基于AMESim的液壓仿真應(yīng)用現(xiàn)狀

1、基于amesim的液壓仿真應(yīng)用現(xiàn)狀扌商要：amesim是專門用于液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析的軟件。本文對amesim 做了簡單的介紹，從工程應(yīng)用角度出發(fā)歸納總結(jié)出amesim軟件的建模方法和基本特征，簡 單地介紹了 amesim在液壓仿真屮的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：amesim；液壓；仿真前呂amesim為用戶提供了一個(gè)圖形化的u寸域仿真建模環(huán)境，用于工程系統(tǒng)建 模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析?？梢允褂靡延心Ｐ秃停ɑ颍┙⑿碌淖幽Ｐ停瑏順?gòu) 建優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型，可修改模型和仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真、繪 制曲線并分析仿真結(jié)果，界面比較友好、操作方便。amesim不僅可以令使用者

2、迅速達(dá)到建模仿真的最終目標(biāo)，而且還可以分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了開發(fā)成本 和縮短開發(fā)的周期，所以amesim被廣泛應(yīng)用于液壓仿真中。1 amesim簡介對液壓元件或系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真的研究和應(yīng)用己有30多年的歷史，隨著流體力學(xué)、現(xiàn)代控制理論、算法理論、可靠性理論等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，液壓仿真技術(shù)也日益成熟，越來越成為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的有力工具，相應(yīng)的仿真軟件也相繼出現(xiàn)。目前，國內(nèi)外主要有amesim, hop-san, adams / hydraulics 、 easys 、mat1 ah/si mulink, stmulzd、 dshplus, fluidstm, a

3、utomation studio、20-sim,hypneu等11種液壓仿真軟件。法國imagine公司于1995年推出基于鍵合圖的 液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件，即amesim,全稱為advanced environment for performing simulations of engineering systems（高級工 程系統(tǒng)仿真建模環(huán)境），該軟件包含imagine技術(shù)，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、工 程應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工具。它為設(shè)計(jì)人員提供便捷的開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科 交叉領(lǐng)域系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，能在此基礎(chǔ)上設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真分析。amesim軟件 中的元件間都可以雙向傳遞數(shù)據(jù)

4、，并u變量都具有物理意義。它用圖形的方式 來描述系統(tǒng)中各設(shè)備間的聯(lián)系，能夠反映元件間的負(fù)載效應(yīng)和系統(tǒng)中的能景和 功率流動(dòng)情祝。該軟件中元件的一個(gè)接口可以傳遞多個(gè)變量，使得不同領(lǐng)域的 模塊可以連接在一起，這樣大大簡化了模型的規(guī)模；另外，該軟件還具有多種 仿真方式，如穩(wěn)態(tài)仿真、動(dòng)態(tài)仿真、批處理仿真、間斷連續(xù)仿真等，這可以提 高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保證仿真結(jié)果的精度。1）amesim建模方法鍵合圖由美國的h. paynter于20世紀(jì)60年代初發(fā)明。它以圖形方式 來表達(dá)系統(tǒng)中各元件間的相互關(guān)系，反映元件間的負(fù)載效應(yīng)及系統(tǒng)中的功率流 動(dòng)情況。由功率鍵合圖可以直接寫出適于仿真的狀態(tài)方程，且與基于現(xiàn)代控制 理論

5、的狀態(tài)變量數(shù)學(xué)模型之間存在嚴(yán)密對應(yīng)的內(nèi)在邏輯關(guān)系，用這種方法為系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程分析和建模提供了很大的方便。amesim軟件采用的建模方法類似 于功率鍵合圖法，但要更先進(jìn)一些。相似之處在于二者都采用圖形方式來描述 系統(tǒng)中各元件的相互關(guān)系，能夠反映元件間的負(fù)載效應(yīng)及系統(tǒng)中功率流動(dòng)情 況，元件間均可反向傳遞數(shù)據(jù)。規(guī)定的變量一般都是具有物理意義的變量，都 遵從因果關(guān)系；不同之處在于amesim更能直觀地反映系統(tǒng)的工作原理。用 amesim建立的系統(tǒng)模型與系統(tǒng)工作原理圖兒乎一樣，而且元件之間傳遞的數(shù)據(jù) 個(gè)數(shù)沒有限制，可以對更多的參數(shù)進(jìn)行研究。它采用復(fù)合接口，即一個(gè)接口傳 遞多個(gè)變量，簡化了模型的規(guī)模，使得

6、不同領(lǐng)域模塊之間的物理連接成為可 能。2) amesim基本特征(1) 設(shè)計(jì)框架作為軟件設(shè)計(jì)包，amesim為用戶提供了一個(gè)完整的時(shí)域仿真(包括線性分 析及各種專業(yè)特性)建模環(huán)境。工程師可使用已有模型和(或)建立新的子模型元 件，來構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型。(2) 用戶界面易于識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)tso圖標(biāo)和簡單直觀的多端口框圖，為用戶提供了一個(gè)友 好的界面，方便用戶建立復(fù)雜系統(tǒng)及用戶所需的特定應(yīng)用實(shí)例。(3) 求解器算法自適應(yīng)和強(qiáng)大的不連續(xù)性處理能力基于最先進(jìn)的數(shù)字積分器，amesim 求解器根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在17重可選算法中自動(dòng)選擇最佳積分算法，并且 有精確的不連續(xù)性處理能力，正是amesim

7、這些獨(dú)特的技術(shù)，保證了仿真的速度 和精度。(4) 應(yīng)用庫12個(gè)開放的模型庫基于物理原理和實(shí)際應(yīng)用，包含大量一維流體/機(jī)械系 統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真必須的模型。用戶無須是仿真專家，輕易便可獲得最新專業(yè)技 巧。(5) 超元件功能超元件功能使用戶可以將一組元件集成為一個(gè)超元件，后者可以像普通元 件一樣使用。由于多端口方案等原因，amesim的超元件功能與其它軟件的相應(yīng) 特性具有本質(zhì)的差別。(6) 開放性內(nèi)置與c(或fortran)和其它系統(tǒng)仿真軟件的接口。借助此特性，用戶可以 在ames in環(huán)境中訪問任何c或fortran程序、控制器設(shè)計(jì)特征、優(yōu)化工具及能 譜分析等工具。同吋用戶還可以將一個(gè)完全非線性ame

8、sim子模型輸岀到一個(gè) cae或多媒體軟件中去。(7) ameset子模型編輯工具借助于ameset用戶可自己開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的、可重復(fù)使用的、便于維護(hù)的、并附 有完整文檔的模型庫。（8）模型庫標(biāo)準(zhǔn)庫:機(jī)械一控制。可選庫：液壓一液壓管路一液壓元件設(shè)計(jì)（即原來的amebel）液壓阻力一氣 動(dòng)一若一熱流體一冷卻一動(dòng)力傳動(dòng)一填注。（9）amerun 模塊amerun®是快速運(yùn)行和觀察不同設(shè)計(jì)方案效果的理想工具。amerun是 amerun®的運(yùn)行版，提供標(biāo)準(zhǔn)amesim環(huán)境中設(shè)置模型參數(shù)、執(zhí)行仿真及分析時(shí) 可使用的全部特征。借助于amerun,工程師可與不熟悉建模和計(jì)算機(jī)仿真的人 共享其

9、已驗(yàn)證過的、仔細(xì)測試過的和客戶化的amesim模型。（10 ） amerun 的功能借助于amerun,用戶可修改模型和仿真參數(shù)、進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真、繪 制曲線并分析仿真結(jié)果。所有功能強(qiáng)大的工具，比如fft、線性分析特性、動(dòng) 畫、敏感性及參數(shù)研究均可實(shí)現(xiàn)，而無須任何編碼。借助于強(qiáng)大的amesim客 戶化特征，終端用戶只能訪問指定信息、加載預(yù)先定義的繪圖設(shè)置、自動(dòng)產(chǎn)生 仿真報(bào)告。模型保護(hù)驗(yàn)證:amerun禁止終端用戶修改模型結(jié)構(gòu)和建模假設(shè)， 來達(dá)到保護(hù)模型的目的。而u,敏感信息可在有密碼保護(hù)的子模型中加鎖。 amerun允許用戶與其內(nèi)部或外部的伙伴安全的共享模型。（ll）amerset 模塊借助

10、于模型編輯工具ameset®用戶可按照下列步驟方便地?cái)U(kuò)充amesim模型 庫，從而創(chuàng)建自己所需的特定部件模型。設(shè)計(jì)圖標(biāo)并定義其連接端口，然后，指定端口類型:機(jī)械（旋轉(zhuǎn)或直線）、 液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)、信號、熱力及其它。定義子模型的參數(shù)和變量名并選擇 單位。ameset為子模型生成c或fortran語言（可選）代碼框架。最后， 為子模型構(gòu)造方程。此外，用戶還可以訪問amesim子模型庫的源代碼。這種特性對發(fā)現(xiàn)某些建 模技巧非常有用，使用戶能夠直接建模而無需總是從草圖開始。ameset還允許 用戶將幾個(gè)復(fù)雜程度不同的子模型捆綁成單一部件圖標(biāo)。2 amesim的應(yīng)用現(xiàn)狀1）在液壓系統(tǒng)的建模與仿

11、真中的應(yīng)用amesim為用戶提供了一個(gè)圖形化的吋域仿真建模環(huán)境，用于工程系統(tǒng)建 模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析?？梢允褂靡延心Ｐ秃停ɑ颍┙⑿碌淖幽Ｐ停瑏順?gòu) 建優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型，可修改模型和仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真、繪 制曲線并分析仿真結(jié)果，界面比較友好、操作方便。使用者完全可以應(yīng)用集成 的一整套amesim應(yīng)用庫來設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，所有的模型都經(jīng)過嚴(yán)格的測試和實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證。amesim不僅可以令使用者迅速達(dá)到建模仿真的最終目標(biāo)，而且還可以分 析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了開發(fā)成本和縮短開發(fā)的周期。所以amssim被廣泛地應(yīng)用 于液壓系統(tǒng)的建模與仿真中，用來分析液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性等。比如對于注塑 機(jī)液壓系統(tǒng)的

12、建模仿真研究，首先根據(jù)系統(tǒng)原理圖，使用仿真元件模型來搭建 系統(tǒng)仿真模型；整理仿真參數(shù)，將其分為兩大類：已知的和未知的，并使用 amesim批處理功能處理未知參數(shù)，將其分為對系統(tǒng)影響較小的一類參數(shù)a, 對系統(tǒng)影響較大的一類參數(shù)b;取b類參數(shù)的中間值bmi d,設(shè)置仿真參數(shù)及 仿真吋間、步長等，進(jìn)行仿真并分析仿真結(jié)果。amesim采用標(biāo)準(zhǔn)的iso圖標(biāo)和簡單直觀的多端口框圖，涵蓋了液壓、液壓管 路、液壓元件設(shè)計(jì)、液壓阻力、機(jī)械、氣動(dòng)熱流體、冷卻、控制、動(dòng)力傳動(dòng)等 領(lǐng)域，能使這些領(lǐng)域在統(tǒng)一的開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程的建模與仿真，而成為 多學(xué)科多領(lǐng)域系統(tǒng)分析的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，為用戶建立復(fù)雜的系統(tǒng)提供了極大的便

13、利。amesim軟件可以使物理系統(tǒng)模型直接轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)仿真模型；amesim提供了 17種優(yōu)化算法，依照所建模型，用戶能靈活地利用智能求解器挑選最適合模型 求解的積分算法，為了縮短仿真時(shí)間和提高仿真精度，用戶能在不同仿真時(shí)刻 根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)動(dòng)態(tài)切換積分算法和調(diào)整積分步長;amesim軟件為獲得跟其它 軟件的兼容，提供了多種軟件接口：如編程語言接日(c或fortran)、控制軟件 接口 (mallah / simulink和matrixx)、實(shí)時(shí)仿真接口 (rtlvah, xpc, dspace) > 多維軟件接口 (adam和simpack, vi rtual lah motion, 3d

14、 vi rtual) > 優(yōu)化軟件接 m(isight, opttmus), fem軟件接口 (flux2 d )和數(shù)據(jù)處理接口 (excel)等。其 方法是：讓子系統(tǒng)在專用軟件下搭建，利用接口對子系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行仿真分 析。所以amesim用于液壓元件的仿真分析中有很大優(yōu)勢。下面以同步閥的仿真 分析為例。國內(nèi)目前生產(chǎn)的同步閥，存在體積較大的缺點(diǎn)，基于以上現(xiàn)狀，應(yīng)用amesim 仿真軟件建立同步閥模型，對同步閥的主要性能指標(biāo)進(jìn)行分析。應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，仿真結(jié)果表明：改進(jìn)后的同步閥，體積輕巧，性能穩(wěn)定。ark 左側(cè)可變x 節(jié)流孔f左側(cè)彈鉗j 座內(nèi)孔 左腔 左側(cè)固定/ 節(jié)流孔p 口

15、”b 口x右側(cè)町變 流孔x石側(cè)彈賛t'右腔朋內(nèi)孔 右側(cè)固定 節(jié)流孔入口容積泵馬達(dá)閥芯與 三分之 一彈簧 質(zhì)就同步閥的仿真模型復(fù)雜性和重疊性，使用常規(guī)方法對其進(jìn)行研圖2-33）在故障診斷仿真中的應(yīng)用 由于液壓系統(tǒng)故障的封閉性、究不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本高昂，而且難度較大，而采用仿真手段則可較好地解決 這一問題。amesim是專門用于液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析的軟 件。采用amesim進(jìn)行液壓系統(tǒng)故障仿真，可以方便地將機(jī)、電、液藕合系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)物理模型轉(zhuǎn)換為可視化、模塊化的仿真模型，并通過修改模型關(guān)鍵參數(shù)來 注入系統(tǒng)故障信息，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)仿真，為故障的診斷和預(yù)測提供直 觀可靠的

16、依據(jù)。作者以某液壓頂升系統(tǒng)為例，詳細(xì)論述amesim在液壓故障仿真 中的應(yīng)用。以某液壓頂升系統(tǒng)為例，對amesim在液壓故障仿真中的應(yīng)用進(jìn)行了 論述。仿真結(jié)果表明，使用amesim可以很好地對液壓系統(tǒng)的故障進(jìn)行仿真。通 過故障仿真，液壓工程人員可以更好地認(rèn)識(shí)各種故障對液壓系統(tǒng)的影響范圍和 程度，直觀清楚地了解液壓系統(tǒng)故障的發(fā)生原因及故障模式，為故障的診斷與 預(yù)測提供依據(jù)。圖2-1某液壓頂升系統(tǒng)仿真模型通過仿真分別檢查彈簧故障、液壓系統(tǒng)堵塞故障、液壓缸及油路接口泄 漏、摩擦卡死類故障、油液性質(zhì)變化對液壓系統(tǒng)的影響等，仿真結(jié)果表明使用 amesim可以很好地對液壓系統(tǒng)的故障進(jìn)行仿真。通過故障仿真，

17、液壓工程人員 可以更好地認(rèn)識(shí)各種故障對液壓系統(tǒng)的影響范圍和程度，直觀清處地了解液壓 系統(tǒng)故障的發(fā)生原因及故障模式，為故障的診斷與預(yù)測提供依據(jù)。3 amesim的發(fā)展方向amesim液壓仿真軟件主要有如下幾個(gè)發(fā)展方向：(1) 深入研究液壓系統(tǒng)的建模和算法，開發(fā)出易于建模的液壓系統(tǒng)仿真軟 件。模型是仿真的基礎(chǔ)，建立止確的模型，能更深入、更真實(shí)反映系統(tǒng)的主要 特征，應(yīng)大力發(fā)展建模技術(shù)，力求為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析提供準(zhǔn)確的依據(jù)，使系統(tǒng) 仿真的精度和可靠性高、系統(tǒng)工作能更真實(shí)反映實(shí)際情祝。(2) 進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，系統(tǒng)仿真軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最 優(yōu)化、參數(shù)最優(yōu)化及性價(jià)比的最優(yōu)化。用現(xiàn)代控制理論和人

18、工智能專家?guī)煸O(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并確定系統(tǒng)參數(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期，達(dá)到最優(yōu)的效果。(3) 完善仿真模型庫，增強(qiáng)液壓仿真軟件的通用性。在液壓泵、液壓馬達(dá)、 液壓閥、液壓缸和液壓輔助元件等五類基木液壓仿真元件的基礎(chǔ)上，將在實(shí)際 液壓系統(tǒng)中經(jīng)常用到的大景的液壓元件和電氣元件加到仿真模型庫中；另外要 改善液壓仿真軟件的移植性，開發(fā)通用接口，使不同的仿真軟件對同一系統(tǒng)能 編寫相同的仿真程序。(4) 吸收多媒體技術(shù)，使液壓仿真軟件更加直觀、實(shí)用。當(dāng)前的液壓仿真軟 件雖然己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了圖形化界面但對多媒體技術(shù)的支持還是很初步的。多媒體技術(shù)特別是多媒體動(dòng)畫技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域己經(jīng)比較成熟，如果結(jié)合到仿真系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)動(dòng)作和結(jié)果分析中，就可以動(dòng)態(tài)直觀地表示液壓傳動(dòng)的內(nèi)容，大大克服其 抽象復(fù)雜的缺點(diǎn)。結(jié)語由于amesim的特點(diǎn)及其具有的優(yōu)勢，在國外的大學(xué)、研究設(shè)計(jì)單位和工業(yè) 部門早已成為液壓建模和仿真領(lǐng)域的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件。在使用amesim 程中意識(shí) 到其作為一種高級建模和仿真平臺(tái)，必將有助于國內(nèi)液壓建模和仿真領(lǐng)域的發(fā) 展，為自主創(chuàng)新提供了一個(gè)很好的利器。參考文獻(xiàn)1 王勇亮，盧穎等.液壓仿真軟件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢j.液壓與氣動(dòng)，2012, (8