一种直通式电磁阀一体化设计方法与流程

本发明提供了直通式电磁阀一体化设计方法。可用于液体姿轨控动力系统直通式电磁阀组件设计，辅助应用于液体姿轨控动力系统论证。

背景技术：

直通式电磁阀是一种控制元件，广泛应用与姿轨控动力系统中，是实现姿轨控动力系统控制的重要执行机构。电磁阀的设计有严格的设计规程，选用参数繁多，直通式电磁阀设计工作者经常需要花费大量的精力进行繁忙的绘图和计算，通过优化选择、反复迭代和实验验证来不断改进组件特性和系统特性，以满足设计要求，完成直通式电磁阀的最终设计。

在以往的直通式电磁阀设计过程中，具有丰富专业知识和经验的设计人员对整个设计过程起着举足轻重的作用。随着技术的发展，在直通式电磁阀设计过程中仿真应用的比重越来越大，但是由于几何模型cad与仿真模型cae之间的信息孤岛，导致整个设计过程流程效率低，模型修改困难、耗时。而且设计质量因人而异，很没有保障。所以，传统的设计方法可谓是门槛高，效率低，质量也不稳定。

技术实现要素：

为了解决传统电磁阀设计过程效率低，且模型修改困难、耗时的问题,本发明提供了一种直通式电磁阀一体化设计方法。

本发明的技术解决方案如下：

本发明一种直通式电磁阀一体化设计方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)通过统一变量参数化设计得到阀口通径、工作行程、电磁线圈窗口尺寸、磁路结构尺寸；

2)通过步骤1)所得到的结果生成三维模型：

利用pro/toolkit异步二次开发技术将步骤1)所得到的结果与proe参数化模型中的对应参数关联，驱动proe根据步骤1)所得到的结果生成三维结构模型，并从所生成的三维结构模型中提取出流道模型；

3)流阻计算

3.1)利用journal技术驱动gambit软件自动加载步骤2)所生成的流道模型，并完成流道模型的网格划分，从而得到了流道的网格模型；

3.2)利用journal技术驱动fluent软件自动加载步骤3.1)所生成的网格模型，并将用户输入的边界条件加载到网格模型的对应节点上，所述边界条件包括流道入口质量流量及流道出口介质压力；

3.3)利用journal技术驱动fluent软件对步骤3.2)加载了边界条件的网格模型进行计算，得出流道内的压力分布、速度分布，利用journal技术从压力分布结果自动提取流道流阻；利用journal技术从压力分布、速度分布结果中分别得到流道的主截面上的压力分布云图及速度分布云图；

利用journal技术从速度分布结果中分别得到流道壁面上的对流换热系数；

4)响应性能计算

4.1)利用vba二次开发技术，根据步骤1)所得到磁路结构尺寸，驱动magnet生成二维磁路仿真模型，并将用户输入的磁场分析条件及磁路各组成部分的材料属性加载到磁路仿真模型，所述磁场分析条件包括弹簧力、介质力、碟簧力及摩擦力；

4.2)利用vba二次开发技术，根据用户选取的驱动电路驱动magnet自动加载内置的相应电路模型；并根据用户输入的电气元件参数完成magnet内置的电路模型的参数配置；

4.3)利用vba二次开发技术，根据用户设置的工况条件、步骤4.2)所获得的电路模型及步骤4.1)获得的二维磁路仿真模型，驱动magnet进行瞬态磁场仿真分析，以获取表征电磁阀响应性能的电流曲线、电压曲线及不同时刻的磁场云图；

5)结构强度计算

5.1)利用python脚本技术驱动abaqus软件自动加载步骤2)所生成的三维结构模型，根据强度计算的需要，对三维结构模型进行网格划分，从而得到了用于强度计算的三维结构的网格模型；

5.2)利用python脚本技术驱动abaqus软件自动加载步骤5.1)所生成的三维结构网格模型，并将用户输入的边界条件加载到网格模型的对应节点上，所述边界条件包括三维结构的材料属性、施加载荷、约束类型和约束位置；

5.3)利用python脚本技术驱动abaqus软件对步骤5.2)加载了边界条件的网格模型进行计算，得出三维结构内的应力及应变分布，利用python脚本技术从应力及应变分布结果自动提取最大应力和应变；利用python脚本技术从应力及应变分布结果中分别得到三维结构主截面上的应力及应变分布云图；

6)温升计算

6.1)利用python脚本技术驱动abaqus软件自动加载步骤2)所生成的三维结构模型，根据温度场计算的需要，对三维结构模型进行网格划分，从而得到了用于温度场计算的三维结构的网格模型；

6.2)利用python脚本技术驱动abaqus软件自动加载步骤6.1)所生成的三维结构网格模型，并将用户输入的边界条件及步骤3.3)获得的对流换热系数加载到网格模型的对应节点上，所述边界条件包括三维结构的材料导热系数、热容及线圈的发热功率；

6.3)利用python脚本技术驱动abaqus软件对步骤6.2)加载了边界条件的网格模型进行瞬态分析计算，得出三维结构内的瞬时温度分布，利用python脚本技术从瞬时温度分布结果中自动提取线圈的温升变化曲线；利用python脚本技术从瞬时温度分布结果中分别得到不同时刻三维结构主截面上的温度分布云图。

进一步地，步骤1)统一变量参数设计具体通过以下细分步骤实现：

1.1)根据电磁阀流通能力要求计算出阀口通径、工作行程；通过密封比压计算得到电磁阀的起动力；

1.2)根据用户输入的线圈温升初值、线圈通电时间、线圈长厚比及线圈充填系数初值计算线圈长度最小值，用户根据线圈长度最小值确定线圈长度，同时记录线圈长度最小值与用户所确定的线圈长度的对应关系；

根据用户输入的线圈长厚比及步骤1.2)确定的线圈长度计算线圈厚度；

1.3)通过1.1)步骤获得的起动力及用户输入的工作气隙磁密确定衔铁直径，根据衔铁直径、工作气隙磁密、导向壁厚及步骤1.2)所获得线圈厚度计算得到漆包线直径的最小计算值，用户根据漆包线直径的最小计算值确定漆包线直径，同时记录漆包线直径的最小计算值与用户确定的漆包线直径的对应关系；

1.4)通过步骤1.2)确定的线圈厚度、线圈长度及步骤1.3)确定的漆包线直径获得线圈的最大层数及每层的线圈匝数；用户根据最大层数确定线圈实际层数，进而获得了线圈的总匝数，同时记录线圈层数的饱和关系；

1.5)通过步骤1.3)确定的衔铁直径、用户输入的导向壁厚及步骤1.4)所获得的线圈总匝数计算线圈电阻；根据线圈电阻及步骤1.4)所获得的线圈总匝数校核线圈磁势；

1.6)判断步骤1.5)的校核结果是否满足要求，如果否，进行步骤1.7)；是，则进行步骤1.8)；

1.7)电磁线圈磁势校核迭代

1.7.1)根据步骤1.3)记录的对应关系重新确定漆包线直径，根据重新确定的漆包线直径、步骤1.2)确定的线圈长度及线圈厚度及步骤1.4)记录的线圈层数的饱和关系重新确定线圈的总匝数；

1.7.2)将步骤1.7.1)重新确定的漆包线直径及线圈的总匝数代入步骤1.5)重新校核线圈磁势，进入步骤1.6)；

1.8)电磁线圈充填系数校核

1.8.1)根据步骤1.2)确定的线圈长度、线圈厚度、步骤1.3)确定的漆包线直径及步骤1.4)确定的线圈总匝数计算线圈实际充填系数；

1.8.2)将步骤1.8.1)计算的线圈实际充填系数与用户输入的充填系数初值进行比较，判断实际充填系数是否满足要求，如果不满足，进入步骤1.9；如果满足，进入步骤a)；

1.9)充填系数迭代

修改充填系数，根据修改后充填系数及步骤1.2)确定的对应关系重新确定线圈长度及线圈厚度，并将重新确定的线圈长度及线圈厚度代入步骤1.8.1)重新计算线圈实际充填系数，进入步骤1.8.2)；

a)温升校核

a.1)根据步骤1.3)确定的衔铁直径、用户输入的导向壁厚及步骤1.2)确定的线圈厚度计算电磁阀外壳内径；

a.2)根据步骤1.8)计算的线圈实际充填系数、步骤1.3)确定的衔铁直径、用户输入的导向壁厚、步骤a.1)计算的电磁阀外壳内径、步骤1.5)获得的线圈磁势及步骤1.2)确定的线圈长度计算线圈温升，同时记录线圈温升计算过程中所用到的各参数的值；

a.3)判断线圈温升是否满足使用要求，如果不满足，进行步骤2.1)；如果满足，进行步骤2.2)；

2.1)温升迭代

修改线圈长度，将修改的线圈长度代入步骤1.7)；

2.2)电磁线圈吸力校核

2.2.1)通过用户输入的工作气隙、步骤1.3)确定的衔铁直径、步骤1.4)确定的线圈总匝数及步骤1.5)计算的线圈电阻确定电磁阀的初始吸力；

2.2.2)判断电磁阀的初始吸力是否大于步骤1.1)所计算的起动力，如果否，进入步骤2.3)；如果是，则完成设计；

2.3)电磁线圈吸力迭代

修改衔铁直径，根据修改后的衔铁直径及步骤1.3)记录的对应关系重新计算漆包线直径，将重新计算的漆包线直径代入步骤1.4)。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明所提供基于模板的直通式电磁阀数字化设计方法，将变量参数化设计、三维数字化模型生成、流阻仿真、响应性能仿真、结构强度仿真、温升仿真集成起来简化设计过程。该方法采用已有的设计手段固化设计经验和成果，实现对直通式电磁阀参数化驱动建模系统的数据支持，为后期的参数化设计结果数值仿真提供技术支持。该设计方法以设计变量为桥梁，沟通了直通式电磁阀部件结构设计与性能仿真，实现了对“方案-结构-性能仿真”整体的参数化衔接；解决了以往的直通式电磁阀设计过程几何模型cad与仿真模型cae之间的信息孤岛问题，提高设计效率；改善不同设计仿真任务间因人工数据交互过程出错的情况，提高设计仿真分析的质量；同时本发明提供的方法可将实现专家式向导，将丰富的专业知识和经验及软件应用技术集成封装于友好的用户界面软件中，降低直通式电磁阀数字化设计技术门槛。

2、本发明在电磁线圈设计中提供了一种设计迭代过程软件流程化方法，解决了传统工程算法设计中超顺序逻辑的软件化问题，本软件开发过程中通过对工程算法的关系梳理，采用参数记忆及自动规范的方式，将用户第一次向导设计过程中的选择作为初始条件，第一次确定的参数其与计算值之间的对应关系在复核功能中保持不变，在复核功能中将前置算法进行了部分参数重置计算，从而使得用户的调整参数最终能够集中显示，解决了向导式设计及参数往复修改迭代过程人机交互体验差的问题，提高了软件的操作效率。也为其他工程迭代算法的软件化实现提供了一种解决思路，具有较好的推广应用价值。

附图说明

图1为直通式电磁阀一体化设计方法设计流程图；

图2电磁线圈设计方法流程图；

图3电磁线圈磁势校核迭代流程图(迭代流程1)；

图4电磁线圈充填系数及温升校核迭代流程图(校核流程1)；

图5电磁线圈充填系数校核迭代流程图(迭代流程2)；

图6电磁线圈温升校核迭代流程图(迭代流程3)；

图7电磁线圈吸力校核流程图(校核流程2)；

图8电磁线圈吸力校核迭代流程图(迭代流程4)；

图9参数化驱动建模过程。

具体实施方式

本发明基于模板的直通式电磁阀数字化设计方法，能够根据总体要求的直通式电磁阀性能指标要求，用简单明了的设计流程，帮助设计人员进行直通式电磁阀的关键设计参数确定，为能够进行快速数字模型生成提供条件。基于模板的数字化设计的核心在于建立合适的设计流程，该流程应与传统的设计经验方法相适应，能够将设计经验转化为流程中的备选项，同时统一化管理设计过程中的细节问题，做到尽量避免重复设计，达到快速建模的目的。

采用参数化建模技术是该方法的主要特色之一。参数化技术是指采用参数预定义的方法建立电磁阀设计模板的集合约束集，指定一组尺寸作为参数使其与几何约束集相关联，并将所有的关联式融入到应用程序中，最终由程序根据这些参数及其变化顺序地执行表达式来实现设计的方法。结构设计能够满足参数指标要求后，结构参数经过归纳整理，形成参数列表(如表1)，进入参数化建模过程。为解决传统工程算法设计中超顺序逻辑的软件化问题，在计算过程中软件自动识别并记录用户初始参数及选取参数之间的关系，选取准则，当用户需要更改中间步骤参数时，软件自动将用户修改点前的参数按照记录结果赋值计算，修改点后的参数按照记录的用户选择习惯自动取值自动圆整，从而将迭代的过程按照一定的经验规则调整为允许中间过程重置的流程式计算过程。

表1直通式电磁阀结构设计模板参数说明

如图1所示，直通式电磁阀一体化设计方法，包括以下步骤：

1)统一变量参数化设计得到阀口通径、工作行程、电磁线圈窗口尺寸、磁路结构尺寸，具体通过如图2所示的以下细分步骤实现：

1.1)根据电磁阀流通能力要求计算出阀口通径、工作行程；根据用户选择的密封形式(菌状密封、锥面密封)，依据密封设计准则确定最小密封力，与通过作用面积及介质压力确定的介质反力一起计算获得电磁阀的起动力；

根据最小密封力以及介质反力，结合介质力作用方向计算密封所需的弹簧安装力。基于弹簧安装力及行程，根据弹簧设计准则，确定弹簧相关参数。

1.2)根据用户输入的线圈温升初值、线圈通电时间、线圈长厚比及线圈充填系数初值计算线圈长度最小值，用户根据线圈长度最小值确定线圈长度，同时记录线圈长度最小值与用户所确定的线圈长度的对应关系；

根据用户输入的线圈长厚比及步骤1.2)确定的线圈长度计算线圈厚度；

1.3)通过1.1)步骤获得的起动力及用户输入的工作气隙磁密确定衔铁直径，根据衔铁直径、工作气隙磁密、导向壁厚及步骤1.2)所获得线圈厚度计算得到漆包线直径的最小计算值，用户根据漆包线直径的最小计算值确定漆包线直径，同时记录漆包线直径的最小计算值与用户确定的漆包线直径的对应关系；

其中工作气隙磁密需依据步骤1.1)计算的工作行程结合选取的软磁材料磁性能参数确定工作气隙磁密。

1.4)通过步骤1.2)确定的线圈厚度、线圈长度及步骤1.3)确定的漆包线直径获得线圈的最大层数及每层的线圈匝数；用户根据最大层数确定线圈实际层数，进而获得了线圈的总匝数，同时记录线圈层数的饱和关系；

1.5)通过步骤1.3)确定的衔铁直径、用户输入的导向壁厚及步骤1.4)所获得的线圈总匝数计算线圈电阻；根据线圈电阻及步骤1.4)所获得的线圈总匝数校核线圈磁势；

1.6)判断步骤1.5)的校核结果是否满足要求，如果否，进行如图3所示的步骤1.7)；是，则进行如图4所示的步骤1.8)；

1.7)电磁线圈磁势校核迭代

1.7.1)根据步骤1.3)记录的对应关系重新确定漆包线直径，根据重新确定的漆包线直径、步骤1.2)确定的线圈长度及线圈厚度及步骤1.4)记录的线圈层数的饱和关系重新确定线圈的总匝数；

1.7.2)将步骤1.7.1)重新确定的漆包线直径及线圈的总匝数代入步骤1.5)重新校核线圈磁势，进入步骤1.6)；

1.8)电磁线圈充填系数校核

1.8.1)根据步骤1.2)确定的线圈长度、线圈厚度、步骤1.3)确定的漆包线直径及步骤1.4)确定的线圈总匝数计算线圈实际充填系数；

1.8.2)将步骤1.8.1)计算的线圈实际充填系数与用户输入的充填系数初值进行比较，判断实际充填系数是否满足要求，如果不满足，进入如图5所示的步骤1.9；如果满足，进入如图4所示的步骤a)；

1.9)充填系数迭代

修改充填系数，根据修改后充填系数及步骤1.2)确定的对应关系重新确定线圈长度及线圈厚度，并将重新确定的线圈长度及线圈厚度代入步骤1.8.1)重新计算线圈实际充填系数，进入步骤1.8.2)；

a)温升校核

a.1)根据步骤1.3)确定的衔铁直径、用户输入的导向壁厚及步骤1.2)确定的线圈厚度计算电磁阀外壳内径；

a.2)根据步骤1.8)计算的线圈实际充填系数、步骤1.3)确定的衔铁直径、用户输入的导向壁厚、步骤a.1)计算的电磁阀外壳内径、步骤1.5)获得的线圈磁势及步骤1.2)确定的线圈长度计算线圈温升，同时记录线圈温升计算过程中所用到的各参数的值；

a.3)判断线圈温升是否满足使用要求，如果不满足，进行如图6所示的步骤b)；如果满足，进行如图7所示的步骤c)；

b)温升迭代

修改线圈长度，将修改的线圈长度代入步骤1.7)；

c)电磁线圈吸力校核

c.1)通过用户输入的工作气隙、步骤1.3)确定的衔铁直径、步骤1.4)确定的线圈总匝数及步骤1.5)计算的线圈电阻确定电磁阀的初始吸力；

c.2)判断电磁阀的初始吸力是否大于步骤1.1)所计算的起动力，如果否，进入如图8所示的步骤d)；如果是，则完成设计；

d)电磁线圈吸力迭代

修改衔铁直径，根据修改后的衔铁直径及步骤1.3)记录的对应关系重新计算漆包线直径，将重新计算的漆包线直径代入步骤1.4)。

2)通过步骤1)所得到的结果生成三维模型：

利用pro/toolkit异步二次开发技术按图9所示的逻辑顺序将步骤1)所得到的结果与proe参数化模型中的对应参数关联，驱动proe根据步骤1)所得到的结果生成三维结构模型，并从所生成的三维结构模型中提取出流道模型；

3)流阻计算

3.1)利用journal技术驱动gambit软件自动加载步骤2)所生成的流道模型，并完成流道模型的网格划分，从而得到了流道的网格模型；

3.2)利用journal技术驱动fluent软件自动加载步骤3.1)所生成的网格模型，并将用户输入的边界条件加载到网格模型的对应节点上，所述边界条件包括流道入口质量流量及流道出口介质压力；

3.3)利用journal技术驱动fluent软件对步骤3.2)加载了边界条件的网格模型进行计算，得出流道内的压力分布、速度分布，利用journal技术从压力分布结果自动提取流道流阻；利用journal技术从压力分布、速度分布结果中分别得到流道的主截面上的压力分布云图及速度分布云图；

利用journal技术从速度分布结果中分别得到流道壁面上的对流换热系数；

4)响应性能计算

4.1)利用vba二次开发技术，根据步骤1)所得到磁路结构尺寸，驱动magnet生成二维磁路仿真模型，并将用户输入的磁场分析条件及磁路各组成部分的材料属性加载到磁路仿真模型，所述磁场分析条件包括弹簧力、介质力、碟簧力及摩擦力；

4.2)利用vba二次开发技术，根据用户选取的驱动电路驱动magnet自动加载内置的相应电路模型；并根据用户输入的电气元件参数完成magnet内置的电路模型的参数配置；

4.3)利用vba二次开发技术，根据用户设置的工况条件、步骤4.2)所获得的电路模型及步骤4.1)获得的二维磁路仿真模型，驱动magnet进行瞬态磁场仿真分析，以获取表征电磁阀响应性能的电流曲线、电压曲线及不同时刻的磁场云图；

5)结构强度计算

5.1)利用python脚本技术驱动abaqus软件自动加载步骤2)所生成的三维结构模型，根据强度计算的需要，对三维结构模型进行网格划分，从而得到了用于强度计算的三维结构的网格模型；

5.2)利用python脚本技术驱动abaqus软件自动加载步骤5.1)所生成的三维结构网格模型，并将用户输入的边界条件加载到网格模型的对应节点上，所述边界条件包括三维结构的材料属性、施加载荷、约束类型和约束位置；

5.3)利用python脚本技术驱动abaqus软件对步骤5.2)加载了边界条件的网格模型进行计算，得出三维结构内的应力及应变分布，利用python脚本技术从应力及应变分布结果自动提取最大应力和应变；利用python脚本技术从应力及应变分布结果中分别得到三维结构主截面上的应力及应变分布云图；

6)温升计算

6.1)利用python脚本技术驱动abaqus软件自动加载步骤2)所生成的三维结构模型，根据温度场计算的需要，对三维结构模型进行网格划分，从而得到了用于温度场计算的三维结构的网格模型；

6.2)利用python脚本技术驱动abaqus软件自动加载步骤6.1)所生成的三维结构网格模型，并将用户输入的边界条件及步骤3.3)获得的对流换热系数加载到网格模型的对应节点上，所述边界条件包括三维结构的材料导热系数、热容及线圈的发热功率；

6.3)利用python脚本技术驱动abaqus软件对步骤6.2)加载了边界条件的网格模型进行瞬态分析计算，得出三维结构内的瞬时温度分布，利用python脚本技术从瞬时温度分布结果中自动提取线圈的温升变化曲线；利用python脚本技术从瞬时温度分布结果中分别得到不同时刻三维结构主截面上的温度分布云图。