基于Easy5和Adams的液压减振器联合仿真

张海，王成国，肖乾

(1.中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京100081;2.华东交通大学机电工程学院，江西南昌330013)

在机械系统的设计阶段预测系统的动态特性是设计人员的一个重要内容。为了得到系统动态特性，常常需要借助软件建立机械系统的数字化模型，在要求的工况下进行计算，得到预测结果，以指导系统的设计。针对不同的系统特性分析，存在着不同的分析系统。MSC.Adams和 MSC.Easy5是得到广泛应用的CAE分析软件。MSC.Adams是机械系统的分析软件，它集成机械元件、气动、液压、电子和控制系统技术，能够构建和测试虚拟原型，从而可以准确地解释这些子系统之间的相互作用。Easy5能提供准确的、可靠的多领域建模和动态物理系统模拟，尤其擅长于包括控制系统、液压系统 (包括热效应)、气动、气体流动、热、电、机械、制冷、环境控制、润滑或燃油系统、和抽样数据/离散时间行为的分析。利用这两个软件进行联合仿真可以建立接近实际的机械系统，得到准确的结果。

通常在ADAMS中使用特征创建工具建立一个机械系统或是直接从一个CAD的软件包中导入机械系统。这个机械系统可以在ADAMS中进行运动学和动力学的分析，也可以输出系统的微分方程。而Easy5为MSC.Adams模型提供了接口，可以导入Adams模型进行联合仿真。联合仿真的模型可以在4种模式下工作:

(1)函数赋值方式。在Easy5中对联合模型进行计算时，使用Easy5的求解器对Easy5的模型方程和Adams的模型方程进行求解。在求解时，作为函数求解接口，Adams返回与Easy5模型相关的状态变量和Plant变量输出，而在Easy5计算后再把状态变量和Plant变量输入返还给Adams再次进行计算。

(2)联合仿真方式。在Easy5中联合模型进行计算时，使用Easy5的求解器对Easy5的方程，同时使用Adams的求解器对Adams的模型方程进行求解。在交换数据的时候使用Communication_Interval参数进行交换。

(3)线性状态矩阵方式。在Easy5中使用Easy5的求解器对带有Adams线性状态矩阵的Easy5模型方程进行求解。此时计算方式与函数赋值方式类似。

(4)扩展系统库方式。在Easy5中把模型作为一个扩展系统库的方式导出成为一个动态链接库文件(即dll文件)，然后在Adams中使用Adams/Control把Easy5导出的动态链接库文件，作为输入库导入到Adams的模型中。最终在Adams中使用Adams的求解器进行计算。

下面以铁道车辆液压减振器为实例，开展基于Easy5和Adams联合仿真的液压减振器非线性特性研究。联合仿真模型由两部分组成:一部分是在Easy5中建立的非线性液压阻尼系统;另一部分是在Adams中建立的单自由度阻尼、弹簧、质量块振动系统。

1 在MSC.Easy5中建立非线性减振器液压模型

1.1 典型非线性减振器工作原理

图1显示的是一个典型的非线性液压减振器工作原理。当减振器拉伸时，活塞上的单向阀关闭，底阀上的单向阀开启，活塞上部拉伸腔相当于体积为A的油液经节流孔流到储油缸，同时储油缸中相当于体积为 (A+B)的油液经底阀流到活塞下部压缩腔中。当减振器压缩时，底阀上的单向阀关闭，活塞上的单向阀开启，压缩腔相当于体积为 (A+B)的油液经单向阀流到拉伸腔，其中体积A的油液留在拉伸腔，而体积为B的油液经阻尼孔留到储油缸中。

图1 典型的非线性液压减振器工作原理图

1.2 在Easy5中建立仿真模型

在建立减振器液压模型时，为了使模型简单又不影响计算精度，要进行一些假设简化:忽略一些结构辅助孔、节流能力小的孔;忽略因压力变化而引起的系统刚性构件的弹性变形和温度变化而引起的系统构件的变形;忽略系统刚性构件的弹性变形情况;忽略油液的自重;忽略活塞与工作缸之间、活塞杆与导向座之间的油液泄漏;忽略减振器在工作时引起工作油液温度的变化。

液压减振器的数值液压模型中有3个主要的元件，分别为阻尼调节阀、活塞单向阀和底阀，下面将介绍其建模过程。

(1)阻尼调节阀建模

阻尼调节阀结构如图2所示，弹簧预紧力可改变减振阻力的大小和特性。图3中点C与拉伸腔相通，而点D与储油腔相通，当拉伸腔与储油腔的压力差不足以推动已预紧弹簧时，油液从常通小孔流动(Q1);当拉伸腔与储油腔的压力差可以推动已预紧弹簧时，油液从常通小孔 (Q1)和侧隙流动 (Q2)。在Easy5中使用常通孔、单向阀和节流阀组合实现阻尼调节阀的功能，如图8中元件2所示，其中弹簧的刚度取为8.1×104N/m。

图2 阻尼调节阀结构

图3 阻尼调节阀 工作原理

(2)活塞单向阀与底阀

活塞单向阀和底阀结构如图4和图5所示，它们的结构相似，工作时都是利用阀片挡住液流，产生阻力，如图6所示。

图4 活塞结构

图5 底阀结构

图6 阀片结构

按照阀片的尺寸建立有限元模型，如图7所示，通过有限元受力分析，得到等效刚度，其中活塞单向阀阀片刚度为4.63×103N/m，底阀阀片刚度为1.65×103N/m。在Easy5中使用常通孔、单向阀组合实现活塞单向阀的功能，如图8中元件6所示;在Easy5中使用常通孔、单向阀组合实现底阀的功能，如图8中元件4所示。

图7 阀片有限元模型

表1 减振器参数

最后在EASY5中根据减振器工作原理，建立减振器的液压模型，如图8所示。

图8 减振器数值液压模型

1.3 仿真结果与试验数据的比较分析

在EASY5中对于活塞不同的速度 (5，10，20，30，40，50，60 mm/s)下进行动态仿真，其仿真示功图线如图9所示。同时减振器的试验示功图如图10所示。

图9 不同速度的仿真示功图

图10 试验示功图

试验数据与减振器仿真数据相对比如表2所示。

表2 减振器试验与仿真数据对比表

仿真阻尼力和试验阻尼力相对误差很小，最大为6.67%，最小仅为0.70%。这说明建立的EASY5模型比较精确，可以进一步进行仿真研究。

2 在MSC.ADAMS中进行机械振动系统仿真分析

2.1 ADAMS的机械振动系统模型

在Adams/View中建立单自由度质量块振动系统，并在质量块上添加一个瞬时力Ex_Froce，如图11所示，参数见表3。同时为了建立联合仿真模型，把阻尼器去除，添加一个作用力Damper_Force。创建3个状态变量:Damper_Force_mag，Damper_act_extension，Damper_act_rate，其中 Damper_Force_mag表示作用力Damper_Force的数值，Damper_act_extension表示作用力Damper_Force两端的位移，Damper_act_rate表示作用力damper_Force两端的相对速度。修改后的模型如图12所示。

图11 单自由度质量块振动系统

表3 单自由度质量块振动系统参数

图12 修改后振动系统

将修改后的模型中的状态变量分别保存成plant变量导出，系统将生成plant的adm和cmd文件，以供Easy5调用。

2.2 机械振动系统模型的仿真分析结果

设定瞬时力Ex_Froce为阶跃变量STEP(time，0，50 000，0.1，0)。仿真后得到质量块的位移变化曲线如图13所示，使用Adams/PostProcessor的FFT工具，得到质量块位移PSD图，如图14所示。可以发现模型的振动主频在3 Hz左右。

图13 质量块的位移变化曲线

图14 质量块位移PSD图

3 基于EASY5和ADAMS的机械振动系统联合仿真

3.1 联合仿真模型

在Easy5的元件库中选择Extensions扩展库，在MSC.Software元件库中选择“ADAMS Mechanism”元件。把元件拖入模型区。设置元件的属性为Adams/View导出的Plant文件，选择“Co-simulation”方式，并如图15连接Easy5模型中的元件，使得Damper_act_extension，Damper_act_rate分别与CD元件的位移和速度连接，Damper_Force_mag与CD元件的阻尼力连接。

图15 联合仿真模型

3.2 联合仿真的结果分析

分别对Easy5的模型和Adams/View中的质量块振动系统原始模型进行仿真计算，并且在Adams/Posrprocess中进行对比，结果如图16和图17。从图16和图17可知，使用Easy5描述的非线性阻尼器的模型仿真结果相对于Adams的原始模型有一个相位的滞后，这主要是由于Easy5描述的阻尼器考虑了油液的刚度，使得阻尼器在工作时有别于无刚度阻尼器。

图16 质量块位移比较图

图17 质量块移动速度比较图

4 结论

Adams具有多体动力学仿真分析的优势，Easy5具有液压和控制仿真分析的优势。Adams与Easy5的联合仿真可以更有效地进行复杂机械振动系统动力学研究。

实现了液压减振器的联合仿真，数据通过TCP/IP在两个软件之间传递，联合仿真的结果与实际试验数据基本吻合。基于ADAMS和Easy5的液压减振器联合仿真研究，可以更准确地描述液压减振器的内部物理结构与工作特性的关系，更深入研究复杂机械振动系统动力学特性。

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