增材专栏 l 仿真技术与增材制造驱动液压元件性能升级方法可行性浅述
液压机械与液压产品广泛应用于国民经济的各个领域，例如通用机械、工程机械、汽车、航空航天、运输设备等领域。作为四大类传动方式（机械、电气、液压、气压）之一，液压传动相对其他传动方式，在结构、工作性能、使用维护、可靠性与经济性上又都有着极其明显的特点。
图1 液压产品在国民经济中的应用
图2 液压产品特点
液压系统（传动系统和控制系统）基于液体静压力传动原理，是集成机械机构设计、电子电器设计、控制系统设计、力学设计等多学科设计元素的复杂产品。为满足液压机械各项技术要求，系统机械构成与工作原理所采用液压元件作用特点等也不尽相同，但最基本液压系统均可以按照“动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、工作介质”5部分构成。由于液压由多个系统构成，系统级的产品优化升级可以在重点组成部分优化的基础之上完成。
图3 液压传动与控制系统
液压系统与液压机械在国民经济中的重要性和社会应用价值对液压产品不断升级提高产品性能提出了更高的要求。计算机仿真技术的发展在液压机械与系统设计中发挥了重要的作用，从一维液压系统模拟到三维虚拟样机技术的应用，从CFD技术的介入到FEM技术的介入，仿真在液压系统性能、阀体开启与执行机构多体动力特性、高级泵性能设计、阀体与管道设计、机械结构强度校核以及轻量化设计中都有优秀的应用表现。特别是流体拓扑优化与尺寸优化，结构拓扑优化和尺寸优化使得泵、阀、执行器、集成块在流体性能和质量轻量化上都会有大幅提高。但传统加工方法的制约一定程度上使得流体与结构拓扑后的加工制造遭遇一定的难度，增材制造技术的不断成熟和发展进步则带来了新的契机，使得CFD和FEM介入后的泵、阀结构流体特性拓扑优化、结构拓扑轻量化以及尺寸优化设计之后的产品生产成为可能，从而让CFD仿真可算、FEM技术仿真可轻量化降重等关键技术得以真正落地。
安世中德（Peraglobal-CADFEM）作为安世亚太公司专业项目咨询与二次开发团队，在传统CFD领域、有限元FEM领域、机电一体化产品仿真技术、增材制造技术领域都积累了非常丰富的项目实施经验以及技术解决方案。安世中德在液压系统高端核心元件增材制造技术解决方案中，逐步拟定了较为完整的液压系统与核心元件仿真-设计-制造流程：液压传动与控制系统分析入手联合虚拟样机技术进行机构运动性能模拟，利用 CFD与FEM技术，对泵、阀、管道、液压阀座进行流体拓扑优化、结构的拓扑优化、尺寸优化后，经过疲劳、动力学、刚柔耦合等验证计算，最终进入增材制造环节，结合点阵设计以及打印过程工艺仿真控制，控制打印结构最终质量，形成完整的产品设计与优化生命周期，最终提供高端液压元器产品最好的使用性能。限于篇幅，本文仅对流程中部分内容进行简要举例和技术能力说明（不以绝对液压产品举例）。
图4 液压产品性能提升与增材制造流程
1. 液压系统与虚拟样机仿真
液压系统与液压机械模拟需求借助于ANSYS Motion、ANSYS Mechanical、Recurdyn以及AMESIM、HyPneu等进行联合仿真。搭建液压传动/控制系统以及液压元件功能组块，将液压过程控制与虚拟样机模型结合，进行液压系统性能和液压机械运动参数的分析。
液压机械分析能够考虑刚柔转化，引入有限元求解技术完成液压机械中机构零部件强度、动力学、疲劳等内容的计算。
图5 液压系统与元件仿真搭建
图6 液压机械虚拟样机仿真
2. CFD优化技术介入
图7 非参数与参数优化
执行器移动速度、负载能力以及同步、级进等过程需求，通常由液压泵、阀类（机械、电磁、伺服）控制系统进行阀芯移动、开启关闭与其他类型的流量控制，而且控制精度非常之高。
然而CFD流体优化技术依然有能力对于泵、阀、管路进行更优化设计以解决流体流动过程中的压力损失，以帮助更好的设计和制造更轻巧性能优异的液压元件和产品。同时基于结构拓扑优化技术与尺寸优化技术，能够在泵、阀基体结构上进行质量轻量化设计、融合制造设计以满足高端液压产品对于质量、可靠性、密封等性能的苛刻需求。流体通道优化过后形状不规则以及外壳结构的形状不规则通过增材制造技术进行实现，这是传统设计与加工所无法比拟的先进性能设计与制造。
安世中德在CFD仿真与优化方面主要技术着手点基于如下三种技术方法实现：
Design Exploration
Mesh Morpher Optimizer RBF-Morph
Adjoint Solver
图8 CFD优化技术方法
前两者是基于参数化进行的优化方法，能进行多尺寸多目标变量的优化，而Adjoint Solver具备更广泛的设计空间，基于创新性的基于梯度的外形优化方法。三种技术在多种流体案例中都有很好的应用，这些案例的成功应用都为液压元器件的流体性能优化提供了可 借鉴的方法。
图9 U型管减阻设计
图10 基于尺寸的多目标优化
图11 阀门座流场尺寸优化
图12 汽车尾部流场设计
3. FEM优化技术介入与轻量化设计
一般结构产品优化的方法适用于液压产品结构优化技术，主要包括两大类方法：
结构非参数优化
结构参数优化
非参数优化以拓扑优化、形状优化、自由尺寸优化、形貌优化为代表，能够支持基于线性静态、惯性释放、模态、频率响应、热、屈曲、随机振动以及非线性接触等多种分析类型的优化设计。
参数优化基于参数建模驱动模型进行优化设计（CAD/CAE双向驱动），主要应用方向集中于参数敏感性、多学科多目标优化、稳健性和可靠性优化等。
图13 非参数优化
增材制造技术使得复杂点阵结构的大量应用成为可能。点阵设计在液压增材制造中能够充分填充液压元器件壁厚，对于采用液压驱动且有明显轻量化需求的产品，点阵设计不失为一种好的选择。安世中德基于点阵设计进行了点阵晶胞参数插件的开发，这为点阵的设计提供了理想的计算方法，保证了点阵应用的可行性和可靠性。
图15 点阵设计在多领域的应用
图16 点阵仿真插件
4. 增材制造工艺仿真
优质合格的打印件取决于多种因素，需要打印工程师不仅关注打印问题的孔隙率、微观结构与材料性能，而且也需要考虑刮板干涉（碰撞）、支撑断裂、部件开裂、变形过大等问题出现，另外合格的增材制造需要解决可重复工艺、保证质量、工艺控制等诸多需求和实施困难。在打印工艺模拟中，安世中德借助Workbench Additive、Additive Print、Additive Science进行打印工艺问题的仿真解决，非常好的对上述打印过程中打印材料性能、孔隙率等进行模拟，对打印过程出现的缺陷进行仿真排查，确保打印成功。
图17 打印件的影响因素和缺陷
图18 工艺仿真模拟
5. 液压核心元件仿真与增材制造愿景
安世中德有志于借助安世亚太多种高端仿真产品以及自身积累的机电液一体化仿真能力、CFD的流体拓扑与尺寸拓扑仿真能力、FEM的结构拓扑和点阵设计开发能力、一体化增材设计-工艺-验证计算能力等为企业提供更多质轻、质优和竞争力的高端液压产品需求研发的解决，以更好的与业内同仁一起超越目前液压核心元件的仿真和制造思维，更好提升产品质量，为社会创造更多价值。
图19 国内外目前成功打印的液压元器件案例
参考文献：
[1].包刚强.增材思维驱动的先进设计与增材工艺仿真一体化解决方案[X].安世中德. http://www.peraglobal.com/
[2].寇晓东.面向增材的先进设计与制造一体化解决方案[X].安世中德. http://www.peraglobal.com/
[3].段卫毅.多尺度算法在增材制造点阵结构仿真分析中的应用[X].安世中德. http://www.peraglobal.com/
[4].3D科学谷.3D打印与液压行业白皮书[X]. http://www.51shape.com/
[5].付永领.AMESIM系统建模和仿真：从入门到精通[M].北京：北京航空航天大学出版社,2006
[6].力士乐.液压元器件培训[X]. https://www.boschrexroth.com.cn/zh/cn/
—作者—
付稣昇，安世中德结构仿真咨询专家，编写出版书籍《ANSYSWorkbench17.0数值模拟与实例精解》、《ANSYS nCode DesignLife疲劳分析基础与实例教程》，中国机械工程学会认证机械工程师，较为熟悉多种机械产品的设计原理，目前主要从事强度、疲劳、复合材料、动力学、多体动力学、高级非线性、优化设计与轻量化设计等工作。
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