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背景

如今，旋轉機械供應商需要滿足各種日益嚴苛的法規標準，例如：振動噪聲（NVH），排放和安全，能耗及運營。在這種具有挑戰性的行業背景環境中，系統仿真解決方案可以支持客戶在研發的早期對產品和系統的設計選擇進行正確的評估。

旋轉機械的性能需要滿足多個相互矛盾的技術要求。為了保證同時滿足法規和客戶期望，新開發產品的設計指標需要基于可靠的虛擬數字孿生模型以設計空間探索的方式來確定。同時，旋轉機械與其他部件及整個系統之間的相互作用也必須要仔細評估。

 

為了支持液壓元件供應商開發高質量產品，同時縮短開發周期。Simcenter Amesim提供了多學科的系統仿真環境。用戶可以在同一環境下完成多物理、多學科、多層級的系統仿真分析工作（機械-液壓-熱管理-電磁-控制等）。         

作為時域分析的補充，Simcenter Amesim中的頻域分析工具允許您分析自由和強迫響應：如特征值和模態、根軌跡和Bode/Nyquist/Nichols圖。研究輸入（例如，泵的流量脈動）-輸出（例如，系統壓力波動）間的傳遞函數、幅值和相位。

Simcenter Amesim多層級建模方案能夠滿足產品開發不同階段對模擬分析的需求，包括:功能模型到基于三維幾何尺寸的詳細模型，準靜態模型到完全的動態物理模型。此外，Simcenter Amesim的開放性讓您可以與三維計算流體力學（CFD）分析工具耦合，實現系統仿真分析與局部詳細流體分析的方案融合。例如：復雜管路或開槽的壓力損失分析、特殊節流單元的流量系數分析，具有特殊功能通路及再生系統滑閥的液動力分析等。

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液壓建模

對于液壓建模應用，根據可獲取的仿真參數和分析物理現象的動態特性，Simcenter Amesim提供了三個專業庫，以滿足用戶的不同仿真需求。         

• 功能模型

對泵、閥門、蓄能器等部件的系統級行為特性進行描述，大部分特性數據可以通過測試或者技術規格書獲取。

• 考慮局部壓力損失的液壓阻力

由于彎頭、T形接頭和其他管道突變的幾何形狀變化而導致的系統局部損失。比如在液壓泵的詳細分析中，泵的低壓入口處在大流量時容易產生相對負壓和氣穴空化現象，此時局部管路的詳細建模分析是必須的。

• 對于復雜的管道幾何形狀，工程師可以使用（CAD）導入功能，在Simcenter Amesim中輕松建立并參數化模型
• 最后，液壓元件設計庫包括許多基于幾何尺寸的模型，以充分表示在液壓滑閥、平板閥、密封泄漏及泵中的流動路徑。這個專業庫適用于液壓元件的設計和優化。        

對于正排量泵，當CAD圖紙還不可用時，可以在前期設計階段使用完全集成的功能模型，以便在Simcenter Amesim預處理應用程序的支持下對不同的幾何選擇進行性能測試，以促進模型參數化。

一旦泵圖紙可用，CAD導入功能允許用戶通過直接檢索其幾何圖形自動生成模型并參數化泵模型。高級流體屬性的計算必須始終遵循質量和能量守恒熱力學原理，從而允許您預測可能發生的氣穴空化現象，例如：具有較高轉速的泵入口處。

對于適用于液壓泵全動力學分析的最復雜的氣穴模型，總空氣量和未溶解空氣量是根據質量守恒定律計算的獨立變量。未溶解氣體質量分數的計算，考慮空氣的氣化和溶解兩個過程，用戶可以通過定義一階滯后單元的時間常數或更復雜的算法進行仿真。

參考文獻2研究了空氣溶解動態過程對具有可調壓力設置的可變排量潤滑泵性能的影響。分離空氣的瞬時量對潤滑泵的動態性能有很大影響，這反過來決定了空氣/油混合物的有效體積模量值和壓力波動。

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氣動建模

Simcenter Amesim提供的專業庫可滿足不同的氣動模擬需求，具體取決于可用的輸入數據和要分析的動態過程。

• 對于使用單一氣體的應用，氣動庫可以處理完美、半完美和真實的氣體屬性
• 混合空氣適用于幾種氣體組分隨時間演變的介質
• 在兩相流的情況下，可以使用特定的庫來分析蒸發器或冷凝器中的流體相變現象

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應用案例

在所有不同行業中使用的泵和壓縮機技術中，本節重點介紹軸向柱塞泵和往復式壓縮機。

4.1軸向柱塞泵

軸向柱塞泵廣泛應用于車輛和工業領域，以及為噴氣式飛機的液壓系統提供動力。即使在最高壓力下，該技術也能達到較高的容積效率；此外，軸向柱塞泵適用于固定或可變排量設計。下圖顯示了帶有斜盤設計的可變排量軸向柱塞泵。一旦泵輸送壓力達到與控制閥開啟壓力相對應的最大值，則作用在斜盤上的控制活塞開始加壓并以特定方式（從左向右）移動，以減小斜盤角度β，然后減小泵的排量和流量。

將CAD文件直接導入Simcenter Amesim，泵模型可以自動生成并參數化。此外，還增加了控制閥、沖程活塞和斜盤機構，以實現斜盤調節，從而在輸送壓力達到相當于彈簧預載的值時減少泵排量。

泵模型能夠綜合分析影響它的性能的現象，例如：

• 泵柱塞的運動學
• 配油盤的開口設計（包括槽口的預緩沖槽）
• 當出現空化和氣穴現象時，尤其是在高轉速運行時，內部泄漏和粘性摩擦力以及流體壓縮性會顯著增加。上述模擬模型允許用戶優化泵設計，以減少流量和扭矩波動，改善NVH特性和效率，并確保在整個工作范圍內穩定調節排量。

有許多論文介紹了Simcenter Amesim在軸向柱塞泵設計和優化中的應用（如參考文獻3、4、5、6、7）。

4.2往復式壓縮機

往復式壓縮機是一種帶有沖程活塞的容積式機器，用于壓縮氣體并在高壓下輸送氣體。活塞由曲柄機構驅動。幾乎每個工業工廠都有壓縮機，用于產生壓縮空氣提供給不同的加工設備、氣體儲存和傳輸系統以及石油和天然氣行業使用。它們可以是單向作用或雙向作用設計。雙向作用設計的特點是在伸展和縮回過程中，活塞兩側都會發生壓縮。在高壓縮比的情況下，多個壓縮機串聯工作可實現多級壓縮。在壓縮過程中，溫度迅速升高，因此需要按比例調整熱交換器的尺寸，以避免過熱。

Simcenter Amesim當前的應用顯示了一種雙向壓縮機，具有兩級和兩個熱交換器（中間冷卻器和后冷卻器），用于溫度冷卻。

上述仿真模型允許用戶通過預測扭矩需求、了解氣體管線動態、減少泵送損失（摩擦、泄漏）和改善壓縮機傳動系統動態（模態振型、頻率響應）來改善壓縮機性能。

Simcenter Amesim使用戶能夠根據體積變化、入口和出口流速以及內部壓力評估每個腔室的性能。

在每個壓縮機的出口處，用戶可以驗證溫度水平、壓力脈動以及氣動管線對這些振蕩的阻尼或放大的影響。

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結論

Simcenter Amesim為高性能和智能的機電系統提供流體組件的建模平臺，可降低產品開發時間和成本。系統仿真有助于工程師對流體供應裝置、閥門、換熱器、執行機構和其他系統部件的動態性能進行適當的調整和優化。它還幫助您在早期階段修改現有或新的設計方案，使您能夠驗證不同工況條件和操作周期下的熱性能，并從產品設計周期開始就集成智能控制策略。

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歡迎聯系咨詢：

• 作者：景騰躍

• Email：tengyue.jing@siemens.com

         

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參考文獻：

1. J. Zhou, A. Vacca, B. Manhartsgruber. “A novel approach for the prediction of dynamic features of air release and absorption in hydraulic oils,” Journal of Fluids Engineering, ASME, September 2013, Vol. 135.

2. M. Rundo et al. “Modelling of a variable displacement lubricating pump with air dissolution dynamics,” SAE Int. J. Engines 2018, ISSN 1946-3936.

3. S. Stoll et al. “Simulation of hydraulic drive system using library elements,” Bosch Rexroth, Elchingen, Mobile Conference 2006.

4. N. Timo et al. “Active systems for noise reduction and efficiency improvement of axial piston pumps,” Bosch Rexroth, Fluid Power Motion and Control Conference 2008.

5. P. Achten et al. “A four-quadrant hydraulic transformer for hybrid vehicles,” Innas BV, 11th Scandinavian International Conference on Fluid Power 2009.

6. M. Borghi et al. “Displacement control in variable displacement axial piston swashplate type pumps,” 12th Scandinavian International Conference on Fluid Power 2011.

7. M. Rigosi et al. “Optimization of a low noise hydraulic piston pump,” Newsletter Engisoft Year 11 n°4, https://www.enginsoft.com/assets/pdf/specialissue/newsletter_modeFRONTIER.pdf         

文章來源：Simcenter 1D 系統仿真