基于AMESim的調壓器的研究

馮艷明，戴鈺冰，李明，童明炎，孫勝

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基于AMESim的調壓器的研究

馮艷明，戴鈺冰，李明，童明炎，孫勝

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610213）

介紹了調壓器的作用、結構組成和工作原理，并根據調壓器的主要結構組成與工作原理，結合實際工況下的調壓器的各主要參數值，在AMESim環境下按照AMESim的仿真步驟及要求建立了調壓器的AMESim仿真模型。基于該仿真模型對充入調壓器的氦氣的體積、調壓器的橡膠囊的彈性系數等主要參數進行了仿真分析與研究，得出了調壓器在調壓過程中的溫度、氦氣壓力、氮氣壓力等主要參數的變化規律以及充入調壓器的氦氣體積、調壓器的橡膠囊彈性系數等主要參數對調壓器調壓特性的影響規律。

調壓器；AMESim；調壓特性

調壓器是變功率輻照考驗回路中的重要件，其調壓特性影響甚至決定著功率變化特性，因此，需要對調壓器調壓特性進行仿真分析研究。

1 AMESim

LMS Imagine.Lab AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）為多學科領域復雜系統建模仿真平臺。用戶可在這個單一平臺上建立復雜的多學科領域的系統模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入分析，也可在這個平臺上研究任何元件或系統的穩態和動態性能。通過AMESim，用戶從開發階段起就能對智能機電一體化系統的功能進行分析。由于專注于實際物理系統，AMESim將工程師從數值仿真算法和耗時的編程中解放出來。每個模型提供了最基本的工程元件，這些元件組合起來能夠描述任何元件或系統功能。AMESim擁有一套標準且優化的應用庫、4500多個領域的模型，已成功應用于航空航天、車輛、船舶、工程機械等多學科領域，成為流體、機械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復雜建模和仿真的優選平臺。

2 調壓器的結構與原理

調壓器結構如圖1所示，由筒體、吊耳、筒體法蘭、橡膠氣囊、橡膠氣囊進氣口、氦氣進氣口、氣囊法蘭組成。橡膠氣囊的外表面與筒體內表面緊貼，橡膠氣囊內充滿壓強為0.1 MPa、體積為153 L的氮氣。壓強為15 MPa、體積為1.3 L的氦氣經氦氣進氣口進入筒體內表面與橡膠氣囊外表面之間的間隙后，在高壓氦氣的作用下使橡膠氣囊發生擠壓變形。橡膠氣囊的變形使橡膠氣囊內的氮氣、橡膠氣囊外的氦氣的體積發生變化，進而使氦氣的壓強、體積發生變化，從而達到調節氦氣壓力的目的。

1.筒體2.橡膠氣囊3.吊耳4.筒體法蘭5.氦氣進氣口6.橡膠氣囊進氣口7.氣囊法蘭

3 調壓器的AMESim模型

根據調壓器的結構與工作原理和建立AMESim模型的四個步驟（Sketch圖形模塊、Submodels子模型模塊、Parameters參數設計模塊、Simulation仿真計算模塊）建立的調壓器仿真模型如圖2所示[2]。其中，橡膠囊的變形過程近似為線性過程，簡化為帶有彈簧的缸筒、活塞。初始狀態下橡膠囊的內表面積約為1.97×106mm2，厚為10 mm，查得橡膠的彈性模量為7.84 MPa，由＝·/得橡膠囊的彈性系數為1.54 N/mm。

圖2 調壓器仿真模型

4 仿真分析

在上述建立的仿真模型上進行調壓過程仿真。所有仿真過程忽略熱變形、制造精度、泄漏、環境對調壓過程和結果的影響，仿真模型的子模塊和參數模塊按照調壓器的實際結構、原理與參數進行選擇和設置。調壓器仿真模型中氦氣的壓力設置為15 MPa，體積1.3 L，橡膠氣囊內壓力設置為0.1 MPa，體積153 L，外表面積設置為2.06×106mm2，內表面積設置為1.96×106mm2，溫度均為常溫293 K。仿真時間設置為20 s，采樣時間0.01 s，控制信號控制氦氣在氮氣充滿橡膠氣囊1 s后充入調壓器。經仿真得出調壓器調壓過程中氦氣壓力、溫度變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 氦氣壓力變化曲線圖

由圖3可以看出氦氣的壓力由調壓前的15 MPa經過3 s迅速下降到13.9 MPa，緊接著經過6 s下降到13.8 MPa，并穩定保持在此壓力值，整個調壓過程用時9 s。

圖4 氦氣溫度變化曲線圖

由圖4可以看出氦氣的溫度由調壓前的193 K經過3 s迅速下降到287.8 K，緊接著經過6 s下降到287.3K，并穩定保持在此溫度值，整個調壓過程用時9 s。

由圖3和圖4可知，在調壓器調壓過程中氦氣的壓力與溫度變化趨勢相符合，均先迅速降低到一定值，然后緩慢降低且穩定在一定值。

5 參數研究

5.1 氦氣體積對調壓器調壓特性影響的研究

將充入調壓器的氦氣體積設置為1.3～15.3 L，步長為2 L，共8組，其它參數不變，基于上述仿真模型，進行批處理仿真，得出不同體積下氦氣的壓力變化曲線如圖5所示。可知，氦氣經過調壓器調壓后，壓力隨充入氦氣的體積增大而增大，在1.3～9.3 L范圍內充入氦氣的體積變化對調壓后氦氣的壓力變化影響較大，1.3～5.3 L范圍內影響最為顯著。當充入氦氣的體積大于9.3 L后對氦氣的壓力變化影響較小。

圖5 不同體積下氦氣的壓力變化曲線

5.2 橡膠囊彈性系數的研究

基于上述模型，將調壓器橡膠囊的彈性系數設置為0.64～2.74 N/mm，步長0.3 N/mm，共8組，其它參數不變，進行批處理仿真，得出不同彈性系數下氦氣的壓力變化曲線如圖6所示。可以看出，8條曲線重合為一條曲線，從而可得出在該范圍內橡膠囊的彈性系數變化對調壓過程和調壓后氦氣的壓力無明顯影響。

圖6 不同彈性系數下氦氣的壓力變化曲線

6 結論與展望

通過對調壓器進行基于AMESim的建模仿真分析，得到如下結論：

（1）調壓器的調壓特性曲線：氦氣壓力從15 MPa降低為13.8 MPa，溫度從293 K下降到287 K，整個過程用時9 s，壓力、溫度均是先急劇下降后緩慢降低。該調壓特性在理論上夠滿足變功率輻照考驗回路對調壓器的要求。

（2）充入調壓器的氦氣體積對調壓后氦氣壓力的影響規律：體積越大壓力越大，當體積為1.3～9.3 L時，對壓力有顯著影響，當體積大于9.3 L后對壓力的影響較小。

（3）橡膠囊的彈性系數對調壓后氦氣壓力的影響規律：在0.64～2.74 N/mm范圍內對調壓器的調壓過程和結果均無明顯影響。

[1]付永領，祁曉野. AMESim系統建模和仿真——從入門到精通[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2006：1-80.

[2]余佑官，龔國芳，胡國良. AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用[J]. 液壓氣動與密封，2005（3）：28-31.

Research on Pressure Regulator Based on AMESim

FENG Yanming，DAI Yubing，LI Ming，TONG Mingyan，SUN Sheng

( Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China )

This paper introduces the functions, composition and working principle of pressure regulator, and according to the main composition and working principle of the pressure regulator，combined with the main parameters of the regulator under actual operating conditions, the AMESim simulation model of the regulator is established under the AMESim environment according to the simulation steps and requirements of AMESim. Based on the simulation model, the main parameters such as the volume of the helium filled in the regulator, the elastic coefficient of the rubber capsule of the regulator and so on are simulated and studied. The changing rules of main parameters such as temperature, helium pressure and nitrogen pressure in the process of pressure regulation, as well as the influence of main parameters such as the volume of helium and the elastic coefficient of the rubber of the regulator on the pressure regulation characteristics of the regulator are obtained.

pressure regulator；AMESim；pressure regulation characteristics

TM423

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.011

1006－0316 (2018) 02－0042－03

2017－03－30

馮艷明（1987－），男，山西呂梁人，碩士研究生，研究實習員，主要從事放射性設備的設計與研究工作。