轴向柱塞泵的虚拟样机足迹

Parker 闭式泵虚拟样机 [1]

对于柱塞泵的研究一直没有停止，研究的手段也推层出新。在2015-7月刊的iHydrostatics微杂志中，i小编将用四期内容和大家一起来分享柱塞泵的全新研究手段 – 虚拟样机。虚拟样机技术可以让你和柱塞泵的接触零距离，内部零部件的运动变化规律将一目了然。

1 虚拟样机是什么

虚拟样机，顾名思义，这种样机不是真实存在的，它是和物理样机相对而言的。先前对于产品的设计，需要重复制造和测试不同参数的样机模型以寻求最佳的设计参数，那可想而知这种物理样机的设计理念，其研发周期及设计成本的高昂性。

虚拟样机技术(Virtual Prototype Technology)，在i小编通俗的说来，就是将物理样机搬到了计算机中，利用计算机的强大数据处理能力，来寻求最佳的设计参数。虚拟样机技术的核心是多体系统动力学理论，同时辅之以计算机建模技术、有限元分析技术以及优化分析技术等 [2]。

虚拟样机技术结构特征 [2]

虚拟样机的一个突出优点就是可视化，可以根据自己的需要设置显示的研究对象，做到真正意义上的零接触。

虚拟样机中柱塞和主轴的动态应力应变 [1]

虚拟样机是将物理样机进行数字化，是物理样机的另一形式的再现，所以对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机总体设计性能评估。虽然说虚拟样机依旧是一种仿真技术，但是它的优势是从系统层面来分析产品设计，而不单单只是针对某个零部件的分析，所以虚拟样机技术对设计方法和过程的影响要比有限元技术所带来的影响要更大 [2]。

此种技术已经广泛应用到各个行业的产品设计中，如汽车设计、探测器设计以及飞机设计中 [2]。

虚拟样机技术的应用 [2]

1柱塞泵的虚拟样机足迹

当虚拟样机遇上柱塞泵，会擦出怎样的火花？让i小编来为你找寻柱塞泵的虚拟样机足迹。

· 德国亚琛工业大学

2002 年德国亚琛工业大学(TU Aachen)采用自行开发的液压系统仿真软件DSHplus和多体动力学仿真软件ADAMS 联合进行仿真。DSHplus求解出的力、运动属性可以传递到ADAMS 里的动力学模型，而动力学模型求解出来的速度、加速度关系又可以传递到液压模型中 [2]。

虚拟样机模型及数据流 [2]

这是一种初步的虚拟样机的思想，物理模型还比较简单，耦合模型数量较少，能够进行初步的联合仿真计算。可以分别求解动力学模型的力学关系和液压模型相关节点的压力流量关系 [3]。

虚拟样机柱塞受力及腔体压力流量仿真结果 [3]

· Rexroth公司

2003 年Rexroth 公司使用ADAMS 软件自带的液压模块和斜轴泵动力学模型耦合，对传动轴进行了动力学仿真，为倾角的优化提供了依据。针对依靠齿轮传动的斜轴双泵，在ADAMS 里建立了刚体之间的约束关系；针对每个柱塞腔的流体压力通过液压模型来进行驱动 [3]。

Rexroth虚拟样机的动力学模型和液压模型 [3]

通过液固耦合联合仿真，并利用有限元处理的柔性体模型，对齿轮的应力进行仿真，实现了对齿轮的强度进行校核和优化设计 [3]。

传动齿轮的有限元模型 [3]

此外轴向柱塞泵的虚拟样机是整体考虑柱塞泵的各个属性，能够模拟物理样机进行分析，因此可以在虚拟环境下做为部件参与到主机的联合仿真中。通过耦合挖掘机动臂的多体动力学模型和挖掘机液压驱动控制系统，进行整机的联合仿真，构成了一个挖掘机的虚拟样机，可以对挖掘机在虚拟环境下的工况进行模拟仿真 [3]。

整机虚拟样机的工况模拟仿真 [3]

· Parker公司

Parker公司于2004运用虚拟样机的方法对闭式回路的轴向斜盘式柱塞泵进行研究。采用软件EASY5和ADAMS联合建立虚拟样机模型，对柱塞腔的摩擦力、压力脉动和主轴、柱塞的动态应力状况进行了仿真分析，为泵的设计及产品优化开辟了新的途径 [2]。

Parker闭式泵产品虚拟样机模型 [2]

· 美国普渡大学

美国普渡大学(Purdue University)的Monika I.教授编写了CASPAR 程序，CASPAR是一个解算轴向柱塞泵摩擦副间隙油膜特性的工具，可以对柱塞副、滑靴副和配流副三处的油膜进行流体力学特性、动力学特性、温度特性研究 。CASPAR 采用了虚拟样机的思想，重点对三个摩擦副油膜的流体模型进行了开发，动力学关系利用了理想的动力学方程 [3]。

CASPAR对三大摩擦副的解算 [4]

· 意大利都灵理工大学

意大利都灵理工大学FPRL课题组于2007年发表了在多体系统仿真环境中进行轴向柱塞泵特征分析的研究成果。通过在AMESim环境中搭建轴向柱塞泵的液压系统模型并和ADAMS中的动力学模型进行联合仿真，对轴向柱塞泵的恒压控制进行了相关研究。同时通过利用ADAMS的二次开发语言，开发了9柱塞式轴向柱塞泵的参数化建模程序 [2]。

虚拟样机模型及参数化建模程序 [2]

· 浙江大学

浙江大学SKLoFP研究所早在2006年也开展了轴向柱塞泵的虚拟样机技术研究。综合利用多软件环境构建了一个集液固耦合、刚柔耦合的轴向柱塞泵虚拟样机仿真平台ViSPA (Virtual Simulation Package of Axial piston pump)。此平台通过对建模软件的二次开发，集成了参数化的建模模块；通过对多体动力学软件的二次开发，构建了独有的交互操作界面。此仿真平台综合考虑了动力学模型、液压系统模型及柔性体模型，并同时集成了摩擦副油膜特性解算模块，可以同时进行液固耦合及刚柔耦合的联合仿真研究 [2]。

浙江大学虚拟样机模型数据流 [2]

1虚拟样机想你所想

虚拟样机可以想你所想，但是根据i小编的经验，创建虚拟样机可不是一件简单的事情，再先进的手段如果没有正确的应用，都不能发挥其应有的潜能。如何能让虚拟样机真实地再现物理样机，这是虚拟样机研究者们一直努力的目标。

浮光掠影一直都不是iHydrostatics的风格！沿着柱塞泵的虚拟样机足迹一路走来，你是否对这种新兴的研究手段激起了兴致了呢？在下一期中，i小编将结合具体案例，为大家解读虚拟样机在产品优化设计中的无限潜能。

参考文献：

[1] H. Zhang, L. Kasper, R. Kimpel. Development of a Virtual Prototype of Piston Pump for Hydrostatic Transmission. Proceedings of the Sixth ICFP,2005:485-489.

[4] Maha Fluid Power Research Center. 2014 Annual Report.