浅谈计算机辅助技术在液压系统设计中的应用

李景阳

摘 要：液压技术是现代装备制造中一项重要技术，计算机辅助技术是现代产品设计的主要设计方式。介绍了液压系统设计的特点，分类论述了各种计算机辅助技术软件工具在液压系统设计中的应用。

关键词：计算机辅助技术；液压系统设计

引言：液压技术是机械设备中发展最快的技术之一。随着工业自动化水平的不断提高和微电子、计算机技术的飞速发展，液压传动技术不仅作为传动的一种基本形式，而且还成为一种重要的控制手段，进而形成了液压传动和液压控制系统，统称液压系统。

建国以来来特别是改革开放以来，我国的制造技术总体水平有了很大的提高，但与发达国家相比仍然存在着很大差距，特别是液压元件和液压系统设计方面与美、德等发达国家相比差距甚远，已严重制约了我国机械设备业竞争能力的提高和综合实力的增强。

由于比传统的设计方法具有无可比拟的优越性，计算机辅助技术已广泛地应用于各类尤其是复杂液压系统的設计、开发和改进过程中，目前国外很多国家已经开发出了适合液压系统设计的CAD/CAE软件，而我们国家在这方面还有很多空白。本文通过对液压系统和适合液压系统设计软件进行介绍和分析，希望对液压系统设计方法的现代化起到一定的参考作用。

一、液压系统设计的特点

由于液压系统采用流体（液压油）作为介质，所以不论是哪种液压系统，在设计上都必须要考虑到以下因素：（1）油液易泄漏；（2）油液易受污染；（3）油液的体积弹性模量随油温和混入油中的空气含量而变化。油液的黏度也随油温变化，因此油温变化对系统的性能有很大影响；（4）液压系统中的很多环节具有非线性特性，因此系统的分析和设计较电气系统复杂；（5）多学科领域：现代液压系统往往包含液压、机械、电气、电磁和控制等多方面特征。

二、计算机辅助设计技术

1950年在美国诞生了第一台计算机绘图系统，开创了计算机辅助绘图的时代，同时也开创了多种形式的计算机辅助设计时代。历经半个多世纪的发展，目前计算机辅助技术已成为机械设计中不可缺少的一个组成部分。

计算机辅助技术是采用计算机作为工具，将计算机用于产品的设计、制造和测试等过程的技术，辅助人们在特定应用领域内完成任务的理论、方法和技术。随着计算机科学技术的飞速发展，计算机辅助技术的应用领域不断扩大、应用水平不断提高，已经由最初的单学科单领域发展为现在的多学科多领域系统，满足了液压系统的多学科多领域特性。

由于液压系统的两个重要性能参数是压力和流量，这两个参数又是不可见的，再加上液压系统特点，所以针对液压系统的计算机辅助设计技术主要侧重于液压系统输出输入的整体特性，这一点与其他计算机辅助技术是不一样的，比如AUTO

cad、pro/e、UG和solidworks等软件主要侧重于零件的可视性。

采用计算机辅助技术具有降低成本、缩短设计周期等等优点，很多人已经进行过论述，不再赘述。下面将介绍几种常用的软件，除了各自本身的特点外，都具有以下共性特征：（1）都基于严格的数学模型，这是正确仿真设计的基础；（2）多学科领域特征，涵盖液压、机械、电子、电气和电磁等多领域，并且来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的；（3）为方便用户很好的进行设计，各软件都建立了良好的图形化的界面；（4）完善的结果后处理功能，强大的系统仿真分析能力，可以建立各种复杂的系统模型，包含稳态分析、线性系统分析、频域响应、根轨迹分析等完整的控制系统分析类型；（5）与其它

CAE软件良好的集成能力，可以将不同CAE软件所建立的模型集成并建立完整的虚拟样机，扩展功能。

（一）AMESim。（Advanced Modeling Environment for per

forming Simulation of engineering systems）为多学科领域复杂系统建模仿真平台。用户可以在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，也可以在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。该软件考虑了液压系统设计的各个方面，包括液压油的泄露、温度变化的影响等各个方面。工程设计师完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统，而且所有的这些来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的。

（二）Easy5。MSC Easy5是一套面向控制系统和多学科动态系统的仿真软件，用于在产品的概念和系统级设计阶段快速地建立完整、可靠的功能虚拟样机。

MSC Easy5诞生于波音公司，是由各学科领域富有经验的工程师和数值计算专家根据实际的工程问题和需求合作开发的，经过近30年的不断积累和大量工程问题的检验，发展成为控制与多学科动态系统仿真分析工具，被广泛应用于航空航天、国防、汽车、工程设备、重型机械等工业领域。借助MSC

Easy5强大的专业应用库、精确的模型元件、性能卓越的求解器和丰富的分析手段，可以建立控制及多种学科领域的动态系统模型，进行有效的仿真评价，帮助用户对各类系统进行参数选定、功能评价、响应分析或控制逻辑设计，从而减少物理样机试制的风险。

（三）SimulationX。SimulationX 是一款分析评价技术系统内各部件相互作用的权威软件，是多学科领域建模、仿真和分析的通用CAE工具，并具有强大标准元件库，这些元件库包括：

1D力学 、3D多体系统、动力传动系统、液力学、气动力学、热力学、电子学、电驱动、磁学和控制。

（四）Automation Studio。瑞典从1977年开始研制，历时8年推出该液压系统仿真软件。该软件的建模方法是元传输线法，源于特征法和传输线建模。这种方法特别适合并行计算，从而提高计算速度和实现分布计算功能。在传输线方法上增加了可变时间步长法，解决系统的刚性和断点问题，与键合图法（BOND

GRAPH）相比，键合图法只能描述元件间的连接关系，不能反映元件间的因果关系，而传输线法能够描述出元件间的因果关系。该软件也拥有图形建模功能，元件图采用WMF图元文件格式，新版本的软件增加了WMF图元文件编辑器。它的图形建模功能较好，界面友好，编辑方便，效率很高，速度快；有系统连接时可合理性的判断，对错误的连接方式可以在一定程度上避免。可以方便地更改元件的图形文件，实现元件图的转换。该软件有图形元件库，元件库元素可以动态添加，用户可以编辑软件，设定元件图形，连接用的油口，以及用于仿真计算的变量等。

（五）20-sim。基于荷兰Twente大学控制工程系研发的机电一体化设计软件20-sim，编制了卡尔曼滤波器和最优状态反馈模块。在实例模型中，首先利用20-sim建立了控制系统图标化模型。在此基础上，应用了最优状态反馈控制和卡尔曼滤波器模块，构成了完整的LQG控制系统。仿真结果理想的显示了控制效果。由此可见，基于20-sim建模与仿真方法直观简便，为控制系统的建模与仿真提供了新的思路。

（六）FluidSIM。软件由德国Festo公司 Didactic 教学部门和Paderborn大学联合开发，是专门用于液压与气压传动的教学软件，FuidSIM软件分两个软件，其中FluidSIM-H用于液压传动教学，而FluidSIM-P用于气压传动教学。

另外，除了以上软件，还有许多cae软件带有液压模块，如老版本adams2005里就有液压模块，也可以通过数学软件建模，如matlab/simulink。

结论：计算机辅助设计技术在工业产品设计中起到的作用目共睹，由于计算机辅助技术具有传统设计方法无法比拟的优点，已经成为制造业领域最主要的设计方式。总之，计算机辅助设计技术在液压系统设计中的应用已由点及面，应用前景越来越好。

参考文献：

[1] 余佑官.AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[J].液压气动与密封，2005.3：28-31.

[2] 陈跃坡.EASY5仿真技术及其在液压系统中的应用[J].机床与液压，2008.4：149-151.