基于选区激光熔化的液压阀块的设计与制造方法与流程

1.本发明涉及一种基于选区激光熔化的液压阀块的设计与制造方法。


背景技术：

2.液压系统是指以油液作为工作介质，利用油液的压力能，通过控制阀门等附件操纵液压执行机构工作的整套装置。液压系统包括动力元件(各种液压泵)、执行元件(液压缸和液压马达等)、控制元件(各种液压阀块)、辅助元件(阀门等附件)和工作介质(油液)。液压系统目前广泛应用在工程机械、农用机械、汽车、飞机、轮船等机械装置、水利工程用的堤坝装置、发电厂涡轮机调速装置以及军事工业中火炮操纵装置等领域。
3.液压阀块作为液压系统的控制元件，起到控制和调节油液压力、流量和方向的作用，是各装置中极为重要的核心零部件。传统液压阀块的加工主要是在锻造毛坯上布置阀的位置和走油回路，然后进行钻孔，内部存在大量90
°
直角交叉孔道和为保证内部流道贯通设计的工艺孔，导致液压阀块压力损失增大，易产生震动、噪声、气蚀等缺陷，降低液压阀块结构可靠性及使用寿命。
4.金属3d打印技术作为一种前瞻性制造技术，不受零件结构复杂程度的限制，可以制造任意复杂形状的零部件，能够提高产品设计人员的设计自由度，支撑新产品及核心零部件设计创新，为液压技术的发展提供了新型技术手段。选区激光熔化工艺(slm工艺)是金属3d打印技术的一种，适合于制造定制化生产高性能特殊液压阀块。。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于选区激光熔化的液压阀块的设计与制造方法，以实现对复杂结构液压阀块的制造成形。
6.本发明提供一种基于选区激光熔化的液压阀块的设计与制造方法，包括如下步骤：
7.分析传统液压阀块的原始结构以确定传统液压阀块是否具有减重空间；
8.对传统液压阀块的流道进行优化设计并获取优化流道结构模型；
9.利用拓扑优化方法对优化流道结构模型进行优化以获取液压阀块的三维实体结构模型；和
10.采用选区激光熔化对三维实体结构模型打印获得液压阀块。
11.在一些实施例中，分析传统液压阀块的原始结构以确定传统液压阀块是否具有减重空间包括：根据传统液压阀块的实际工况以及传统液压阀块的静强度和疲劳强度确定传统液压阀块是否具有减重空间。
12.在一些实施例中，对传统液压阀块的流道进行优化设计并获取优化流道结构模型包括：对传统液压阀块的流道进行拆分并搭建至少两个分流道参数化模型；对每个分流道参数化模型进行参数化优化得到至少两个分流道优化模型；和将至少两个分流道优化模型整合获得优化流道结构模型。
13.在一些实施例中，对传统液压阀块的流道进行优化设计并获取优化流道结构模型还包括：在对传统液压阀块的流道进行拆分后，去除传统液压阀块中的工艺孔容腔，并确定各个分流道结构的优化参数以建立分流道参数化模型。
14.在一些实施例中，对每个分流道参数化模型进行参数化优化得到至少两个分流道优化模型包括：以各工况流道压力损失最小为优化目标，采用响应曲面优化分析方法获得压力损失和各结构参数的关系及压力损失最小时的分流道优化模型。
15.在一些实施例中，设计与制造方法还包括在利用拓扑优化方法对流道结构模型进行优化之前，先确定液压阀块的非设计空间。
16.在一些实施例中，确定液压阀块的非设计空间包括：分析流道内压与壁厚的关系以获得流道最小壁厚，并根据流道最小壁厚获取液压阀块的非设计空间。
17.在一些实施例中，在确定液压阀块的非设计空间后，利用拓扑优化方法对液压阀块的非设计空间以外的空间进行拓扑优化。
18.在一些实施例中，对液压阀块的非设计空间以外的空间进行拓扑优化包括：确定液压阀块的优化目标、设计变量及各工况下的约束条件，将液压阀块结构离散化并进行优化求解。
19.在一些实施例中，设计与制造方法还包括对三维实体结构模型进行有限元分析来验证三维实体结构模型的强度的服役寿命。
20.基于本发明提供的技术方案，基于选区激光熔化的液压阀块的设计与制造方法包括如下步骤:分析传统液压阀块的原始结构以确定传统液压阀块是否具有减重空间；对传统液压阀块的流道进行优化设计并获取优化流道结构模型；利用拓扑优化方法对优化流道结构模型进行优化以获取液压阀块的三维实体结构模型以及采用选区激光熔化对三维实体结构模型打印获得液压阀块。本发明的液压阀块的设计与制造方法首先对液压阀块的内部流道进行优化以降低流道的压力损失，然后再对液压阀块的实体部分利用拓扑优化方法进行优化以减轻液压阀块的重量，流道压力损失的降低有效提高液流效率，液压阀块重量的减轻使得整个液压系统的重量减轻，进而降低能耗。而且该液压阀块的设计与制造方法还采用选区激光熔化技术打印液压阀块，实现复杂结构液压阀块的制造成形。
21.通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
22.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
23.图1为本发明一实施例的基于选区激光熔化的液压阀块的设计与制造方法的流程示意图；
24.图2为本发明一实施例的集成阀组的原理结构图；
25.图3为传统液压阀块组成的集成阀组的结构示意图；
26.图4为图3中的传统液压阀块的结构示意图；
27.图5为本发明另一实施例的基于选区激光熔化的液压阀块的设计与制造方法的流程示意图结构示意图；
28.图6为本发明实施例的优化流道结构模型的结构示意图；
29.图7为圆形截面流道的结构示意图；
30.图8为水滴形截面流道的结构示意图；
31.图9为传统液压阀块的直角流道的结构示意图；
32.图10为对直角流道优化后的结构示意图；
33.图11为本发明实施例的液压阀块的结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
36.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
37.本发明实施例提供一种基于选区激光熔化的液压阀块的设计与制造方法，该设计与制造方法根据实际工况分别对流道结构进行参数化优化，对阀块结构进行拓扑优化，且同时考虑结构强度及服役寿命，最终使液压阀块的压力损失降低25％，同时重量减轻40％，有效提高了液流效率，避免了材料的浪费。而且本发明实施例的液压阀块的端口位置与传统液压阀块的端口位置相同，优化完成后仍可安装在原有设备和结构中。
38.参考图1，本发明实施例提供的基于选区激光熔化的液压阀块的设计与制造方法包括如下步骤：
39.s10，分析传统液压阀块的原始结构以确定传统液压阀块是否具有减重空间；
40.s20，对传统液压阀块的流道进行优化并获取优化流道结构模型；
41.s30，利用拓扑优化方法对优化流道结构模型进行优化以获取液压阀块的三维实
体结构模型；和
42.s40，采用选区激光熔化对三维实体结构模型打印获得液压阀块。
43.本发明实施例的液压阀块的设计与制造方法首先对液压阀块的内部流道进行优化以降低流道的压力损失，然后再对液压阀块的实体部分利用拓扑优化方法进行优化以减轻液压阀块的重量，流道压力损失的降低有效提高液流效率，液压阀块重量的减轻使得整个液压系统的重量减轻，进而降低能耗。而且该液压阀块的设计与制造方法还采用选区激光熔化技术打印液压阀块，实现复杂结构液压阀块的制造成形。
44.在一些实施例中，分析传统液压阀块的原始结构以确定传统液压阀块是否具有减重空间包括：根据传统液压阀块的实际工况以及传统液压阀块的静强度和疲劳强度确定传统液压阀块是否具有减重空间。在对液压阀块的结构进行优化之前需要先确定液压阀块是否具有减重空间，也就是说在有效保证液压阀块的静强度和疲劳强度的情况下，若液压阀块还有减重的空间，那么在此情况下，才能对液压阀块的结构进行优化。该液压阀块的设计与制造方法需要先保证液压阀块的强度和服役寿命。
45.具体地，根据传统液压阀块的实际工况以及传统液压阀块的静强度和疲劳强度确定传统液压阀块是否具有减重空间包括：
46.明确液压阀块的实际工况：根据液压阀块的作用及基本原理确定液压阀块的实际工况；
47.明确阀块具有减重空间：分析传统液压阀块的静强度和疲劳强度，确定阀块具有减重空间。
48.在一些实施例中，对传统液压阀块的流道进行优化设计并获取优化流道结构模型包括：对传统液压阀块的流道进行拆分并搭建至少两个分流道参数化模型；对每个分流道参数化模型进行参数化优化得到至少两个分流道优化模型；和将至少两个分流道优化模型整合获得优化流道结构模型。
49.其中，对传统液压阀块的流道进行拆分并搭建至少两个分流道参数化模型包括：首先提取传统液压阀块的流道结构，分析直角流道、z字形流道、工艺孔容腔以及安装固定孔的位置和数量，按照实际工况对流道结构进行拆分，搭建各分流道流体模型；然后分析原始结构下各分流道性能，包括流速分布及压力损失；去除原始结构流道中的工艺孔容腔，分析各工况流道结构，对原始流道结构进行圆滑过渡处理，确定各分流道结构可优化参数及各参数取值区间，建立各工况流道参数化模型。
50.在一些实施例中，对传统液压阀块的流道进行优化设计并获取优化流道结构模型还包括：在对传统液压阀块的流道进行拆分后，去除传统液压阀块中的工艺孔容腔，并确定各个分流道结构的优化参数以建立分流道参数化模型。
51.在一些实施例中，对每个分流道参数化模型进行参数化优化得到至少两个分流道优化模型包括：以各工况流道压力损失最小为优化目标，采用响应曲面优化分析方法获得压力损失和各结构参数的关系及压力损失最小时的分流道优化模型。
52.具体地，采用响应曲面优化分析方法，设计响应曲面优化试验，以各工况流道压力损失最小为优化目标，获得压力损失和各结构参数的关系及压力损失最小时各工况分流道优化模型。
53.在获取到各个分流道优化模型后，计算优化后各工况流道结构的压力损失，并与
优化前各工况流道的压力损失进行对比，确定各工况下流道压力损失降低的百分比。
54.根据初步确定的打印方向，为有效减少流道内部支撑结构，提高内流道表面质量，对较大直径的管道进行水滴形流道设计。
55.在一些实施例中，设计与制造方法还包括在利用拓扑优化方法对流道结构模型进行优化之前，先确定液压阀块的非设计空间。液压阀块包括实体部分以及设置于实体部分内侧的流道部分，其中流道部分是空的，一些实施例的设计与制造方法首先对空的流道部分进行设计，然后再对液压阀块的实体部分进行设计。而液压阀块的实体部分需要首先保证流道的壁厚，也就是说在保证流道壁厚的情况下，对壁厚以外的部分进行设计。以上所说的非设计空间指的就是液压阀块的实体部分的用来充当流道壁厚的部分。
56.在一些实施例中，确定液压阀块的非设计空间包括：分析流道内压与壁厚的关系以获得流道最小壁厚，并根据流道最小壁厚获取液压阀块的非设计空间。具体地，分析流道内压与壁厚的关系，获得保证流道不被压力击穿的流道最小壁厚；同时根据阀块壁厚设计标准确定阀块内部流道的最小安全壁厚，并以此为阀块结构拓扑优化的非设计空间。
57.在一些实施例中，在确定液压阀块的非设计空间后，利用拓扑优化方法对液压阀块的非设计空间以外的空间进行拓扑优化。
58.具体地，对液压阀块的非设计空间以外的空间进行拓扑优化包括：确定液压阀块的优化目标、设计变量及各工况下的约束条件，将液压阀块结构离散化并进行优化求解。将阀块结构离散化并进行优化求解来得到阀块模型。在离散化求解的过程中若模型收敛，则获得各工况下阀块模型的拓扑形式，输出优化模型，否则重新进行结构离散化并优化求解。
59.在获得优化模型后，对各工况的优化模型进行布尔加和获得同时满足阀块多个工况的拓扑结果数模。对拓扑结果数模进行三维模型重构，获得最终优化液压阀块的三维实体结构模型。
60.在一些实施例中，设计与制造方法还包括对三维实体结构模型进行有限元分析来验证三维实体结构模型的强度和服役寿命。具体地，采用有限元分析软件，分析极端工况下优化阀块的结构强度，若存在结构应力集中现象，则进行到拓扑优化的步骤，对后拓扑模型进行局部处理和改善，直至满足结构强度要求。并且采用有限元分析软件，分析极端工况下优化阀块的服役寿命，若服役寿命不满足实际需求，则进行到拓扑优化的步骤，对后拓扑模型进行局部处理和改善，直至满足服役寿命要求。
61.在对液压阀块的强度和服役寿命验证后，采用选区激光熔化工艺进行优化阀块的三维打印成形，获得最终设计的优化结构三维实体模型。
62.下面以一个具体实施例的液压阀块的设计与制造方法为例来具体说明。
63.图2为本实施例的集成阀组的工作原理图，图3为采用传统加工方式设计制造的液压阀块组成的集成阀组的结构图，图4为图3中液压阀块的结构图。结合图2至图4，本实施例的集成阀组包括液压阀块1、四组电磁开关阀2和四组节流阀3，液压阀块1设有进油口a、第一进油口a1、第二进油口a2、出油口b、第一出油口b1、第二出油口b2、第一工艺孔c1、第二工艺孔c2、第三工艺孔c3、第四工艺孔c4、四个阀块固定安装螺纹孔、四个电磁开关阀安装螺纹孔以及四个节流阀安装螺纹孔。其中，如图3和图4所示，四个工艺孔分别设置于液压阀块1的侧面，四个阀块固定安装螺纹孔(图中未示出，位于液压阀块1的底面)用于液压阀块1的固定，四个电磁开关阀安装螺纹孔用于电磁开关阀2的固定，四个节流阀安装螺纹孔用于节
流阀3的固定，如图4所示，液压阀块1的顶面设置有上述四个电磁开关阀安装螺纹孔以及四个节流阀安装螺纹孔。
64.下面根据图5对本实施例的液压阀块的设计与制造方法的过程进行详细说明。
65.本实施例提供的液压阀块的设计与制造方法是在保证阀块结构强度和服役寿命的基础下对有减重及性能提升需求的液压阀块进行优化，且要保证优化后的阀块还能配合原有安装部件，即端口位置不变。
66.图5为液压阀块的设计与制造方法流程图，其技术方案主要包括以下步骤：
67.步骤1：传统液压阀块原始结构分析
68.具体包括：
69.1、明确液压阀块的实际工况：根据液压阀块的作用及基本原理确定液压阀块的实际工况；
70.2、明确液压阀块具有减重空间：分析传统设计液压阀块静强度和疲劳强度，确定阀块具有减重空间。
71.步骤2：液压阀块内部流道优化设计
72.具体包括：
73.1、阀块内部流道提取及拆分：首先提取液压阀块内流道结构，分析直角流道、z字形流道、工艺孔容腔以及安装固定孔的位置和数量，按照实际工况对流道结构进行拆分，搭建各分流道流体模型；
74.2、原始结构各分流道性能分析：分析原始结构下各分流道性能，包括流速分布及压力损失；
75.3、建立各工况流道参数化模型：去除原始结构流道中的工艺孔容腔，分析各工况流道结构，对原始流道结构进行圆滑过渡处理，确定各分流道结构可优化参数及各参数取值区间，建立各工况流道参数化模型。
76.4、各工况下流道结构参数化优化：采用响应曲面优化分析方法，设计响应曲面优化试验，以各工况流道压力损失最小为优化目标，获得压力损失和各结构参数的关系及压力损失最小时各工况流道结构模型；
77.5、优化结构各工况流道性能对比分析：计算优化后各工况流道结构的压力损失，并与优化前各工况流道的压力损失进行对比，确定各工况下流道压力损失降低百分比；
78.6、优化流道结构整合：将各工况流道优化模型进行整合，获得如图6所示的完整液压阀块的优化流道结构模型13。
79.7、局部水滴形流道设计：根据初步确定的打印方向，为有效减少流道内部支撑结构，提高内流道表面质量，如图7所示，原流道14的截面为圆形。如图8所示，对直径φ≥8mm的流道进行水滴形流道设计。水滴形流道结构示意图如图8所示。
80.下面以直角流道为例，详细论述各工况流道结构参数化优化的具体过程。
81.图9和图10为直角流道的参数化优化示意图，首先，对原始液压阀块设计中的90
°
直角流道进行圆滑过渡处理；其次，确定该部分直角流道的优化参数，显而易见，该直角流道的优化参数为流道大径d1、流道小径d2以及过渡半径r；然后，确定各优化参数的取值区间，对于流道大径d1、流道小径d2，其取值区间取决于原始流道尺寸以及与之相连接的插件尺寸要求，对于过渡半径r，其取值区间为0≤r≤min；接着，设计响应曲面优化试验，优化目
标为流道压力损失最小，最终获得压力损失最小时的流道结构参数及模型。
82.步骤3：对液压阀块结构进行拓扑优化设计
83.具体包括：
84.1、确定液压阀块结构的非设计空间：分析流道内压与壁厚的关系，获得保证流道不被压力击穿的流道最小壁厚；同时根据阀块壁厚设计标准及攻螺纹机加工要求(在将液压阀块打印成型后，液压发块上的螺纹孔等的加工还需要攻螺纹机进行精加工)，确定阀块内部流道的最小安全壁厚，并以此为阀块结构拓扑优化的非设计空间；
85.2、确定阀块结构的优化目标、设计变量及各工况下的约束条件：拓扑优化的设计变量为阀块设计空间内有限元模型的单元密度；优化目标为优化结构的柔度最小，即刚度最大；约束条件为结构的体积比；
86.以减重目标为40％为例，其拓扑优化的数学模型可表示为：
87.优化目标：minc＝f(ρ)＝f
t
u
88.设计变量：ρ＝{ρ1,ρ2,
…
,ρ
i
,
…
,ρ
n
}
t
∈ω
n
89.设计空间：0＜ρ
min
≤ρ
i
≤1 i＝1,2，
……
，n
90.约束条件：
91.f＝ku
92.式中，ρ为设计变量，c为结构的总体柔度，f为施加载荷，u为位移矩阵，v为设计空间的体积，v
*
为优化后的体积，k为整体刚度矩阵。为了避免总体刚度矩阵产生奇异，引入设计变量下限ρ
min
＝0.0015。
93.3、结构离散化，优化求解：将液压阀块结构离散化，并进行优化求解，若模型收敛，则获得各工况下阀块模型的拓扑形式，输出.stl格式的优化模型；否则重新进行结构离散，优化求解；
94.4、多工况拓扑优化结果耦合：对各工况优化模型结构进行布尔加和，获得同时满足阀块多个工况的拓扑结果数模，模型格式为.stl格式；
95.5、模型后拓扑：对上一步获得的.stl格式拓扑结果数模进行三维模型重构，获得最终优化液压阀块的三维实体结构模型。
96.步骤4：优化阀块性能验证及改进
97.具体包括：
98.1、优化阀块结构强度验证：采用有限元分析软件，分析极端工况下优化阀块的结构强度，若存在结构应力集中现象，则返回步骤3，对拓扑模型进行局部处理和改善，直至满足结构强度要求；
99.2、优化阀块服役寿命验证：采用有限元分析软件，分析极端工况下优化阀块的服役寿命，若服役寿命不满足实际需求，则返回步骤3，对拓扑模型进行局部处理和改善，直至满足服役寿命要求。
100.步骤5：优化阀块打印及测试
101.具体包括：
102.1、优化阀块打印：采用选区激光熔化工艺进行优化阀块结构的三维打印成形，获得最终设计的优化结构三维实体模型；
103.2、打印阀块后处理：首先，对打印阀块进行热处理，提高阀块性能稳定性；然后，对打印阀块进行外表面及内流道表面处理，进一步提高优化阀块表面质量；
104.3、打印阀块性能测试：对打印阀体进行尺寸精度和表面粗糙度检测，进而判定打印阀块是否满足使用需求。
105.图11为采用本实施例的设计与制造方法获得的拓扑优化液压阀块结构，该阀体采用金属3d打印方式设计制造，最终实现优化阀块压力损失降低了25％，减重40％，同时优化阀体的结构强度和服役寿命满足实际使用要求。
106.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。