AMEsim在液壓傳動課程教學中的同步應用設計

陳建華 史文森 王瑞臣

（海軍潛艇學院 山東·青島 266199）

0 引言

液壓傳動課程是一門融合了機械、電子、控制等多個學科的課程，實用性強、知識面廣。在人才培養方案中，液壓傳動課程是我院武器系統與工程和武器發射工程兩個專業的必修專業背景課程，其主要作用是為后續首次任職培訓相關課程的學習打下液壓傳動方面的理論基礎。由于液壓元件結構復雜、種類繁多，且系統回路的運行過程比較抽象，因此教學難度較大。如何在有限的課時內提高課程教學的效果，夯實理論基礎，提高實踐能力，是教學改革中要解決的重要問題。為此，在教學過程中引入液壓仿真軟件是一個較為有效的方法。這方面此前也有一些嘗試，但并未考慮AMEsim在教學過程中的同步應用相關方法和具體問題，這正是本文主要關注的問題。

1 液壓傳動課程教學中面臨的問題

1.1 原理復雜，學員理解存在較大困難

作為一門專業背景課程，液壓傳動課程中的液壓流體力學、液壓元件和液壓回路等內容理論性比較強，且元件種類繁多、結構復雜，也無法直接觀察液壓回路運行情況，學員要真正理解各種液壓元件和回路的原理存在較大困難。

1.2 實踐偏少，創新實踐能力培養不足

課程總學時有限，理論知識點多，因此不可能安排太多實踐課時。而要在教學實驗臺上完成液壓回路的搭接往往耗時較多，且出現問題時排查比較困難，這些特點決定了學員在短時間內只能勉強完成實驗步驟，對液壓回路的運行也只能有一個初步體驗，而沒有太多機會深入思考，遑論創新。這就導致對學員創新實踐能力的培養嚴重不足，不符合高等教育的要求。

2 教學中液壓仿真軟件的選擇

在利用計算機進行液壓元件及系統仿真的相關研究和應用上，已有數十年的歷史。當前，液壓仿真軟件已出現10余種。其中應用較多的主要有3種，分別是Simulink、FluidSIM和AMEsim。

2.1 Simulink軟件

Simulink實際上是Matlab的一個模塊，是基于傳遞函數和系統方框圖來進行動態仿真的。該軟件通過集成大量基本程序模塊，使用戶在進行建模時可以直接從基本模塊庫中選擇所需模塊，并合理設置仿真參數，從而完成控制系統的建模和仿真分析。Simulink的優點是可以直觀地對液壓閥進行相關結構參數優化，但缺點是建模過程中需要先列出數學方程或相應的傳遞函數，因此對數學基礎要求較高，掌握起來難度較大。當然，Simulink畢竟不是一款專門用于液壓傳動仿真的軟件，一般只能進行某些液壓元件和部分能夠用傳遞函數形式表達的簡單回路的仿真，因此應用范圍相對較小。

2.2 FluidSIM軟件

FluidSIM仿真軟件由一款專門用于液壓、氣壓傳動及電液壓、電氣動的教學培訓軟件，通常包含FluidSIM-H和Fluid-SIM-P兩個模塊，分別用于液壓傳動和氣壓傳動。其主要優勢是用戶界面直觀，采用圖形操作，移動圖標即可設計回路，較易掌握，特別是能夠較為直觀地展示對液壓、氣壓傳動系統的動作過程。但其缺點是不能進行機、電、液、氣聯合仿真，數據分析和處理能力相對較弱。因此更適合于教學培訓中輔助理解液壓原理使用。

2.3 AMEsim軟件

AMESim軟件是一款工程系統高級建模和仿真的綜合性平臺軟件，但其具有強大的液壓氣壓仿真能力。該軟件首先是基于直觀圖形界面進行仿真建模的平臺，軟件內部集成了多種物理場的仿真模型，可以對很多復雜的系統進行相關特性分析。從液壓與氣壓仿真的角度來看，其優勢是既可以進行獨立的液壓氣壓元件及回路的性能和故障仿真，也可以進行機、電、液、氣聯合仿真，同時可以方便地與Matlab等其他軟件聯合仿真，且數據分析和處理功能強大。當然，在學習掌握上有一定的難度。

綜上，Simulink軟件對數學要求較高，仿真不直觀，應用范圍小，因此不適合用于課程同步教學；FluidSIM軟件直觀易用，若單純從幫助學員理解液壓傳動原理的角度出發，Fluid-SIM比較適用，但是在學員創新實踐能力和工程思維培養方面有所欠缺；而AMEsim軟件雖然難度略大，但一方面其圖形界面操作特性能幫助學員理解液壓回路原理，同時其強大的工程仿真能力又對學員創新實踐能力和工程思維培養大有裨益。因此，本文選用AMEsim軟件應用于課程教學中。

3 AMEsim在課程教學中的同步應用設計

液壓傳動課程內容通常包括液壓流體力學基礎、液壓元件和液壓回路等，在教學過程中使用AMEsim軟件可以對上述內容選取具體實例進行仿真演示，并安排學員課下完成類似仿真任務。

3.1 液壓流體力學仿真

液壓流體力學基礎模塊內容包括帕斯卡原理、伯努利方程和動量方程等。其中伯努利方程的典型應用是孔口流量計算，動量方程的典型應用是滑閥液動力計算。

以帕斯卡原理為例，利用AMEsim搭建仿真模型，如圖1所示。其中元件3的負載值設置為元件1的100倍。通過適當的參數設置，可以仿真觀察大液壓缸4的活塞移動情況（基本不動），證明大液壓缸4的輸出力能夠支撐外負載，也即用很小的力就能夠推動很大的負載，從而驗證了帕斯卡原理。

圖1：帕斯卡原理仿真模型

對于孔口流量計算和滑閥液動力計算，也可以用AMEsim進行仿真，可以安排學員課下進行。

3.2 液壓元件特性分析

液壓元件模塊內容包括液壓動力元件、液壓執行元件和液壓控制元件等。這一部分重點在于使用AMEsim對各種典型元件進行特性分析。AMEsim軟件中提供的標準液壓庫和液壓元件設計庫（HycraulicComponentDesign，HCD）都可以實現液壓元件性能分析，其中利用HCD庫可以由各種基本模塊構造出任一元件的子模型，使AMEsim功能得到進一步拓展。

圖2：減壓閥仿真模型

減壓閥的流量特性是指輸入壓力一定時，輸出壓力隨輸出流量的變化而變化的特性。當流量發生變化時，輸出壓力的變化越小則性能越好。影響減壓閥流量特性的因素包括減壓閥彈簧預緊力、彈簧剛度、閥芯質量、阻尼孔直徑、初始開度及油溫等，通過對模型中參數進行適當設置，可以分別對上述因素的影響進行分析，并繪制出特性曲線。

這種自主構造模型并進行特性分析的過程不僅能直接幫助學員理解元件結構和原理，更能鍛煉學員創新實踐能力，且在參數設置等過程中也有助于培養學員工程思維。

3.3 液壓回路特性分析

液壓回路模塊內容包括方向控制回路、流量控制回路和壓力控制回路等。這一部分重點在于使用AMEsim對各種典型回路進行原理驗證和特性分析。

以進油口節流調速回路為例，利用AMEsim搭建仿真模型，如圖3所示。節流調速回路的特性主要包括速度負載特性和調節特性。其中，速度負載特性反映執行元件運動速度與負載之間的關系，而調節特性則反映執行元件運動速度與節流閥通流面積之間的關系。通過對模型中參數進行適當設置，可以分別對上述特性進行仿真，并繪制出特性曲線。

圖3：進油節流調速回路仿真模型

通常液壓傳動課程會安排液壓回路搭接實驗，要求學員根據給定的功能要求，設計回路并在實驗臺上進行搭接，驗證運行情況。然而，教學用實驗臺通常不具備各類參數的測量功能，而且實驗課時畢竟有限，不可能讓學員嘗試所有回路。而引入AMEsim后，可以由學員在實驗課前學員完成液壓回路仿真。AMEsim的數據處理功能可以讓學員查看各個參數的變化情況，并根據需求繪制出特性曲線。經過仿真之后，在實驗課中便能做到成竹在胸，得心應手。此外，利用AMEsim可以方便地對各種回路進行建模仿真，幫助學員全面理解各種液壓回路原理。

4 AMEsim軟件教學同步應用應注意的問題

將AMEsim軟件引入課程教學同步應用的根本目的是促進學員對于知識的理解和提高創新實踐能力，而不只是掌握軟件本身的操作使用。因此，需要注意以下幾個問題。

4.1 注意控制時間

控制時間包括兩個方面。一是控制課上仿真演示的時間。在課堂教學中進行仿真演示，不能占用太多時間，以每次課（90分鐘）進行1個仿真演示，時間不超過5分鐘為宜。這就要求教員事先做好準備，演示時展示關鍵步驟和結果。二是控制課下仿真任務的時間。學員精力畢竟有限，教學過程中要合理布置課后理論作業和仿真任務，合理調節理論作業與仿真任務的比例，使學員既感到有一定的壓力，同時又不至于過于疲累。

4.2 注意循序漸進

循序漸進也包括兩個方面。一是在知識點難度上循序漸進。這可以從課程總體設計上把握，同步應用AMEsim過程中按照課程總體設計進程實施即可。二是在軟件操作難度上循序漸進。AMEsim是一個功能較為復雜的工程仿真軟件，對于之前幾乎沒有接觸過大型仿真軟件的本科學員來說，學習使用有一定難度。因此，在課程推進過程中，應注意在軟件操作難度上由簡單到復雜，由初級功能到進階功能，使學員逐步適應。

4.3 注意跟蹤指導

鑒于AMEsim軟件比較復雜，教學過程中要注意從軟件安裝開始即做好進度跟蹤和使用指導，確保每一個學員跟上進度，不在軟件安裝、功能使用等與課程知識學習關系不大的環節耗費太多精力，從而充分發揮AMEsim軟件的教學輔助作用，確保將AMEsim引入課程教學同步應用的目的真正達成。

5 結束語

針對液壓傳動課程教學中存在的現實問題，提出將AMEsim軟件同步應用到課程教學中。結合課程內容，對具體應用方法進行了設計，并對實施過程中應該注意的問題進行了分析，可為液壓傳動課程教學改革提供參考。