液壓系統仿真現狀研究管理論文

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摘要：歐、美、日等國家都開發出了專用的液壓成形設備。而我國在這一領域處于落后位置。在國內沒有廠家能夠提供板材液壓成形的專用設備，此項技術在國內仍是空白。開展板材液壓成形系統的研究具有重要的現實意義。

關鍵詞：板材液壓成形液壓系統動態仿真

1.液壓系統在成形工業中的應用

液壓成形按成形方式可分為管道液壓成形和板材液壓成形，按有無模具分可分為有模液壓成形和無模液壓成形。而板材液壓成形是金屬塑性成形的一種新工藝，它采用液體代替傳統的剛性凹?；蛲鼓＃古髁显谝后w的高壓作用下貼合凸?；虬寄１砻娉尚?。板材液壓成形能克服傳統剛性凸、凹模成形工藝的不足，具有制模簡單、成本低、成形極限高、成形質量好等特點，可在一道工序內成形具有復雜形狀的零件，是實現汽車輕量化的重要途徑之一。

最早出現的板材液壓成形工藝是橡皮膜液壓成形，后又發展為充液拉延工藝（又稱對向液壓拉延）。歐、美、日本等國家較早地開展了工藝試驗研究及設備的開發工作，隨后雖有一些工業應用的實例，但應用范圍仍不廣。二十世紀70年代中期以后，日本學者對這項工藝進行了較為細致的試驗研究，提出了一些抑制破裂等成形缺陷的措施，使充液拉延工藝在日本進入了實用階段，廣泛用于反光罩、航空部件及汽車覆蓋件的生產。充液拉延工藝在不斷發展中形成了多種新工藝。目前日本、德國、美國等對該技術做了大量研究，已廣泛應用于航空、航天、汽車、化工、機械、民用等領域。

（a）液體代替凹模（b）液體代替凸模

圖1-1板材液壓成形示意圖

板材液壓成形技術與普通成形技術相比主要具有以下特點及優點：

1)僅僅需要一套模具中的一半(凹?；蛲鼓?，流體介質取代凹?；蛲鼓韨鬟f載荷以實現板材成形，這樣不僅降低了模具成本，而且縮短了生產準備周期。

2)提高產品質量，顯著提高產品性能:質量輕、剛度好、尺寸精度高、承載能力強、殘余應力低、表面質量優良。

3)可以成形復雜薄殼零件，減少中間工序，尤其適合一道工序內成形具有復雜形狀的零件，甚至制造傳統加工方法無法成形的零件，材料利用率高。

4)通過液壓控制系統對流體介質的控制，易于實現零件性能對成形工藝的要求，材料合理分配。

5)模具具有通用性，不同材質、不同厚度的坯料可用一副模具成形。

目前，為了適應生產需求，提高生產效率，歐、美、日等國家都開發出了專用的液壓成形設備。日本于90年代初期在豐田汽車廠建成以40MIA大型充液拉延設備為中心的沖壓自動生產線。瑞典還開發了配備在液壓機上的充液拉延裝置，該裝置具有獨立的液壓系統，可實現高壓液體的灌注、升壓、保壓、卸壓等要求，液體壓力可進行調節，調節范圍為20MPa一120MPa。

目前在國內沒有廠家能夠提供板材液壓成形的專用設備，此項技術在國內仍是空白。開展板材液壓成形裝備關鍵技術的研究，對增強我國裝備技術實力，提高我國的裝備制造水平，具有重要的現實意義。

在板材液壓成形裝備技術中，技術關鍵包括：

1）裝備的總體配置技術：包括機身結構選擇（單柱、雙柱、四柱結構、框架、鋼絲纏繞結構）、液壓系統配置和計算機控制系統的配置等。

2）液壓增壓系統：包括增壓系統的動態特性、密封、超高壓技術等。

3）工藝過程的計算機控制：包括材料性能參數、摩擦系數的在線辯識，壓邊力與成形液壓力的優化控制等。

在液壓成型過程中，液壓系統的壓力設定、控制和密封對于板料成形的影響較大，而且各參數之間有很多組合，加上液壓系統在成形瞬間對模具的沖擊，振動等對板料的成形也有很大的影響，因此對一種零件的板料成形，其各參數的確定都比較困難。目前為得到一種具體零件的液壓成形過程中液壓系統各參數的設定都采用反復試驗的辦法，既繁瑣又不經濟。采用malab/simulik軟件包分析一些主要的參數對板料成形性能的影響，可以在模擬之中得到液壓系統各參數變化對成形工藝的影響，并獲得所需參數。

板材成形數值模擬研究始于60年代對液壓元件和系統利用計算機進行仿真的研究和應用已有三十年的歷史。隨著流體力學，現代控制理論，算法理論，可靠性理論等相關學科的發展，特別是計算機技術的突飛猛進，液壓仿真技術也日益成熟，越來越成為液壓系統設計人員的有力工具。

由于過去對動態特性的分析缺乏較成熟的方法，所以設計液壓系統主要根據所要求的自動工作循環及靜態性能。當機器制造出來以后，如發現液壓系統的動態特性達不到要求，則再進行改進設計，但也缺乏理論指導，因此導致設計效率低，產品質量不高、對液壓系統的動態特性進行數字仿真，可以在設計階段預測其動態性能，經過修改設計，可以滿足對系統的全面要求。這樣可以大大提高設計效率和保證設計質量。

對液壓系統的仿真可以使設計人員在設計階段預測機器的性能，避免因重復試驗及加工所帶來的昂貴費用，可以優化系統的設計，提高機器的整體性能。算法模塊作為輸入液壓系統的解算器，是整個仿真軟件的核心。

在液壓系統建模和仿真過程中需要多次調節大量的參數，以達到要求的工作曲線。在目前面世的商業仿真軟件交互性均比較友好，使用時建立系統框架并不麻煩，而絕大多數時間都要花在參數的手工設定上。通過手工設定參數極大地受軟件使用者個人經驗地制約，而且得到地結果往往不是最優的。通常仿真只給出已有系統的響應，為了尋求最優解，需要另外安排一套尋優機制，并使它與仿真模塊結合。在連續系統參數最優化方面，現在己經能做到由尋優機制自動修改系統參數，并啟動仿真模塊，最終獲得最優解，而在離散事件系統仿真中，這種機制還處于研究階段，比較有希望的方法是引入人工智能技術。本課題的一部分將著重于通過一定的尋優算法，為仿真系統的參數設定提供一組或幾組參考值，以縮短仿真周期。

2.國外仿真軟件的發展狀況

70年代——1973年，第一個直接面向液壓技術領域的專用液壓仿真軟件HYDSIM程序研制成功。它是由美國俄克拉何馬州立大學推出的。該軟件首次采用了液壓元件功率口模型方式進行建模，并且所建模型可重復使用。1974年德國亞深工業大學開始研制液壓系統仿真軟件包DSH該軟件建模具有面向原理圖建模(模型直觀和物理意義強)，模型包含非線性等優點。但有模型庫依靠人工管理，新元件描述繁瑣，并且對所有的容腔都取狀態變量加劇了狀態方程剛性，系統的階次不容易降低，以及系統描述文件需要人工編輯等不足。不久，英國巴斯大學也開始研制液壓系統仿真軟件包HASP。它使用功率鍵合圖的建模方法，采用數學模型FORTRAN子程序自動生成。面向鍵合圖物理機理清楚，但是鍵合圖不如原理圖直觀，用戶還需要學習鍵合圖方法，描述文件也需要人工編輯。另一頗具影響的仿真軟件是美國麥道公司推出的液壓仿真軟件包。

80年代——是西歐和美國在液壓仿真方面初顯成效的時代.一批液壓仿真軟件包相繼問世。首先是德國的DSH軟件和英國的HASP軟件研制成功。1984年美國俄克拉何馬州立大學于又推出了PEERSIMo1986年芬蘭坦培爾工業大學推出了CATS工M.瑞典從1986年開始研制歷時八、九年的開發與完善.推出了HOSPSAN等等。這些軟件雖然各具特點，但從建模原理、程序結構與功能上均未超出DSH與HASP的基本模式。

90年代——液壓系統仿真軟件又有了新的發展。1992年巴斯大學以全新面貌推出了NASP好的升級版BATH/FP。它追隨德國的DSH面向液壓原理圖的特點，并加入原理圖編輯模塊以及有一整套模型數據庫的管理功能.大大增加了友善性。在算法上，實現了自動選擇算法的積分器，基于XWINDOWS/UNIX環境的良好的用戶界面。但是，BATHFP仍末解決模型化簡的問題，算法的自適應不夠，在微機上只有一個簡化版，不利于推廣。1994年亞探工業大學出了DSH+的測試版軟件.從中可以看出來來的軟件概貌。DSH+對原來的DSH進行了徹底的改造。保留了面向液壓原理圖、模型庫豐富的優點，增強了人機交互功能。采用WINDOWS界面;并用C++語言對軟件進行重寫。新模型的輸入方式十分方便，模型庫擴展了電子的和機械的元構件，軟件在功能上有所擴展，并保持在PC上運行的方針。

3.國內液壓仿真進展

正是由于液壓系統動計算機仿真軟件有如此重要的作用，世界各主要發達國家都積極投入研發，并都取得了較大成就，有一大批仿真軟件面世。我國在這方面的起步較晚，但是在我國科研人員的努力下，在液壓仿真領域的研究也取得了一定的成績。國內不少高校和研究單位也從不同側面進行了液壓仿真軟件的研究開發。浙江大學流體傳動及控制實驗室自一九八一年引進了德國亞深工業大學流體傳動及控制研究所的液壓元件及系統仿真軟件DSH，對其進行了消化和移植，90年代在此基礎上開發了SIMUL/ZD仿真軟件;北京航空航天大學、西北工業大學等航空部院校八十年代對AFSS進行了消化和移植，并將成果轉讓給航空部科研院所。上海交通大學開發了面向液壓系統原理的通用仿真軟件HYCAD。大連理工大學用鍵合圖法也開發了相應的仿真軟件。但是最近幾年，國內的液壓仿真軟件的發展已經落后于國外的發展，除了在模型庫及算法上的不足外，尤其明顯的是在用戶界面上的落后。

現階段國內的液壓仿真軟件在圖形建模功能上取得了長足的進步，大連理工大學開發出了基于鍵合圖技術的液壓仿真軟件，實現了面向液壓原理圖的可視化建模，該軟件在Windows環境下運行，不需要其它軟件的額外支持。華中理工大學開發出了基于預建模方法的面向液壓原理圖的液壓仿真軟件CHISP，該軟件的圖形建模是基于AutoCAD的圖形建模仿真軟件，但是由于基于AutoCAD的圖形建模仿真軟件脫離不開AutoCAD運行，造成了對硬件設備，人員素質，投資預算的額外要求。正是由于這一點，使得國內液壓仿真軟件在生產實踐中的使用率不高，制約了我國液壓行業的發展。因此開發一套基于Windows的獨立的可圖形建模的液壓仿真軟件己經擁有迫切的要求。

液壓仿真是仿真技術在液壓技術領域的一種應用，其起步雖然較晚，但是其在液壓系統的設計中的應用對系統性能的改進與提高確發揮著越來越重要的作用。

4.結束語

在液壓成型過程中，液壓系統的壓力設定、控制和密封對于板料成形的影響較大，而且各參數之間有很多組合，加上液壓系統在成形瞬間對模具的沖擊，振動等對板料的成形也有很大的影響，因此對一種零件的板料成形，其各參數的確定都比較困難。目前為得到一種具體零件的液壓成形過程中液壓系統各參數的設定都采用反復試驗的辦法，既繁瑣又不經濟。液壓系統的仿真可以使設計人員在設計階段預測機器的性能，避免因重復試驗及加工所帶來的昂貴費用，可以優化系統的設計，提高機器的整體性能。

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