AMESim&AMESet 仿真技術(shù)及其應(yīng)用

屈沖沖， 賀元成， 佘俗君

（1.四川理工學院，機械工程學院，四川 自貢643300；2.瀘州職業(yè)技術(shù)學院，四川 瀘州646000）

1 引 言

AMESim 是由法國Imagine 公司推出的一款多學科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺，它采用物理學、模塊化的理念，可用一平臺建立一套完整的對機械、機電系統(tǒng)進行建模、仿真、實物測試的解決方案。AMESim 建有多個專業(yè)應(yīng)用庫，如液壓庫、機械庫等，用戶通過選擇元件庫中所需元件連接起來建立系統(tǒng)，選擇子模型，確定參數(shù)進入仿真模式即可導(dǎo)出所需數(shù)據(jù)。

對于AMESim 高級用戶，使用AMESim 提供的獨立平臺AMESet 在各個領(lǐng)域如（液壓、機械等）擴展它的元件或者子模型，來完成特殊需求系統(tǒng)的建模與仿真。AMESet 是代表高級建模環(huán)境編輯工具，它的實質(zhì)為AMESim 的一個子模型編輯工具，即二次開發(fā)平臺。用戶可根據(jù)特殊需要開發(fā)和拓展模型，建立可以完全兼容AMESim 的元件模型，以完成仿真。它為用戶提供詳盡的圖形化用戶界面，可編輯元件庫中已有元件或者建立新元件來滿足功能需求。除此之外，AMESet 提供了一套標準代碼框架，用戶在特定位置輸入自己的計算代碼，元件即可導(dǎo)入AMESim 中使用。

2 AMESet 軟件的特征

AMESet 軟件歸納起來共有以下四種特征：

（1）添加或者去除一個元件庫。AMESim 提供的30個標準元件庫（如信號庫、機械庫等元件庫）是不可以直接添加元件的，用戶可以利用AMESet 新建元件庫，如針對某一領(lǐng)域建立mycategory 用來放置特殊功能元件，如果該庫不再使用，用戶可以移動或者刪除該庫。

（2）添加、編輯、去除元件庫中的元件子模型。利用AMESet，用戶使用元件設(shè)計器來設(shè)計元件，元件的設(shè)計過程是可視的。可以調(diào)用標準元件庫中的元件或者元件子模型來添加子模型，也可以直接繪制新元件。在該元件或者其子模型不再使用時，用戶可以移動或者刪除該元件或者子模型。

（3）創(chuàng)建元件子模型規(guī)范。每個子模型都需要特點的規(guī)范文件，AMESim 通過這些規(guī)范來判定元件的端口類型，端口類型的細節(jié)特征決定著與其關(guān)聯(lián)交換信息的元件的類型。AMESet 提供圖形化可視環(huán)境來幫助用戶設(shè)置內(nèi)部變量、外部變量、實時參數(shù)、文本參數(shù)等信息的細節(jié)，并且生成相關(guān)的規(guī)范，使其與標準元件庫中的元件子模型完全兼容并能夠相互交換數(shù)據(jù)。

（4）形成元件子模型的代碼框架。AMESet 的編譯語言為C 語言、Fortran。在用戶設(shè)置了各種參數(shù)、變量后，點擊generate submodel code 按鈕即可產(chǎn)生相應(yīng)的代碼，用戶在代碼區(qū)的6 個特定區(qū)域編寫相應(yīng)的算法和聲明，即可進行編譯。

3 齒輪齒條在編輯元件子模型中的應(yīng)用

首先打開AMESet，選擇齒輪齒條模型RACK00 子模型。RACK00 子模型的作用是將端口1 的線速度轉(zhuǎn)化為角速度，將端口2 的扭矩轉(zhuǎn)化為端口1 的力。如圖1，通過重新編輯RACK00 使其可以計算齒條的位移和齒輪的角度位置，并建立簡單系統(tǒng)模型進行測試，利用batch parameters工具進行批處理，驗證在不同參數(shù)下齒輪齒條機構(gòu)的輸出情況。

新的RACK00 子模型增加了兩個內(nèi)部變量和一個實時參數(shù)，分別是displacement of the rack（齒條的位移）、the angular position（角度位置量）、radius of the pinion（齒輪的半徑）。內(nèi)部變量參數(shù)設(shè)置如表1。

圖1 RACK00 子模型

表1 內(nèi)部變量設(shè)置表

其他變量由用戶根據(jù)實時工況中所用齒輪基本參數(shù)對RACK00 子模型進行設(shè)置，設(shè)置完成后，點擊按鈕generate submodel code 系統(tǒng)產(chǎn)生代碼，在Calculation Function Executable Statements 區(qū)域輸入代碼如下：

其中，x 是齒條的線性位移，radius 是齒輪的半徑，該函數(shù)對角度位置進行計算。保存、編譯、關(guān)閉AMESet 進入AMESim 更新category，使得新設(shè)計的元件子模型能夠被調(diào)用。

啟動AMESim利用圖2 系統(tǒng)測試新創(chuàng)建的齒輪齒條結(jié)構(gòu)。在本系統(tǒng)中，利用分段線性信號源輸出方波信號控制齒輪齒條的來回移動，由扭矩轉(zhuǎn)換器將方波信號轉(zhuǎn)化并傳遞扭矩。為了驗證齒輪的半徑和直齒輪壓力角的大小，分別對傳輸速度的影響，采用批處理的方式，分別以200mm、4°為步長，驗證其產(chǎn)生的影響。

在齒輪壓力角為標準壓力角20°時，選擇齒輪半徑最大為1000mm，以200mm 為步長進行批處理仿真，仿真過程為7 個分步，測試所得結(jié)果如圖3 所示，在0～2s 時間段內(nèi)，齒輪接受到扭矩轉(zhuǎn)換器由方波轉(zhuǎn)換過來的扭矩，物質(zhì)塊向右移動，速度逐漸達到最大值并逐漸減小，齒條向右移動到最右端，運動結(jié)束；在2～3s，齒條帶動物質(zhì)塊向左運動，在3s時達到最大值并逐漸減小，在4s 時速度減小為0，運動結(jié)束。相同扭矩下，齒輪半徑越大物質(zhì)塊移動的速度越慢。AMESim 可以為用戶在進行此類工程測試時提供設(shè)計借鑒。

圖2 齒輪齒條子模型測試系統(tǒng)

在齒輪半徑為200mm 不變時，測試直齒輪采用非標準壓力角時曲線的變化。以壓力角為28°時開始測試，4°為步長進行批處理測試。仿真結(jié)果顯示，各變量（點1 處的線速度等）均不受壓力角變化影響。輸出如圖4。

圖3 點1 處的線速度

圖4 點2 處的角度

4 結(jié) 語

以上元件在AMESet 中進行設(shè)計，并在AMESim 軟件中成功調(diào)用，證明了AMESet 軟件作為AMESim 的開放源代碼的成熟的二次開發(fā)平臺，對于提高工程機械的設(shè)計及優(yōu)化效率有著重要的意義。AMESet 可為用戶提供圖像可視化的設(shè)計模式，通過用戶定制創(chuàng)建的元件完全兼容AMESim，可與標準元件庫中的元件子模型連接進行仿真，使建模仿真過程更加符合系統(tǒng)真實性，增加仿真的可靠度和仿真結(jié)果的正確性。同時，該軟件也需要更加完善，對于普通用戶該軟件專業(yè)性太強，開發(fā)人員必須十分熟悉AME 系列軟件及其內(nèi)部代碼，這樣限制了工程人員用戶群的數(shù)量，AMESim 系列軟件需要繼續(xù)增加元件子模型的數(shù)量，使其更加用戶化。

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