馮艷明，戴鈺冰，李明，童明炎，孫勝

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基于AMESim的調(diào)壓器的研究

馮艷明，戴鈺冰，李明，童明炎，孫勝

（中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610213）

介紹了調(diào)壓器的作用、結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并根據(jù)調(diào)壓器的主要結(jié)構(gòu)組成與工作原理，結(jié)合實際工況下的調(diào)壓器的各主要參數(shù)值，在AMESim環(huán)境下按照AMESim的仿真步驟及要求建立了調(diào)壓器的AMESim仿真模型?；谠摲抡婺Ｐ蛯Τ淙胝{(diào)壓器的氦氣的體積、調(diào)壓器的橡膠囊的彈性系數(shù)等主要參數(shù)進行了仿真分析與研究，得出了調(diào)壓器在調(diào)壓過程中的溫度、氦氣壓力、氮氣壓力等主要參數(shù)的變化規(guī)律以及充入調(diào)壓器的氦氣體積、調(diào)壓器的橡膠囊彈性系數(shù)等主要參數(shù)對調(diào)壓器調(diào)壓特性的影響規(guī)律。

調(diào)壓器；AMESim；調(diào)壓特性

調(diào)壓器是變功率輻照考驗回路中的重要件，其調(diào)壓特性影響甚至決定著功率變化特性，因此，需要對調(diào)壓器調(diào)壓特性進行仿真分析研究。

1 AMESim

LMS Imagine.Lab AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺。用戶可在這個單一平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算和深入分析，也可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。通過AMESim，用戶從開發(fā)階段起就能對智能機電一體化系統(tǒng)的功能進行分析。由于專注于實際物理系統(tǒng)，AMESim將工程師從數(shù)值仿真算法和耗時的編程中解放出來。每個模型提供了最基本的工程元件，這些元件組合起來能夠描述任何元件或系統(tǒng)功能。AMESim擁有一套標準且優(yōu)化的應(yīng)用庫、4500多個領(lǐng)域的模型，已成功應(yīng)用于航空航天、車輛、船舶、工程機械等多學(xué)科領(lǐng)域，成為流體、機械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復(fù)雜建模和仿真的優(yōu)選平臺。

2 調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)與原理

調(diào)壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由筒體、吊耳、筒體法蘭、橡膠氣囊、橡膠氣囊進氣口、氦氣進氣口、氣囊法蘭組成。橡膠氣囊的外表面與筒體內(nèi)表面緊貼，橡膠氣囊內(nèi)充滿壓強為0.1 MPa、體積為153 L的氮氣。壓強為15 MPa、體積為1.3 L的氦氣經(jīng)氦氣進氣口進入筒體內(nèi)表面與橡膠氣囊外表面之間的間隙后，在高壓氦氣的作用下使橡膠氣囊發(fā)生擠壓變形。橡膠氣囊的變形使橡膠氣囊內(nèi)的氮氣、橡膠氣囊外的氦氣的體積發(fā)生變化，進而使氦氣的壓強、體積發(fā)生變化，從而達到調(diào)節(jié)氦氣壓力的目的。

1.筒體2.橡膠氣囊3.吊耳4.筒體法蘭5.氦氣進氣口6.橡膠氣囊進氣口7.氣囊法蘭

3 調(diào)壓器的AMESim模型

根據(jù)調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理和建立AMESim模型的四個步驟（Sketch圖形模塊、Submodels子模型模塊、Parameters參數(shù)設(shè)計模塊、Simulation仿真計算模塊）建立的調(diào)壓器仿真模型如圖2所示[2]。其中，橡膠囊的變形過程近似為線性過程，簡化為帶有彈簧的缸筒、活塞。初始狀態(tài)下橡膠囊的內(nèi)表面積約為1.97×106mm2，厚為10 mm，查得橡膠的彈性模量為7.84 MPa，由＝·/得橡膠囊的彈性系數(shù)為1.54 N/mm。

圖2 調(diào)壓器仿真模型

4 仿真分析

在上述建立的仿真模型上進行調(diào)壓過程仿真。所有仿真過程忽略熱變形、制造精度、泄漏、環(huán)境對調(diào)壓過程和結(jié)果的影響，仿真模型的子模塊和參數(shù)模塊按照調(diào)壓器的實際結(jié)構(gòu)、原理與參數(shù)進行選擇和設(shè)置。調(diào)壓器仿真模型中氦氣的壓力設(shè)置為15 MPa，體積1.3 L，橡膠氣囊內(nèi)壓力設(shè)置為0.1 MPa，體積153 L，外表面積設(shè)置為2.06×106mm2，內(nèi)表面積設(shè)置為1.96×106mm2，溫度均為常溫293 K。仿真時間設(shè)置為20 s，采樣時間0.01 s，控制信號控制氦氣在氮氣充滿橡膠氣囊1 s后充入調(diào)壓器。經(jīng)仿真得出調(diào)壓器調(diào)壓過程中氦氣壓力、溫度變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 氦氣壓力變化曲線圖

由圖3可以看出氦氣的壓力由調(diào)壓前的15 MPa經(jīng)過3 s迅速下降到13.9 MPa，緊接著經(jīng)過6 s下降到13.8 MPa，并穩(wěn)定保持在此壓力值，整個調(diào)壓過程用時9 s。

圖4 氦氣溫度變化曲線圖

由圖4可以看出氦氣的溫度由調(diào)壓前的193 K經(jīng)過3 s迅速下降到287.8 K，緊接著經(jīng)過6 s下降到287.3K，并穩(wěn)定保持在此溫度值，整個調(diào)壓過程用時9 s。

由圖3和圖4可知，在調(diào)壓器調(diào)壓過程中氦氣的壓力與溫度變化趨勢相符合，均先迅速降低到一定值，然后緩慢降低且穩(wěn)定在一定值。

5 參數(shù)研究

5.1 氦氣體積對調(diào)壓器調(diào)壓特性影響的研究

將充入調(diào)壓器的氦氣體積設(shè)置為1.3～15.3 L，步長為2 L，共8組，其它參數(shù)不變，基于上述仿真模型，進行批處理仿真，得出不同體積下氦氣的壓力變化曲線如圖5所示?？芍?，氦氣經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)壓后，壓力隨充入氦氣的體積增大而增大，在1.3～9.3 L范圍內(nèi)充入氦氣的體積變化對調(diào)壓后氦氣的壓力變化影響較大，1.3～5.3 L范圍內(nèi)影響最為顯著。當充入氦氣的體積大于9.3 L后對氦氣的壓力變化影響較小。

圖5 不同體積下氦氣的壓力變化曲線

5.2 橡膠囊彈性系數(shù)的研究

基于上述模型，將調(diào)壓器橡膠囊的彈性系數(shù)設(shè)置為0.64～2.74 N/mm，步長0.3 N/mm，共8組，其它參數(shù)不變，進行批處理仿真，得出不同彈性系數(shù)下氦氣的壓力變化曲線如圖6所示?？梢钥闯觯?條曲線重合為一條曲線，從而可得出在該范圍內(nèi)橡膠囊的彈性系數(shù)變化對調(diào)壓過程和調(diào)壓后氦氣的壓力無明顯影響。

圖6 不同彈性系數(shù)下氦氣的壓力變化曲線

6 結(jié)論與展望

通過對調(diào)壓器進行基于AMESim的建模仿真分析，得到如下結(jié)論：

（1）調(diào)壓器的調(diào)壓特性曲線：氦氣壓力從15 MPa降低為13.8 MPa，溫度從293 K下降到287 K，整個過程用時9 s，壓力、溫度均是先急劇下降后緩慢降低。該調(diào)壓特性在理論上夠滿足變功率輻照考驗回路對調(diào)壓器的要求。

（2）充入調(diào)壓器的氦氣體積對調(diào)壓后氦氣壓力的影響規(guī)律：體積越大壓力越大，當體積為1.3～9.3 L時，對壓力有顯著影響，當體積大于9.3 L后對壓力的影響較小。

（3）橡膠囊的彈性系數(shù)對調(diào)壓后氦氣壓力的影響規(guī)律：在0.64～2.74 N/mm范圍內(nèi)對調(diào)壓器的調(diào)壓過程和結(jié)果均無明顯影響。

[1]付永領(lǐng)，祁曉野. AMESim系統(tǒng)建模和仿真——從入門到精通[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：1-80.

[2]余佑官，龔國芳，胡國良. AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 液壓氣動與密封，2005（3）：28-31.

Research on Pressure Regulator Based on AMESim

FENG Yanming，DAI Yubing，LI Ming，TONG Mingyan，SUN Sheng

( Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China )

This paper introduces the functions, composition and working principle of pressure regulator, and according to the main composition and working principle of the pressure regulator，combined with the main parameters of the regulator under actual operating conditions, the AMESim simulation model of the regulator is established under the AMESim environment according to the simulation steps and requirements of AMESim. Based on the simulation model, the main parameters such as the volume of the helium filled in the regulator, the elastic coefficient of the rubber capsule of the regulator and so on are simulated and studied. The changing rules of main parameters such as temperature, helium pressure and nitrogen pressure in the process of pressure regulation, as well as the influence of main parameters such as the volume of helium and the elastic coefficient of the rubber of the regulator on the pressure regulation characteristics of the regulator are obtained.

pressure regulator；AMESim；pressure regulation characteristics

TM423

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.011

1006－0316 (2018) 02－0042－03

2017－03－30

馮艷明（1987－），男，山西呂梁人，碩士研究生，研究實習(xí)員，主要從事放射性設(shè)備的設(shè)計與研究工作。