多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)在管路分析中的應(yīng)用與發(fā)展

董仁義，吳崇健，張京偉，彭文波

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)在管路分析中的應(yīng)用與發(fā)展

董仁義，吳崇健，張京偉，彭文波

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

管路分析在液壓(或氣動)傳動系統(tǒng)設(shè)計中占有越來越重要的位置，不但有助于液壓系統(tǒng)中各元件的布置設(shè)計，還可以對管路中的壓力分布和脈動進(jìn)行分析，從而為減少液壓系統(tǒng)中的振動、沖擊和噪聲。多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)為復(fù)雜管路的機(jī)、電、液、控耦合系統(tǒng)建模與分析提供了新方法，也為管路分析與設(shè)計提出了新挑戰(zhàn)。本文首先對基于Modelica語言的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)進(jìn)行簡述，重點(diǎn)綜述了基于Modelica語言的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)在管路分析中的應(yīng)用概況，在此基礎(chǔ)上給出了管路分析的未來發(fā)展趨勢。

液壓系統(tǒng);管路分析;多領(lǐng)域統(tǒng)一建模;Modelica

0 引言

復(fù)雜管路系統(tǒng)一般由能源系統(tǒng)、管路傳輸與控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)［1］3個部分組成，是典型的機(jī)、電、液、控等多領(lǐng)域混合系統(tǒng)。對于液壓系統(tǒng)，其能源系統(tǒng)多采用恒壓力變量泵，輸出的液體流量都具有波動性或脈動性［2］。這種脈動性流量作用于管路阻抗產(chǎn)生壓力波動，強(qiáng)迫流體管道產(chǎn)生周期性振動，同時使管道支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。另外，管路傳輸與控制系統(tǒng)的各種動作閥門，由于其改變流體的方向或速度，在慣性作用下，也會產(chǎn)生明顯的瞬態(tài)振動。通過仿真實驗可知，其壓力最大超調(diào)量可能是其穩(wěn)態(tài)值的3～5倍［3］。

管路中的這種壓力脈動引起的支撐機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動，不僅使整個系統(tǒng)產(chǎn)生大分貝的噪聲，更有可能導(dǎo)致作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)動作不合乎要求。另外，強(qiáng)迫振動會導(dǎo)致管路和支撐間的微動磨損，造成管路支撐的剛度下降，因此管道的固有頻率也會降低，當(dāng)管道頻率與流體的壓力脈動頻率相接近甚至重合時，管路系統(tǒng)就會產(chǎn)生流固耦合振動，直接影響整個液壓系統(tǒng)的性能，進(jìn)一步會降低系統(tǒng)中元器件的使用壽命，更加嚴(yán)重的會使整個液壓系統(tǒng)功能失效［3］。

因此，有必要對管路系統(tǒng)中的壓力脈動產(chǎn)生和傳播機(jī)理進(jìn)行研究，并且分析系統(tǒng)中不同元件、外界負(fù)載對系統(tǒng)動態(tài)特性影響，最終得到壓力流量脈動的抑制措施。傳統(tǒng)的管路分析手段通常是采用經(jīng)驗公式計算，或者采用專門的液壓(氣動)系統(tǒng)分析工具，這種方法屬于單領(lǐng)域分析方法，難以實現(xiàn)各種動作閥的電控作用效果分析，以及支撐結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)械的運(yùn)動和動力分析。近年來出現(xiàn)的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，為管路系統(tǒng)的建模與仿真提供了新方法。借助多領(lǐng)域建模與仿真工具，可以方便實現(xiàn)管路系統(tǒng)各不同領(lǐng)域的子系統(tǒng)在一個統(tǒng)一的環(huán)境下建模，并分析各個系統(tǒng)之間的耦合作用，從而準(zhǔn)確地分析管路系統(tǒng)中的流體脈動及其傳播。

本文首先對目前多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模技術(shù)進(jìn)行介紹，重點(diǎn)闡述基于Modelica語言的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù);接著綜述和分析基于Modelica的多領(lǐng)域建模方法在管路系統(tǒng)分析中的應(yīng)用概況;最后指出基于多領(lǐng)域建模技術(shù)的管路分析的發(fā)展趨勢。

1 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模與仿真技術(shù)

多領(lǐng)域物理系統(tǒng)(簡稱多領(lǐng)域系統(tǒng))是指在一個集成環(huán)境中，通過對各個不同領(lǐng)域的組件建模而形成的耦合系統(tǒng)［4］。

多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模的實現(xiàn)方法是將機(jī)械、液壓、電子、控制等諸多不同學(xué)科領(lǐng)域的模型組裝，而后成為一個更大的、可以協(xié)同仿真的模型［5］。模型是個層次概念，其中最高層次的模型對應(yīng)為整個物理系統(tǒng);最低層次的模型對應(yīng)為物理系統(tǒng)的底層零件;而其中間層次的模型對應(yīng)為物理系統(tǒng)的中間層次上的部件。在實際工程仿真過程中，多領(lǐng)域建?？赡苁菍⒉煌I(lǐng)域的模型組裝成為一個部件模型，也可能是將不同領(lǐng)域的不同部件模型組裝成一個子系統(tǒng)模型，還可能是將不同領(lǐng)域的各種子系統(tǒng)模型組裝成為一個完整的系統(tǒng)模型。

多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模的方法經(jīng)歷了基于接口的方法［6］，高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)方法［7］和基于方程的方法［8］。

1)基于接口的方法

2)HLA方法

如同CAD系統(tǒng)之間的中性文件接口方法相似，HLA方法將每個參與協(xié)同仿真的軟件工具封裝一個標(biāo)準(zhǔn)的接口，這些標(biāo)準(zhǔn)接口之間可以直接與系統(tǒng)總控接口連接形成星型結(jié)構(gòu)。HLA用來實現(xiàn)某種特定仿真目的的仿真系統(tǒng)被稱之為聯(lián)盟(Federation)。聯(lián)盟由3部分組成，一是聯(lián)盟對象模型;二是若干聯(lián)盟成員，它可以是真實實體仿真系統(tǒng)、構(gòu)造或虛擬仿真系統(tǒng)和一些輔助性的仿真應(yīng)用，如聯(lián)盟運(yùn)行管理控制器、數(shù)據(jù)收集器等;三是運(yùn)行時間支撐系統(tǒng)RTI(Run－Time Infrastructure)。根據(jù)HLA規(guī)則，聯(lián)盟成員之間的數(shù)據(jù)通信必須要通過RTI來實現(xiàn)，RTI為處理聯(lián)盟運(yùn)行時成員間的互操作提供了一系列服務(wù)和管理聯(lián)盟的運(yùn)行。在這種結(jié)構(gòu)中，RTI從某種意義上來說是一種“軟總線”，在聯(lián)盟運(yùn)行過程中，聯(lián)盟成員可以隨時“插入”。

3)基于方程的方法

對于上述2種多領(lǐng)域建模方法，建模者首先要利用不同領(lǐng)域商用仿真軟件進(jìn)行該領(lǐng)域組件的建模，獲得相應(yīng)模型;再建立各個軟件之間的接口或者封裝符合HLA的標(biāo)準(zhǔn)接口。這2種方法需要得到不同領(lǐng)域商用仿真工具的合作，并且強(qiáng)行割裂了不同領(lǐng)域之間子系統(tǒng)的相互耦合關(guān)系，其實是一種子系統(tǒng)層次上的集成，而且實現(xiàn)起來頗為困難。另外，這些方法需要針對不同的仿真應(yīng)用配置模型接口、編寫集成代碼，多個求解器步長協(xié)調(diào)存在技術(shù)問題。因此，20世紀(jì)70年代末又出現(xiàn)了基于方程的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模方法。該方法根據(jù)各個物理系統(tǒng)的原理，建立不同領(lǐng)域組件的物理本構(gòu)方程(微分代數(shù))。不同領(lǐng)域之間基于能量守恒原理實現(xiàn)連接，各個接口之間遵循廣義基爾霍夫定律(即接口處的勢變量相等，流變量之和為0)。多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真則是將多領(lǐng)域模型平坦化為大規(guī)模的微分代數(shù)方程(DAE)組，進(jìn)而對該DAE進(jìn)行求解。因此，在數(shù)學(xué)上多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真問題是DAE方程求解問題。

目前有代表性基于方程的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真工具可以歸納為如下3類：

①無語言建模環(huán)境的多領(lǐng)域建模仿真工具，如SimulationX［9］，MapleSim［10］，AMESim［11］等。

這些工具都支持多工程領(lǐng)域設(shè)計建模，提供直觀的拖放式建模手段，配備各個領(lǐng)域的常用模型庫，并可對建立的合理正確的多領(lǐng)域模型的方程系統(tǒng)進(jìn)行自動平坦化和仿真代碼生成，實現(xiàn)模型的仿真求解。雖然這些工具目前都兼容Modelica語言［12］，但這種無語言建模環(huán)境支持的多領(lǐng)域建模仿真工具難以實現(xiàn)自定義的元件定義，因而其應(yīng)用受到限制。

②基于Simscape語言的多物理系統(tǒng)建模模塊Matlab/Simscape

Matlab/Simscape［13］是近年來推出的基于統(tǒng)一建模語言Simscape的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模工具。由于它與Matlab/Simulink的無縫集成，借助Matlab強(qiáng)大的計算能力，因而具有很好的應(yīng)用基礎(chǔ)和前景。但是，就目前的發(fā)展?fàn)顩r看，Matlab/Simscape相對于基于Modelica的仿真平臺來說存在系統(tǒng)開放性差、建模功能較弱、可用的公開庫少、后處理功能有限、沒有支持的系統(tǒng)，以及模塊的獨(dú)立性差等不足［5］。

③ 基于 Modelica的多領(lǐng)域建模工具，如Dymola，MathModelica和國產(chǎn)軟件MWorks等

公路橋梁養(yǎng)護(hù)作為一項兼具科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性的工作，要求其工作人員具備較高的職業(yè)素養(yǎng)。首先，有關(guān)部門在公路橋梁工作人員的招聘方面要將更多的關(guān)注點(diǎn)放在工作人員的道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)水平與職業(yè)素養(yǎng)的提升方面，在對員工進(jìn)行招聘后還要定期對公路橋梁養(yǎng)護(hù)的工作人員進(jìn)行道路養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化流程的相關(guān)知識培訓(xùn)，不斷提高工作人員的職業(yè)素養(yǎng)與技術(shù)水平；其次，有關(guān)企業(yè)還要定期對員工進(jìn)行職業(yè)素養(yǎng)的培訓(xùn)，通過宣傳力度的加強(qiáng)來使員工意識到公路橋梁養(yǎng)護(hù)的重要性，以此為基礎(chǔ)增強(qiáng)自身工作的責(zé)任感與使命感，進(jìn)而深度挖掘員工公路橋梁養(yǎng)護(hù)的工作潛力[6]。

Modelica語言由Dymola語言演變而來，傳承了諸多面向?qū)ο蠛突诜匠痰奈锢斫ＵZ言的優(yōu)點(diǎn)，如 ASCEND，ALLEN，gPROMS，NMF，ObjectMath，Omola，Smile以及U.L.M等，事實上已經(jīng)成為物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)語言?；贛odelica語言的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模方法徹底實現(xiàn)了不同領(lǐng)域模型的無縫集成，可以為任何能用微分方程或代數(shù)方程描述的問題實現(xiàn)建模和仿真，因而能實現(xiàn)完全意義上的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模。其實質(zhì)就是基于數(shù)學(xué)方程，采用Modelica語言描述不同領(lǐng)域子系統(tǒng)的物理規(guī)律和現(xiàn)象;基于組件連接機(jī)制，根據(jù)物理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)模型構(gòu)成及多領(lǐng)域集成，通過求解微分代數(shù)方程系統(tǒng)實現(xiàn)仿真運(yùn)行。基于Modelica語言的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模方法的主要優(yōu)點(diǎn)包括建模方便、模型重用性高、無需符號處理、開放的模型庫和建模與仿真相對獨(dú)立。正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，該方法已在電力系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)械多體系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)、汽車與電動汽車、熱動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、硬件在環(huán)仿真和離散事件系統(tǒng)等系統(tǒng)或過程的仿真分析中得到了廣泛應(yīng)用。

2 基于Modelica的管路系統(tǒng)建模與仿真的應(yīng)用現(xiàn)狀

Modelica發(fā)展以來，在流體領(lǐng)域已出現(xiàn)幾個典型的模型庫，例如 ThermoFluid［14］，QSSFluidFlow［15］等，其中ThermoFluid模型庫覆蓋較為全面，應(yīng)用最為廣泛，后發(fā)展為Fluid與Media模型庫出現(xiàn)在開放的Modelica標(biāo)準(zhǔn)模型庫中，其中Fluid庫包含了流體中常用的管道、閥門、泵、傳感器、水箱等基礎(chǔ)的元件模型，Media庫提供了大量用于物性計算的可壓縮與不可壓縮物質(zhì)的媒介模型。二者結(jié)合可用于模擬可壓縮與不可壓縮的管道流。

基于該模型庫，國內(nèi)外進(jìn)行了眾多關(guān)于管路及關(guān)鍵部件的研究。F.Casella，M.Otter，K.等［16］展示了用于可壓縮與不可壓縮管路模擬的模型庫，該模型庫主要包含各類控制閥、管道、泵、壓降、接頭等模型，如圖1所示。同時該文獻(xiàn)也展示了一些應(yīng)用案例，圖2為飲用水泵壓系統(tǒng)模型：儲水箱入口與水源的高度差為50 m，儲水箱放置在離地面18 m高的基座上，userValve表示飲用水用戶的用水情況。利用4組水泵將飲用水從水源送入儲水箱，控制器根據(jù)水箱底部的壓力調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，使儲水箱內(nèi)的水面離水箱底的高度保持在2.5 m。

圖1 模型庫結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Modeling library

D.Simic等［17］研究了內(nèi)燃機(jī)冷卻循環(huán)中電動水泵的優(yōu)化問題。該循環(huán)系統(tǒng)包含了內(nèi)燃機(jī)、節(jié)溫器、散熱器、風(fēng)扇、管路、電池以及電動水泵等組件，如圖3所示。由電動水泵給冷卻液提供循環(huán)動力，冷卻液經(jīng)過發(fā)動機(jī)水套吸收熱量，流經(jīng)節(jié)溫器時，根據(jù)冷卻液溫度節(jié)溫器自動調(diào)整開度調(diào)節(jié)進(jìn)入散熱器的冷卻液流量，冷卻液被分成2股支路，一支進(jìn)入散熱器與風(fēng)扇壓入的空氣發(fā)生傳熱而冷卻，另一支經(jīng)旁通與冷卻后的冷卻液混合進(jìn)入水泵，完成一次冷卻循環(huán)。根據(jù)整個循環(huán)管路對電動水泵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并與實驗(見圖4)相對照，計算與實驗的結(jié)果比較吻合。

圖4 電動水泵試驗臺Fig.4 Test bench of the water pump

國內(nèi)有關(guān)液壓系統(tǒng)的多領(lǐng)域建模與仿真的研究主要集中在飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真［2］、硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的建模仿真［18］，以及工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)仿真等方面［19］。其中，文獻(xiàn)［2］在建立液壓能源系統(tǒng)元件動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，利用Dymola軟件實現(xiàn)液壓能源系統(tǒng)動態(tài)特性分析通用模型庫的構(gòu)建，并對某型飛機(jī)的液壓能源系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。從仿真結(jié)果可以得知，建立的模型符合實際系統(tǒng)的管路壓力和流量脈動特性，在模型中能獲得時域范圍內(nèi)系統(tǒng)任一點(diǎn)的流量壓力脈動情況。文獻(xiàn)［18］考慮輪胎硫化機(jī)液壓傳動系統(tǒng)顯著地表現(xiàn)出的連續(xù)和離散混合特性，將連續(xù)的動態(tài)方程嵌入Petri網(wǎng)中，引入混合系統(tǒng)的GHPN建模方法對輪胎硫化機(jī)液壓傳動控制系統(tǒng)建模;在Dymola仿真平臺上，使用Modelica語言中的混雜建模技術(shù)實現(xiàn)模型的仿真分析。文獻(xiàn)［19］則在MWorks平臺上對工程機(jī)械的挖掘機(jī)進(jìn)行機(jī)械、液壓、控制等多領(lǐng)域建模，實現(xiàn)工程機(jī)械在液壓系統(tǒng)作用下的運(yùn)動動力特性，并集成挖掘機(jī)的三維幾何模型，實現(xiàn)挖掘機(jī)在控制命令下的各部件運(yùn)動仿真。

3 基于多領(lǐng)域建模技術(shù)的管路系統(tǒng)分析的應(yīng)用趨勢

利用多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，管路系統(tǒng)的分析和設(shè)計將會得到更深層次的應(yīng)用拓展，也即多領(lǐng)域建模技術(shù)將會幫助解決管路系統(tǒng)設(shè)計中遇到的更深和更復(fù)雜的難題。目前可預(yù)見的應(yīng)用趨勢體現(xiàn)在如下幾個方面：

1)管路系統(tǒng)整體仿真分析

建立管路系統(tǒng)的完整的多領(lǐng)域模型，實現(xiàn)從管路系統(tǒng)的控制命令發(fā)送，到各控制閥門的動作，到液壓源的開關(guān)，到液壓在管路中的傳輸，乃至到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最終動作的仿真和分析。目前的管路系統(tǒng)建模與仿真往往是對整個系統(tǒng)的局部進(jìn)行建模和仿真，而其余的部分都采用輸入信號的方式來近似。例如，多數(shù)文獻(xiàn)都是對液壓管路的各個液壓源、控制閥以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，而對控制系統(tǒng)及其電子電路系統(tǒng)進(jìn)行了忽略;有的甚至對其執(zhí)行機(jī)構(gòu)也采用信號值進(jìn)行代替。

2)管路系統(tǒng)定點(diǎn)流體壓力脈動分析

實現(xiàn)管路系統(tǒng)中任意設(shè)定位置處的流體壓力波動情況進(jìn)行分析。目前，管路中的流體壓力脈動分析都只能對各種液壓元件的接口處進(jìn)行，而對于管路中的各點(diǎn)難以實現(xiàn)。

3)管路系統(tǒng)減振分析

通過配置流體減震器可以有效地削減回路中的壓力脈動，從而達(dá)到減震和降低噪聲的目的。然而，減震器的放置位置和數(shù)目如何確定，才能有效而合理地達(dá)到減震的目的?目前的方法都是根據(jù)經(jīng)驗，在多處放置減震器再通過大量的物理試驗來確定。顯然，采用多領(lǐng)域建模與仿真的方法可有效完成這種減震分析，并能大大減少物理試驗的次數(shù)。

4)管路系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

通過多領(lǐng)域仿真分析，利用多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化功能，以管路的脈動最大峰值最小為目標(biāo)，調(diào)整各種減震器的配置參數(shù)，液壓源的固有屬性參數(shù)，以及各控制閥的開關(guān)動作屬性參數(shù)，實現(xiàn)管路系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié)語

本文對基于Modelica的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)在管路系統(tǒng)中的應(yīng)用概況和趨勢進(jìn)行了研究和探討。分析了基于Modelica語言的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模與仿真技術(shù)的優(yōu)勢，綜述了基于Modelica的液壓管路系統(tǒng)建模與仿真的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了基于多領(lǐng)域建模技術(shù)的管路分析的應(yīng)用發(fā)展趨勢。

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Suzhou Tongyuan Software＆ Control Technology Co.，Ltd.Modeling and simulation of multi－domain physical systems MWorks［EB/OL］.http：//www.modelica－China.com/index.asp.

Application and development of the multi-domain unified modeling applied in pipe analysis

DONG Ren－yi，WU Chong－jian，ZHANG Jing－wei，PENG Wen－bo
(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Pipe analysis is occupying the more and more important position in the design of hydraulic(pneumatic)system，that contributing to not only the layout design of the equipments，but analysis of the pressure distribute and the pulse，in order to decrease the vibration，impact and noise in the hydraulic system.Multi－domain unified technology provides the new method to model and analyse the complex pipe coupling with mechanic，electricity，hydraulic and control.It also changlles the pipe analysis and design.This paper briefly introduces the multi－domain unified modeling technology based on Modelica，stress on the application in the pipe analysis by using multi－domain unified modeling based on Modelica，and provides the tend in the future development of the pipe analysis.

hydraulic system;pipe analysis;multi－domain unified modeling;Modelica

TH137.5

A

1672－7649(2012)07－0003－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.001

2011－11－17;

2011－12－13

董仁義(1979－)，男，工程師，研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計及制造。