AMESim液压教程1

©IMAGINESA1998-2005Updated:2008培训第一章AME_HYD2AMESim的液压基础LMSIMAGINE上海代表处2©IMAGINESA1998-2008培训目录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AMESim的液压基础3©IMAGINESA1998-2008培训AMESim液压方面库¾在AMESim中共有4个应用库用于仿真等温（isothermal）单相（single-phaseliquid）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)¾这些液压方面的应用库完全相互兼容。4©IMAGINESA1998-2008培训AMESim液压方面库¾1-HYD5©IMAGINESA1998-2008培训AMESim液压方面库¾2-液压阀库6©IMAGINESA1998-2008培训AMESim液压方面库¾3-HCD7©IMAGINESA1998-2008培训AMESim液压方面库¾4-HR8©IMAGINESA1998-2008培训AMESim液压方面库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9©IMAGINESA1998-2008培训AMESim液压方面库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…10©IMAGINESA1998-2008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11©IMAGINESA1998-2008培训AMESim液压方面库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。12©IMAGINESA1998-2008培训AMESim液压方面库9HCD:是由基本几何结构单元组成的基本元素库（basicelement），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。13©IMAGINESA1998-2008培训模型的选择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…14©IMAGINESA1998-2008培训液压系统的变量¾两个主要相关的液压变量是：9压力P9体积流量Q¾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A9力F以及扭矩T¾我们在随后可以看到所交换变量的详细说明。…15©IMAGINESA1998-2008培训¾液压流体特性16©IMAGINESA1998-2008培训液压流体特性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：¾但是只有少量的几个是我们在液压计算中需要用到的…密度（Density）可压缩性（Compressibility）粘度（Viscosity）热胀冷缩性（Thermalexpansion）导热率（Thermalconductivity）比热（Specificheat）饱和压力/蒸发压力（Saturation/Vaporpressure）燃点和沸点（Flashandboilingpoints）表面张力（Surfacetension）LubricityFoaming电特性（Electricalproperties）StabilityToxicityCompatibilitywithothermaterials17©IMAGINESA1998-2008培训液压流体特性¾用于处理动态特性的3个基本特性：9密度（Density）Î质量特性9体积模量（Bulkmodulus）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（thermalconductivity），比热（specificheat），热胀冷缩性（thermalexpansion）。¾然而，饱和压力（saturationpressures）和蒸发压力（vaporpressures）是处理气蚀现象（aeration/cavitation）必不可少的。18©IMAGINESA1998-2008培训液压流体特性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（sketchmode）插入一个流体特性图标：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‘Indexofhydraulicfluid’参数作为一个标示，为该液压元件指定特定的流体特性。19©IMAGINESA1998-2008培训液压流体特性20©IMAGINESA1998-2008培训例1–压缩性（Compressibility）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。¾运行仿真：从0到1s，通讯步长为：0.01sV=1LQ=0.1L/min21©IMAGINESA1998-2008培训例1–压缩性（Compressibility）¾相应的AMESim模型:¾考察该容腔中压力地变化¾t=1s是的昀终压力为28.31barExample1.ame22©IMAGINESA1998-2008培训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（bulkmodulus）来定义，该体积模量是通过压力变化和体积变化来定义：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：¾注意：该刚度很显然是一个非线性刚度!VPVBδδ−=VBKhyd=流体特性–压缩性（Compressibility）23©IMAGINESA1998-2008培训流体特性–混入空气（Aeration）¾空气含量对流体可压缩性的影响9空气可以掺混（entrapped）或溶解（dissolved）在液压油中：9掺混空气（Entrappedair）: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（effectivebulkmodulus）.例如在自由水面上的水龙头注水时可以看到的气泡。9溶解空气（Dissolvedair）: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’slaw）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。24©IMAGINESA1998-2008培训流体特性–混入空气（Aeration）¾空气释放（Airrelease）: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（saturationpressure）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。9在AMESim中，饱和压力（saturationpressure）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。25©IMAGINESA1998-2008培训流体特性–气蚀（Cavitation）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（vaporpressure）。蒸发压力也是流体特性参数之一。26©IMAGINESA1998-2008培训TimeCavitationVapor(vaporizedliquid)SaturationpressureLiquidpressureRe-dissolving(totalorpartial)VaporpressureAirbubblesappearanceAir¾气蚀和沸腾的比较相变图温度¾混入空气–气蚀压力沸腾液态固态气态气蚀流体特性–空气释放/气蚀27©IMAGINESA1998-2008培训¾流体的密度（density）ρ定义为单位体积的质量。[]3/mkgVM=ρ¾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：()()000TTTPPPPT−⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂+−⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂+=ρρρρ()()⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−−+=00011TTPPBαρρTVPVB⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−=0就是众所周知的等温体积模量或者简称为体积模量。流体特性–密度/可压缩性28©IMAGINESA1998-2008培训¾自然界昀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：dPdBmdVdPVBρρ=⇔⎪⎩⎪⎨⎧=−=0&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。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。流体特性–质量守恒29©IMAGINESA1998-2008培训例1–压缩性（Compressibility）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。¾从体积模量的公式出发：dtdtdVVBdtdtdPdVdPVB=⇒−==Q,体积流量30©IMAGINESA1998-2008培训例1–压缩性（Compressibility）¾因此:由于Q=常数:其中:B=17000bar，P0=0barQ=0.1L/min(=0.1/60000m3/s)t–t0=1sV=1L(=1e-3m3)ÎPfinal=28.33bar(与在AMESim中计算得到的28.31bar比较)∫∫=ttttQdtVBdtdtdP00()00.ttQVBPP−=−31©IMAGINESA1998-2008培训例1–压缩性（Compressibility）¾可以发现存在非常小的误差(0.07%)，让我们再仿真一次，仿真时间为：Tfinal=10s9AMESim计算结果:P=281bar9手工计算结果:P=283.3bar9误差:0.8%Î我们可以发现随着压力的增加，误差也在增加，为什么？32©IMAGINESA1998-2008培训例1–压缩性（Compressibility）¾为了在AMESim中确保质量守恒，输入的体积流量是在0bar表压下考虑的。但是在当前的压力下，其实际体积流量需要乘上一个因子：¾由体积模量和密度的关系式得到：¾考虑到P0=0并且B=常数Pρρ0BdPd=ρρ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=∫PPPBdP0exp.0ρρ⎟⎠⎞⎜⎝⎛=BPPexp.0ρρ33©IMAGINESA1998-2008培训例1–压缩性（Compressibility）¾因此在一开始的方程中就要综合考虑该因子¾我们可以通过AMESim中信号控制库中的模块来检验该假设：¾在tfinal=10s时，我们得到了预期的281barPρρ0Example1a.ame∫∫∫⎟⎠⎞⎜⎝⎛=