液压系统仿真现状研究管理论文

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摘要：欧、美、日等国家都开发出了专用的液压成形设备。而我国在这一领域处于落后位置。在国内没有厂家能够提供板材液压成形的专用设备，此项技术在国内仍是空白。开展板材液压成形系统的研究具有重要的现实意义。

关键词：板材液压成形液压系统动态仿真

1.液压系统在成形工业中的应用

液压成形按成形方式可分为管道液压成形和板材液压成形，按有无模具分可分为有模液压成形和无模液压成形。而板材液压成形是金属塑性成形的一种新工艺，它采用液体代替传统的刚性凹模或凸模，使坯料在液体的高压作用下贴合凸模或凹模表面成形。板材液压成形能克服传统刚性凸、凹模成形工艺的不足，具有制模简单、成本低、成形极限高、成形质量好等特点，可在一道工序内成形具有复杂形状的零件，是实现汽车轻量化的重要途径之一。

最早出现的板材液压成形工艺是橡皮膜液压成形，后又发展为充液拉延工艺（又称对向液压拉延）。欧、美、日本等国家较早地开展了工艺试验研究及设备的开发工作，随后虽有一些工业应用的实例，但应用范围仍不广。二十世纪70年代中期以后，日本学者对这项工艺进行了较为细致的试验研究，提出了一些抑制破裂等成形缺陷的措施，使充液拉延工艺在日本进入了实用阶段，广泛用于反光罩、航空部件及汽车覆盖件的生产。充液拉延工艺在不断发展中形成了多种新工艺。目前日本、德国、美国等对该技术做了大量研究，已广泛应用于航空、航天、汽车、化工、机械、民用等领域。

（a）液体代替凹模（b）液体代替凸模

图1-1板材液压成形示意图

板材液压成形技术与普通成形技术相比主要具有以下特点及优点：

1)仅仅需要一套模具中的一半(凹模或凸模)，流体介质取代凹模或凸模来传递载荷以实现板材成形，这样不仅降低了模具成本，而且缩短了生产准备周期。

2)提高产品质量，显著提高产品性能:质量轻、刚度好、尺寸精度高、承载能力强、残余应力低、表面质量优良。

3)可以成形复杂薄壳零件，减少中间工序，尤其适合一道工序内成形具有复杂形状的零件，甚至制造传统加工方法无法成形的零件，材料利用率高。

4)通过液压控制系统对流体介质的控制，易于实现零件性能对成形工艺的要求，材料合理分配。

5)模具具有通用性，不同材质、不同厚度的坯料可用一副模具成形。

目前，为了适应生产需求，提高生产效率，欧、美、日等国家都开发出了专用的液压成形设备。日本于90年代初期在丰田汽车厂建成以40MIA大型充液拉延设备为中心的冲压自动生产线。瑞典还开发了配备在液压机上的充液拉延装置，该装置具有独立的液压系统，可实现高压液体的灌注、升压、保压、卸压等要求，液体压力可进行调节，调节范围为20MPa一120MPa。

目前在国内没有厂家能够提供板材液压成形的专用设备，此项技术在国内仍是空白。开展板材液压成形装备关键技术的研究，对增强我国装备技术实力，提高我国的装备制造水平，具有重要的现实意义。

在板材液压成形装备技术中，技术关键包括：

1）装备的总体配置技术：包括机身结构选择（单柱、双柱、四柱结构、框架、钢丝缠绕结构）、液压系统配置和计算机控制系统的配置等。

2）液压增压系统：包括增压系统的动态特性、密封、超高压技术等。

3）工艺过程的计算机控制：包括材料性能参数、摩擦系数的在线辩识，压边力与成形液压力的优化控制等。

在液压成型过程中，液压系统的压力设定、控制和密封对于板料成形的影响较大，而且各参数之间有很多组合，加上液压系统在成形瞬间对模具的冲击，振动等对板料的成形也有很大的影响，因此对一种零件的板料成形，其各参数的确定都比较困难。目前为得到一种具体零件的液压成形过程中液压系统各参数的设定都采用反复试验的办法，既繁琐又不经济。采用malab/simulik软件包分析一些主要的参数对板料成形性能的影响，可以在模拟之中得到液压系统各参数变化对成形工艺的影响，并获得所需参数。

板材成形数值模拟研究始于60年代对液压元件和系统利用计算机进行仿真的研究和应用已有三十年的历史。随着流体力学，现代控制理论，算法理论，可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来越成为液压系统设计人员的有力工具。

由于过去对动态特性的分析缺乏较成熟的方法，所以设计液压系统主要根据所要求的自动工作循环及静态性能。当机器制造出来以后，如发现液压系统的动态特性达不到要求，则再进行改进设计，但也缺乏理论指导，因此导致设计效率低，产品质量不高、对液压系统的动态特性进行数字仿真，可以在设计阶段预测其动态性能，经过修改设计，可以满足对系统的全面要求。这样可以大大提高设计效率和保证设计质量。

对液压系统的仿真可以使设计人员在设计阶段预测机器的性能，避免因重复试验及加工所带来的昂贵费用，可以优化系统的设计，提高机器的整体性能。算法模块作为输入液压系统的解算器，是整个仿真软件的核心。

在液压系统建模和仿真过程中需要多次调节大量的参数，以达到要求的工作曲线。在目前面世的商业仿真软件交互性均比较友好，使用时建立系统框架并不麻烦，而绝大多数时间都要花在参数的手工设定上。通过手工设定参数极大地受软件使用者个人经验地制约，而且得到地结果往往不是最优的。通常仿真只给出已有系统的响应，为了寻求最优解，需要另外安排一套寻优机制，并使它与仿真模块结合。在连续系统参数最优化方面，现在己经能做到由寻优机制自动修改系统参数，并启动仿真模块，最终获得最优解，而在离散事件系统仿真中，这种机制还处于研究阶段，比较有希望的方法是引入人工智能技术。本课题的一部分将着重于通过一定的寻优算法，为仿真系统的参数设定提供一组或几组参考值，以缩短仿真周期。

2.国外仿真软件的发展状况

70年代——1973年，第一个直接面向液压技术领域的专用液压仿真软件HYDSIM程序研制成功。它是由美国俄克拉何马州立大学推出的。该软件首次采用了液压元件功率口模型方式进行建模，并且所建模型可重复使用。1974年德国亚深工业大学开始研制液压系统仿真软件包DSH该软件建模具有面向原理图建模(模型直观和物理意义强)，模型包含非线性等优点。但有模型库依靠人工管理，新元件描述繁琐，并且对所有的容腔都取状态变量加剧了状态方程刚性，系统的阶次不容易降低，以及系统描述文件需要人工编辑等不足。不久，英国巴斯大学也开始研制液压系统仿真软件包HASP。它使用功率键合图的建模方法，采用数学模型FORTRAN子程序自动生成。面向键合图物理机理清楚，但是键合图不如原理图直观，用户还需要学习键合图方法，描述文件也需要人工编辑。另一颇具影响的仿真软件是美国麦道公司推出的液压仿真软件包。

80年代——是西欧和美国在液压仿真方面初显成效的时代.一批液压仿真软件包相继问世。首先是德国的DSH软件和英国的HASP软件研制成功。1984年美国俄克拉何马州立大学于又推出了PEERSIMo1986年芬兰坦培尔工业大学推出了CATS工M.瑞典从1986年开始研制历时八、九年的开发与完善.推出了HOSPSAN等等。这些软件虽然各具特点，但从建模原理、程序结构与功能上均未超出DSH与HASP的基本模式。

90年代——液压系统仿真软件又有了新的发展。1992年巴斯大学以全新面貌推出了NASP好的升级版BATH/FP。它追随德国的DSH面向液压原理图的特点，并加入原理图编辑模块以及有一整套模型数据库的管理功能.大大增加了友善性。在算法上，实现了自动选择算法的积分器，基于XWINDOWS/UNIX环境的良好的用户界面。但是，BATHFP仍末解决模型化简的问题，算法的自适应不够，在微机上只有一个简化版，不利于推广。1994年亚探工业大学出了DSH+的测试版软件.从中可以看出来来的软件概貌。DSH+对原来的DSH进行了彻底的改造。保留了面向液压原理图、模型库丰富的优点，增强了人机交互功能。采用WINDOWS界面;并用C++语言对软件进行重写。新模型的输入方式十分方便，模型库扩展了电子的和机械的元构件，软件在功能上有所扩展，并保持在PC上运行的方针。

3.国内液压仿真进展

正是由于液压系统动计算机仿真软件有如此重要的作用，世界各主要发达国家都积极投入研发，并都取得了较大成就，有一大批仿真软件面世。我国在这方面的起步较晚，但是在我国科研人员的努力下，在液压仿真领域的研究也取得了一定的成绩。国内不少高校和研究单位也从不同侧面进行了液压仿真软件的研究开发。浙江大学流体传动及控制实验室自一九八一年引进了德国亚深工业大学流体传动及控制研究所的液压元件及系统仿真软件DSH，对其进行了消化和移植，90年代在此基础上开发了SIMUL/ZD仿真软件;北京航空航天大学、西北工业大学等航空部院校八十年代对AFSS进行了消化和移植，并将成果转让给航空部科研院所。上海交通大学开发了面向液压系统原理的通用仿真软件HYCAD。大连理工大学用键合图法也开发了相应的仿真软件。但是最近几年，国内的液压仿真软件的发展已经落后于国外的发展，除了在模型库及算法上的不足外，尤其明显的是在用户界面上的落后。

现阶段国内的液压仿真软件在图形建模功能上取得了长足的进步，大连理工大学开发出了基于键合图技术的液压仿真软件，实现了面向液压原理图的可视化建模，该软件在Windows环境下运行，不需要其它软件的额外支持。华中理工大学开发出了基于预建模方法的面向液压原理图的液压仿真软件CHISP，该软件的图形建模是基于AutoCAD的图形建模仿真软件，但是由于基于AutoCAD的图形建模仿真软件脱离不开AutoCAD运行，造成了对硬件设备，人员素质，投资预算的额外要求。正是由于这一点，使得国内液压仿真软件在生产实践中的使用率不高，制约了我国液压行业的发展。因此开发一套基于Windows的独立的可图形建模的液压仿真软件己经拥有迫切的要求。

液压仿真是仿真技术在液压技术领域的一种应用，其起步虽然较晚，但是其在液压系统的设计中的应用对系统性能的改进与提高确发挥着越来越重要的作用。

4.结束语

在液压成型过程中，液压系统的压力设定、控制和密封对于板料成形的影响较大，而且各参数之间有很多组合，加上液压系统在成形瞬间对模具的冲击，振动等对板料的成形也有很大的影响，因此对一种零件的板料成形，其各参数的确定都比较困难。目前为得到一种具体零件的液压成形过程中液压系统各参数的设定都采用反复试验的办法，既繁琐又不经济。液压系统的仿真可以使设计人员在设计阶段预测机器的性能，避免因重复试验及加工所带来的昂贵费用，可以优化系统的设计，提高机器的整体性能。

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