浅析液压系统仿真技术现状及发展趋势.pdf

2 0 1 1 年 4月 第3 9卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 1 V0 1 ． 3 9 No ． 8 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1～ 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 8 ． 0 3 9 浅析液压 系统仿真技术现状及发 展趋势 武鹏 飞 ，颜 凌 云 ，包宗贤 四川建筑职业技术学院，四川德 阳 6 1 8 0 0 0 摘要在回顾国内外液压系统仿真技术发展历程的基础上 ，总结现代液压仿真技术的特点 ，并阐述液压仿真技术的发 展趋 势。 关键词液压系统；仿真技术 ；发展趋势 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 81 3 32 St a t u s a nd De v e l o p me nt Tr e n d o f Hy d r a ul i c S y s t e m S i mu l a t i o n Te c hn o l o g y W U Pe n g f e i ，YAN Li n g yu n， BAO Zo n g x i a n S i c h u a n C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r a l T e c h n o l o g y ， D e y a n g S i c h u a n 6 1 8 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e d e v e l o p me n t p r o c e s s o f h y d r a u l i c s y s t e m s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y i n d o me s t i c a n d a b r o a d w a s r e v i e w e d ． O n t h i s b a s i 8．t he c h a r a c t e r i s t i c s o f mo de r n h y dr a ul i c s i mul a t i o n t e c h no l o gy we r e s u mma r i z ed ． Th e d e v e l o p me nt t r e n d wa s d e s c r i b e d． Ke y wor dsHy dr a ul i c s y s t e m ；Si mul a t i o n；De v e l o p me n t t r e n d 液压系统是机械装备及控制系统的重要组成部 分 ，由于其 具有较大 的功率重量 比 、响应 快及低速稳 定性好的特性 ，因此在航空航天 、制造业 及 日常生活 等领域得到了广泛的应用 。随着现代 电子技术和控制 技术 的发展 ，一些 原理新颖 、物美价廉 的新 型液 压元 器件不断涌现，给这一传统的技术带来了新的生机， 而新元件 的研发离不开液压仿真技术 的支 持。 1 国内外液压 系统仿真技术发展概论 伴 随着液压技 术的广 泛使用 ，液压系统 的数 字仿 真技术从 2 0世 纪 7 0年代 开 始 逐 步 发展 起 来 。1 9 7 3 年 ，美 国俄克拉 马州立 大学推出了第一个直接面 向液 压技术领域 的专用液压仿 真软件 H Y D S I M，该 软件首 次采用液压元件功率 口模 型方式 进行建模 ，所建模型 可重复使用 。1 9 7 4年德 国亚琛 工业 大 学开 始研 制 液 压 系统仿 真 软件 包 D S H，该 软件 在 建模 方 式上 采用 面向原理 图 的建模 方式 ，具 有模 型直 观 、物 理 意义 强 、模型包含非线性等优点。但所有模型库都需要人 工管理 ，新元件 描述繁琐 ，系统 阶次不宜 降低 并且具 有系统描述文件需要人工 编辑等不足 。不久后 ，英 国 巴斯大学也开始开 发液压 系统仿 真软 件包 H A S P ，该 软件采用功率键合 图法 的建模 方式 ，数学模型可采用 F O R T R A N子程序 自动生成 。面 向键合 图的建 模虽 然 物理清楚 ，但键合 图不如原理 图直观 ，用 户需 要学习 键合图的绘制方法，描述文件也需要人工编辑。 2 O世纪 8 0年代 ，一 批 液 压 仿 真 软 件 包 相 继 问 世 ，首先是德 国的 D S H 软件 和英 国的 H A S P软 件研 制成 功 ，随后 美 国俄 克拉 马州立 大学 于 1 9 8 4年又推 出 了 P E R S I M，芬兰坦佩 雷工业 大学于 1 9 8 6年推 出了 C A T S I M，瑞 典于 1 9 8 8 推 出了 H O P S A N等 。这些软件 虽然各具特点 ，但从建模 原理 、程序结构和功能上均 未能超过 D S H与 H A S P 。 到了 2 0 世 纪 9 0年代 ，液压系统仿真软件 又有 了 新 的发展 ，1 9 9 2年 巴斯大学 以全新 面貌推 出了 H A S P 的升级 版 B A T H ／ F P 。1 9 9 5年 ，法 国 I M A G I N E公 司推 出 A ME S i m软件 ，建模 方式类 似于功率建合 图法 ，但 A M E S i m所 建立的系统模 型与系统工 作原理 图几乎 一 样 ，更 能直 观反映系统 的工作原理 ，并 可以在仿 真过 程 中监视方 程特性的改变并 自动变换 积分算 法 以获得 最佳结果 。 进入 2 1 世纪，一些大公 司也在原有软件的基础 上开发 了液压仿真 软件包或流场分析软件 ，例如波音 公 司 的 E a s y 5软 件 、M A T H WO R K S公 司 的 M a t l a b软 件下的 S i m u l i n k工具箱等。同时 ，各液压仿真软件开 发公 司 出现 了强强联 合 的趋 势 ，2 0 0 3年 ，A n s y s 收购 了 A E A公 司的 C F X软件业务 ，2 0 0 6年 5月 ，又 并购 了著名 的计算 流体力学分析软件公 司 F l u e n t 公 司。此 外 ，较为著 名 的液 压 系统 仿 真 和流 场分 析 软件 还有 F l o w ma s t e r 、F e m l a b等 。 我 国的液压仿真技术研 发始于 2 0世纪 7 0年代末 8 0年代初 ，以浙 江 大学 、上海 交通 大 学 、大 连 理工 大学以及 国家航空航 天一些 部 门为 主，通过引进 国外 仿真软件进行消化改进或自主研发，都取得了一定的 效果 。如浙江大学 在 引进德 国 D S H 液压 仿真 软件 的 基础 上 ，推出 了具有 自主知识产权 的 S I MU L ／ Z D液压 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 5 作者简介 武鹏 飞 1 9 8 3 一 ，男 ，硕士研究 生 ，助 教 ，主 要研究 方 向为 流体传 动 与控 制。电话 1 3 6 8 9 6 2 2 1 6 3 ，Em a i l 1 41 01 0 02 1 6 3． c o rn。 1 3 4 机床与液压 第 3 9卷 仿真专 用 软件 ，北京 航 空航 天 大 学 自主研 发 的 F P S 通用仿 真软件 ，上海交 通大学研 发的基 于液压原理图 的 H Y C A D仿 真软 件。但 同 国外仿 真 软件 相 比 ，还 存在着一些差距 。 一 2 现代液压系统仿真技术特点 1 图形操作界面 为了能使不精通计算机操作的普通液压技术人员 能够顺利地进行液压系统仿真，从而使仿真技术更广 泛地应用 于工 程 实 际 ，友好 的交 互 界 面是不 可 缺少 的。几乎所有知名 的液压仿真软件都支持 图形化操作 界 面。 2 多领域建模仿真 在实际工程应用 中 ，液压 和机械 、电子等元器件 组合构成整个系统 ，这 就要求仿真 时可 以加入其他领 域的模 型 ，如 A ME s i m 自带 有液 压 、机械 、控制 、信 号、热力学、气动等多种模型库，方便仿真人员调用。 3 数据库技术的应用 仿真系统最重要 的技术资料是 系统 的原理 图、元 件的数学模型以及相关参数、仿真结果，大量的信息 无法使用传统的文件系统，而能够规范存储的数据库 技术被引入仿真技术 。 4 标准 化模 型库 在大多数液压系统仿真软件 中，一般将仿真元件 分为液压泵 、液压马达 、液压阀 、液压缸和液压辅件 等五类，然而据此建立标准元件，方便用户快速进行 仿真。当然 ，支持 用户 自定义元 件模型的创建也是必 不可少的功能。 3 液压 系统仿真技术的发展趋势 随着数 值模 拟技术 和计算机技术的发展 ，人们对 液压仿真技术也提出了更高的要求。目前，液压系统 数字仿真技术的发展趋势主要有以下几个方面 1 流场耦合分析 耦合场 分析涉及 不同物理现象的多物理场的模拟 分析 。过去 由于多 场耦合 问题 的建模 和解算 过程都 比 较复杂，因此多场耦合问题的仿真模拟实现起来比较 困难。而近年来随着液压技术 、模型解算方法和计算 机软 件的发展 ，液 一固、液 一 气 以及 同时考虑 热力场 和应力场等 多场耦合 问题 的求解 越来越 成为液压流场 分析的发展趋势。 2 三维动态流场分析 对 于某些无法 简化成 二维 流场的结 构中 ，三维 流 场分析是十分必要的。在 目前计算机运算速度快速提 升 的前提下 ，三维流场分析成为液压流场分析技术发 展 的必然趋势 。 3 可视化技术 三维流场技术 的发展必然会带动可视化技术 的发 展 ，包括分析结果 的可视化 以及分析过程 的可视化两 方面 。目前 ，可视化程度 已经成为衡量一个仿真软件 好坏 的标 准之 一。 4 机 电液一体化 系统分析 综合考虑 机电液 系统的建模及 分析仿 真将是系统 设计和性 能评 价 的最 好方 法 。因此 能够 同时建 立机 械 、电气及液压结构 的数学模 型 ，并 能把 三者有机地 结合起来 的仿真软件将越来越受 到青睐。 5 并行仿真技术 由于数学 模 型需考 虑 多种 因素而 变得 越 来越 复 杂，而仿真结果的输出则希望越来越快 ，因此，仿真 方法对数据处理速度提 出了很高 的要求 。多计算机或 多 C P U同时对 同一 问题进 行仿 真 汁算 ，是解 决 大量 数据计算 的有效途径 ，因此并行仿真方法应用而生 。 6 多媒体 技术 多媒体技术使仿真结果的表示方法更加多样化， 例如动画技术与仿真技术的结合 ，给仿真结果的输出 带来了全新的感觉 。目前 ，大多数仿真软件都可轻松 实现仿 真结果 以动画 的形式输 出。 7 半物理仿 真 半 物理仿真的特征是仿真模型 中包含一部分物理 模 型。当一些 系统部件和现象难于建模时 ，或在某些 特殊要 求下 ，系统的模 型部分或其相似系统成为仿真 模型的一部分 ，从而使仿真结果更具说服力。而半物 理仿真 中要解 决的关 键问题 是处理好仿真模型 中数学 部分 和物理部 分的衔 接问题 。 4结语 随着液压应用领 域的扩大 ，必 然对液压仿真技术 提 出更 高的需求 ，同时伴 随着对液 压系统微观机理认 识的深入以及计算机技术的发展 ，在不久的将来液压 仿真技术必将会迈上一个新台阶。 参考文献 【 1 】李永堂， 雷步芳， 高雨茁． 液压系统建模与仿真[ M] ． 北 京 冶金工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】吴跃斌， 谢英俊 ， 徐立． 液 压仿真技术 的现在和未来 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 2 1 1 1 3 ． 【 3 】陈鹰． 面向创新的液压仿真技术[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 3 ， 8 4 1 6 2 0 ． 【 4 】 常桂秀． 液压仿真技术的应用与发展[ J ] ． 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