AMESim液壓培訓解析.ppt

培訓 1 學習相對比較重要的液壓基礎概念對AMESim液壓庫和元件有一個總體的認識復習怎樣用AMESim搭建液壓系統(tǒng) 掌握建模的小技巧 復習典型液壓系統(tǒng)的模型 應用案例 理解用HCD庫進行液壓元器件建模時的重要思路 根據要求倒推原件設置參數 工作點 計算 等效工作面積等所需參數 能夠搭建液壓元器件的AMESim模型能夠對AMESim的液壓元器件建模有更細致的體會 回顧常用的液壓元器件的建模過程 學習主要收獲 AMESim液壓系統(tǒng)建模 一 介紹AMESim基礎知識二 液壓油屬性相關設置三 元件介紹四 應用案例五 HCD液壓元件庫介紹 AMESim中的液壓庫 3 標準液壓庫 HYD HYD 標準液壓庫 通過庫內典型液壓元件進行液壓系統(tǒng)仿真 液阻庫 HR HR 液阻庫 主要用于分析液壓管網中的壓力損失和流量分布 液壓元件設計庫 HCD HCD 液壓元件設計庫 是由基本幾何結構單元組成的基本元素庫 用于根據幾何形狀和物理特性詳細構建各種液壓元件 在AMESim的庫函數中與液壓相關的三個主要庫 一 AMESim中液壓的總體介紹 三個液壓庫每個庫有不同方面功能各不相同但能夠相互兼容 且以標準液壓庫 HYD 為基礎 Fluidproperties 4 影響液體動態(tài)特性的三個基本屬性 密度 kg m3 質量特性與流體的溫度和壓力有關體積模量 bar 可壓縮性 剛度特性粘度 Pa s 阻尼特性然而 空氣含量 air gascontent 飽和壓力 saturationpressure 和蒸發(fā)壓力 vapourpressures 是處理氣蝕現(xiàn)象 aeration cavitation 必不可少的 液體屬性 二 液壓油屬性相關設置 5 時間 揮發(fā)氣泡 空氣氣泡 飽和壓力 蒸發(fā)壓力 只有液體 吸收空氣 全部或部分自由空氣 溶解空氣 空氣析出 溶解 游離 Psat Pvap 溶解有空氣的液體 摻混空氣 氣蝕 氣穴 氣蝕 液體壓力 在AMESim中定義液體屬性 6 在草繪階段 插入一個流體屬性圖標 一個壓力源和一個液體屬性傳感器 這是一種最簡單的測試液體屬性的方法選擇FP04子模型 FP01 FP02和FP03是以前舊版本所使用的現(xiàn)在被FP04代替 進入到參數階段 液壓油索引號是識別液體屬性的參數 這樣能夠在同一個系統(tǒng)中考慮多種不同液體的影響 例如 液壓油和冷卻劑或液壓油和汽油 在草繪階段 必須使用多個液壓油屬性符號 所有液壓元件子模型都需要定義流體的性質 B或viscosity 需要一個液壓油索引號 Indexofhydraulicfluid 7 Typeoffluidproperties 液體性質類型 液體性質總結 8 液壓油三個主要屬性AMESim中不同復雜程度液體屬性設置氣穴現(xiàn)象對液體性質的影響 液壓元件 9 液壓系統(tǒng)中的幾種元件 容積腔 阻尼孔 泵 管道 換向閥 液壓缸 三 液壓元件介紹 容積腔 10 容積腔是容性元件 具有容積效應 蓄能器和管路同樣具有這樣的效應向容積腔內輸入流量 輸出壓力可以通過下式計算到 通過引入液體的彈性模量B來考慮液體的可壓縮性 彈性模量B代表了液體剛度 液壓元件中兩種壓力損失 局部壓力損失 阻尼孔 彎頭 過濾器 沿程壓力損失阻尼孔和管道都有液阻的作用兩種壓力損失都能通過類似的流量方程 伯努利方程 計算 阻尼孔 11 Orifices 12 方程假設沒有能量損失 能量全部回收 如果A1 A3和h1 h3 P1 P3 其中Px 靜壓U 流速A 過流面積g 重力加速度h 高度 密度 1 U1 U2 U3 P1A1 P2A2 P3A3 阻尼孔 Orifices 13 實際上是存在能量損失的 所以 P3 P1局部壓力擾動壓力損失 方程 1 轉化成 2 其中 DPlosses 壓力損失 阻尼孔 損失的壓力可以認為是液體速度U 液體密度以及摩擦因子 同元件的幾何形狀有關 的函數當我們需要考慮液壓管網的壓力損失和流量分布時 HRlibrary 我們主要用方程 3 對于流量控制 需要用到一個關于流量系數Cq的方程 這個方程在AMESim HYD HCD 中經常用到 Orifices 14 4 3 阻尼孔 根據是慣性 inertia 起主要作用還是粘性 viscous 起主導作用 存在兩種流動狀態(tài) flowregime 層流 Laminar 流動非常平穩(wěn)紊流 Turbulent 流體的運動不規(guī)則 在下游存在紊亂以及渦流等 這兩種流動狀態(tài)和雷諾數 Reynoldsnumber 相關或者是流量系數 在AMESim中 兩種流動狀態(tài)的轉換是通過流量系數Cq來實現(xiàn)的 Orifices 15 阻尼孔 Orifices 16 在HYD中 流量是通過最大流量系數和Cq和臨界流數來計算在HR中 壓降是通過摩擦系數和臨界雷諾數來計算 HYDlibrary HRlibrary 伯努利方程 達西 威斯巴赫方程 流數 雷諾數 流量系數 摩擦因數 阻尼孔 Orifices 17 Cq和x的轉換關系 crit和Recrit的轉換關系 A過流面積Cq流量系數Dh水力直徑Q體積流量Re雷諾數 流量系數Dp壓降x摩擦系數r液體密度n液體運動粘度 注意 阻尼孔 Orifices 18 在下面的例子中 繪制流經5mm阻尼孔時的流量將節(jié)流孔兩端的壓差設定 P設定成一個瞬態(tài)遞增的過程如果Pdown保持在0bar P就等于Pup設定Pup在10s內從0到5bar 03 simple orifice ame 阻尼孔直徑 最大流量系數 阻尼孔 Orifices 19 在這段曲線上選擇一個點例如t 10s其中 P 5bar和Q 28 287L min 流量 壓力曲線 OR0000 1flowrateatport1 L min 03 simple orifice ame 阻尼孔 Orifices 20 復制前面的模型選擇 restrictiondefinition 選項使用之前的Q和P值分別作為流量和壓降參數比較兩種不同的阻尼孔 壓降 流量 03 simple orifice ame 阻尼孔 阻尼孔直徑 最大流量系數 Orifices 21 在0到1 5bar中有微小的差異 對湍流來講結果一樣 03 simple orifice ame 阻尼孔 壓降 流量 阻尼孔直徑 最大流量系數 Orifices 22 pressuredrop flowratepair 是怎樣工作的 通過輸入流量和相對于的壓降 用戶自己定義壓力流量曲線上的一點通過這一點 在湍流狀態(tài)下 AMESim計算等效阻尼孔直徑Cq取值是1 0 不是0 7 因此 層流狀態(tài)下的計算和選項2中的不同用選項1要注意 湍流計算比較準確 但是層流計算準確率相對較低 注意選擇平均壓力Patm下的 03 simple orifice ame 阻尼孔 Lines 23 對于HL01 沒有考慮慣量 與動態(tài)特性相關的是R C單元 對于HL04 考慮了流體慣量 在45ms 22 Hz 時壓力達到最大值 液體需要加速 對于HL020 管道中有著相似的增壓效果 但是卻伴隨著較高的振動頻率 液體慣性的效應有著顯著的影響 因此引入時間常數45 ms 然而 如果頻率范圍在 0 200 Hz 時 不推薦使用HL020和HL030因為這樣會引入不必要的噪聲 而且增加CUP運行時間 06 Pipe inertia ame 管道的選用 Lines 24 06 Pipe inertia ame 管道 其他元件 25 泵 在AMESim液壓庫中有很多不同種類的泵 容積泵 離心泵 泵類元件實質上是轉換器 把機械能轉換成液壓能液壓缸 液壓缸同樣也是轉換器 把液壓能轉換成機械能 反之亦然 Otherelements 26 換向閥 液壓庫中提供了很多換向閥的模型 這些閥將根據工作位 2 3 和通路 2 6 來定義 換向閥每一條通路的同流性質是通過定義流量和壓差 靠Q P來計算最大開口面積的 對于每條通路來說 過流面積是位移的函數 過流面積S x Smax f x 這些元件的使用方法將在下面的介紹 其他元件 液壓元件總結 27 一 元件 容積腔 阻尼孔 管道泵 馬達 方向閥二 集中參數法 復合接口 能量守恒 因果關系 流量分布 28 壓力源的油箱壓力恒定阻尼孔1通過定義D1直徑來計算流量當通過阻尼孔2的流量是阻尼孔1的兩倍時 阻尼孔D2的直徑是多少 目標 根據給定流量設計阻尼孔 四 應用案例 靜液傳動 29 泵 管道 轉動慣量 溢流閥 油箱 馬達 目標 建立一個簡單的液壓傳動系統(tǒng) Hydrostatictransmission 30 液壓系統(tǒng)一開始就達到穩(wěn)態(tài)值 仿真時間10 s 氣穴 靜液傳動 靜液傳動 為了避免系統(tǒng)內部產生氣穴 需要給泵施加一個連續(xù)的曲線通過定義初始曲線可以避免氣穴的發(fā)生 Hydraulicactuator 32 第一步 計算需要克服的阻力 15N 壓力源的壓力為5 bar 活塞直徑是多少 注意 用這個直徑 不能滿足最大輸出力的要求 活塞面積要增加30 來滿足 慣性力 庫倫摩擦力 粘性摩擦力 液壓執(zhí)行機構目標 建立一個能夠讓質量塊移動的液壓系統(tǒng) Hydraulicactuator 33 三位四通閥有A B P T共4個通流截面 可以用電路里面的橋式回路進行等效 這個橋式等效回路的意義在于 大部分液壓閥的通流截面都可以用節(jié)流阻尼孔 構建成橋式回路相似的物理模型來解決 圖2的系統(tǒng)可以用圖1的橋式回路等效出來 圖1圖2 橋式回等效路搭建三位四通閥 Hydraulicactuator 34 信號源參數設置如圖3 圖4圖3圖4 03 HYD Jack ame 圖4 4個節(jié)流口參數設置相同 使用復制參數粘貼參數方法 5 壓力源 缸 質量塊參數圖1和圖2相同 質量塊50kg 動摩擦力即庫侖摩擦力500N P1 5bar 質量塊向兩邊可各移動1m 每移動1m使用2s時間 仿真的目標要求的精度允許CPU最大運行時間或執(zhí)行任務的數量參數 幾何 形狀 可用的數據建模人員的經驗分析人員的經驗 建模仿真中的共性問題 35 仿真模型不僅同元件或系統(tǒng)相關 以下幾個方面同樣對模型的結構有很大的影響 液壓建模中的技巧注意求解器的設置通信步長需要根據仿真的需要來調整液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真時求解器的誤差應減少 應設為1e 7而不是1e 5 避免使用較小的容積和較大的阻尼孔 尤其是將兩者連在一起 這樣會顯著增加系統(tǒng)的計算時間注意模型的管理 模型文件的大小可以通過多個方法減小 amepurge 不保存全部變量 通信間隔 Generalitiesaboutsimulationmodels 36 建模仿真中的共性問題 小結 37 掌握怎樣用AMESim搭建液壓系統(tǒng)液壓管網液壓傳動液壓執(zhí)行機構防止系統(tǒng)抖動液壓仿真中的建模技巧液壓系統(tǒng)有很多不同的應用AMESim的demos中有很多應用實例 采用HCD庫的意義 即便是標準液壓庫中已經含有大量經典的常用的元件 但是在仿真時還是會碰到下述問題 元件的多樣性 無論軟件中已經預置了多少種不同的元件 永遠都不會夠 模型用途的多樣性 靜態(tài)特性 準靜態(tài)特性或動態(tài)特性的仿真可用數據的多樣性 實驗測量數據或技術圖紙 38 五 HCD液壓元件庫介紹 基本元件的概念 39 單向閥 柱塞類型1 柱塞類型2 HCD庫 容積元件 40 必須通過將活塞連接到一個容積元件才可以考慮 當活塞運動時 流量變化及容積變化的情況如何 計算公式 HYD庫中的容積元件的容積是不可變的 因此通常來說 我們會將HCD庫中的容積元件連接到活塞上 體積變量 液壓變量 Externalvariables 閥在仿真時能量轉換 液壓能機械能閥內部可計算具有某特定幾何結構下的流量大小 計算公式 F3 F4 P2 Apistonv4 v3Vol2 A x3通流面積是通過和閥芯位移相關的幾何公式計算所得 HCD庫 閥元件 41 機械端口 液壓端口 外部變量 HCD庫 閥元件 42 帶箭頭標識的部分說明 壓力施加在哪個部分哪些端口會計算流量及容積的變化 考慮port2的所受壓力大小 可計算受力情況活塞移動引起port2的容積和流量的變化 考慮port1和port2所受壓力的大小 可計算受力情況活塞移動引起port1以及port2的容積和流量的變化 用HCD庫設計單向閥 用HCD庫搭建液壓元件模型的方法定位壓力的有效作用面確定可移動部分選擇正確的幾何特征 主要任務 用HCD庫搭建簡單的單向閥 單向閥及其模型的特性 簡單的單向閥 特性 開啟壓力 10 bar 流量 100 L min 30 bar 全開時 仿真 壓力源 0to50 bar in10 seconds 44 第二步 HCD庫的單向閥 用HCD庫設計同樣的單向閥 搭建該元件模型的步驟 確認壓力作用面確認可移動部分確認通流面積 第二步 HCD庫的單向閥 1 定位壓力的有效作用面 2個作用力相互抵消的作用面 46 第二步 HCD庫的單向閥 2 確認可獨立運動部分 帶限位功能的單獨運動部分 47 第二步 HCD庫的單向閥 3 通流面積的確認 通流面積是一個圓環(huán) 48 P X 第二步 HCD庫的單向閥 閥的已知參數閥的直徑 8 mm 閥的質量 10 g 彈簧的預緊力 確定閥的開啟 壓力 彈性系數 定義了閥的壓力 流量梯度特性高限位 定義了閥的飽和特性 特性 開啟壓力 10 bar 流量 100 L min 30 bar 完全打開 49 帶圓環(huán)槽的閥芯元件通流面積 D x 第二步 HCD庫的單向閥 彈簧的彈性系數需要調節(jié)為當閥芯完全打開 兩側壓差30 bar 時 流過閥的液體流量為100 L min 50 閥的最小開度 x 0 m 時 F0相當于10 bar 左右的壓力作用在閥上閥的最大開度 在xmax位置 Fmax相當于30 bar 左右的壓力作用在閥上 第二步 HCD庫的單向閥 51 可調彈簧剛度的仿真結果 默認飽和參數下的仿真結果必須對飽和參數予以設置 第二步 HCD庫的單向閥 不同幾何尺寸的會限制飽和參數的設置 機械限位流入或流出節(jié)流孔產生的限流作用其它限流作用飽和參數可用下面不同的參數來模擬 機械限位可以在 mass 質量塊元件中定義最大underlap值可以在閥芯中定義流入或流出節(jié)流孔的孔徑 在閥芯達到最大開啟位置時 設定機械限位值是解決方案之一 52 第二步 HCD庫的單向閥 結果比較 1 HYDgenericsubmodel2 HCDcomponent 結果基本接近 除了在開啟部分 那么 我們?yōu)槭裁椿ㄙM這么多篇幅而只得到一個相近的結果 53 保存HCD庫構建的新元件 減小元件的尺寸 從而減小圖紙的尺寸構建一個自定義的元件庫 超級元件 Supercomponent 用HCD庫設計減壓閥 預覽 55 復習之前學到的方法知道怎樣使用可變容積了解設置參數 要求 減壓閥設計 用HCD庫設計減壓閥 步驟1 確定壓力的有效作用面 3個壓力有效作用面 用HCD庫設計減壓閥 步驟2 確認可獨立運動部件 57 1個帶限位功能的質量塊 stroke 0 5 mm x 用HCD庫設計減壓閥 步驟3 確認通流面積 通流面積為圓環(huán)狀 58 用HCD庫設計減壓閥 步驟4 確認可變容積 這一步的工作非常重要 因為可變容積實際上意味著可變剛度 所以它對于系統(tǒng)的動態(tài)特性分析是至關重要的 59 1個可變容積 用HCD庫設計減壓閥 用HCD庫設計減壓閥 設定參數值 最后一個要設置的參數非常重要 即質量塊子模型中的粘性摩擦系數 viscousfrictioncoefficient 實際上 該參數的取值對于閥的實際動態(tài)會有顯著影響 61 用HCD庫設計減壓閥 62 在機械液壓系統(tǒng)中 阻尼一般