AMESim液压培训资料课件.ppt

1、培训培训1学习相对比较重要的液压基础概念学习相对比较重要的液压基础概念对对AMESimAMESim液压库和元件有一个总体的认识液压库和元件有一个总体的认识 复习怎样用复习怎样用AMESimAMESim搭建液压系统，掌握建模的小技巧搭建液压系统，掌握建模的小技巧复习典型液压系统的模型（应用案例）复习典型液压系统的模型（应用案例）理解用理解用HCDHCD库进行液压元器件建模时的重要思路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（根据要求倒推原件设置参数（工作点工作点计算计算等效工作面积等效工作面积等所需等所需参数）参数）能够搭建液压元器件的能够搭建液压元器件的AMESimAMESi

2、m模型模型能够对能够对AMESimAMESim的液压元器件建模有更细致的体会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回顾常用的液压元器件的建模过程学习主要收获学习主要收获AMESim液压系统建模一、介绍AMESim基础知识二、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中的液压库中的液压库3标准液压库标准液压库(HYD).HYD:标准液压库，通过库内典型液压元件进行液压系统仿真系统仿真。液阻库液阻库(HR).HR: 液阻库，主要用于分析液压管网中的压压力损失和流量分布力损失和流量分布。液压元件设计库液压元件设计库(HCD).HCD:

3、 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。在在AMESimAMESim的库函数中与液压相关的三个主要库的库函数中与液压相关的三个主要库一、一、AMESim AMESim 中液压的总体介绍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，且以标准液压库互兼容，且以标准液压库(HYD )(HYD )为基础为基础Fluid properties4 影响液体动态特性动态特性的三个基本属性:n密度密度 kg/m3 质量特性 与流体的温度和压力有关n体积模量体积模量 bar 可

4、压缩性 = 刚度特性n粘度粘度 Pa.s 阻尼特性然而，空气含量空气含量(air/gas content),饱和压力饱和压力(saturation pressure) 和蒸发压力蒸发压力( vapour pressures ),是处理气蚀现象气蚀现象（ （aeration/cavitation） ）必不可少的。 液体属性液体属性二、液压油属性相关设置二、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)PsatPvap溶解有空气的液体掺混空气 - 气蚀气穴气穴 / / 气蚀气蚀液体压力液体压力在在AMESim 中定

5、义液体属性中定义液体属性6 在草绘阶段，插入一个流体属性图标在草绘阶段，插入一个流体属性图标, , 一个压力源和一个液体属性一个压力源和一个液体属性传感器传感器 。这是一种最简单的测试液体属性的方法。这是一种最简单的测试液体属性的方法选择选择FP04 FP04 子模型子模型(FP01, FP02 (FP01, FP02 和和 FP03 FP03 是以前旧版本所使用的现在是以前旧版本所使用的现在被被FP04FP04代替代替) ) 进入到参数阶段进入到参数阶段液压油索引号液压油索引号是识别液体属性的参数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，这样能够在同一个系统中考虑多种不同液体的影

6、响（例如不同液体的影响（例如: :液压液压油和冷油和冷却剂或液压油和汽油）却剂或液压油和汽油）。在草绘阶段。在草绘阶段, , 必须使用多个液压油属性符号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所有液压元件子模型都需要定义流体的性质体的性质(, B 或或 viscosity) 需要一需要一个液压油索引号个液压油索引号. .Index of hydraulic fluid7Type of fluid properties液体性质类型液体性质类型液体性质总结液体性质总结8 液压油三个主要属性液压油三个主要属性AMESimAMESim中不同复杂程度液体属性设置中不同复杂程度液体属性设置

7、气穴现象对液体性质的影响气穴现象对液体性质的影响 液压元件液压元件9 液压系统中的几种元件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缸三、液压元件介绍三、液压元件介绍容积腔容积腔10 n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效应n向容积腔内输入流量，输出压力可以通过下式计算到：向容积腔内输入流量，输出压力可以通过下式计算到：n通过引入液体的弹性模量通过引入液体的弹性模量B B来考虑液体的可压缩性，弹性模量来考虑液体的可压缩性，弹性模量B B代表代表了液体刚度了液体刚度iiQV)P(BdtdP液压元件中两种

8、压力损失液压元件中两种压力损失 :局部压力损失局部压力损失( (阻尼孔，弯头，过滤器阻尼孔，弯头，过滤器)沿程压力损失沿程压力损失阻尼孔和管道都有液阻的作用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两种压力损失都能通过类似的流量方程( (伯努利方程伯努利方程) )计算计算阻尼孔阻尼孔11 Orifices12方程假设没有能量损失:能量全部回收：如果A1 = 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 pressure totalpressuredynamic23 termgravity3pr

9、essure static 321112121UhgPUhgP(1)U1U2U3P1A1P2A2P3A3阻尼孔阻尼孔Orifices13实际上是存在能量损失的，所以实际上是存在能量损失的，所以: : P P3 3 P P1 1 局部压力扰动 压力损失方程（1）转化成!233321112121lossesPUhgPUhgP(2)其中:DPlosses = 压力损失P1, A1P2, A2P3, A3阻尼孔阻尼孔损失的压力可以认为是液体速度损失的压力可以认为是液体速度U, U, 液体密度以及摩擦因子液体密度以及摩擦因子 ( (同元件的同元件的几何形状有关几何形状有关) )的函数的函数当我们需要考虑

10、液压管网的压力损失和流量分布时当我们需要考虑液压管网的压力损失和流量分布时(HR library)(HR library)，我们，我们主要用方程（主要用方程（3 3）对于流量控制，需要用到一个关于流量系数对于流量控制，需要用到一个关于流量系数Cq的方程，这个方程在的方程，这个方程在 AMESim (HYD, HCD)中经常用到。中经常用到。Orifices14 2222121AQUPlosses21 where2qdownuprqCPPACQ(4)(3)阻尼孔阻尼孔n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）：

11、层流（层流（ Laminar Laminar ）：流动非常平稳紊流（紊流（ Turbulent 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。Orifices15hDURehDP2阻尼孔阻尼孔Orifices16在HYD 中,流量是通过最大流量系数和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PACQrestq2222restAQPPDh2HYD libraryHR library伯努利方程达西-

12、威斯巴赫方程流数雷诺数AQDRhe流量系数摩擦因数 Cqmax Cq crit Turbulent Laminar min Recrit Re Laminar Turbulent 阻尼孔阻尼孔Orifices1721 OR 1qqCCReor ReqCCq 和 的转换关系crit 和Recrit的转换关系minmaxReor RecritcritcritqcritCA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 注意阻尼孔阻尼孔Orifices18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

13、一个瞬态递增的过程如果 Pdown 保持在0 bar0 bar, P 就等于Pup设定Pup 在10 s10 s内内从 0 0 到到 5 bar 5 bar 03_simple_orifice.ame阻尼孔直径/最大流量系数阻尼孔阻尼孔Orifices19 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、压力曲线流量、压力曲线OR0000-1 flow rateat port 1 L/min03_simple_orifice.ame阻尼孔阻尼孔Orifices20 复制前面的模型选择restriction definition选项

14、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_simple_orifice.ame阻尼孔阻尼孔阻尼孔直径/最大流量系数Orifices21 在在 0 0到到1.5 bar1.5 bar中有微小的差异中有微小的差异对湍流来讲结果一样03_simple_orifice.ame阻尼孔阻尼孔压降/流量阻尼孔直径/最大流量系数Orifices22 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

15、)因此,层流状态下的计算和选项2中的不同 用选项用选项1 1要注意：要注意：湍流计算比较准确,但是层流计算准确率相对较低ADPPCQAdownpq4 2.注意选择平均压力Patm下的 03_simple_orifice.ame阻尼孔阻尼孔Lines23n对于 HL01,没有考虑惯量，与动态特性相关的是R-C单元。n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）n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HL02

16、0 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管道的选用管道的选用Lines24 06_Pipe_inertia.ame管道管道其他元件其他元件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 elements26 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。

17、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其他元件液压元件总结液压元件总结27一、元件：容积腔、阻尼孔、管道泵、马达、方一、元件：容积腔、阻尼孔、管道泵、马达、方向阀向阀二、集中参数法、复合接口、能量守恒、因果关二、集中参数法、复合接口、能量守恒、因果关系系 流量分布流量分布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？目标目标 : : 根据给定流量设计阻尼孔根据给定流量设计阻尼孔四、应用案例静液传动静液传动29泵管道转动惯量溢流阀油

18、箱马达目标目标 : : 建立一个简单的液压传动系统建立一个简单的液压传动系统Hydrostatic transmission30液压系统一开始就达到稳态值液压系统一开始就达到稳态值. . 仿真时间仿真时间10 s :10 s :气穴气穴静液传动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.Hydraulic actuator32第一步第一步: : 计算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

19、压执行机构液压执行机构目标目标 : : 建立一个能够让质量块移动的液压系统建立一个能够让质量块移动的液压系统Hydraulic actuator33三位四通阀有三位四通阀有ABPT ABPT 共共4 4个通流截面，可以用电路里面的桥式回路进行等效。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，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构建成桥式回路相似的物理模型来解决。图图2 2的系统可以用图的系统可以用图1 1的桥式回路等效出来。的桥式回路等效出来。图图1 1

20、图图2 2桥式回等效路搭建三位四通阀桥式回等效路搭建三位四通阀Hydraulic actuator34信号源参数设置如图信号源参数设置如图3 3，图，图4 4图图3 3 图图4 403_HYD_Jack.ame图图4（4个节流口参数设置相同个节流口参数设置相同使用复制参数粘贴参数方法）使用复制参数粘贴参数方法）5 5、压力源、缸、质量块参数图、压力源、缸、质量块参数图1和图和图2相同（质量块相同（质量块50kg，动摩擦力即库仑摩擦力，动摩擦力即库仑摩擦力500N，P1=5bar，质量块向两边可各移动，质量块向两边可各移动1m，每移动，每移动1m使用使用2s时间。）时间。）仿真的目标仿真的目标要

21、求的精度要求的精度允许允许CPUCPU最大运行时间或执行任务的数量最大运行时间或执行任务的数量参数参数( (几何几何, , 形状形状).).可用的数据可用的数据建模人员的经验建模人员的经验分析人员的经验分析人员的经验建模仿真中的共性问题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：液压建模中的技巧液压建模中的技巧注意求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

22、以通过多个方法减小(amepurge, 不保存全部变量, 通信间隔) 。Generalities about simulation models36建模仿真中的共性问题建模仿真中的共性问题小结小结37掌握怎样用掌握怎样用AMESimAMESim搭建液压系统搭建液压系统液压管网液压管网液压传动液压传动液压执行机构液压执行机构防止系统抖动防止系统抖动液压仿真中的建模技巧液压仿真中的建模技巧液压系统有很多不同的应用液压系统有很多不同的应用AMESimAMESim的的demosdemos中有很多应用实例中有很多应用实例采用采用HCDHCD库的意义库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，

23、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、五、HCDHCD液压元件库介绍液压元件库介绍基本元件的概念基本元件的概念39单向阀柱塞类型 1柱塞类型 2HCDHCD库库 容积元件容积元件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 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HCDHCD库中的容积元件连接到活塞上portsVVQBdtdP0portsVVVol0体

24、积变量液压变量External 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 Apiston v4 = 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HCDHCD库库 阀元件阀元件41机械端口液压端口外部变量：32. 2).(.vAPxSCQqHCDHCD库库 阀元件阀元件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

25、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43 copyright LMS International - 2008用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 用用HCDHCD库搭建简单的单向阀库搭建简单的单向阀单向阀及其模型的特性单向阀及其模型的特性简单的单向阀简单的单向阀特性: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 seconds44PX45 copyright LMS International

26、 - 2008第二步：第二步：HCDHCD库的单向阀库的单向阀用用HCDHCD库设计同样的单向阀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PX第二步：第二步：HCDHCD库的单向阀库的单向阀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 PX第二步：第二步：HCDHCD库的单向阀库的单向阀2-确认可独立运动部分 带限位功能的单独运动部分47PX第二步：第二步：HCDHCD库的单向阀库的单向阀3-通流面积的确认通流面积是一个圆环48 PX第二步：第二步：HCDHCD库的单向阀库的单向阀阀的已知参数 -阀的直径 = 8 mm-阀的质量 = 10 g

27、-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 PX带圆环槽的阀芯元件通流面积 = .D.x第二步：第二步：HCDHCD库的单向阀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/min50阀的最小开度: 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F Nx mF0Fmaxxmaxx第二步：第二步：HCDH

28、CD库的单向阀库的单向阀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：第二步：HCDHCD库的单向阀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：第二步：HCDHCD库的单向阀库的单向阀结果比较:1 : HYD generic submodel2 : HCD component结果基本接近，除了在开启部分

29、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保存保存HCDHCD库构建的新元件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超级元件 - Supercomponent- Supercomponent用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀 - - 预览预览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 减压阀设计减压阀设计56 copyright LMS International - 2008用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀步骤步骤1: 1: 确定压力的有效作用面确定压力的有效作用面 Constant pressure lin

30、e, Ps Ks QL PR, Vt Qc K1 Pc Vc Hydraulic load Ps 3个压力有效作用面用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀步骤步骤2: 2: 确认可独立运动部件确认可独立运动部件57 1个带限位功能的质量块+ stroke = 0.5 mm+ stroke = 0.5 mmx 用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀步骤步骤3: 3: 确认通流面积确认通流面积 Constant pressure line, Ps x Ks QL PR, Vt Qc K1 Pc Vc A Hydraulic load 通流面积为圆环状58用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀

31、步骤步骤4: 4: 确认可变容积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。 Constant pressure line, Ps x Hydraulic load Constant pressure line, Ps Hydraulic load 591个可变容积用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀设定参数值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

32、响61用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀62 在机械液压系统中，阻尼一般可粗略估计为 5% - 10% (红色曲线)设定参数值设定参数值 如何确定如何确定viscous frictionviscous friction的大小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: 用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀设定参数值设定参数值 如何确定如何确定viscous frictionviscous friction的大小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MKRz

33、2MXK0. 20200XwXwzXKXXRXM63该系统的自然振动（频率）及阻尼比可以用下述公式来表示：RMKw 0用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀设定参数值设定参数值 如何确定如何确定viscous frictionviscous friction的大小的大小在该系统中, 惯量的大小取决于两个刚度：弹簧和可变容积腔.dVVBdPVBKhyddxAVBAdF.VBAAKKhydmecahyd22液压容积腔内的公式:该公式也可以变换为:162265.10401, 010101017000mN在这个例子中，液压刚度可计算为:64用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀设定参数值设定参数值

34、 如何确定如何确定viscous frictionviscous friction的大小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:smNMKRmecahyd.1705, 02165无粘性摩擦带有粘性摩擦用用HCDHCD库设计减压阀库设计减压阀质量块的位置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。67 copyright LMS International - 2008课程总结课程总结学会使用简单的建模方法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以搭建任意液压元件的模型可处理复杂的物理现象可处理复杂的物理现象不同复杂程度的建模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为自己以后应用该软件解决实际问题明确了设计思路计思路