基于ADAMS和AMESim軟件的艦艇某裝置啟閉建模及優(yōu)化

賴浩凱，樓京俊，孫炯，祝勇

1 中國人民解放軍92962部隊，廣東廣州 510200

2 海軍工程大學(xué)船舶振動噪聲重點實驗室，湖北武漢 430033

3 海軍工程大學(xué)科研部，湖北武漢 430033

0 引 言

隨著高新技術(shù)武器系統(tǒng)的發(fā)展，不具備隱身性能的艦艇將易于遭受攻擊。由此，隱身性能已成為評價艦艇先進(jìn)性的重要指標(biāo)。當(dāng)前,存在的問題是：當(dāng)艦艇某裝置在采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動（完全開啟）時，其蓋板會與止擋板發(fā)生碰撞并產(chǎn)生較大沖擊噪聲，從而對艦艇隱身性能造成嚴(yán)重影響。

針對上述問題，周志才等［1］通過建立艦艇某裝置啟閉數(shù)學(xué)模型來研究其機械結(jié)構(gòu)，并基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低該裝置的啟閉噪聲。但是，其缺陷在于噪聲降幅有限，且無法對已列裝使用的裝置進(jìn)行改進(jìn)。胡名璽等［2］通過在裝置啟閉時的止擋位置處增設(shè)橡膠抗沖墊來降低噪聲，這樣雖有一定降幅，但也不能從根本上解決裝置在開啟時出現(xiàn)噪聲過大的問題，且橡膠墊在復(fù)雜環(huán)境下壽命有限，需經(jīng)常進(jìn)行檢查與更換，故會增加使用人員的工作量。謝地等［3］基于液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而降低裝置在啟閉時發(fā)出的噪聲。但是，該方案也無法實現(xiàn)對恒壓源下的液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制?；诖?，本文擬采用ADAMS和AMESim軟件來建立艦艇某裝置的啟閉模型，并計算其在開啟時所受到的沖擊力和沖擊加速度。同時，在此基礎(chǔ)上還對恒壓源的液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以減小該裝置在開啟時所受到的沖擊力［4-6］，進(jìn)而為降低其沖擊噪聲提供一種思路。

1 裝置啟閉建模

圖1為艦艇某裝置啟閉結(jié)構(gòu)原理圖，液壓缸活塞主要通過拉桿和導(dǎo)向筒轉(zhuǎn)動曲柄，曲柄花鍵端套在花鍵軸上部的花鍵上，另一端則用銷柱與拉桿相連，且拉桿后部與導(dǎo)向活塞相連。由于曲柄和拉桿的這種關(guān)系，使得導(dǎo)向活塞的前后運動變成了花鍵軸與轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動，從而可驅(qū)動蓋板進(jìn)行開啟或關(guān)閉。艦艇某裝置開啟可視為一個由液壓缸控制的四連桿機構(gòu)，其中蓋板為處于開啟與關(guān)閉狀態(tài)下艦艇某裝置在Solidworks軟件中的模型，如圖2所示。

圖1 裝置啟閉結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the opening and closing device on ship

圖2 裝置啟閉時，在Solidworks軟件中的建模Fig.2 Model of the opening and closing device based on Solidworks software

ADAMS作為經(jīng)典運動學(xué)仿真軟件，主要用于進(jìn)行動力學(xué)分析［7］；而AMESim則是常用的液壓仿真軟件，主要用于液壓系統(tǒng)建模與優(yōu)化［8］。現(xiàn)在，通過采用ADAMS軟件對系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析，然后在AMESim軟件上實現(xiàn)液壓系統(tǒng)優(yōu)化。并且，在仿真過程中應(yīng)將AMESim軟件作為主控軟件，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換［9］。

1）在Solidworks軟件中建立艦艇某裝置在啟閉時，其運動機構(gòu)各零部件的模型。然后，將其parasolid格式的圖形文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中。

2）設(shè)置各部件的質(zhì)量和材料參數(shù)，添加相應(yīng)的鉸鏈約束以及滑動約束和驅(qū)動，并完成艦艇某裝置在啟閉時的運動機構(gòu)裝配。首先，設(shè)置仿真平臺相應(yīng)的輸入輸出參數(shù)，在ADAMS軟件中調(diào)用control模塊，并新建2個變量Mea.F和Mea.A。其中，Mea.F為ADAMS的輸入變量，代表液壓缸作用在連桿上的力；Mea.A為ADAMS的輸出變量，代表蓋板開啟時的角速度。然后，通過Adams/Controls Plant Export輸出 3個文件，即“.inf”，“.adm”和“.cmd”。這3個文件分別為：AMESim中的導(dǎo)入接口模塊的導(dǎo)入文件、控制數(shù)據(jù)文件和命令程序。通過AMESim軟件將可識別“*.inf”文件用于建立ADAMS軟件與AMESim軟件的接口，以用于下一步導(dǎo)入在AMESim軟件中生成的機液聯(lián)仿模塊［10］。

3）根據(jù)液壓控制系統(tǒng)原理圖，并利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。首先，導(dǎo)入上一步ADAMS軟件生成的“*.inf”文件。然后，在導(dǎo)入過程中，可以從彈出的common按鈕區(qū)內(nèi)看到接口模塊的名稱、仿真步長、動態(tài)分析等信息，并在仿真模式中選擇連續(xù)模式。最后，將接口模塊中的輸入變量與AMESim中的相關(guān)部件連接，從而完成模型創(chuàng)建。

圖3 液壓系統(tǒng)在AMESim軟件中的建模Fig.3 Model of hydraulic system based on AMESim software

2 仿 真

在進(jìn)行液壓系統(tǒng)優(yōu)化之前，首先需要驗證模型的正確性。艦艇某裝置在啟閉時，其液壓系統(tǒng)采用壓力為8 MPa的恒壓泵，液壓缸工作面積為20 cm2，其零部件中的蓋板質(zhì)量為200 kg，蓋板旋轉(zhuǎn)半徑為0.76 m。開啟過程中，蓋板頂端初始速度為0，切線加速度為0.2g（g為重力加速度），持續(xù)時間0.4 s。根據(jù)實際工況對模型進(jìn)行仿真，選取流量為400 cm3/s的定量泵，旁通壓力8 MPa，蓋板開啟阻力2 kN，開啟阻尼2000 N·s/m，液壓缸行程1.5 m，碰撞接觸剛度1.7×108N·m，碰撞指數(shù)1.5，最大阻尼系數(shù)3×105N·s/m，切入深度0.1 mm，來計算開啟過程中蓋板的切線加速度以及碰撞時止擋板處的沖擊力，其中仿真時間設(shè)定為18 s，仿真步長0.01 s。

圖4為蓋板切向加速度試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，其中A為加速度，圖中可以看出，11.5 s處該裝置的蓋板與止擋板發(fā)生碰撞。試驗沖擊加速度5.2g，仿真沖擊加速度6.2g，誤差19.2%。

圖4 蓋板切線加速度試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.4 Comparison of tangential acceleration response at cover board which obtained by measurement and simulation

圖5為止擋板處的沖擊力試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，圖中可以看出，該裝置的蓋板與止擋板發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的沖擊力時間歷程圖曲線基本一致。試驗沖擊力17.7 kN，仿真沖擊力22.1 kN，誤差24.8%。由于碰撞過程復(fù)雜，模型中微小的參數(shù)變化都會引起結(jié)果改變，30%以內(nèi)的誤差在正常范圍內(nèi)。因此，基于ADAMS和AMESim軟件建立的艦艇某裝置啟閉模型與參數(shù)選擇是正確的，可以基于該模型開展相關(guān)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計。

圖5 止擋板處的沖擊力試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.5 Comparison of impact force response at stripper backing plate which obtained by measurement and simulation

3 液壓控制系統(tǒng)優(yōu)化

艦艇某裝置開啟時噪聲過大是因為沖擊力過大造成的，而沖擊力則是由蓋板碰撞止擋板造成的。由此可知，若能降低蓋板碰撞前的速度，就能降低開啟噪聲。但必須注意的是，在實際使用中該裝置的開啟時間是有規(guī)定的，必須在規(guī)定時間內(nèi)完成開啟操作。

原液壓系統(tǒng)僅能簡單實現(xiàn)蓋板的開啟和關(guān)閉，并不能控制蓋板開啟過程中的速度，其控制方案如圖6所示。

圖6 原液壓系統(tǒng)控制方案Fig.6 Original hydraulic system control method

設(shè)計一套基于接近開關(guān)的控制系統(tǒng)，控制原理如圖7所示。將原液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥更換為無沖擊電磁換向閥，并在液壓推桿機構(gòu)的機械定位點和定位點前安裝接近開關(guān)，改進(jìn)后控制方案如圖8所示。當(dāng)蓋板與止擋板接近時，接近開關(guān)向電控系統(tǒng)發(fā)出信號，控制換向閥閥口減小，當(dāng)閥口減小到一定程度后需保持該開度。當(dāng)推桿到達(dá)最大行程，即蓋板與止擋板碰撞時，將觸發(fā)另一個接近開關(guān)，控制電磁換向閥完全關(guān)閉。

圖7 改進(jìn)后液壓系統(tǒng)控制原理Fig.7 Improved hydraulic system control theory

圖8 改進(jìn)后液壓系統(tǒng)控制方案Fig.8 Improved hydraulic system control method

對改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，選取接近開關(guān)安裝于拉桿移動到最大行程前的15 cm處，無沖擊電磁換向閥完全開啟到閉合的時間設(shè)定為1 s，減小后的閥口開度設(shè)置為原開度的1/3。通過仿真模型對比來優(yōu)化前后的蓋板切線加速度和止擋板處沖擊力，以檢驗實際控制效果，優(yōu)化前后仿真數(shù)據(jù)如圖9和圖10所示。

圖9 優(yōu)化前后蓋板切線加速度對比Fig.9 Comparison of tangential acceleration reponse at cover board before and after optimization

圖10 優(yōu)化前后止擋板沖擊力對比Fig.10 Comparison of impact force at stripper backing plate before and after optimization

由仿真結(jié)果可以看出，通過對電磁閥進(jìn)行控制，總時長增加了1.2 s，可滿足裝置的時間開啟要求。但是，其最大沖擊加速度降低了58.1%（從6.2g降低至2.6g），最大沖擊力降低了60.1%（從22.1 kN降低至9.6 kN）。因此，碰撞產(chǎn)生的沖擊噪聲過大問題可以得到改善。

4 結(jié) 語

采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動的艦艇某裝置在完全開啟時，其蓋板會與止擋板發(fā)生碰撞，并產(chǎn)生過大的沖擊噪聲。針對該問題，本文采用ADAMS和AMESim軟件聯(lián)合建立該裝置的啟閉模型，計算其蓋板與止擋板碰撞時所受到的沖擊加速度和沖擊力，并將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比（其中，沖擊加速度誤差19.2%，沖擊力誤差24.8%），以驗證模型的準(zhǔn)確性。然后，在此基礎(chǔ)上利用無沖擊電磁換向閥對原液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。仿真分析結(jié)果表明：在不影響裝置正常啟閉的前提下，采用此方法可明顯降低該裝置在開啟時所受到的沖擊加速度和沖擊力，其中，最大沖擊加速度降低了58.1%，最大沖擊力降低了60.1%。因此，沖擊噪聲過大問題得到有效解決。

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