韓 濤，段世慧

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所計(jì)算結(jié)構(gòu)技術(shù)與仿真中心，陜西 西安 710065)

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基于AMESim的閥控非對(duì)稱缸串聯(lián)仿真研究

韓 濤，段世慧

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所計(jì)算結(jié)構(gòu)技術(shù)與仿真中心，陜西 西安 710065)

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)面臨大變形加載問(wèn)題時(shí)，由于閥控非對(duì)稱缸受自身行程限制，其加載能力有限。為了解決此類工程技術(shù)問(wèn)題，可以采用兩個(gè)液壓缸串聯(lián)加載的模式，以滿足試驗(yàn)件變形需求。本文采用AMESim對(duì)串聯(lián)加載方案進(jìn)行仿真研究，對(duì)工程實(shí)踐有一定指導(dǎo)意義。

非對(duì)稱缸；串聯(lián)加載；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)；AMESim

1 引 言

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)是驗(yàn)證新型結(jié)構(gòu)材料特性及承載能力的常規(guī)手段。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)件變形較小，采用常規(guī)閥控非對(duì)稱缸就可以滿足變形加載條件。近年來(lái)，由于結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，新材料、新結(jié)構(gòu)、新強(qiáng)度問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，其中一種大變形結(jié)構(gòu)的加載問(wèn)題對(duì)常規(guī)加載手段提出了新的挑戰(zhàn)。大變形結(jié)構(gòu)在檢驗(yàn)承載能力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)變形過(guò)大而試驗(yàn)加載設(shè)備行程無(wú)法滿足全過(guò)程加載的問(wèn)題，這種問(wèn)題可以通過(guò)采用大行程新型閥控非對(duì)稱缸解決，但是在大變形結(jié)構(gòu)加載點(diǎn)較多時(shí)，現(xiàn)有大量程設(shè)備數(shù)量準(zhǔn)備不足，不能滿足試驗(yàn)所需數(shù)量，而試驗(yàn)周期緊張，新購(gòu)設(shè)備不能及時(shí)使用，現(xiàn)考慮兩個(gè)單倍行程液壓缸的串聯(lián)加載技術(shù)以滿足試驗(yàn)件變形條件。

本文基于AMESim系統(tǒng)建模和仿真軟件對(duì)其中一種串聯(lián)加載形式進(jìn)行建模，對(duì)加載過(guò)程進(jìn)行仿真分析，對(duì)加載方案的可行性以及加載過(guò)程中需要注意的問(wèn)題給出仿真結(jié)果。

2 閥控非對(duì)稱缸串聯(lián)加載方案

傳統(tǒng)加載方案如圖1所示，試驗(yàn)采用的多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)通過(guò)力傳感器閉環(huán)加載使目標(biāo)載荷施加在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上，使試驗(yàn)件受力產(chǎn)生變形。在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上的考核部位粘貼相應(yīng)的應(yīng)變片，就可以通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)變量。結(jié)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，就可以對(duì)該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度給出相應(yīng)的結(jié)論。對(duì)于常規(guī)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，1000mm行程閥控非對(duì)稱液壓缸即可滿足試驗(yàn)加載變形協(xié)調(diào)條件，即閥控非對(duì)稱缸的行程與試驗(yàn)件變形相比有足夠的余度，以保證加載行程，防止行程不夠而使試驗(yàn)終止而導(dǎo)致試驗(yàn)失效。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)加載方案示意圖

對(duì)于大變形結(jié)構(gòu)，其變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)閥控非對(duì)稱缸的行程。以變形量達(dá)到1500mm為例，此時(shí)如果試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不能滿足試驗(yàn)需求，即可采用閥控非對(duì)稱缸串聯(lián)加載方案。如圖2所示，通道2采用力控加載，選用1000mm行程的力控非對(duì)稱缸；通道1采用位控加載，選用1000mm行程的位控非對(duì)稱缸。

圖2 非對(duì)稱缸串聯(lián)加載方案示意圖

在大變形結(jié)構(gòu)的加載過(guò)程中，通過(guò)位控加載對(duì)試驗(yàn)件變形量進(jìn)行當(dāng)量消除，以滿足力控加載空間需求。在多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)資源配置中，設(shè)置通道1位控配置，通道2力控配置。其中力控液壓缸的型號(hào)與位控液壓缸保持一致，即如果力控液壓缸為10t閥控非對(duì)稱缸時(shí)，位控液壓缸也保持在10t以上，以滿足試驗(yàn)力控加載條件，保證位控液壓缸回收時(shí)其所施加載荷滿足驅(qū)動(dòng)力控液壓缸整體移動(dòng)相應(yīng)的當(dāng)量值。

3 閥控非對(duì)稱缸串聯(lián)建模

3.1 AMESim簡(jiǎn)介

該軟件是比利時(shí)LMS公司開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)工程高級(jí)建模和仿真軟件包LMS Imagine.Lab AMESim,其主要特性在于能夠從元件設(shè)計(jì)出發(fā)，可以考慮摩擦、油液和氣體的本身特性、環(huán)境溫度等非常難以建模的部分，直到組成部件和系統(tǒng)進(jìn)行功能性能仿真和優(yōu)化，并能夠進(jìn)行考慮控制器在內(nèi)的閉環(huán)系統(tǒng)仿真，能夠滿足本文仿真分析[1]的要求。

3.2 力控建模

考慮在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，力控與位控為分步實(shí)施控制，所以建模時(shí)采用分步建模仿真分析，分析結(jié)果疊加的建模方案，建模以10t、1000mm行程液壓缸為建模對(duì)象，以AMESim為建模、仿真分析平臺(tái)，搭建圖3所示力控加載方案的模型。輸入信號(hào)以正弦輸入模擬力控加載控制過(guò)程，以PID控制模擬多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，以彈簧阻尼系統(tǒng)模擬試驗(yàn)件，配備工業(yè)液壓源以及建立伺服閥模型驅(qū)動(dòng)液壓缸，以有摩擦質(zhì)量塊模擬非對(duì)稱缸活塞桿[2]。

圖3 力控非對(duì)稱缸仿真模型

對(duì)模型參數(shù)的設(shè)置，以各設(shè)備廠家提供的使用說(shuō)明書(shū)為主，必要時(shí)進(jìn)行了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的測(cè)量，以保證模型的高保真度。依據(jù)伺服閥使用說(shuō)明書(shū)，其參數(shù)設(shè)置為：固有頻率75Hz，阻尼比0.7063，閥口雷諾數(shù)1000，額定流量10L/min，額定壓降7MPa。依據(jù)非對(duì)稱缸參數(shù)說(shuō)明書(shū)，其參數(shù)設(shè)置為：活塞桿質(zhì)量41.05kg，后腔承壓面積0.00785m2，前腔承壓面積0.00503m2，行程1000mm，黏性摩擦系數(shù)220，庫(kù)倫摩擦系數(shù)50，靜摩擦系數(shù)180。油源參數(shù)以工業(yè)液壓油為準(zhǔn)，其主要參數(shù)為：油液體積模量1.3GPa,油液密度900kg/m3。泵站所提供的油源壓力為恒定壓力21MPa。試驗(yàn)件主要參數(shù)：剛度9589N/m，阻尼33.256m/s。對(duì)于試驗(yàn)件參數(shù)，所建彈簧阻尼系統(tǒng)的剛度和阻尼系數(shù)由驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)件一階模態(tài)計(jì)算而得[3]。

3.3 位控建模

位控建模與力控建模相似，相應(yīng)的控制方案同樣以PID控制模擬多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，不同的是，其傳感器模型更改為位移傳感器，以模擬位控加載歷程。對(duì)于位控而言，其響應(yīng)過(guò)程是在力控加載穩(wěn)定之后進(jìn)行的，故其輸入信號(hào)以階躍響應(yīng)進(jìn)行模擬，如圖4所示，其他設(shè)備模型參數(shù)設(shè)置與圖3所示力控模型一致。

圖4 位控非對(duì)稱缸仿真模型

為模擬力控傳感器對(duì)位移影響，設(shè)置位控液壓缸的活塞桿的當(dāng)量時(shí)疊加力控液壓缸的質(zhì)量，如圖5所示，力控液壓缸活塞桿參數(shù)為原始質(zhì)量41.05kg。

圖5 力控非對(duì)稱缸活塞桿參數(shù)設(shè)置

而位控液壓缸活塞桿在運(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于其質(zhì)量疊加了一個(gè)力控非對(duì)稱缸的質(zhì)量，其當(dāng)量質(zhì)量為原始活塞桿加上活塞桿帶動(dòng)的力控液壓缸的質(zhì)量，如圖6所示，設(shè)置參數(shù)為191.05kg。

圖6 位控非對(duì)稱缸活塞桿參數(shù)設(shè)置

4 AMESim仿真分析

分別設(shè)置仿真運(yùn)行參數(shù)，如圖7所示，運(yùn)行仿真模型，得到模型的運(yùn)行結(jié)果。加載時(shí)，設(shè)置力控加載位于較低載荷，設(shè)置運(yùn)行最大幅值5000N，以保證結(jié)構(gòu)初始變形量滿足力控液壓缸的行程要求。

圖7 運(yùn)行仿真參數(shù)設(shè)置

4.1 力控加載仿真結(jié)果

圖8所示為力控非對(duì)稱缸加載力曲線，加載結(jié)果平滑穩(wěn)定，在保證位移變化不大的情況下完成控制加載結(jié)果，如圖9所示，力控非對(duì)稱缸的活塞桿位移量變化暫時(shí)處于很小的變化范圍。

圖8 力控加載結(jié)果

圖9 力控非對(duì)稱缸活塞桿位移曲線

4.2 位控加載仿真結(jié)果

圖10所示為位控非對(duì)稱缸位移階躍響應(yīng)，由于活塞質(zhì)量增大導(dǎo)致摩擦力較大，其階躍響應(yīng)受力控液壓缸質(zhì)量限制，有明顯的遲滯。

圖10 位控非對(duì)稱缸活塞桿位移曲線

在位控非對(duì)稱缸位移響應(yīng)的同時(shí)，需保證力輸出與力控一致，以滿足加載精度，如圖11所示，位控非對(duì)稱缸力加載較平穩(wěn)。

圖11 位控非對(duì)稱缸力加載曲線

圖12 位控位移與力控活塞桿位移疊加結(jié)果曲線

5 仿真結(jié)果分析

對(duì)于分步仿真結(jié)果進(jìn)行疊加分析，調(diào)用AMESim軟件的Result Manager(觀察管理器)對(duì)加載結(jié)果進(jìn)行疊加曲線繪制，如圖12所示。從疊加結(jié)果可以看出，力控非對(duì)稱缸在自身活塞桿位移較小情況下已經(jīng)疊加了位控的823mm的自身位移，為高載階段的大變形預(yù)留了足夠的收縮空間，以滿足試驗(yàn)加載變形協(xié)調(diào)條件。由于在施加位控過(guò)程中，力控加載處于平穩(wěn)階段， 故位控施加對(duì)力控加載過(guò)程并無(wú)較大影響。本文采用的分步仿真方法正是基于兩種控制過(guò)程的相對(duì)獨(dú)立性，采用線性疊加結(jié)果的仿真方法得出控制加載方案的可行性。

6 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)以上仿真分析，對(duì)閥控非對(duì)稱缸串聯(lián)加載方案可以得出以下結(jié)論：

(1)加載速率較低時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線平滑，加載可控性高，易于控制。

(2)非對(duì)稱缸串聯(lián)加載方案可以解決設(shè)備儲(chǔ)備不足時(shí)大變形結(jié)構(gòu)的加載難題。

(3)該加載方案有較好的魯棒性和穩(wěn)定性，對(duì)于其他加載難題有較大參考價(jià)值。

[1]付永領(lǐng),齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[2]謝建,羅治軍,田桂,等.基于AMESim的多級(jí)液壓缸建模與仿真[J].2010,8(7):126-129.

[3]王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[4]謝國(guó)慶,周曉明,金梁斌.基于AMESim的電液位置控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真分析及優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓,2014,42(4):47-49.

[5]江玲玲,張俊俊.基于AMESim 的液壓位置伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2007,(1):35-37.

[6]余佑官,龔國(guó)芳,胡國(guó)良.AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封,2005,(3):28-30.

[7]付永領(lǐng),祁曉野. LMS Imagine.Lab AMESim 系統(tǒng)建模和仿真參考手冊(cè)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

Study on Series Simulation of Valve Controlled Asymmetric Cylinder based on AMESim

Han Tao, Duan Shihui

(Aircraft Strength Research Institute of China,Computational Structure Technique and Simulation Center, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

In the face of large deformation loading engineering problem in structure strength test, loading capacity of valve controlled asymmetric cylinder is limited due to their trip limit. In order to solve this kind of problem, two hydraulic cylinder series loading mode can be adopted to meet the deformation demands of test piece. In the paper, AMESim is used to study the simulation of loading scheme, which has certain instruction significance to the engineering practice.

asymmetric cylinder; series-wound loading; structural strength test; AMESim

2016-08-26

韓 濤(1986—)，男，吉林九臺(tái)人，漢族，碩士，工程師，主要從事計(jì)算力學(xué)與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)仿真技術(shù)方向的研究。

中航工業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2012A62322R)。

TP391.9

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.016