淺談計算機輔助技術在液壓系統設計中的應用

李景陽

摘 要：液壓技術是現代裝備制造中一項重要技術，計算機輔助技術是現代產品設計的主要設計方式。介紹了液壓系統設計的特點，分類論述了各種計算機輔助技術軟件工具在液壓系統設計中的應用。

關鍵詞：計算機輔助技術；液壓系統設計

引言：液壓技術是機械設備中發展最快的技術之一。隨著工業自動化水平的不斷提高和微電子、計算機技術的飛速發展，液壓傳動技術不僅作為傳動的一種基本形式，而且還成為一種重要的控制手段，進而形成了液壓傳動和液壓控制系統，統稱液壓系統。

建國以來來特別是改革開放以來，我國的制造技術總體水平有了很大的提高，但與發達國家相比仍然存在著很大差距，特別是液壓元件和液壓系統設計方面與美、德等發達國家相比差距甚遠，已嚴重制約了我國機械設備業競爭能力的提高和綜合實力的增強。

由于比傳統的設計方法具有無可比擬的優越性，計算機輔助技術已廣泛地應用于各類尤其是復雜液壓系統的設計、開發和改進過程中，目前國外很多國家已經開發出了適合液壓系統設計的CAD/CAE軟件，而我們國家在這方面還有很多空白。本文通過對液壓系統和適合液壓系統設計軟件進行介紹和分析，希望對液壓系統設計方法的現代化起到一定的參考作用。

一、液壓系統設計的特點

由于液壓系統采用流體（液壓油）作為介質，所以不論是哪種液壓系統，在設計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，因此油溫變化對系統的性能有很大影響；（4）液壓系統中的很多環節具有非線性特性，因此系統的分析和設計較電氣系統復雜；（5）多學科領域：現代液壓系統往往包含液壓、機械、電氣、電磁和控制等多方面特征。

二、計算機輔助設計技術

1950年在美國誕生了第一臺計算機繪圖系統，開創了計算機輔助繪圖的時代，同時也開創了多種形式的計算機輔助設計時代。歷經半個多世紀的發展，目前計算機輔助技術已成為機械設計中不可缺少的一個組成部分。

計算機輔助技術是采用計算機作為工具，將計算機用于產品的設計、制造和測試等過程的技術，輔助人們在特定應用領域內完成任務的理論、方法和技術。隨著計算機科學技術的飛速發展，計算機輔助技術的應用領域不斷擴大、應用水平不斷提高，已經由最初的單學科單領域發展為現在的多學科多領域系統，滿足了液壓系統的多學科多領域特性。

由于液壓系統的兩個重要性能參數是壓力和流量，這兩個參數又是不可見的，再加上液壓系統特點，所以針對液壓系統的計算機輔助設計技術主要側重于液壓系統輸出輸入的整體特性，這一點與其他計算機輔助技術是不一樣的，比如AUTO

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

采用計算機輔助技術具有降低成本、縮短設計周期等等優點，很多人已經進行過論述，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外，都具有以下共性特征：（1）都基于嚴格的數學模型，這是正確仿真設計的基礎；（2）多學科領域特征，涵蓋液壓、機械、電子、電氣和電磁等多領域，并且來自不同物理領域的模型都是經過嚴格的測試和實驗驗證的；（3）為方便用戶很好的進行設計，各軟件都建立了良好的圖形化的界面；（4）完善的結果后處理功能，強大的系統仿真分析能力，可以建立各種復雜的系統模型，包含穩態分析、線性系統分析、頻域響應、根軌跡分析等完整的控制系統分析類型；（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，擴展功能。

（一）AMESim。（Advanced Modeling Environment for per

forming Simulation of engineering systems）為多學科領域復雜系統建模仿真平臺。用戶可以在這個單一平臺上建立復雜的多學科領域的系統模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入分析，也可以在這個平臺上研究任何元件或系統的穩態和動態性能。該軟件考慮了液壓系統設計的各個方面，包括液壓油的泄露、溫度變化的影響等各個方面。工程設計師完全可以應用集成的一整套AMESim應用庫來設計一個系統，而且所有的這些來自不同物理領域的模型都是經過嚴格的測試和實驗驗證的。

（二）Easy5。MSC Easy5是一套面向控制系統和多學科動態系統的仿真軟件，用于在產品的概念和系統級設計階段快速地建立完整、可靠的功能虛擬樣機。

MSC Easy5誕生于波音公司，是由各學科領域富有經驗的工程師和數值計算專家根據實際的工程問題和需求合作開發的，經過近30年的不斷積累和大量工程問題的檢驗，發展成為控制與多學科動態系統仿真分析工具，被廣泛應用于航空航天、國防、汽車、工程設備、重型機械等工業領域。借助MSC

Easy5強大的專業應用庫、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科領域的動態系統模型，進行有效的仿真評價，幫助用戶對各類系統進行參數選定、功能評價、響應分析或控制邏輯設計，從而減少物理樣機試制的風險。

（三）SimulationX。SimulationX 是一款分析評價技術系統內各部件相互作用的權威軟件，是多學科領域建模、仿真和分析的通用CAE工具，并具有強大標準元件庫，這些元件庫包括：

1D力學 、3D多體系統、動力傳動系統、液力學、氣動力學、熱力學、電子學、電驅動、磁學和控制。

（四）Automation Studio。瑞典從1977年開始研制，歷時8年推出該液壓系統仿真軟件。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算，從而提高計算速度和實現分布計算功能。在傳輸線方法上增加了可變時間步長法，解決系統的剛性和斷點問題，與鍵合圖法（BOND

GRAPH）相比，鍵合圖法只能描述元件間的連接關系，不能反映元件間的因果關系，而傳輸線法能夠描述出元件間的因果關系。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；有系統連接時可合理性的判斷，對錯誤的連接方式可以在一定程度上避免。可以方便地更改元件的圖形文件，實現元件圖的轉換。該軟件有圖形元件庫，元件庫元素可以動態添加，用戶可以編輯軟件，設定元件圖形，連接用的油口，以及用于仿真計算的變量等。

（五）20-sim。基于荷蘭Twente大學控制工程系研發的機電一體化設計軟件20-sim，編制了卡爾曼濾波器和最優狀態反饋模塊。在實例模型中，首先利用20-sim建立了控制系統圖標化模型。在此基礎上，應用了最優狀態反饋控制和卡爾曼濾波器模塊，構成了完整的LQG控制系統。仿真結果理想的顯示了控制效果。由此可見，基于20-sim建模與仿真方法直觀簡便，為控制系統的建模與仿真提供了新的思路。

（六）FluidSIM。軟件由德國Festo公司 Didactic 教學部門和Paderborn大學聯合開發，是專門用于液壓與氣壓傳動的教學軟件，FuidSIM軟件分兩個軟件，其中FluidSIM-H用于液壓傳動教學，而FluidSIM-P用于氣壓傳動教學。

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，也可以通過數學軟件建模，如matlab/simulink。

結論：計算機輔助設計技術在工業產品設計中起到的作用目共睹，由于計算機輔助技術具有傳統設計方法無法比擬的優點，已經成為制造業領域最主要的設計方式。總之，計算機輔助設計技術在液壓系統設計中的應用已由點及面，應用前景越來越好。

參考文獻：

[1] 余佑官.AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用[J].液壓氣動與密封，2005.3：28-31.

[2] 陳躍坡.EASY5仿真技術及其在液壓系統中的應用[J].機床與液壓，2008.4：149-151.