基于AMEsim的液壓系統建模與仿真

恭飛 王雪婷 杜奕

摘 ?要： 隨著機電液一體化技術的發展，液壓系統動作的控制精度、復雜程度、動態響應特性已成為液壓領域研究的熱門課題，而傳統的液壓系統設計手段已無法滿足要求，據此基于AMEsim軟件對液壓系統進行仿真設計研究，同時提出了一種液壓介質的建模方法，然后搭建一個調壓回路系統，通過建模過程，詳細介紹了AMEsim軟件的液壓仿真模塊，并對常用模塊進行舉例分析，目的是為液壓仿真提供一種有效的仿真手段，為液壓系統的前期研究提供理論分析基礎。

關鍵詞： AMEsim;液壓系統;建模;仿真

中圖分類號： TP319 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.009

本文著錄格式：恭飛，王雪婷，杜奕. 基于AMEsim的液壓系統建模與仿真[J]. 軟件，2020，41（01）：4245

【Abstract】： With the development of electromechanical and hydraulic integration technology， the control precision， complexity and dynamic response characteristics of hydraulic system operations have become a hot topic in the field of hydraulics research， and the traditional hydraulic system design methods can not meet the requirements， based on AMEsim software. The hydraulic system is simulated and designed. At the same time， a hydraulic medium modeling method is proposed. Then a voltage regulation loop system is built. Through the modeling process， the hydraulic simulation module of AMEsim software is introduced in detail， and the common modules are analyzed. The purpose is to provide an effective simulation method for hydraulic simulation， and provide theoretical analysis basis for the preliminary research of hydraulic system.

【Key words】： AMEsim; Hydraulic system; Modeling; Simulation

0 ?引言

現代液壓系統設計不僅要滿足靜態性能要求，更要滿足動態特性要求。隨著計算機技術的不斷發展，利用計算機進行數字仿真已成為液壓系統動態性能研究的重要手段[1-3]。而計算機仿真必須具有兩個主要條件：一是建立準確描述液壓系統動態性能的數學模型;二是利用仿真軟件對建立的數學模型進行數字仿真。當前隨著流體力學、現代控制理論、算法理論和可靠性理論等相關學科的發展，尤其是計算機技術的迅猛發展，液壓仿真技術也得到快速發展并日益成熟，成為液壓領域科研人員十分有效的工具手段。

現今在液壓領域國內外流行的仿真軟件主要有FluidSIM、Automation Studio、HOPSAN、Hypneu、EASY5、ADAMS/Hydraulics、Matlab/Simulink、SIMUL-ZD、DSHplus、20-sim、AMEsim等11種液壓仿真軟件。其中AMEsim軟件是法國IMAGINE公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機械系統建模、仿真及動力學分析軟件[4-8]。該軟件包含IMAGINE技術，為項目設計、系統分析、工程應用提供了強有力的工具。

1 ?AMEsim液壓系統建模

1.1 ?液壓系統的組成

液壓系統的組成主要包括四個部分，如圖1所示分別是能源裝置、執行裝置、控制調節裝置和輔助裝置。

（1）能源裝置——機械能轉化為液壓能的裝置，最常見的能源裝置是液壓泵。

（2）執行裝置——液壓能轉化為機械能的裝置，主要有液壓缸和液壓馬達等。

（3）控制調節裝置——系統的壓力、流量和方向控制調節裝置，如溢流閥、節流閥、換向閥等

（4）輔助裝置——包括油箱、過濾器、油管、散熱裝置等。

表1所示為在AMEsim軟件中本文搭建的液壓系統選用的裝置的主要元件的符號圖。

1.2 ?液壓系統建模步驟

在AMEsim軟件中建立液壓系統的模型主要包括四個步驟，分別是草圖模式、子模型模式、參數模式和運行模式。

本文主要依據AMEsim軟件應用庫中的液壓庫、液壓元件庫和信號庫建立一個液壓系統壓力控制回路仿真模型，壓力控制回路是指控制液壓系統整體或某部分的壓力[9，10]，以使執行元件獲得所需的力矩和轉矩或保持受力狀態的回路。它包括調壓回路、卸荷回路、平衡回路、保壓回路和卸壓回路等，其中調壓回路是壓力控制回路中最基本的回路，據此本文建立了一個利用先導式溢流閥進行調壓的回路系統，如圖3所示為先導式溢流閥的結構圖。它的主要工作原理是，它主要由先導閥和主閥組成，主閥左腔設有遠程控制口K。當K口關閉時，系統的壓力作用與主閥芯6左右兩側及先導閥1上。當先導閥1未打開時，腔中液體沒有流動，作用在主閥芯6上下兩側的壓力平衡，主閥芯6被主閥彈簧8壓在下端位置，閥口關閉。當系統壓力增大到使先導閥1打開時，液流通過阻尼孔5和先導閥1流回油箱。由于阻尼孔的阻尼作用，使主閥芯6上端的壓力大于下端的壓力，主閥芯6在壓差的作用下向下移動，打開閥口，實現溢流作用。調節先導閥1的調壓彈簧9，便可實現溢流壓力的調節。

根據以上先導式節流閥的結構和工作原理分析，在AMEsim軟件上對其建模的具體步驟如下所示。

主要建模步驟是：

（1）草圖模式（Sketch mode）

如圖3所示，在library tree窗口中選擇Hydraulic液壓庫模塊，建立了一個包含液壓源、動力源、先導式溢流閥、液壓缸和負載等元件的液壓換向回路系統。

（2）子模型模式（Submodles mode）

草圖模式完成后，點擊工具欄中的submodles mode進入子模型模式，該模式中主要是為每一個元件選擇一個合適的數學模型假設，此步驟能對草圖模式中搭建的模型合理性進行驗證，AMEsim具有強大的數學建模程序，通常沒有特殊要求的情況下選擇系統默認的Premier submodel模式，如圖4a所示為未設定子模型模式的系統圖，圖b所示為設定的合理子模型模式圖。

（3）參數模式（Parameters mode）

參數模式主要是為每個元件的子模型設定所需要的特定參數，在該模式下建立的參數數據應該根據搭建的液壓系統的實際參數進行設定，此項模式只需對液壓系統有一定的理論基礎就可以完成。而現有論文中對液壓介質的參數設定還沒有涉及，本

文將介紹一種利用參數模式進行液壓介質的建模的方式，建模步驟包括首先在參數模式下選擇液壓介質圖標，然后選擇Media Property Assistant模式，最后根據應用液體的流體屬性特征值進行參數設定

完成定制化的液壓介質，如圖5所示為一種含有95%的水和納米材料的液壓介質參數設定。

（4）運行模式（Run mode）

運行模式是仿真結果的關鍵，它的合理與否可以決定仿真的真實性性，用戶主要在運行參數對話框中設定仿真開始、結束時間、通信間隔、最大時間步長以及誤差限即可進行仿真并分析仿真結果，以上設定主要在如圖6所示的對話框中進行。

2 ?AMEsim液壓系統仿真

根據第2節的建模步驟，建立了如圖7所示的仿真模型。

通過以上仿真模型的仿真結果，我們可以對該系統的調壓回路的壓力實驗結果進行分析。如圖8示為溢流閥的進口壓力與出口壓力的比較，圖9所示為節流閥進口與出口的壓力差，從圖中可以看出圖8與圖9的差值均為3.65bar，根據仿真模型圖可以看出液體從泵流出后經過了兩條回路，一路流向溢流閥另一路流向節流閥，節流口進出口壓差主要是節流孔作用形成的，溢流閥的壓差主要是閥內彈簧力的作用。

3 ?結論

由以上AMEsim建模仿真過程可以得出，該軟件的基本步驟看似簡單，但真正仿真一個實際系統，使其達到預期的結果并不那么容易，對液壓系統進行仿真時，不僅系統整體結構的數學模型起著決定性作用，各個元件子模型中的結構參數也同樣重要，合理的設定這些參數往往比較困難。因此，設置參數、分析結果并修改參數是仿真中的重要環節。

參考文獻

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