Python与AMESim在液压与气动实践教学中的应用

张啟晖 李聪 杨丽荣 黄武新 江涛

[摘 要]液压与气动课程是机械电子工程专业重要的专业必修课，并且课程重点在于讲解液压与气动在工程实际中的应用，而课程实验设备异于损坏，许多实例不便于实验，而学生面对理论知识难于理解，为此运用AMESim仿真平台，基于python构建液压与气动实践教学，拓展学生多学科多软件的应用，以液压元件减压阀为例，说明实践课程教学方法，学生在AMESim平台下的交互操作，从而培养学生的液压实践技能，启发学生对液压与气压传动的兴趣。

[关键词]液压与气动;python;AMESim;减压阀

[基金项目]2019年江西理工大学虚拟仿真实验教学项目“基于Python的液压与气动虚拟仿真实践课程的研究”（XZG-18-14-82）

[作者简介]张啟晖（1986—），男，福建宁化人，工学博士，江西理工大学讲师，主要从事流体传动与控制研究。

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）47-0-02[收稿日期] 2020-05-29

一、引言

液压与气动课程是机械工程专业下较为重要的一门课程，具有一定的理论和实践的课程。随着科技的发展，本科教育方式方法也在发生翻天覆地的变化，在工程教育领域就提到了需要用现代的工具应用到实际的教学中，如今在液压与气动领域内有许多的软件，如AMESim、FluidSIM、Matlab、Fluent、Python等。这些软件在液压与气动领域中，不管是工程还是研究都得到了大量的应用[1-3]。在传统的教学中，采用的教学方法或者设备不能直观地让学生理解液压与气动元件或者回路的原理以及特性，教师需要大量的学时去讲解，而如果在教学中合理地采用现代工具软件，将极大地提高教学效果，拓宽教师的教学方法，能够激发学生的学习热情。

当前，国内许多高校教师也开展将现代工具与教学的研究。陈敏捷等人在Android平台下设计了液压虚拟实验系统，并在课堂上进行了应用。童和平等人使用了FluidSIM仿真软件在液压气动教学中进行了应用。太原理工大学的王东成等人使用CATIA和AMESim的联合引入了液压与气动的教学当中。内蒙古工业大学的刘志刚等人在Unity3D的平台下开发了液压元件的虚拟交互平台，并在教学中进行了实践应用。

在液压与气动这门课程的实验教学中，通常都安排拆装液压元件的实物，而各个院校受限于场所与数量，同时液压元件在多次拆装后性能和使用都会受到损坏，导致液压元件更换频率较大。为此本文以python为基础，结合AMESim构建液压与气动虚拟仿真实践教学平台，通过课程实验培养学生的液压实验技能，启发学生对液压与气压传动的学习兴趣。

二、液压与气动的实践教学

液压与气动在实践教学中由于实验设备的约束以及场地的限制，难以满足所有学生都能充分参与到实验中，这样造成了实践教学效果欠佳。AMESim是德国Siemens公司旗下的一款以多学科多领域的建模仿真软件，在AMESim中集成了一整套Python软件，同时也集成Qt库，因此在AMESim软件中能够实现液压与气动虚拟仿真实践教学平台的开发。

在液压与气动课程中引入AMESim和Python的教学，可以综合学生的能力，结合三维建模软件建立液压元件三维模型，利用AMESim软件使得学生对液压元件结构的进一步理解，在Python语言下培养学生的编程能力，聚合各个软件的优势，使学生在学习液压与气动知识的同时，能够进一步加深学生对所学专业软件的理解。

三、实践教学方法

基于Python与AMESim的液压与气动虚拟仿真实践教学中涉及较多的知识点，并且操作实例覆盖广泛，因此以常见的液压与气动课程中液压控制元件减压阀为例，进行说明。

（一）教学目的

使学生掌握减压阀的结构，重点掌握减压阀的工作原理，了解减压阀的压力流量特性。常见减压阀结构如图1所示。

（二）实施过程

（1）复习：将液压与气动理论课上所授知识进行简单回顾。（2）引入：引领学生以设计者的身份，启动学生的思维，使他们进入积极的状态，提出设计减压阀的目标，通过师生讨论方式进入课堂。（3）教学：以设计者的思维对Python进行讲解，如对于减压阀需要了解阀的结构，掌握阀的工作原理，最后通过AMESim仿真方式对减压阀的特性进行测试。（4）巩固练习：学生可以在Python平台上读取减压阀的三维图片，了解阀的三维结构，通过对结构的分析，设计减压阀的结构参数，并且在减压阀的仿真模型中设置相关参数，在AMEsim仿真回路中设置系统参数，对减压阀的特性进行仿真分析，最后对结果进行分析和处理。（5）课堂总结：以设计者的身份再一次对减压阀的设计过程进行梳理，对重点再一次进行总结，使学生加深印象。

四、Python与AMESim的实践操作

（一）实验方法描述

学生通过对规定的教学内容的学习，掌握液压和气动中的重要知识点，熟练运用相关的专业软件，达到合理设计液压元件和回路的要求。

（二）在AMESim平台下交互性操作

1.读取三维模型图片。通过三维软件建立液压控制元件和传统液压回路的三维模型，导出两者的图片，学生需要通过Python在AMESim平台下交互读取相应的三维图片，从而首先能够直观地看到研究对象的结构。

2.分析二维结构图。对三维结构有直观的了解后，可以读取相应研究对象的二维结构图，并且可以同三维模型图进行对比分析，一方面可以加深学生印象，另一方面也可以锻炼学生的空间思维，训练从三维到二维的转换思维。

3.对元件或液压回路的原理进行理解和分析。对液压基本回路和典型系统的原理图进行分析，一方面理解液壓回路的工作原理，另一方面加深液压元件在液压回路中的作用。

4.分析AMESim仿真模型。在AMESim平台上展示液压元件或者液压回路的仿真模型，对仿真模型进行学习。训练学生分析如何从结构到仿真模型的建立，在训练过程中进一步加深对课堂中的学到的理论知识的理解。

5.对仿真模型进行运算。利用Python读取AMESim模型，对模型参数设置，并要对阀的结构参数进行合理的运算，通过一些经验公式或者使现有的元件的拆解和测量得到数值，在此基础上可以在合理范围内设置多个参数数值。设置仿真计算的仿真步长和时间，并且在实践中可以设置不同的步长和时间，便于后面对结果的对比分析。

6.分析和处理模型结果。仿真计算结束后，就可以根据需要去获取相應的结果数据，如阀的压力数据或者流量数据。将得到的数据结果可以通过Python绘制相应的压力和流量曲线，并且对不同的设置参数得到的不同的结果曲线进行对比，分析不同参数对结果的影响规律。

五、结语

Python与AMESim在液压与气动实践教学中的应用，实现了信息技术与实验教学的深度融合，以项目化教学的形式将液压与气动这门课程的理论与实践有机结合，实现教学内容和方式的多样化。通过对液压元件和液压回路的AMESim仿真实验，将设计过程中对这些元件和回路的结构、仿真和分析，转化为可操作、常规化、可视化的虚拟仿真实验。同时在这过程中需要同现有的一些元件进行对比和分析，达到实验过程能实不虚、虚实结合、理论与实践相结合的教学模式和教学效果，培养学生的专业技能综合能力和课题研究能力。

参考文献

[1]张龙，王世伟.AMESim软件在机械原理课程教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2019（08）：193-194.

[2]王强，刘玉科.基于SimHydraulics的某飞机起落架液压系统建模与故障仿真[J].液压与气动，2020（04）：123-129.

[3]侯宗宗，郭雨菲.基于FLUENT的过滤器滤网流场模拟计算[J].船舶，2020，31（02）：58-62.

Abstract： Hydraulics and Pneumatics is an important compulsory course for mechanical and electrical engineering majors. The focus of the course is to explain the application of hydraulics and pneumatics in engineering practice. The experiment equipment is easy to damage. Many examples are not easy to experiment， and students feel that it is difficult to understand the theoretical knowledge. Therefore， the AMESim simulation platform is used to build hydraulic and pneumatic practice teaching based on Python to expand the application of multi-disciplinary and multi-software. Take the hydraulic component pressure relief valve as an example to illustrate the teaching method of the practical course. The interactive operation of students on the AMESim platform realizes the interactive simulation technology based on AMESim and Python， and cultivates the application of computer technology in hydraulic practice. And it can cultivate students' hydraulic practical skills and inspire students' interest in hydraulic and pneumatic transmission.

Key words： Hydraulic and Pneumatic; Python; AMESim; pressure relief valve