基于ADAMS与EASY5的大型模锻液压机联合仿真.pdf

第 6期 2 0 1 1年 6月 机 械 设计 与 制造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 23 5 文章 编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 6 0 2 3 5 - 0 3 基 于 A D A MS与 E A S Y 5的大型模 李江波黄明辉赵 兴 锻液压机联合仿真 球 中南大学 机电工程学院， 长沙 4 1 0 0 8 3 Co - s i mu l a t i o n o f a d i e f o r g i n g P r e s s b a s e d o n ADAMS a n d E ASY5 L I J i a n g - b o ， HU ANG Mi n g - h u i ， Z HAO Xi n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i V e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 【 摘要】 针对某大型模锻液压机， 介绍了 运用多体动力学仿真软件A D A M S 和多学 科动态系 统仿 i }真软件 E A S Y 5实现联合仿真的一般方法。首先在三维建模软件S o l i d w o r k s 中建立液压机的三维模型，{ l然后导入到A D A M S中建立液压机的虚拟样机模型，同时在 E A S Y 5中建立液压机的液压系统模型， 并 2 }且通过设计软件接口 实现二者模型 之间的动态数据交换。仿真结果表明， 虚拟样机模型与液压系 统模 { l型之间实 验了无缝联接， 验证了该建模方法的有效性和实用性， 并为实现机电液联合仿真提供了基础。 2 } 关键词 A D A M S； E A S Y 5 ； 联合仿真； 液压机 l 【 A b s t r a c t 】 B a s e d o n 0 l a r g e d ie f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s ， m e t h o d f o r c o - s i m u l a t i o n is i n t r o d u c e d 2 } 砒 h d y n a m ic s im 。 n s of t叫 ar e A D A M S a n d m u c ip lin a ry dy n am ic s im la ti。 s ar e E A S Y 5 ． { ； F ir s t ly ， o t h r e e - d i men s i o n a l m o d e l of th e h y d r au l i c p r e s s is c r e at e d b y S o l i d w o r k s a n d t h e n is i m p o r t e d in t o； ；A D A M S S O t h a t 口 v i rt u a l p r o t o t y p e of t h e h y d r a u l i c p r e s s is o b t a i n e d ．A t th e S O l lZ e t im e ， t h e h y d r aul ic s y s t e m l m o d e l oft h e p r e s s is e s t a b l is h e d b y E A S Y 5 A fi e r d e s ig n i n g s o f t w ar e i n t e rf a c e ， d y n ami c d a t a e x c h a n g e b e -i l t w e e n th e tw 0 m o d e ls is ac h i e e e im u l a t i0 ， s I t s h o t s t h a t 0 s e aml e s s c 0 ， }e c t io b e z e e n th e i r t 一 { { ； ；a l p r o t o ty p e model and h y d r aul i c s y s t e m model i s r e a l iz e d ， w h i c h v e r ifl e s t h e m o d e l i n g met h o d is eff e c t iv e{ l a n d p r act i c and p r o v i d e s t h e b asis f o r Me c h a n i c a l E l e c t r o H y d r a u l i c C O s i m u l a t i o n ． 2 } K e y w o r d s A D A MS ； E A S Y 5 ； C o - s i m u l a t i o n ； P r e s s ● 1 1hh t _1h t d - t _ - t ， f _ - t ，t 、d， t ， t - “， t _1n ’ 1 ， t 1 t 呻 F 1 -_1 “ -_1 - _ ， 1 1 H ， 一 中图分类号 T H1 6 ， T G 3 1 5 ． 4 2 文献标识码 A 1引言 2建立压机虚拟样机模型 大 型模锻压机作为一种复杂的 工程机械， 在对它进行仿真 2 ． 1 A D A M S软件介绍 研究时， 传统的研究方法都是将机械动力学系统和液压系统分开 A D A MS是美国某公司开发的非常著名的虚拟样机仿真分 建模仿真， 这类方法建模时没有将压机结构部分与液压系统之间 析软件， 在虚拟仿真领域， 目前该软件的市场占有率最高。 的耦合与关联考虑在内， 液压系统模型没有反映压机姿态和负载 AD A MS软件采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方 变化的影响， 造成仿真结果与实际情况不符。利用动力学仿真软 程方法， 建立系统动力学方程， 并与大位移、 非线性求解功能相结 件 A D A MS与多学科动态系统仿真软件 E A S Y 5分别建立液压机 合， 还提供了与其他 C A D t l S o l i d Wo r k s 、 C A E n N a s t r a n 软件 的虚拟样机模型与液压系统模型， 通过设计软件接 口实现动态数 的集成接口， 可以生成包括机电液一体化在内的、 任意复杂的多 据交换 ， 建立更接近实际系统的仿真模型， 得到更加真实有效的 体系统动力学虚拟样机模型， 并提供全方位、 高精度的仿真分析 ★来稿 日 期 2 0 1 0 0 8 0 3 ★ 基金项目 国家 9 7 3 重点基础发展计划项目 2 0 0 5 C B 7 2 4 1 0 2 符合淤 0 试压力。 如果检测完毕， 打开电磁阀3 、 4 ， 气控阀打刑 } 出压 力气体。第五步， 关闭所用电磁阀， 检测结束。 7结束语 根据上述原理设计的检测仪， 已经取得了成功的应用。在企 业投入使用期间， 对企业产品中上百种管件进行批量的气密性检 测， 没有出现错误检测结果和故障。应用表明， 其陛能比较稳定，达 到了 设计要求。 随着工业生产的大力发展， 研制出这样一种测试准 确 、 自 动化程度高而价格低的气密检测仪， 对企业提高生产效率、 减轻工作强度、 提高产品质量、 降低企业成本有着重大的意义。 参考文献 [ 1 ] 刘春， 王兴， 李跃中， 郭希旺．一种典型监测仪的气密检测原理[ J ] ．液压 与气动， 2 0 0 8 1 2 ． [ 2 ] 傅晓云， 杜经民， 李宝仁．气密自 动检测装置的研究[ J ] ．液压与气动， 2 0 0 5 5 ． [ 3 ] S M C 中国 有限公司． 现代实用气动技术[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 4 ] 达道安．真空设计手册[ M] ．北京 国防工业出版社， 1 9 9 1 ． [ 5 ] 屈圭． 液压与气压传动[ M] 一 E 京 机械工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 6 ] 王妮娜， 叶鹏， 蒲洁． 高压容器充气及气密性试验检测系统的设计[ J ] ． 机械 ， 2 0 0 3 3 0 3 3 - 3 5 ． [ 7 ] 金沙， 耿惊涛． P L C 应用技术[ M] 一 E 京 机械工业出版社， 2 0 1 0 ． 2 3 6 李江波等 基于A D A M S与E A S Y 5 的大型模锻液压机联合仿真 第6 期 它完整的分析工具使工程师、 设计人员能够建立机械系统 虚拟样机， 并能在建造物理样机前 ， 分析其工作性能， 帮助用户更 好地理解系统的运动， 解释子系统或整个产品的设计特性， 比较 多种设计方案之间的工作性能差异， 精确预测负载变化， 计算其 运动轨迹、 速度和加速度分布图等日 。 2 ． 2建立三维模型 在 A D A MS中进行运动学、 动力学计算时， 只考虑零件的质心 和质量， 而对零件的外部形状不予考虑， 只要仿真零件的质量、 质心 位置、 惯性矩与实际零件相同， 仿真结果是等价的。当然， 零件形体 描述得越准确， A D A MS自动计算的零件质量和质心位置也就越精 确13 t。 复杂零件的建模并不是 A D A MS 的特长， 可以通过其它擅长复 杂零件建模的软件 如 S o l i d Wo r k s 进行建模和装配， 再将其保存为 一 定的格式 如 j ， 然后导人A D A MS中进行仿真分析。 该模锻液压机采用5 个独立的柱塞缸同步驱动，使活动横梁 沿着四根导向杆向下运动， 为了避免在承受偏载时活动横梁产生过 大偏转，在活动横梁的4 个角分别布置了4 个同步平衡活塞缸， 用 来纠正活动横梁的偏转。 在满足实际工程研究需要的前提下， 对压机模型进行了一些 合理的简化， 然后在S o l i d Wo r k s 中绘制出了压机各零件的三维模 型， 并 寸 其进行装配， 形成装配体如图 1 所示。 2 ． 3建立虚拟样机模型 将在 S o l i d Wo r k s 中建立的压机三维模型保存为 ． x _ t 格式 导入 A D A M S 中， 修改各个零件的名称和显示颜色 ， 定义各个零 件的材料属性为钢 s t e e 1 ， 具体参数， 如表 1 所示。 图 1压机三维模型 表 1材料参数 在定义好材料屙I生 后 ， AD A MS将自动计算出各个零件的质 量 、 质心位置和惯性矩。接着定义各个零件之间的运动副约束关 系、 欲输出结果、 仿真基本参数等H ， 最后得到压机的虚拟样机模 型， 如图2所示。 3建立压机液压系统模型 3 ．1 E A S Y 5 软件介绍 MS C ． E A S Y 5是美国某公司开发的一套面向多学科动态系 统和控制系统的仿真软件， 用于产品的概念和系统初级设计阶 段 ， 它的图形化建模环境允许用户直接在计算机屏幕上绘制工程 系统原理图或控制理论框图， 从而构建仿真模型， 广泛应用于汽 车、 工程机械、 国防和航空航天等领域I5 - 6 1 。 图 2压机虚拟样机模型 MS C ． E A S Y 5的强大之处在于它强大的分析工具， 可以进行非 线性仿真、 稳态分析、 线性分析、 控制系统设计、 数值分析和画图等， 并具有源代码自动生成功能以满足实时l 生 的要求。 它开放的基础构架提供了与其f 电 彳 艮 多在计算机辅助分析领域 应用的软件和硬件的接 口， 具有良好的集成能力， 满足更复杂问题 的分析需求。 3 - 2建立液压系统模型 该模锻液压机驱动系统采用 5个独立的柱塞缸对活动横梁 进行同步驱动， 空程速度不可调， 但加载过程中速度可调， 能实现 上行、 下行 、 加载 速度可调 、 保压、 卸荷等动作 。 主要考虑压机在加载工况下活动横梁的运动特性 ， 因而对 系统进行了适当地简化。利用 E A S Y5的工程应用液压库 h c 建 立液压系统的单回路模型， 如图 3 所示。 它采用串联节流调速回路， 并联有溢流阀用来调节各个回 路的压力大小， 回路中布置有三位四通电磁换向阀， 用来控制液 压油 的流向。 图3液压系统单回路模型 4联合仿真 4 ． 1接 口设计 接V I 设计的目标是实现虚拟样机模型与液压系统模型之间 动态数据的传递， 主要有 2 个基本步骤 No ． 6 J u n ． 2 0 1 l 机 械 设计 与 制造 2 3 7 4 ． 1 ． 1选择工作模式 在 E A S Y 5中， 柱塞缸组件 A x 有 2 种工作模式 1 缸简固定， 输入施加在柱塞杆上的作用力， 经系统计算 输出柱塞杆的位移和速度。 2 缸筒固定， 输入柱塞杆的运动速度和位移， 经系统计算 输出作用在柱塞杆上的液压驱动力。两种工作模式的简图， 如图 4所示 。 W TF W 仃 a 工作模式 1 令 b 工作模式 2 图4 E A S Y 5 中柱塞缸组件的2 种工作模式 为了保持系统物理意义的完整性， 采用第二种工作模式， 即 柱塞杆相对于液压缸的速度和位移由A D A MS动力学模型计算 得出， 输出给 E A S Y 5 模型， 这样， E A S Y 5模型在每一步仿真迭代 时， 根据给定的速度和位移计算出液压缸油腔压力 ， 同时， 根据液 压缸油腔压力变化及由速度引起的阻尼力， 计算出作用在柱塞上 的液压驱动力， A D A M S模型则以此液压驱动力作为输入信号进 行动力学计算。 4 ． 1 ． 2设置状 态变量 在联合仿真过程中， A D A MS模型需要从 E A S Y 5 模型中获 取液压驱动力 ， 并且将柱塞杆相对于缸筒的位移和速度输出给 E A S Y 5 模型， 因而需要在 A D A MS 模型中创建并设置相应的输入 输出变量， 如表2 所示。 表 2 A DA MS输入输出变量表 在设置好输入输出变量后， 通过 A D A MS ／ C o n t r o l s 模块输 出， 再在 E A S Y 5中通过 E x t e n s i o n s 接口模块导人， 实现 2个模型 之间的动态数据传递。 此外， 在进行接口设计时还需要注意以下 3个问题 1 安装 E A S Y 5 和A D A M S时， 均要选择C o m p a q V i s u a l F o r t r a n 6 作为软件的编译器； 2 每次只能通过 E A S Y 5 的命令窗口 c o m m a n d s h e l 1 输入 命令来启动程序， 最好将 A D A MS与 E A S Y 5的启动 目录设为同 一 个文件夹； 3 注意单位是否统一， 应将 A D A MS与 E A S Y 5中的单位设 置成一致 。 4 _ 2仿真结果分析 定义总的仿真时间为 2 0 s ， 三位四 通阀的左位在 2 s 时接通 ， 液压驱动力开始驱动活动横梁向下运动，在 1 0 s 时开始加载， 加 载达到最大工作载荷后进入保压阶段， 活动横梁质心沿 z 向的位 移曲线， 如图5 所示。 从图5中可以看出， 液压系统模型中的液压驱动力成功施 加到虚拟样机模型上， 仿真过程成功实现了虚拟样机模型与液压 系统模型之间的无缝连接。 宣 蠢 艇 O 2 4 6 8 1 0 时间， s 图 5活动横梁沿 向位移曲线 5结论 以一典型模锻液压机为研究对象 ， 探讨了采用 A D A MS与 E A S Y 5对压机机械动力学系统与液压系统分别进行建模并实 现联合仿真的方法 ，该方法考虑了压机结构部分与液压系统之 间的耦合， 弥补了传统仿真方法无法实现动力学模型与液压系 统模型之间的关联而造成模型不准确的不足，仿真结果更接近 实际情况。 该方法在液压机的研究手段上有较高的研究价值和创新 性， 对机电液一体化仿真研究具有一定的指导意义。 参考文献 [ 1 ] 汤涤军， 林程， 舒进． 基于 A D A M S 的机电液一体化仿真研究[ J ] ．计算 机仿真， 2 0 0 4 ， l O 2 1 1 1 9 1 2 1 ． [ 2 ] 任良成， 林程， 陈思忠． 六自由度摇摆台的机电液一体化仿真研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 1 I 3 0 3 2 ． [ 3 ] 张霖．多杆内燃机柔性体优化分析[ D ] ． 天津 天津大学出版社， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 郑建荣．A D A M S 一 虚拟样机技术入门与提高[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 0 0 1 ． [ 5 ] 程钢， 王红岩， 等． 虚拟世界真实体验一 基于M S C ． E A S Y 5 的车辆静液传 动系统建模与仿真[ J ] ．现代制造工程， 2 0 0 5 9 6 8 6 9 ． [ 6 ] 张晓芬， 丛华， 晁志强， 刘相波A D A M S ／C A R与 E A S Y 5 在车辆主动悬架 动力学研究中的应用[ J ] 动力学与控制学报， 2 0 0 7 ． 0 9 0 5 2 8 5 - 2 8 8 ． [ 7 ] 刘新良大型模锻液压机主动同步控制系统研究[ D ] ． 长沙 中南大学， 2 01 0 ． [ 8 ] T h e MS C E A S Y 5 R e f e r e n c e M a n u a l [ Z ] ．T h e Ms c S o f t w a r e C o r p o r a t i o n ， 2 0 0 5 ． 1 9 J A w a d al l a h ， Mo h a me d丸 Mo r c o s ， Me d h a t M ． Ap p l i c a t i o n o f A I t o o l s i n f a u l t d i a g n o s i s o f e l e c t r i c a l ma c h i n e s a n d d r i v e s - An o v e r v i e w S o u r c e ． I E E ET r a n s a c t i o n s o nE n e r g yC o n v e r s i o n ， 2 0 0 3 ， 1 8 2 2 4 5 2 5 1 ． 【 1 0 ] M a k i Y ， L o p a r o K A ． N e u r al - n e t w o r k a p p r o a c h t o f a u l t d e t e c t i o n and d i a g n o s i s i n i n du s t rial p r o c e s s e s ．I E EE T r an s a c t i o n s o n C o n t r o l S y s t e ms T e c h n o l o gy， 1 9 9 7 ， 5 6 5 2 9 - - 5 4 1 ． 勰 猢 m