基于流固耦合的電子泵密封性分析

崔瑾，向永超，冉昭，陳曉峰

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心 ，河北保定 071000)

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基于流固耦合的電子泵密封性分析

崔瑾1,2，向永超1,2，冉昭1,2，陳曉峰1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心 ，河北保定 071000)

摘要：對不同溫度工況下的電泵流體域進行流體仿真，確定油溫對泄漏量的影響。應用流固耦合(FSI)分析的方法，對極限工況下電子泵殼體與端蓋間結合面壓進行仿真計算。將仿真結果用于電子泵密封性的評價。分析結果表明：電子泵殼體與端蓋結合面密封性不足，存在泄露泄漏風險。針對密封性不足區域的設計提出改進意見，以減少電子泵工作泄漏量，提高工作效率。

關鍵詞：電子泵；流固耦合；結合面壓；密封性

0引言

機械效率和容積效率是泵體開發過程中關注的焦點。為得到更高效的液壓泵，一般設計人員從兩方面出發：提高轉子的嚙合平順性，以降低轉子因摩擦和振動帶來的機械損失[1]；提高泵體的密封性，以減少工作中的泄漏量。

結合面壓受零部件材料、結構、裝配連接等多方面影響，是密封性裝備的重要技術指標[2]。傳統的泵體密封性分析是應用結構靜強度分析的手段對泵體內部高壓區加載負載壓力，忽略泵體內部低壓區的壓力對泵結構變形的影響。與傳統方法相比，流固耦合分析考慮了泵體內部流體的真實流場對固體壁面的作用。將流體的壓力脈動作用于流固交界面上[3-4]，計算結果更加真實地反映出液體流動對結構變形的影響。

作者應用單向流固耦合方法對電子泵密封性進行了仿真計算。首先進行了4種工作油溫下的流體域分析，得出溫度對電子泵內部壓力場分布的影響，再應用流固耦合的方法對極限工況下電子泵殼體與端蓋間的結合面壓進行仿真。

1電子泵仿真數模

1.1設計模型及有限元模型

電子泵主要由5個部分組成：殼體、端蓋、電機、運轉件、緊固件。其中運轉件主要包括轉子、軸、軸承。電子泵結構有限元模型如圖1所示。

對電子泵殼體與端蓋間的結合面壓進行計算，構建有限元模型之前首先要對原設計模型進行適當的簡化，去掉不必要的特征，方便仿真分析過程進行網格劃分，減少仿真計算的工作量。在原三維模型的基礎上去掉電機，保留電機外殼與端蓋的固定端面(如圖1中元件3所示)，只保留螺栓整體尺寸，去掉螺紋特征，對螺帽進行簡化。

1.2電子泵流體域及有限元模型

流固耦合問題考慮的是結構與流體之間存在相互作用而產生的相互影響[5]。對電子泵進行流固耦合計算，泵體內部運轉件所在的流體域是有限元分析的重點。在三維CAD軟件中，對電子泵進行特征簡化，生成內部流體域，導入有限元軟件中進行網格劃分。流固耦合數值模擬的重點在于流體域固體之間的數值傳遞。為保證流固數值傳遞的順暢，模型簡化的過程要保證流固交界面的特征一一對應。流體和固體在不同的網格生成器中進行網格劃分，要保證流固交界面上的網格尺寸盡量一致。

1.3網格控制

有限元模型的構建需要設置合理的網格類型及尺寸：關注位置的特征需要保留且不失真，采用較小尺寸的網格避免網格過大引起應力集中現象的發生；不關注的位置可以采用較大尺寸的網格，以控制有限元模型整體的網格數量，縮短計算時間。在電子泵殼體與端蓋結合面上采用面網格尺寸控制，根據網格劃分的協調性[6]，電子泵結構內部流固交界面與流體域外壁面進行相同尺寸的網格設置。

2流體域分析

2.1流固耦合分析方法確定

對電子泵進行瞬態計算，查看電子泵進、出口流量分布曲線，得到：電子泵內轉子轉動一圈后，進、出口流量已經趨于穩定(如圖3所示)。電子泵正常工作轉速為800～3 500 r/min，因此電子泵從啟動到正常工作的響應時間最長為0.075 s，即液體流動對電子泵產生的瞬間沖擊作用時間最長只有0.075 s，且發生頻次非常低，可以忽略。因此對電子泵進行流固耦合分析，只需要進行單向流固耦合分析[7]即可，關注油液在電子泵內部產生的穩態壓力分布對電子泵結構的影響。

電子泵正常工作油溫度范圍為0～125 ℃，溫度直接影響油品性能，進而影響油液的流動特性。因此流固耦合分析還需要考慮不同溫度工況下流體域壓力的分布。

2.2不同溫度下的流體域仿真

油液在流體域內流動，在進油腔會形成局部負壓。假設負壓產生在泄壓槽內，則會加強電子泵殼體與端蓋的結合力；假設泄壓槽內壓力全部為正值，則會削弱殼體與端蓋間的結合力。因此對電子泵進行流固耦合分析，對泄壓槽加載真實油壓，可以更加真實地反映出結合面壓力。

將流體域計算結果中不同溫度工況下，泄壓槽內大于0的壓力分布顯示出來(如圖4所示)，低壓區泄壓槽顯示缺損區域即為負壓區。分析結果云圖顯示：不同溫度下泄壓槽內負壓區的面積大小是不同的，且隨油溫上升負壓區面積增大。因此采用流固耦合方法對電子泵密封性進行分析的極限工況發生在油溫最高時，即125 ℃工況。

3單向流固耦合分析

3.1加載及約束

與結構靜強度分析方法相比，流固耦合分析考慮了流動油液的壓力場對結構的影響，對電子泵端蓋上的泄壓槽高壓區和低壓區都加載油壓。

在流體軟件中選擇適當的湍流模型，設置125 ℃油品的密度和動力黏度等屬性，對電子泵進、出口加載壓力邊界，進口加載1個標準大氣壓，出口加載電子泵負載極限壓力0.8 MPa，對流體域進行分析，計算直至模型自動收斂。將流體計算的壓力分布結果全部映射到結構壁面上。對電子泵殼體與端蓋之間的4個緊固螺栓加載3 521 N預緊力，在電子泵殼體底部的4個固定孔位施加固定約束。流固耦合分析加載見圖5。

式中：F為螺栓預緊力(N)；T為螺栓擰緊力矩(N·m)；d為螺栓公稱直徑(m)。

3.2分析結果

對電子泵密封性的判定，需要通過查看結合面壓分布情況。依據力學平衡原理，需要確保殼體與端蓋結合面接觸應力σ不小于內部壓力p[8]，即σ≥p。

電子泵正常工作中，內部流體域高壓區壓力值為0.8 MPa，所以，對該電子泵密封性的判斷標準為：

σ≥0.8 MPa

對流固耦合分析中結構模塊的分析結果進行后處理，從變形量、結合面壓和接觸狀態3個方面對電子泵分析結果進行評價：

查看端蓋Z向的位移量(轉子的軸向為Z向，且指向殼體一側為正)。端蓋中心區域的位移與靠近螺栓孔位置區域的位移方向完全相反，即端蓋發生了翹曲變形[如圖6(b)所示]。

查看電子泵殼體與端蓋之間的結合面壓云圖(圖7)，并對面壓小于0.8 MPa的區域進行節點上的數據采集和顯示。

查看電子泵殼體與端蓋的接觸狀態分布圖8。

通過結合面壓分布及接觸狀態顯示：最大結合面壓出現在

殼體與端蓋間的4個螺栓孔位置，且結合面壓沿遠離螺栓孔位的方向逐漸減??；接觸狀態呈現Near的區域，采集的節點面壓數值大部分為0，即端蓋與殼體之間產生了縫隙。

4結論

通過流固耦合方法對電子泵進行了密封性仿真分析，得出如下結論：

(1)對殼體與端蓋間螺栓加載5 N·m擰緊力矩時，電子泵存在泄漏風險。

(2)隨電子泵工作油溫越高，泄漏風險越大。

針對該電子泵密封性的仿真分析結果，為了減小電子泵的泄漏量，可以進行3種嘗試：

(1)在電子泵殼體與端蓋結合面上增加連接螺栓個數；

(2)更換能夠承受更大擰緊力矩規格的螺栓；

(3)通過改變端蓋表面加強筋的設計，來提高端蓋的剛度。

參考文獻:

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【7】呂倩.基于流固耦合的液力變矩器葉片分析與壽命計算[D].南京:南京航空航天大學,2014.

【8】葛玉霞,李旭東,張潔,等.發動機氣缸墊密封性有限元分析[J].鐵道機車車輛,2011,31:184-187.

E-pump Sealing Analysis Based on Fluid-structure Interaction

CUI Jin1,2，XIANG Yongchao1,2，RAN Zhao1,2，CHEN Xiaofeng1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China ;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:E-pump; Fluid-structure interaction；Contact surface pressure； Sealing

Abstract:The fluid field of E-pump under different temperature conditions was simulated, to make sure the influence of temperature to leakage. Fluid-structure interaction(FSI) method was applied to calculate the contact surface pressure between E-pump housing and cover under ultimate working condition. The simulation results were used to evaluate the sealing of E-pump. The calculation results showed that: the sealing of contact surface between E-pump housing and cover was insufficient, existing leak risk.Some improvement suggestions were proposed aiming at sealing shortage area, in order to reduce E-pump sealing and improve working efficiency.

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：崔瑾(1988—)，女，碩士，主要從事汽車零部件設計與仿真。E-mail：cuijinhappy@163.com。

中圖分類號:U46

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)05-026-05