amesim在防火防爆安全系統(tǒng)中的應(yīng)用

0仿真技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)的設(shè)計方法主要基于工程師的知識和經(jīng)驗，利用實(shí)際的元件建立動態(tài)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)系統(tǒng)動態(tài)功能的影響，完成設(shè)計任務(wù)。用這種傳統(tǒng)的方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)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(xiàn)代科學(xué)、計算機(jī)技術(shù)及仿真理論的迅速發(fā)展,設(shè)計手段日趨先進(jìn)。在工程系統(tǒng)的設(shè)計中,使用計算機(jī)對實(shí)際系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行數(shù)字仿真成為設(shè)計和研發(fā)的主流。在計算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗,研究實(shí)際物理系統(tǒng)的各種工作狀況,確定最佳參數(shù)匹配,使得系統(tǒng)和元部件的設(shè)計缺陷在產(chǎn)品加工成型之前即暴露出來,分析缺陷產(chǎn)生的原因并優(yōu)化設(shè)計,大大降低了開發(fā)成本和縮短了開發(fā)周期。正是由于這種優(yōu)越性,仿真技術(shù)正逐漸被各工程領(lǐng)域采用。AMESim為機(jī)械、流體動力和控制系統(tǒng)提供了一個完善、優(yōu)越的仿真環(huán)境及最靈活的解決方案,使用戶能夠借助其友好的面向?qū)嶋H應(yīng)用的方案來研究任何元件或回路的動力學(xué)特性。面向工程應(yīng)用的定位使得AMESim被廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶、兵器、汽車、工程機(jī)械和石油石化等行業(yè)。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(tǒng)建模、仿真及動態(tài)性能分析軟件,至今已經(jīng)發(fā)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(huán)境,使用已有模型和建立新的子模型元件,構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計所需的實(shí)際原型,方便用戶建立復(fù)雜系統(tǒng)及用戶所需的特定應(yīng)用實(shí)例,通過修改模型和仿真參數(shù),進(jìn)行仿真計算、繪制曲線并分析仿真結(jié)果。1.1amesim建模鍵合圖由美國的H.M.Paynter于20世紀(jì)60年代初發(fā)明。它以圖形方式來表達(dá)系統(tǒng)中各元件間的相互關(guān)系,反映元件間的負(fù)載效應(yīng)及系統(tǒng)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(tài)方程,且與基于現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)變量數(shù)學(xué)模型之間存在嚴(yán)密對應(yīng)的內(nèi)在邏輯關(guān)系,用這種方法為系統(tǒng)動態(tài)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(jìn)一些。相似之處在于二者都采用圖形方式來描述系統(tǒng)中各元件的相互關(guān)系,能夠反映元件間的負(fù)載效應(yīng)及系統(tǒng)中功率流動情況,元件間均可反向傳遞數(shù)據(jù)。規(guī)定的變量一般都是具有物理意義的變量,都遵從因果關(guān)系;不同之處在于AMESim更能直觀地反映系統(tǒng)的工作原理。用AMESim建立的系統(tǒng)模型與系統(tǒng)工作原理圖幾乎一樣,而且元件之間傳遞的數(shù)據(jù)個數(shù)沒有限制,可以對更多的參數(shù)進(jìn)行研究。它采用復(fù)合接口,即一個接口傳遞多個變量,簡化了模型的規(guī)模,使得不同領(lǐng)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(tǒng)一的平臺上實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科的系統(tǒng)工程的建模和仿真,包括機(jī)械、液壓、氣動、熱、電和磁等物理領(lǐng)域。不同領(lǐng)域的模塊之間直接的連接方式使得AMESim成為多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)工程建模和仿真的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。2)模型庫豐富,多達(dá)14類,涵蓋了機(jī)械、液壓氣動、電氣控制、液阻、液壓氣動元件設(shè)計、熱流體、冷卻、空調(diào)、動力傳動、汽車設(shè)計等領(lǐng)域,所有的模型都經(jīng)過嚴(yán)格的測試和實(shí)驗驗證,且采用易于識別的標(biāo)準(zhǔn)ISO圖標(biāo)和簡單直觀的多端口框圖。3)建模的語言是工程技術(shù)語言,仿真模型的擴(kuò)充或改變都是通過圖形用戶界面(GUI)來進(jìn)行,不需要編寫任何程序代碼。AMESim使得工程師從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來,從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計。4)魯棒性極強(qiáng)的智能求解器能夠根據(jù)用戶所建模型的數(shù)學(xué)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(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)動態(tài)地切換積分算法和調(diào)整積分步長,以縮短仿真時間和提高仿真精度,而內(nèi)嵌式數(shù)學(xué)不連續(xù)性處理工具有效地解決了數(shù)字仿真的“間斷點(diǎn)”問題。5)提供了齊全的分析工具以方便用戶分析和優(yōu)化自己的系統(tǒng)。分析工具有:線性化分析工具、模態(tài)分析工具、頻譜分析工具和模型簡化工具。6)具有動態(tài)、穩(wěn)態(tài)、間斷連續(xù)以及批處理等多種仿真運(yùn)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(jìn)行聯(lián)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(tǒng)自動快速噴淋分系統(tǒng)中一種重要的液壓元件,直接關(guān)系到系統(tǒng)的噴淋強(qiáng)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(huán)境下進(jìn)行了4個仿真實(shí)驗。2.2模擬模型的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)2.2.1安全閥螺釘復(fù)合噴淋性能的測試系統(tǒng)模型在AMESim草圖模式(Sketchmode)下,運(yùn)用液壓元件設(shè)計庫、液阻庫和機(jī)械庫構(gòu)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(tǒng)模型,見圖1。2.2.2模型選取模塊進(jìn)入子模型模式(Submodelmode),為測試系統(tǒng)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(shè)置閥口及螺栓的參數(shù)在參數(shù)模式(Parametersmode)下,設(shè)置液壓環(huán)境、液壓泵排量、電機(jī)轉(zhuǎn)速、溢流閥調(diào)定壓力、安全閥閥芯和通徑等結(jié)構(gòu)尺寸、調(diào)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(shù)。2.2.4在運(yùn)行模式下運(yùn)行模擬進(jìn)入運(yùn)行模式(Runmode),設(shè)置仿真時間、仿真步長和運(yùn)行方式等運(yùn)行參數(shù)后,開始仿真。2.3彈簧剛度的影響和仿真實(shí)驗1)考察安全閥入口壓力與噴頭出流量之間的關(guān)系仿真實(shí)驗A:設(shè)定液壓泵排量為70mL/r,電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min,溢流閥設(shè)定壓力自0向800kPa變化,考察在原設(shè)計下的安全閥入口壓力與噴頭出流量之間的關(guān)系。該實(shí)驗采用穩(wěn)態(tài)加動態(tài)仿真運(yùn)行模式,仿真結(jié)果見圖2。圖2表明,要使噴頭出流量達(dá)到滿流量70L/min,安全閥入口壓力必須在405kPa以上。設(shè)定噴淋強(qiáng)度為≮60L/min,則艦船消防泵供水壓力經(jīng)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(yīng)<300kPa,否則無法滿足設(shè)定的噴淋強(qiáng)度的要求?？紤]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(jīng)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(tǒng)在非滿流量狀態(tài)下運(yùn)行時,為確保噴淋強(qiáng)度達(dá)到要求,安全閥入口壓力在300～400kPa成為仿真研究重點(diǎn)考察的區(qū)間。通過實(shí)物實(shí)驗數(shù)據(jù)與該仿真曲線進(jìn)行認(rèn)真對比,考慮到實(shí)物實(shí)驗中由測量方法引起的測量誤差,該流量曲線圖具有相當(dāng)?shù)目尚哦取?)考察改變安全閥內(nèi)部調(diào)壓彈簧剛度對噴頭出流量的影響仿真實(shí)驗B:沿用仿真實(shí)驗A中液壓泵、電機(jī)和溢流閥的參數(shù)設(shè)定,通過改變安全閥內(nèi)部調(diào)壓彈簧剛度來考察各彈簧剛度下的噴頭出流量。設(shè)定彈簧剛度依次為3000,5000,10000,15000,20000N/m。該實(shí)驗采用批處理仿真運(yùn)行模式,仿真結(jié)果見圖3。其中曲線1為小于原設(shè)計彈簧剛度下的流量曲線,曲線2為原設(shè)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(shè)計彈簧剛度下的流量曲線。圖3表明,彈簧1和彈簧2狀態(tài)下,安全閥入口壓力在300～400kPa區(qū)間內(nèi)噴頭出流量相同;而彈簧3,4,5狀態(tài)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(dá)到滿流量。要達(dá)到設(shè)定的噴淋強(qiáng)度,彈簧3,4,5狀態(tài)下要求更高的安全閥入口壓力。通過對比,原設(shè)計彈簧剛度是較理想的選擇。本實(shí)驗運(yùn)用AMESim的批處理參數(shù)功能設(shè)定模型元件的參數(shù)值,提供了一組不同參數(shù)設(shè)定值下的仿真結(jié)果,為工程師進(jìn)行系統(tǒng)和元部件結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化和選擇提供了方便。3)考察安全閥內(nèi)部調(diào)壓彈簧剛度與閥芯位移的關(guān)系仿真實(shí)驗C:考察在安全閥入口壓力為300kPa時,仿真實(shí)驗B中安全閥內(nèi)部不同剛度調(diào)壓彈簧對應(yīng)的閥芯開啟情況。仿真結(jié)果見圖4。圖4表明,彈簧1和彈簧2狀態(tài)下,300kPa入口壓力在瞬間即令安全閥閥芯達(dá)到開啟極限位置(位移2mm),只在0.01s內(nèi)存在極微小的波動;而彈簧3,4,5狀態(tài)下,安全閥閥芯處于半開啟狀態(tài),且在0.1s內(nèi)存在較大的波動。同時,結(jié)合圖3可以看出,原設(shè)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(tài)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(shè)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(shè)計中,掌握液壓元件閥芯的工作狀態(tài),對分析液壓元件的動態(tài)特性,對分析液壓系統(tǒng)振動和噪聲產(chǎn)生的原因,具有一定指導(dǎo)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(shí)物實(shí)驗不易測量的數(shù)據(jù)。本實(shí)驗同時為考察安全閥噴頭組合開啟的快速性以及對系統(tǒng)快速反應(yīng)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(shí)驗D:沿用仿真實(shí)驗A中液壓泵、電機(jī)和溢流閥的參數(shù)設(shè)定,考察在原設(shè)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(jié)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(qū)間內(nèi)時,噴頭出流量約為原設(shè)計噴頭的78%。本實(shí)驗為在不改