精度. CFD计算在Fluent环境中进行,湍流模型一般采用 标准k—E模型,速度压力耦合算法选择Simple 算法.控制方程中的扩散项一般采用中心差分格式 离散,而对流项则可采用多种不同的格式进行离散. 默认情况下,当使用分离式求解器时,所有方程中的 对流项均用一阶迎风格式离散;当使用耦合式求解 器时,流动方程使用二阶精度格式,其他方程使用一 阶精度格式进行离散. 图6划分网格后的液动射流冲击器仿真分析模型 仿真过程中应用了动网格技术来模拟根据域边 界的运动情况随时问改变的流动域形状.体网格更 新可以根据边界的新位置在每一时间步自动处理. 为了使用动网格模型,需要提供一个初始体网格和 相关流动区域的运动描述.Fluent软件可以在边 界轮廓上采用用户定义函数,或通过六自由度求解 (6DOF)来描述运动.Fluent也可以对指定的面或 单元区域进行运动预测描述,对于模型的运动和非 运动区域,最初进行体网格划分时应该把相应的面 或单元组成单独区域.不同区域之间的边界类型不 必一致,最终模型中可以使用非一致或滑移界面功 能将不同区域连接起来l9.?. 应用动态网格技术的液动射流冲击器仿真过程 中,需将冲击活塞有效作用面设置为刚体,冲击活塞 与内缸配合圆柱面设置为变形壁.整个冲击系统分 成三个流动区域,内缸上下腔流域及其通道设置为 内部条件,其它所有的各面均为流体与固体相互接 触面,属于壁面类型的边界.在此基础上设置系统 整体边界条件与初始条件,其中入口设为速度入口, 出口为压力出口.网格采用动态铺层方法进行迁 移.此外,系统动态特性需要编程从内缸上,下腔提 取,所提取的动态参数作为下一时间步长内准稳态 过程的初始条件,由程序自动施加给动态迁移至新 位置的网格化边界. CAD/CAE/CFD技术为液动射流冲击系统构 第36卷第l期王清岩等:液动射流中击器计算机仿真技术的发展与 应用 造了虚拟现实的仿真分析环境,仿真对象是利用 CAD技术构造的实体模型,元件与缸体之间设置了 真实流道,冲击活塞的几何尺寸及质量特性都与现 役冲击器活塞相符合.不考虑加工精度及表面光洁 度对射流附壁特性和冲击活塞动力学过程的影响, 通过基于虚拟样机技术的仿真分析可以求出冲击活 塞运动速度变化过程对活塞上下腔压力动态变化过 程的影响,尤其在活塞反弹瞬间活塞上下腔流动特 征的突变. 对仿真结果进行分析,可以考察活塞运动方向 改变后水击压力作用下元件射流附壁侧切换的具体 过程,并且可以获得重要参数,如切换时问,信号道 内瞬态速度一压力等.同时,对液动射流冲击器不 同丁作参数组合反复进行CFD计算,即可进行参数 组合寻优工作,判断不同参数对液动射流冲击器T 作性能的影响,也可通过单一因素影响寻找某一参 数对冲击器丁作性能的影响规律,为合理设计系列 化,新型液动射流冲击器提供重要的依据. 5结束语 各种计算机仿真方法都曾经对液动射流冲击器 的研制工作提供了重要的参考.随着程序设计语言 和计算工具的不断改进,完善,编程仿真分析和基于 系统传递函数或状态方程的Matlab仿真分析如今 已被赋予了新的内涵,依旧在液动射流冲击器计算 机仿真T作中发挥着重要的作用.CAD/CAE/ CFD技术的高速发展和功能的日益强大使虚拟样 机技术在仿真过程中具有可视化,能够真实反映液 动射流冲击工作过程的特点.将高精度的数值算法 应用于CAE/CFD过程可有效提高解算精度和工作 效率.因此,可以断言,计算机硬件性能的提高将使 这种基于虚拟样机技术的流场与冲击活塞动力学耦 合分析方法成为液动射流冲击器研制的最佳工具. 参考文献 [1]彭枧明,殷琨.王清岩.等.射流式液动锤高压腔内液体压力的 数学模型[J].石油大学(A然科学版),2005,29(6):50— 53 r2]原田正一,尾崎省太郎射流1一程学[M]北京:科学?版社, 1977. [3]陈家旺,殷琨,谭凡教.基于Matlab语言的射流式冲击器元件 内部流场仿真计算?J].露天采矿技术,2006(6):2628. [4]谭凡教.射流式冲击器改型设计及Matlab仿真汁算[I)].吉林 长春:吉林大学建设工程学院.2005. [5]陶兴华.液动射流式冲击器T作数学模型建立[J].石油钻探 技术,2005,33(1):44—47. [6]王福军.计算流体动力学分析…CFD软件原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社,2004:63—169. [7]吴子牛.计算流体力学基本原理[M].北京:科学出版社,2001. [8]熊青山,王越之,殷琨,等.阀式液动射流冲击器的研制[J]. 石油钻探技术,2007,35(3):6365. [9]韩占忠,王敬,兰小平.Fluent流体【程仿真计算实例与应用 rM].北京:jE京理工大学出版社,2004. [Io]王瑞金,张凯,王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京: 清华大学版社,2007. [11]陈家旺.射流液动冲击器仿真计算与实验研究[D].吉林长 春:吉林大学建设工程学院,2007. [审稿李根生] DevelopmentandApplicationofHydrokineticHammer’SSimulationTech nique WangQingyan’YinKun’PengJianming?ChenJiawang 1.SchoolofConstructionEngineering,jilinUniversity,Changchun,jilin,130026,China2.MOE KeyLaboratoryofUndergroundInformationDetectionTechnology,Changchun,-『ilin,130026,China) Abstract:Thecomputersimulationtechniqueplayedanimportantroleinhydrokinetichammerdesign. Severaltypicalcomputersimulationmethodswereillustratedaccordingtoactualsimulationprocedure. Combinedwiththedevelopmentofcomputer’Shardwareandsoftware,thetechniquecharacteristicsand workingproducersofsevera1differentsimulationmethodsbasedondifferentplatformsweredescried.This paperintroducedhowcomputersimulationmethodspredictthechangeofthehydrokinetichammer’Sper一 {ormance.Basedonthecomparisonofthecurrentworkingconditionandsimulationmethods,modern computersimulationmethodsbasedonthetechniqueofVirtualPrototypeandCFDareproposed.Comput— ersimulationmethodsbecamethemainmethodinhydrokinetichammer’Ssimulationtechnique. Keywords:effluxhammer;computersimulation;virtualprototype;computa tionalfluiddynamics