常用的液压设计仿真软件

Mr.Evan

1　常用的液压仿真软件的特性
(1)AMESim液压仿真软件
   
    AMESim仿真软件应用广泛,不仅可以指导新产品的设计开发,建立现有产品的仿真模型并进行参数修改以对现有产品的性能进行改进,而且还可对故障进行仿真研究,即在修正后的模型上加上“异常”工作条件就可复现出故障现象,在操作上也非常简单方便, AMESim具备如下特点:
①图形化物理建模方式使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身的设计,建模的语言是工程技术语言,仿真模型的扩充或改变都是通过图形用户界面来进行,不需要编写任何程序代码。
②智能求解器能够根据用户所建模型的数学特性自动地在17种算法中选择最佳的积分算法,并在不同的仿真时刻根据系统的特点动态地切换积分算法和调整积分步长,以缩短仿真时间和提高仿真精度,而内嵌式数学不连续性处理工具有效地解决了数值仿真的“间断点”问题。
③仿真范围广,实现了多学科的机械、液压、气动、热、电和磁等领域的建模和仿真,且不同领域的模块之间可直接进行物理连接。
④基本元素理念确保用户用尽可能少的单元构建尽可能多的系统,这种理念的巨大优越性在于工程师只需要掌握较少的系统建模“字母”就可以建模,从而通过减少学习时间和避免数学建模来提高工作效率。
⑤AMESET为用户提供了一个标准化、规范化和图形化的二次开发平台,用户不仅可以直接调用AMESim中所有模型的原代码,而且还可以把用户自己的C或FORTRAIN代码模型以图形化模块的方式综合进AMESim软件包。
⑥保留了数学方程级、方块图级、基本元素级和元件级4个层次的建模方式,不同的用户可以据自己的特点和专长选择适合自己的建模方式或多种方式的综合使用。
⑦提供了线性化分析工具,模态分析工具,频谱分析工具,如快速傅里叶转换以及模型简化工具,以方便用户分析和优化自己的系统。
⑧具有动态仿真、稳态仿真、间断连续仿真以及批处理仿真多种仿真运行模式。

(2)Hopsan液压仿真软件

    Hopsan还可以对系统的一些行为进行优化,也可以用来进行离线参数评估,通过计算比较仿真结果和测量结果的差别,并且通过优化使之最小,在一定程度上实现了仿真与实验的连接。为了进行有效的仿真试验,该软件拥有强大的命令接口,这可以对参数变化研究进行系列的仿真,还有诸如频率分析等强大的后处理工具。同时,拥有Matlab软件的接口。

    Hopsan软件最重要的3个特点可归纳为
①动态的图形元件库和图形建模功能;
②优化方法用于对系统行为的优化和参数的离线评估;
③具有实时仿真和分布式计算功能。

    Hopsan系统的原理图,包括元件的微分和代数方程的数学模型描述、参数、仿真结果、其他产品信息等。实现这一功能的手段开始采用复杂的数据库技术,而不是以传统的难以管理的文件系统形式。

(3)EASY5液压仿真软件

    EASY5工程系统仿真和分析软件是美国波音公司的产品,它集中了波音公司在工程仿真方面25 a的经验,其中以液压仿真系统最为完备,它包含了70多种主要的液压原部件,涵盖了液压系统仿真的主要方面,是当今世界上主要的液压仿真软件。

    众所周知,在仿真中最困难的是系统的建模,即建造与真实系统对应的仿真模型。如果用通用的仿真软件如MATLAB或MATRIXx,无论是用图形化工具建模或编程语言建模,都要首先推导相应的数学公式。而EASY5的强大功能就是建立了一批对应真实物理部件的仿真模型,如:泵、马达、阀、管路、分流集流、液压油等等,用户只要如同组装真实的液压系统一样,把相应的部件图标从库里取出,设定参数,连接各个部件,就可以构造用户自己的液压系统。而不必关心具体部件背后的烦琐的数学模型,这些模型就算是对于最优秀的工程师来说,其推导也是相当麻烦的。因此EASY5的液压系统仿真软件非常适合工程人员使用。

    对于从事工程机械、汽车、飞机、船舶的设计工作,在液压系统的设计方面都可能遇到下面的问题:系统的某一瞬态或稳态时的流量、压力、温度;流体压缩性及管路的弯曲对系统的性能影响;系统压力和温度变化而造成流体黏度的变化对系统性能的影响;液压系统的效率;系统是否需要热交换器;水锤动态特性的峰值系统压力;液压油中混入的空气对系统性能的影响等EASY5软件都给予了很好的解答;EASY5对液压模型经过了大量工程实践的检验,集中了波音公司在液压系统方面的工程经验,其可信度非常高。EASY5软件作为一个工程分析的集成环境,不仅可以成功地用于液压系统的仿真,还可以应用到其他领域。

(4)SIMUL-ZD液压仿真软件

    SIMUL-ZD是浙江大学流体传动及控制实验室开发的面向物理模型的液压系统仿真软件包。用户用类似于液压专用术语的仿真语言,分层次地描述被仿真的液压系统;首先说明有哪些元件组成系统,它们之间的连接关系,再进一步描述哪些是模型库中已有的基本元件,它们的类别。哪些是用户自行设计部分,该部分的流量和力的类别。SIMUL-ZD按照用户写出的物理模型描述文件,借助模型库和数据库支持,自动生成仿真用的数学模型描述文件。SIMUL-ZD有良好的模型库和数据库,实现了数学模型的高级语言化,从而易于模型的进一步修改。但是它只能运行在DOS环境下,同时要求用户熟练掌握模型描述文件和中间各个文件的格式和含义,要求手工修改有严格格式要求的数据,从而降低了直观性、通用性和效率。

    ZJUSIM在SIMUL-ZD的基础上开发,使用WINDOW图形操作界面和基于节点容腔法的原理图建模方式,由绘图,数学模型生成,参数赋值,系统模型编译,仿真,结果输出,优化等各模块组成。其所有仿真和优化操作均可在图形界面下直接完成,不进行优化。计算时具体操作模块为:绘制原理图,生成模型文件,对应原理图修改元件参数,设定仿真参数(步长,变量初值等),编译系统模型为可执行文件并运行该文件,选择输出变量曲线。进行优化计算时,则在原理图上选择要优化的元件参数,设定参数变化范围,选择优化目标状态变量,设定目标函数和优化算法参数,然后进行优化计算,输出优化结果。
（5）Automation Studio是加拿大Famic有限公司开发的一款针对液压气动系统的设计仿真软件，并集成了电气控制、自动化系统、机械系统仿真，可以实现电液控制的动态仿真和其他软件的联合仿真，同时该软件集成了液压元件生产商的产品目录，使设计更方便快捷，仿真建模更准确。设计仿真功能可以用在系统搭建、验证、启动测试、系统维护、培训、销售和售后服务，软件在欧美市场取得了很大成功，用户包括世界大型知名总机厂和液压设备生产商，领域涵盖农机、工程机械、矿机、石油、汽车、军事和航空，现在正努力进入中国市场。该软件有五种语言：中文、英文、法文、德文和西班牙文，在140多个国家和地区销售。

Automation Studio是一款功能强大的计算机辅助设计工具，主要特点是设计快捷高效。首先，系统设计更加方便快捷，软件有标准图库和液压元件生产商产品目录图库，还可以自定义图库。其次，仿真速度远远超过其他仿真软件，仿真参数的设定范围完全实现了自定义，并且可以在动态仿真过程种更改液压系统参数，可以应用于系统的定量分析和系统优化，相比传统方法，缩短了设计成本和时间。在样机生产之前，可以进行系统的验证，降低设计生产成本。再次，系统设计仿真结果精确，由于液压元件生产商产品目录图库是根据厂商的参数进行建模，而且经过厂商的验证，所以系统建模难度大大降低，同时精度确得到了保障。液压元件生产商产品目录图库是根据用户的需求不断更新的，所以相当于Automation Studio的团队在协助您的团队建模。

2　液压仿真软件的发展方向

    纵观液压仿真技术的最新进展,结合液压领域的发展,液压仿真技术主要有几个发展方向:

(1)深入研究系统的建模和算法　模型是仿真的基础,建立正确的模型,能更深入、更真实反映系统的主要特征。因此应大力发展建模技术,力求为系统设计和分析提供准确的依据,使系统工作能更真实反映实际情况。同时,液压仿真软件的实际应用平台开始转向微机,这就对单机算法的改进提出了要求。
(2)最优化设计的研究　仿真软件的优化设计包括结构设计的最优化、参数最优化及性价比的最优化。用现代控制理论和人工智能专家库设计系统结构,并确定系统参数,缩短设计周期,达到最优的效果。
(3)实时仿真技术的研究　为了使仿真计算更直观、更具说服力,常常采用实时仿真。所谓实时仿真,包含2层含义:①仿真结果的表达采用动画技术;②在计算机屏幕上能“实时”地看到系统的动作。实时仿真对数据处理速度提出较高的要求,并通常需要一个三维实体造型器的支持。
(4)并行仿真技术的研究　由于数学模型因考虑多种因素而变得越来越复杂,而仿真结果的输出则希望越来越快,因此,仿真方法对数据处理速度提出很高的要求。多计算机或多CPU同时对同一问题进行仿真计算,是解决大量数据计算的有效途径,因而并行仿真方法应运而生,并行仿真环境可以借助计算机网络系统。

(5)人工智能和专家系统技术在液压仿真中的应用　专家系统是将专家的知识或经验进行搜集与整理形成知识库,再配合相应的推理机制和控制策略而构成的。近年来专家系统已经引起了液压仿真技术人员的重视,但在目前情况下建造专家系统还存在许多困难,主要是专家系统所需要的专家知识难以搜集。对于搜集到的知识目前也还没有一种公认的较好的方法进行表示,并且有些专家知识根本无法表达的。此外,建造专家系统的费用通常也是比较高的。

(6)多媒体技术　面向对象技术应用的液压仿真软件虽然已经实现了图形化界面,但对多媒体技术的支持还是很初步的。多媒体技术特别是多媒体动画技术在计算机领域已经比较成熟了,如果结合到仿真系统的实时动作和结果分析中,就可以动态直观地表示液压传动内容,大大克服其抽象复杂的缺点。