[发明专利]一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法

说明书

本发明公开了一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法，根据电磁阀涉及的多个物理场，运用理论知识建立了电磁阀动态过程的电磁微分方程和阀芯动力学方程；根据建立的数学物理模型，利用有限元软件计算得到了方程中所需要的部分物理场输入参数；再通过数学计算软件对电磁阀数学模型进行联合仿真，以进一步研究电磁阀性能规律，同时实现了利用遗传算法对联合仿真模型中的电磁阀设计参数进行优化。该方法能够准确地计算电磁阀响应特性参数，同时可进一步对电磁阀进行性能分析和参数优化，为电磁阀的优化设计提供新的方法，提高了电磁阀设计效率和设计质量，减少开发成本。本发明涉及电磁阀优化设计技术领域。

技术领域

本发明涉及电磁阀优化设计技术领域，特别涉及一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法。

背景技术

电磁阀由于结构紧凑、体积小、控制方式简单、响应速度快、重复性好和工作可靠，在现代汽车、航空、核能和工程机械等领域应用广泛，普遍用于汽车发动机、航空发动机燃油和冷却润滑系统、起落架液压系统、舵面操纵系统、机械操作手臂等机电液控制系统的动力切换和执行机构中，电磁阀性能的稳定和可靠将直接影响整个机电液控制系统乃至装备运动的质量和安全。由于电磁阀为涉及机械、流体、电磁等多个学科领域的复杂物理系统，其可靠性取决于多个物理场的耦合作用，而且非线性较强，因此建立描述多物理场耦合作用的电磁阀性能分析流程与方法，对电磁阀的优化设计至关重要。

通过试验测试电磁阀需要将其装配至装备系统中，对其性能分析以指导电磁阀的优化设计，该测试方法工作量大且成本高，因此，通过理论方法及商业计算软件研究电磁阀的性能具有重要意义。基于理论研究电磁阀的性能通常分为静态分析和动态分析，电磁阀的静态分析指利用有限元软件对其单个物理场进行特性分析，电磁阀的动态分析指基于电磁阀多物理场研究其动态特性。静态分析主要针对单个物理场的性能进行研究，而电磁阀是由多个物理场耦合，动态分析可以有效的避免静态分析的局限性，也是揭示电磁阀性能的关键。

现有文献中，电磁阀性能分析主要依据电磁阀各个物理场数学模型，再利用商业计算软件搭建电磁阀多物理场联合仿真模型进行分析。该方法可以获取电磁阀响应特性参数，并进一步进行电磁阀性能分析以指导电磁阀的优化设计，但该方法所依据的数学模型在部分物理场中由于过于复杂只能对其进行简化代替，从而计算得到的响应特性参数与实际数值偏差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法，有效地避免了采用简化的理论计算公式产生的计算误差。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法，包括如下步骤：建立动态电磁微分方程：式中，U为电磁阀线圈驱动电压，R为线圈回路电阻，i为线圈电流，ψ为磁链，L为线圈电感；建立阀芯动力学方程：式中，v为阀芯移动速度，m为阀芯和动铁的质量，F_m为电磁力(它是阀芯位移x和线圈电流i的函数),k为回位弹簧刚度，x为阀芯位移，x₀为弹簧预紧量，F_p为阀芯组件所受液动力，c为速度阻尼系数，F_f为阀芯组件所受摩擦力；利用UG软件绘制电磁阀的三维模型，将该三维模型导入Maxwell软件中，并完成对电磁阀材料定义、网格划分、边界和载荷的设定，进一步获取电磁阀工作范围内不同线圈电流和不同阀芯位移下的电磁力和线圈电感；利用ICEM CFD软件划分电磁阀流体域有限元网格，并生成Fluent软件的求解器能够识别的网格输入文件，将输入文件提交至Fluent软件的求解器，设置流体性质、输入及输出边界条件，获取电磁阀工作范围内不同阀芯位移下的阀芯组件所受液动力；将Maxwell软件计算得到的线圈电感数据导入Matlab软件中，分别求出线圈电感对阀芯位移和线圈电感对线圈电流的偏导数；根据线圈电磁微分方程和阀芯动力学方程，利用Matlab软件中的Simulink模块搭建电磁阀联合仿真模型，代入上述步骤中计算得到的电磁力、液动力、线圈电感偏导数以及电磁阀原始设计参数，设置运行时间并进行求解计算，得到电磁阀响应特性的仿真数据，提取数据并画图保存；通过改变联合仿真模型中的设计参数，获取电磁阀响应特性曲线。