建立了超高壓工況下電磁換向球閥優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型，采用ANSYS軟件的命令流方式進行優(yōu)化求解，得出其相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)值，并將結(jié)果與C++隨機方向法運行的結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明電磁換向球閥數(shù)學模型的普適性，以及利用ANSYS軟件進行優(yōu)化設(shè)計程序編寫簡單，運行速度快，結(jié)果精確度高。

　　電磁換向閥是利用電磁鐵吸力操縱閥芯換位，通過閥芯和閥體間相對位置的變化來接通、斷開油路，從而達到控制執(zhí)行元件的啟動、停止，或改變運動方向的目的。球閥式電磁換向閥由于其密封性好，工作可靠性高，現(xiàn)已在超高壓液壓領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1、建立超高壓電磁換向球閥優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型

　　電磁換向球閥在換向過程中，閥芯上作用有電磁鐵的推力、黏滯性阻尼力、瞬態(tài)液動力、穩(wěn)態(tài)液動力、以及彈簧力;而在復位過程中，閥芯上作用有彈簧力、瞬態(tài)液動力、黏滯性阻尼力、穩(wěn)態(tài)液動力及電磁鐵剩磁力。所以，選取瞬態(tài)液動力、黏滯性阻尼力和穩(wěn)態(tài)液動力作為分目標函數(shù)，分別用f1(X)，f2(X)，f3(X)表示。

　　閥芯上作用的瞬態(tài)液動力與球閥進出口壓差、閥座孔直徑及流速有關(guān);閥芯上作用的黏滯性阻尼力與閥芯移動速度及鋼球閥芯半徑有關(guān);閥芯上作用的穩(wěn)態(tài)液動力與球閥開口量、液體流量、鋼球閥芯半徑、流速和閥座孔直徑有關(guān)。所以，選擇閥座孔直徑d、鋼球閥芯半徑R及球閥開口量δ三項參數(shù)作為設(shè)計變量，分別用x1，x2，x3表示。

　　應(yīng)用理想點法將多目標優(yōu)化設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化設(shè)計問題，數(shù)學模型為

　(1)

　(2)

　　式中 W1，W2，W3——加權(quán)系數(shù);

　　f*1——瞬態(tài)液動力的理想點;

　　f*2——黏滯性阻尼力的理想點;

　　f*3——穩(wěn)態(tài)液動力的理想點;

　　(壓力損失小于許用壓力損失值)

　　(閥芯開口通流截面積不大于閥座孔環(huán)行流道通流截面積)

　　(電磁鐵的額定行程與杠桿比)

　　(電磁鐵的額定行程與杠桿比)

　　(閥座孔環(huán)形流道的流速不大于閥座孔中的流速)

　　g6(X)=d-0.6≥0(結(jié)構(gòu)尺寸及閥口通流能力約束)

　　(鋼球閥芯截面積與閥座孔截面積約束)

　　(為保證可靠密封，取10b=d，(b.閥口全開時，單邊配合長度))

2、有限元分析ANSYS軟件的優(yōu)化設(shè)計方法

　　ANSYS軟件優(yōu)化算法基本參數(shù)有設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標函數(shù)。其中，設(shè)計變量就是自變量，用符號DV表示，需要定義上下限限制其變化范圍，在軟件ANSYS中最多允許有60個設(shè)計變量。所謂狀態(tài)變量就是約束條件，用符號SV表示，它是前面設(shè)計變量的函數(shù)，這個函數(shù)可以限制其上限或下限，也可以上下限都進行限制，在軟件ANSYS中可以最大定義100個狀態(tài)變量。所謂目標函數(shù)就是優(yōu)化設(shè)計的目標，用OBJ表示，也是設(shè)計變量的函數(shù)。

　　ANSYS優(yōu)化設(shè)計有2種求解運行模式：①GUI模式;②Batch模式。GUI求解模式包括2個設(shè)計文件：①分析文件;②優(yōu)化控制文件。編寫完這2個文件，在ANSYS的命令窗口輸入優(yōu)化控制文件，就可以完成整個優(yōu)化過程。

3、優(yōu)化設(shè)計實例

　　液壓系統(tǒng)使用抗磨液壓油二位三通電磁換向球閥YB-N68，公稱壓力p=63MPa，最高壓力pmax=80MPa，液壓泵的排量υg=8mL/r，公稱流量qg=11.6L/min，公稱通徑d=8mm，允許的壓力損失[Δp]=1.5kPa。滿足上述條件的電磁換向球閥的各分目標函數(shù)的數(shù)學模型建立如下：

　　瞬態(tài)液動力(不考慮方向性)

　(3)

　　黏滯性阻尼力

　(4)

　　穩(wěn)態(tài)液動力

　(5)

　　約束函數(shù)如下

　　本文采用ANSYS命令流的GUI方式求解。首先建立各分目標函數(shù)的優(yōu)化分析文件，名稱分別為Fx1、Fx2、Fx3，編寫程序為

　　再建立各分目標函數(shù)的優(yōu)化控制文件，名稱分別為optFx1、optFx2、optFx3，程序編寫為：

　　程序編寫完成后，在ANSYS軟件的命令窗口輸入各分目標函數(shù)的優(yōu)化控制文件，就可以完成整個優(yōu)化過程。得到各分目標函數(shù)的極小值如表1所示。

表1 各分目標最優(yōu)解比較

　　把表1中應(yīng)用ANSYS軟件求解的各分目標函數(shù)的最優(yōu)解代入式(1)，得到理想點法優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型

　　同理，編制ANSYS優(yōu)化設(shè)計的主程序，運行后，結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化設(shè)計最優(yōu)解比較

4、分析優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

　　為分析ANSYS軟件優(yōu)化設(shè)計模塊的普遍適用性，本算例結(jié)果與用C++語言編寫的隨機方向法程序運行結(jié)果進行比較，由表2可見，最優(yōu)化結(jié)果差別不大，說明應(yīng)用ANSYS軟件進行優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果是可靠的。

5、結(jié)語

　　本文的超高壓電磁換向球閥的數(shù)學模型具有良好的普適性。應(yīng)用ANSYS軟件進行優(yōu)化設(shè)計，具有程序編寫簡單，易于學習，運行速度快，結(jié)果精確等特點，尤其適用于不懂復雜編程語言的工程技術(shù)人員使用。此外，該方法可適用于大多數(shù)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計模型。