張海，王成國，肖乾

(1.中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發(fā)展中心，北京100081;2.華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013)

在機械系統(tǒng)的設計階段預測系統(tǒng)的動態(tài)特性是設計人員的一個重要內(nèi)容。為了得到系統(tǒng)動態(tài)特性，常常需要借助軟件建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型，在要求的工況下進行計算，得到預測結(jié)果，以指導系統(tǒng)的設計。針對不同的系統(tǒng)特性分析，存在著不同的分析系統(tǒng)。MSC.Adams和 MSC.Easy5是得到廣泛應用的CAE分析軟件。MSC.Adams是機械系統(tǒng)的分析軟件，它集成機械元件、氣動、液壓、電子和控制系統(tǒng)技術，能夠構建和測試虛擬原型，從而可以準確地解釋這些子系統(tǒng)之間的相互作用。Easy5能提供準確的、可靠的多領域建模和動態(tài)物理系統(tǒng)模擬，尤其擅長于包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng) (包括熱效應)、氣動、氣體流動、熱、電、機械、制冷、環(huán)境控制、潤滑或燃油系統(tǒng)、和抽樣數(shù)據(jù)/離散時間行為的分析。利用這兩個軟件進行聯(lián)合仿真可以建立接近實際的機械系統(tǒng)，得到準確的結(jié)果。

通常在ADAMS中使用特征創(chuàng)建工具建立一個機械系統(tǒng)或是直接從一個CAD的軟件包中導入機械系統(tǒng)。這個機械系統(tǒng)可以在ADAMS中進行運動學和動力學的分析，也可以輸出系統(tǒng)的微分方程。而Easy5為MSC.Adams模型提供了接口，可以導入Adams模型進行聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真的模型可以在4種模式下工作:

(1)函數(shù)賦值方式。在Easy5中對聯(lián)合模型進行計算時，使用Easy5的求解器對Easy5的模型方程和Adams的模型方程進行求解。在求解時，作為函數(shù)求解接口，Adams返回與Easy5模型相關的狀態(tài)變量和Plant變量輸出，而在Easy5計算后再把狀態(tài)變量和Plant變量輸入返還給Adams再次進行計算。

(2)聯(lián)合仿真方式。在Easy5中聯(lián)合模型進行計算時，使用Easy5的求解器對Easy5的方程，同時使用Adams的求解器對Adams的模型方程進行求解。在交換數(shù)據(jù)的時候使用Communication_Interval參數(shù)進行交換。

(3)線性狀態(tài)矩陣方式。在Easy5中使用Easy5的求解器對帶有Adams線性狀態(tài)矩陣的Easy5模型方程進行求解。此時計算方式與函數(shù)賦值方式類似。

(4)擴展系統(tǒng)庫方式。在Easy5中把模型作為一個擴展系統(tǒng)庫的方式導出成為一個動態(tài)鏈接庫文件(即dll文件)，然后在Adams中使用Adams/Control把Easy5導出的動態(tài)鏈接庫文件，作為輸入庫導入到Adams的模型中。最終在Adams中使用Adams的求解器進行計算。

下面以鐵道車輛液壓減振器為實例，開展基于Easy5和Adams聯(lián)合仿真的液壓減振器非線性特性研究。聯(lián)合仿真模型由兩部分組成:一部分是在Easy5中建立的非線性液壓阻尼系統(tǒng);另一部分是在Adams中建立的單自由度阻尼、彈簧、質(zhì)量塊振動系統(tǒng)。

1 在MSC.Easy5中建立非線性減振器液壓模型

1.1 典型非線性減振器工作原理

圖1顯示的是一個典型的非線性液壓減振器工作原理。當減振器拉伸時，活塞上的單向閥關閉，底閥上的單向閥開啟，活塞上部拉伸腔相當于體積為A的油液經(jīng)節(jié)流孔流到儲油缸，同時儲油缸中相當于體積為 (A+B)的油液經(jīng)底閥流到活塞下部壓縮腔中。當減振器壓縮時，底閥上的單向閥關閉，活塞上的單向閥開啟，壓縮腔相當于體積為 (A+B)的油液經(jīng)單向閥流到拉伸腔，其中體積A的油液留在拉伸腔，而體積為B的油液經(jīng)阻尼孔留到儲油缸中。

圖1 典型的非線性液壓減振器工作原理圖

1.2 在Easy5中建立仿真模型

在建立減振器液壓模型時，為了使模型簡單又不影響計算精度，要進行一些假設簡化:忽略一些結(jié)構輔助孔、節(jié)流能力小的孔;忽略因壓力變化而引起的系統(tǒng)剛性構件的彈性變形和溫度變化而引起的系統(tǒng)構件的變形;忽略系統(tǒng)剛性構件的彈性變形情況;忽略油液的自重;忽略活塞與工作缸之間、活塞桿與導向座之間的油液泄漏;忽略減振器在工作時引起工作油液溫度的變化。

液壓減振器的數(shù)值液壓模型中有3個主要的元件，分別為阻尼調(diào)節(jié)閥、活塞單向閥和底閥，下面將介紹其建模過程。

(1)阻尼調(diào)節(jié)閥建模

阻尼調(diào)節(jié)閥結(jié)構如圖2所示，彈簧預緊力可改變減振阻力的大小和特性。圖3中點C與拉伸腔相通，而點D與儲油腔相通，當拉伸腔與儲油腔的壓力差不足以推動已預緊彈簧時，油液從常通小孔流動(Q1);當拉伸腔與儲油腔的壓力差可以推動已預緊彈簧時，油液從常通小孔 (Q1)和側(cè)隙流動 (Q2)。在Easy5中使用常通孔、單向閥和節(jié)流閥組合實現(xiàn)阻尼調(diào)節(jié)閥的功能，如圖8中元件2所示，其中彈簧的剛度取為8.1×104N/m。

圖2 阻尼調(diào)節(jié)閥結(jié)構

圖3 阻尼調(diào)節(jié)閥 工作原理

(2)活塞單向閥與底閥

活塞單向閥和底閥結(jié)構如圖4和圖5所示，它們的結(jié)構相似，工作時都是利用閥片擋住液流，產(chǎn)生阻力，如圖6所示。

圖4 活塞結(jié)構

圖5 底閥結(jié)構

圖6 閥片結(jié)構

按照閥片的尺寸建立有限元模型，如圖7所示，通過有限元受力分析，得到等效剛度，其中活塞單向閥閥片剛度為4.63×103N/m，底閥閥片剛度為1.65×103N/m。在Easy5中使用常通孔、單向閥組合實現(xiàn)活塞單向閥的功能，如圖8中元件6所示;在Easy5中使用常通孔、單向閥組合實現(xiàn)底閥的功能，如圖8中元件4所示。

圖7 閥片有限元模型

表1 減振器參數(shù)

最后在EASY5中根據(jù)減振器工作原理，建立減振器的液壓模型，如圖8所示。

圖8 減振器數(shù)值液壓模型

1.3 仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的比較分析

在EASY5中對于活塞不同的速度 (5，10，20，30，40，50，60 mm/s)下進行動態(tài)仿真，其仿真示功圖線如圖9所示。同時減振器的試驗示功圖如圖10所示。

圖9 不同速度的仿真示功圖

圖10 試驗示功圖

試驗數(shù)據(jù)與減振器仿真數(shù)據(jù)相對比如表2所示。

表2 減振器試驗與仿真數(shù)據(jù)對比表

仿真阻尼力和試驗阻尼力相對誤差很小，最大為6.67%，最小僅為0.70%。這說明建立的EASY5模型比較精確，可以進一步進行仿真研究。

2 在MSC.ADAMS中進行機械振動系統(tǒng)仿真分析

2.1 ADAMS的機械振動系統(tǒng)模型

在Adams/View中建立單自由度質(zhì)量塊振動系統(tǒng)，并在質(zhì)量塊上添加一個瞬時力Ex_Froce，如圖11所示，參數(shù)見表3。同時為了建立聯(lián)合仿真模型，把阻尼器去除，添加一個作用力Damper_Force。創(chuàng)建3個狀態(tài)變量:Damper_Force_mag，Damper_act_extension，Damper_act_rate，其中 Damper_Force_mag表示作用力Damper_Force的數(shù)值，Damper_act_extension表示作用力Damper_Force兩端的位移，Damper_act_rate表示作用力damper_Force兩端的相對速度。修改后的模型如圖12所示。

圖11 單自由度質(zhì)量塊振動系統(tǒng)

表3 單自由度質(zhì)量塊振動系統(tǒng)參數(shù)

圖12 修改后振動系統(tǒng)

將修改后的模型中的狀態(tài)變量分別保存成plant變量導出，系統(tǒng)將生成plant的adm和cmd文件，以供Easy5調(diào)用。

2.2 機械振動系統(tǒng)模型的仿真分析結(jié)果

設定瞬時力Ex_Froce為階躍變量STEP(time，0，50 000，0.1，0)。仿真后得到質(zhì)量塊的位移變化曲線如圖13所示，使用Adams/PostProcessor的FFT工具，得到質(zhì)量塊位移PSD圖，如圖14所示。可以發(fā)現(xiàn)模型的振動主頻在3 Hz左右。

圖13 質(zhì)量塊的位移變化曲線

圖14 質(zhì)量塊位移PSD圖

3 基于EASY5和ADAMS的機械振動系統(tǒng)聯(lián)合仿真

3.1 聯(lián)合仿真模型

在Easy5的元件庫中選擇Extensions擴展庫，在MSC.Software元件庫中選擇“ADAMS Mechanism”元件。把元件拖入模型區(qū)。設置元件的屬性為Adams/View導出的Plant文件，選擇“Co-simulation”方式，并如圖15連接Easy5模型中的元件，使得Damper_act_extension，Damper_act_rate分別與CD元件的位移和速度連接，Damper_Force_mag與CD元件的阻尼力連接。

圖15 聯(lián)合仿真模型

3.2 聯(lián)合仿真的結(jié)果分析

分別對Easy5的模型和Adams/View中的質(zhì)量塊振動系統(tǒng)原始模型進行仿真計算，并且在Adams/Posrprocess中進行對比，結(jié)果如圖16和圖17。從圖16和圖17可知，使用Easy5描述的非線性阻尼器的模型仿真結(jié)果相對于Adams的原始模型有一個相位的滯后，這主要是由于Easy5描述的阻尼器考慮了油液的剛度，使得阻尼器在工作時有別于無剛度阻尼器。

圖16 質(zhì)量塊位移比較圖

圖17 質(zhì)量塊移動速度比較圖

4 結(jié)論

Adams具有多體動力學仿真分析的優(yōu)勢，Easy5具有液壓和控制仿真分析的優(yōu)勢。Adams與Easy5的聯(lián)合仿真可以更有效地進行復雜機械振動系統(tǒng)動力學研究。

實現(xiàn)了液壓減振器的聯(lián)合仿真，數(shù)據(jù)通過TCP/IP在兩個軟件之間傳遞，聯(lián)合仿真的結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)基本吻合?；贏DAMS和Easy5的液壓減振器聯(lián)合仿真研究，可以更準確地描述液壓減振器的內(nèi)部物理結(jié)構與工作特性的關系，更深入研究復雜機械振動系統(tǒng)動力學特性。

［1］楊國楨，王福天.機車車輛液壓減振器［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［2］ALOSON A，GLMENEZ J G.Damper Modelling and Its Implementation in Railway Simulation Program ［M］.Nonsmooth Problems in Vehicle System Dynamics，2010.

［3］ALONSO A，GIM NEZ J G，GOMEZ E.Yaw Damper Modelling and its Influence on Railway Dynamic Stability［J］.Vehicle System Dynamics(S0042 － 3114)，2011，49(9):1367－1387.

［4］曾恒，楊建偉，李捷.基于ADAMS/Hydraulics的減振器設計與特性仿真研究［J］.機床與液壓，2011，39(7):74－76.

［5］張玉東，董麗君.鐵道機車車輛液壓減振器系統(tǒng)仿真研究［J］.機床與液壓，2004(10):108－110.

［6］周新建，陳北平.基于EASY5和ADAMS的雙筒式液壓減振器掃頻研究［J］.機床與液壓，2009，37(12):186－188.

［7］PIERSOL A G，PAEZ T L.Shock and Vibration Handbook［M］.The McGraw-Hill companies，2010.

［8］MSC.SOFTWARE 公司.Using ADAMS/Solver(C++)with ADAMS/Controls in an MSC.EASY5 Co-simulation［M］.MSC.SOFTWARE 公司，2010.

［9］MSC.SOFTWARE 公司.EASY5 2010 Reference Manual［M］.MSC.SOFTWARE 公司，2010.