1.背景概述

柱塞泵/马达是液压系统中的重要装置，其依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵/马达分为轴向和径向两种代表性的结构形式。斜盘式轴向柱塞泵/马达由于工作压力高、容积效率高并可实现变量，被广泛应用在各种不同的工程与农业机械及航空航天等液压系统中。随着轴向柱塞泵/马达的应用领域与范围不断扩大，且多运用于高压高流量的场合，对轴向柱塞泵/马达的流量压力要求也越来越高。国内外许多学者、专家都对其进行了积极的探索，以求设计研制出各种形式的柱塞泵/马达以更好满足工业的使用要求。

2.SimericsMP+在柱塞泵设计仿真中的常见应用

目前采用CFD仿真分析的手段对泵内的实际流动状态进行模拟分析，评估不同的结构设计对于泵性能的影响已经成为设计研发人员不可或缺的技术手段。而对于一些结构复杂的液压柱塞泵/马达的流体建模分析，采用传统的CFD软件已经无法满足分析要求。SimericsMP+作为泵阀领域专业的CFD仿真工具，目前已可以应用于多种复杂结构的柱塞泵/马达的仿真分析，以支持设计研发人员能够通过仿真手段实现创新设计的评估和验证。目前SimericsMP+常见的液压柱塞泵/马达的仿真应用有：

常规结构的柱塞泵的流体仿真建模与分析，包括对斜盘式轴向柱塞泵、斜轴式柱塞泵、径向柱塞泵等的流体仿真，获取流量、压力、扭矩、功率、空化、气蚀损害、压力脉动、压力超调、容积效率等计算结果；

探讨柱塞泵摩擦副对泵泄露和压力流量脉动的影响，包括配流副、柱塞副、滑靴副和球头副等；

探讨不同结构设计对于泵性能的影响，如锥形缸体结构设计、球面配流设计等对泵性能的影响；

液压泵马达系统的联合仿真分析，探讨不同负载条件下柱塞泵、马达的功率与转速传递效率等。

3.基于SimericsMP+柱塞泵马达仿真的技术路线

3.1 SimericsMP+柱塞泵仿真模型选择

      层流/湍流模型

      空化模型，对于高压工况推荐采用Equilibrium Dissolved Gas Model

      柱塞泵仿真模板，SimericsMP+软件内置有斜盘式柱塞泵、斜轴式柱塞泵和径向柱塞泵的分析模板。

SimericsMP+内置的各泵模板可快速实现柱塞泵的仿真建模和后处理，其主要功能包括：

      柱塞泵运动区域的高质量网格生成

      柱塞泵转子运动的动网格设置

      柱塞泵流场仿真的计算模型设置

      柱塞泵后处理的结果提取设置，如柱塞腔内压力脉动的监测功能，扭矩、功率、流量、空化、气蚀损害等结果的输出等

3.2 SimericsMP+锥形缸体柱塞泵仿真建模技术路

对于一些非常规的柱塞泵仿真建模则需要利用一些二次开发技术进行实现。

对于锥形缸体（斜柱塞）的仿真建模，对于转子区域切分为cap、cylinder和piston三个部分。柱塞区域的网格建模采用General mesh生成单个柱塞，其他柱塞通过旋转复制的功能创建即可。

对于转子区域的动网格设置，转子不同组成部分采取不同的处理方法。

Cap部分只有旋转运动，因此采用Volume Remesh 中的Rotation来定义网格的运动；

Cylinder部分除了旋转运动外，需要描述沿柱塞轴向的运动，因此采用SimericsMP+的Volumn Remesh功能，应用Composite Motion（Three Points）来定义网格的运动和变形。即通过三个参考点控制整个流体域网格的变形运动，以某单个柱塞为例，三个参考点的选择原则是，其中两个点在柱塞的轴线上，另一个点在与轴线垂直的平面上。

Piston处理方式与Cylinder类似。

3.3 球形配流副仿真模型建立

球形配流副即如下图所示的球面配流结构，由于呈曲面形状，且配流副尺寸较小，一般在10-20um之间，因此需要考虑网格质量与微米间隙的处理问题。SimericsMP+可采用Template Mesh的方法先建立平面配流副的结构网格，再通过expression二次开发的方式进行球面化，需要注意的是在提取流体域时要注意该处流体域的球面结构处理。

3.4 柱塞泵摩擦副仿真建模技术路线

柱塞泵常见的摩擦副主要有：配流副、柱塞副、球头副和滑靴副。由于摩擦副结构并不完全一致，因此实现方式也有所区别。

配流副在SimericsMP+柱塞泵的高级模板功能可直接建模实现；

柱塞副由于运动相对简单，因此采用Volume Remesh-Rotation定义旋转运动即可；

球头副和滑靴副为复合运动，需要考虑轴向和周向的位移变化，一般采用Volume Remesh-Expression定义网格运动。而对于球头副的处理方式，一般是先建立平面网格，通过动网格的方式定义球面变形，这样既可以保证网格质量，同时也能较好的模拟实际运行状态；

3.5 柱塞马达摩擦副流场仿真技术路线

柱塞马达摩擦副流场仿真的模型选择与柱塞泵不同的地方在于，需要另外调用一个转动自由度（Rotation 1DOF）模型控制马达的运动。SimericsMP+转动自由度模型建立的常微分力矩平衡方程如下所示。用户只需输入转动惯量、负载力矩、摩擦力矩等数据，软件可自动构建常微分方程。

需要注意的是，柱塞马达的液力矩需要通过提取马达转子部分的功率换算成力矩后加载至外部力矩来实现。

4.SimericsMP+柱塞泵/马达仿真典型案例

4.1 常规斜盘式柱塞泵仿真

柱塞泵在运行过程中会产生空化现象，导致严重的气蚀破坏和气蚀噪声，并导致元件破坏和流体噪声。空化现象出现在元件内部，尤其是复杂流动的位置区域，很难通过试验手段进行直接观测，因此可采用SimericsMP+对柱塞泵进行内部流场的建模，使用数值模拟方法对空化现象进行研究，对空化产生的位置进行模拟仿真，分析其产生的过程。同时对柱塞泵的流量、压力脉动也可以准确预测，优化其脉动率和噪声性能。

4.2斜盘式柱塞泵球面配流副仿真

通过对球面配流副进行建模分析，可以评估球面配流相对于平面配流对于柱塞泵性能的影响，并通过仿真分析确认最佳球面配流尺寸参数。

4.3斜盘式柱塞泵摩擦副流场仿真

下图为考虑不同位置摩擦副（配油盘、滑靴、球头、筒壁）的柱塞泵流场压力分布，通过考虑不同位置摩擦副，可更好的分析摩擦副对泵回油流量和内泄漏的影响，从而为泵的优化设计提供指导依据。

4.4柱塞泵马达联合仿真

如下为柱塞泵、柱塞马达系统联合仿真应用实例，通过建立摩擦副流场可以更好的探索摩擦副间隙尺寸对于柱塞泵马达内泄露的影响。同时泵马达联合仿真，可以对马达转速、功率和转速传递效率、系统压力建立效果等进行有效预估分析，该方法经试验测试验证后验证，仿真结果与试验测试数据误差在5%以内。

4.5其他类型柱塞泵仿真案例

如下为国外某高校采用SimericsMP+进行双柱塞泵进出口结构的优化设计案例。

如下为某径向柱塞泵的仿真实例。

如下为某斜轴式柱塞泵的仿真实例。

5.小结

1.对于常见的各类柱塞泵，通过SimericsMP+的泵模板功能可以快速建立仿真模型，获取柱塞泵的性能预估数据，可以有效助力设计人员在设计初期进行快速设计和优化；

2.对于一些非常规的设计手段，利用SimericsMP+的二次开发功能也可以较好的进行建模分析，协助设计人员探讨不同结构设计对于泵性能的影响，有助于设计人员更快的实现创新型优化设计；

3.对于泵马达系统的联合仿真，泵阀联合仿真等，SimericsMP+可以通过建立准确的分析模型，获得更为精确的计算结果，指导从部件至系统的优化设计。

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