AMESim液压教程

培训
流体特性 – 空气释放/气蚀
Liquid pressure
Saturation pressure Vapor pressure
Air bubbles appearance
Re-dissolving (total or partial)
Air
Vapor
Cavitation
(vaporized liquid)
和体积变化来定义： B = −V δP δV
¾拿一个机械系统来做比方：弹簧长度的减小导致弹簧力的 增加。与此相类似可以定义一个容腔的液压刚度：
K hyd
=B V
¾注意：该刚度很显然是一个非线性刚度!
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
流体特性 –混入空气（ Aeration）
23
¾ 空气含量对流体可压缩性的影响
9 溶解空气（ Dissolved air ）: 空气可以溶解在液压油中。一定 数量的空气分子成了液体的一部分。溶解空气不影响流体的可 压缩性。亨利定律（Henry’s law）告诉我们空气在给定液体 中的溶解率直接和该液体上空气的绝对压力成正比。对经典的 液体，该绝对压力就是空气压力。
©IMAGINE SA 1998-2008
9 空气可以掺混（ entrapped ）或溶解（ dissolved ）在液压油 中：
9 掺混空气（ Entrapped air ）: 空气以气泡的形式存在于液压 油中， 空气保持本身气体状态。这些气泡会改变流体的可压 缩性。此时， 我们采用有效体积模量（ effective bulk modulus ）. 例如在自由水面上的水龙头注水时可以看到的气 泡。
¾ 该元件用于定义流体的特性， 具有不同复杂程度的子 模型可供选择。
¾ 与此相对应， 在液压元件模型参数中用‘Index of hydraulic fluid’ 参数作为一个标示， 为该液压元件指 定特定的流体特性。
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
液压流体特性
19
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
流体特性 –混入空气（ Aeration）
24
¾ 空气释放（ Air release ）:
9 根据液压油所承受的压力不同，空气可以从掺混状 态变化至溶解状态（反之亦然）。 想象一下我们开启汽水瓶或者啤酒瓶看到的现象 …
9 饱和压力（ saturation pressure ）指的是一个临 界压力， 高于该压力不再有空气可以存在于液体 中。
25
¾气蚀（Cavitation）
9在流体系统中， 气蚀指的是液体中空气或者 气体空穴的变形或者融合现象。
9如果压力足够低，液体开始蒸发并将形成蒸 汽空穴。
9液体开始蒸发时的压力叫做蒸发压力（ vapor pressure ） 。蒸发压力也是流体特性 参数之一。
©IMAGINE SA 1998-2008
10
培训
AMESim液压方面库
11
¾为什么4个库?
9每个库都有其特殊性并解决特定的问题： 9HYD: 是一个通用的液压库，主要有一些用
于仿真液压系统的内置(built-in)的元件组成( 通过它们的液压特性来定义的)
9HSV: 这是HYD库的扩充， 提供了完整的各 种控制阀模型。
©IMAGINE SA 1998-2008
电特性（ Electrical properties） Stability
Toxicity
Compatibility with other materials
¾ 但是只有少量的几个是我们在液压计算中需要用到的…
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
液压流体特性
17
¾ 用于处理动态特性的3个基本特性：
培训
15
¾液压流体特性
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
液压流体特性
16
¾ 我们首先来了解流体特性在压力和流量计算中的作用。 ¾ 描述一种流体的特性和很多相关的术语：
密度（ Density ）
可压缩性（ Compressibility）
粘度（ Viscosity）
热胀冷缩性（ Thermal expansion）
P
−
P0
=
B V
Q.(t
− t0 )
其中:
B = 17000bar， P0 = 0bar Q = 0.1 L/min (=0.1/60000 m3/s)
t – t0 = 1s V = 1L (= 1e-3 m3)
Î Pfinal = 28.33 bar (与在AMESim中计算得到的 28.31
bar比较)
¾在AMESim中，在空气释放以及气穴的作用下，体积模量会发生变化 ，该体积模量的变化同时意味着密度的变化。
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
例 1 –压缩性（ Compressibility）
29
¾我们再回到刚才的第一个例子中，手工 来计算压力的增加，现在我们更多地了 解了流体的可压缩性。
9 密度（ Density） Î 质量特性
9 体积模量（ Bulk modulus） Î 可压缩性= 刚度特性
9 粘度（ Viscosity） Î 阻尼特性
¾ 因为这些库的前提假设是等温系统， 因此与热相关的 特性，诸如导热率（ thermal conductivity），比热（ specific heat），热胀冷缩性（ thermal expansion） 。
9
¾ … 还有很多液压库中的元件会被经常使用到 。尽管它们不是必不可少， 但是它们的存在 可以大大地提高建模的效率:
9 节点
9 节流和容积元件
9泵
9 管道 …
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
AMESim液压方面库
蓄能器 压力阀 方向控制阀 泵和马达 液压缸
©IMAGINE SA 1998-2008
¾ 从体积模量的公式出发：
B = −V dP ⇒ dP dt = B dV dt dV dt V dt
= Q, 体积流量
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
例 1 –压缩性（ Compressibility）
30
¾因此:
∫ ∫ t dP dt = t B Qdt
t0 dt
V t0
由于 Q=常数:
培训
AMESim液压方面库
12
9HCD: 是由基本几何结构单元组成的基本元 素库（basic element），用于根据几何形状 和物理特性详细构建各种液压元件，例如喷 油器、控制阀等仿真模型。该库非常适合对 非标的液压元部件的动态特性进行建模和分 析。
9HR: 主要是用于液压管网中各处的压力损失 和流量分布计算的应用库。液压管网中可以 包含有弯管、分叉管、渐缩管、渐扩管、突 缩管、突扩管、轴承…等特殊元件。
21
¾相应的AMESim模型:
Example1.ame
¾考察该容腔中压力地变化 ¾t=1s是的最终压力为28.31bar
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
流体特性–压缩性（ Compressibility）
22
¾能够往一个充满油液的容腔中冲入油液的前提假设是流体 是可压缩的。在AMESim中，流体的可压缩性是通过体积模 量（ bulk modulus ）来定义，该体积模量是通过压力变化
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
例 1 –压缩性（ Compressibility）
31
¾可以发现存在非常小的误差(0.07%)， 让
导热率（ Thermal conductivity） 比热（ Specific heat）
饱和压力/蒸发压力（ Saturation/Vapor pressure）
燃点和沸点（ Flash and boiling points）
表面张力（ Surface tension）
Lubricity
Foaming
培训
AMESim液压方面库
7
¾4-HR
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
AMESim液压方面库
8
¾ 液压库 (HYD)是基本液压库。因为其他三个 库都必须用到该库中的一些基本液压元部件 模块，例如：
9 流体特性
9 液压源
9 传感器
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
AMESim液压方面库
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
模型的选择
13
¾第一个需要确定的问题是：仿真的主要 目的是什么？
9设计或性能的评估? 9稳态或动态响应 ? 9元件设计还是整个系统仿真? 9是否有验证的数据?
¾这些问题的回答可以指导我们选择模型 及其建模的层次 …
©IMAGINE SA 1998-2008
9 在AMESim中，饱和压力（saturation pressure） 参数 用于指定高于该压力后， 所有的空气全部溶
解，对流体的可压缩性没有影响。低于该压力，流 体的体积模量是混入空气的百分比和压力的函数。
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
流体特性–气蚀（ Cavitation ）
Time
压力 固态
液态 气蚀
沸腾
气态 温度
©IMAGINE SA 1998-2008
26
¾混入空气 – 气蚀
¾பைடு நூலகம்蚀和沸腾的比较 相变图
培训
流体特性 – 密度/可压缩性
27
¾流体的密度（ density） ρ 定义为单位体积的质量。
ρ = M [kg / m3]
V ¾流体的密度是压力、温度和流体种类的函数。如果变化很小的话， 可以 采用泰勒级数的前三项来近似表达：
ρ = ρ +⎜⎛∂ρ ⎟⎞ (P−P)+⎜⎛ ∂ρ ⎟⎞ (T −T )
0 ⎝ ∂P⎠T
0 ⎝ ∂T ⎠P
0
ρ
=
ρ
0
⎜⎛ ⎝
1
+
1 B
(P
−
P0 ) − α
(T
−
T0
)⎟⎞
⎠
B
=
−V0
⎜⎛ ⎝
∂P ∂V
⎟⎞ ⎠T
就是众所周知的等温体积模量或者简称为体积模量。
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
液压系统的变量
14
¾ 两个主要相关的液压变量是：
9 压力 P 9 体积流量Q
¾ 对于机械液压元件(作动器、控制阀、压力调节 阀…)，也需要一些机械变量:
9 速度 V, 位移 X, 加速度A 9 力 F以及扭矩T
¾ 我们在随后可以看到所交换变量的详细说明。 …
©IMAGINE SA 1998-2008
¾这些液压方面的应用库完全相互兼容。
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
AMESim液压方面库
4
¾1-HYD
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
AMESim液压方面库
5
¾2-液压阀库
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
AMESim液压方面库
6
¾3-HCD
©IMAGINE SA 1998-2008
¾ 然而，饱和压力（ saturation pressures）和蒸发压力 （ vapor pressures ）是处理气蚀现象（aeration/ cavitation）必不可少的。
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
液压流体特性
18
¾ 在AMESim中,需要给液压元件指定其流体特性，即在 AMESim的方案模式（sketch mode）插入一个流体特 性图标：
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
AMESim液压方面库
3
¾在AMESim中共有4个应用库用于仿真等 温（isothermal）单相（single-phase liquid）工作油液元件及其系统。
9液压库 (HYD) 9液压阀库 (HSV)（Rev7中已合并到HYD） 9液压元件设计库 (HCD) 9液阻库 (HR)
培训
例 1 –压缩性（ Compressibility）
20
¾我们设想一个固定容积的容腔，其初始 压力为P0 ，有一恒定的流量源连接该容 腔。不考虑容腔的变形。
Q=0.1L/min V=1L
¾运行仿真：从0到1s，通讯步长为： 0.01s
©IMAGINE SA 1998-2008
培训
例 1 –压缩性（ Compressibility）
AME_HYD2 第一章
AMESim的液压基础
LMS IMAGINE上海代表处
©IMAGINE SA 1998-2005 Updated: 2008
培训
AMESim的液压基础
2
目录
1. AMESim液压方面库概述 2. AMESim中的流体特性及其影响 3. AMESim中的节流理论 4. AMESim中的管路模型
培训
流体特性 – 质量守恒
28
¾自然界最基本的定律之一就是质量守恒。如果在回路中没有质量的 变化， 那么在体积模量和密度之间就存在下述关系：
⎪⎧ ⎨
B
=
−V
dP dV
⎪⎩ m& = 0
⇔
B=
ρ dρ
dP
¾在整个系统的计算中， 必须遵守该关系。在AMESim中，体积模量B 和密度ρ 的协调确保了质量守恒定律。