仿真技術(shù)與3D打印推動液壓元件性能升級
傳統(tǒng)加工方法的制約某種程度上使得流體與結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)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(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，通過CFD和FEM在制造前預(yù)測性能、優(yōu)化設(shè)計并驗證產(chǎn)品行為，泵、閥等零件經(jīng)過結(jié)構(gòu)流體特性拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)拓?fù)漭p量化以及尺寸優(yōu)化設(shè)計之后通過增材制造技術(shù)加工出來。CFD、FEM技術(shù)與3D打印-增材制造技術(shù)相得益彰，互相成就，共同推動液壓零件實現(xiàn)性能升級。
液壓系統(tǒng)與液壓機械在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性和社會應(yīng)用價值賦予液壓產(chǎn)品不斷升級，獲得產(chǎn)品性能提高的需求。計算機仿真技術(shù)的發(fā)展在液壓機械與系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，從一維液壓系統(tǒng)模擬到三維虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用，通過CFD技術(shù)和FEM技術(shù)的介入，在液壓系統(tǒng)性能、閥體開啟與執(zhí)行機構(gòu)多體動力特性、高級泵性能設(shè)計、閥體與管道設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)強度校核以及輕量化設(shè)計中獲得了優(yōu)秀的應(yīng)用表現(xiàn)。特別是流體拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化使得泵、閥、執(zhí)行器、集成塊在流體性能和質(zhì)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(yè)項目咨詢與二次開發(fā)團(tuán)隊，在傳統(tǒng)CFD領(lǐng)域、傳統(tǒng)FEM領(lǐng)域、機電一體化產(chǎn)品仿真技術(shù)、增材制造技術(shù)領(lǐng)域積累了豐富的項目實施經(jīng)驗以及技術(shù)解決方案。安世中德在液壓系統(tǒng)高端核心元件增材制造技術(shù)解決方案中，建立了較為完整的液壓系統(tǒng)與核心元件仿真-設(shè)計-制造流程：液壓傳動與控制系統(tǒng)分析入手，聯(lián)合虛擬樣機技術(shù)進(jìn)行機構(gòu)運動性能模擬， CFD與FEM技術(shù)的介入，泵、閥、管道、液壓閥座進(jìn)行流體拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化后歷經(jīng)疲勞、動力學(xué)、剛?cè)狁詈系闰炞C計算，最終進(jìn)入增材制造環(huán)節(jié)。
圖：液壓產(chǎn)品性能提升與增材制造流程，來源安世中德
結(jié)合增材設(shè)計理念以及打印過程工藝仿真控制，控制3D打印產(chǎn)品的最終結(jié)構(gòu)質(zhì)量，形成面向完整的產(chǎn)品生命周期的設(shè)計與優(yōu)化過程，最終實現(xiàn)高端液壓元器產(chǎn)品更高的性能表現(xiàn)。限于篇幅，本文僅對流程中部分內(nèi)容進(jìn)行簡要舉例和技術(shù)能力說明（不以絕對液壓產(chǎn)品舉例）。
液壓系統(tǒng)與虛擬樣機仿真
液壓系統(tǒng)與液壓機械模擬需求借助于ANSYS Motion、ANSYS Mechanical、Recurdyn以及AMESIM、HyPneu等進(jìn)行聯(lián)合仿真。搭建液壓傳動/控制系統(tǒng)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(jié)合，進(jìn)行液壓系統(tǒng)性能和液壓機械運動參數(shù)的分析。
液壓機械分析能夠考慮剛?cè)徂D(zhuǎn)化，引入有限元求解技術(shù)完成液壓機械中機構(gòu)零部件強度、動力學(xué)、疲勞等內(nèi)容的計算。
圖: 液壓機械虛擬樣機仿真，來源安世中德
CFD優(yōu)化技術(shù)介入
執(zhí)行器的移動速度、負(fù)載能力以及同步、級進(jìn)等過程需求，通常由液壓泵、閥類（機械、電磁、伺服）控制系統(tǒng)進(jìn)行閥芯移動、開啟關(guān)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(yōu)化技術(shù)可以對于泵、閥、管路進(jìn)行更優(yōu)化設(shè)計，以解決流體流動過程中的壓力損失，從而實現(xiàn)更好的設(shè)計，以制造更輕巧、性能優(yōu)異的液壓元件產(chǎn)品。同時基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與尺寸優(yōu)化技術(shù)，能夠在泵、閥基體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行質(zhì)量輕量化設(shè)計，融合制造設(shè)計的要求以滿足高端液壓產(chǎn)品對于質(zhì)量、可靠性、密封等性能的苛刻需求。流體通道和外殼經(jīng)過優(yōu)化后，形狀不規(guī)則，通過傳統(tǒng)加工工藝難以實現(xiàn)，然而增材制造技術(shù)可以有效解決復(fù)雜、不規(guī)則設(shè)計的生產(chǎn)挑戰(zhàn)。
安世中德在CFD仿真與優(yōu)化方面主要技術(shù)著手點基于如下三種技術(shù)方法實現(xiàn)：
- Design Exploration
- Mesh Morpher OptimizerRBF-Morph
- Adjoint Solver
前兩者（Design Exploration、Mesh Morpher OptimizerRBF-Morph）是基于參數(shù)化進(jìn)行的優(yōu)化方法，能進(jìn)行多尺寸多目標(biāo)變量的優(yōu)化，而Adjoint Solver具備更廣泛的設(shè)計空間，基于創(chuàng)新性的基于梯度的外形優(yōu)化方法。三種技術(shù)在多種流體案例中都有很好的應(yīng)用，這些案例的成功應(yīng)用都為液壓元器件的流體性能優(yōu)化提供了借鑒方法和克隆引用。
圖: U型管減阻設(shè)計，來源安世中德
圖: 基于尺寸的多目標(biāo)優(yōu)化，來源安世中德
圖: 閥門座流場尺寸優(yōu)化，來源安世中德
FEM優(yōu)化技術(shù)介入與輕量化設(shè)計
一般結(jié)構(gòu)產(chǎn)品優(yōu)化的方法適用于液壓產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，主要包括兩大類方法：
- 結(jié)構(gòu)非參數(shù)優(yōu)化
- 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化
非參數(shù)優(yōu)化以拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化為代表，能夠支持基于線性靜態(tài)、慣性釋放、模態(tài)、頻率響應(yīng)、熱、屈曲、隨機振動以及非線性接觸等多種分析類型的優(yōu)化設(shè)計。
參數(shù)優(yōu)化基于參數(shù)建模驅(qū)動模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計（CAD/CAE雙向驅(qū)動），主要應(yīng)用方向集中于參數(shù)敏感性、多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化、穩(wěn)健性和可靠性優(yōu)化等。
設(shè)計的仿真與加工工藝的仿真
最后，優(yōu)質(zhì)合格的3D打印產(chǎn)品取決于多種因素，需要工程師不僅關(guān)注打印問題，諸如孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)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(xiàn)，另外合格的增材制造需要解決可重復(fù)工藝、保證質(zhì)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(jìn)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(jìn)行模擬，對打印過程出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行仿真排查，提高3D打印的成功率。
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