基于Easy5和Adams的液压减振器联合仿真.pdf

2 0 1 4年 6月 第 4 2卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I C S J u n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 3 9 基于 E a s y 5和 A d a m s 的液压减振器联合仿真 张海 ，王成 国 ， 肖乾 1 ．中国铁道科 学研 究院铁道科学技 术研究发展 中心，北京 1 0 0 0 8 1 ； 2 ．华东交通大学机 电工程学院，江西南昌 3 3 0 0 1 3 摘要为了得到系统的动态特性 ，常常需要借助软件建立机械系统的数字化模型，在要求的工况下进行计算，以指导 系统的设计。以一个液压减振器为例，采用 MS C ． A d a m s 和 MS C ． E a s y 5进行联合仿真，实现对机械系统的动力学分析。计 算结果表明联合仿真模型与原始模型计算结果基本吻合。同时在联合仿真模型中，通过对阻尼器内部结构的分析，得到 了更接近实际模型的数学模型，使仿真计算精度提高，为进一步分析液压减振器的物理结构与工作特性的关系提供了研究 工具 。 关键词MS C ． A d a m s ；MS C ． E a s y 5 ；联合仿真 ；液压减振器 ；工作机制 中图分类号 T P 3 9 1 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 41 1 1 3 8 4 Co ． s i mu l a t i o n o f Hy d r a ul i c Da mpe r Ba s e d i n Ea s y 5 a n d Ada ms Z H A N G H a l ，WA N G C h e n g g u o ，X I A O Q i a n 1 ． R a i l w a y S c i e n c e T e c h n o l o g y R e s e a r c h D e v e l o p m e n t C e n t e r ， C h i n a A c a d e m y o f R a i l w a y S c i e n c e ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l 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，E a s t Ch i n a J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 1 3 ，C h i n a Abs t r ac t S o me s o f t wa r e we r e o f t e n ne e de d a n d us e d t o b u i l d n u me fie M mo de l s o f me c h a n i c a l s y s t e m i n o r d e r t o a c hi e v e s y s t e m d y n a mi c a l b e h a v i o r s ，a n d we r e c a l c u l a t e d u n d e r r e q u i r e d w o r k i n g c o n d i t i o n S O a s t o g u i d e t h e d e s i g n o f s y s t e m． B y t a k i n g a h y d r a u l i c d a mp e r a s a n e x a mp l e ，t h e MS C ． Ad a ms a n d MS C ． Ea s y 5 we r e u s e d f o r C O - s i mu l a t i o n，a n d d y n a mi c a n a l y s i s wa s r e a l i z e d f o r t h e me - c ha n i c al s y s t e m．Th e c alc ul a t i o n r e s ul t s s h o w t h a t b o t h r e s ul t s o f C O - s i mul a t i o n mo d e l a n d o r i g i n al mo de l a y e a pp r o x i ma t e l y s a me ． At t h e s a me t i me，i n t h e C O s i mu l a t i o n mo d e l ，t h e n u me r i c a l mo d e l mo r e a p p r o a c h e d t o r e al mo d e l i s o b t a i n e d b y a n aly z i n g d a mp e r i n t e r n a l s t r u c t u r e S O a s t o i mp r o v e c alc u l a t i o n a c c u r a c y o f s i mu l a t i o n ．A r e s e a r c h i n g t o o l i s p r o v i d e d f o r f u r t h e r a n aly z i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n ph y s i c a l s t ruc t u r e a n d wo r k i n g c ha r a c t e r o f t h e da mp e r ． Ke y wo r d s MS C ． Ad a ms ；MS C ． E a s y 5； C o s i mu l a t i o n；Hy d r a u l i c d a mp e r ；W o r k i n g me c h a n i s m 在机械系统 的设计 阶段预测 系统 的动态特性是设 计人员的一个重要 内容 。为 了得到系统动态特性 ，常 常需要借助软件建立机械系统 的数字化模型 ，在要求 的工况下进行计算 ，得到预测结果 ，以指导 系统 的设 计 。针对不 同的系统特性分析 ，存在着不 同的分析 系 统 。M S C ． A d a m s和 M S C ． E a s y 5是 得 到 广 泛 应 用 的 C A E分析软件 。MS C ． A d a m s 是机械系统 的分析软件 ， 它集成机械元件、气动、液压 、电子 和控制系统技 术 ，能够构建和测试虚拟原型 ，从而可 以准确地解 释 这些子系统之间的相互作用。E a s y 5能提供准确的、 可靠 的多领域建模 和动 态物理 系统模 拟 ，尤其擅长 于 包括控制系统 、液压系统 包括热效应 、气动、气 体流动 、热 、电、机械 、制冷 、环境控制 、润滑或燃 油 系统 、和抽样 数据／ 离 散时 问行 为 的分析 。利用 这 两个软件进行 联合 仿 真 可 以建立 接 近实 际 的机 械 系 统 ，得到准确的结果 。 通常在 A D A M S中使用特征创建工具建立一个机 械系统 或是直接 从一个 C A D的软件包 中导入 机械 系 统。这个机械系统可 以在 A D A MS中进行 运 动学和 动 力学 的分析 ，也可 以输 出系统 的微 分方 程。而 E a s y 5 为 M S C ． A d a m s 模型提供了接 口，可以导入 A d a m s 模 型进行联合仿真。联合仿真的模型可以在 4种模式下 工作 1 函数赋值方式。在 E a s y 5中对联合模型进行 计算时，使用 E a s y 5的求解器对 E a s y 5的模型方程和 A d a m s 的模型方程进行求解。在求解时，作为函数求 解接 口，A d a m s 返 回与 E a s y 5模 型相 关 的状 态变量 和 P l a n t 变量输 出 ，而在 E a s y 5计 算后 再 把 状 态变 量 和 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 1 5 基金项 目国家 自然基 金项 目 5 1 0 0 5 0 7 5 ；江西省 自然基金项 目 2 0 1 3 2 B A B 2 1 6 0 2 6 ；华 东交通大 学校基金 项 目 I O J D O1 作者简介张海 1 9 7 8 一 ，男，博士研究生 ，从事高速铁道车辆轮轨关系研究。E m a i l z h a n g h a i v i p ． s i n a ． C O rn。 1 4 0 机床与液压 第4 2卷 合实现活塞单向阀的功能 ，如图 8中元 件 6所 示 ；在 E a s y 5中使用常通孔 、单向阀组合实现底阀的功能， 如图 8中元 件 4所示 。 图 7 阀片有限元模型 表 1 减振器参数 最后在 E A S Y 5中根据 减振 器工 作 原理 ，建 立减 振器 的液压模 型 ，如 图 8所示 。 1 ． 3仿真结果与试验数据的比较分析 在 E A S Y 5中对 于 活塞不 同 的速度 5 ，1 O ，2 0 ， 3 0 ， 4 0 ，5 0 ，6 O m m ／ s 下进行动态仿真 ，其仿真示 功图线如 图 9所 示 。同时 减振 器 的试 验示 功 图如 图 1 0所示 。 Z 幽 图9 不同速度的仿真示功图 l 1 0 m m ／ s 2 一 v 20 m m ／ s 3 一 v30 m m ／ s 4 一 v 4 0 mm／ s S v 5 0 mm／ s 6 一 v 6 0 mini s 图 1 0 试验示功 图 试 验数据与减振器仿真数据相对 比如表 2所示 。 l 一拉伸腔2 一节流阀3 一蓄油缸4 一底阀5 一压缩腔6 一活塞 单 向阀7 一 活塞8 一位 移 信号 发 生器9 一 速度 信 号 发生 器 图 8 减振器数值液压模型 表 2 减振器试验与仿真数据对 比表 仿真阻尼力和试验阻尼力相对误差很小 ，最 大为 6 ． 6 7 ％，最小仅为 0 ． 7 0 ％。这说 明建立的 E A S Y 5模 型 比较精确 ，可 以进一步进行仿真研究 。 2 在 M S C ． A D A MS中进行机械振动系统仿真分析 2 ． 1 A D AMS的机 械振 动 系统模 型 在 A d a m s ／ V i e w 中建 立 单 自由度 质 量 块 振 动 系 统 ，并在质量 块 上 添加 一 个 瞬 时力 E x F r o c e ，如 图 1 1 所示 ，参数见表 3 。同时为了建立联合仿真模型， 把阻尼器去除 ，添加一个作用力 D a mp e r _ F o r c e 。创建 3 个状态变量 D a m p e r _ F o r c e m a g ， D a m p e r a c t e x t e n s i o n， Da mp e r a ctr a t e ，其 中 D a m p e r F o r c e m a g 表示作 用力 D a m p e r F o r c e的数 值 ，D a m p e r a c t e x t e n s i o n表 示作用力 D a m p e r F o r c e 两端 的位移 ，D a m p e r a c t r a t e 表示作用力 d a m p e r _ F o r c e 两端的相对速度 。修改后 的 第 1 1 期 张海 等 基于 E a s y 5和 A d a ms 的液压减振器联合仿真 1 4 1 模型如图 1 2 所示 。 图 1 1 单 自由度质量块振动系统 表3 单自由度质量块振动系统参数 图 1 2 修改后振动系统 将修改后的模型中的状态变量分别保存成 p l a n t 变量导 出 ，系统将生成 p l a n t 的 a d m和 c m d文件 ，以 供 E a s y 5调用 。 2 ． 2 机械振动 系统模型的仿真分析结果 设定 瞬时 力 E x F r o c e为 阶 跃 变量 S T E P t i m e ， 0 ， 5 0 0 0 0 ，0 ． 1 ， 0 。仿真后得到质量块的位移变化 曲线如图 1 3所示 ，使用 A d a m s ／ P o s t P r o c e s s o r 的 F 丌 工具 ，得 到质量块 位移 P S D图，如 图 1 4所 示 。可 以 发现模 型的振动 主频在 3 H z 左右。 频率／ Hz 图 1 3 质量块的位 图 1 4 质量块位移 移变化曲线P S D图 3 基于 E A S Y 5和 A D AM S的机械振动系统联合仿 真 3 ． 1 联合仿真模型 在 E a s y 5的元件库中选择 E x t e n s i o n s 扩展库 ，在 M S C ． S o f t w a r e 元件库 中选择 “ A D A MS Me c h a n i s m”元 件。把元件拖入模型区。设置元件的属性为 A d a m s ／ V i e w导出的 P l a n t 文件 ，选择 “ C o s i m u l a t i o n ”方式， 并如图 1 5连接 E a s y 5模型中的元件，使得 D a m p e r a c t e x t e n s i o n，Da mp e r a ctr a t e 分别与 C D元件的位移 和速度连接 ，D a m p e r _ F o r c e m a g与 C D元件 的阻尼力 连接 。 ． 图 1 5 联合仿真模型 3 ． 2联合仿真的结果分析 分别对 E a s y 5的模型和 A d a m s ／ V i e w中的质量块 振动系统原始模型进行仿 真计算 ，并且在 A d a m s ／ P o s r p r o c e s s 中进行对 比，结果 如 图 1 6和 图 1 7 。从 图 1 6和图 1 7可知 ，使用 E a s y 5描述的非线性阻尼器的 模型仿真结果相对于 A d a m s的原始模型有一个相位 的滞后，这主要是由于 E a s y 5描述的阻尼器考虑了油 液的刚度，使得阻尼器在工作时有别于无刚度阻尼 器 。 宣 皇 坦 昌 邑 越一 一 - - 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 时 间， s 图 1 6 质量块位移 比较 图 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 时 间， s 图 1 7 质量块移动速度比较图 下转第 1 5 2页 2 m 0 1． 2加 八二 二 二 二 一 ． r 一 [ 1 5 2 机床与液压 第 4 2卷 图5为 3种螺距下液 压缸的跟踪误差曲线 ，观 。 。 察单个跟踪误差曲线可 l 分析了螺旋传动机构中阀芯螺杆螺距对数字液压缸性 能的影响。结果表明在其他条件都相同的情况下 ， 阀芯螺距 P增加 即增益增大 ，液压缸的位移滞后 量减小 ，位移幅值增大，系统的动态跟踪误差及静态 误差减小 明显，数字液压缸 的精度提高。从本质上 说 ，阀芯螺距的增大增大了数字液压缸 的系统增益， 使得系统频响提高，液压缸位移跟踪效果改善。但值 得注意的是过大的增益可能导致数字液压缸系统的不 稳定，在设计螺旋传动机构应进行稳定性分析。 参考文献 [ 1 ]李良福． 国外动力液压缸的发展状况[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 2 ， 1 1 9 91 1 ． [ 2 ]邱法维， 沙锋强， 王刚， 等． 数字液压缸技术开发与应用 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 7 6 0 6 2 ． [ 3 ]吴文静， 刘广瑞． 数字化液压技术的发展趋势[ J ] ． 矿山 机械， 2 0 0 7 ， 3 5 8 1 1 61 1 9 ． [ 4 ]魏祥雨． 闭环控制数字液压缸研究[ D] ． 重庆 重庆大 学， 2 0 0 5 ． [ 5 ]魏祥雨 ， 王世耕， 胡捷， 等． 闭环控制数字液压缸及实验 研究[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 5 7 1 9 2 2 ． [ 6 ] 潘易龙 ， 张毅， 魏祥雨． 闭环控制数字液压缸及其控制系 统[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 5 3 3 43 6 ． [ 7 ]宋飞， 邢继峰 ， 黄浩斌． 基于 A ME S i m的数字伺服步进液 压缸建模与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 1 5 1 3 3 1 3 6 ． [ 8 ]肖志权， 彭利坤 ， 邢继峰， 等． 数字伺服步进液压缸的建 模分析[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 7 ， 1 8 1 6 1 9 3 51 9 3 8 ． 上接第 1 4 1页 4结论 A d a m s 具有多体动力学仿真分析 的优势，E a s y 5 具有液压和控制仿真分析的优势。A d a m s 与 E a s y 5的 联合仿真可以更有效地进行复杂机械振动系统动力学 研究 。 实现了液压减振器的联合仿真，数据通过 T C P ／ I P 在 两个软件 之 间传递 ，联合 仿真 的结 果 与实 际试 验数据基本 吻合。基于 A D A MS和 E a s y 5的液压减振 器联合仿真研究 ，可以更准确地描述液压减振器的内 部物理结构与工作特性的关系，更深入研究复杂机械 振 动系统动力学特性 。 参考文献 [ 1 ]杨国桢， 王福天． 机车车辆液压减振器[ M] ． 北京 中国 铁道 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]A L O S O N A， G L M E N E Z J G ． D a m p e r M o d e l l i n g a n d I t s I m p l e me n t a t i o n i n R a i l w a y S i m u l a t i o n P r o g r a m [ M] ． N o n s mo o t h Pr o b l e ms i n Ve hi c l e S y s t e m Dy n a mi c s， 2 01 0． [ 3 ]A L O N S O A， G I M N E Z J G， G O ME Z E ． Y a w D a mp e r Mo d e l l i n g a n d i t s I n fl u e n c e o n R a i l w a y D y n a m i c S t a b i l i t y[ J ] ． V e h i c l e S y s t e m D y n a m i c s S 0 0 4 23 1 1 4 ， 2 0 1 1 ， 4 9 9 1 3 6 71 3 8 7． [ 4 ]曾恒 ， 杨建伟， 李捷． 基于 A D A MS ／ H y d r a u l i c s的减振器 设计与特性仿真研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 7 7 4 7 6． [ 5 ]张玉东， 董丽君． 铁道机车车辆液压减振器系统仿真研 究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 4 1 0 1 0 81 1 0 ． [ 6 ]周新建 ， 陈北平． 基于 E A S Y 5和 A D A MS的双筒式液压 减振器扫频研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 2 1 8 6 1 8 8． [ 7 ]P I E R S O L A G， P A E Z T L ． S h o c k a n d V i b r a t i o n Ha n d b o o k [ M] ． T h e Mc G r a w Hi l l c o m p a n i e s ， 2 0 1 0 ． [ 8 ]MS C ． S O F T WA R E公司． U s i n g A D A MS ／ S o l v e r C w i t h AD AMS ／ C o n t r o l s i n a n MS C ．E AS Y5 C o ． s i mu l a t i o n [ M] ． MS C ． S O F T WA R E公司， 2 0 1 0 ． 『 9 ]MS C ． S O F 1 WA R E公 司． E A S Y 5 2 0 1 0 R e f e r e n c e M a n u a l [ M] ． MS C ． S O F T WA R E公司 ， 2 0 1 0 ．