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液压与气动 2023年第1期47卷 52-62页

作者：张超王紫慕周雷祝毅杨华勇浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室浙江杭州310027 浙江工业大学机械工程学院浙江杭州310014 浙江大学机械工程学院浙江杭州310027

液压阀块是液压系统的重要组成部分,降低液压阀块的压力损失对实现液压系统节能化、提高功重比意义重大。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是一种增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,基本突破了减材、等材等传统加... 详细信息

液压阀块是液压系统的重要组成部分,降低液压阀块的压力损失对实现液压系统节能化、提高功重比意义重大。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是一种增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,基本突破了减材、等材等传统加工方式的设计约束,结合拓扑优化方法,可大大提高液压阀块及其流道的设计自由度。以降低流道局部压力损失为研究目标,对流道局部压力损失较大的拐弯处进行拓扑优化设计,并采用SLM技术成形,优化设计后流道的压力损失明显降低。进一步探究弯管压力损失的主要影响因素——迪恩涡,定量分析了拓扑优化流道降低压力损失的原理,结果表明,拓扑优化得到的变截面流域通过改变流域的弯曲程度,使迪恩涡对压力损失的影响降到最小,从而有效降低流域内的压力损失。对增材制造液压元件及其流道的设计具有重要指导意义。

关键词：拓扑优化局部压力损失迪恩涡液压流道增材制造

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面向局部压损的三维液压流道拓扑优化设计与增材制造

面向局部压损的三维液压流道拓扑优化设计与增材制造

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作者：王紫慕浙江大学

学位级别：硕士

为了解决传统加工制造的液压流道压损大且优化空间受限的问题,本课题采用选区激光熔化技术（Selective Laser Melting,简称SLM）结合流体拓扑优化方法对液压流道进行优化设计。针对流速方向发生改变和流域截面变化引起较大局部压力损失... 详细信息

为了解决传统加工制造的液压流道压损大且优化空间受限的问题,本课题采用选区激光熔化技术（Selective Laser Melting,简称SLM）结合流体拓扑优化方法对液压流道进行优化设计。针对流速方向发生改变和流域截面变化引起较大局部压力损失的液压流道,以入口和出口之间的压力损失最小为优化目标,对液压流道的三维流域进行拓扑优化,探究了流域结构对压力损失的影响规律,并利用SLM技术对流体拓扑优化后的流道及集成块成形。本文主要研究工作如下:第一章,介绍了液压流道及其优化设计的研究现状和SLM技术的成形原理,总结了SLM技术成形液压集成块的研究现状,引出拓扑优化方法并介绍了流体拓扑优化相关背景。最后阐述了本研究的意义和主要研究内容。第二章,介绍了本文运用的流体拓扑优化方法,并对液压集成块中常见直角转弯流道、“Z”形流道和“U”形流道、“Y”形流道的流域进行流体拓扑优化,通过仿真分别与传统加工和圆弧过渡优化设计的流域对比,结果显示拓扑优化后的流域压力损失均最小。然后采用逆向建模和曲面偏移的方式为拓扑优化的流域增加均匀壁厚得到流道实体模型。第三章,分析了流道局部压力损失的产生原因,主要包括涡旋区和二次流。对存在涡旋区的突缩型、突扩型、直角转弯型流域与三者拓扑优化后的流域进行仿真对比,可观察到涡旋区消失的现象,且压力损失均得到降低。对转弯型流道内存在的二次流,其主要存在形式是迪恩涡,通过数值模拟分析其影响规律,并据此改善流域结构的弯曲程度来降低迪恩涡对压力损失的影响。第四章,以车姿调整集成块内部流道为对象进行拓扑优化设计的探究,对其中一部分流域的拓扑优化结果进行分析,并对第三章得到的迪恩涡影响规律加以印证,展现了拓扑优化流域结构的优越性。对集成块内部流道进行拓扑优化设计并仿真,其结果较初步优化设计的流道模型,压力损失降低了24%以上,较传统加工的集成块内部流道压力损失降低了66%以上。第五章,介绍了本文所使用的成形设备和316L不锈钢粉末特性及其打印参数,然后打印成形了拓扑优化设计的流道和集成块,并对传统加工制造的车姿调整集成块和SLM成形的车姿调整集成块分别进行实验测试。第六章,对本论文的工作进行了总结,并对下一步的工作进行了展望。

关键词：液压流道 SLM 拓扑优化局部压力损失

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