AMESim工程机械机电液系统仿真技术

程磊LMSChina工程机械机电液系统仿真技术

Imagine.LabAMESim

LMS国际公司copyrightLMSInternational-20111概述copyrightLMSInternational-2011机电液系统一体化技术与LMS解决方案在机电液系统中，存在机械、电子控制、电气与液压传动等多种学科和子系统的耦合工程机械控制电气液压机械热LMS为工程机械行业提供独一无二的机电液联合仿真解决方案控制-流体传动-电传动：Imagine.Lab机构动力学模型与被控对象：Virtual.LabMotion拓展的耐久性分析：Virtual.LabDurabilitycopyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim多领域系统仿真什么是系统仿真？基于集中参数和物理元件数学模型仿真模型由多个物理元件模型组合而成典型的设计目标:系统的时间响应是什么样的?系统能够达到的最大油压是多少?电机调速与控制？如何设计并优化控制参数?copyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim多领域系统仿真平台图形化模块化多学科系统建模基于集中参数和物理元件数学模型仿真模型由多个物理元件模型组合而成每个物理元件模型用图标表示，且完全参数化流体、机械、热、电气与电磁、控制、驾驶、发动机等40多个专业库主要分析功能动态响应分析稳态分析模态分析频率响应分析、根轨迹分析DOE、优化分析、蒙特卡罗分析活性指数分析阶次分析实时仿真与硬件在环与其它软件的无缝集成多体动力学CFD控制系统copyrightLMSInternational-20112流体传动系统copyrightLMSInternational-2011匹配流体元件以开发最优的流体传动回路提高系统和产品的质量(噪声，鲁棒性和可靠性）根据机械结构调整作动系统降低能耗(变量泵，负载感应技术)开发和优化新型“智能”功能(自调平,控制策略,…)：自适应负载和机器运动变化流体传动系统设计面临的挑战流体系统设计面临的挑战copyrightLMSInternational-2011流体传动系统设计面临的挑战流体零配件设计面临的挑战如何尽早确定流体系统中用到的各种流体元件样机的规格尺寸？如何提高产品的鲁棒性，规避偏差，控制泄漏？如何提供完善的子系统功能？如何减噪、减振、降低声振粗糙度？(NVH:Noise,VibrationandHarshness)如何降低能耗?（变量泵、负载感应技术）如何创新设计阀门、泵和作动器？油泵阀门copyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim液压与热液压相关专业应用库基本液压库(HYD).包含基本的液压元件用于液压系统建模和仿真液阻库(HR).用于评价液压流体管网中的压力损失和流量分布液压元件设计库

(HCD).包含基本液压几何构造单元，用于建立详细的液压元件模型，如燃油喷射器、控制阀等在AMESim中有多个液压相关的专业库用于液压元件或系统建模仿真：热库（TH）处理固体材料之间的热交换。它是基于瞬态热传递计算理论用于对固体材料之间传统的热传递模式建模热液压库(THYD).热液阻库(THR).热液压元件设计库

(THCD).考虑流体的温度变化、流体热交换、流体属性变化copyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim液压与热液压系统库

ThermalhydrauliclibraryHydrauliclibrary包含丰富的工程液压油和相应属性参数，并可以考虑液压传动中的流体黏性、可压缩性、气融、气穴、水锤、温度变化、多流体等所有因素的影响包含丰富的液压物理元件，包括泵、马达、阀、管道、弹性软管、蓄能器、作动器等，可以考虑复杂的液压问题，如复杂液阻带来的局部压力损失、弹性软管的影响、内摩擦的影响等计算液压系统的稳态和动态特性，包括压力、流量和温度变化等建模和分析工程机械液压系统设计方案、液压元件选型，并确定系统参数发现并解决工程机械液压系统中的常见疑难问题，如压力峰值、压力脉动等功能：作用：copyrightLMSInternational-2011AMESim中的液压相关专业库（非热）HYDcopyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim液压元件设计库Servo-valve基于液压零部件几何结构的模块化建模方式构建泵、阀、作动器等各类部件详细模型详细建立元件模型，同时考虑运动体动态性能流体可压缩性限位和饱和摩擦和泄漏液动力可变流量系数（雷诺数和流数）可变容积可变通流面积液压力可模拟各类液压零部件，如泵、单向阀、调压阀、作动器……详细建立并验证零部件设计方案特点：用途：copyrightLMSInternational-2011AMESim中的液压相关专业库（非热）HCDcopyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim液阻库/热液阻库对任何流体管网系统进行建模、分析和设计。建立简单管网流动，分支管网，树状管网以及回路及相互连接的模型。对重力和离心效应进行建模。可以接受用户的专用数值来覆盖内嵌的数值。处理不可压缩流动和可压缩流动。可进行稳态和动态分析。对管网系统的规模没有限制。管接头copyrightLMSInternational-2011AMESim中的液压相关专业库（非热）HRcopyrightLMSInternational-2011Imagine.Lab

AMESim可以建立多层次多级复杂程度的流体系统模型，可以将元件的详细模型与流体系统回路的整体模型结合在一起进行综合分析。Imagine.LabAMESim建模：多层次多级复杂程度copyrightLMSInternational-2011液压元件下图所示为在Imagine.LabAMESim液压系统模型中的不同类型的液压元件

液压容腔节流孔油泵液压管道液压阀作动器copyrightLMSInternational-2011流体属性变属性(弹性模量，粘度和密度)

空气/气体含量

气穴现象

热特性

多流体处理能力copyrightLMSInternational-2011液压库:液压管道硬管&软管

可压缩性,杨氏模量

摩擦,粗糙度

水击效应

软管柔度，弹塑性特性copyrightLMSInternational-2011管道模型copyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim液压阀模型

通用的滑阀2位4通2位3通3位6通

3位4通3位3通

常用阀压力阀单向阀安全阀

减压阀可控安全阀copyrightLMSInternational-2011其它液压元件油泵：在AMESim液压库中包含多种类型的油泵

(容积泵、离心泵等…)

油泵是转换元件：将机械能转换为液压能作动器：液压作动器也是转换元件，将液压能转换为机械能

(反之亦然)copyrightLMSInternational-201123AMESim流体传动建模实例：负载感应系统节能：一个负载感应式变量泵只产生作动器所需要的流量精确控制：由于通过调速阀的压差保持恒定，系统流量只和调速阀的开度有关恒流控制：负载感应式泵能够在泵轴转速发生变化的时候为负载提供恒定的流量。当泵转速减小的时候，只要排量未达到最大值，负载感应控制器就会增加泵的排量以维持通过换向阀的恒定的压差。优越性copyrightLMSInternational-2011应用案例：轮式装载机的负载感应系统建模与仿真分析

结果曲线AMESim仿真模型轮式装载机系统建模仿真分析设计验证copyrightLMSInternational-201125典型负载感应系统组成结构16235454以轮式装载机负载感应系统为例，其组成主要包括：动力源：一个负载感应式变量泵（1）；内燃机转速输出，这里采用马达（绿色元件）表示执行机构：两个举升液压缸（2）及一个翻转液压缸（3），为简化模型，将两个举升液压缸合并为一个，其容积为单个液压缸的两倍。控制机构：两个带LS的三位五通换向阀（4），两个压力补偿阀（5），梭阀（6），变量泵压力截止阀及负载感应控制器（和泵装配在一起）辅助元件：硬管、油箱copyrightLMSInternational-2011第一步：负载感应式变量柱塞泵模型26

copyrightLMSInternational-2007带压力截止阀和负载感应控制器的油泵模型负载感应控制器变量机构主动压力截止copyrightLMSInternational-201127第一步：负载感应式变量柱塞泵模型copyrightLMSInternational-201128第二步：流量控制阀模型与验证copyrightLMSInternational-201129第三步：单作动器负载感应系统模型与验证copyrightLMSInternational-201130第四步：吊装架的机构运动模型采用平面机构库元件模拟装载机的机构运动copyrightLMSInternational-201131第五步：完整的装载机负载感应系统模型与验证copyrightLMSInternational-2011北汽福田应用：恒功率变量泵仿真分析11采用AMESIM仿真软件建立力士乐A8VO120恒功率变量泵的仿真模型。用泵、管道、节流、活塞、弹簧、传感器等基本元件，通过相应的物理连接构建变量泵的基本结构，用液压元件设计库中的元件构建恒功率调节器和变量调节阀系统，并综合各个部件形成整体仿真模型。copyrightLMSInternational-201112

为验证变量泵仿真模型的正确性，进行了实验结果与仿真计算结果的对比。实测挖掘机的发动机功率为125kW，采集挖掘机的一个工作循环过程中的主泵流量、压力、功率曲线。然后将实测压力曲线作为工作装置负载加到变量泵仿真模型的负载输入端，将单泵的流量、功率仿真曲线与实际采集到的单泵流量、功率曲线作对比，如下图所示。从图中可以看到，当变量泵进入恒功率调节区域时，主泵的流量随着压力的升高而减小，但是主泵的吸收功率基本保持恒定在53kW左右，实现了变量泵的恒功率调节。而且，仿真的单泵流量、功率曲线与实测的单泵流量、功率曲线基本保持一致，说明仿真模型基本合理，能够仿真力士乐A8VO120恒功率变量泵的动态特性和变量特性。北汽福田应用：恒功率变量泵仿真分析copyrightLMSInternational-2011混凝土泵车泵送液压系统建模分析：三一重工基于Imagine.LabAMESim，建立泵送液压回路仿真模型，全面了解泵送过程中泵送压力、油液流量、换向冲击力等关键参数，得到相关的仿真结果，并与试验数据做对比分析。对于泵送液压回路系统的设计、分析与优化具有重要作用。

泵送开式系统简图（液控换向）泵送开式系统简图（电控换向）copyrightLMSInternational-2011混凝土泵车泵送液压系统建模分析：三一重工液压回路copyrightLMSInternational-2011混凝土泵车泵送液压系统建模分析：三一重工插装阀元件建模与优化选取不同的阀芯角度进行仿真，从中选取最优的角度参数。图9中阀芯角度alpha分别为27°、26°、25°时的插装阀压降特性曲线。参照点选取为当流量为620L/min时，压力下降为5bar，可以得出当alpha角度为26°时，压降特性曲线与样本基本吻合copyrightLMSInternational-2011混凝土泵车泵送液压系统建模分析：三一重工泵送液压回路系统的仿真模型建立步骤为：第一步，分别建立单个液压部件的仿真模型，根据电子样本提供的液压特性曲线，调试、修正单个液压部件的仿真模型；第二步，将已调试好的液压部件仿真模型，按照泵送回路系统原理图，搭建系统的仿真模型copyrightLMSInternational-2011液压系统设计全液压推土机液压系统载荷上升梯度对液压系统的影响全液压推土机是典型的牵引型铲土运输机械：牵引性能动力性能燃料经济性可靠性……………copyrightLMSInternational-2011液压绞盘（HydraulicWinch）平衡阀液压系统建模：液压绞盘copyrightLMSInternational-2011液压系统建模：钻机液压系统水平定向钻机液压系统copyrightLMSInternational-2011图形化的建模方法任何类型的液压元件都可以建模(泵,阀,作动器,…)机械与液压之间的完整动态耦合分析AMESim可以基于有限个基本的液压构造单元对各类液压元件，包括泵、阀、作动器等进行详细建模，评价液压元件的动态特性和设计方案AMESim液压元件建模与分析copyrightLMSInternational-2011液压元件设计：液压阀HydraulicComponentsPneumaticElectro-Mechanicor伺服阀copyrightLMSInternational-2011液压元件建模：径向柱塞泵径向柱塞泵copyrightLMSInternational-2011液压元件建模：轴向柱塞泵轴向柱塞泵copyrightLMSInternational-2011齿轮泵(2)泵的建模

采用单元模型组合

运动学和动力学(1)简单的单元模型:

容腔可压缩性

齿间泄漏河齿侧泄漏(2)系统评估

力反馈

噪声和压力脉动液压元件建模：齿轮泵copyrightLMSInternational-2011液压元件建模：叶片泵叶片泵copyrightLMSInternational-2011博世力士乐公司应用Bosch-Rexroth详细的泵的模型详细的马达模型气穴现象分析

RestrictedDiffusion47

copyrightLMSInternational-2007copyrightLMSInternational-2011Liebherr数字化样机应用

柱塞泵液压控制系统柱塞泵液压控制系统柱塞泵伺服阀copyrightLMSInternational-20113电气传动系统copyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim气动系统解决方案在AMESim中包含有3个专业库用于建立以理想气体、半理想气体或真实气体为工作介质的气动系统和气动元件模型.

基本气动库(PN)

气动元件设计库(PCD)

热气动库(THPN)此3个专业库完全兼容，可以混合使用copyrightLMSInternational-2011AMESim气动建模概览压缩或增压气体作为压力源一维流动方程与“集中参数方法”考虑以下因素：

可压缩性

(时间延迟，充气)

低密度

(在低压和低温时)

低粘度

(运动学粘度效应等同于液压系统)

温度的大范围变化

泄露和密封问题(低压，毛细现象，对于气动系统严格密封非常困难)

非线性

(喷嘴节流方程，状态方程，饱和，摩擦，等等…)气体假设理想气体半理想气体真实气体真实气体模型vanderWaalsRedlich-KwongRedlich-Kwong-SoavePeng-Robinson气体库气体可以混合copyrightLMSInternational-2011解决方案详述气动库52

copyrightLMSInternational-2006气体特性模型气体混合气体特性计算模块气动管路模型理想的气体压力源/流量源模型可调气体压力源/流量源模型压力，静压，温度，质量流量，体积气动节流口模型：固定/可变/毛细管气动弯管模型通用气动体积气缸理想的定排量压缩机单向阀模型：带/不带弹簧气动滤清器模型气动安全阀模型2，3，4通气动阀模型（各种中位机能）单/双缸以及单/双活塞杆气动作动器模型带/不带弹簧助力的气动作动器模型理想气体半理想气体真实气体copyrightLMSInternational-2011解决方案详述气动元件设计库53

copyrightLMSInternational-2006通过采用结构单元的细分来处理这种气动元部件的多样性，

使得用户可以用最少的图标和单元模块来构建最多的工程系统模型。

我们可以将其描述为技术结构单元模块，

因为每一个单元对工程师而言都是一个切实的实体。

通过大量的PCD模块，您就好像进入了一个工程仓库，选择相应的物理实体来组建一个元件。PCD库可以迅速地设计，分析和优化任何类型的气动元部件而无需用户编写程序代码！copyrightLMSInternational-2011解决方案详述PCD库主要模型o

柱塞 o

弹簧柱塞 o

动摩擦和泄露 o

带环形槽的滑阀 o

带圆孔槽的滑阀 o

阀芯刻槽的滑阀 o

自定义开槽的滑阀 o

带尖角阀座的锥阀 o

带锥形阀座的锥阀 o

无阀座的锥阀 o

挡板阀 o

带尖角阀座的球阀 o

带锥形阀座的球阀 o

膜片阀包括所有标准气动技术系列模块（滑阀，锥阀，球阀，柱塞，膜片以及其他系列）。能够详细地建立元件的模型，包括考虑：

运动体的动态性能。

限位和饱和。

上游感应的质量流量。

节流口中的声速，亚声速流。

可变通流面积。

可变流量系统（Cq）和可变质量流量系数（Cm）。

可变容积。

运动感应的质量流量。

摩擦和泄露。

气动力

静压力在计算过程中或者计算后输出所有要求的变量的计算结果（质量流量，焓流量，压力，温度，通流面积，阀升程，容积…）。流体特性和质量守恒严格处理的理想气体、半理想气体和真实气体假设。PCD库主要功能copyrightLMSInternational-2011解决方案详述——PCD库元件设计55

copyrightLMSInternational-2006单向阀气动减压阀copyrightLMSInternational-20114电气系统copyrightLMSInternational-2011LMSImagine.Lab机电解决方案概览ElectricalBasicElectricMotorsandDrivesElectricalStaticConversionAutomotiveElectrics57

copyrightLMSInternational-2010BatteriescopyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim电气系统解决方案及相关专业库电机驱动库(EMD)电动机、电池、控制单元电力电子变流元件库(ESC)功率电子转换元件基本电气库(EB)电源、传感器、电阻、电感、电容，…

电磁库(EM)

电磁元件、电磁铁、力矩马达等汽车电器库（AE）专用汽车电器元件，电器系统负载平衡分析与电能管理在AMESim中有5个专业库用于建立电气系统模型EBEBEBESCESCEMDESCESC+ControlEB+ControlEMDMechanicalRectifierChopperMotorGearBoxLoadSensorscopyrightLMSInternational-2011开发目标关注点模型预设计，控制策略开发准稳态数表模型系统参数定义，控制低频模型部件和控制参数优化高频模型59

copyrightLMSInternational–2010电机和功率电子：多级复杂程度模型LevelofDetailFrequencybandwidthAccuracy(higherCPUtimes)NeededParameterslowhighcopyrightLMSInternational-2011AMESim基本电气库概览目标为工程师提供用于电子元器件建模需要的基本模型。可以考虑热效应。技术概览26元件分成4类各种类型的连接器所有的耗能元件都带有热端口电阻、电容和电感都有外部信号端口，可以从外部设置它们的数值基本的电气元件模型能耗元件带有热端口交换元件：准理想的电闸和二极管简单易用仿真电气回路的基本功能可以考虑和热的耦合特点受益copyrightLMSInternational-2011AMESim电机驱动库概览目标为电气系统和电驱动回路建模提供典型的电机模型，从而能够反映电气系统和电机的动态特性

典型电机模型

(DC,IM,SM)

根据客户需求提供特殊电机模型

(步进电机、变磁阻电机，…)

验证电气系统控制律

分析电气系统与机械系统的耦合特点受益技术概览共包括5类16个元件：同步电机感应电机直流电机发电机传感器经典模型(派克变换)图表形式的电动机和电池模型copyrightLMSInternational-2011AMESim电力电子变流元件库概览目标为电气系统中能量转换控制提供高级的变流元件模型技术概览共包含4类24个元件模型逆变器整流器斩波器Gradator易于参数化的准理想模型

涵盖主要的功率电子应用：整流器、逆变器、升降压斩波器等

与EB和EMD库元件直接连接使用

验证控制律

优化代码以进行快速和稳定的仿真功能受益copyrightLMSInternational-2011建模实例直流电机控制系统copyrightLMSInternational-2011Imagine.LabAMESim电磁解决方案目标:为工程师提供用于电磁元件，例如电磁铁和力矩马达等机电转换器建模所需要的模型。技术概览28元件分成4类：机电作动器驱动电