多領域統一建模技術在管路分析中的應用與發展

董仁義，吳崇健，張京偉，彭文波

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

多領域統一建模技術在管路分析中的應用與發展

董仁義，吳崇健，張京偉，彭文波

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

管路分析在液壓(或氣動)傳動系統設計中占有越來越重要的位置，不但有助于液壓系統中各元件的布置設計，還可以對管路中的壓力分布和脈動進行分析，從而為減少液壓系統中的振動、沖擊和噪聲。多領域統一建模技術為復雜管路的機、電、液、控耦合系統建模與分析提供了新方法，也為管路分析與設計提出了新挑戰。本文首先對基于Modelica語言的多領域統一建模技術進行簡述，重點綜述了基于Modelica語言的多領域統一建模技術在管路分析中的應用概況，在此基礎上給出了管路分析的未來發展趨勢。

液壓系統;管路分析;多領域統一建模;Modelica

0 引言

復雜管路系統一般由能源系統、管路傳輸與控制系統和執行系統［1］3個部分組成，是典型的機、電、液、控等多領域混合系統。對于液壓系統，其能源系統多采用恒壓力變量泵，輸出的液體流量都具有波動性或脈動性［2］。這種脈動性流量作用于管路阻抗產生壓力波動，強迫流體管道產生周期性振動，同時使管道支撐結構產生振動。另外，管路傳輸與控制系統的各種動作閥門，由于其改變流體的方向或速度，在慣性作用下，也會產生明顯的瞬態振動。通過仿真實驗可知，其壓力最大超調量可能是其穩態值的3～5倍［3］。

管路中的這種壓力脈動引起的支撐機械結構強迫振動，不僅使整個系統產生大分貝的噪聲，更有可能導致作為執行機構的機械系統動作不合乎要求。另外，強迫振動會導致管路和支撐間的微動磨損，造成管路支撐的剛度下降，因此管道的固有頻率也會降低，當管道頻率與流體的壓力脈動頻率相接近甚至重合時，管路系統就會產生流固耦合振動，直接影響整個液壓系統的性能，進一步會降低系統中元器件的使用壽命，更加嚴重的會使整個液壓系統功能失效［3］。

因此，有必要對管路系統中的壓力脈動產生和傳播機理進行研究，并且分析系統中不同元件、外界負載對系統動態特性影響，最終得到壓力流量脈動的抑制措施。傳統的管路分析手段通常是采用經驗公式計算，或者采用專門的液壓(氣動)系統分析工具，這種方法屬于單領域分析方法，難以實現各種動作閥的電控作用效果分析，以及支撐結構和執行機械的運動和動力分析。近年來出現的多領域物理系統建模與仿真技術，為管路系統的建模與仿真提供了新方法。借助多領域建模與仿真工具，可以方便實現管路系統各不同領域的子系統在一個統一的環境下建模，并分析各個系統之間的耦合作用，從而準確地分析管路系統中的流體脈動及其傳播。

本文首先對目前多領域物理系統統一建模技術進行介紹，重點闡述基于Modelica語言的多領域統一建模技術;接著綜述和分析基于Modelica的多領域建模方法在管路系統分析中的應用概況;最后指出基于多領域建模技術的管路分析的發展趨勢。

1 多領域物理系統統一建模與仿真技術

多領域物理系統(簡稱多領域系統)是指在一個集成環境中，通過對各個不同領域的組件建模而形成的耦合系統［4］。

多領域物理系統統一建模的實現方法是將機械、液壓、電子、控制等諸多不同學科領域的模型組裝，而后成為一個更大的、可以協同仿真的模型［5］。模型是個層次概念，其中最高層次的模型對應為整個物理系統;最低層次的模型對應為物理系統的底層零件;而其中間層次的模型對應為物理系統的中間層次上的部件。在實際工程仿真過程中，多領域建模可能是將不同領域的模型組裝成為一個部件模型，也可能是將不同領域的不同部件模型組裝成一個子系統模型，還可能是將不同領域的各種子系統模型組裝成為一個完整的系統模型。

多領域物理系統建模的方法經歷了基于接口的方法［6］，高層體系結構(HLA)方法［7］和基于方程的方法［8］。

1)基于接口的方法

2)HLA方法

如同CAD系統之間的中性文件接口方法相似，HLA方法將每個參與協同仿真的軟件工具封裝一個標準的接口，這些標準接口之間可以直接與系統總控接口連接形成星型結構。HLA用來實現某種特定仿真目的的仿真系統被稱之為聯盟(Federation)。聯盟由3部分組成，一是聯盟對象模型;二是若干聯盟成員，它可以是真實實體仿真系統、構造或虛擬仿真系統和一些輔助性的仿真應用，如聯盟運行管理控制器、數據收集器等;三是運行時間支撐系統RTI(Run－Time Infrastructure)。根據HLA規則，聯盟成員之間的數據通信必須要通過RTI來實現，RTI為處理聯盟運行時成員間的互操作提供了一系列服務和管理聯盟的運行。在這種結構中，RTI從某種意義上來說是一種“軟總線”，在聯盟運行過程中，聯盟成員可以隨時“插入”。

3)基于方程的方法

對于上述2種多領域建模方法，建模者首先要利用不同領域商用仿真軟件進行該領域組件的建模，獲得相應模型;再建立各個軟件之間的接口或者封裝符合HLA的標準接口。這2種方法需要得到不同領域商用仿真工具的合作，并且強行割裂了不同領域之間子系統的相互耦合關系，其實是一種子系統層次上的集成，而且實現起來頗為困難。另外，這些方法需要針對不同的仿真應用配置模型接口、編寫集成代碼，多個求解器步長協調存在技術問題。因此，20世紀70年代末又出現了基于方程的多領域統一建模方法。該方法根據各個物理系統的原理，建立不同領域組件的物理本構方程(微分代數)。不同領域之間基于能量守恒原理實現連接，各個接口之間遵循廣義基爾霍夫定律(即接口處的勢變量相等，流變量之和為0)。多領域物理系統仿真則是將多領域模型平坦化為大規模的微分代數方程(DAE)組，進而對該DAE進行求解。因此，在數學上多領域物理系統仿真問題是DAE方程求解問題。

目前有代表性基于方程的多領域物理系統建模與仿真工具可以歸納為如下3類：

①無語言建模環境的多領域建模仿真工具，如SimulationX［9］，MapleSim［10］，AMESim［11］等。

這些工具都支持多工程領域設計建模，提供直觀的拖放式建模手段，配備各個領域的常用模型庫，并可對建立的合理正確的多領域模型的方程系統進行自動平坦化和仿真代碼生成，實現模型的仿真求解。雖然這些工具目前都兼容Modelica語言［12］，但這種無語言建模環境支持的多領域建模仿真工具難以實現自定義的元件定義，因而其應用受到限制。

②基于Simscape語言的多物理系統建模模塊Matlab/Simscape

Matlab/Simscape［13］是近年來推出的基于統一建模語言Simscape的多領域物理系統建模工具。由于它與Matlab/Simulink的無縫集成，借助Matlab強大的計算能力，因而具有很好的應用基礎和前景。但是，就目前的發展狀況看，Matlab/Simscape相對于基于Modelica的仿真平臺來說存在系統開放性差、建模功能較弱、可用的公開庫少、后處理功能有限、沒有支持的系統，以及模塊的獨立性差等不足［5］。

③ 基于 Modelica的多領域建模工具，如Dymola，MathModelica和國產軟件MWorks等

公路橋梁養護作為一項兼具科學性與嚴謹性的工作，要求其工作人員具備較高的職業素養。首先，有關部門在公路橋梁工作人員的招聘方面要將更多的關注點放在工作人員的道路養護技術水平與職業素養的提升方面，在對員工進行招聘后還要定期對公路橋梁養護的工作人員進行道路養護標準化流程的相關知識培訓，不斷提高工作人員的職業素養與技術水平；其次，有關企業還要定期對員工進行職業素養的培訓，通過宣傳力度的加強來使員工意識到公路橋梁養護的重要性，以此為基礎增強自身工作的責任感與使命感，進而深度挖掘員工公路橋梁養護的工作潛力[6]。

Modelica語言由Dymola語言演變而來，傳承了諸多面向對象和基于方程的物理建模語言的優點，如 ASCEND，ALLEN，gPROMS，NMF，ObjectMath，Omola，Smile以及U.L.M等，事實上已經成為物理系統統一建模標準語言?；贛odelica語言的多領域物理系統建模方法徹底實現了不同領域模型的無縫集成，可以為任何能用微分方程或代數方程描述的問題實現建模和仿真，因而能實現完全意義上的多領域統一建模。其實質就是基于數學方程，采用Modelica語言描述不同領域子系統的物理規律和現象;基于組件連接機制，根據物理系統的拓撲結構實現模型構成及多領域集成，通過求解微分代數方程系統實現仿真運行?；贛odelica語言的多領域物理系統建模方法的主要優點包括建模方便、模型重用性高、無需符號處理、開放的模型庫和建模與仿真相對獨立。正是基于這些優點，該方法已在電力系統、機電系統、機械多體系統、化學系統、汽車與電動汽車、熱動力系統、液壓系統、硬件在環仿真和離散事件系統等系統或過程的仿真分析中得到了廣泛應用。

2 基于Modelica的管路系統建模與仿真的應用現狀

Modelica發展以來，在流體領域已出現幾個典型的模型庫，例如 ThermoFluid［14］，QSSFluidFlow［15］等，其中ThermoFluid模型庫覆蓋較為全面，應用最為廣泛，后發展為Fluid與Media模型庫出現在開放的Modelica標準模型庫中，其中Fluid庫包含了流體中常用的管道、閥門、泵、傳感器、水箱等基礎的元件模型，Media庫提供了大量用于物性計算的可壓縮與不可壓縮物質的媒介模型。二者結合可用于模擬可壓縮與不可壓縮的管道流。

基于該模型庫，國內外進行了眾多關于管路及關鍵部件的研究。F.Casella，M.Otter，K.等［16］展示了用于可壓縮與不可壓縮管路模擬的模型庫，該模型庫主要包含各類控制閥、管道、泵、壓降、接頭等模型，如圖1所示。同時該文獻也展示了一些應用案例，圖2為飲用水泵壓系統模型：儲水箱入口與水源的高度差為50 m，儲水箱放置在離地面18 m高的基座上，userValve表示飲用水用戶的用水情況。利用4組水泵將飲用水從水源送入儲水箱，控制器根據水箱底部的壓力調節水泵的轉速，使儲水箱內的水面離水箱底的高度保持在2.5 m。

圖1 模型庫結構圖Fig.1 Modeling library

D.Simic等［17］研究了內燃機冷卻循環中電動水泵的優化問題。該循環系統包含了內燃機、節溫器、散熱器、風扇、管路、電池以及電動水泵等組件，如圖3所示。由電動水泵給冷卻液提供循環動力，冷卻液經過發動機水套吸收熱量，流經節溫器時，根據冷卻液溫度節溫器自動調整開度調節進入散熱器的冷卻液流量，冷卻液被分成2股支路，一支進入散熱器與風扇壓入的空氣發生傳熱而冷卻，另一支經旁通與冷卻后的冷卻液混合進入水泵，完成一次冷卻循環。根據整個循環管路對電動水泵進行了優化設計，并與實驗(見圖4)相對照，計算與實驗的結果比較吻合。

圖4 電動水泵試驗臺Fig.4 Test bench of the water pump

國內有關液壓系統的多領域建模與仿真的研究主要集中在飛機液壓能源系統的動態特性仿真［2］、硫化機液壓系統的建模仿真［18］，以及工程機械的液壓系統仿真等方面［19］。其中，文獻［2］在建立液壓能源系統元件動態數學模型基礎之上，利用Dymola軟件實現液壓能源系統動態特性分析通用模型庫的構建，并對某型飛機的液壓能源系統進行建模和仿真。從仿真結果可以得知，建立的模型符合實際系統的管路壓力和流量脈動特性，在模型中能獲得時域范圍內系統任一點的流量壓力脈動情況。文獻［18］考慮輪胎硫化機液壓傳動系統顯著地表現出的連續和離散混合特性，將連續的動態方程嵌入Petri網中，引入混合系統的GHPN建模方法對輪胎硫化機液壓傳動控制系統建模;在Dymola仿真平臺上，使用Modelica語言中的混雜建模技術實現模型的仿真分析。文獻［19］則在MWorks平臺上對工程機械的挖掘機進行機械、液壓、控制等多領域建模，實現工程機械在液壓系統作用下的運動動力特性，并集成挖掘機的三維幾何模型，實現挖掘機在控制命令下的各部件運動仿真。

3 基于多領域建模技術的管路系統分析的應用趨勢

利用多領域物理系統建模與仿真技術，管路系統的分析和設計將會得到更深層次的應用拓展，也即多領域建模技術將會幫助解決管路系統設計中遇到的更深和更復雜的難題。目前可預見的應用趨勢體現在如下幾個方面：

1)管路系統整體仿真分析

建立管路系統的完整的多領域模型，實現從管路系統的控制命令發送，到各控制閥門的動作，到液壓源的開關，到液壓在管路中的傳輸，乃至到執行機構的最終動作的仿真和分析。目前的管路系統建模與仿真往往是對整個系統的局部進行建模和仿真，而其余的部分都采用輸入信號的方式來近似。例如，多數文獻都是對液壓管路的各個液壓源、控制閥以及執行機構進行仿真，而對控制系統及其電子電路系統進行了忽略;有的甚至對其執行機構也采用信號值進行代替。

2)管路系統定點流體壓力脈動分析

實現管路系統中任意設定位置處的流體壓力波動情況進行分析。目前，管路中的流體壓力脈動分析都只能對各種液壓元件的接口處進行，而對于管路中的各點難以實現。

3)管路系統減振分析

通過配置流體減震器可以有效地削減回路中的壓力脈動，從而達到減震和降低噪聲的目的。然而，減震器的放置位置和數目如何確定，才能有效而合理地達到減震的目的?目前的方法都是根據經驗，在多處放置減震器再通過大量的物理試驗來確定。顯然，采用多領域建模與仿真的方法可有效完成這種減震分析，并能大大減少物理試驗的次數。

4)管路系統優化設計

通過多領域仿真分析，利用多領域物理系統的仿真優化功能，以管路的脈動最大峰值最小為目標，調整各種減震器的配置參數，液壓源的固有屬性參數，以及各控制閥的開關動作屬性參數，實現管路系統的優化設計。

4 結語

本文對基于Modelica的多領域統一建模技術在管路系統中的應用概況和趨勢進行了研究和探討。分析了基于Modelica語言的多領域物理系統統一建模與仿真技術的優勢，綜述了基于Modelica的液壓管路系統建模與仿真的應用現狀，指出了基于多領域建模技術的管路分析的應用發展趨勢。

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Application and development of the multi-domain unified modeling applied in pipe analysis

DONG Ren－yi，WU Chong－jian，ZHANG Jing－wei，PENG Wen－bo
(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Pipe analysis is occupying the more and more important position in the design of hydraulic(pneumatic)system，that contributing to not only the layout design of the equipments，but analysis of the pressure distribute and the pulse，in order to decrease the vibration，impact and noise in the hydraulic system.Multi－domain unified technology provides the new method to model and analyse the complex pipe coupling with mechanic，electricity，hydraulic and control.It also changlles the pipe analysis and design.This paper briefly introduces the multi－domain unified modeling technology based on Modelica，stress on the application in the pipe analysis by using multi－domain unified modeling based on Modelica，and provides the tend in the future development of the pipe analysis.

hydraulic system;pipe analysis;multi－domain unified modeling;Modelica

TH137.5

A

1672－7649(2012)07－0003－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.001

2011－11－17;

2011－12－13

董仁義(1979－)，男，工程師，研究方向為船舶與海洋結構物設計及制造。