amesim在防火防爆安全系統中的應用

0仿真技術的應用傳統的設計方法主要基于工程師的知識和經驗，利用實際的元件建立動態系統，在該系統上進行實驗，研究結構參數系統動態功能的影響，完成設計任務。用這種傳統的方法進行參數調節比較困難,一次成功的把握性很小,而且需要投入大量的人力、物力和時間。隨著現代科學、計算機技術及仿真理論的迅速發展,設計手段日趨先進。在工程系統的設計中,使用計算機對實際系統的動態特性進行數字仿真成為設計和研發的主流。在計算機上進行仿真實驗,研究實際物理系統的各種工作狀況,確定最佳參數匹配,使得系統和元部件的設計缺陷在產品加工成型之前即暴露出來,分析缺陷產生的原因并優化設計,大大降低了開發成本和縮短了開發周期。正是由于這種優越性,仿真技術正逐漸被各工程領域采用。AMESim為機械、流體動力和控制系統提供了一個完善、優越的仿真環境及最靈活的解決方案,使用戶能夠借助其友好的面向實際應用的方案來研究任何元件或回路的動力學特性。面向工程應用的定位使得AMESim被廣泛應用于航天、航空、船舶、兵器、汽車、工程機械和石油石化等行業。1ystms軟件簡介AMESim(advancedmodelingenvironmentforsimulationsofengineeringsystems)是法國IMAGINE公司于1995年推出的一種基于鍵合圖的高級系統建模、仿真及動態性能分析軟件,至今已經發展到AMES-im4.2版本。AMESim為用戶提供了一個圖形化的時域仿真建模環境,使用已有模型和建立新的子模型元件,構建優化設計所需的實際原型,方便用戶建立復雜系統及用戶所需的特定應用實例,通過修改模型和仿真參數,進行仿真計算、繪制曲線并分析仿真結果。1.1amesim建模鍵合圖由美國的H.M.Paynter于20世紀60年代初發明。它以圖形方式來表達系統中各元件間的相互關系,反映元件間的負載效應及系統中的功率流動情況。由功率鍵合圖可以直接寫出適于仿真的狀態方程,且與基于現代控制理論的狀態變量數學模型之間存在嚴密對應的內在邏輯關系,用這種方法為系統動態過程分析和建模提供了很大的方便。AMESim軟件采用的建模方法類似于功率鍵合圖法,但要更先進一些。相似之處在于二者都采用圖形方式來描述系統中各元件的相互關系,能夠反映元件間的負載效應及系統中功率流動情況,元件間均可反向傳遞數據。規定的變量一般都是具有物理意義的變量,都遵從因果關系;不同之處在于AMESim更能直觀地反映系統的工作原理。用AMESim建立的系統模型與系統工作原理圖幾乎一樣,而且元件之間傳遞的數據個數沒有限制,可以對更多的參數進行研究。它采用復合接口,即一個接口傳遞多個變量,簡化了模型的規模,使得不同領域模塊之間的物理連接成為可能。1.2amesim仿真模型建立的意義1)在統一的平臺上實現了多學科的系統工程的建模和仿真,包括機械、液壓、氣動、熱、電和磁等物理領域。不同領域的模塊之間直接的連接方式使得AMESim成為多學科領域系統工程建模和仿真的標準環境。2)模型庫豐富,多達14類,涵蓋了機械、液壓氣動、電氣控制、液阻、液壓氣動元件設計、熱流體、冷卻、空調、動力傳動、汽車設計等領域,所有的模型都經過嚴格的測試和實驗驗證,且采用易于識別的標準ISO圖標和簡單直觀的多端口框圖。3)建模的語言是工程技術語言,仿真模型的擴充或改變都是通過圖形用戶界面(GUI)來進行,不需要編寫任何程序代碼。AMESim使得工程師從繁瑣的數學建模中解放出來,從而專注于物理系統本身的設計。4)魯棒性極強的智能求解器能夠根據用戶所建模型的數學特性自動地在17種算法中選擇最佳的積分算法,并在不同的仿真時刻根據系統的特點動態地切換積分算法和調整積分步長,以縮短仿真時間和提高仿真精度,而內嵌式數學不連續性處理工具有效地解決了數字仿真的“間斷點”問題。5)提供了齊全的分析工具以方便用戶分析和優化自己的系統。分析工具有:線性化分析工具、模態分析工具、頻譜分析工具和模型簡化工具。6)具有動態、穩態、間斷連續以及批處理等多種仿真運行模式。7)提供了豐富的與其他軟件的接口,可與Matlab、Admas等軟件進行聯合仿真,充分利用每個軟件的特長。2基于開口組合的模擬研究2.1液壓元件的影響安全閥噴頭組合是彈庫防火防爆安全系統自動快速噴淋分系統中一種重要的液壓元件,直接關系到系統的噴淋強度和噴淋效果。為掌握安全閥噴頭組合的噴淋性能,在AMESim仿真環境下進行了4個仿真實驗。2.2模擬模型的構建和實現2.2.1安全閥螺釘復合噴淋性能的測試系統模型在AMESim草圖模式(Sketchmode)下,運用液壓元件設計庫、液阻庫和機械庫構建安全閥噴頭組合的仿真模型,并選用液壓庫提供的液壓泵和溢流閥組成一個安全閥噴頭組合噴淋性能的測試系統模型,見圖1。2.2.2模型選取模塊進入子模型模式(Submodelmode),為測試系統中的每個圖形模塊選取子模型。AMESim提供了首選子模型(Premiersubmodel)功能。2.2.3設置閥口及螺栓的參數在參數模式(Parametersmode)下,設置液壓環境、液壓泵排量、電機轉速、溢流閥調定壓力、安全閥閥芯和通徑等結構尺寸、調壓彈簧零位移受力和彈簧剛度、噴頭出流孔徑等一系列參數。2.2.4在運行模式下運行模擬進入運行模式(Runmode),設置仿真時間、仿真步長和運行方式等運行參數后,開始仿真。2.3彈簧剛度的影響和仿真實驗1)考察安全閥入口壓力與噴頭出流量之間的關系仿真實驗A:設定液壓泵排量為70mL/r,電機轉速為1000r/min,溢流閥設定壓力自0向800kPa變化,考察在原設計下的安全閥入口壓力與噴頭出流量之間的關系。該實驗采用穩態加動態仿真運行模式,仿真結果見圖2。圖2表明,要使噴頭出流量達到滿流量70L/min,安全閥入口壓力必須在405kPa以上。設定噴淋強度為≮60L/min,則艦船消防泵供水壓力經消防總管和快速噴淋管系引起壓力損失后,噴淋管系末端壓力(即安全閥入口壓力)不應<300kPa,否則無法滿足設定的噴淋強度的要求。考慮到艦船消防泵供水壓力較低,且因消防管道較長和彎曲引起的沿程壓力損失,消防管道升高引起的高度壓力損失,以及經過各液壓閥件引起的局部壓力損失,如果快速噴淋管系末端壓力小于405kPa,即系統在非滿流量狀態下運行時,為確保噴淋強度達到要求,安全閥入口壓力在300～400kPa成為仿真研究重點考察的區間。通過實物實驗數據與該仿真曲線進行認真對比,考慮到實物實驗中由測量方法引起的測量誤差,該流量曲線圖具有相當的可信度。2)考察改變安全閥內部調壓彈簧剛度對噴頭出流量的影響仿真實驗B:沿用仿真實驗A中液壓泵、電機和溢流閥的參數設定,通過改變安全閥內部調壓彈簧剛度來考察各彈簧剛度下的噴頭出流量。設定彈簧剛度依次為3000,5000,10000,15000,20000N/m。該實驗采用批處理仿真運行模式,仿真結果見圖3。其中曲線1為小于原設計彈簧剛度下的流量曲線,曲線2為原設計彈簧剛度(5000N/m)下的流量曲線,曲線3、4、5依次為逐漸大于原設計彈簧剛度下的流量曲線。圖3表明,彈簧1和彈簧2狀態下,安全閥入口壓力在300～400kPa區間內噴頭出流量相同;而彈簧3,4,5狀態下,隨著彈簧剛度的增大,噴頭出流量依次有所下降。除彈簧5剛度過大外,噴頭出流量均在405kPa達到滿流量。要達到設定的噴淋強度,彈簧3,4,5狀態下要求更高的安全閥入口壓力。通過對比,原設計彈簧剛度是較理想的選擇。本實驗運用AMESim的批處理參數功能設定模型元件的參數值,提供了一組不同參數設定值下的仿真結果,為工程師進行系統和元部件結構設計參數的優化和選擇提供了方便。3)考察安全閥內部調壓彈簧剛度與閥芯位移的關系仿真實驗C:考察在安全閥入口壓力為300kPa時,仿真實驗B中安全閥內部不同剛度調壓彈簧對應的閥芯開啟情況。仿真結果見圖4。圖4表明,彈簧1和彈簧2狀態下,300kPa入口壓力在瞬間即令安全閥閥芯達到開啟極限位置(位移2mm),只在0.01s內存在極微小的波動;而彈簧3,4,5狀態下,安全閥閥芯處于半開啟狀態,且在0.1s內存在較大的波動。同時,結合圖3可以看出,原設計安全閥噴頭組合在入口壓力300kPa時,閥芯處于完全開啟狀態下的噴頭出流量為60.3L/min。而閥芯的不完全開啟是引起大于原設計彈簧剛度的三組安全閥噴頭組合的出流量減小的主要因素。在液壓元件的設計中,掌握液壓元件閥芯的工作狀態,對分析液壓元件的動態特性,對分析液壓系統振動和噪聲產生的原因,具有一定指導意義。而通過仿真計算可以方便地取得液壓元件閥芯位移等不易計算且實物實驗不易測量的數據。本實驗同時為考察安全閥噴頭組合開啟的快速性以及對系統快速反應性的影響提供了一定參考。4)考察改變噴頭出流孔徑對噴頭出流量的影響仿真實驗D:沿用仿真實驗A中液壓泵、電機和溢流閥的參數設定,考察在原設計安全閥上換裝出流孔口面積為原面積2/3的噴頭的出流量。仿真結果見圖5。圖5表明,噴頭出流孔面積減小為原面積的2/3后,噴頭出流量有顯著的變化。安全閥入口壓力在300～400kPa這一區間內時,噴頭出流量約為原設計噴頭的78%。本實驗為在不改