AMESim在液压元件仿真中的应用研究.pdf

Hv d r a u l i e s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 3 ． 2 Ol J A M E S i m在液压元件仿真中的应用研究 王继努 李天 富 段方亮 费望龙 三一重工股份有限公 司， 湖南长沙4 1 0 1 0 0 摘要 A M E S i m是 I MA G I N E公司推出的基 于功率键合 图的机 电液仿真分析 软件 ，以其强大的仿真和分析能力在各个领域得到 了广 泛的应用 ． 尤其在液压基本元件建模方面表现出色。 本文 以液压锁为例 ， 提 出了三种基于 A M E S i m的建模方式 ， 对液压元件 的基础建模 具有一定的指导作用。 关键词 A ME S i m 仿真 ； 液压锁 中圈分类号 T HI 3 7 ． 5 l T HI 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 1 0 3 - 0 0 0 1 -03 Ap p l i c a t i on Re s e a r c h o n AMES i m i n Hy d r a u l i c Co mp on e n t s WANG J i - n u L I 死肌 DU AN F a n g - l i a n g F E I Wa n g - l o n g S a n y H e a v y I n d u s t ri e s C o ． ， L t d ． ， C h a n g s h a 4 1 0 1 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t AME S i m i s o n e k i n d o f s o f t w a r e f o r mo d e l i n g s i mu l a t i o n a n d d y n a mi c a n aly s i s o f h y d r a u l i c a n d me c h a n i c a l s y s t e m b a s e d o n b o n d g r a p h ， w h i c h i s a p r o d u c t i o n o f I ma n e c o r p o r a t i o n o f F r a n c e I t o b t a i n e d w i d e s p r e a d u s e i n d i ff e r e n t fi e l d s w i t h i t s p o w e r f u l s i mu l a t i o n a n d a n a l y s i s ， e s p e c i all y i n b a s i c h y d rau l i c e o mp o n e n mo d e l i n g T h i s p a p e r ， t a k i n g d u a l - d i r e c t i o n h y d rau l i c l ock for e x a n p l e ， g i v e s t h r e e mo d e l i n g me t h od s ， wh i c h c h a r t a n e w d i r e c t i o n f o r b a s i c mod e l i n g i n h y d rau l i c c o mpo n e n t s ． Ke y W o r d s AME S i m； s i mu l a t i o n ； h y d r a u l i c l o c k U 日 IJ舌 随着科学技术 、仿真理论及计算机技术 的不断发 展 ， 仿真技术不断提高， 虚拟样机、 数字样机技术 已在各 大公 司得到成功应用。在如今的科学研究 中， 仿真技术 提高了科学研究水平 ， 缩短 了研究周期 、 降低 了科学研 究成本及风险 、 促进了各个不同领域 的融合 、 加速了科 研成果转换为生产力的进程。 可以说仿真技术已成为科 学研究不可或缺的一门实用技术【 l I 。 A ME S i m软件在设计仿真过程 中， 为工程技术人员 节约了大量时间． 以其友好的界面成为近些年来应用较 为成功的一种系统仿真软件． 它尤其适合于液压控制系 统的建模与仿真阁 。 1 A ME s i m介绍 AME S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n me n t f o r S i m u l a t i o n s o f E n g i n e e ri n g S y s t e m 是 法 国 I MA G I N E公 司开发的一种新型的高级建模和仿真软件 ，其全称为 工程系统高级建模和仿 真平台。它为用户提供了一个 收稿 日期 2 0 1 O 一 0 8 一 o 2 作者简介 王继努 1 9 8 1 一 。 男 ， 湖南长沙人 ， 硕士 ， 毕业 于西安交通 大学， 现就职于三一重工股份有限公 司， 主要从 事液压系统设计与仿真方面 的 研究 。 系统工程设计的完整平台．使用户可以在同一个平台 上建立复杂的多学科领域系统的模型 。集成有鲁棒性 极强的智能求解器和严谨的非连续处理功能以及齐全 的线性 化分析工具 系统特征值 的求解 、 N y q u i s t图 、 B o d e图 、 N i c h o l s 图 、 根轨迹分析等 ， 使用户在仿真计算 后可以非常方便地分析和优化 自己的系统[ 3 1 。 A ME S i m系列产品采用一种简单的图形化建模方 式 ， 为用户提供了五个简易 的平台1 4 1 ． 具体五个平台之 间 的联 系如 图 I 所示 。 一个简 的平台一个简 的语 苦 图 】 A ME S i m系列 五个平 台 2 A M E S i m在液压元件仿真中的应用 针对不同仿真用途 ， 本文以液压锁为例 ， 介绍三种 液压元件建模方式及各 自优缺点 ，以下为某公 司液压 1 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 1年 第 3期 锁基本参数及压力流量曲线 ， 如图 2所示。 ， r ，t ／ ＼ ／ ／ ， ， ／ ／ ／ 一 0 2 0 30 40 5 0 6 0 最大压力 3 5 0 b a r 最大流量 6 0 L ／ m i n 黏度范围 1 0 5 0 0 c S t 介质温度 一 1 8 ～ 6 0 ℃ 面积 比 1 6开启压力 1 ． 2 b a r 图 2{ 硬压 锁 基 本 尺 寸及 压 力 流 量 曲 线 第一种建模方式 运用基本液压元件库 H y d r a u l i c 建立仿真模型 ， 建立仿真模型时 ， 可参考厂家样本 中的 基本参数 ， 如本例 中根据上述 样本 的基本参 数和压 力流 量曲线 ， 建立液压系统模型如 图 3所示 ， 本例中液控单 向阀采用液压基本元件库中的 C V o 0 5 ，图中 C V 0 0 5 一 l 和 C V 0 0 5 2中的基本参数设置如表 l 所示。 表 1 图 3液 压 模 型 其余模型参数默认 ， 电磁换向阀在右位工作 ， 仿真 时间为 1 0 s ， 步长为 0 ． 1 s 。经过仿真得图 4正向开启压 力流量曲线图和图 5反向开启压力流量曲线图 ， 从图 4 和图 5与图 2中的曲线对比可以看出在 C C 0 0 5 1 和 C C 0 0 5 2的额定流量下 ，对应压差几乎接近图 1曲线 的样本值 ， 在远离设置流量下会与样本值有些偏差 ． 并 且远离越大． 相差越大。 2 图 4正 同开 届 曲线 图 5反 问 开届 曲线 第二种建模方式 利用厂家提供的样本和 A ME S i m 中表格 如图 6所示 功能， 拟合一条曲线， 让液压元件的 仿真特性曲线严格按照样本曲线， 液压模型如图 7所示。 利用 电控制模块 中的 F X Y Z A 0 1建立表格 如图 6 所示 ， 其液压验证模型如图 7所示 ， 仿真结果如图 8 所 示。图 8 表明． 该方法可很好的按照厂家提供的样本数 据进行仿真 ， 缺点是不能进行动态仿真 ， 对关注动态特 性仿真的元件有一定的局限性。 I l I l I l j I { l l -3 簟 嘲 0 b i { {；j ⋯ l t 毫甍 ≮ 礞 霹I 强 { 疆 叠 嗣 { 。 l l i - } j j ’；重 是 一 ’ 冀 0 薯 才 { 嘻 5 u曙 j j l { { 图 6 拟合表格 图 7 液压模型 图 8 正向开启 曲线 第三种建模方式 利用 A M E s i m中的 HC D库进行 建模， 模型如图 9所示。该方法要熟悉液压元件的工 作 图 9 H C D库建立 的液压验证模 型 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 3 ． 2 01 1 原理 及 内部 尺寸 ，利 用 该 方法 不 仅 可 以实现 阀全流 量 下的仿真 ，而且可以获得阀开启关闭瞬间的压力流量 特性如图 l 0所示 ， 这种建模 方式 ， 在对动态特性要求 严格的液压 回路中， 有重要应用 ， 缺点是阀的尺寸很难 从厂家直接获得。 l 5 l 0 O 5 o d- o 5 _1 o l 5 2O -2 5 I _ B A P o 4 l R T - 2fl o wrot e p o r t l 【 L ／ rain 】 I I l J ⋯___⋯ _ ’● -。 l I ⋯ ⋯L⋯ 一 ⋯一 - I I l l I ⋯一～一一 一一一一一一 I ⋯⋯ 。 I l ⋯L⋯ ⋯一 一 I l I l I 、 ； I l 0 1 0 I 5 2 0 l时 J ／ 图 1 0网 开 届 关 用 流 量 特 性 曲线 3 结束语 通过对上述三种建模方式的介绍 ， 可以看出 第一 种建模方式在特定工况下进行仿真具备快捷 、高效等 特点． 但全工况下仿真存在一定偏差 ； 第二种建模方式 能严格按照厂家样本数据进行仿真 ，但忽略了阀的动 态特性 第三种建模方式能很好兼顾元件仿真的准确 - 一 一一 一 - 一 - 一 一 性和动态特性 ．缺点是阀的具体内部结构很难从厂家 获得 。在进行液压系统或者元件仿真时 ， 我们可以根据 各 自产品性能指标 ， 进行前三种建模方式的选择 ， 或者 综合三种方法的任意两种 、 三种进行仿真 ， 以获得我们 关注的液压系统或液压元件的性能。 建模和仿真分析过程表明，利用 A ME S i m软件进 行液压元件及系统建模仿真具有方便 、 快捷 、 准确的优 点 。 使用户从繁琐的数学模型 中解放 出来 ， 起到了缩短 产 品设计周期 ，降低产 品开发成本和增加可靠性 的作 用[ 6 1 ， 为液压元件及系统的设计 、 优化提供理论依据。 参 考 文 献 【 1 】 余佑官 ， 龚 国芳 ， 胡国 良． A ME S i m仿 真技 术及其在液压系统 中的应用f J 1 ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 5 3 ． 【 2 J 张健 ， 施光林 ， 吴凡 ， 翁建斌 ． 基 于 AM E S i m的船用液力 偶合 器充排油液压控制系统【 J l1 ． 机械设计与研究 ， 2 0 1 0 1 ． 【 3 】 刘增光 ， 李文英 ， 岳 大灵． 基于 A ME S i m的连轧管机液压压下 系统仿真研究【 J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 8 3 ． 『 4 1 付永 领 ， 祁晓 野． A ME S i m 系统建模 和仿真一从入 门到精通 『 M 】 ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】 袁红兵 ， 岳大灵 ， 廉 自生． 基 于 AM E S i m的液控 单向阀卸 载动 态特性仿真研 究[ J 】 ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 8 1 2 ． 键合图 功率键合图 ， 简称键合图 ， 是一 种由来描述工程系统能量结 构的图示表示方法 。它 以一种 向量的形式给 出 了复杂系统 的简练描述 ， 极大地提高 了人们对工程系统行为 的洞察力。 目前 ． 功率键合图方法已在机械 、 热力学 、 生理学 、 化学 、 流体 、 生物学 、 电子及磁 系统等工程技术领域的动态分析与控制研究中得到了广泛的应用 。 特别是 近年来 ， 其应用已经 延伸 到了农业 、 太 阳能 和核能系统。 其中 ， 有的系统是多种能量耦合 的复杂系统 ， 系统 中又包 含若 干各种元件。系统在工 作过程 中， 有的元件产生能量 ， 有 的元件消耗能量 ， 有的元件使能量从一种形式 转变 为另一种形式 ， 有 的元件则仅传递能量。 按 功能将这些元件分成若 干种类 。 把它们有机地结合起来就可 以描述物 理 系统 。 功率键合 图方法 的核心思想 是认 为一 个工程系统的动态过程即是其功率流在特定激励作用下重新分 布与 调整 的过程。 以一种 统一 的方法对系统各部分功率 流的构成 、 转换 、 相互间逻辑关系及物理特征等进行描述 即可 实现对该系统模 型的充分且完备的定义描述 。 这种方法为分析研究人 员进行 系统动态特性分析和建立 数学模型 提供了极大的方便 。一方面 ， 它对功率流描述上的模块 化结构与系统本身各部分物 理结构及各种动态影响 因素 之间具有明确 而形象的一一对应关系 ， 便于理解其物理 意义 ； 另一方 面， 它与系统动态数学模 型即状态方程之间 由存在着 其他方法无法 比拟的一致性 ， 可 以根据系统的功率键合图有规律地推导出相应 的数学模型。 在具体表达方式上 ， 键合图方法将各类工程 系统所涉及到的多种物理参量 ， 从功率流的角度 出发 ， 统一归纳 为四种系统变量 势 、 流 、 动量和变位。同时 ， 采用若干基本构成元素 ， 诸如功率键 、 作用元 、 源 、 结点 、 变换器和回 转器等来表征系统基本物理特征 和功率转换与守恒的基本联接方式 。 所定义的系统 变量 和构成元素都具有特定 的物理含义并 由一组专门的图形或字母符号来标识。键合 图本身具有一套严密的描述 变换规则 ． 这 些规则同各 类典型物理特性及一些普遍定律之间具有高度的协调一致性。正因为如此， 它为系统动态模 型的准确定 义描述 及据此有规律地推导状态方程提供了一条十分有效 的途径 3