ADAMS与EASY5的联合仿真

1、MSC Software Corporation Confidential基于基于Easy5/Adams的高压开关缓冲器分合闸动力学分析报告的高压开关缓冲器分合闸动力学分析报告 合普科技20122内容内容 Easy5产品简介产品简介 高压开关缓冲器动力学分析高压开关缓冲器动力学分析 系统建模 分闸过程分析 合闸过程分析 Adams+Easy5合闸过程联合仿真分析 总结总结3内容内容 Easy5产品简介产品简介 高压开关缓冲器动力学分析高压开关缓冲器动力学分析 系统建模 分闸过程分析 合闸过程分析 Adams+Easy5合闸过程联合仿真分析 总结总结4Easy5产品概述产品概述 多学科系统级分析

2、(控制、液压、气动、多相流、电力传动) 元件结构图建模方式 预定义的物理元件 面向不同专业的应用库 Boeing+MSC开发5Easy5高级液压库（高级液压库（Thermal Hydraulic Library） Easy5Easy5高级液压库包含丰富的液压建模元件，可以高级液压库包含丰富的液压建模元件，可以建立包括液压传动控制系统模型或详细的液压元器建立包括液压传动控制系统模型或详细的液压元器件模型件模型 对液压系统进行稳态、动态、线性计算对液压系统进行稳态、动态、线性计算 强大的积分器对刚性、高阶、非线性、不连续的液压计算问题具有很高的效率 优化的Newton-Raphson迭代算法直接计

3、算系统稳态 线性分析功能帮助用户了解系统特征值分布、稳定性等性能 独特的“开关状态”（Switch State）技术有效处理液压系统中的非连续问题（如：流态变化、硬限制、气穴，等等） 在计算中考虑液压系统的流体可压缩性、流向变化、在计算中考虑液压系统的流体可压缩性、流向变化、流态变化、流体属性随压强和温度变化、气穴、水流态变化、流体属性随压强和温度变化、气穴、水锤、热平衡与热交换、软管弯曲膨胀等问题，模型锤、热平衡与热交换、软管弯曲膨胀等问题，模型具有很高的精确性和可靠性具有很高的精确性和可靠性 每个建模元件完全参数化，用户可以根据实际设计每个建模元件完全参数化，用户可以根据实际设计方案进行参

4、数匹配，参数选择和优化方案进行参数匹配，参数选择和优化 流体库包含流体库包含2020多种标准液压油属性，或者加入用户多种标准液压油属性，或者加入用户自定义的液压油属性自定义的液压油属性 非标准液压元件可以基于标准液压元件组建，也可非标准液压元件可以基于标准液压元件组建，也可以基于以基于Fortran/CFortran/C语言进行二次开发语言进行二次开发6Easy5的元件模型均考虑液压系统的各种特殊因素的元件模型均考虑液压系统的各种特殊因素:B口口 to/from actuator/motorKVx I+W0W1W4W30W13W14A30A13A14A40A口口W3供油口供油口回油口回油口P1

5、W40+TFL可压缩流体动力学正反向流动和无流状态流态变化（层流/紊流）包含稳态和瞬态仿真模型考虑气穴现象并跟踪气泡的尺寸变化液压系统中的热交换和环境热量损失瞬态能量影响和水锤（液压冲击）Easy5对液体流动特殊问题的处理方法对液体流动特殊问题的处理方法7关于关于Easy5 Switch State开关状态开关状态 Easy5采用开关状态来描述气穴、流态和流向变化、活塞位移硬限制等非采用开关状态来描述气穴、流态和流向变化、活塞位移硬限制等非连续问题连续问题 Easy5 状态转换功能使得高非线性和非连续的液压系统的仿真具有有效性状态转换功能使得高非线性和非连续的液压系统的仿真具有有效性和精确性和

6、精确性 即使对于非连续系统亦可采用快速变步长积分法即使对于非连续系统亦可采用快速变步长积分法. 在仿真中通过精确定位中断点可以提供更精确的仿真结果在仿真中通过精确定位中断点可以提供更精确的仿真结果 : 液压动力元件接触限制液压动力元件接触限制 气穴现象的产生和跟踪气穴现象的产生和跟踪 液压阀关闭液压阀关闭 回流或流动状态回流或流动状态(层流层流/紊流紊流)变化变化. 显著减少显著减少仿真时间仿真时间8阀口流动阀口流动紊流紊流wturbCdDh24- - 2PPsgn=层流层流wlamDh3Cd2P2ReT-=ReTis the Reynolds number where transition

7、occurs.9Easy5采用开关状态采用开关状态SWQ来描述和表征流态和流向的变化来描述和表征流态和流向的变化Q0Reynolds NumberSWQ = 1SWQ = -2SWQ = 2laminarnot laminarReT-ReTnot laminar10Easy5采用开关状态采用开关状态SWQ来描述和表征流态和流向的变化来描述和表征流态和流向的变化 计算过程可以自动探测流态变化，并转换模型方程计算过程可以自动探测流态变化，并转换模型方程 可以设置统一的全局雷诺数，也可以每个阀口模块独立设置不同的雷诺数可以设置统一的全局雷诺数，也可以每个阀口模块独立设置不同的雷诺数11Easy5采用

8、开关状态采用开关状态CAV描述和表征气穴的产生描述和表征气穴的产生 计算过程可以自动探测气穴产生，并计算气泡尺寸和压力变化计算过程可以自动探测气穴产生，并计算气泡尺寸和压力变化12Easy5处理系统热平衡和热传导问题处理系统热平衡和热传导问题 Easy5允许用户自由设置是否考虑系统温度变化，以及在考虑温度变化时，是否允许用户自由设置是否考虑系统温度变化，以及在考虑温度变化时，是否考虑系统与环境的热交换（绝热考虑系统与环境的热交换（绝热/非绝热系统）非绝热系统） 在考虑热平衡时，温度变化由系统自动计算在考虑热平衡时，温度变化由系统自动计算13内容内容 Easy5产品简介产品简介 高压开关缓冲器动

9、力学分析高压开关缓冲器动力学分析 分、合闸系统建模 分闸过程分析 合闸过程分析 Adams+Easy5合闸过程联合仿真分析 总结总结14高压开关缓冲器原理高压开关缓冲器原理 高压开关缓冲器的传动轴中部的活塞将液压高压开关缓冲器的传动轴中部的活塞将液压容腔分为上下两部分容腔分为上下两部分 分闸时，上部容腔通高压液压油，下部容腔分闸时，上部容腔通高压液压油，下部容腔通低压液压油；在活塞两边压力差的作用下，通低压液压油；在活塞两边压力差的作用下，活塞高速向下运动，带动传动机构实现分闸活塞高速向下运动，带动传动机构实现分闸 传动轴的活塞下部带有如图所示的阶梯状截传动轴的活塞下部带有如图所示的阶梯状截面

10、积不等的圆柱，在分闸运动的行程末尾，面积不等的圆柱，在分闸运动的行程末尾，当这些圆柱逐一进入阀孔时，阀孔的通流面当这些圆柱逐一进入阀孔时，阀孔的通流面积骤然减小，并随缓冲行程的变化而渐变，积骤然减小，并随缓冲行程的变化而渐变，从而使缓冲腔内的缓冲压力变大，为传动轴从而使缓冲腔内的缓冲压力变大，为传动轴减速缓冲减速缓冲 在整个分闸过程中，传动轴的速度经历了由在整个分闸过程中，传动轴的速度经历了由零变大，又由峰值减缓至静止的过程，整个零变大，又由峰值减缓至静止的过程，整个分闸过程行程为分闸过程行程为230mm230mm 合闸时，上、下部容腔同时通高压液压油，合闸时，上、下部容腔同时通高压液压油，由

11、于下部容腔的有效作用面积较大，在活塞由于下部容腔的有效作用面积较大，在活塞两边压力差的作用下，传动轴高速向上运动，两边压力差的作用下，传动轴高速向上运动，带动传动机构实现合闸带动传动机构实现合闸 在活塞上部同样带有阶梯状圆柱，通过阀孔在活塞上部同样带有阶梯状圆柱，通过阀孔通流面积的变化实现减速缓冲，合闸行程与通流面积的变化实现减速缓冲，合闸行程与分闸行程相等分闸行程相等 在分闸、合闸过程中，均通过弹簧装置提供在分闸、合闸过程中，均通过弹簧装置提供一定的缓冲阻力，在初步计算中可以认为阻一定的缓冲阻力，在初步计算中可以认为阻力大小与位移行程成正比力大小与位移行程成正比15高压开关缓冲器原理高压开关

12、缓冲器原理 在分析中，由于传动轴通过传动机构与其它装置关联，因此可以通过等效在分析中，由于传动轴通过传动机构与其它装置关联，因此可以通过等效的方式将其它部件的运动惯量等效到传动轴上，等效后的传动轴质量为的方式将其它部件的运动惯量等效到传动轴上，等效后的传动轴质量为27kg 在运动过程中，传动轴所受到的摩擦力认为是常值，为在运动过程中，传动轴所受到的摩擦力认为是常值，为30公斤力，即为公斤力，即为294N 高压油压强为高压油压强为44.9MPa，低压油压强为，低压油压强为1大气压，即大气压，即0.1MPa 弹簧刚度为弹簧刚度为5.6N/mm，因此在整个行程过程中弹簧提供的阻力范围为，因此在整个行

13、程过程中弹簧提供的阻力范围为01288N 在初步分析中不考虑活塞运动过程中的阻尼在初步分析中不考虑活塞运动过程中的阻尼 系统所采用的液压油型号为系统所采用的液压油型号为10号航空液压油号航空液压油 系统运行的环境温度以及液压油起始温度均设定为系统运行的环境温度以及液压油起始温度均设定为20oCMSC Software Corporation Confidential分闸过程建模与分析分闸过程建模与分析17分闸过程系统建模分闸过程系统建模 如图所示为分闸过程的如图所示为分闸过程的Easy5系统模型系统模型18分闸过程系统建模分闸过程系统建模 液压油型号、温度，环境温度等信息通液压油型号、温度，环

14、境温度等信息通过过Easy5液压库全局属性设置模块液压库全局属性设置模块FP定义定义 系统采用的液压油为系统采用的液压油为10号航空液压油，号航空液压油，其属性与其属性与Easy5液压油库中的液压油库中的4号液压号液压油，即油，即Hydraulic Fluid, Polyalphaolefin (MIL-H-83282)性质性质相当，因此采用该种液压油相当，因此采用该种液压油 液压油起始温度与环境温度均设定为液压油起始温度与环境温度均设定为20oC 环境介质设定为空气，其压强设置为环境介质设定为空气，其压强设置为1大气压大气压 对于本例，考虑系统内部的热平衡，不对于本例，考虑系统内部的热平衡，

15、不考虑系统与环境之间的热交换考虑系统与环境之间的热交换 本例中临界雷诺数设为本例中临界雷诺数设为1100 对于分闸系统模型，假定活塞向下运动对于分闸系统模型，假定活塞向下运动为正方向，受力方向向下为正方向为正方向，受力方向向下为正方向19分闸过程系统建模分闸过程系统建模 图示为本例中所采用的液压油属性图（动力学粘度图示为本例中所采用的液压油属性图（动力学粘度/密度密度/比热比热/热传导率）热传导率）在Easy5也可以自定义液压油型号和属性20分闸过程系统建模分闸过程系统建模 传动轴活塞将整个系统分为上下两部分传动轴活塞将整个系统分为上下两部分 图中红色图框所示为上端高压油路模型图中红色图框所示

16、为上端高压油路模型高压油源高压供油路3个阀孔合闸缓冲阀孔上端高压容腔21分闸过程系统建模分闸过程系统建模 高压油源压力为高压油源压力为44.9MPa，即，即449bar；温度为；温度为20oC 三个进油孔直径为三个进油孔直径为20mm 缓冲阀孔用缓冲阀孔用Easy5孔口与缝隙流动基本建模元件孔口与缝隙流动基本建模元件OR模拟；模拟；OR可以模拟通可以模拟通流面积不变的孔口，也可以模拟面积变化的孔口；本例中缓冲阀孔的通流流面积不变的孔口，也可以模拟面积变化的孔口；本例中缓冲阀孔的通流面积随传动轴位移行程的变化而变化，由于通流面积是按阶梯状变化的，面积随传动轴位移行程的变化而变化，由于通流面积是按

17、阶梯状变化的，较为复杂，对于这样的非标准件，有两种方式计算其通流面积随活塞位移较为复杂，对于这样的非标准件，有两种方式计算其通流面积随活塞位移行程的变化关系：行程的变化关系： 通过Easy5基本控制库中的数学函数建立 通过Easy5二次开发功能建立 由于函数关系较为复杂，第一种方式需要调用多个基本数学函数元件进行由于函数关系较为复杂，第一种方式需要调用多个基本数学函数元件进行组合组合 为方便起见，本例采用第二种方式，即二次开发元件为方便起见，本例采用第二种方式，即二次开发元件22分闸过程系统建模分闸过程系统建模 对于上端的缓冲阀孔，根据阶梯状圆柱和阀孔的对于上端的缓冲阀孔，根据阶梯状圆柱和阀孔

18、的几何参数，不难推导出其通流面积与活塞位移之几何参数，不难推导出其通流面积与活塞位移之间的函数关系为（以下间的函数关系为（以下A代表通流面积，代表通流面积，x代表代表活塞位移，单位活塞位移，单位mm）：22222222221(2524.9 )(10)41(2524.85 )(20)41(2524.8 )(30)41(2524.75 )(46)41(2518 )(46)4AxAxAxAxAx当当10当20当30当23分闸过程系统建模分闸过程系统建模 由函数关系式，建立由函数关系式，建立Fortran二次开发模块，如图所示：二次开发模块，如图所示：输入变量输出变量24分闸过程系统建模分闸过程系统建

19、模 DECLARATIONS, REAL*8 Cir1 IF(Piston_Dis.LE.Len_A) THEN Annulus_Area1=0.25*PI*(Outer_Dia*Outer_Dia-Dia_A*Dia_A) /计算通流面积计算通流面积 Cir1=PI*(Outer_Dia+Dia_A) /计算湿周计算湿周 Annulus_Dia1=4*Annulus_Area1/Cir1 /计算水力直径计算水力直径 ELSEIF(Piston_Dis.GT.Len_A).AND.(Piston_Dis.LE.(Len_A+Len_B) THEN Annulus_Area1=0.25*PI*(

20、Outer_Dia*Outer_Dia-Dia_B*Dia_B) Cir1=PI*(Outer_Dia+Dia_B) Annulus_Dia1=4*Annulus_Area1/Cir1 ELSEIF(Piston_Dis.GT.(Len_A+Len_B).AND.(Piston_Dis.LE.(Len_A+Len_B+Len_C) THEN Annulus_Area1=0.25*PI*(Outer_Dia*Outer_Dia-Dia_C*Dia_C) Cir1=PI*(Outer_Dia+Dia_C) Annulus_Dia1=4*Annulus_Area1/Cir1 ELSEIF(Pisto

21、n_Dis.GT.(Len_A+Len_B+Len_C).AND.(Piston_Dis.LE.(Len_A+Len_B+Len_C+Len_D) THEN Annulus_Area1=0.25*PI*(Outer_Dia*Outer_Dia-Dia_D*Dia_D) Cir1=PI*(Outer_Dia+Dia_D) Annulus_Dia1=4*Annulus_Area1/Cir1 ELSEIF(Piston_Dis.GT.(Len_A+Len_B+Len_C+Len_D) THEN Annulus_Area1=0.25*PI*(Outer_Dia*Outer_Dia-Axle_Dia*A

22、xle_Dia) Cir1=PI*(Outer_Dia+Axle_Dia) Annulus_Dia1=4*Annulus_Area1/Cir1 ENDIF25分闸过程系统建模分闸过程系统建模 本例中阀口流量系数设定为本例中阀口流量系数设定为0.61 Easy5中有多种流量系数的中有多种流量系数的设定方式设定方式 用户直接输入 提供阀口几何参数，系统根据几何参数和雷诺数动态计算 K因子法局部阻力系数法26分闸过程系统建模分闸过程系统建模 方法一：用户直接输入方法一：用户直接输入27分闸过程系统建模分闸过程系统建模 方法二：根据阀口几何参数和雷诺方法二：根据阀口几何参数和雷诺数自动计算数自动计算

23、可以选择多种不同阀口形势，并输可以选择多种不同阀口形势，并输入相应阀口参数，入相应阀口参数，Easy5在分析过在分析过程中自动进行动态计算，采用的计程中自动进行动态计算，采用的计算方法主要有两类：算方法主要有两类： Rouse and Fetouh方法，也称“Class 2”方法 Merritt，Hydraulic Control Systems Idelchik，Handbook of Hydraulic Resistance “Class 3”方法 D. S. Miller，Flow Systems 或通过表格自定义流量系数与雷诺或通过表格自定义流量系数与雷诺数的函数关系数的函数关系28分

24、闸过程系统建模分闸过程系统建模 方法三：局部阻力系数方法三：局部阻力系数K因子法因子法 油液流经阀口的局部压力损失满足油液流经阀口的局部压力损失满足 K为局部阻力系数，为局部阻力系数，v为流速为流速 因此，阀口流量为：因此，阀口流量为： K因子法通过因子法通过K因子确定流量系数因子确定流量系数22KvP22dPPQv AACAK29分闸过程系统建模分闸过程系统建模 上端高压容腔用上端高压容腔用Easy5液压容积模块液压容积模块VX建模建模 VX模块可以根据容腔进出口的流量变化、容腔的容积变化来计算其压强模块可以根据容腔进出口的流量变化、容腔的容积变化来计算其压强变化，可以有效的模拟活塞移动过程

25、中的流固耦合问题，即液压油压力引变化，可以有效的模拟活塞移动过程中的流固耦合问题，即液压油压力引起活塞位移变化，活塞位移变化反过来影响容腔容积变化进一步影响其油起活塞位移变化，活塞位移变化反过来影响容腔容积变化进一步影响其油压变化压变化 对于对于VX模块，其输入为容腔容积变化，输出为容腔油压模块，其输入为容腔容积变化，输出为容腔油压 对于截面为规则形状的标准件，上述耦合过程可以通过对于截面为规则形状的标准件，上述耦合过程可以通过VX模块与模块与CD模块模块的组合实现，的组合实现，CD模块可以根据模块可以根据VX输出的油压计算活塞所受的压力，同时输出的油压计算活塞所受的压力，同时根据活塞截面积参

26、数和运动部件反馈的位移计算容腔的容积输出给根据活塞截面积参数和运动部件反馈的位移计算容腔的容积输出给VX模模块块 本例中，在活塞运动的不同阶段，其截面积发生变化，因此容腔的容积变本例中，在活塞运动的不同阶段，其截面积发生变化，因此容腔的容积变化规律较为复杂化规律较为复杂 通过二次开发模块计算容腔容积与活塞位移函数关系通过二次开发模块计算容腔容积与活塞位移函数关系30分闸过程系统建模分闸过程系统建模 容易推导高压容腔容积与活塞位移之间满足以下关系式（容易推导高压容腔容积与活塞位移之间满足以下关系式（V表示容积，表示容积，x表示活塞位移，表示活塞位移，v表示活塞速度，表示活塞速度，V0表示起始容积

27、）：表示起始容积）：011012211(46)46(46)(46)1414VVA xxdVA vdtVVAAxxdVA vdtAA2222当容积变化率当容积变化率其中：（35 25）（35 18）31分闸过程系统建模分闸过程系统建模输入变量输出变量32分闸过程系统建模分闸过程系统建模 DECLARATIONS, REAL*8 Area1,Area2 Area1=0.25*PI*(Cyclinder_Dia*Cyclinder_Dia- Axle_Dia1*Axle_Dia1) Area2=0.25*PI*(Cyclinder_Dia*Cyclinder_Dia-Axle_Dia2*Axle_D

28、ia2) IF(Piston_Dis1.LE.4.6) THEN V1=Volume_Ini+Area1*Piston_Dis1 /计算容积计算容积 DV1=Area1*Piston_Vel1 /计算容积变化率计算容积变化率 ElSEIF(Piston_Dis1.GT.4.6) THEN V1=Volume_Ini+Area1*4.6+Area2*(Piston_Dis1-4.6) DV1=Area2*Piston_Vel1 ENDIF33分闸过程系统建模分闸过程系统建模 图示红色图框为下端低压容腔油路模型图示红色图框为下端低压容腔油路模型低压油源低压进油口分闸缓冲阀孔低压容腔34分闸过程系统

29、建模分闸过程系统建模 低压油箱压强为低压油箱压强为1atm，即，即1bar约约0.1MPa，温度为，温度为20oC 低压进油口阀孔直径为低压进油口阀孔直径为19.5mm 与高压油路相同，低压缓冲阀孔用与高压油路相同，低压缓冲阀孔用Easy5孔口与缝隙流动基本建模元件孔口与缝隙流动基本建模元件OR模拟；其通流面积与活塞位移之间的关系通过二次开发模块实现模拟；其通流面积与活塞位移之间的关系通过二次开发模块实现 推导出该函数关系为（推导出该函数关系为（A为通流面积，为通流面积，x为活塞位移，单位为活塞位移，单位mm）：）：22222222222116 (176.5)41(1615.15 )(183.

30、5)41(1615.3 )(199.5)41(1615.45 )(211.5)41(1615.7 )(219.7)41(1615.87 )(211.5)4AxAxAxAxAxAx当当176.5当183.5当199.5当211.5当35分闸过程系统建模分闸过程系统建模输入变量输出变量36分闸过程系统建模分闸过程系统建模 DECLARATIONS, REAL*8 Cir2 IF(Piston_Dis0.LE.17.65) THEN Annulus_Area2=0.25*PI*Outer_Dia0*Outer_Dia0 /计算通流面积计算通流面积 Cir2=PI*Outer_Dia0 /计算湿周计算

31、湿周 Annulus_Dia2=4*Annulus_Area2/Cir2 /计算水力直径计算水力直径 ELSEIF(Piston_Dis0.GT.17.65).AND.(Piston_Dis0.LE.(Len_A0+17.65) THEN Annulus_Area2=0.25*PI*(Outer_Dia0*Outer_Dia0-Dia_A0*Dia_A0) Cir2=PI*(Outer_Dia0+Dia_A0) Annulus_Dia2=4*Annulus_Area2/Cir2 ELSEIF(Piston_Dis0.GT.(Len_A0+17.65).AND.(Piston_Dis0.LE.(

32、Len_A0+Len_B0+17.65) THEN Annulus_Area2=0.25*PI*(Outer_Dia0*Outer_Dia0-Dia_B0*Dia_B0) Cir2=PI*(Outer_Dia0+Dia_B0) Annulus_Dia2=4*Annulus_Area2/Cir2 ELSEIF(Piston_Dis0.GT.(Len_A0+Len_B0+17.65).AND.(Piston_Dis0.LE.(Len_A0+Len_B0+Len_C0+17.65) THEN Annulus_Area2=0.25*PI*(Outer_Dia0*Outer_Dia0-Dia_C0*Di

33、a_C0) Cir2=PI*(Outer_Dia0+Dia_C0) Annulus_Dia2=4*Annulus_Area2/Cir2 ELSEIF(Piston_Dis0.GT.(Len_A0+Len_B0+Len_C0+17.65).AND.(Piston_Dis0.LE.(Len_A0+Len_B0+Len_C0+Len_D0+17.65) THEN Annulus_Area2=0.25*PI*(Outer_Dia0*Outer_Dia0-Dia_D0*Dia_D0) Cir2=PI*(Outer_Dia0+Dia_D0) Annulus_Dia2=4*Annulus_Area2/Cir

34、2 ELSEIF(Piston_Dis0.GT.(Len_A0+Len_B0+Len_C0+Len_D0+17.65).AND. C(Piston_Dis0.LE.(Len_A0+Len_B0+Len_C0+Len_D0+Len_E0+17.65) THEN Annulus_Area2=0.25*PI*(Outer_Dia0*Outer_Dia0-Dia_E0*Dia_E0) Cir2=PI*(Outer_Dia0+Dia_E0) Annulus_Dia2=4*Annulus_Area2/Cir2 ELSEIF(Piston_Dis0.GT.23) THEN Annulus_Area2=0.2

35、5*PI*(Outer_Dia0*Outer_Dia0-Dia_E0*Dia_E0) Cir2=PI*(Outer_Dia0+Dia_E0) Annulus_Dia2=4*Annulus_Area2/Cir2 ENDIF37分闸过程系统建模分闸过程系统建模 与高压容腔相同，低压容腔用与高压容腔相同，低压容腔用Easy5变容积模块变容积模块VX模拟模拟 同样需要计算活塞移动过程中，容腔的容积变化与活塞位移的关系同样需要计算活塞移动过程中，容腔的容积变化与活塞位移的关系 推导出低压容腔容积变化与活塞位移的函数关系为（推导出低压容腔容积变化与活塞位移的函数关系为（V为容积，为容积，dV/dt为为容积

36、变化率，容积变化率，x为活塞位移，为活塞位移，v为活塞速度，为活塞速度，A1为第一阶段活塞有效面积，为第一阶段活塞有效面积，A2为第二阶段活塞有效面积）：为第二阶段活塞有效面积）：0110122(17.65)17.65(17.65)(17.65)VVA xxdVA vdtVVAAxxdVA vdt 当当38分闸过程系统建模分闸过程系统建模输入变量输出变量39分闸过程系统建模分闸过程系统建模 DECLARATIONS, REAL*8 Area10,Area20 Area10=0.25*PI*Cyclinder_Dia0*Cyclinder_Dia0 Area20=0.25*PI*(Cyclind

37、er_Dia0*Cyclinder_Dia0- Axle_Dia10*Axle_Dia10) IF(Piston_Dis2.LE.17.65) THEN V10=Volume_Ini0-Area10*Piston_Dis2 /计算容积计算容积 DV10=-Area10*Piston_Vel2 /计算容积变化率计算容积变化率 ElSEIF(Piston_Dis2.GT.17.65) THEN V10=Volume_Ini0-Area10*17.65-Area20*(Piston_Dis2-17.65) DV10=-Area20*Piston_Vel2 ENDIF40分闸过程系统建模分闸过程系统建

38、模粘滞力计算活塞两端压力差弹簧阻力 建模的重点在于完整的描述活塞运动过程中的受力情况建模的重点在于完整的描述活塞运动过程中的受力情况 活塞按单质量块单自由度模型考虑，用活塞按单质量块单自由度模型考虑，用Easy5液压库的单质量惯量元件液压库的单质量惯量元件PM模拟模拟 分闸过程中活塞受到的力包括：液压油压力差、重力、弹簧阻力、摩擦力、活塞与油缸之间分闸过程中活塞受到的力包括：液压油压力差、重力、弹簧阻力、摩擦力、活塞与油缸之间的油液粘滞力，以及活塞运动最后受到的挡块止挡力；本例中不考虑阻尼力的油液粘滞力，以及活塞运动最后受到的挡块止挡力；本例中不考虑阻尼力重力止挡力活塞质量块模型，其中可以输入

39、摩擦力数据41分闸过程系统建模分闸过程系统建模 活塞质量设为活塞质量设为27kg，摩擦力为，摩擦力为30公斤力，即公斤力，即294N42分闸过程系统建模分闸过程系统建模 弹簧刚度为弹簧刚度为5.6N/mm Easy5液压库粘滞力计算模块液压库粘滞力计算模块FD可以根据油液的压强、温度、油缸直径、可以根据油液的压强、温度、油缸直径、接触长度、密封部位缝隙等参数计算活塞移动过程中的粘滞力接触长度、密封部位缝隙等参数计算活塞移动过程中的粘滞力43分闸过程系统建模分闸过程系统建模 对于两端截面为规则形状的活塞，其压力差可以直接通过对于两端截面为规则形状的活塞，其压力差可以直接通过Easy5液压库的液压

40、库的CD模块计算，模块计算，CD模块可以通过两侧的液压油压强和活塞面积参数计算压模块可以通过两侧的液压油压强和活塞面积参数计算压力差力差 本例中活塞两端的截面均不规则（运动过程中油压有效作用面积变化），本例中活塞两端的截面均不规则（运动过程中油压有效作用面积变化），并且截面在不同阶段所接触的液压油也不同（进入缓冲阀口前后接触的液并且截面在不同阶段所接触的液压油也不同（进入缓冲阀口前后接触的液压油处于不同的容腔），无法直接用标准元件压油处于不同的容腔），无法直接用标准元件CD模块计算模块计算 对于这种运动过程中有效作用面积和有效油压均发生变化的情况，可以通对于这种运动过程中有效作用面积和有效油压

41、均发生变化的情况，可以通过二次开发来计算其复杂的作用过程，描述压力差与活塞位移之间的函数过二次开发来计算其复杂的作用过程，描述压力差与活塞位移之间的函数关系关系44分闸过程系统建模分闸过程系统建模 可以推导出活塞所受的液压油压力差与位移的函数关系如下：可以推导出活塞所受的液压油压力差与位移的函数关系如下：4.617.6517.651144xFPAPAFPAxFPAFPAxFPAFPAPAFFFPPAA上上上上上下下下上上上下下下上上上下下下下下下差上上上2222上上当时，当4.6时，当时，其中，表示上端高压容腔的油压，表示上端缓冲阀孔外部容腔的油压（25 -18）,（35 -251411135

42、444APPAAA22上下下2222下上上）,（35 -18）表示下端低压容腔的油压，表示下端缓冲阀孔外部容腔的油压,（35 -16）,1645分闸过程系统建模分闸过程系统建模输入变量输出变量46分闸过程系统建模分闸过程系统建模 DECLARATIONS, REAL*8 Up_Area1,Up_Area2,Up_Area3,Down_Area1,Down_Area2,Down_Area3,Up_Force,Down_Force Up_Area1=0.25*PI*(Cyclinder_Dia1*Cyclinder_Dia1-Up_Axle_Dia1*Up_Axle_Dia1) Up_Area2=

43、0.25*PI*(Cyclinder_Dia1*Cyclinder_Dia1-Up_Axle_Dia2*Up_Axle_Dia2) Up_Area3=0.25*PI*(Up_Axle_Dia1*Up_Axle_Dia1-Up_Axle_Dia2*Up_Axle_Dia2) Down_Area1=0.25*PI*Cyclinder_Dia1*Cyclinder_Dia1 Down_Area2=0.25*PI*(Cyclinder_Dia1*Cyclinder_Dia1-Down_Axle_Dia*Down_Axle_Dia) Down_Area3=0.25*PI*Down_Axle_Dia*Do

44、wn_Axle_Dia /计算上下端面有效作用面积计算上下端面有效作用面积 IF(Piston_AX.LE.4.6) THEN Up_Force=Up_Vol_P1*Up_Area1*10+Up_Vol_P2*Up_Area3*10 Down_Force=Down_Vol_P1*Down_Area1*10 Hyd_Force_Sum=Up_Force-Down_Force /计算上下端面作用力和压力差计算上下端面作用力和压力差 ELSEIF(Piston_AX.GT.4.6).AND.(Piston_AX.LE.17.65) THEN Up_Force=Up_Vol_P1*Up_Area2*1

45、0 Down_Force=Down_Vol_P1*Down_Area1*10 Hyd_Force_Sum=Up_Force-Down_Force ELSEIF(Piston_AX.GT.17.65) THEN Up_Force=Up_Vol_P1*Up_Area2*10 Down_Force=Down_Vol_P1*Down_Area2*10+Down_Vol_P2*Down_Area3*10 Hyd_Force_Sum=Up_Force-Down_Force ENDIF47分闸过程系统建模分闸过程系统建模 活塞运动最后阶段会遇到下部的止挡，受到止挡接触力的作用活塞运动最后阶段会遇到下部的止挡

46、，受到止挡接触力的作用 在在Easy5中，模拟这种接触力有三种方式：中，模拟这种接触力有三种方式： 质量块模型PM中，可以直接定义质量块的最大和最小允许位移，Easy5通过“开关状态”（Switch State）技术模拟质量块的运动硬限制这一非连续问题 通过液压库中的弹簧模块SF模拟；SF既可以模拟弹簧与运动物体完全连接的一般情况，也可以模拟弹簧与运动物体不连接的“弹簧止挡”，即当运动物体位移大于或小于某一设定值时，弹簧不产生弹簧力 通过二次开发功能实现，可以集成更详细的接触力算法48分闸过程系统建模分闸过程系统建模 方法一：在质量块模型参数中，直接定义允许的最大最小位移，将活塞的方法一：在质

47、量块模型参数中，直接定义允许的最大最小位移，将活塞的最大允许位移定义为最大允许位移定义为230mm，当活塞位移达到，当活塞位移达到230mm时，自动施加硬限时，自动施加硬限制制49分闸过程系统建模分闸过程系统建模 方法二：通过弹簧模块方法二：通过弹簧模块SF的的“止挡止挡”模式模拟模式模拟50分闸过程系统建模分闸过程系统建模 方法一的缺点在于不够真实详细，无法了解活塞稳定之后止挡提供的止挡方法一的缺点在于不够真实详细，无法了解活塞稳定之后止挡提供的止挡力力 方法二的缺点在于直接用线性弹簧模拟止挡，不够真实，计算末段，当活方法二的缺点在于直接用线性弹簧模拟止挡，不够真实，计算末段，当活塞与止挡发

48、生接触，产生止挡力后，必然产生过长时间的振荡过程，与真塞与止挡发生接触，产生止挡力后，必然产生过长时间的振荡过程，与真实情况不符，计算的止挡力也不准确实情况不符，计算的止挡力也不准确 因此考虑通过二次开发集成更好的接触力算法来模拟止挡力因此考虑通过二次开发集成更好的接触力算法来模拟止挡力51分闸过程系统建模分闸过程系统建模 方法三：通过二次开发集成详细的接触力算法方法三：通过二次开发集成详细的接触力算法 MSC Adams中实体接触的算法如下图所示：中实体接触的算法如下图所示： 求解器计算过程中判断两个实体是否产生接触，如图，当xx1时，不发生接触，当x=x1时，发生接触 产生接触时，接触力按

49、罚因子方法通过下式计算：其中: x为物体位移，dx/dt为速度 K为刚度系数 e为非线性指数 Cmax为最大阻尼系数 d为最大阻尼系数产生时的侵入深度 在接触过程中，阻尼系数是变化的，在接触过程中，阻尼系数是变化的，刚刚接触时阻尼系数为零，达到和超刚刚接触时阻尼系数为零，达到和超过过d值时，阻尼系数为值时，阻尼系数为Cmax，在两者，在两者之间是渐变的，通过之间是渐变的，通过Step函数描述函数描述52分闸过程系统建模分闸过程系统建模 为简便起见，本例中直接通过线性函数描述接触过程中阻为简便起见，本例中直接通过线性函数描述接触过程中阻尼系数的变化过程，将接触力公式修正为：尼系数的变化过程，将接

50、触力公式修正为：11max1max1()()()eFKxxC xCxxCCxxddCCxxd其中，阻尼系数 由下式决定：当0当53分闸过程系统建模分闸过程系统建模 根据上述算法对接触力模块进行二次开发根据上述算法对接触力模块进行二次开发输入变量输出变量54分闸过程系统建模分闸过程系统建模 DECLARATIONS, REAL*8 Damping,Sub_Dis,Contact_Force_Temp IF(Relative_Dis.LE.Critical_Dis) THEN Contact_Force=0 /当活塞位移小于当活塞位移小于230mm时，不产生接触时，不产生接触 ELSEIF(Rel

51、ative_Dis.GT.Critical_Dis) THEN Sub_Dis=Relative_Dis-Critical_Dis IF(Sub_Dis.LE.Penetration) THEN Damping=Max_Damping*Sub_Dis/Penetration /计算计算x-x1d时的阻尼系数时的阻尼系数 ENDIF Contact_Force_Temp=-(Stiffness*(Relative_Dis- Critical_Dis)*Nonlinear_E)+Damping*Relative_Vel) /计算接触力计算接触力 IF(Contact_Force_Temp.LE.Z

52、ERO) THEN Contact_Force=Contact_Force_Temp ELSEIF(Contact_Force_Temp.GT.ZERO) THEN Contact_Force=ZERO ENDIF ENDIF55三种接触力模拟方式比较三种接触力模拟方式比较 下图为三种接触力模拟方式计算的活塞位移下图为三种接触力模拟方式计算的活塞位移/速度速度/加速度曲线对比加速度曲线对比Cas e C o mp ar iso n f o r : AX_Mass_PM, AV_Mass_PM, AC_ Ma s s _ P M 0.02.04.06.08.1-80 0 0 0 0-60 0 0

53、 0 0-40 0 0 0 0-20 0 0 0 00200 0 0 00.02.04.06.08.1-30 00300600900120 0150 0180 00.02.04.06.08.104812162024Mod e l : O p en_Us e r D e f ine_Contact, Runid: compare, Case: 1, Display: 1 . 0 3 - MA R - 2 0 0 8 , 1 7 : 3 5 : 5 5TIMEAX_ Ma s s _ P MTIMEAV_ Ma s s _ P MTIMEAC_ Ma s s _ P MOpe n _ U s e

54、r Defin e _ C o n tactOpe n _ H a r d Lim it _ C o n t actOpe n _ S p r i ngS to p _ C o n tactCas e C o mp ar iso n f o r : AX_Mass_PM, AV_Mass_PM, AC_ M a s s _ P M .04 5.04 8.05 1.05 4.05 7.06.06 3-12 0 0 0 0-90 0 0 0-60 0 0 0-30 0 0 00300 0 0600 0 0900 0 0.04 5.04 8.05 1.05 4.05 7.06.06 3-30 003

55、00600900120 0150 0180 0.04 5.04 8.05 1.05 4.05 7.06.06 304812162024Mod e l : O p en_Us e r D e f ine_Contact, Runid: compare, Case: 1, Display: 1 . 0 3 - M A R - 2 0 0 8 , 1 7 : 3 5 : 5 5TIMEAX_ Ma s s _ P MTIMEAV_ Ma s s _ P MTIMEAC_ Ma s s _ P MOpe n _ U s e r Defin e _ C o n tactOpe n _ H a r d L

56、im it _ C o n t actOpe n _ S p r i ngS to p _ C o n tact56三种接触力模拟方式比较三种接触力模拟方式比较 由上述计算结果对比不难看出，采用二次开发模块自定义的接触算法计算由上述计算结果对比不难看出，采用二次开发模块自定义的接触算法计算结果更加连续，光滑，更真实结果更加连续，光滑，更真实 以下计算结果均根据采用二次开发模块自定义接触力的模型给出以下计算结果均根据采用二次开发模块自定义接触力的模型给出 与与Adams联合仿真时，机构模型在联合仿真时，机构模型在Adams中建立，接触力可以直接在中建立，接触力可以直接在Adams中创建，中创建，

57、Easy5中无需通过二次开发建立接触力模型中无需通过二次开发建立接触力模型57分闸过程计算结果分闸过程计算结果 完成建模后，进行动力学计算，计算时间历程完成建模后，进行动力学计算，计算时间历程0.1s，步长，步长0.001s 图示为活塞位移图示为活塞位移/速度速度/加速度曲线（加速度曲线（cm,cm/s,cm/s2） 由计算结果可以看出：由计算结果可以看出： 活塞从开始运动到缓冲结束， 经历的时间约50ms 峰值速度为1606cm/s，即16.06 m/s，出现的时间约在25ms左右 因此从峰值速度到缓冲结束， 时间历程约25msUNT I T L E D0.02.04.06.08.1-80

58、0 0 0 0-60 0 0 0 0-40 0 0 0 0-20 0 0 0 00200 0 0 00.02.04.06.08.1-30 00300600900120 0150 0180 00.02.04.06.08.104812162024Mod e l : S w itch_ H y d _ D amper_Open, Runid: switch_open_analysis, Case: 1, Di s p l a y : 1 . 0 3 - MA R - 2 0 0 8 , 1 9 : 0 4 : 5 1TIMEAX_ Ma s s _ P MTIMEAV_ Ma s s _ P MTI

59、MEAC_ Ma s s _ P M58分闸过程计算结果分闸过程计算结果 高压容腔、上端缓冲阀孔外部容腔、低压容腔、下端缓冲阀孔外部容腔油高压容腔、上端缓冲阀孔外部容腔、低压容腔、下端缓冲阀孔外部容腔油压变化（压变化（bar）UNT I T L E D0.02.04.06.08.1051015202530350.02.04.06.08.10100 0200 0300 0400 00.02.04.06.08.14204254304354404454500.02.04.06.08.10100200300400500Mod e l : S w itch_ H y d _ D amper_Open,

60、Runid: switch_open_analysis, Case: 1, Di s p l a y : 6 . 0 3 - MA R - 2 0 0 8 , 1 9 : 0 4 : 5 1TIMEP_V o l u m e _ VXTIMEP_I n _ C HTIMEP_V o l u m e _ VX2TIMEP_I n _ C H 259分闸过程计算结果分闸过程计算结果 活塞所受液压油压力差、弹簧阻力变化（活塞所受液压油压力差、弹簧阻力变化（N），最后油压力稳定在），最后油压力稳定在31676NUNT I T L E D0.02.04.06.08.1-15 0 0-12 5 0-10