1、培训,1,学习相对比较重要的液压基础概念 对AMESim液压库和元件有一个总体的认识 复习怎样用AMESim搭建液压系统，掌握建模的小技巧 复习典型液压系统的模型（应用案例） 理解用HCD库进行液压元器件建模时的重要思路. 根据要求倒推原件设置参数（工作点计算等效工作面积等所需参数） 能够搭建液压元器件的AMESim模型 能够对AMESim的液压元器件建模有更细致的体会. 回顾常用的液压元器件的建模过程,学习主要收获,AMESim液压系统建模,一、介绍AMESim基础知识 二、液压油属性相关设置 三、元件介绍 四、应用案例 五、HCD液压元件库介绍,AMESim中的液压库,3,标准液压库(HY
2、D). HYD:标准液压库，通过库内典型液压元件进行液压系统仿真。 液阻库(HR). HR: 液阻库，主要用于分析液压管网中的压力损失和流量分布。 液压元件设计库(HCD). HCD: 液压元件设计库，是由基本几何结构单元组成的基本元素库， 用于根据几何形状和物理特性详细构建各种液压元件。,在AMESim的库函数中与液压相关的三个主要库,一、AMESim 中液压的总体介绍,三个液压库每个库有不同方面功能各不相同但能够相互兼容，且以标准液压库(HYD )为基础,Fluid properties,4,影响液体动态特性的三个基本属性: 密度 kg/m3 质量特性 与流体的温度和压力有关体积模量 ba
3、r 可压缩性 = 刚度特性粘度 Pa.s 阻尼特性然而，空气含量(air/gas content),饱和压力(saturation pressure) 和蒸发压力( vapour pressures ),是处理气蚀现象（aeration/cavitation）必不可少的。,液体属性,二、液压油属性相关设置,5,时间,挥发气泡,空气气泡,饱和压力,蒸发压力,+,只有 液体,吸收空气(全部或部分 自由空气 溶解空气),空气析出(溶解 游离),Psat,Pvap,溶解有空 气的液体,掺混空气 - 气蚀,气穴 / 气蚀,液体压力,在AMESim 中定义液体属性,6,在草绘阶段，插入一个流体属性图标,
4、一个压力源和一个液体属性传感器 。这是一种最简单的测试液体属性的方法选择FP04 子模型(FP01, FP02 和 FP03 是以前旧版本所使用的现在被FP04代替) 进入到参数阶段,液压油索引号是识别液体属性的参数，这样能够在同一个系统中考虑多种不同液体的影响（例如:液压油和冷却剂或液压油和汽油）。在草绘阶段, 必须使用多个液压油属性符号,所有液压元件子模型都需要定义流体的性质(, B 或 viscosity) 需要一个液压油索引号.,Index of hydraulic fluid,7,Type of fluid properties,液体性质类型,液体性质总结,8,液压油三个主要属性AM
5、ESim中不同复杂程度液体属性设置气穴现象对液体性质的影响,液压元件,9,液压系统中的几种元件,容积腔,阻尼孔,泵,管道,换向阀,液压缸,三、液压元件介绍,容积腔,10,容积腔是容性元件，具有容积效应，蓄能器和管路同样具有这样的效应向容积腔内输入流量，输出压力可以通过下式计算到：通过引入液体的弹性模量B来考虑液体的可压缩性，弹性模量B代表了液体刚度,液压元件中两种压力损失 : 局部压力损失(阻尼孔，弯头，过滤器) 沿程压力损失 阻尼孔和管道都有液阻的作用两种压力损失都能通过类似的流量方程(伯努利方程)计算,阻尼孔,11,Orifices,12,方程假设没有能量损失: 能量全部回收：如果A1 =
6、 A3 和h1 = h3 , P1 = P3,其中 Px = 静压 U = 流速 A = 过流面积 g = 重力加速度 h = 高度 = 密度,(1),U1,U2,U3,P1 A1,P2 A2,P3 A3,阻尼孔,Orifices,13,实际上是存在能量损失的，所以: P3 P1 局部压力扰动 压力损失,方程（1）转化成,(2),其中: DPlosses = 压力损失,阻尼孔,损失的压力可以认为是液体速度U, 液体密度以及摩擦因子 (同元件的几何形状有关)的函数当我们需要考虑液压管网的压力损失和流量分布时(HR library)，我们主要用方程（3） 对于流量控制，需要用到一个关于流量系数Cq
7、的方程，这个方程在 AMESim (HYD, HCD)中经常用到。,Orifices,14,(4),(3),阻尼孔,根据是惯性（ inertia ）起主要作用还是粘性（ viscous ）起主导作用，存在两种流动状态（flow regime）： 层流（ Laminar ）：流动非常平稳 紊流（ Turbulent）：流体的运动不规则，在下游存在紊乱以 及涡流等。这两种流动状态和雷诺数(Reynolds number)相关或者是流量系数。在AMESim中, 两种流动状态的转换是通过流量系数Cq来实现的。,Orifices,15,阻尼孔,Orifices,16,在HYD 中,流量是通过最大流量系数
8、和Cq 和临界流数来计算 在HR 中, 压降是通过摩擦系数和临界雷诺数来计算,HYD library,HR library,伯努利方程,达西-威斯巴赫方程,流数,雷诺数,流量系数,摩擦因数,阻尼孔,Orifices,17,Cq 和 x的转换关系,crit 和Recrit的转换关系,A 过流面积 Cq 流量系数 Dh 水力直径 Q 体积流量 Re 雷诺数, 流量系数 Dp 压降 x 摩擦系数 r 液体密度n 液体运动粘度,注意,阻尼孔,Orifices,18,在下面的例子中，绘制流经5mm阻尼孔时的流量 将节流孔两端的压差设定P 设定成一个瞬态递增的过程 如果 Pdown 保持在0 bar, P
9、 就等于Pup 设定Pup 在10 s内从 0 到 5 bar,03_simple_orifice.ame,阻尼孔直径/ 最大流量系数,阻尼孔,Orifices,19,在这段曲线上选择一个点例如 t = 10 s 其中: P = 5 bar 和 Q = 28.287 L/min,流量、压力曲线,OR0000-1 flow rate at port 1 L/min,03_simple_orifice.ame,阻尼孔,Orifices,20,复制前面的模型 选择restriction definition选项 使用之前的Q 和P 值分别作为流量和压降参数 比较两种不同的阻尼孔,压降/流量,03_s
10、imple_orifice.ame,阻尼孔,阻尼孔直径/ 最大流量系数,Orifices,21,在 0到1.5 bar中有微小的差异,对湍流来讲 结果一样,03_simple_orifice.ame,阻尼孔,压降/流量,阻尼孔直径/ 最大流量系数,Orifices,22,pressure drop/flow rate pair 是怎样工作的？ 通过输入流量和相对于的压降，用户自己定义压力流量曲线上的一点 通过这一点(在湍流状态下), AMESim 计算等效阻尼孔直径Cq 取值是1.0 (不是0.7) 因此,层流状态下的计算 和选项2中的不同 用选项1要注意： 湍流计算比较准确,但是层流计算 准
11、确率相对较低,注意选择平均压力Patm下的,03_simple_orifice.ame,阻尼孔,Lines,23,对于 HL01,没有考虑惯量，与动态特性相关的是R-C单元。对于HL04, 考虑了流体惯量。 在45ms (22 Hz)时压力达到最大值（液体需要加速）对于HL020, 管道中有着相似的增压效果，但是却伴随着较高的振动频率,液体惯性的效应有着显著的影响，因此引入时间常数45 ms. 然而，如果频率范围在0-200 Hz时, 不推荐使用HL020 和 HL030因为这样会引入不必要的噪声，而且增加CUP运行时间,06_Pipe_inertia.ame,管道的选用,Lines,24,0
12、6_Pipe_inertia.ame,管道,其他元件,25,泵: 在AMESim 液压库中有很多不同种类的泵(容积泵, 离心泵) 泵类元件实质上是转换器：把机械能转换成液压能 液压缸：液压缸同样也是转换器：把液压能转换成机械能（反之亦然）,Other elements,26,换向阀: 液压库中提供了很多换向阀的模型. 这些阀将根据工作位(2 3) 和通路(2 6)来定义。换向阀每一条通路的同流性质是通过定义流量和压差，靠Q/P 来计算最大开口面积的。对于每条通路来说，过流面积是位移的函数， 过流面积S(x) = Smax * f(x)这些元件的使用方法将在下面的介绍,其他元件,液压元件总结,2
13、7,一、元件：容积腔、阻尼孔、管道泵、马达、方向阀二、集中参数法、复合接口、能量守恒、因果关系,流量分布,28,压力源的油箱压力恒定 阻尼孔1通过定义D1直径来计算流量 当通过阻尼孔2的流量是阻尼孔1的两倍时，阻尼孔D2的直径是多少？,目标 : 根据给定流量设计阻尼孔,四、应用案例,静液传动,29,泵,管道,转动惯量,溢流阀,油箱,马达,目标 : 建立一个简单的液压传动系统,Hydrostatic transmission,30,液压系统一开始就达到稳态值. 仿真时间10 s :,气穴,静液传动,静液传动,为了避免系统内部产生气穴，需要给泵施加一个连续的曲线 通过定义初始曲线可以避免气穴的发生
14、,.,Hydraulic actuator,32,第一步: 计算 需要克服的阻力：15N， 压力源的压力为5 bar 活塞直径是多少?注意: 用这个直径, 不能满足最大输出力的要求 活塞面积要增加30%来满足(惯性力, 库伦摩擦力, 粘性摩擦力).,液压执行机构目标 : 建立一个能够让质量块移动的液压系统,Hydraulic actuator,33,三位四通阀有ABPT 共4个通流截面，可以用电路里面的桥式回路进行等效。 这个桥式等效回路的意义在于：大部分液压阀的通流截面都可以用节流阻尼孔，构建成桥式回路相似的物理模型来解决。 图2的系统可以用图1的桥式回路等效出来。图1 图2,桥式回等效路搭
15、建三位四通阀,Hydraulic actuator,34,信号源参数设置如图3，图4图3 图4,03_HYD_Jack.ame,图4（4个节流口参数设置相同使用复制参数粘贴参数方法） 5、压力源、缸、质量块参数图1和图2相同（质量块50kg，动摩擦力即库仑摩擦力500N，P1=5bar，质量块向两边可各移动1m，每移动1m使用2s时间。）,仿真的目标 要求的精度 允许CPU最大运行时间或执行任务的数量 参数(几何, 形状). 可用的数据 建模人员的经验 分析人员的经验,建模仿真中的共性问题,35,仿真模型不仅同元件或系统相关，以下几个方面同样对模型的结构有很大的影响：,液压建模中的技巧 注意求
16、解器的设置 通信步长需要根据仿真的需要来调整 液压系统动态仿真时求解器的误差应减少(应设为1e-7 而不是1e-5) 避免使用较小的容积和较大的阻尼孔，尤其是将两者连在一起，这样会显著增加系统的计算时间注意模型的管理，模型文件的大小可以通过多个方法减小(amepurge, 不保存全部变量, 通信间隔) 。,Generalities about simulation models,36,建模仿真中的共性问题,小结,37,掌握怎样用AMESim搭建液压系统液压管网 液压传动 液压执行机构 防止系统抖动液压仿真中的建模技巧液压系统有很多不同的应用AMESim的demos中有很多应用实例,采用HCD库
17、的意义,即便是标准液压库中已经含有大量经典的常用的元件，但是在仿真时还是会碰到下述问题：,元件的多样性: 无论软件中已经预置了多少种不同的元件，永远都不会够！模型用途的多样性: 静态特性，准静态特性或动态特性的仿真可用数据的多样性: 实验测量数据或技术图纸,38,五、HCD液压元件库介绍,基本元件的概念,39,单向阀,柱塞类型 1,柱塞类型 2,HCD库 容积元件,40,必须通过将活塞连接到一个容积元件才可以考虑：当活塞运动时，流量变化及容积变化的情况如何,计算公式: HYD库中的容积元件的容积是不可变的，因此通常来说，我们会将HCD库中的容积元件连接到活塞上,体积变量,液压变量,Extern
18、al variables:,阀在仿真时能量转换: 液压能 机械能 阀内部可计算具有某特定几何结构下的流量大小,计算公式: F3 = F4 P2 Apistonv4 = v3Vol2 = - A x3通流面积是通过和阀芯位移相关的几何公式计算所得,HCD库 阀元件,41,机械端口,液压端口,外部变量：,HCD库 阀元件,42,带箭头标识的部分说明：压力施加在哪个部分哪些端口会计算流量及容积的变化,考虑port 2的所受压力大小，可计算受力情况活塞移动引起port2的容积和流量的变化,考虑port1和port2所受压力的大小，可计算受力情况活塞移动引起port1以及port2的容积和流量的变化,用
19、HCD库设计单向阀,用HCD库搭建液压元件模型的方法 定位压力的有效作用面 确定可移动部分 选择正确的几何特征,主要任务,用HCD库搭建简单的单向阀,单向阀及其模型的特性,简单的单向阀,特性: 开启压力 = 10 bar 流量 = 100 L/min 30 bar 全开时,仿真: 压力源 = 0 to 50 bar in 10 seconds,44,第二步：HCD库的单向阀,用HCD库设计同样的单向阀,搭建该元件模型的步骤: 确认压力作用面 确认可移动部分 确认通流面积,第二步：HCD库的单向阀,1-定位压力的有效作用面, 2个作用力相互抵消的作用面,46,第二步：HCD库的单向阀,2-确认可
20、独立运动部分, 带限位功能的单独运动部分,47,第二步：HCD库的单向阀,3-通流面积的确认,通流面积是一个圆环,48,P,X,第二步：HCD库的单向阀,阀的已知参数 阀的直径 = 8 mm 阀的质量 = 10 g 弹簧的预紧力 确定阀的开启（压力） 弹性系数 定义了阀的压力/流量梯度特性 高限位 定义了阀的饱和特性,特性: 开启压力 = 10 bar 流量 = 100 L/min 30 bar 完全打开,49,带圆环槽的阀芯元件 通流面积 = .D.x,第二步：HCD库的单向阀,弹簧的弹性系数需要调节为当阀芯完全打开，两侧压差30bar时, 流过阀的液体流量为100L/min,50,阀的最小
21、开度: x = 0 m时，F0相当于10 bar 左右的压力作用在阀上 阀的最大开度：在xmax位置，Fmax 相当于30bar左右的压力作用在阀上,第二步：HCD库的单向阀,51,可调弹簧刚度的仿真结果:,默认饱和参数下的仿真结果 必须对饱和参数予以设置,第二步：HCD库的单向阀,不同几何尺寸的会限制饱和参数的设置: 机械限位 流入或流出节流孔产生的限流作用 其它限流作用饱和参数可用下面不同的参数来模拟: 机械限位可以在“mass”质量块元件中定义 最大 underlap 值可以在阀芯中定义 流入或流出节流孔的孔径 在阀芯达到最大开启位置时，设定机械限位值是解决方案之一,52,第二步：HCD
22、库的单向阀,结果比较:,1 : HYD generic submodel 2 : HCD component,结果基本接近，除了在开启部分,那么，我们为什么花费这么多篇幅而只得到一个相近的结果?,53,保存HCD库构建的新元件,减小元件的尺寸，从而减小图纸的尺寸构建一个自定义的元件库,超级元件 - Supercomponent,用HCD库设计减压阀 - 预览,55,复习之前学到的方法知道怎样使用可变容积了解设置参数,要求,减压阀设计,用HCD库设计减压阀,步骤1: 确定压力的有效作用面, 3个压力有效作用面,用HCD库设计减压阀,步骤2: 确认可独立运动部件,57, 1个带限位功能的质量块,+
23、 stroke = 0.5 mm,x,用HCD库设计减压阀,步骤3: 确认通流面积, 通流面积为圆环状,58,用HCD库设计减压阀,步骤4: 确认可变容积,这一步的工作非常重要，因为可变容积实际上意味着可变刚度，所以它对于系统的动态特性分析是至关重要的。,59,1个可变容积,用HCD库设计减压阀,用HCD库设计减压阀,设定参数值,最后一个要设置的参数非常重要: 即质量块子模型中的粘性摩擦系数“viscous friction coefficient”,实际上，该参数的取值对于阀的实际动态会有显著影响,61,用HCD库设计减压阀,62,在机械液压系统中，阻尼一般可粗略估计为 5% - 10% (
24、红色曲线),设定参数值 如何确定viscous friction的大小,对于给定的质量及弹簧的弹性系数, 下面曲线图中为不同摩擦系数（阻尼比）下，质量块的位移曲线变化情况:,用HCD库设计减压阀,设定参数值 如何确定viscous friction的大小,我们现在考虑一个弹簧振子系统，带质量M, 弹性系数K和粘性摩擦R, 其运动规律可以描述为一个二阶系统,63,该系统的自然振动（频率）及阻尼比可以用下述公式来表示：,R,用HCD库设计减压阀,设定参数值 如何确定viscous friction的大小,在该系统中, 惯量的大小取决于两个刚度：弹簧和可变容积腔.,液压容积腔内的公式:,该公式也可以
25、变换为:,在这个例子中，液压刚度可计算为:,64,用HCD库设计减压阀,设定参数值 如何确定viscous friction的大小,和液压刚度比起来，机械刚度的大小可以忽略不计 粘性摩擦可以在只考虑液压刚度的条件下进行设置 假设阻尼比大约为z=5%，粘性摩擦可评估为:,65,无粘性摩擦,带有粘性摩擦,用HCD库设计减压阀,质量块的位置,在使用HCD库元件建模时，质量块的位置对于模型的结果几乎没有影响。 尽管如此，如果已经选定相应的子模型，那么当元件位置互换时，可能会遇到下面对话框中提示的错误信息：,66,原因是因为：HCD库中的元件具有“透明”的因果关系，当子模型被选定后，惯量的位置及刚度系数会确定所有HCD元件的输入及输出量。 如果相互位置发生变化，那么在HCD元件间的“因果关系”也必须进行相应的变化。,课程总结,学会使用简单的建模方法可以搭建任意液压元件的模型可处理复杂的物理现象不同复杂程度的建模为自己以后应用该软件解决实际问题明确了设计思路,
