Simcenter Amesim在流体部件开发上的应用--液压泵/压缩机
01
—
背景
如今，旋转机械供应商需要满足各种日益严苛的法规标准，例如：振动噪声（NVH），排放和安全，能耗及运营。在这种具有挑战性的行业背景环境中，系统仿真解决方案可以支持客户在研发的早期对产品和系统的设计选择进行正确的评估。
旋转机械的性能需要满足多个相互矛盾的技术要求。为了保证同时满足法规和客户期望，新开发产品的设计指标需要基于可靠的虚拟数字孪生模型以设计空间探索的方式来确定。同时，旋转机械与其他部件及整个系统之间的相互作用也必须要仔细评估。
为了支持液压元件供应商开发高质量产品，同时缩短开发周期。Simcenter Amesim提供了多学科的系统仿真环境。用户可以在同一环境下完成多物理、多学科、多层级的系统仿真分析工作（机械-液压-热管理-电磁-控制等）。
作为时域分析的补充，Simcenter Amesim中的频域分析工具允许您分析自由和强迫响应：如特征值和模态、根轨迹和Bode/Nyquist/Nichols图。研究输入（例如，泵的流量脉动）-输出（例如，系统压力波动）间的传递函数、幅值和相位。
Simcenter Amesim多层级建模方案能够满足产品开发不同阶段对模拟分析的需求，包括:功能模型到基于三维几何尺寸的详细模型，准静态模型到完全的动态物理模型。此外，Simcenter Amesim的开放性让您可以与三维计算流体力学（CFD）分析工具耦合，实现系统仿真分析与局部详细流体分析的方案融合。例如：复杂管路或开槽的压力损失分析、特殊节流单元的流量系数分析，具有特殊功能通路及再生系统滑阀的液动力分析等。
02
—
液压建模
-
功能模型
对泵、阀门、蓄能器等部件的系统级行为特性进行描述，大部分特性数据可以通过测试或者技术规格书获取。
-
考虑局部压力损失的液压阻力
由于弯头、T形接头和其他管道突变的几何形状变化而导致的系统局部损失。比如在液压泵的详细分析中，泵的低压入口处在大流量时容易产生相对负压和气穴空化现象，此时局部管路的详细建模分析是必须的。
-
对于复杂的管道几何形状，工程师可以使用（CAD）导入功能，在Simcenter Amesim中轻松建立并参数化模型 -
最后，液压元件设计库包括许多基于几何尺寸的模型，以充分表示在液压滑阀、平板阀、密封泄漏及泵中的流动路径。这个专业库适用于液压元件的设计和优化。
一旦泵图纸可用，CAD导入功能允许用户通过直接检索其几何图形自动生成模型并参数化泵模型。高级流体属性的计算必须始终遵循质量和能量守恒热力学原理，从而允许您预测可能发生的气穴空化现象，例如：具有较高转速的泵入口处。
对于适用于液压泵全动力学分析的最复杂的气穴模型，总空气量和未溶解空气量是根据质量守恒定律计算的独立变量。未溶解气体质量分数的计算，考虑空气的气化和溶解两个过程，用户可以通过定义一阶滞后单元的时间常数或更复杂的算法进行仿真。
参考文献2研究了空气溶解动态过程对具有可调压力设置的可变排量润滑泵性能的影响。分离空气的瞬时量对润滑泵的动态性能有很大影响，这反过来决定了空气/油混合物的有效体积模量值和压力波动。
—
气动建模
Simcenter Amesim提供的专业库可满足不同的气动模拟需求，具体取决于可用的输入数据和要分析的动态过程。
-
对于使用单一气体的应用，气动库可以处理完美、半完美和真实的气体属性 -
混合空气适用于几种气体组分随时间演变的介质 -
在两相流的情况下，可以使用特定的库来分析蒸发器或冷凝器中的流体相变现象
04
—
应用案例
在所有不同行业中使用的泵和压缩机技术中，本节重点介绍轴向柱塞泵和往复式压缩机。
轴向柱塞泵广泛应用于车辆和工业领域，以及为喷气式飞机的液压系统提供动力。即使在最高压力下，该技术也能达到较高的容积效率；此外，轴向柱塞泵适用于固定或可变排量设计。下图显示了带有斜盘设计的可变排量轴向柱塞泵。一旦泵输送压力达到与控制阀开启压力相对应的最大值，则作用在斜盘上的控制活塞开始加压并以特定方式（从左向右）移动，以减小斜盘角度β，然后减小泵的排量和流量。
将CAD文件直接导入Simcenter Amesim，泵模型可以自动生成并参数化。此外，还增加了控制阀、冲程活塞和斜盘机构，以实现斜盘调节，从而在输送压力达到相当于弹簧预载的值时减少泵排量。
泵模型能够综合分析影响它的性能的现象，例如：
-
泵柱塞的运动学 -
配油盘的开口设计（包括槽口的预缓冲槽） -
当出现空化和气穴现象时，尤其是在高转速运行时，内部泄漏和粘性摩擦力以及流体压缩性会显著增加。上述模拟模型允许用户优化泵设计，以减少流量和扭矩波动，改善NVH特性和效率，并确保在整个工作范围内稳定调节排量。
有许多论文介绍了Simcenter Amesim在轴向柱塞泵设计和优化中的应用（如参考文献3、4、5、6、7）。
往复式压缩机是一种带有冲程活塞的容积式机器，用于压缩气体并在高压下输送气体。活塞由曲柄机构驱动。几乎每个工业工厂都有压缩机，用于产生压缩空气提供给不同的加工设备、气体储存和传输系统以及石油和天然气行业使用。它们可以是单向作用或双向作用设计。双向作用设计的特点是在伸展和缩回过程中，活塞两侧都会发生压缩。在高压缩比的情况下，多个压缩机串联工作可实现多级压缩。在压缩过程中，温度迅速升高，因此需要按比例调整热交换器的尺寸，以避免过热。
Simcenter Amesim当前的应用显示了一种双向压缩机，具有两级和两个热交换器（中间冷却器和后冷却器），用于温度冷却。
上述仿真模型允许用户通过预测扭矩需求、了解气体管线动态、减少泵送损失（摩擦、泄漏）和改善压缩机传动系统动态（模态振型、频率响应）来改善压缩机性能。
Simcenter Amesim使用户能够根据体积变化、入口和出口流速以及内部压力评估每个腔室的性能。
在每个压缩机的出口处，用户可以验证温度水平、压力脉动以及气动管线对这些振荡的阻尼或放大的影响。
05
—
结论
Simcenter Amesim为高性能和智能的机电系统提供流体组件的建模平台，可降低产品开发时间和成本。系统仿真有助于工程师对流体供应装置、阀门、换热器、执行机构和其他系统部件的动态性能进行适当的调整和优化。它还帮助您在早期阶段修改现有或新的设计方案，使您能够验证不同工况条件和操作周期下的热性能，并从产品设计周期开始就集成智能控制策略。
欢迎联系咨询：
作者：景腾跃
Email：tengyue.jing@siemens.com
参考文献：
1. J. Zhou, A. Vacca, B. Manhartsgruber. “A novel approach for the prediction of dynamic features of air release and absorption in hydraulic oils,” Journal of Fluids Engineering, ASME, September 2013, Vol. 135.
2. M. Rundo et al. “Modelling of a variable displacement lubricating pump with air dissolution dynamics,” SAE Int. J. Engines 2018, ISSN 1946-3936.
3. S. Stoll et al. “Simulation of hydraulic drive system using library elements,” Bosch Rexroth, Elchingen, Mobile Conference 2006.
4. N. Timo et al. “Active systems for noise reduction and efficiency improvement of axial piston pumps,” Bosch Rexroth, Fluid Power Motion and Control Conference 2008.
5. P. Achten et al. “A four-quadrant hydraulic transformer for hybrid vehicles,” Innas BV, 11th Scandinavian International Conference on Fluid Power 2009.
6. M. Borghi et al. “Displacement control in variable displacement axial piston swashplate type pumps,” 12th Scandinavian International Conference on Fluid Power 2011.
7. M. Rigosi et al. “Optimization of a low noise hydraulic piston pump,” Newsletter Engisoft Year 11 n°4, https://www.enginsoft.com/assets/pdf/specialissue/newsletter_modeFRONTIER.pdf
文章来源：Simcenter 1D 系统仿真
当前暂无评论，小编等你评论哦！
