建立了超高壓工況下電磁換向球閥優化設計的數學模型，采用ANSYS軟件的命令流方式進行優化求解，得出其相關結構參數的最優值，并將結果與C++隨機方向法運行的結果進行了比較。結果表明電磁換向球閥數學模型的普適性，以及利用ANSYS軟件進行優化設計程序編寫簡單，運行速度快，結果精確度高。

　　電磁換向閥是利用電磁鐵吸力操縱閥芯換位，通過閥芯和閥體間相對位置的變化來接通、斷開油路，從而達到控制執行元件的啟動、停止，或改變運動方向的目的。球閥式電磁換向閥由于其密封性好，工作可靠性高，現已在超高壓液壓領域得到廣泛的應用。

1、建立超高壓電磁換向球閥優化設計的數學模型

　　電磁換向球閥在換向過程中，閥芯上作用有電磁鐵的推力、黏滯性阻尼力、瞬態液動力、穩態液動力、以及彈簧力;而在復位過程中，閥芯上作用有彈簧力、瞬態液動力、黏滯性阻尼力、穩態液動力及電磁鐵剩磁力。所以，選取瞬態液動力、黏滯性阻尼力和穩態液動力作為分目標函數，分別用f1(X)，f2(X)，f3(X)表示。

　　閥芯上作用的瞬態液動力與球閥進出口壓差、閥座孔直徑及流速有關;閥芯上作用的黏滯性阻尼力與閥芯移動速度及鋼球閥芯半徑有關;閥芯上作用的穩態液動力與球閥開口量、液體流量、鋼球閥芯半徑、流速和閥座孔直徑有關。所以，選擇閥座孔直徑d、鋼球閥芯半徑R及球閥開口量δ三項參數作為設計變量，分別用x1，x2，x3表示。

　　應用理想點法將多目標優化設計問題轉化為單目標優化設計問題，數學模型為

　(1)

　(2)

　　式中 W1，W2，W3——加權系數;

　　f*1——瞬態液動力的理想點;

　　f*2——黏滯性阻尼力的理想點;

　　f*3——穩態液動力的理想點;

　　(壓力損失小于許用壓力損失值)

　　(閥芯開口通流截面積不大于閥座孔環行流道通流截面積)

　　(電磁鐵的額定行程與杠桿比)

　　(電磁鐵的額定行程與杠桿比)

　　(閥座孔環形流道的流速不大于閥座孔中的流速)

　　g6(X)=d-0.6≥0(結構尺寸及閥口通流能力約束)

　　(鋼球閥芯截面積與閥座孔截面積約束)

　　(為保證可靠密封，取10b=d，(b.閥口全開時，單邊配合長度))

2、有限元分析ANSYS軟件的優化設計方法

　　ANSYS軟件優化算法基本參數有設計變量、狀態變量和目標函數。其中，設計變量就是自變量，用符號DV表示，需要定義上下限限制其變化范圍，在軟件ANSYS中最多允許有60個設計變量。所謂狀態變量就是約束條件，用符號SV表示，它是前面設計變量的函數，這個函數可以限制其上限或下限，也可以上下限都進行限制，在軟件ANSYS中可以最大定義100個狀態變量。所謂目標函數就是優化設計的目標，用OBJ表示，也是設計變量的函數。

　　ANSYS優化設計有2種求解運行模式：①GUI模式;②Batch模式。GUI求解模式包括2個設計文件：①分析文件;②優化控制文件。編寫完這2個文件，在ANSYS的命令窗口輸入優化控制文件，就可以完成整個優化過程。

3、優化設計實例

　　液壓系統使用抗磨液壓油二位三通電磁換向球閥YB-N68，公稱壓力p=63MPa，最高壓力pmax=80MPa，液壓泵的排量υg=8mL/r，公稱流量qg=11.6L/min，公稱通徑d=8mm，允許的壓力損失[Δp]=1.5kPa。滿足上述條件的電磁換向球閥的各分目標函數的數學模型建立如下：

　　瞬態液動力(不考慮方向性)

　(3)

　　黏滯性阻尼力

　(4)

　　穩態液動力

　(5)

　　約束函數如下

　　本文采用ANSYS命令流的GUI方式求解。首先建立各分目標函數的優化分析文件，名稱分別為Fx1、Fx2、Fx3，編寫程序為

　　再建立各分目標函數的優化控制文件，名稱分別為optFx1、optFx2、optFx3，程序編寫為：

　　程序編寫完成后，在ANSYS軟件的命令窗口輸入各分目標函數的優化控制文件，就可以完成整個優化過程。得到各分目標函數的極小值如表1所示。

表1 各分目標最優解比較

　　把表1中應用ANSYS軟件求解的各分目標函數的最優解代入式(1)，得到理想點法優化設計的數學模型

　　同理，編制ANSYS優化設計的主程序，運行后，結果如表2所示。

表2 優化設計最優解比較

4、分析優化設計結果

　　為分析ANSYS軟件優化設計模塊的普遍適用性，本算例結果與用C++語言編寫的隨機方向法程序運行結果進行比較，由表2可見，最優化結果差別不大，說明應用ANSYS軟件進行優化設計的結果是可靠的。

5、結語

　　本文的超高壓電磁換向球閥的數學模型具有良好的普適性。應用ANSYS軟件進行優化設計，具有程序編寫簡單，易于學習，運行速度快，結果精確等特點，尤其適用于不懂復雜編程語言的工程技術人員使用。此外，該方法可適用于大多數液壓系統的優化設計模型。