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文档简介

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master). Training

HYD1Introduction

to

hydraulic

capabilities

in

AMESimCourse

objectives2

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-

2009通过学习HYD1课程,您将学到:理解重要的基础概念库和元件有一个总体对AMESim的认识怎样用AMESim搭建

系统复习典型

系统的模型Event

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master)AMESim中的总体介绍标准

库(HYD).液阻库(HR).元件设计库(HCD).在AMESim的库函数中有三个库和相关4

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-

2009为什么要用3个库?每个库都满足了不同方面的需求HYD:标准库,通过库内典型元件进行系统仿真。HR:

液阻库,主要用于分析中的压力损失和流量分布。HCD:

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

元件。5

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-

2009HYD6

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-

2009HR7

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-

2009HCD8

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-

2009本库(HYD)是最基本库。因为其他二个库都必须用到该库中的一些基元部件模块。流体性质源(压力源和流量源)传感器9

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-

2009……还有很多库中的元件会被经常使用到节点阻尼孔(液阻)容积腔(液容)泵、马达(转换器)管路(没有图标)10

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-

20093个库是相互兼容的3个库每个库有不同方面的应用标准库(HYD)是最基本的11

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-

2009Event

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master)流体属性液体属性有哪些?气蚀/气穴AMESim中的液体属性模型定义“液体属性”是步系统建模的第一13

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-

2009液体的属性有很多方面:密度压缩性黏度导热率比热电特性稳定性毒性润滑但是只有很少的几个是在计算中需要用到的…PropertiesParametersPhenomena饱和压力蒸发压力燃点表面张力热膨胀性沸点气蚀气穴14

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-

2009影响液体动态特性的三个基本属性:密度

[kg/m3]

质量特性体积模量[bar]

可压缩性

=刚度特性粘度

[Pa.s]

阻尼特性库中是对于液体的热属性,例如导热系数、比热、热膨胀等在忽略不计的(但是在热

库中是可以考虑的)然而,空气含量(air/gas

content),饱和压力(saturation

pressure)和蒸发压力(vapour

pressures

),是处理气蚀现象(aeration/cavitation)必不可少的。15

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-

2009

f

P,T

0

o(P)

o(T

)T

T

o(P)

o(T

)

0

P液体的密度可以认为是压力和温度的函数,做泰勒展开可以得到在HYD中不考虑温升0

T压缩性d(P)

.

dP弹性模量和密度的关系保证了系统中的质量守恒16

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-

2009通常情况下,

油中是含有空气的因此在计算液体性质时需要考虑空气的影响(例如刚度和密度).为了实现这一点需要设定下列参数Air/gas

content(空气含量)空气含量采用体积百分比(percentage

of

volume

),而不是质量百分比!Saturation

pressure(饱和压力)大于这个压力,所以空气将完全溶解到油中,低于这个压力析出的空气数量是压力的函数。Lubricant

aeration

in

running

engineSurfacevortexJet

trapbubbles17

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-

2009相位图温度压力沸腾气蚀SumpHigh

pressure气蚀现象是指当压力低于液体自身蒸发压力时出现气泡的现象18

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-

200919

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-

2009TimeVapour

cavitiesAir

bubbles饱和压力Liquid

pressure蒸发压力+LiquidonlyAir

absorption

(total

or

partial)(free

dissolved

air)Air

release

(dissolved

free

ari)PsatPvap掺混空气-气蚀Liquid

withdissolved

air在草绘阶段,

一个流体特性图标,

一个压力源和一个液体属性传感器。这是一种最简单的测试液体属性的方法选择FP04子模型(FP01,FP02和FP03是以前旧版本所使用的现在被FP04代替)进入到参数阶段20

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-

2009简单级非常简单的模型和假设。很少使用。基础级同高级模型相同,但有些参数是无法更改(采用默认值)。高级通用的流体模型,不仅能够考虑液体性质,也能考虑到液体中空气/气体和蒸汽气泡(气穴)的影响。21

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-

2009通过图表定义的高级模型用户通过ASCII定义流体属性

是一个关于压力和温度的函数。空气析出和气穴的影响效果和高级模型一样Robert

Bosch绝热柴油这个模型是和博世共同开发经过实验验证.22

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-

2009油索引号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不同液体的影响(例如:

油和冷却剂或

油和,必须使用多个)。在草绘阶段油属性符号所有 元件子模型都需要定义流体的性质(ρ,

B

或viscosity)需要一个

油索引号.Index

of

hydraulic

fluid23

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-

2009AMESim中不同流体属性子模型对液体属性的影响01_Fluid_props_submodels.ame24

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-

2009气穴现象对液体性质的影响油三个主要属性质量守恒AMESim中不同复杂程度液体属性25

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-

2009Event

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master)元件功率键合图理论介绍AMESim中的

元件根据功率键合图理论,AMESim把元件归纳成几大类27

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-

2009集中参数法:将基本的物理现象归纳为感性元件、容性元件和阻性元件的造成的影响集中参数法分布参数法质点和没有质量的弹簧带有质量的弹簧InertiaCapacitiveResistiveMechanicsHydraulics其他元件,源,节点,转换器等,…28

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-

2009Bond

graph

theory复合接口法:强调子模型和其周围环境之间的能量交换机械、

系统之间的功率的转换是两个变量的乘积机械功率Pm是扭矩和角速度的乘积功率Ph是压力和流量的乘积功率的转换是有方向的 (对

泵来说,

能量从机械能转化为能)29

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-

2009Bond

graph

theory交换的功率是两个变量的乘积:力变量流变量两个元件的连接=因果关系或作用力和反作用力的原理通过因果关系来定义力流功率机械Force

[N]Velocity[m/s]Pow

[W]

=F

*

VPressure[bar]Flowrate[L/min]Pow

[W]

=P

*

Q30

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-

2009A和B两个子模型的连接:每一端都要有力变量和流变量的连接其中只有一个是施力物体如果对A施加一个力,它将通过反作用力来改变其流变量,对B来说也是一样的Bond

graph

theory31

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-

2009端

换的变量:压力[bar]体积流量[L/min]对于机械元件(作动器,泵…)机械变量同样发生了改变:速度、位移、加速度(平动或旋转)力和扭矩32

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-

2009和AMESim中的其他模块一样,每个

元件模型都有一个特定的因果规则,因此它并不能一直保证和相连的模型连接。在端口中,有两种因果关系:阻性(R:Restrictive)或者惯性(I:inertia):输入压力、输出流量。容性元件(C:Capacitive):输入流量、输出压力。在此提醒一下,为了能够连接两个元件,第一个元件连接端口的输入输出变量分别要和第二个元件连接端口的输出和输入变量一致。33

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-

2009上述规则的例外:源模一个元件端口的输出并不需要相连端口的输入:例如一些型不需要任何输入。OK记住:输出是在该元件中计算得到,在计算输出时需要输入。34

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-

2009Hydraulic

components系统中的几种元件缸容积腔换向阀阻尼孔泵管道35

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-

2009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通过引入液体的弹性模量B来考虑液体的可压缩性,弹性模量B代表了液体刚度ii向容积腔内输入流量,输出压力可以通过下式计算到:dP

B(P)

Qdt

V36

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-

200902_simple_chamber.ame假设一个固定容积腔,初始压力P0,以恒定的流量向里面注油,忽略容积变形量仿真时间0到1[s]通讯步长0.01[s]Q=0.1L/minV=1L37

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-

2009相应的AMESim模型容积腔内压力变化情况在1[s]仿真终止时压力是28.31

[bar]Example1.ame02_simple_chamber.ame38

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-

2009元件中两种压力损失:局部压力损失(阻尼孔,弯头,过滤器…)沿称压力损失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(伯努利方程)计算Orifices39

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-

2009其中Px

=静压U

=流速A

=过流面积g

=

重力加速度h

=高度ρ

=密度pressuretotal

pressure方程假设没有能量损失:能量全部回收:如果A1

=A3

和h1

=h3

,P1

=P3dynamic23gravitytermstaticpressure21

1111

2

2

3

U

P3

g

h

P

g

h

U(1)U1U2U3P1A1P2A2P3A3Daniel

Bernoulli

(1700

–1782)40

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-

2009Orifices实际上是存在能量损失的,所以:P3

<P1局部压力扰动

压力损失!3losses21

1

2

13321

U

P

g

h

U

P

2P

g

h

(2)其中:DPlosses

=压力损失P1,

A1方程(1)转化成

1P2,

A2P3,

A341

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-

2009损失的压力可以认为是液体速度U,液体密度以及摩擦因子ξ

(同元件的几何形状有关)的函数的压力损失和流量分布时(HR

library),当

需要考虑主要用方程(3)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AMESim(HYD,HCD…)中经常用到。OrificesA22

221

Q

2

Plosses

1

U

(3)qC2up

down2

P

P

where

1

Q

Cq

Ar

(4)42

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-

2009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):层流(

Laminar

):流动非常平稳紊流(

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λ。Re

U

Dh

2

P

Dh

在AMESim中,两种流动状态的转换是通过流量系数Cq来实现的。43

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-

2009一般来说,流量系数Cq

是通过试验和CFD计算来获得Cq

很显然是关于描述液体流动状态的雷诺数Re和流量系数λ

的函数CqReynoldsCqLambdaLaminarTurbulent44

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-

2009Orifices和临界流量系数来计算在HYD

中,流量是通过最大流量系数和Cq在HR

中,压降是通过摩擦系数和临界雷诺数来计算ρQ

Cq

Arest

2

P2restP

Q22

A

Dh

2

P

HYD

libraryBernoulli

equationHR

libraryDarcy-WeisbachequationFlow

numberReynolds

numberD

QeR

h

AFlow

coefficientFrictionfactorCqCqmaxcritTurbulentLaminarminRecritReLaminarTurbulent45

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-

2009Orifices1OR

1qC

2qC

λcrit

和Recrit的转换关系Re

Cq

or

Re

Cq

和的转换关系minRecrit

Cq

max

critcrit

Recrit

orA过流面积λ流量系数Cq流量系数Dp压降Dh水力直径x摩擦系数Q体积流量r液体密度Re雷诺数n液体运动粘度注意46

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-

2009Orifices03_simple_orifice.ame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ΔP设定成一个瞬态递增的过程如果Pdown

保持在0

bar,ΔP

就等于Pup设定Pup

在10

s内从0到5barorifice

diameter

/um

flowcoefficient

pair47

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-

2009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/min03_simple_orifice.ame流量、压力曲线OR0000-1

flow

rateat

port

1

[L/min]48

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-

200903_simple_orifice.ame前面的模型选择‘restriction

definition’选项使用之前的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orifice

diameter

/um

flowcoefficient

pairpressure

drop/flow

rate

pair49

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-

2009在0到1.5

bar中有微小的差异orifice

diameter

/um

flowcoefficient

pairidentical

resultsfor

turbulent

flowpressure

drop/flow

rate

pair03_simple_orifice.ame50

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-

2009‘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C

取值是1.0(不是0.7)q因此,层流状态下的计算和选项2中的不同用选项1要注意:湍流计算比较准确,但是层流计算准确率相对较低4

A

D

QA

down鷓qC

.

2

P

P

注意选择平均压力Patm下的ρ03_simple_orifice.ame51

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-

2009在

库中没有管道的图标.通过两个元件的连接来添加管路模型(点击鼠标左键)P52

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-

2009阶段)管道中3种效应需要考虑Compressibility

(C):压力计算Friction

(R):沿称压力损失Inertia

(I):波动效应集中参数模型(“1或2节点”)和分布参数模型(“5”或同样可以考虑通过Darcy

Weisbach方程考虑摩擦效应:摩擦因子ff、雷诺系数、管道粗糙度通过Nikuradse

harp来计算2fric

ff

L

U

2D

2

.

U

2P53

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-

2009LaminarTurbulent54

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-

2009Lines

/

Inertia

effect管道长度L

横截面积A和液体密度r,

管道中的液体质量为r

·L·A.根据牛顿定律dtdUForces

(

A

L)

用Q=A

•U

和压力来解释这个方程(

A

L)

dt

dU

A

L

dQA

dt

Forces

A(Pup

Pdown

)即:dQ

1downup

(P

P

)A

Ldt相应的惯量是:A

LP

IQhydPup

PdnLAU55

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-

200904_Overview_pipes.ame56

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-

200904_Overview_pipes.ame输出1口的压力57

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-

2009Lines05_distributive_vs_lumped_models.ame用集中模型搭建分布管道的模型比较两个容积腔的压力58

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-

2009考虑下面一个例子在t0

=0[s],管道初始压力0[bar]这个模型的目的是为了说明在管道的最右端(同阻尼孔相连接处)不同管道子模型对压力的影响。06_Pipe_inertia.ame59

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-

200906_Pipe_inertia.ame60

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-

200906_Pipe_inertia.ame对于HL01,没有考虑惯量,与动态特性相关的是R-C单元。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)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,

使用HL020

HL030因为这样会引入不必要的噪声,而且增加CUP运行时间61

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-

2009Otherelements泵:在AMESim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

能缸:

缸同样也是转换器:把

能转换成机械能(反之亦然)62

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-

2009Otherelements换向阀:

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/ΔP来计算最大开口面积的。对于每条通路来

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

中介绍63

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-

2009Hydraulic

components

summary-集中参数法-复合接口-能量守恒-因果关系基于功率键合图的

元件容积腔阻尼孔管道泵、马达方向阀64

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-

2009Event

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on

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master)Presenter

name

presenter

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(to

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master)流量分布传动执行机构防止系统压力波动中的几个应用案例66

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-

66Flow

distribution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:根据给定流量设计阻尼孔01_HYD_networe67

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-

67注意:由于阻尼孔初始方向的不同,流量可能会为负无论这两个例子中流量的是正是负,实际的流动方向是相同的01_HYD_networeCausality

of

orifice

:68

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-

68设前面两种阻尼孔的直径分别为D1

和D2通过这些阻尼孔可以搭建一个简单的 系统目的是计算整个系统的输入流量是多少根据几个阻尼孔的组合,确定总流量的大小01_HYD_networe69

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-

69目标是设计等效阻尼孔求等效直径Deq

关于D1和D2

函数等效阻尼孔01_HYD_networe70

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-

70Pump目标:建立一个简单的传动系统PipeRotaryinertiaReliefvalvePump

:

w=

1500

[rev/min]

and

displ

=

100

[cc/min]Pipe

(Only

capacitive)

:

L

=

4

[m]

and

Ø=

25

[mm]Relief

valve

:

Pcrack

=

180

[bar]

and

grad

=500

[L/min/bar]Motor

:

displ

=

100

[cc/min]Rotary

inertia

:

Mi

=

1

[kg.m^2]and

Fvisc

=

0.02

[Nm/rev/min]Fluid

properties:

use

standard

model

in

AMESim

(1st

submodel)Motor02_Hydrostatic_Transmission.ame71

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-

7102_Hydrostatic_Transmission.ame系开始就达到稳态值.仿真时间10

[s]:管道中发生了什么情况?气穴72

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-

7202_Hydrostatic_Transmission.ame为了避免系统产生气穴,需要给泵施加续的曲线通过定义初始曲线可以避免气穴的发生.Setting

pointfor

rotary

velocityof

pumpContinuouspump

start73

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-

73PumpPipeMotorReliefvalve02_Hydrostatic_Transmission.ame同样的系统,将管道的子模型该成考虑液阻和液容效应stepUse

2

pipes

with

L

=

5

[m]and

Ø

=

10

[mm]Add

resistive

effect

in

the

pipesPipeRotaryinertiaSecond

step-

Add

inertia

effect

in

the

pipes74

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-

74连接泵和节点的管道末端处压力Hydrostatic

transmission

(2)ΔP02_Hydrostatic_Transmission.ame泵出口的压力:考虑和不考虑流体惯性Do

a

zoom

to

seepressure

oscillations

at

the

starting

of

pump75

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-

75系目标:建立一个能够让质量块移动的统03_HYD_Jace76

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-

76第一步: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足(惯性力,库伦摩擦力,粘性摩擦力).活塞面积要增加30%来满03_HYD_Jace77

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-

77第二步:换向阀要求:在4

[s]前,压力作用在在4

[s]后,压力作用在缸左腔,右腔回油。缸右腔,左腔回油。

通常采用三位四通换向阀Q/dP

values

(10

[L/min/bar]

is

OK)

+

“valve

rated

current”

vs.

input

signal!03_HYD_Jace78

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-

7803_HYD_Jace第三步: 缸+

控制阀活塞杆直径3

[mm]注意管道的长度和直径增加活塞直径来补偿(9

[mm])79

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-

7903_HYD_Jace第四步:泵的选择采用定量泵为了确定泵的排量,分析一下系统所需要的流量由活塞移动造成的位移泵的转速500[rpm],那么泵的排量是多少呢?考虑15[%]的余量最大流量2[L/min]80

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-

80第五步:缸+控制阀泵同观察质量块的位移,发现曲线不合理,为什么?03_HYD_Jace81

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-

81第六步:调压阀为了得到同第三步相同的结果,需要添加调压阀,并设定参数03_HYD_Jace82

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-

82Hydraulic

actuator如果压力流量梯度太小,说明溢流阀太紧,系统压力就不保持在调定压力上能观察泵的排量:如果排量不足,就会导致流量不足,会观察到压力下掉03_HYD_Jace第六步:调压阀参数设定-“relief

valve

flow

rate

pressure

gradient(溢流阀压力流量梯度)”这个参数会造成什么样的影响?-通过批量仿真,观察缸左腔压力的变化情况83

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-

8304_AntiPulsating_Accumulator.ame考虑一段简单的管道中存在压力波动,目标是减少压力的波动84

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-

84一种解决办法是在管道中加装蓄能器在管道的头部、中间和尾部加装蓄能器有不同的影响04_AntiPulsating_Accumulator.ame85

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-

8504_AntiPulsating_Accumulator.ame注意:蓄能器有很多子模型,出口是否有阻尼孔蓄能器出口没有阻尼孔也可以有容抗效应阻抗效应其他

元件具有相同的双重因果效应(例如管道和缸)86

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-

86记住,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:仿真的目标要求的精度考虑的频宽允许CPU最大运行时间或执行任务的数量参数(几何,形状…).可用的数据建模分析的经验的经验General

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