AMESim在《汽車液壓與氣壓傳動》教學(xué)中的應(yīng)用探究

李曉鋒　吳耀宇

摘 要：針對《汽車液壓與氣壓傳動》這樣的應(yīng)用型課程，提出將在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的AMESim運用到具體的教學(xué)過程中。通過對比原理圖與AMESim軟件中搭建的仿真模型，演示軟件中“中控臺”與“動畫”的功能，分析仿真結(jié)果，得出軟件在教學(xué)過程中具有易用性、直觀性、參與性等特點。軟件強大的擴展性通過節(jié)流調(diào)速回路與挖掘機工作回路鮮明對比得以體現(xiàn)。AMESim在教學(xué)中的應(yīng)用可強化對知識理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，達到培養(yǎng)具有一定創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：AMESim 仿真 應(yīng)用研究 液壓與氣壓傳動

Application of AMESim in the Teaching of “Automotive Hydraulics and Pneumatic Transmission”

Li Xiaofeng，Wu Yaoyu

Abstract：Aiming at application-oriented courses such as "Automotive Hydraulics and Pneumatic Transmission"， it is proposed to apply AMESim， which is widely used in the engineering field， to the specific teaching process. By comparing the schematic diagram with the simulation model built in the AMESim software， demonstrating the functions of the "center console" and "animation" in the software， and analyzing the simulation results， it is concluded that the software is easy to use， intuitive， and participatory in the teaching process. The powerful expansibility of the software is reflected by the sharp contrast between the throttle speed control circuit and the excavator working circuit. The application of AMESim in teaching can strengthen the understanding of knowledge， stimulate interest in learning， and achieve the goal of cultivating applied talents with certain innovative capabilities.

Key words：AMESim， simulation， application research， hydraulic and pneumatic transmission

1 引言

自上世紀(jì)40年代發(fā)展以來，液壓與氣壓傳動技術(shù)在機械自動化進程中起到巨大的促進作用，隨著汽車工業(yè)不斷發(fā)展，其在汽車領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。作為定位應(yīng)用型本科院校中的車輛工程專業(yè)，如何能夠?qū)ⅰ镀囈簤号c氣壓傳動》課程融入到專業(yè)課程體系中，使學(xué)生在本門課程的學(xué)習(xí)過程中，將機械、電氣控制融入液壓傳動技術(shù)當(dāng)中。 該課程在傳統(tǒng)授課過程中，因涉及液壓元器件昂貴，實驗危險系數(shù)高，液壓油容易造成污染環(huán)境等原因，課程更多是通過教師對理論知識的講解、簡單液壓系統(tǒng)的演示、關(guān)鍵零部件的拆裝及簡單的實驗驗證等過程讓學(xué)生產(chǎn)生些許感性認知[1]，但這樣的授課過程中，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)新性與目的性。

出生于2000年以后的大學(xué)生，他們的成長正好伴隨著中國互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，2018年以來，網(wǎng)絡(luò)課程得到蓬勃發(fā)展，在今年新冠疫情的特殊時期，更加促使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)變成大學(xué)生獲取知識的重要途徑，如何有效引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性成為高等教育教學(xué)改革的重要研究課題。本文將AMESim仿真軟件運用到《汽車液壓世紀(jì)與氣壓傳動》的教學(xué)過程中，利用AMESim搭積木式的圖形化建模與可視化的結(jié)果顯示，使得該課程靜態(tài)的內(nèi)容動態(tài)化、抽象概念形象化;AMESim內(nèi)置車輛庫、信號庫、仿真庫等多領(lǐng)域庫模型可以與液壓庫有機融合，使學(xué)生能夠在軟件中多元化的思考該課程知識的運用。AMESim軟件目前在車輛、航空航天、船舶上都有著廣泛應(yīng)用，借助于該軟件學(xué)習(xí)，學(xué)生可以有效提高學(xué)習(xí)該課程內(nèi)容的深度，知識的進一步深入進而提高學(xué)生軟件的應(yīng)用能力，為后續(xù)進入社會工作準(zhǔn)備一項技能。

2 軟件簡介

LMS Imagine. Lab AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）中文名稱為多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺[2]，該仿真平臺上可以實現(xiàn)復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)建模，同時可進行便捷的仿真計算和深入分析。在車輛領(lǐng)域中，可以進行如液壓制動系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及各種工程車輛上的液壓系統(tǒng)仿真模型搭建。

AMESim經(jīng)過幾十年的更新迭代，目前已具備多種不同的類型庫，機械庫、仿真庫和信號控制庫為軟件的3個標(biāo)準(zhǔn)庫，液壓庫、氣動庫、IFP、車輛動力學(xué)等多種可選庫，液壓原件設(shè)計庫等一批開發(fā)設(shè)計庫。不同元件庫的類型滿足不同設(shè)計者的需求[3]。軟件使用簡單而又標(biāo)準(zhǔn)元件符號，幫助用戶快速搭建出常用的物理模型，無須編寫任何程序代碼;用戶也可以根據(jù)自己的實際需求，利用HCD模塊搭建出自己需要的物理模型。直觀的圖形界面仿真結(jié)果展示，讓用戶方便分析仿真結(jié)果。多物理場仿真模型創(chuàng)建和運行，對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，可完成分析復(fù)雜的系統(tǒng)特性。AMESim可與Simulink、Adams等軟件進行聯(lián)合仿真，軟件應(yīng)用范圍進一步擴大。

3 軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

仿真軟件在教學(xué)中想要得到廣泛運用，其必須滿足簡單易用、學(xué)習(xí)成本低、可擴展性好、可視化強等特點。本文通過課程中的兩個知識點來介紹AMESim軟件不同方式的可視化功能在教學(xué)中的應(yīng)用，①通過基本液壓回路-節(jié)流調(diào)速在AMESim軟件中模型搭建及仿真來介紹軟件的易用性。②通過復(fù)雜液壓回路-液壓挖掘機在AMESim軟件中的搭建及仿真介紹軟件的擴展性。

3.1 AMESim在基本液壓回路教學(xué)中的應(yīng)用

圖1是教材中第七章液壓基本回路課程中節(jié)流調(diào)速回路的工作原理圖[4]，從原理圖可以看出，該回路主要有定排量液壓泵、溢流閥、節(jié)流閥與液壓缸等組成，通過該回路學(xué)生可以學(xué)習(xí)節(jié)流調(diào)速回路中節(jié)流閥的變化引起液壓缸中流量、負載、速度等變化情況。圖2是根據(jù)圖1在AMESim軟件中建立的仿真模型，主要使用的庫有Hydraulic（液壓庫）、1D Mechanical（1維機械庫）、Signal Control（信號控制庫），通過兩圖對比可以發(fā)現(xiàn)，在該仿真軟件中搭建的模型與教材提供的原理圖基本一致，學(xué)生在模型搭建過程中根據(jù)工作原理圖將很容易通過圖形拼接搭建完成。但搭建模型仍需要學(xué)生進行思考的有如下三個方面：（1）液壓泵的驅(qū)動如何提供，本文用1維機械庫中的電機模型，電機的轉(zhuǎn)速通過信號控制庫中的恒定信號設(shè)置;（2）系統(tǒng)中的節(jié)流閥開度通過信號庫中的信號控制庫中的分段線性信號進行調(diào)節(jié);（3）液壓缸的負載通過1維機械庫中的質(zhì)量塊M和加載在負載塊上的負載力（負載力通過信號庫中的恒定信號設(shè)置）進行確定。

在AMESim軟件中完成模型搭建后，通過調(diào)節(jié)模型中的各種參數(shù)，可嘗試獲得各種理論假設(shè)結(jié)果。這種獲得方式可使學(xué)生在知識的探究過程中更具參與感，對結(jié)果的理解更加深刻，同時學(xué)生設(shè)計自主的仿真方案，按照自己的假設(shè)進行對應(yīng)的仿真研究，可大大提升對本課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣。應(yīng)用型本科院校車輛工程專業(yè)在該課程的課程標(biāo)準(zhǔn)中強調(diào)學(xué)生在理解原理的基礎(chǔ)上學(xué)生對對知識的運用，該仿真軟件能夠讓學(xué)生充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，將學(xué)習(xí)到的知識運用到實際具體的場景當(dāng)中，軟件的車輛模塊可使學(xué)生在將液壓知識在車輛中有更多的探索。

課程中為研究節(jié)流閥開度與液壓缸負載之間的關(guān)系，在軟件的批處理設(shè)定液壓缸的多個負載進行研究節(jié)流閥開度對液壓缸速度的影響、本文將負載設(shè)置為8000N、9000N、10000N、11000N及12000N（大于液壓缸的最大驅(qū)動力），節(jié)流閥開度從完全關(guān)閉到逐漸打開，通過兩個參數(shù)的變化進而研究節(jié)流閥開度在不同負載下的速度特性，仿真結(jié)果如圖3所示。在仿真結(jié)果曲線中，我們可以看出：①隨著負載的增大，液壓缸的在相同節(jié)流閥開度的情況下，速度更低;②在負載一定時（負載大于液壓缸的最大驅(qū)動負載外）、節(jié)流閥的開度與液壓缸的速度正相關(guān)。這兩個結(jié)論與教材中給出的負載與速度剛性之間的結(jié)論一致。在這個仿真模型中、還可以改變模型中液壓缸有效的工作面積與通過溢流閥調(diào)整液壓泵的最大供油壓力來觀察液壓泵的供油壓力分別對液壓缸的速度剛性的影響。

AMESim軟件提供的繪圖管理器可以幫助我們處理各種直接或間接的仿真數(shù)據(jù)、獲得需要的仿真結(jié)果，但在教學(xué)過程，直觀可視化的數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式更容易讓學(xué)生理解一些枯燥的概念。針對教學(xué)過程這一特點，新版AMESim軟件中提供的“中控臺”功能可以很好的幫助我們實現(xiàn)教學(xué)過程這個要求。如圖4所示，可以使用中控臺中的控制模塊的滑塊，關(guān)聯(lián)節(jié)流閥參數(shù)調(diào)整參數(shù)，直接調(diào)整節(jié)流閥的開度，觀察對應(yīng)的仿真結(jié)果;使用顯示模塊中的顯示部件，通過關(guān)聯(lián)對應(yīng)參數(shù)，即可在各種儀表中實時顯示液壓泵的轉(zhuǎn)速、液壓缸的移動速度及系統(tǒng)當(dāng)前的系統(tǒng)壓力情況。中控臺中便捷的參數(shù)控制與直觀的數(shù)據(jù)展示可進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 AMESim在綜合液壓回路教學(xué)中的應(yīng)用

在汽車典型液壓系統(tǒng)中授課過程中，液壓挖掘機的工作過程涉及到該課程的多個知識點，屬于該章節(jié)的重點學(xué)習(xí)部分。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，大部分院校都不具備讓學(xué)生在挖掘機上進行相關(guān)實驗的條件，學(xué)生只能通過任課教師的理論講解去了解其工作原理，學(xué)生參與感較差，對很多該部分涉及的知識點理解較為淺顯。

AMESim軟件提供強大的動畫功能，如圖5所示為在仿真軟件的動畫模塊下建立的液壓挖掘機的三位模型，該模型可真實直觀的展示液壓挖掘機破土、裝土、提升回轉(zhuǎn)、卸土[5]、返回第二次挖掘的過程，學(xué)生可以通過軟件提供的幫助文件中的這個仿真模型，直接仿真可以觀察挖掘機的整個工作過程，在該動畫模型的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以結(jié)合《機械原理》《機械制圖》《機械控制基礎(chǔ)》等前序課程的知識，對此模型進行優(yōu)化改進。迭代的學(xué)習(xí)過程不僅可讓學(xué)生充分認識到專業(yè)基礎(chǔ)課程的重要性，同時還能讓學(xué)生感受到多學(xué)科交叉融合學(xué)習(xí)的成就感，提升對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)動力。

軟件中搭建的液壓挖掘機仿真該模型可使用三維機械庫、液壓庫、動力驅(qū)動庫、信號控制庫進行搭建。仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與動畫模塊中液壓挖掘機模型進行實時數(shù)據(jù)交互，在數(shù)據(jù)驅(qū)動下的挖掘機模型直觀的展示挖掘機的工作狀態(tài)，有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;在仿真模型中可進行便捷的模型修改與參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)學(xué)生千人千面的學(xué)習(xí)效果，為學(xué)生提供主動創(chuàng)新的虛擬仿真實驗平臺。

4 結(jié)語

本文通過將AMESim 仿真軟件引入到《汽車液壓與氣壓傳動》課程中，實現(xiàn)本門課程理論與實驗教學(xué)過程的創(chuàng)新。在理論教學(xué)方面、教學(xué)過程更加生動形象，學(xué)生可以有更強的參與感，幫助學(xué)生能夠更好地去理解教材中抽象的理論知識;在實驗教學(xué)方面，不僅有效彌補液壓課程實驗條件的限制，而且學(xué)生可以通過軟件設(shè)計驗證更多創(chuàng)新型實驗，真正做到以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。

AMESim仿真軟件在車輛、液壓等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，同時和其它軟件之間有著較為豐富的接口，學(xué)生在使用軟件進行課程知識學(xué)習(xí)的過程中，可以將其它課程中學(xué)習(xí)的成果（如Adams中的運動模型、Simulink中的控制模型）與本課程內(nèi)容（液壓模型）結(jié)合起來，實現(xiàn)課程間的成果相互融合，互為迭代。仿真軟件的使用和練習(xí)還可以為對后續(xù)專業(yè)課程中汽車制動、懸架、轉(zhuǎn)向、自動變速箱等涉及液壓部分的計算機輔助設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

基金項目：鄭州工程技術(shù)學(xué)院重點教學(xué)改革項目《基于創(chuàng)新、應(yīng)用型人才培養(yǎng)的液壓與氣壓傳動課程教學(xué)改革研究與實踐》項目編號：ZGJG2019008A。

參考文獻：

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[4]齊曉杰.汽車液壓與氣壓傳動（第三版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2019.

[5]孫治國.與氣壓傳動課程數(shù)字化教學(xué)改革與實踐[J].內(nèi)燃機與配件，2018，23：250-251.