流固耦合的气动放大器动态建模及滑阀型面优化

《Flow Measurement and Instrumentation》：Fluid–Solid Coupled Dynamic Modeling of Pneumatic Amplifiers and Optimization of Spool Profiles

　　•建立了气动放大器供气过程的流固耦合动力学模型。
•通过分段节流面积函数将实验测得的阀芯型面嵌入模型中。
•引入复合形状因子，量化非标量阀芯型面对动态性能的影响。
•敏感性分析表明，节流型面对上升时间的影响远强于阀芯质量和弹簧刚度。
•优化后的阀芯型面将实验压力上升时间从0.93 s缩短至0.75 s，并将线性工作区从33.5%扩展至43.2%。

引言

气动控制阀作为工业过程系统中的最终控制元件被广泛应用，其动态响应和定位精度直接影响流量、压力等过程变量的调节。现有研究表明，阀门性能受到阀内流量、腔室压力和机械运动之间非线性耦合的强烈影响[1]，[2]。在智能阀门定位器中，气动放大器位于上游电气转换单元和气动执行器之间，作为功率放大级。因此，其建压特性和流量输出特性直接影响阀门系统的响应速度和控制性能。

基于物理的建模为描述气动放大器动态特性提供了一种有效方法。已有研究利用热力学和流体力学原理建立了基于机理的质量流量模型[3]，并通过实验辨识等效节流面积来表征气动放大器的流量特性[4]。这些模型具有较高的计算效率，但节流元件的复杂几何形状通常被简化为等效面积或经验系数。因此，实际阀芯型面与位移相关节流面积之间的直接关系未被明确保留。

近年来，气动阀的非线性瞬态行为日益受到关注。瞬态流动和系统级研究表明，阀芯运动、供气条件、腔室压力和内部气体流动共同决定动态响应[5]，[6]。基于CFD的研究进一步表明，在阀门快速开启过程中，内部压力和速度场的演变发生显著变化[7]。考虑气体可压缩性、温度变化和摩擦的热力学模型提供了对气动阀动力学的更详细描述[8]，而近期控制研究也表明此类非线性动力学仍然是限制可实现响应性能的重要因素[9]。

流固相互作用为描述运动阀芯与内部气体流动之间的耦合提供了另一种途径。双向流固耦合分析表明，瞬态流动会影响阀芯变形和振动特性[10]。相关的比例调压阀数值和实验研究进一步表明，结构参数、阀芯运动和压力演化共同影响阀门瞬态性能[11]。尽管这些高保真方法提供了局部压力分布、速度场和流体力的详细信息，但其计算成本限制了它们在重复敏感性计算和迭代几何优化中的应用。

节流元件的几何形状也是决定阀流量特性的重要因素。参数化几何设计已被用于改善控制阀的调节特性和流量线性度[12]，[13]。对于滑阀型阀门，阀芯几何形状的变化已被证明会显著影响稳态液动力和运行稳定性[14]。流态分析进一步表明，重叠量、间隙和小阀芯开度会显著影响有效流量系数[15]。这些结果表明，使用固定流量系数来表示节流通道可能会引入显著误差，尤其是在小开度区域。

因此，近年来的研究日益将多物理场分析与结构优化相结合。流固热耦合已被用于研究阀芯和节流槽几何形状对阀门变形和流动特性的影响[16]。基于CFD的研究也被用于根据液动力特性优化阀芯结构[17]。此外，阀口冲蚀引起的几何变化已被证明会改变有效节流特性和控制性能[18]。这些研究进一步证明了阀门行为对节流几何细节的敏感性。

小开度特性对流量调节尤为重要。已有研究采用结构优化来改善比例节流阀的小开度流量线性度[19]。节流槽几何形状也被证明会影响局部流场和液动力特性[20]，而中性位置附近的精细模型表明，重叠量和环形间隙在阀芯小开度下显著影响流动行为[21]。这些效应对气动放大器尤为重要，因为腔室建压的初始阶段发生在相对较小的节流开度下。

因此，面向几何的优化方法已被广泛引入阀门设计中。基于CFD的分析和结构优化已被用于改善比例方向阀的流量特性[22]，相关的比例流量阀研究进一步证明了几何参数化在流量性能设计中的有效性[23]。同时，近期基于物理的建模强调保持阀芯力平衡与实验辨识的机械参数之间一致性的重要性[24]。制造研究进一步表明，阀芯功能边缘的几何精度会直接影响最终的流量-位移特性[25]。因此，在将优化后的阀芯型面从数值设计转化到实际硬件时，应同时考虑物理一致性和可制造性。

尽管取得了上述进展，气动放大器仍存在若干问题尚未得到充分解决。首先，现有模型通常缺乏从实验测得的阀芯型面到位移相关节流面积和瞬态输出压力响应的直接数学映射。其次，阀芯质量、弹簧刚度和节流型面几何对供气动力学的相对影响尚未被定量区分，这使得难以确定主导设计参数。第三，高保真CFD和多物理场方法对于迭代型面优化而言计算成本过高，而传统集总参数模型往往过度简化非线性阀芯几何。因此，需要一种计算高效且保留阀芯基本几何特征的模型。

为解决上述问题，本研究建立了一个基于实验的气动放大器供气过程流固耦合动力学模型，并利用该模型识别和优化控制建压性能的阀芯型面参数。实验测得的阀芯型面被显式嵌入模型中，以保留阀芯位移、节流面积、质量流量和输出压力之间的物理关系。

本研究的主要贡献如下：
1. 通过整合实验测得的阀芯型面、位移相关节流面积、运动组件动力学和腔室压力动力学，建立了几何嵌入的流固耦合动力学模型，为重复瞬态CFD计算提供了一种计算高效的替代方案。
2. 引入复合形状因子对非标量阀芯型面进行参数化，实现了阀芯质量、复位弹簧刚度和节流型面几何之间的定量敏感性比较，从而识别出影响供气动力学的主导结构因素。
3. 将阀芯型面进一步解耦为独立几何参数，并在动态性能和线性度约束下进行优化。随后制造优化后的阀芯并进行实验测试，以验证预测的性能提升。

章节片段

气动放大器工作原理

气动放大器是智能阀门定位器的气动功率放大级。上游喷嘴-挡板单元产生的背压作用于膜片组件，驱动阀芯运动。阀芯位移改变供气和排气通道的有效开度，从而调节流入或流出输出腔室的质量流量，产生所需的输出压力变化。气动放大器的结构和运行状态如

供气过程的动态流固耦合模型

在供气过程中，由于阀芯上表面与排气阀座保持接触，排气通道在机械上保持关闭。因此，没有气体通过排气通道从输出腔室流出。在供气行程中，阀芯和排气阀座一起运动，因此被视为等效运动组件。供气动力学可通过耦合该组件的机械运动、位移相关的

数值实现与实验验证

第3节建立的流固耦合动力学模型包含非线性机械动力学、基于分段阀芯型面的节流面积、可压缩气体流动和腔室压力动力学。由于难以获得耦合非线性方程的解析解，该模型在MATLAB/Simulink中数值求解。本节介绍模型的数值实现和实验验证。

基于敏感性的阀芯型面优化

验证后的动力学模型（第4节）为研究结构参数如何影响供气性能提供了可靠平台。本节首先定义定量性能指标及其精确计算公式和图形说明。然后进行受控变量敏感性分析以识别主导参数，参数选择由供气动力学物理特性论证。基于结果，阀芯型面被

结论

本研究考察了阀芯型面几何对气动放大器供气动力学的影响，并开发了一个建模、敏感性分析和优化框架以改善其建压性能。主要结论总结如下：
1. 通过整合运动组件的机械动力学、实验测得的分段阀芯型面、位移相关的

CRediT作者贡献声明

Zhibo Sun：方法学、基金资助、概念化。Zhang Bin：基金资助。Enru Li：初稿撰写、正式分析、数据管理。Rui Zhang：审阅与编辑、正式分析。Shaofeng Xu：可视化、数据管理。Xu Sun：方法学、数据管理、概念化。Le Liang：监督、数据管理、概念化。Shijian Zhao：可视化、监督

基金资助

本工作受国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目资助（批准号：U25A20290），以及六盘山实验室基础研究计划部分资助（LPS-2026-KY-D-JC-0007）。

利益冲突声明

? 作者声明，不存在已知的竞争性财务利益或个人关系影响本论文报告的工作。

致谢

本工作受国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目（批准号：U25A20290）和六盘山实验室基础研究计划（批准号：LPS-2026-KY-D-JC-0007）资助。

Zhibo Sun|Enru Li|Bin Zhang|Xu Sun|Shaofeng Xu|Shijian Zhao|Le Liang|Rui Zhang