基于AMEsim的50t液压伺服加载系统的仿真分析.pdf

第 2期 总第 1 7 7期 2 0 1 3年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 ME CHANI CAI ENGI NEERI NG AUT MATI N NO ．2 Apr ． 文章编 号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 3 0 2 - 0 0 4 7 - 0 3 基于 AME s i m 的 5 O t 液压伺服加载系统的仿真分析 王鸿 宇，江礼 鹏 南京理 工大学，江苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要 对于形状和 受力都较复杂的构件，结构静力试验是产 品结构研发必不可少 的也是简 单而有效 的途径 。 静力试验可以通过机械 、电动和液压 等加载方式完成 ，其 中液压伺服 加载凭借 良好 的平稳性和运行 中的低 噪 声在工程试验 中得到极 为广 泛的应用。利用面 向工程设 计的高级建模 软件 AME s i m 对 5 0 t 液压 伺服加载 系 统进行 了建模 和动态性能的仿真分析。 关键 词液压 伺服加 载；AME s i m仿 真分析 中图分类号 TH1 3 7 TP 3 9 1 ． 9 文献标识码 A 0 引言 结构静力试验是研究复杂工程构件静特性的重要 手段 ， 是校核产品设计静强度 、 刚度 、 稳定性 ， 鉴定产品 可靠性的有效途径。 目前许 多领域 ， 包括土木、 汽车、 船舶、 航空、 航天领域的大型结构件的研发过程 中， 都 需要对构件进行结构静力试验， 以保证产品的质量 和 可靠性 ， 避免产品的实际参数达不到设计要求 。 液压伺服加载系统凭借其稳定性、 精确性 、 操作方 便等优点越来越被广泛运用于结构静力试验 中。在设 计液压加载系统之前对其进行建模与仿真分析对液压 伺服加载系统的设计过程具有较强指导作用 。传统的 数学建模方法较为复杂 ， 本文运用 面向工程设 计的高 级建模软件 AME s i m对 5 O t 伺服液压加载系统进行 了建模和仿真分析 。 1 A ME s i m 仿真软 件 AM Es i m Ad v a n c e d Mo d e l i n g En v i r o n me n t F o r P e r f o r mi n g S i mu l a t i o n s o f E n g i n e e r i n g S y s t e ms 是 法 国 I MAG I NE公司开发的高级工程 系统仿 真建模 环 境 ， 是一个多学科领域的建模仿真平台， 在统一的平台 上实现了多学科领域系统工程 的建模与仿真 。不 同领 域 的模块之 间直接的物理连接方式使 AME s i m 成为 多 学 科 领 域 系 统 工 程 建 模 和 仿 真 的标 准 环 境 。 AME s i m具有丰富的模型库 1 8个模型库 ， 1 0 0 0多个 模块 ， 用户可以采用基本元素法， 按照实际物理系统 来构建 自定义模块或仿 真模型 ， 而不需要去推 导复杂 的数学模型。AME s i m 采用 变步长、 变 阶数 、 变类 型 鲁棒性强的智能求解器， 根据用户所建模型的数学特 性 自动选择最佳的积分算法 ， 并根据不同仿真 时刻系 统的特点动态地切换积分算法和调整积分步长 ， 以缩 短仿真时间和提高仿真精度 。AME s i m提供了丰富的 与其他软件的接 口。基于这些优点 ， A ME s i m软件 已广 泛地被 G M、 F o r d 、 L G、 Z F 、 B o s c h等公 司采用， 成为汽 车、 液压和航空航天等研发部门的理想选择。 2 A ME s i m 建模 和仿真 分析 2 ． 1 液压 系统 建模 在 AME s i m软件中建立的 5 0 t 液压伺服加载系 统模型如图 1 所示n ] 。该系统 由液压缸、 伺服阀、 溢流 阀、 开关 阀、 油泵、 位置传感器、 过滤器、 冷却器等组成 。 从整体上看这是一个典型的闭环控制系统 ， 其工作原 理为 ； 位移传感器 X采集液压缸活塞 杆的位置信号， 与系统给定的位移信号 1进行 比较， 形成的误差信号 通过放大处理后输入给伺服阀， 驱动伺服阀阀芯运动， 从而控 制液 压缸 活塞杆前 进 或后退 。此 系统 有两种 工 作状态， 信号 2 控制开关 阀打开时系统进入低压空载 状态 ， 此时可较快调节活塞杆位置 ； 开关阀关闭时系统 进人高压负载状态 ， 此时需要系统缓慢加载并精确控 制。由于低压空载状态较为简单， 本文只分析系统在 高压加载工作状态下的动态性能。 2 ． 2 系统 参数设 置 在 AME s i m 中建模后进入参数模 式进行 系统 参 数的设置， 表 l为 5 0 t 液压伺I I i i i 载系统的主要参数， 其他参数保持默认[ 2 ] 。其中， 安装角度是指液压缸轴向 与水平线的角度， --9 0 。 表示液压缸活塞杆竖直向下。 2 ． 3 仿真计算及结果分析 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 1 6 }修 回日期 2 0 1 2 1 1 - 2 6 作者简介 王鸿宇 1 9 8 8 一 ，男 ，浙江湖 州人 ，在读硕士研究生 ，主要研究方向为液压传动。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 48 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 3年 第 2期 进人仿 真模 式， 设 置仿 真时 间为 2 0 0 S ， 间隔 为 0 ． 0 1 S ， 运行仿真。运行完毕 ， 绘制无杆 腔压力 曲线 、 有杆腔压力曲线和溢流阀压力曲线 ， 如图 2所示 。 图 1 5 0 t 液压伺I ] t n 载 系统模型 表 1 系统参数设置表 液压缸活塞直径 mm 1 9 0 液压缸活塞杆直径 mm 西1 1 0 活塞腔死 区容积 r r l 。 1 0 0 0 活塞杆腔死 区容积 m。 7 0 0 活塞杆行程 m O ． 5 质量块质量 k g 5 0 液压缸安装角度 。 一9 O 伺服阀最大 流量 L ／ mi n 5 0 溢流阀最大压力 MP a 2 2 溢 流阀流量压力梯度[ Lmi n I 1 ／ P a l 1 ． 6 】 O 0 油泵转 速 r ／ mi n 1 4 1 0 油泵流量 mL／ r 6 负载模 型的弹簧 刚度系数 N／ m 1 5 0 0 0 0 0 位移传感器初始值 m O 位移传 感器输 出信号增益 1 ／ m 1 0 O 信号放大倍 数 增益 K1 1 O O 信 号放大倍 数 增益 K2 1 O 0 阶跃信 号初值 O 阶跃信 号末值 】 信号阶跃时间 s 2 O 0 信号 1阶段数 4 第一 阶段初值 m O 第一 阶段末值 m 0 ． 3 第一阶段持续时间 s 1 O O 第二 阶段初值 m O ． 3 第二阶段末值 m O ． 3 第二 阶段持续时间 s 2 0 第三阶段初 值 m 0 ． 3 第三阶段末 值 m 0 ． 1 5 第三 阶段持续时问 s 5 0 第四阶段初 值 m 0 ． 1 5 第四阶段末值 m 0 ． 1 S 第 四阶段持续时间 s 3 O 由图 2可以直观地观察液压缸无杆腔、 有杆腔、 溢 流阀油压变化情况。在 0 s ～1 0 0 S活塞杆前进 阶段 ， 经过初始 的短暂压力上升阶段后 ， 无杆 腔压力持续上 升 ， 有杆腔压力持续下 降。在 1 0 0 S t 1 2 0 S活塞杆位 移保持阶段 ， 液压缸有杆、 无杆腔压力也保持不变 。在 1 2 0 s ～1 7 0 S 活塞杆后退阶段 ， 经过短暂压力上升 阶 段后 ， 无杆腔压力持续下降， 有杆腔压力持续上升 。在 1 7 0 s 2 0 0 S 活塞杆位移保持阶段 ， 液压缸有杆 、 无杆 腔压力又保持不变。而溢流阀在整个阶段始终处于开 启状态， 其作用是保证油泵提供 给伺服阀 P口的油源 保持 2 2 MP a的高压。而在活塞杆位移保持 阶段 ， 由 于通 过溢 流 阀的流 量增 大 ， 溢 流 阀入 口压 力 会 稍稍 增 大 ， 这也符合图 2的仿真 曲线结果 。 2 2 日 1 皇 1 溢 流 阀 压 力 _ - 』 j ￡杆腔压 ／一 ， ， ， 杆腔压力 f f ‘ J 0 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 t ／ s 图 2 压 力 曲线 绘制 理想位 移 曲线 即 阶跃 信 号 1的输 入 曲 线 、 活塞杆位移曲线以及两者的差值曲线， 如图 3所示。 目 、 、 卜信号l 输入位移 2 一 实际活塞杆位移 3 一 误差位移 2 ． 3 O 5 0 1 0 0 1 5 0 20 0 t ／ s 图 3位 移 曲线 图 3的位移曲线在未放大的情况下理想输出位移 曲线 和实际 位移 曲线 几 乎 重 叠 ， 难 以 观察 。将 图 3中 圆形区域局部放大， 得到局部放大位移曲线 ， 见图 4 。 t ／ s 图 4 局部放大的位移 曲线图 从图 4可以观察到实际位移相对于理想的输 出位 移有 O ． 0 2 s ～O ． 0 5 S 的滞后 ， 位移误差为 0 ． 0 6 mm。 2 ． 4 系统优 化 为了减小位移误 差， 通过 改变增益 K 的值来 观 察位移曲线 的变化。在 AME s i m 的参数模式 中设 置 批处理参数 K。 从 1 0 0变化 到 4 0 0 ， 变化间隔 为 1 0 0 。 0 0 O O O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 2期 机 械 工 程 与 自 动 化 4 9 绘制局部放大的位移曲线图， 如图 5所示。 0． 3 0 0 0 0． 3 0 0 0 0． 3 0 0 0 0． 2 9 9 9 0 ． 2 99 9 0 ． 2 99 9 0 ． 2 99 9 0 ． 2 99 9 0 ． 2 99 9 1 0 0． 0 0 0 1 0 0． 0 2 0 1 0 0 ． 04 0 t ／ s 图 5不同 K2 值时局部放大的位移 曲线 由图 5可以观察到 Kz 一2 0 0时位移误差减小 到 0 ． 0 3 mm； K2 3 0 0时， 位移 曲线误差 为 0 ． 0 2 mm， 位 移量 有较 小 的超调 ； Kz 一4 0 0时， 位 移误 差 减 小 到 0 ． 0 1 5 mm， 位移量有较大超调并产生轻微震荡 。为了 优化系统 ， 减小位移误差， 更改 K。的值为 3 0 0能明显 减小位移误差并提高系统响应速度。 3 结论 1 运用 AME s i m 软件对液 压系统进 行建模和 仿真分析具有简单、 快速、 仿真精度高等特点 ， 可运用 于液压系统的研发和改进 ， 对液压系统 的设计具有一 定的指导意义 ， 较以往的数学建模分析设计方法更适 合运用于企业及科研机构的产品开发 。 2 利 用 AME s i m 的批 处 理 运 行 可 以直 观 地 从 仿真曲线中观察不 同的系统参数对系统性能的影响 ， 从而得出最优化的系统参数， 优化系统性能 。 参考 文献 [ 1 3 付 永领， 祁晓野． AME s i m系统 建模 和仿真 从入 门到 精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 3 王 强 。 吴张永． 基于 AME s i m 电液伺服控制系统仿真分析 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 8 4 3 1 3 3 ． S i m u l a t i o n Ana l y s i s 0 f 5 0 t Hy d r a u l i c S e r v o Lo a d i n g S y s t e m Ba s e d O n AM Es i m WANG Ho n g - y u ，J I ANG Li - p e n g Na n j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Na n j i n g 2 1 0 0 9 4 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t e r ms o f c o mp l e x p a r t s ，s t r u c t u r e s t a t i c t e s t i s a n i n d i s p e n s a b l e a n d e f f e c t i v e wa y i n p r o d u c t s t r u c t u r e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t ．S t a t i c l o a d i n g t e s t c a n b e c o mp l e t e d i n s e v e r a l wa y s ，s u c h a s ma n u a l o p e r a t i o n ，mo t o r - d r i v e o r h y d r a u l i e d r i v e ．W i t h g o o d s t a b i l i t y a n d l o w n o i s e ，t h e h y d r a u l i c s e r v o l o a d i n g s y s t e m i s u s e d wi d e l y i n t h e f i e l d o f e n g i n e e r i n g t e s t ．Th i s p a p e r c o mp l e t e s t h e mo d e l i n g o f 5 0 t h y d r a u l i c s e r v o l o a d i ng s y s t e m a n d a n a l y z e s i t s d y n a mi c p e r f o r ma n c e b y u s e o f t h e s e n i o r mo d e l i ng s o f t wa r e AM E s i m． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s e r v o l o a d i n g ；AM E s i m ；s i mu l a t i o n a n a l y s i s 上 接第 4 6页 35 3 0 至2 5 2 0 b O t ／ s 图 7 不同压下率对轧制力的影响 4结论 1 轧辊与轧件之间的摩擦系数对轧件表面温度 影响明显 ， 即摩擦系数越大轧件表面的温度越高 ； 但摩 擦系数对轧制力的影响不大， 几乎不变 。 2 轧制速度越大， 轧件表面的温度越高， 同时轧 制力也随着轧制速度的增大而增大。 3 随着压下率的增大， 轧件表面温度增高 ， 同时 轧制 力 也增大 了 。 参考文献 [ 1 ] 陈林 ， 李 晓谦． 板带 热轧 三维 有 限元热 力耦 合仿 真 分析 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 7 9 1 0 6 - 1 0 8 ． [ 2 ] 马光亭 ， 汤化胜 ． 赵培林 ． 等． 热 轧带钢轧制全 程三维热力 耦合仿真分析[ J ] ． 轧钢． 2 0 0 9 ， 2 6 4 7 - 1 0 ． [ 3 ] 李学通 ， 杜风 山， 减新 良． 板 带粗轧 过程热 、 力 、 组织 耦合 三维有限元模拟[ J ] ． 中国机械工程 ． 2 0 0 6 ， 1 7 1 9 2 9 5 ． [ 4 ] 王 补宣． 工程传热传质学[ M] ． 北京 科学出版社 。 1 9 9 8 ． Si mu l a t i o n a n d I nf l u e nc e Fa c t o r s o f S t r i p Ro u g h Ro l l i ng Pr o c e s s Z HAI Hu i - b i n，DU Xi a o - z h o n g ，GAO P e i 。 b i n， J I ANG Hu i - b o S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，Ta i y u a n Un i v e r s it y o f S c i e n c e a n d Te c hn o l o gy，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t By u s i n g e l a s t i c p l a s t i c t h e r ma l c o u p l i n g l a r g e d e f o r ma t i o n f i n i t e e l e me n t me t h o d ．t h e 3 D mo d e l o f h o t r o l l e d s t r i p r o u g h i n g a r e a i s e s t a b l i s h e d。t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t ．a n d t h e v a r i a t i o n o f t e mp e r a t u r e a n d r o l l i n g f o r c e o f t h e s t r i p o n t h e f i r s t p a s s i s e mp h a t i c a l l y s t u d i e d ．On t h i s b a s i s ．t h e i n f l u e n c e s o f t h e d i f f e r e n t s p e e d，r e d u c t i o n a n d f r i c t i o n c o e f f i c i e n t o n t h e r o l l i n g f o r c e a n d t h e s t r i p t e mp e r a t u r e a r e a n a l y z e d ．Th e r e s u l t s s h o w t h e ma i n i n f l u e n c i n g f a c t o r i s t h e r e d u c t i o n．wh i c h p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s h o t r o l l i n g；t h e r ma l me c h a n i c a l c o u p l i n g ；s i mu l a t i o n；i n f l u e n c i n g f a c t o r s ；s t r i p 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m