AMESim-HCD液压元件设计库教程-完整版.

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压力源从100 Bar到0Bar。为使两钢球都可运动,还必须设置左钢球相对零位移时的推力,设置质量块终点挡板的位移下限为0,上限为5mm。对右钢球,将其相应于0位移的开度设为0,左钢球开度设为5mm,运行仿真10秒,绘制通过每个钢球的流量和输出压力。
2.2利用HCD构建液压液压缸
图15
本节我们回到在引言中讨论的液压液压缸,其简图如图15(a)所示。注意到,该模型包含一质量块,为AMESim中标准的模块,最简单的HCD构建如图15(b)所示。
图8
为得到稳态特性,要让压力变化的更加缓慢,相应的增加仿真时间。
需要注意的是,钢球子模型还需要在两流动端口计算外部变量的容积,这种解释将顺延至下一节关于液压液压缸的例子,这些量起重要作用。

9
接下来,你将增加弹簧SPR000,使单向阀转变为弹簧加载单元,修正后的系统如图9所示,增加零速度源V001至弹簧另一端。
方案清单:
活塞×1个
环形可变容腔×2个
机械弹簧×2个
液压油×2听
在接下来的第二章中将继续这个例子,还有一系列逐步介绍HCD特性的其他例子。
2、教程实例
2.1运用HCD构建液压单向阀
本节中,您将创建的液压单向阀如图1所示,选用这些组件是因为其工作方法清楚,即使非专业人士也能明白。
标准AMESim库已经提供了这类元件的子模型,其对于液压系统的通用仿真很有用。它们不包含任何动力学,因为与系统其余部分相比较,它们的反应速度被假定足够快。
组件的多样性;
技能的多样性;
组件问题的多样性可以简单描述为:无论有多少组件模型,但还是不够的。拿液压缸作为例子,有一些可能性:
该液压缸可能有一个或两个液压容腔;
可能有一个或两个活塞杆;
可能有一个或两个或零个弹簧;
这样将给出12种组合,每一种组合都需要单独的图标,每个图标都至少对应一个子模型。然而对于多数AMESim图标来说,一个子模型就已经足够。在这种情况下,将有12子模型。如果考虑到伸缩式液压缸,可能性的数量将翻倍。通常,需要在元件端口处设置不同的因果关系,与其他元件端口因果关系相组合,将可能有超过一百种的液压液压缸子模型。
图7
在子模型模式下,通过选择首选子模型可以很方便地设置元件的子模型。然而,如果手动设置惯性子模型,会发现有两种可能的子模型,差别在于应对位移限制的方式不同,通常与有无终点挡板有关,应对终点挡板处接触的两种建模的方法:
理想无弹性碰撞,速度瞬时降至零;
机械弹簧和阻尼器;
每种方法都很有意义,但第二种方法需要知晓如何设置弹簧和阻尼器阻尼值,MAS005
必须注意:
弹簧通常处于压缩状态;
构建如图9(a)、(b)所示单向阀有两种方法,惯性力作用于单向阀的哪一侧无关
紧要,然而,,弹簧必须在左侧,否则它将会打开单向阀而不是关闭;
弹簧在两端口都有作用力,所以左边的弹簧端口必须用一个零速度源关闭而
不是零力源。
必须调整弹簧刚度和预紧力以求得到所需的特性,通过选择合适的值,可以得到开启压力和流量压力特性。
型相关。该模型有四个液压端口,用以接收来流的流量和体积,可据此计算总
体积和总流量。如果流量为正,则压力升高;如果流量为负,则压力降低。
最简单的单向阀包含在有限位移内自由移动的钢球,在极限位置完全关闭阻断
通流,而在另一位置则完全打开。平衡状态时,钢球位置取决于两液压端口的液压力。
HCD包含两个液压流道中阀芯为球形的图标,一个
要如图所示右手侧的图标,详细外部变量如图6所示。
图6
图7显示了我们正在构建系统的两个可能的版本,每一个都包含单向阀和两压力源,为什么会有两个版本呢?原因很简单,为使HCD尽可能的易于使用,许多HCD图标都与两个子模型相关联。再来看图5,可以看到子模型BAP21的外部变量,而子模型BAP22的外部变量则与其互为镜像。上述两系统能得到相同的结果,为使本实例易于理解,建立如图7(a)所示系统,请注意,零力源F000添加到自由机械端口。
对于组件物理运行规律的理解;
将物理模型转化为数学算法,以便从输入得出子模型输出的能力;
将算法转化为可执行代码的能力;
除此之外还包括对子模型进行检验、调试、校正的能力,这意味着子模型开发人员需要工程、物理、数学和计算机技术等领域的能力,这就是技能多样性的问题。完全具备所有这些能力的人屈指可数,因此构建良好的子模型是一种专家级行为。
图1图2图3
图2所示是HCD中的图标,而此类目下的所有组件示于图4。前17个组件用于绝对运动,而接下来的18个组件用于相对运动。图3表示两个特殊的纯液压组件。在相对运动图标中,每个实体都内嵌于另一实体,两者都能运动;而在绝对运动图标中,若有外部实体,则认为固定不动。首先关注绝对运动的图标:
对于大多数绝对运动图标,有两个线性轴端口和至少一个提供压力的液压
位于平面圆形阀座,另一个则位于锥形阀座,与平
面圆形阀座相关联的子模型如图5所示。请注意:
有两个液压流量端口,任一端口接受压力作为输入;
如果钢球在最右位置,流道会被阻塞;
如果钢球在最左位置,流道开口最大;
子模型中与钢球相连的杆默认直径为零;
钢球受压力支配,如果不平衡,钢球将会移动。这意味着,我
们必须考虑钢球的惯性。由于单向阀钢球的运动受限,我们需
在标准AMESim库中不可能提供如此庞大数量的图标和子模型,因此只提供比较常见的图标和子模型。当然,AMESim专家级用户也可以通过AMESet创建扩展的图标和子模型,但在这一点上,我们将遇到的第二个多样性问题。
要创建AMESim或者其他软件中优良的子模型,到底需要什么样的技能呢?现列表如下:对于组件结构和作用的理解;
压力作用下的液压流体;
环形可变容腔;
机械弹簧;
由压力和面积产生作用力的活塞;
以上表明,这将是一个很好使用的划分。与基于标准ISO符号的划分相比较,可以清楚地看到基本模块会少很多。每一元素都是工程师眼中有形的实体,因此可以将这样的划分描述为技术单元。用户可以到工程模块库中,寻找物理模型对应的图标,使用他们组装成需要的组件。
图12
采用与前一个例子相同的压力源重新运行仿真,图12是单向阀在开启压力约为5Bar的情况下的流量—压力特性曲线,在压力约为22Bar时出现的斜率变化是由于钢球到达它的行程极限。图13显示钢球的速度,注意到在单向阀部分开启时出现了不稳定的现象(最好将间隔时间降至0.001S,会看的更清楚),可通过增加阻尼孔口来解决这个问题,在第三个例子中我们将会遵从这个理念。
图13
图14
作为选择性练习,可以按照图14所示改造单向阀。该阀检测两个系统的压力,将连接至提供系统压力较大的系统,中间的两个端口事实上只有一个,确保连接球阀到节点的两条管路都被设置为直接连接(DIRECT)。
建立阀的测试系统,两压力源输入至系统,同时还有一恒流源。
设置流量源流量在10S内从0变化到10L/Min,左压力源从0 Bar到100Bar,
按图16所示开始构建系统,以便对HCD和标准AMESim库各自运行的结果进行对照。注意惯性力的图标改变了方向,它给出了同标准子模型HJ000相一致的位移符号约定。利用首选子模型功能为尽可能多的元件自动选择子模型,设置质量块子模型带有理想终点挡板,在参数模式下对两个系统进行参数设置,使其尽可能相同,这点需要特别注意,以下是几点建议:
子模
型使用第一种方法。
在参数模式下,设置子模型MAS005质量为10g,位移下限为0mm,位移上限为4mm,该子模型考虑重力,因此需要设置角度。在我们假定的情况下,重力与液压力相比微不足道,所以角度的设置并不重要。设置库伦摩擦力和静摩擦力可能是不恰当的,非零粘性摩擦可能使单元更加稳定,但实际上单向阀是完全开启或关闭。设置粘性摩擦力为零,其他参数与斯特里贝克摩擦有关,在HCD库中引入与摩擦相关的其他参量,是为实现从静摩擦到库伦摩擦的平滑过渡。通常情况下,斯特里贝克摩擦参数去默认值。我们若设置库伦摩擦力和静摩擦力为零,那么这些量在任何情况下都不起作用。
开发HCD,是为解决这些问题的多样性。我们已经知道,传统的AMESim库使用基于标准ISO符号的图标,这些图标将模型细分为子模型,很显然这个细分并不是唯一的,也不是最佳的方法,我们可以使用基于更大或者更小单元的细分。
HCD使用这样的细分:能够利用最小数量的图标和子模型来构建最大数量的工程系统模型。返回到上面所述液压液压缸的例子,我们可以清楚地看到,液压缸所有可能的模型都是由下列元素的组合构建而成:
端口,最重要的是液压作用的活动区域。图标中使用比较宽的直线或曲线
表示该活动区域,为更清楚起见,还有箭头指向该区域。这些图标通常通
过线性轴端口连接起来,以组成一实体,可能是滑阀、液压执行器,也可
以是单向阀。然而,其它的实体像液压制动元件,自动变速箱或燃油注射
系统等也可以以相同的方式来构造。
最常使用的液压图标则是具有压缩性的液压容腔,其与所计算液压压力的子模
图16
必须注意,在设置HCD子模型参数时,以下特征非常有用:
全局参数;
复制参数;
通用参数;
活塞直径可引入全局参数pdiam,值为25mm,一经手动设置好后,还可以复制到其他子模型,当然还可以将其设置为通用参数。
子模型HJ000默认行程0.3m,默认质量为1000Kg,因此将带有理想终点挡板的质量子模型设置为1000Kg,位移下限设为0,位移上限设为0.3m。箭头和加号表示,当位移为零时,质量块在最左极限位置。子模型HJ000初始位移为零,并且假设活塞在左侧,因此设置子模型MAS005初始位移为零。
使用HCD液压元件设计库
济南铸造锻压机械研究所液压技术中心张友亮250022
1、引言
HCD(Hydraulic Component Design)指液压元件设计(以前被命名为液压AMEBel,表示AMESim的基本元素库),可以使用该库中一系列的基本模块来构建组件的子模型。HCD大大增强了AMESim的功能,在开始使用HCD之前,最好能够彻底熟悉标准AMESim子模型。
图10
在质量块子模型MAS005中计算出基本位移和相应的速度,正如图5、图6所示,这些值通过子模型BAI21传递。图10示出弹簧子模型的外部变量,弹簧SPR000接受来自BAP21和V001的速度。
图11
当设置弹簧的参数时,给单向阀一个尽可能小的预紧力,以确定其开启压力。图11所示参数中,给定预紧力10N。
为什么有必要创建这个库?这个问题将在本部分找到答案。在此之后,将给出关于HCD应用的五个例子。在最后一部分,则给出关于HCD应用的一些基本规则,以使您能更加有效地运用HCD。
前四个例子主要针对绝对运动,您将使用的绝大多数HCD应用都可能属于这一类。第五个例子则关于相对运动,推荐您使用AMESim重复练习前四个例子。使用AMESim时,您可以通过一系列组件构建工程系统模型。对于这些组件,AMESim最初使用基于标准表示方法(诸如液压元件的ISO符号)的图形符号或图标。对于特定领域的工程师,这使得最终的系统方案看起来很标准,也很容易理解。然而,这里存在两个问题:
子模型BAP22两杆的直径必须设置为零,最大流量系数不能偏离默认值0.7,临界流量数可以控制达到这个系数的快慢,通常也是保留其默认值。
钢球上的合力由作用于其上的液压力和外部力来计算,而液压力的计算基于如图7(a)的假设:右手端压力作用于临近孔口的区域,左手端压力作用于钢球剩余区域。这种假设在多数情况下可以得到满意的结果,但这里有规定的修正项:液动力,该力使钢球趋于关闭。液动力系数通常用于禁用或启用该量,默认值是0禁用该量,设置为1则启用该量,也可以通过实验数据设置为其他值,以得到符合要求的子模型。
设置左手压力源为恒定值50Bar,右手压力源则在1S内由0Bar上升至100Bar,再在1S内将至0Bar。运行一时长为2S的仿真,设置通讯间隔为0.01S。图8所示为不同压差下通过单向阀的典型流量曲线,这是一动态子模型,当压差为负时,流量也不为零。尽管压力下降的稳态特性使单向阀关闭,但惯量引起的钢球在离开稳态位置后的滞后导致了反向流动,需要注意Fra Baidu bibliotek是,由于类似的原因,导致开关曲线不一致。
子模型BAP11和BAP12分别代表活塞和活塞两侧的容积,这里不是两个活塞而是一个,活塞两侧每个子模型都和压力源相连,箭头和粗直线指出了压力的作用区域。注意质量块子模型可以被放置在左侧也可以在两半活塞之间,左侧子模型活塞杆直径要设为零,而两子模型的活塞直径必须设置为25mm,以同标准子模型HJ000保持一致,右侧子模型活塞杆直径则设置为12mm,这是不要急着设置标签为零位容腔长度的参数,过后我们再来设置该值。
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