基于ANSYS Workbench 的电液执行器模态分析

2022-02-15 10:07王丽然

化工自动化及仪表 2022年1期

王丽然蔡婧

（西安航天远征流体控制股份有限公司）

执行器是石油、化工及电力等工业过程控制领域不可缺少的部件，用于控制阀门等设备的机械动作进而控制工业过程中流量、压力等各类参数，有气动、电动、电液及气液等执行器［1］。电液执行器也称电液执行机构，是液压、机械、电子和控制技术的有机结合，分为调节型和开关型两种。电液执行器是一种终端控制器件，其驱动刚性大、控制精度高，易于实现紧急关断，在自动化程度高的控制领域和具有紧急关断需求的危险场所，其广泛应用是执行器的发展趋势。作为重要的控制执行装置，很多学者对电液执行器的控制方法和精度展开了深入研究。杨小庆和赵振华的研究表明，采用复合控制方法，可以提高发动机气门阀升程运动位移和速度的跟踪精度，从而降低气门阀着陆时的振动幅度［2］；黄文娟和赵伟采用小波神经网络PID 控制方法，能够有效地提高液压执行器运动轨迹跟踪精度［3］；王兴龙等对REXA 电液执行器在SCR 喷氨流量调节中的应用进行了研究［4］；贾正伟等对伺服阀控制式和电动机控制式两种电液执行器进行了比较分析［5］。但相关文献对电液执行器的振动特性研究极少。

电液执行器被广泛应用在成品油、原油及天然气输送等领域，用来驱动阀门动作，实现管路的导通与切断。由于电液执行器一般安装于较恶劣的工况环境，因此在产品运输或工作过程中，都不可避免地会有振动现象发生。为了有效避免电液执行器在振动环境中发生共振而造成产品损坏，有必要对其振动特性进行研究，明确其固有频率和对应振型，采取相应措施，应对不断变化的外界环境。

1 模态分析相关理论

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、模态振型和阻尼比。模态分析是研究结构振动特性的一种方法，它将含有耦合项的联立二阶常微分方程转换到模态坐标系中描述，从而解出耦合运动方程［6］。

有限元方法是将一个连续的求解域离散成许多单元的组合体，然后用单个单元内部假定的近似函数来表示求解域上的未知场函数。近似函数一般由未知场函数和未知场函数的导数在单元节点的数值插值函数表达。通过这种方法将一个无限个自由度问题离散为有限个自由度问题。有限元模态计算则是将无限个自由度的连续系统划分为有限个自由度的离散系统，再求解系统的有限个固有频率和振型的方法［7］。由弹性力学的有限元方法可知，弹性结构系统的运动微分方程为［8］：

当无外作用力时，{F（t）}=0，则系统的自由振动方程为：

阻尼对自由振动的固有频率和振型影响不大，可以忽略，因此得出的无阻尼自由振动运动方程为：

对应的特征方程为：

其中，ωi为第i 阶模态的固有频率。

由上述分析可知，振动系统有无数个固有频率和其对应的主振型。一个固有频率与其对应的振型即表示一个单自由度系统自由振动。一个多自由度系统的自由振动是无数个具有固有频率的简谐振动的合成振动，由无数个单自由度简谐振动叠加而成，是无数个固有模态的线性组合。这种振动的低阶振型对结构的振动影响较大，对结构的动态特性起决定作用。对于模态分析结果而言，阶数越低对系统的影响就越大，因此在模态分析时，一般求解前5～8 阶即能满足精度要求。

2 模态分析

2.1 有限元建模

用UG 软件建立行程350 mm、输出力35 kN的典型规格的电液执行器三维装配体模型，以stp格式导入ANSYS Workbench 18.0，得到电液执行器在ANSYS 中的模型，如图1 所示，该电液执行器主要由支架模块、控制模块、动力模块、液压控制模块和接线盒组成，长宽高分别为1 500、760、840 mm。由于执行器结构较复杂，需简化处理，即去掉液压控制模块中的插装阀和插装孔，去掉全部安装孔，去掉紧固件和控制模块上的操作旋钮，去掉电缆、油管及接头等对产品振动特性影响不大的结构。

图1 电液执行器的ANSYS 模型

在Engineering Data 选单中为模型各部分添加材料属性，其中支架模块为碳钢材料，控制模块、动力模块、液压控制模块和接线盒都为铝合金材料，两种材料的力学参数见表1。

表1 两种材料的力学参数

2.2 网格划分

在有限元求解过程中，网格划分的质量直接影响求解的准确度。因此合理选择网格划分方法并控制网格密度非常重要。细化网格可以使计算结果更加精确，但需耗费更大的存储空间并增加计算时间；而过于粗略的网格会降低计算结果的准确性。

笔者采用Automatic 网格划分方法，针对电液执行器不同功能模块的复杂程度，设置不同的网格密度。支架模块element size 设置为90 mm，其他模块设置为50 mm，得到60 998 个单元，108 045 个节点。网格划分如图2 所示。

图2 网格划分

2.3 边界条件设置

边界条件的设置直接影响计算结果的精度，边界条件作用在几何体上，通过节点和单元进行传递。电液执行器工作时通过支架底部的法兰与被驱动阀门连接，因此可以看作底部平面固定约束，如图3 所示。

图3 添加固定约束

由于产品为装配体，因此各模块之间应进行接触设置。电液执行器产品的各个模块之间是通过紧固件连接的。由于紧固件结构复杂、数量繁多，因此在对模型进行简化时对紧固件进行了删除处理。由于各模块间通过紧固件连接能够形成紧固结合，不存在分离、滑动及转动等运动，因此模块之间的结合方式选择绑定（bonded）接触，如图4 所示。