淺談?dòng)?jì)算機(jī)輔助技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李景陽(yáng)

摘 要：液壓技術(shù)是現(xiàn)代裝備制造中一項(xiàng)重要技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)方式。介紹了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，分類論述了各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)軟件工具在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)；液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言：液壓技術(shù)是機(jī)械設(shè)備中發(fā)展最快的技術(shù)之一。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高和微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，液壓傳動(dòng)技術(shù)不僅作為傳動(dòng)的一種基本形式，而且還成為一種重要的控制手段，進(jìn)而形成了液壓傳動(dòng)和液壓控制系統(tǒng)，統(tǒng)稱液壓系統(tǒng)。

建國(guó)以來(lái)來(lái)特別是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的制造技術(shù)總體水平有了很大的提高，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然存在著很大差距，特別是液壓元件和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面與美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距甚遠(yuǎn)，已嚴(yán)重制約了我國(guó)機(jī)械設(shè)備業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的提高和綜合實(shí)力的增強(qiáng)。

由于比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于各類尤其是復(fù)雜液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和改進(jìn)過(guò)程中，目前國(guó)外很多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了適合液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CAD/CAE軟件，而我們國(guó)家在這方面還有很多空白。本文通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)和適合液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行介紹和分析，希望對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)代化起到一定的參考作用。

一、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

由于液壓系統(tǒng)采用流體（液壓油）作為介質(zhì)，所以不論是哪種液壓系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上都必須要考慮到以下因素：（1）油液易泄漏；（2）油液易受污染；（3）油液的體積彈性模量隨油溫和混入油中的空氣含量而變化。油液的黏度也隨油溫變化，因此油溫變化對(duì)系統(tǒng)的性能有很大影響；（4）液壓系統(tǒng)中的很多環(huán)節(jié)具有非線性特性，因此系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)較電氣系統(tǒng)復(fù)雜；（5）多學(xué)科領(lǐng)域：現(xiàn)代液壓系統(tǒng)往往包含液壓、機(jī)械、電氣、電磁和控制等多方面特征。

二、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

1950年在美國(guó)誕生了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了計(jì)算機(jī)輔助繪圖的時(shí)代，同時(shí)也開(kāi)創(chuàng)了多種形式的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)代。歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，目前計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已成為機(jī)械設(shè)計(jì)中不可缺少的一個(gè)組成部分。

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)作為工具，將計(jì)算機(jī)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試等過(guò)程的技術(shù)，輔助人們?cè)谔囟☉?yīng)用領(lǐng)域內(nèi)完成任務(wù)的理論、方法和技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大、應(yīng)用水平不斷提高，已經(jīng)由最初的單學(xué)科單領(lǐng)域發(fā)展為現(xiàn)在的多學(xué)科多領(lǐng)域系統(tǒng)，滿足了液壓系統(tǒng)的多學(xué)科多領(lǐng)域特性。

由于液壓系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能參數(shù)是壓力和流量，這兩個(gè)參數(shù)又是不可見(jiàn)的，再加上液壓系統(tǒng)特點(diǎn)，所以針對(duì)液壓系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)主要側(cè)重于液壓系統(tǒng)輸出輸入的整體特性，這一點(diǎn)與其他計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是不一樣的，比如AUTO

cad、pro/e、UG和solidworks等軟件主要側(cè)重于零件的可視性。

采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)具有降低成本、縮短設(shè)計(jì)周期等等優(yōu)點(diǎn)，很多人已經(jīng)進(jìn)行過(guò)論述，不再贅述。下面將介紹幾種常用的軟件，除了各自本身的特點(diǎn)外，都具有以下共性特征：（1）都基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，這是正確仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；（2）多學(xué)科領(lǐng)域特征，涵蓋液壓、機(jī)械、電子、電氣和電磁等多領(lǐng)域，并且來(lái)自不同物理領(lǐng)域的模型都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的；（3）為方便用戶很好的進(jìn)行設(shè)計(jì)，各軟件都建立了良好的圖形化的界面；（4）完善的結(jié)果后處理功能，強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真分析能力，可以建立各種復(fù)雜的系統(tǒng)模型，包含穩(wěn)態(tài)分析、線性系統(tǒng)分析、頻域響應(yīng)、根軌跡分析等完整的控制系統(tǒng)分析類型；（5）與其它

CAE軟件良好的集成能力，可以將不同CAE軟件所建立的模型集成并建立完整的虛擬樣機(jī)，擴(kuò)展功能。

（一）AMESim。（Advanced Modeling Environment for per

forming Simulation of engineering systems）為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)。用戶可以在這個(gè)單一平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，也可以在這個(gè)平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。該軟件考慮了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，包括液壓油的泄露、溫度變化的影響等各個(gè)方面。工程設(shè)計(jì)師完全可以應(yīng)用集成的一整套AMESim應(yīng)用庫(kù)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，而且所有的這些來(lái)自不同物理領(lǐng)域的模型都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。

（二）Easy5。MSC Easy5是一套面向控制系統(tǒng)和多學(xué)科動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真軟件，用于在產(chǎn)品的概念和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)階段快速地建立完整、可靠的功能虛擬樣機(jī)。

MSC Easy5誕生于波音公司，是由各學(xué)科領(lǐng)域富有經(jīng)驗(yàn)的工程師和數(shù)值計(jì)算專家根據(jù)實(shí)際的工程問(wèn)題和需求合作開(kāi)發(fā)的，經(jīng)過(guò)近30年的不斷積累和大量工程問(wèn)題的檢驗(yàn)，發(fā)展成為控制與多學(xué)科動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真分析工具，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、汽車、工程設(shè)備、重型機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。借助MSC

Easy5強(qiáng)大的專業(yè)應(yīng)用庫(kù)、精確的模型元件、性能卓越的求解器和豐富的分析手段，可以建立控制及多種學(xué)科領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，進(jìn)行有效的仿真評(píng)價(jià)，幫助用戶對(duì)各類系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)選定、功能評(píng)價(jià)、響應(yīng)分析或控制邏輯設(shè)計(jì)，從而減少物理樣機(jī)試制的風(fēng)險(xiǎn)。

（三）SimulationX。SimulationX 是一款分析評(píng)價(jià)技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各部件相互作用的權(quán)威軟件，是多學(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析的通用CAE工具，并具有強(qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)，這些元件庫(kù)包括：

1D力學(xué) 、3D多體系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、液力學(xué)、氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、電子學(xué)、電驅(qū)動(dòng)、磁學(xué)和控制。

（四）Automation Studio。瑞典從1977年開(kāi)始研制，歷時(shí)8年推出該液壓系統(tǒng)仿真軟件。該軟件的建模方法是元傳輸線法，源于特征法和傳輸線建模。這種方法特別適合并行計(jì)算，從而提高計(jì)算速度和實(shí)現(xiàn)分布計(jì)算功能。在傳輸線方法上增加了可變時(shí)間步長(zhǎng)法，解決系統(tǒng)的剛性和斷點(diǎn)問(wèn)題，與鍵合圖法（BOND

GRAPH）相比，鍵合圖法只能描述元件間的連接關(guān)系，不能反映元件間的因果關(guān)系，而傳輸線法能夠描述出元件間的因果關(guān)系。該軟件也擁有圖形建模功能，元件圖采用WMF圖元文件格式，新版本的軟件增加了WMF圖元文件編輯器。它的圖形建模功能較好，界面友好，編輯方便，效率很高，速度快；有系統(tǒng)連接時(shí)可合理性的判斷，對(duì)錯(cuò)誤的連接方式可以在一定程度上避免?？梢苑奖愕馗脑膱D形文件，實(shí)現(xiàn)元件圖的轉(zhuǎn)換。該軟件有圖形元件庫(kù)，元件庫(kù)元素可以動(dòng)態(tài)添加，用戶可以編輯軟件，設(shè)定元件圖形，連接用的油口，以及用于仿真計(jì)算的變量等。

（五）20-sim?；诤商mTwente大學(xué)控制工程系研發(fā)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)軟件20-sim，編制了卡爾曼濾波器和最優(yōu)狀態(tài)反饋模塊。在實(shí)例模型中，首先利用20-sim建立了控制系統(tǒng)圖標(biāo)化模型。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用了最優(yōu)狀態(tài)反饋控制和卡爾曼濾波器模塊，構(gòu)成了完整的LQG控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果理想的顯示了控制效果。由此可見(jiàn)，基于20-sim建模與仿真方法直觀簡(jiǎn)便，為控制系統(tǒng)的建模與仿真提供了新的思路。

（六）FluidSIM。軟件由德國(guó)Festo公司 Didactic 教學(xué)部門(mén)和Paderborn大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，是專門(mén)用于液壓與氣壓傳動(dòng)的教學(xué)軟件，F(xiàn)uidSIM軟件分兩個(gè)軟件，其中FluidSIM-H用于液壓傳動(dòng)教學(xué)，而FluidSIM-P用于氣壓傳動(dòng)教學(xué)。

另外，除了以上軟件，還有許多cae軟件帶有液壓模塊，如老版本adams2005里就有液壓模塊，也可以通過(guò)數(shù)學(xué)軟件建模，如matlab/simulink。

結(jié)論：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中起到的作用目共睹，由于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)具有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為制造業(yè)領(lǐng)域最主要的設(shè)計(jì)方式?？傊?，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已由點(diǎn)及面，應(yīng)用前景越來(lái)越好。

參考文獻(xiàn)：

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