轻量节能型液压阀块设计与增材制造

增材制造液压元件的设计自由度高,目前主要依赖于人工经验,尚缺乏科学的设计准则和方法来指导增材设计,从而科学有效地设计出轻量化、集成化、节能化程度更高的液压元件。总结了一套传统液压阀块的轻量节能设计方法,提出了降低流道局部压力损失的3种设计准则：圆弧过渡准则;最大转角半径准则;转弯数最小准则。在此基础上,对液压阀块进行了重新优化设计并采用选区激光熔化技术（Selective laser melting,SLM）制造。与传统原型液压阀块相比,增材制造成形液压阀块的质量减轻了81%,空间体积减小了46%,同时主油路压损降低了20%以上,表明新型液压阀块的设计同时实现了轻量化和液压能传输效率的提高。最后,还提出了一套液压阀块的增材设计流程,可为轻量节能型液压元件的增材设计提供理论指导。     

液压流道局部拓扑优化与增材制造

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。     

基于增材制造的液压阀块流道过渡区优化研究

器件小型化和集成化发展趋势,对液压阀块设计提出了更高的要求。传统工艺加工阀块体内部流道,不但工艺复杂难加工,而且成形的流道流动特性有待提高。新型制造工艺增材制造一体化成形的特点使其在流道加工方面表现出很大的优越性。基于增材制造,对某一液压集成阀块的流道过渡区进行优化设计,利用Fluent仿真,对直线过渡、圆弧过渡、B样条曲线3种过渡方式连接的流道流动特性进行分析,B样条曲线过渡流道较直线过渡流道压力损失可降低55%以上,不同圆角半径的圆弧过渡流道较直线过渡流道压力损失可降低28%～56%,为基于增材制造的流道设计提供了必要的支持。     

基于增材制造的液压复杂流道轻量化设计与成形

 选区激光熔化（SLM）是一种金属增材制造技术,它利用激光逐层熔化金属粉末累加成形,在复杂零部件和轻量化结构成形上优势明显。分析了液压系统中复杂流道结构的典型特征,提出了传统加工流道局部压损过大、轻量化程度不足两个问题。基于SLM技术,进行了伺服阀集成块的设计成形,实现了集成块整体37%的减重,提取的典型流道仿真结果显示,压力损失降低了50%。最后提出了一种综合约束分析、模型设计和仿真评估的复杂液压流道轻量化设计方法,初步显示了增材制造液压集成块在轻量化和改善油液流动特性上的潜力。     

流道截面与增材制造加工工艺参数对液压集成块成型质量的影响

液压系统广泛应用于工程领域,提高功率密度是其重要发展方向,其中液压集成块轻量化设计是提高功率密度的有效手段。通过增材制造(AM)灵活的加工特性能使集成块重量降低,是高功率密度液压驱动的一种有效的设计方法,但目前增材制造加工的流道存在塌陷形变、尺寸精度低、内部流道粗糙度高等问题。以提升增材制造流道成型质量为研究目标,选区激光熔融(SLM)为加工方法,探讨流道横截面及打印模型中有无支撑添加对成型质量的影响,并通过非接触测量对打印模型内部流道尺寸进行测量得到定量分析。结果表明,对于圆形流道,有支撑结构有较好的打印结果,菱形流道形变量小于圆形流道。进一步通过改变打印参数对内流道表面质量进行研究,结果显示适当选择工艺参数可以提高表面质量。     

增材制造液压集成阀块仿生结构设计

液压集成阀块在工程机械中发挥重要作用,此类重型零件对轻量化和高效化需求日趋明显,但传统制造工艺已经无法满足该需求。金属增材制造是利用数字几何模型来分层成形、逐层累积的新兴零件制造技术,其独特的成形机制对生产具有复杂多向中空管道的零部件极具潜力和优势。受启发于植物叶脉并结合选区激光熔化技术成功建立典型Y型分岔流道模型,并通过计算流体力学加之验证;在该仿生理论指导下完成某悬挂阀基于增材制造的优化、设计及制造,较之原型阀块压力损失减小68%,并在空间体积不增大的前提下质量减轻62%。上述工程实例充分说明该仿生优化方法的可行性,同时也有力地验证了基于增材制造利用仿生设计是提高液压集成阀块功重比的有效手段。     

增材制造成形液压流道沿程损失研究

选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)作为一种金属增材制造技术,克服了传统加工方式下的成形限制,为液压元件与系统的设计提供了更大的自由度。流道是液压元件与系统的重要组成部分,而目前成形的无支撑圆形流道往往具有较低的轮廓精度和较高的表面粗糙度,这对液压系统的能量损失影响很大。利用SLM技术成形了具有不同直径的水平流道,测量了轮廓精度和表面粗糙度,设计了沿程压力损失测量装置,实验后分析了沿程阻力系数、雷诺数和直径之间的关系。结果表明,随着直径的增大,成形轮廓相对误差减小;成形流道下表皮粗糙度较其他面更高;相同工况下,沿程压力损失比传统加工流道更大。     

液压集成块裂纹修复

随着液压技术不断向前发展,液压设备中集成块的应用越来越普遍,尤其是在大中型企业中更有其使用价值。真主要原因是几个板式液压阀安装在同一阀块上,使整个液压阀组系统结构紧凑,占地面积小,集成化程度高。由于液压阀块孔道间相互交错,当电磁换向阀频繁换向时,使浊液速度突然发生变化,使管道或阀块内油液压力在某一瞬间急剧上升,形成一个液压峰值,导致液压阀块疲劳产生裂纹。由于液压阀块是采用高强度球墨铸铁加工制造,其主要优点是减振性能好,但由于液压阀块加工工艺复杂,加工精度高,我厂采用粘合技术对其裂纹进行修复。首先把液压阀块油污清洗干净并烘干,然后将阀块裂纹处重新扩孔车螺纹(规格M36×1.5),并重新加工一     

液压阀块的设计

阀块在液压系统中是十分常见且非常重要的元件，具有结构紧凑，维护、安装、调整和更换液压元件方便等特点。一般液压阀块内部的油孔采用钻、镗等加工方法。有时，为了避免各油孔之间相互干涉，必须使用工艺油孔，这样便增加了液压阀块内部油孔的复杂性，采用机械加工的方法一般不能形成流线型油孔，直角转弯油孔较多，从而导致结构复杂。本文介绍了2种液压阀块设计方法。     

基于增材制造的Y形流道压力损失建模研究

增材制造技术因其能够成形复杂结构而适用于高集成轻量化的液压系统,但增材制造成形流道的壁面粗糙度与传统钻削及铸造加工的流道不同,尤其是复杂管路系统中的流道分支结构,经典压力损失计算模型无法直接使用,迫切需要研究增材制造成形流道的压力损失数学模型。因此,以典型的流道分支结构——Y形流道为研究对象,应用伯努利方程、动量定理及达西公式建立其压力损失数学模型,并得到增材制造的成形角度对流道壁面粗糙度的影响。利用仿真分析分流比、分支角度及流道直径对压力损失的影响规律,初步验证Y形流道压力损失数学模型的准确性。搭建Y形流道压力损失测试试验台,利用增材制造加工Y形流道测试件,测定不同分流比、分支角度及流道直径下的流道压力损失。结果表明,不同参数下Y形流道压力损失数学模型计算结果与仿真分析结果平均误差均在9%之内,而不同参数下Y形流道压力损失数学模型计算结果与试验测试结果平均误差均在8%之内。研究成果可为增材制造成形低损耗管路的设计奠定基础。     

Free over-fall in exponential channel cross-sections based on free vortex theory in supercritical flow regimes

Free over-fall can be used as a flow metering hydraulic structure by a single measurement of an end depth. Many theoretical and experimental researches carried out on free over-fall with various approaches for different cross-sectional shapes. This paper presents a theoretical method to compute the end depth ratio (EDR) and the end depth discharge (EDD) relationships in steep sloping channel for the exponential cross-section. The exponential cross-section is a general section which can reduce to rectangular, wide rectangular, parabolic, semi-parabolic, triangular, and semi-triangular channels. Applying the momentum equation based on the free vortex theory, a theoretical approach is presented to obtain the EDR for the exponential channel cross-section in supercritical flow regime. Experimental and theoretical studies are then utilized to verify the proposed EDR and EDD relationships. The computed results are in acceptable agreement with the relevant experimental and theoretical studies. Direct solutions of the discharge for the known end depth for each cross-section are provided in tabular forms where two empirical discharge expressions with their relevant range of applications for each channel cross-section are detailed as the main outcome of this study.     

一种全封闭蒙皮点阵支撑结构的优化设计与试验验证

随着人类航天活动范围的不断扩大,复杂航天任务对于结构轻量化技术提出了更高的要求。在传统的结构形式基础上,单纯通过应用高性能材料等手段已经无法满足后续航天任务对于航天器载荷支撑结构轻量化的要求。提出一种封闭蒙皮包裹三维点阵层级结构的设备支撑结构形式,建立设备支撑结构的拓扑优化设计模型,并对优化后的结构进行封闭蒙皮包裹三维点阵化设计。运用激光选区熔化方法制备了支撑结构实物,并进行了振动力学试验验证,试验结果表明设备支撑结构比采用传统设计及制造方法的结构减重46.4%,实物已应用于某型号卫星载荷支撑任务。提出的封闭蒙皮包裹三维点阵的结构形式可以有效提高支架类结构的设计效率,在航天器结构轻量化方面具有推广应用前景。     

Economics of additive manufacturing for end-usable metal parts

Additive manufacturing (AM) of metal parts combined with part redesign has a positive repercussion on cost saving. In fact, a remarkable cost reduction can be obtained if the component shape is modified to exploit AM potentialities. This paper deals with the evaluation of the production volume for which AM techniques result competitive with respect to conventional processes for the production of end-usable metal parts. For this purpose, a comparison between two different technologies for metal part fabrication, the traditional high-pressure die-casting and the direct metal laser sintering additive technique, is done with consideration of both the geometric possibilities of AM and the economic point of view. A design for additive manufacturing approach is adopted. Costs models of both processes are identified and then applied to an aeronautical component selected as case study. This research evidences that currently additive techniques can be economically convenient and competitive to traditional processes for small to medium batch production of metal parts.     

异形截面管双轴柔性滚弯技术理论分析与试验研究

双轴柔性滚弯技术适于加工管状零件,对于比强度高的材料具有很好的成形精度,是一种先进的制造技术,目前已成功地应用在开缝衬套和导弹舱壳主体圆筒的制造中。在圆截面管双轴柔性滚弯成形研究的基础上,将该技术扩展运用到板料异形截面管滚弯成形,首次建立了异形截面管柔性滚弯自动控制模型,并在自行研制的异形截面管柔性滚弯数控原型机床上进行了试验验证,为该技术实现数字化控制奠定了理论基础。     

电动车复合材料电池盒轻量化设计方法

为了减小电动汽车车体的质量，分析了电动汽车电池盒的承载特点，基于刚度等效的设计方法，采用复合材料替代金属材料。应用复合材料的叠层结构力学理论对电池盒体进行叠层结构构建，建立了力学方程和优化方程，确定了复合材料电池盒的结构参数。为了验证轻量化效果，运用理论解析和有限元数值分析相结合的方法，对比了金属材料和复合材料的刚度和形变，研究结果表明：采用复合材料利用刚度等效设计法是对电动汽车零部件进行轻量化设计的有效途径，也可为汽车板型零件承载结构的轻量化设计提供借鉴。