4 柱塞泵缸体的疲劳分析
部件的疲劳寿命分析需要该部件在工作过程中的载荷历程，基于Virtual.Lab Motion和Virtual.Lab Durability可完成部件的系统级疲劳分析。将多体动力学分析和疲劳分析过程集成，在疲劳分析过程中直接使用刚柔耦合仿真的结果，自动传递部件的载荷和应力谱，进行详细的疲劳分析，此流程完全无缝集成并可以自动完成。
在Virtual.Lab Motion中输出柔性体的模态参与因子，在Virtual.Lab Durability中自动建立LOAdFunction Set载荷集，并自动将载荷集与模态集匹配，通过Virtual.Lab Durability完成应力恢复，计算得到应力谱。根据缸体的结构形式和载荷情况，采用高周疲劳分析方法对其进行疲劳损失预测，基于Virtual.Lab Durability中现有的材料库，创建缸体材料属性的SN曲线。采用临界平面法，考虑平均应力修正和表面处理，计算缸体的疲劳损失多分布在缸孔至腰形槽的结构突变处，如图12所示。
图12 缸体的疲劳损伤结果
5 柱塞泵振动噪声分析
首先在Virtual.Lab Motion中计算得到柱塞泵壳体的振动响应，然后将载荷和振动响应以模态参与因子的形式导入到Virtual.Lab Acoustic中，结合壳体的MATV，计算壳体的噪声辐射。
5.1多体动力学求解
柱塞泵的主要激励源为柱塞腔内液压脉动力，壳体由阀体、泵体和端盖组成，并由四个长螺栓穿连起来，由于预计力很大，这三部分紧密贴合，接触刚度很大，在此将三者考虑为一体，如图13。
载荷传递到壳体的路径主要有三条：
(1)液压脉动力一柱塞一滑靴一斜盘一端盖
(2)液压脉动力一缸体一配流盘一阀体
(3)液压脉动力一驱动轴一轴承一端盖和阀体
将上述建好的多体动力学模型进行修改，并导入壳体的柔性体模型（如图14），除阀体与大地固连处采用RBE2单元连接，其余地方均采用RBE3连接。创建残余矢量模态计算工况，计算振动模态到5000Hz，并去掉应力信息，进行动力学求解。
图13 阀体、泵体及端盖
图14 六面体网格模型
动力学求解计算结束后，提取缸体柔性体的MPF值（模态参与因子），进行时域向频域的转换，经过傅里叶变换之后，查看第一阶到第十阶模态参与因子的频谱，能明显的看到阶次，如225Hz、450Hz等，如图15所示。
图15 缸体模态参与因子的频谱图
5.2声学计算
(1)通过Virtual.Lab的Mesh Coarsening功能，从壳体的有限元模型建立声学边界元模型。用面网格将壳体表面的通孔封住，创建Skin Mesher及Wrapper Mesher，获得声学边界元分析所需要的网格模型。
(2)基于Virtual.Lab声学模块中的Acoustic Harmonic BEM环境，插入Symmetry Plane及ISO场点网格，并定义好网格属性。
(3)将刚柔耦合计算用到的残余矢量模态信息读入，并去掉刚体模态，设置模态阻尼为1%;插入映射关系计算工况，创建有限元结构网格和声学网格节点之间的映射关系；提交Data Transfer Analysis Case，将结构网格上的模态映射到声学网格上。
(4)计算ATV（声传递矢量）；导入载荷，链接柱塞泵多体动力学模型；提交MATV计算工况，得到壳体的噪声辐射，如图16所示。
图16 壳体噪声辐射求解计算
声学计算结果分析：查看IS01的声压曲线，如图17，能看出来明显的阶次：225Hz，450Hz，675Hz……，在1350Hz有一个峰值为78.27dB;查看1350Hz处场点声压分布为IS04节点处声压最大；查看IS04的声压曲线，如图18，在1350Hz为79.48dB，在2699Hz处还有一个峰值为77.93dB，此处幅值较大的原因是2699Hz在阶次上，同时位于壳体的第9阶模态附近，如图19。
图17 IS01的声压曲线
图18 IS04的声压曲线
图19 壳体的模态计算
6 结论
本文以K3V系列的高压轴向柱塞泵为研究对象，基于LMS公司的软件Imagine.Lab AMESim和Virtual.Lab对其进行了1D+3D的联合仿真，开发了该柱塞泵液压系统分析的专用元件库，开展了缸体的动态应力和疲劳损伤研究，预测了其辐射噪声，通过详细的仿真分析，对柱塞泵产品机理及动力学特性有了更深入的认识，为后续进一步对其开展优化设计奠定了分析基础。
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本文标题：挖掘机高压轴向柱塞泵的虚拟样机研究(下)
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