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基于AMESim /Matlab 的液压缓冲器仿真与优化

汪云峰, 谭宗柒
(三峡大学机械与材料学院, 湖北宜昌 443002)
 
摘  要: 通过对液压缓冲器工作原理的分析, 在AMESim 仿真环境下建立相应的液压缓冲器仿真模型, 对缓冲器节流槽孔口面积对缓冲性能的影响进行仿真研究, 并结合Matlab 强大的优化计算功能对其主要结构参数进行优化设计。
关键词: AMESim; Matlab; 液压缓冲器; 优化设计
中图分类号: TH137   文献标识码:A   文章编号: 1001 -3881 (2008) 3 -167 -2
作者简介: 汪云峰(1984—), 男, 湖北武汉人, 研究生, 从事流体传动与控制方面的研究。电话: 13997739536, E -mail: wangyunfeng2001@1631com 。
 
Simulation and Optimization of Hydraulic Shock Absorber Based on AMESim/Matlab
WANG Yunfeng, TAN Zongqi
(College of Mechanical &Material Engineering, China Three Gorges University, Yichang Hubei 443002, China)
 
Abstract: Through the analysis of the operating principle of hydraulic shock absorber, the simulating model under the environment of AMESim was built. The relation between the throttle orifice area and the shock absorbing capability was simulated. Themain parameters of the hydraulic shock absorber were optimized with the powerful optimizing calculation function of Matlab.
Keywords: AMESim; Matlab; Hydraulic shock absorber; Optimization design
 
0  前言
 
    液压缓冲器是一种利用流体流动的粘性阻尼作用, 转化机械能为压力能和热能, 用来延长冲击负荷的作用时间, 吸收并转化冲击负荷的能量的装置[1]。他的传统的设计方法是结合运动学、动力学与流体力学进行理论设计,然后引入可变因子进行仿真分析并与试验结果进行对比,最后进行性能的改进。这样一个设计过程周期较长,操作繁琐,对产品性能要求的多样化非常不利。考虑以上因素, 本文利用AMESim[2]的仿真环境建立液压缓冲器的仿真模型, 以此来对缓冲器的主要影响参数进行分析研究, 并联合Matlab 进行结构参数优化设计, 加快了其设计进程,提高了设计的成功率。
 
1  仿真环境
 
    AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems) 是法国IMAGINE公司开发的一套高级仿真软件。它是一个图形化的开发环境, 用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析。AMESim的特点是面向工程应用从而使其成为汽车、液压和航天航空等工业研发部门的理想仿真工具。仿真者完全可以用AMESim 的各种模型库来设计系统,从而可快速达到建模与仿真以及优化目标, 同时还提供了与Matlab 、ADAMS 等软件的接口, 可方便地与这些软件进行联合仿真。
 
    MATLABMATrix LABoratory 的缩写, 早期主要用于现代控制中复杂的矩阵、向量的各种运算。由于MATLAB 提供了强大的矩阵处理和绘图功能, 很多专家因此在自己擅长的领域用它编写了许多专门的MATLAB工具包(Toolbox),如控制系统工具包、系统辨识工具包、信号处理工具包。鲁棒控制工具包、最优化工具包等等。随着其应用领域的扩大,很多工程设计与分析软件都提供与其进行数据交换的接口, 以合理的利用各自的优势解决工程问题。
 
2 液压缓冲器模型的建立
 
    液压缓冲器的简化模型如图1 所示, 主要由缓冲活塞、节流轴芯、缸体以及复位弹簧k1 、k2等构成, 其缓冲的阻尼结构就是轴芯上所开的节流槽以及配合面形成的环形缝隙。在缓冲过程中, 空心的缓冲活塞与节流轴芯将缸体内腔分隔为高压腔p1 和低压腔p2 , 高压腔中的油液受到外载荷冲击形成的挤压力作用经过节流轴芯与活塞之间的节流孔与环形缝隙。由于油液的粘性与抗压性, 外载荷的机械能最终被转换为热能并耗散在空气中。
 
 
    按照图1所示的简化模型, 进行AMESim 中模型的等效如下:
(1) 将缓冲活塞简化为质量体与弹簧阻尼机构;
(2) 将可变节流槽等效为可变节流阀;
(3) 将环形缝隙等效为活塞与缸体间隙;
(4) 复位弹簧即线性弹簧。
 
 
    图2所示仿真模型中, 除以上等效模块外, 为了对仿真过程进行控制和进行优化设计, 仿真模型中加入了多个控制模块。其中两个速度传感器用于采集缓冲活塞的速度信号, 前一个传感器一方面设置仿真的强制停止点, 用于捕捉缓冲终了时刻, 从而不引入缓冲器的复位过程。另一方面经过积分获得位移信号, 再作为自变量得到预期的压力曲线,并与压力传感器的实际压力信号进行做差比较,最后将误差值进行最小二乘处理,将处理的结果数据作为优化设计目标函数。后一传感器的速度信号作为节流孔口开度控制函数的自变量,用于产生可变节流阀的调节信号,可以模拟节流孔的开度随缓冲位移的变化,直到缓冲速度为0
 
3 缓冲器对节流槽开度曲线的响应
 
    节流槽是影响缓冲器性能的主要要素, 本文所研究的缓冲器的节流槽是沿节流芯轴轴向延伸的, 采用三条节流槽, 它们在节流芯轴的外圆周上按120°平均分布。缓冲器的理想缓冲运动形式是等减速运动[3] , 即加速度恒定, 缓冲作用力也恒定, 这种情况下缓冲的有效行程最短, 缓冲器的吸能效率最高。因此, 在对缓冲器进行设计时一般把此理想状态作为已知条件, 然后希望求取节流孔口面积随缓冲位移的变化函数。但是, 随着节流孔口面积的改变, 节流孔的流量压差特性是变化的, 即流量系数Cq 是随孔口开度的变化而变化的, 这使得得到的节流孔口面积变化曲线是关于Cq 的函数, 是不确定的函数, 所以实际设计时假设Cq 为定值, 得到的也是近似的曲线。
 
 
    然而, 在AMESim 环境下, 其孔口模块对应的调节参数包含孔口的流动状态(层流或紊流) 和最大Cq 值, 将上面提到的Cq 随孔口开度变化而改变的因素考虑进去, 建立的模型更精确。图3、4 是不同开度曲线下的缓冲性能曲线。仿真工况: 冲击载荷质量M = 1 000kg, 速度v = 10m / s, 并预设缓冲位移S <1 000mm, 可得:
缓冲容量: W = 1/2 Mv2 = 50 000J
 
    图3、4所对应的节流孔直径控制函数为:
       f(x) = av 2+ bv + c
    式中: v为控制函数的自变量, 速度传感器的输出信号;a、b、c为控制函数的系数。
此处, 控制函数f1 ( x)f2 (x)的系数向量:
       (a1 ,b1 ,c1 ) = ( 0, 0.07, 0.3)
       (a2 ,b2 ,c2 ) = ( 0.005, 0.02, 0.3)
 
    从图3可以看出,在控制函数ƒ2(x)的作用下的到的节流孔直径随缓冲位移的变化曲线近似为一次曲线。对比之下,控制函数ƒ1(x)作用下的节流孔直径与缓冲位移的曲线近似为二次曲线。图4中,控制函数ƒ2(x)作用下的缓冲位移更短,并且高压腔的压力在高压区停留的时间较长,产生的缓冲力集中在高压区,缓冲效率高。对应于控制函数ƒ1(x),高压腔的压力只在缓冲初始出现一个峰值, 随后就是衰减的过程, 缓冲力较分散, 缓冲效率低。结合图3、4可知, 二次控制函数f2 ( x)作用下缓冲位移更短, 缓冲力更集中, 缓冲的效率更高。同时它所对应的节流孔直径变化曲线为一次曲线, 更有利于加工制造。
 
4 缓冲器主要结构参数优化
 
    从本文第3小节缓冲器对节流槽开度曲线的响应分析可以看出, 节流槽孔口面积的变化曲线直接决定着缓冲器性能的优劣。同时, 在缓冲器的设计中, 考虑到工作空间的限制, 必须将缓冲行程大小作为设计约束。所以, 要求在缓冲位移约束下合理匹配节流槽孔口面积的变化曲线, 以得到已知缓冲位移条件下的最优缓冲性能的缓冲器。
 
    如图2中缓冲器的仿真模型所示, 将活塞位移作为预期高压腔压力曲线的自变量, 得到的预期高压腔压力p(x)与实际压力p1 作差, 并将误差平方后对整个缓冲行程积分, 积分值就是目标函数的值。
    目标函数:
       Φ (x) = ∑[p1 -p(x) ]2 = [∫p1 -p(x) ]2dt
 
    以下运用Matlab 优化工具箱中多目标非线性优化函数fm inserch ( ) 求取目标函数最小值Φmin ( x) 。调用格式:
    [R, C] = fm insearch (Φ (x) , C0 )  
 
    其中:R为优化函数求出的最小目标函数值Φmin(x);C为优化结束后返回的最优参数值;C0为优化初始值。
 
    设置优化参数
    Cx=(K1,F10,K2,F20,a,b,c,d,D)
    其中:K1,K2为复位弹簧钢度;F10,F20为复位弹簧预压力;a,b,c为节流孔控制函数系数;d为最大节流孔径;D为缓冲活塞直径;取C0=[20,50,20,50,0.005,0.02,0.3,16,100],在AMESim运行环境下调用Matlab优化函数,经过几十分钟计算后得到优化值如下:
[R,C]=[5.3626,36.7023,51.8979,37.9339,39.8851,0.0041,0.0388,0.1495,11.5103,91.0351]
5 所示压力-位移曲线是对缓冲器主要参数进行优化前后的仿真曲线。从图中可见, 优化前缓冲位移远大于期望值, 而且缓冲压力仅有4MPa, 缓冲吸能效率很低。优化后缓冲压力与缓冲位移与期望值非常接近, 而且缓冲器的结构更小巧。优化前后目标函数Φ ( x) 的值分别为290.899 0 和5.362 6 。
 
 
5  结论
 
    通过对节流槽开度曲线与缓冲器响应特性的分析得知二次控制函数作用下的缓冲器性能较优, 在此基础上引入缓冲压力与缓冲位移约束, 通过Matlab AMESim 的接口进行优化, 得到了期望的缓冲性能。
 
参考文献
 
【1】于亚非. 缓冲器阻尼孔形式与缓冲特性[J].液压与气动, 1997 (2): 49 -511
【2】付永领, 祁晓野. AMESim 系统建模和仿真[M].北京: 北京航天航空大学出版社,2006.
【3】高殿荣, 赵永凯, 吴晓明. 高压液压缓冲装置设计[J].机械设计与制造, 1994 (2): 23 -25.
【4】飞思科技产品研发中心.MATLAB6.5辅助优化计算与设计[M].北京: 电子工业出版社, 2003.



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