仿真技术在液压系统中的运用及展望.pdf

Hy d r a u l i c s Pn e u ma t i c s S e a l 8 ， NO ． 0 9 ． 2 01 4 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ．is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ．2 0 1 4 ．0 9 。 0 0 1 仿真技术在液压系统中的运用及展望 付久长 ， 王永杰 ， 马 龙 ， 马 涛 1 ． 6 3 9 8 1 部队， 湖北 武汉4 3 0 0 0 0 ； 2 ． 武汉军械士官学校 。 湖北 武汉4 3 0 0 0 0 摘 要 该文对仿真技术在液压系统中的运用进行 了全 面分析 ， 分别对液压系统动态性能仿真 、 液压驱动机械性能仿真、 液压元件流场仿 真 和液压系统视景仿真四个方面进行 了阐述和分析， 对其软件实现方法及相关 软件作了简要介绍。 最后对液压领域仿真技术 的发展趋 势进行 了展望 。 关键词 液压 系统 ； 仿真 ； 运用 ； 展望 中图分类号 T P 3 9 1 ； T H1 3 7 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 9 0 0 0 1 0 3 Ap p l i c a t i o n a n d P r o s pe c t o f S i mu l a tio n Te c h n o l og y i n Hyd r a u l i c S y s t e m F U J i u t h o n g ， W A N G Y o n g - j ， M A L o n 兽 2 ， M A T a o 1 ． T r o o p s 6 3 9 8 1 P L A， Wu h a n 4 3 0 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Wu h a n Me c h a n i c a l C o l l e g e ， Wu h a n 4 3 0 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r t h e a p p l i c a t i o n o f s i mu l a ti o n i n h y d r a u l i c s y s t e m i n c l u d e d y n a mi c s i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m， s i mula t i o n o f h y d r a u l i c d r i v e n ma c h i n e r y ， fl o w s i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s a n d v i s u a l s i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m w a s b e i n g a n a l y s e d a n d i n t r o d u c e d ． Th e r e ali z e d me t h o d and s o f t w a r e w a s b e i n g i n t r o d u c e d ． I n t h e e n d o f t h i s p a p e r t h e d e v e l o p me n t p r o s p e c t o f s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y i n h y d r a u l i c s y s t e m wa s e x p l a i n e d ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m； s i mu l a t i o n； a p p l i c a t i o n； p ros p e c t U 日 IJ舌 目前 ， 液压系统在保持着其所具有的高传动 比、 响 应快及低速性好等传统优势 的同时 ， 正 向小型化、 轻质 化 、 智能化发展 。液压系统在机械系统中所 占的比重越 来越大 ， 在基础制造业 、 国防和航空航天等领域发挥着 越来越重要的作用。同时工程领域对其可靠性、 精确性 和快速性等性能提出了更高 的要求 。仿真技术 因其独 特 的优势在液压领域被越来越广泛 的运用 ．大大提高 了液压技术的发展速度 1 仿真技术在液压系统中的运用及软件 实 现 1 ． 1 液压系统动态性能仿真 液压系统动态性能仿真分析是液压仿真领 域最为 主要和研究最早的技术 。其一般包括建立液压系统动 态数学模型 、求解数学模型及仿真结果分析等几个步 骤 。液压动态仿真技术 已经成为液压系统 和液压元件 设计与性能分析的必要方法 。 该技术的主要发展历程有相关文献 已作过详细介 收稿 日期 2 0 1 4 0 1 2 3 作者简介 付久长 1 9 8 7 一 ， 男 ， 湖 北枣阳人 ， 工程 师 ， 硕士 ， 主要 从事导弹 装备液压系统的研究和维修工作。 绍[ 1 ] 。目前 。 国外在这方面的研究 已经相当成熟 ， 很多软 件已经商业化并投入使用 ．如荷兰 的 2 0 一 s i m。英 国的 B a t h f p， 瑞典的 H o p s a n 。 德国的 D S H 等。综合系统仿真 软 件 具 代 表 性 的 有 法 国 的 AM E S I M．波 音 公 司 的 E A S Y 5等 。 我国在这方面也作了很多 的研究 。 其中相对 成熟 的有浙江大学的 S MU L ／ Z D液压仿真专用软件 ． 大 连理工大学 的 S I M液压系统通用仿真软件包闭． 北京航 空航 大大学 的 F P S通用仿 真软件 ．上海交通 大学 的 HY C A D仿真软件 。目前 国内对 液压系统进行性能分 析 主 要 使 用 法 国 的 AME s i m 和 美 国 的 E A S Y 5 。 以 A ME S i m液压仿 真软件为例对液压系统动态仿真作简 要说明。AME S i m仿真软件使用图形化的操作界面 。 基 于液压原 理图进行建模 ．不需要工程人员掌握过多的 仿真专业 知识 其仿真步骤为首先在方案模式下根据 液压系统原理 图在仿真环境下建立液压系统模型 ． 然 后在子模 型模式下 为每个液压元件选定最合适的子模 型 。 在参数模 型下设定每个液压元件 的参数 、 仿真时间 和仿真步长 。最后在运行模式下对仿真模型进行仿真 ， 得到需要的数据 。 并对数据进行分析 。同时 A ME S i m拥 有众多的软件接 口便于与其他软件进行联合仿真。 图 1 为 A ME S i m软件的仿真界面。 1 ． 2液压驱动机械性能仿真 液压 系统在工程领域特别是在工程车辆上运用越 1 液 压 气 动 与 J ／ 2 0 1 4年 第 0 9期 来 越广泛 在分析此类液压系统时若不考虑其执行机 构对液压回路造成的影响，或单纯将执行机构 的负载 、 扭矩等参数以定量表示 ．必然使仿真的精度大大降低。 液 压 系 统机 械 部 分 的 构成 及 其 受 力情 况 对 液 压 系统 的 执行效率 、 响应时间等性能参数都有很大影响 对液压 系统的机械部分进行仿真分析 ． 从而近一步对液压系统 进行设计和改进 ．成为液压 系统仿真的另一个重要方 面。通过建立液压系统执行机构 的虚拟样机 ． 观察各部 件 的相对运动情况 ． 从而模拟真实的液压部件及其执行 元件的动作情况 ， 改进缺陷 ． 制造出合理的物理样机[ 3 1 图 1 AME Si m 仿 翼 软 件 界 面 美 国的 A D A D MS软件 是世界上使 用最广泛 的机 械系统分析软件 ．也是对液压系统机械部分进行仿真 的一种常用软件 A D A MS提供 了动力学方程和运动学 方程的 自动数值求解方法 ．能对多刚体系统进行动力 学和运动学分析 。液压系统机械执行部分 的三维模 型 一 般由 P r o ／ E n g i n e e r 等软件建模 ．并将其导入 A D A MS 中 在 A D A MS中建立液压系统机械执行机构模型时不 必研究其动力学模型 ．只要能够保证机构模型尺寸和 约束定义精确就能得到精确 的动力学性能参数 ．从而 模拟执行机构不 同的运动状态 ．计算出不 同的姿态下 液压缸活塞上的质量 、 负载、 位移 和速度等参数[4 1 ． 精确 模拟执行机构姿态及负载状态参数 变化对液压系统产 生 的影响 A D A MS ／ H y d r a u l i c s 模块 可用于仿真由液压 系统驱动的复杂机械系统 如工程机械 、 汽车制动转 向 系统等 ，另外可用 A D AMS建立执行机构的虚拟样机 并 和 A ME S i m所建立的液压系统进行联合仿真 ．将机 械系统与液压系统设计分析无缝集成 为一体 ．从 而建 立机、 液一体化的模 型。 1 ． 3 液压元件流场仿真 液压系统 内各元件都有 自己独特 的流道结构 ． 特 2 别是当前集成化的情况下 ．各种多功能 的集成 阀内部 流 道结 构 更 为 复 杂 液 压油 在 经 过 液压 系 统 各类 孑 L 和 流道时会产生压力损失和能耗 ， 并使系统发热 、 产生噪 声 建立流道的仿真模型利用流场有限元技术进行流 场仿真 ．分析流道的速度场和压力场对流道结构进行 优化 ．从而减小液压元件通流时的压力损失 和能量损 失 ．提高系统压力 。目前使用较 多的流场分析软件是 AD I N A、 A N S Y S和 F L U E N T 。 这里以 F L U E N T为例对流 场仿真分析软件作简要说 明。 F l u e n t 软件能推 出多种优化 的物理模型 ． 针对每一 种物理问题的流动特点 。 有适合它的数值解法 ， 用户可 对显式或隐式差分格 式进行选择 ， 以期在计算速度 、 稳 定性和精度等方面达到最佳 高效率地解决各个领域 的复杂流动的计算 问题l 5 】 在对液压元件进行流场仿真 分析 的过程中 ．首先建立要仿真的流场区域 的几何模 型并对其 进行 网格 划分 ．然后 将划分 好 的网格导人 F L U E N T， 在 F L U E N T中选择求解器 、 设置材料参数 、 边 界条件等参数 ． 最后进行迭代计算 ． 完成求解。 1 ． 4液压 系统 视 景仿真 随着计算机处理能力的提高 ．视景仿真技术在各 行业 中的运用也越来越广泛 液压领域 的可视化仿真 技术主要运用于液压产 品的设计演示及液压系统使用 训练和维修训练 在液压领域 引入视景仿真技术加速 了液压技术 的推广 ．极大地节省 了液压维修人员和操 作人员 的训练经费 。实现液压系统视景仿真， 首先使用 C r e a t o r 、 P r o ／ E n g i n e e r 等软件建立起液压系统 的三维模 型 在液压产 品演示运用中一般运用 3 D MA X对液压 系统三维模型进行编辑和渲染 。最后生成演示动画闾 。 在液压系统 的维修仿真训练运用 中．通过三维建模软 件建立起 系统的虚拟样机之后 ．并给出维修拆卸过程 模型、 维修仿真运用模型和人机交互模型。在实现液压 系统视景仿真实现仿真训练时．需要在仿真系统 中加 入液压系统 的动力学仿真模 型 ．在仿真系统运行过程 中．视景程序不断搜索动力学系统所发出的控制信号 。 视景程序将所获得的控制信号用于渲染操作 的场景。 同 时视景程序将根据运动部件工作的不 同阶段发送反馈 信号到共享内存 中． 动力学仿真程序将截获这些信号用 于修改控制参数 ． 从而完成整个系统的闭环控制 。 液压 系统视景仿真只是视景仿真技术的一个运用 ．对于视 景仿真的实现软件这里就不再专 门介绍 2展望 仿真技术在液压领域和各个方面得到了广泛的运 用 随着仿真技术 自身的发展与成熟及对液压 系统研 下转第 1 0页 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 9期 工况 2 拆下 限速 阀阀芯 ， 装好安全 阀， 满载举升下降 。 工况 3 装好限速 阀芯 ， 拆下安全阀芯 ， 满载举升下降。 1 一 液 压 泵2 一 溢 流 闽3 一 含 被 测 阀 的起 升 油 缸4 一 压 力 表 5 一 流量计6 一电磁开关 阀7 一 电磁换 向阀 图 4被测阀试 验原 理图 工况 1和工况 3均设有限速 阀．所 以不管是否装 有安全阀芯 ， 在满载下降时 。 达 到限速 阀的限速流量 。 工况 2没有限速 阀， 满载下降时 ， 安全阀工作 。需要记 录油缸活塞杆收回整个过程油缸油 口流量与活塞杆收 回的 时间 根据性能试验 、整机试验与数学模型结果进行对 比． 可调整数学模型的相关参数 。 4 结语 叉车起升油缸安全 阀的设计重点为静态计 算与运 用数学模 型模拟安全 阀工作过程 ，将样件装配至相应 的起升油缸 内进行性能试验与整机试验 ，对数学模型 模拟结果与试验结果进行符合性对 比。 修正数学模 型。 根据客户对叉车起升油缸的安全性要求 ．可更改相应 参数 ． 快速完成设计 ， 缩短产品研制时间。 参 考 文 献 [ 1 ]1 雷天觉 ． 新编 液压工程 手册[ M】 ． 北 京 北京理工 大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 】 姜继海 ， 宋锦 春， 等． 液 压与气 压传动[ M 】 ． 北京 高等教 育 出版 社 ． 2 0 0 9 ． ～ 【 3 】 盛敬超． 工程流体力学[ M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 4 ] 李洪人． 液压控制系统[ M】 ． 北京 国防工业出版社 ， 1 9 8 1 ． [ 5 】 J B ／ T 3 3 3 8 ． 2 1 9 9 3 ， 液压件 圆柱螺旋压缩弹簧设计计算【 S ] ． [ 6 ] 张英会． 弹簧[ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 2 ． I 上 接 第 2页 究 的深入 ． 仿真技术必将在液压领域 内得到快速发展 纵观仿真技术 的最新进展 ．笔者认为液压领域仿真技 术 主要有 以下几个发展方向 2 ． 1 将分布交互式仿真技术运用于液压仿真领域 分 布交互式仿 真基本 任务是 定义一 个层次 化结 构 。 主要提供接 E l 标准、 通讯结构、 管理结构 、 置信度指 标、 技术规范以及将异构仿真器加入到一个统一 的、 无 缝 的综合环境 中所必需的要素 ， 可将现有的不 同用途 、 不同技术水平 以及不同生产商提供的仿真设备集成一 体 ， 并实现交互使用嘲 。随着液压系统的复杂化和大型 化 。采用分布交互式仿真技术对于液压 系统的开发与 设计 ， 提高液压系统仿真效率具有重要意义 。 2 - 2多领 域仿 真技 术 的 融合 将液压领域 的仿真技术进行融合 ．开发大型专用 的液压仿真平 台， 在对系统进行性能分析的同时 ， 使用 视景技术将液压系统当前状态直观地表现在技术人员 面前。在计算机性能支持 的前提下 。 在液压系统性能仿 真过程中．以各液压元件流场分析确定液压系统的流 速和流量 ， 提高仿真精度 。 2 ． 3模块化的仿真模型 在液压系统动态仿真 的大部分软件都有 自己的液 压元件模型库 ．但是在液压元件流场分析与液压系统 视景仿真领域的模型都需要技术人员专门建模 ．使得 1 O 仿真的效率大大降低 。将仿真过程 中常使用的模型模 块化 ． 可大大提高仿真效率。 3 结束语 仿真技术在液压领域的运用 ． 对于提高系统设计的 可靠性 ． 缩短设计周期 。 降低设计成本和风险实现仿 真 维修训练都具有重要 的现实意义。 随着仿真技术的发展 和液压应用领域的扩大 ． 液压领域仿真技术必将会迈上 一 个新的台阶， 并对液压技术发展产生深远影响。 参考文献 [ 1 】 陈鹰 ， 谢 英俊 ， 徐立 ． 液压仿 真技术 的新进 展【 J ] ． 液 压与气动 ， 1 9 9 7 ， 1 4 - 6 ． 『 2 1 田树军． 液压系统动态建模与仿真方法研究及 通用仿真软件 包开发f D 1 ． 大 连 大连理工 大学 ， 1 9 9 1 ． 『 3 1 陈继芳 ， 周 晓军 ， 杜 兴吉 ， 郭 天太． 基 于虚拟样 机技术 的液压 支撑平 台动力学仿真『 J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 4 ， 1 1 4 2 4 4 ． 刘静 ， 潘 双夏 ， 冯培 恩． 基 于 A D A MS的挖掘机液压 系统仿真 技术[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 5 ， 3 6 1 0 1 0 9 1 1 2 ． f 5 1 李 勇 ， 刘 志友 ， 安 亦 然 ． 介 绍 计算 流 体 力 学 通 用 软件 F l u e n t [ J ] ． 水动力学研究与进展， 2 0 0 1 ， 1 6 2 2 5 4 2 5 7 ． f 6 1 李 炳文 ， 刘 海平 ． 3 D技 术在 单体 液压 支柱 产 品仿真 的应 用 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 6 ， 2 7 9 1 0 8 1 0 9 ． 『 7 1 王海洋 ， 方登 建 ， 韩笑雪． 大 型运 动机构的视景与动力学联合 仿真[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 9 ， 2 1 2 1 4 4 1 4 6 ． [ 8 】 邓 习树 ， 李 自光． 当前液压 系统仿真技术 发展现状及 趋势f J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 ， 1 2 O 一 2 2 ．