第29卷增刊12007年舰 船 科 学 技 术SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVo.l29,Supplement12007 文章编号:1672-7649(2007)S1-0142-04AMESmi仿真技术及其在液压元件设计和性能分析中的应用肖岱宗(郑州机电工程研究所,河南郑州450015)摘 要: AMESim是法国IMAGINE公司推出的一种基于键合图的高级系统建模、仿真及动态性能分析软件,它以强大的仿真和分析能力在各个领域得到了广泛的应用。简要介绍了AMESim软件及其建模方法和主要特点,并在AMESim仿真环境下,运用AMESim提供的液压元件设计库、液阻库和其他子模型库,构建了弹库防火防爆安全系统自动快速喷淋分系统中安全阀喷头组合的仿真模型。通过调节仿真模型的各项参数对安全阀喷头组合的喷淋性能进行了分析,绘制了流量曲线等仿真结果图。关键词: AMESim;仿真;液压元件设计中图分类号: TH13715 文献标识码: ASimulationtechniqueofAMESimanditsapplicationindesignandperformanceanalysisofhydrauliccomponentXIAODai2zong(ZhengzhouElectromechanicalEngineeringResearchInstitute,Zhengzhou450015,China)Abstract: AMESimisonekindofsoftwareformodeling,simulationanddynamicperformanceanaly2sisofadvancedengineeringsystemsbasedonbondgraph,whichisaproductionofIMAGINECorporationofFrance.Itobtainedwidespreaduseindifferentfieldswithitspowerfulsimulationandanalysis.AMESimsoftware,itsmodelingmethodandmainfeaturesarebrieflyintroducedinthispaper.AndundertheAMES2imsimulationenvironmen,tusinghydrauliccomponentdesignlibrary,hydraulicresistancelibraryandothersubmodellibrariesprovidedbyAMESimsoftware,thesimulationmodeloftheassemblysafetysprinklervalveisconstructed,whichisonekindofhydrauliccomponentoftheammunitiondepotfireandexplosionsafetysystemautomaticrapidsprinklersubsystem.Bychangingtheparametersofthesimulationmode,lthesprayperformanceofthehydrauliccomponentisanalyzed,andthesimulationresultgraphs,suchasflowcurvesetc,arealsoplotted.Keywords: AMESim;simulation;hydrauliccomponentdesign收稿日期:2007-03-07作者简介:肖岱宗(1974-),男,工程师,从事液压系统的设计工作。0 引 言传统的设计方法主要是凭借工程师自身的知识和经验,利用真实的元部件构建一个动态系统,在此系统上进行实验,研究结构参数对系统动态特性的影响,以此来完成设计任务。用这种传统的方法进行参数调节比较困难,一次成功的把握性很小,而且需要投入大量的人力、物力和时间。随着现代科学、计算机技术及仿真理论的迅速发展,设计手段日趋先进。在工程系统的设计中,使用计算机对实际系统的动态特性进行数字仿真成为设计和研发的主流。在计算机上进行仿真实验,研究实 增刊1肖岱宗:AMESim仿真技术及其在液压元件设计和性能分析中的应用际物理系统的各种工作状况,确定最佳参数匹配,使得系统和元部件的设计缺陷在产品加工成型之前即暴露出来,分析缺陷产生的原因并优化设计,大大降低了开发成本和缩短了开发周期。正是由于这种优越性,仿真技术正逐渐被各工程领域采用。AMESim为机械、流体动力和控制系统提供了一个完善、优越的仿真环境及最灵活的解决方案,使用户能够借助其友好的面向实际应用的方案来研究任何元件或回路的动力学特性。面向工程应用的定位使得AMESim被广泛应用于航天、航空、船舶、兵器、汽车、工程机械和石油石化等行业。1 AMESim介绍AMESim(advancedmodelingenvironmentforsim2ulationsofengineeringsystems)是法国IMAGINE公司于1995年推出的一种基于键合图的高级系统建模、仿真及动态性能分析软件,至今已经发展到AMES2im412版本。AMESim为用户提供了一个图形化的时域仿真建模环境,使用已有模型和建立新的子模型元件,构建优化设计所需的实际原型,方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例,通过修改模型和仿真参数,进行仿真计算、绘制曲线并分析仿真结果。111 AMESim建模方法键合图由美国的H.M.Paynter于20世纪60年代初发明。它以图形方式来表达系统中各元件间的相互关系,反映元件间的负载效应及系统中的功率流动情况。由功率键合图可以直接写出适于仿真的状态方程,且与基于现代控制理论的状态变量数学模型之间存在严密对应的内在逻辑关系,用这种方法为系统动态过程分析和建模提供了很大的方便。AMESim软件采用的建模方法类似于功率键合图法,但要更先进一些。相似之处在于二者都采用图形方式来描述系统中各元件的相互关系,能够反映元件间的负载效应及系统中功率流动情况,元件间均可反向传递数据。规定的变量一般都是具有物理意义的变量,都遵从因果关系;不同之处在于AMESim更能直观地反映系统的工作原理。用AMESim建立的系统模型与系统工作原理图几乎一样,而且元件之间传递的数据个数没有限制,可以对更多的参数进行研究。它采用复合接口,即一个接口传递多个变量,简化了模型的规模,使得不同领域模块之间的物理连接成为可能。112 AMESim的主要特点1)在统一的平台上实现了多学科的系统工程的建模和仿真,包括机械、液压、气动、热、电和磁等物理领域。不同领域的模块之间直接的连接方式使得AMESim成为多学科领域系统工程建模和仿真的标准环境。2)模型库丰富,多达14类,涵盖了机械、液压、气动、电气控制、液阻、液压气动元件设计、热流体、冷却、空调、动力传动、汽车设计等领域,所有的模型都经过严格的测试和实验验证,且采用易于识别的标准ISO图标和简单直观的多端口框图。3)建模的语言是工程技术语言,仿真模型的扩充或改变都是通过图形用户界面(GUI)来进行,不需要编写任何程序代码。AMESim使得工程师从繁琐的数学建模中解放出来,从而专注于物理系统本身的设计。4)鲁棒性极强的智能求解器能够根据用户所建模型的数学特性自动地在17种算法中选择最佳的积分算法,并在不同的仿真时刻根据系统的特点动态地切换积分算法和调整积分步长,以缩短仿真时间和提高仿真精度,而内嵌式数学不连续性处理工具有效地解决了数字仿真的/间断点0问题。5)提供了齐全的分析工具以方便用户分析和优化自己的系统。分析工具有:线性化分析工具、模态分析工具、频谱分析工具和模型简化工具。6)具有动态、稳态、间断连续以及批处理等多种仿真运行模式。7)提供了丰富的与其他软件的接口,可与Mat2lab、Admas等软件进行联合仿真,充分利用每个软件的特长。2 对安全阀喷头组合的仿真研究211 研究目的安全阀喷头组合是弹库防火防爆安全系统自动快速喷淋分系统中一种重要的液压元件,直接关系到系统的喷淋强度和喷淋效果。为掌握安全阀喷头组合的喷淋性能,在AMESim仿真环境下进行了4个仿真实验。212 仿真模型的建立与运行21211 在草图模式下建立测试系统模型在AMESim草图模式(Sketchmode)下,运用液压元件设计库、液阻库和机械库构建安全阀喷头组合的仿真模型,并选用液压库提供的液压泵和溢流阀组#143#舰 船 科 学 技 术第29卷成一个安全阀喷头组合喷淋性能的测试系统模型,见图1。图1 安全阀喷头组合喷淋性能的测试系统模型Fig11 Sprayperformancetestingsystemmodeloftheassemblysafetysprinklervalve21212 在子模型模式下为每个图形模块选取数字模型进入子模型模式(Submodelmode),为测试系统中的每个图形模块选取子模型。AMESim提供了首选子模型(Premiersubmodel)功能。21213 在参数模式下设定每个图形模块需要的特定参数 在参数模式(Parametersmode)下,设置液压环境、液压泵排量、电机转速、溢流阀调定压力、安全阀阀芯和通径等结构尺寸、调压弹簧零位移受力和弹簧刚度、喷头出流孔径等一系列参数。21214 在运行模式下运行仿真进入运行模式(Runmode),设置仿真时间、仿真步长和运行方式等运行参数后,开始仿真。213 仿真结果分析1)考察安全阀入口压力与喷头出流量之间的关系仿真实验A:设定液压泵排量为70mL/r,电机转速为1000r/min,溢流阀设定压力自0向800kPa变化,考察在原设计下的安全阀入口压力与喷头出流量之间的关系。该实验采用稳态加动态仿真运行模式,仿真结果见图2。图2 安全阀入口压力与喷头出流量之间的关系Fig12 Relatethesafetyvalveinletpressuretothesprinklerflowrate图2表明,要使喷头出流量达到满流量70L/min,安全阀入口压力必须在405kPa以上。设定喷淋强度为Y60L/min,则舰船消防泵供水压力经消防总管和快速喷淋管系引起压力损失后,喷淋管系末端压力(即安全阀入口压力)不应<300kPa,否则无法满足设定的喷淋强度的要求。考虑到舰船消防泵供水压力较低,且因消防管道较长和弯曲引起的沿程压力损失,消防管道升高引起的高度压力损失,以及经过各液压阀件引起的局部压力损失,如果快速喷淋管系末端压力小于405kPa,即系统在非满流量状态下运行时,为确保喷淋强度达到要求,安全阀入口压力在300~400kPa成为仿真研究重点考察的区间。通过实物实验数据与该仿真曲线进行认真对比,考虑到实物实验中由测量方法引起的测量误差,该流量曲线图具有相当的可信度。2)考察改变安全阀内部调压弹簧刚度对喷头出流量的影响仿真实验B:沿用仿真实验A中液压泵、电机和溢流阀的参数设定,通过改变安全阀内部调压弹簧刚度来考察各弹簧刚度下的喷头出流量。设定弹簧刚度依次为3000,5000,10000,15000,20000N/m。该实验采用批处理仿真运行模式,仿真结果见图3。其中曲线1为小于原设计弹簧刚度下的流量曲线,曲线2为原设计弹簧刚度(5000N/m)下的流量曲线,曲线3、4、5依次为逐渐大于原设计弹簧刚度下的流量曲线。图3 改变安全阀内部调压弹簧刚度对喷头出流量的影响Fig13 Influenceofchangedspringrateonsprinklerflowrate图3表明,弹簧1和弹簧2状态下,安全阀入口压力在300~400kPa区间内喷头出流量相同;而弹簧3,4,5状态下,随着弹簧刚度的增大,喷头出流量依次有所下降。除弹簧5刚度过大外,喷头出流量均在405kPa达到满流量。要达到设定的喷淋强度,弹簧3,4,5状态下要求更高的安全阀入口压力。#144#
