李景陽

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

關鍵詞：計算機輔助技術(shù)；液壓系統(tǒng)設計

引言：液壓技術(shù)是機械設備中發(fā)展最快的技術(shù)之一。隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高和微電子、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，液壓傳動技術(shù)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(tǒng)，統(tǒng)稱液壓系統(tǒng)。

建國以來來特別是改革開放以來，我國的制造技術(shù)總體水平有了很大的提高，但與發(fā)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(tǒng)設計方面與美、德等發(fā)達國家相比差距甚遠，已嚴重制約了我國機械設備業(yè)競爭能力的提高和綜合實力的增強。

由于比傳統(tǒng)的設計方法具有無可比擬的優(yōu)越性，計算機輔助技術(shù)已廣泛地應用于各類尤其是復雜液壓系統(tǒng)的設計、開發(fā)和改進過程中，目前國外很多國家已經(jīng)開發(fā)出了適合液壓系統(tǒng)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(tǒng)和適合液壓系統(tǒng)設計軟件進行介紹和分析，希望對液壓系統(tǒng)設計方法的現(xiàn)代化起到一定的參考作用。

一、液壓系統(tǒng)設計的特點

由于液壓系統(tǒng)采用流體（液壓油）作為介質(zhì)，所以不論是哪種液壓系統(tǒng)，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(tǒng)的性能有很大影響；（4）液壓系統(tǒng)中的很多環(huán)節(jié)具有非線性特性，因此系統(tǒng)的分析和設計較電氣系統(tǒng)復雜；（5）多學科領域：現(xiàn)代液壓系統(tǒng)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(shù)

1950年在美國誕生了第一臺計算機繪圖系統(tǒng)，開創(chuàng)了計算機輔助繪圖的時代，同時也開創(chuàng)了多種形式的計算機輔助設計時代。歷經(jīng)半個多世紀的發(fā)展，目前計算機輔助技術(shù)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(shù)是采用計算機作為工具，將計算機用于產(chǎn)品的設計、制造和測試等過程的技術(shù)，輔助人們在特定應用領域內(nèi)完成任務的理論、方法和技術(shù)。隨著計算機科學技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機輔助技術(shù)的應用領域不斷擴大、應用水平不斷提高，已經(jīng)由最初的單學科單領域發(fā)展為現(xiàn)在的多學科多領域系統(tǒng)，滿足了液壓系統(tǒng)的多學科多領域特性。

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

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

采用計算機輔助技術(shù)具有降低成本、縮短設計周期等等優(yōu)點，很多人已經(jīng)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(shù)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(jīng)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(jié)果后處理功能，強大的系統(tǒng)仿真分析能力，可以建立各種復雜的系統(tǒng)模型，包含穩(wěn)態(tài)分析、線性系統(tǒng)分析、頻域響應、根軌跡分析等完整的控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。該軟件考慮了液壓系統(tǒng)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(tǒng)，而且所有的這些來自不同物理領域的模型都是經(jīng)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(tǒng)和多學科動態(tài)系統(tǒng)的仿真軟件，用于在產(chǎn)品的概念和系統(tǒng)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(jīng)驗的工程師和數(shù)值計算專家根據(jù)實際的工程問題和需求合作開發(fā)的，經(jīng)過近30年的不斷積累和大量工程問題的檢驗，發(fā)展成為控制與多學科動態(tài)系統(tǒng)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(yè)領域。借助MSC

Easy5強大的專業(yè)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(tài)系統(tǒng)模型，進行有效的仿真評價，幫助用戶對各類系統(tǒng)進行參數(shù)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(shù)系統(tǒng)內(nèi)各部件相互作用的權(quán)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(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、液力學、氣動力學、熱力學、電子學、電驅(qū)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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?？梢苑奖愕馗脑膱D形文件，實現(xiàn)元件圖的轉(zhuǎn)換。該軟件有圖形元件庫，元件庫元素可以動態(tài)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(fā)的機電一體化設計軟件20-sim，編制了卡爾曼濾波器和最優(yōu)狀態(tài)反饋模塊。在實例模型中，首先利用20-sim建立了控制系統(tǒng)圖標化模型。在此基礎上，應用了最優(yōu)狀態(tài)反饋控制和卡爾曼濾波器模塊，構(gòu)成了完整的LQG控制系統(tǒng)。仿真結(jié)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(tǒng)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(lián)合開發(fā)，是專門用于液壓與氣壓傳動的教學軟件，F(xiàn)uidSIM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(shù)學軟件建模，如matlab/simulink。

結(jié)論：計算機輔助設計技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設計中起到的作用目共睹，由于計算機輔助技術(shù)具有傳統(tǒng)設計方法無法比擬的優(yōu)點，已經(jīng)成為制造業(yè)領域最主要的設計方式。總之，計算機輔助設計技術(shù)在液壓系統(tǒng)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(shù)及其在液壓系統(tǒng)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(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應用[J].機床與液壓，2008.4：149-151.