[發(fā)明專利]一種基于多物理場優(yōu)化的電磁閥性能分析方法

有效

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• 申請日: 2019-11-15
• 公開（公告）號: CN110852014B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設計）人: 上官文斌;郭長建;賀頻艷;段耀龍;王新玲;虞寧
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F111/10
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權代理有限公司 44245
• 代理人: 黃媛君

本發(fā)明公開了一種基于多物理場優(yōu)化的電磁閥性能分析方法，根據(jù)電磁閥涉及的多個物理場，運用理論知識建立了電磁閥動態(tài)過程的電磁微分方程和閥芯動力學方程；根據(jù)建立的數(shù)學物理模型，利用有限元軟件計算得到了方程中所需要的部分物理場輸入?yún)?shù)；再通過數(shù)學計算軟件對電磁閥數(shù)學模型進行聯(lián)合仿真，以進一步研究電磁閥性能規(guī)律，同時實現(xiàn)了利用遺傳算法對聯(lián)合仿真模型中的電磁閥設計參數(shù)進行優(yōu)化。該方法能夠準確地計算電磁閥響應特性參數(shù)，同時可進一步對電磁閥進行性能分析和參數(shù)優(yōu)化，為電磁閥的優(yōu)化設計提供新的方法，提高了電磁閥設計效率和設計質(zhì)量，減少開發(fā)成本。本發(fā)明涉及電磁閥優(yōu)化設計技術領域。

技術領域

本發(fā)明涉及電磁閥優(yōu)化設計技術領域，特別涉及一種基于多物理場優(yōu)化的電磁閥性能分析方法。

背景技術

電磁閥由于結構緊湊、體積小、控制方式簡單、響應速度快、重復性好和工作可靠，在現(xiàn)代汽車、航空、核能和工程機械等領域應用廣泛，普遍用于汽車發(fā)動機、航空發(fā)動機燃油和冷卻潤滑系統(tǒng)、起落架液壓系統(tǒng)、舵面操縱系統(tǒng)、機械操作手臂等機電液控制系統(tǒng)的動力切換和執(zhí)行機構中，電磁閥性能的穩(wěn)定和可靠將直接影響整個機電液控制系統(tǒng)乃至裝備運動的質(zhì)量和安全。由于電磁閥為涉及機械、流體、電磁等多個學科領域的復雜物理系統(tǒng)，其可靠性取決于多個物理場的耦合作用，而且非線性較強，因此建立描述多物理場耦合作用的電磁閥性能分析流程與方法，對電磁閥的優(yōu)化設計至關重要。

通過試驗測試電磁閥需要將其裝配至裝備系統(tǒng)中，對其性能分析以指導電磁閥的優(yōu)化設計，該測試方法工作量大且成本高，因此，通過理論方法及商業(yè)計算軟件研究電磁閥的性能具有重要意義。基于理論研究電磁閥的性能通常分為靜態(tài)分析和動態(tài)分析，電磁閥的靜態(tài)分析指利用有限元軟件對其單個物理場進行特性分析，電磁閥的動態(tài)分析指基于電磁閥多物理場研究其動態(tài)特性。靜態(tài)分析主要針對單個物理場的性能進行研究，而電磁閥是由多個物理場耦合，動態(tài)分析可以有效的避免靜態(tài)分析的局限性，也是揭示電磁閥性能的關鍵。

現(xiàn)有文獻中，電磁閥性能分析主要依據(jù)電磁閥各個物理場數(shù)學模型，再利用商業(yè)計算軟件搭建電磁閥多物理場聯(lián)合仿真模型進行分析。該方法可以獲取電磁閥響應特性參數(shù)，并進一步進行電磁閥性能分析以指導電磁閥的優(yōu)化設計，但該方法所依據(jù)的數(shù)學模型在部分物理場中由于過于復雜只能對其進行簡化代替，從而計算得到的響應特性參數(shù)與實際數(shù)值偏差較大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺陷和不足，提供了一種基于多物理場優(yōu)化的電磁閥性能分析方法，有效地避免了采用簡化的理論計算公式產(chǎn)生的計算誤差。

本發(fā)明的目的可以通過如下技術方案實現(xiàn)：一種基于多物理場優(yōu)化的電磁閥性能分析方法，包括如下步驟：建立動態(tài)電磁微分方程：式中，U為電磁閥線圈驅(qū)動電壓，R為線圈回路電阻，i為線圈電流，ψ為磁鏈，L為線圈電感；建立閥芯動力學方程：式中，v為閥芯移動速度，m為閥芯和動鐵的質(zhì)量，F(xiàn)_m為電磁力(它是閥芯位移x和線圈電流i的函數(shù)),k為回位彈簧剛度，x為閥芯位移，x₀為彈簧預緊量，F(xiàn)_p為閥芯組件所受液動力，c為速度阻尼系數(shù)，F(xiàn)_f為閥芯組件所受摩擦力；利用UG軟件繪制電磁閥的三維模型，將該三維模型導入Maxwell軟件中，并完成對電磁閥材料定義、網(wǎng)格劃分、邊界和載荷的設定，進一步獲取電磁閥工作范圍內(nèi)不同線圈電流和不同閥芯位移下的電磁力和線圈電感；利用ICEM CFD軟件劃分電磁閥流體域有限元網(wǎng)格，并生成Fluent軟件的求解器能夠識別的網(wǎng)格輸入文件，將輸入文件提交至Fluent軟件的求解器，設置流體性質(zhì)、輸入及輸出邊界條件，獲取電磁閥工作范圍內(nèi)不同閥芯位移下的閥芯組件所受液動力；將Maxwell軟件計算得到的線圈電感數(shù)據(jù)導入Matlab軟件中，分別求出線圈電感對閥芯位移和線圈電感對線圈電流的偏導數(shù)；根據(jù)線圈電磁微分方程和閥芯動力學方程，利用Matlab軟件中的Simulink模塊搭建電磁閥聯(lián)合仿真模型，代入上述步驟中計算得到的電磁力、液動力、線圈電感偏導數(shù)以及電磁閥原始設計參數(shù)，設置運行時間并進行求解計算，得到電磁閥響應特性的仿真數(shù)據(jù)，提取數(shù)據(jù)并畫圖保存；通過改變聯(lián)合仿真模型中的設計參數(shù)，獲取電磁閥響應特性曲線。