仿真技術與3D打印推動液壓元件性能升級

       傳統加工方法的制約某種程度上使得流體與結構拓撲優化后的加工制造遭遇一定的難度，隨著3D打印-增材制造技術的不斷成熟和應用，通過CFD和FEM在制造前預測性能、優化設計并驗證產品行為，泵、閥等零件經過結構流體特性拓撲優化、結構拓撲輕量化以及尺寸優化設計之后通過增材制造技術加工出來。CFD、FEM技術與3D打印-增材制造技術相得益彰，互相成就，共同推動液壓零件實現性能升級。

       液壓系統與液壓機械在國民經濟中的重要性和社會應用價值賦予液壓產品不斷升級，獲得產品性能提高的需求。計算機仿真技術的發展在液壓機械與系統設計中發揮了至關重要的作用，從一維液壓系統模擬到三維虛擬樣機技術的應用，通過CFD技術和FEM技術的介入，在液壓系統性能、閥體開啟與執行機構多體動力特性、高級泵性能設計、閥體與管道設計、機械結構強度校核以及輕量化設計中獲得了優秀的應用表現。特別是流體拓撲優化與尺寸優化，結構拓撲優化使得泵、閥、執行器、集成塊在流體性能和質量輕量化上獲得大幅提高。

       安世中德（Peraglobal-CADFEM）作為安世亞太科技股份有限公司專業項目咨詢與二次開發團隊，在傳統CFD領域、傳統FEM領域、機電一體化產品仿真技術、增材制造技術領域積累了豐富的項目實施經驗以及技術解決方案。安世中德在液壓系統高端核心元件增材制造技術解決方案中，建立了較為完整的液壓系統與核心元件仿真-設計-制造流程：液壓傳動與控制系統分析入手，聯合虛擬樣機技術進行機構運動性能模擬， CFD與FEM技術的介入，泵、閥、管道、液壓閥座進行流體拓撲優化、結構的拓撲優化、尺寸優化后歷經疲勞、動力學、剛柔耦合等驗證計算，最終進入增材制造環節。

圖：液壓產品性能提升與增材制造流程，來源安世中德

    結合增材設計理念以及打印過程工藝仿真控制，控制3D打印產品的最終結構質量，形成面向完整的產品生命周期的設計與優化過程，最終實現高端液壓元器產品更高的性能表現。限于篇幅，本文僅對流程中部分內容進行簡要舉例和技術能力說明（不以絕對液壓產品舉例）。

 液壓系統與虛擬樣機仿真 

      液壓系統與液壓機械模擬需求借助于ANSYS Motion、ANSYS Mechanical、Recurdyn以及AMESIM、HyPneu等進行聯合仿真。搭建液壓傳動/控制系統以及液壓元件功能組塊，將液壓過程控制與虛擬樣機模型結合，進行液壓系統性能和液壓機械運動參數的分析。

液壓機械分析能夠考慮剛柔轉化，引入有限元求解技術完成液壓機械中機構零部件強度、動力學、疲勞等內容的計算。

圖: 液壓機械虛擬樣機仿真，來源安世中德

 CFD優化技術介入

      執行器的移動速度、負載能力以及同步、級進等過程需求，通常由液壓泵、閥類（機械、電磁、伺服）控制系統進行閥芯移動、開啟關閉與其他類型的流量控制，而且控制精度非常之高。CFD流體優化技術可以對于泵、閥、管路進行更優化設計，以解決流體流動過程中的壓力損失，從而實現更好的設計，以制造更輕巧、性能優異的液壓元件產品。同時基于結構拓撲優化技術與尺寸優化技術，能夠在泵、閥基體結構上進行質量輕量化設計，融合制造設計的要求以滿足高端液壓產品對于質量、可靠性、密封等性能的苛刻需求。流體通道和外殼經過優化后，形狀不規則，通過傳統加工工藝難以實現，然而增材制造技術可以有效解決復雜、不規則設計的生產挑戰。

安世中德在CFD仿真與優化方面主要技術著手點基于如下三種技術方法實現：

       前兩者（Design Exploration、Mesh Morpher OptimizerRBF-Morph）是基于參數化進行的優化方法，能進行多尺寸多目標變量的優化，而Adjoint Solver具備更廣泛的設計空間，基于創新性的基于梯度的外形優化方法。三種技術在多種流體案例中都有很好的應用，這些案例的成功應用都為液壓元器件的流體性能優化提供了借鑒方法和克隆引用。

圖: U型管減阻設計，來源安世中德

圖: 基于尺寸的多目標優化，來源安世中德

圖: 閥門座流場尺寸優化，來源安世中德

 FEM優化技術介入與輕量化設計

一般結構產品優化的方法適用于液壓產品結構優化技術，主要包括兩大類方法：

非參數優化以拓撲優化、形狀優化、自由尺寸優化、形貌優化為代表，能夠支持基于線性靜態、慣性釋放、模態、頻率響應、熱、屈曲、隨機振動以及非線性接觸等多種分析類型的優化設計。

參數優化基于參數建模驅動模型進行優化設計（CAD/CAE雙向驅動），主要應用方向集中于參數敏感性、多學科多目標優化、穩健性和可靠性優化等。

 設計的仿真與加工工藝的仿真

      最后，優質合格的3D打印產品取決于多種因素，需要工程師不僅關注打印問題，諸如孔隙率、微觀結構與材料性能，而且也需要考慮刮板干涉（碰撞）、支撐斷裂、部件開裂、變形過大等問題出現，另外合格的增材制造需要解決可重復工藝、保證質量、工藝控制等諸多需求和實施困難。

在打印工藝模擬中，安世中德借助Workbench Additive、Additive Print、Additive Science進行打印工藝問題的仿真解決，通過對上述打印過程中打印材料性能、孔隙率等進行模擬，對打印過程出現的缺陷進行仿真排查，提高3D打印的成功率。