AMEsim在液压传动课程教学中的同步应用设计

2020-11-05陈建华史文森王瑞臣

科教导刊·电子版 2020年27期

陈建华史文森王瑞臣

（海军潜艇学院山东·青岛 266199）

0 引言

液压传动课程是一门融合了机械、电子、控制等多个学科的课程，实用性强、知识面广。在人才培养方案中，液压传动课程是我院武器系统与工程和武器发射工程两个专业的必修专业背景课程，其主要作用是为后续首次任职培训相关课程的学习打下液压传动方面的理论基础。由于液压元件结构复杂、种类繁多，且系统回路的运行过程比较抽象，因此教学难度较大。如何在有限的课时内提高课程教学的效果，夯实理论基础，提高实践能力，是教学改革中要解决的重要问题。为此，在教学过程中引入液压仿真软件是一个较为有效的方法。这方面此前也有一些尝试，但并未考虑AMEsim在教学过程中的同步应用相关方法和具体问题，这正是本文主要关注的问题。

1 液压传动课程教学中面临的问题

1.1 原理复杂，学员理解存在较大困难

作为一门专业背景课程，液压传动课程中的液压流体力学、液压元件和液压回路等内容理论性比较强，且元件种类繁多、结构复杂，也无法直接观察液压回路运行情况，学员要真正理解各种液压元件和回路的原理存在较大困难。

1.2 实践偏少，创新实践能力培养不足

课程总学时有限，理论知识点多，因此不可能安排太多实践课时。而要在教学实验台上完成液压回路的搭接往往耗时较多，且出现问题时排查比较困难，这些特点决定了学员在短时间内只能勉强完成实验步骤，对液压回路的运行也只能有一个初步体验，而没有太多机会深入思考，遑论创新。这就导致对学员创新实践能力的培养严重不足，不符合高等教育的要求。

2 教学中液压仿真软件的选择

在利用计算机进行液压元件及系统仿真的相关研究和应用上，已有数十年的历史。当前，液压仿真软件已出现10余种。其中应用较多的主要有3种，分别是Simulink、FluidSIM和AMEsim。

2.1 Simulink软件

Simulink实际上是Matlab的一个模块，是基于传递函数和系统方框图来进行动态仿真的。该软件通过集成大量基本程序模块，使用户在进行建模时可以直接从基本模块库中选择所需模块，并合理设置仿真参数，从而完成控制系统的建模和仿真分析。Simulink的优点是可以直观地对液压阀进行相关结构参数优化，但缺点是建模过程中需要先列出数学方程或相应的传递函数，因此对数学基础要求较高，掌握起来难度较大。当然，Simulink毕竟不是一款专门用于液压传动仿真的软件，一般只能进行某些液压元件和部分能够用传递函数形式表达的简单回路的仿真，因此应用范围相对较小。

2.2 FluidSIM软件

FluidSIM仿真软件由一款专门用于液压、气压传动及电液压、电气动的教学培训软件，通常包含FluidSIM-H和Fluid-SIM-P两个模块，分别用于液压传动和气压传动。其主要优势是用户界面直观，采用图形操作，移动图标即可设计回路，较易掌握，特别是能够较为直观地展示对液压、气压传动系统的动作过程。但其缺点是不能进行机、电、液、气联合仿真，数据分析和处理能力相对较弱。因此更适合于教学培训中辅助理解液压原理使用。

2.3 AMEsim软件

AMESim软件是一款工程系统高级建模和仿真的综合性平台软件，但其具有强大的液压气压仿真能力。该软件首先是基于直观图形界面进行仿真建模的平台，软件内部集成了多种物理场的仿真模型，可以对很多复杂的系统进行相关特性分析。从液压与气压仿真的角度来看，其优势是既可以进行独立的液压气压元件及回路的性能和故障仿真，也可以进行机、电、液、气联合仿真，同时可以方便地与Matlab等其他软件联合仿真，且数据分析和处理功能强大。当然，在学习掌握上有一定的难度。

综上，Simulink软件对数学要求较高，仿真不直观，应用范围小，因此不适合用于课程同步教学；FluidSIM软件直观易用，若单纯从帮助学员理解液压传动原理的角度出发，Fluid-SIM比较适用，但是在学员创新实践能力和工程思维培养方面有所欠缺；而AMEsim软件虽然难度略大，但一方面其图形界面操作特性能帮助学员理解液压回路原理，同时其强大的工程仿真能力又对学员创新实践能力和工程思维培养大有裨益。因此，本文选用AMEsim软件应用于课程教学中。

3 AMEsim在课程教学中的同步应用设计

液压传动课程内容通常包括液压流体力学基础、液压元件和液压回路等，在教学过程中使用AMEsim软件可以对上述内容选取具体实例进行仿真演示，并安排学员课下完成类似仿真任务。

3.1 液压流体力学仿真

液压流体力学基础模块内容包括帕斯卡原理、伯努利方程和动量方程等。其中伯努利方程的典型应用是孔口流量计算，动量方程的典型应用是滑阀液动力计算。

以帕斯卡原理为例，利用AMEsim搭建仿真模型，如图1所示。其中元件3的负载值设置为元件1的100倍。通过适当的参数设置，可以仿真观察大液压缸4的活塞移动情况（基本不动），证明大液压缸4的输出力能够支撑外负载，也即用很小的力就能够推动很大的负载，从而验证了帕斯卡原理。

图1：帕斯卡原理仿真模型

对于孔口流量计算和滑阀液动力计算，也可以用AMEsim进行仿真，可以安排学员课下进行。

3.2 液压元件特性分析

液压元件模块内容包括液压动力元件、液压执行元件和液压控制元件等。这一部分重点在于使用AMEsim对各种典型元件进行特性分析。AMEsim软件中提供的标准液压库和液压元件设计库（HycraulicComponentDesign，HCD）都可以实现液压元件性能分析，其中利用HCD库可以由各种基本模块构造出任一元件的子模型，使AMEsim功能得到进一步拓展。

图2：减压阀仿真模型

减压阀的流量特性是指输入压力一定时，输出压力随输出流量的变化而变化的特性。当流量发生变化时，输出压力的变化越小则性能越好。影响减压阀流量特性的因素包括减压阀弹簧预紧力、弹簧刚度、阀芯质量、阻尼孔直径、初始开度及油温等，通过对模型中参数进行适当设置，可以分别对上述因素的影响进行分析，并绘制出特性曲线。

这种自主构造模型并进行特性分析的过程不仅能直接帮助学员理解元件结构和原理，更能锻炼学员创新实践能力，且在参数设置等过程中也有助于培养学员工程思维。

3.3 液压回路特性分析

液压回路模块内容包括方向控制回路、流量控制回路和压力控制回路等。这一部分重点在于使用AMEsim对各种典型回路进行原理验证和特性分析。

以进油口节流调速回路为例，利用AMEsim搭建仿真模型，如图3所示。节流调速回路的特性主要包括速度负载特性和调节特性。其中，速度负载特性反映执行元件运动速度与负载之间的关系，而调节特性则反映执行元件运动速度与节流阀通流面积之间的关系。通过对模型中参数进行适当设置，可以分别对上述特性进行仿真，并绘制出特性曲线。

图3：进油节流调速回路仿真模型

通常液压传动课程会安排液压回路搭接实验，要求学员根据给定的功能要求，设计回路并在实验台上进行搭接，验证运行情况。然而，教学用实验台通常不具备各类参数的测量功能，而且实验课时毕竟有限，不可能让学员尝试所有回路。而引入AMEsim后，可以由学员在实验课前学员完成液压回路仿真。AMEsim的数据处理功能可以让学员查看各个参数的变化情况，并根据需求绘制出特性曲线。经过仿真之后，在实验课中便能做到成竹在胸，得心应手。此外，利用AMEsim可以方便地对各种回路进行建模仿真，帮助学员全面理解各种液压回路原理。

4 AMEsim软件教学同步应用应注意的问题

将AMEsim软件引入课程教学同步应用的根本目的是促进学员对于知识的理解和提高创新实践能力，而不只是掌握软件本身的操作使用。因此，需要注意以下几个问题。

4.1 注意控制时间

控制时间包括两个方面。一是控制课上仿真演示的时间。在课堂教学中进行仿真演示，不能占用太多时间，以每次课（90分钟）进行1个仿真演示，时间不超过5分钟为宜。这就要求教员事先做好准备，演示时展示关键步骤和结果。二是控制课下仿真任务的时间。学员精力毕竟有限，教学过程中要合理布置课后理论作业和仿真任务，合理调节理论作业与仿真任务的比例，使学员既感到有一定的压力，同时又不至于过于疲累。

4.2 注意循序渐进

循序渐进也包括两个方面。一是在知识点难度上循序渐进。这可以从课程总体设计上把握，同步应用AMEsim过程中按照课程总体设计进程实施即可。二是在软件操作难度上循序渐进。AMEsim是一个功能较为复杂的工程仿真软件，对于之前几乎没有接触过大型仿真软件的本科学员来说，学习使用有一定难度。因此，在课程推进过程中，应注意在软件操作难度上由简单到复杂，由初级功能到进阶功能，使学员逐步适应。