CN104504227A - 锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法及系统。其中，以ITI-SimulationX软件为核心，集成Forge软件、SolidWorks软件、MSC.Adams软件、ANSYS软件建立三维仿真模型，以及以ITI-SimulationX软件建立电气、液压系统模型，MATLAB/SIMULINK软件建立的控制系统模型等平面仿真模型，即建立了符合真实锻造工况的锻造液压机多维虚拟样机模型，进而可以实现真实锻造工况下的锻造液压机多维虚拟样机的机械、电气、液压、控制系统的协同仿真。
Description
技术领域
本公开涉及工程机械仿真技术领域，具体涉及一种锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法及系统。
背景技术
根据虚拟样机技术应用的基础理论，从可视化角度，将三维几何模型为主体的机械系统动态仿真以及有限元分析称为三维仿真，将电气、液压和控制系统的仿真称为平面仿真。以三维仿真为主体，有机结合平面仿真技术，可以构建更加符合真实工况的多维虚拟样机模型，以获得更可靠的仿真结果。
大型锻造液压机属多体系统，针对该多体系统开发虚拟样机是一项复杂的多学科交叉和协作工程；目前，针对锻造液压机这类复杂产品的虚拟样机研究尚处于探索性阶段，而虚拟样机协同仿真也仅局限于纯机械、纯电气，或机械、电气联合仿真，不能提供全面、具体、真实展示锻造液压机整机工作状态和控制性能的协同仿真实现方法。
其中，将各子系统模型进行集成，建立锻造液压机多维虚拟样机模型，并实现协同仿真是上述项工程的核心技术。而本公开的主要目的即为提供一种锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法及系统，从而对此项工程提供有力的技术支持。
发明内容
针对现有技术中的部分或者全部问题，本公开的目的在于提供一种锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法及系统。
本公开的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的一个方面，一种锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，包括：
S1.利用三维建模软件建立锻造液压机的机械本体三维几何模型；
S2.利用多学科仿真软件建立锻造液压机的电气及液压系统模型；
S3.将所述机械本体三维几何模型导入所述多学科仿真软件，从而与所述电气及液压系统模型进行集成；
S4.将所述机械本体三维几何模型导入动力学仿真软件，并通过所述动力学仿真软件建立所述锻造液压机的系统动力学模型；
S5.利用控制系统仿真软件建立所述锻造液压机控制系统模型；
S6.利用金属成形工艺模拟软件获取锻造工况成形力数据，并分别导入所述动力学仿真软件以及所述多学科仿真软件；
S7.依据选定的锻造工况，通过所述多学科仿真软件基于所述电气及液压系统模型生成控制信号，驱动所述锻造液压机的液压缸动作；
S8.将所述液压缸动作数据传递至所述动力学仿真软件中建立的系统动力学模型，驱动所述锻造液压机的活动横梁运动；
S9.所述活动横梁运动数据传递至所述控制系统仿真软件中建立的控制系统模型，将其与设定值比较，若满足锻造精度要求，保持所述控制信号不变，否则控制系统仿真软件根据所述比较结果更新所述控制信号；
S10.将更新后的控制信号传递至所述多学科仿真软件，并转至步骤S7，所述多学科仿真软件据以驱动所述锻造液压机的液压缸动作。
在本公开的一种示例实施方式中，所述步骤S9中根据所述比较结果更新所述控制信号包括：
将所述活动横梁运动数据与所述设定值之差乘以预设的比例系数作为补偿量更新所述控制信号。
在本公开的一种示例实施方式中，所述三维建模软件为SolidWorks软件；所述多学科仿真软件为ITI-SimulationX软件；所述动力学仿真软件为MSC.Adams软件；所述金属成形工艺模拟软件为Forge软件；所述控制系统仿真软件为MATLAB/SIMULINK软件。
在本公开的一种示例实施方式中，步骤S1后还包括，将所述机械本体三维几何模型导入有限元分析软件，进行有限元分析；
步骤S6还包括，将所述锻造工况成形力数据导入所述有限元分析软件，进行有限元分析；
所述步骤S10还包括，将所述MSC.Adams软件动力学仿真过程中指定部件的受力数据导入所述有限元分析软件，进行有限元分析。
在本公开的一种示例实施方式中，所述有限元分析软件为ANSYS软件。
在本公开的一种示例实施方式中，将所述机械本体三维几何模型导入所述ITI-SimulationX软件时，导入格式为*.stl；
将所述机械本体三维几何模型导入所述MSC.Adams软件时以及将所述机械本体三维几何模型导入所述有限元分析软件时，导入格式为*.x_t；
将所述锻造工况成形力数据导入所述MSC.Adams软件、所述ITI-SimulationX软件以及所述ANSYS软件时，导入格式为*.txt或*.xls。
在本公开的一种示例实施方式中，所述液压缸动作数据经由所述ITI-SimulationX软件的协同仿真接口模块SimulationX/Coupling Element和Adams/State Variable传递至所述MSC.Adams软件中建立的系统动力学模型；
所述活动横梁运动数据经由MSC.Adams软件的Adams/Controls接口模块传递至所述MATLAB/SIMULINK软件中建立的控制系统模型；
所述控制信号经由所述MATLAB/SIMULINK软件的协同仿真接口模块ITIFct2和SimulationX/Coupling Element传递至ITI-SimulationX软件。
在本公开的一种示例实施方式中，所述控制信号包括作用于所述机械本体三维几何模型中泵以及阀门的控制信号；
所述液压缸动作的数据包括液压缸压力以及速度数据；
所述活动横梁运动的数据包括活动横梁位置、速度以及加速度数据。
根据本公开的又一方面，一种锻造液压机多维虚拟样机协同仿真系统，包括通信交互的三维建模软件模块、多学科仿真软件模块、动力学仿真软件模块、金属成形工艺模拟软件模块、控制系统仿真软件模块以及有限元分析软件模块；
所述锻造液压机多维虚拟样机协同仿真系统根据如权利要求1-8任意一项所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法进行锻造液压机多维虚拟样机协同仿真。
在本公开的一种示例实施方式中，所述三维建模软件为SolidWorks软件；所述多学科仿真软件为ITI-SimulationX软件；所述动力学仿真软件为MSC.Adams软件；所述金属成形工艺模拟软件为Forge软件；所述控制系统仿真软件为MATLAB/SIMULINK软件；所述有限元分析软件为ANSYS软件。
本公开的实施例所提供锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法及系统中，以ITI-SimulationX软件为核心，集成Forge软件、SolidWorks软件、MSC.Adams软件、ANSYS软件建立的三维仿真模型，以及ITI-SimulationX软件建立的电气、液压系统模型、MATLAB/SIMULINK软件建立的控制系统模型等平面仿真模型，即建立了符合真实锻造工况的锻造液压机多维虚拟样机模型，进而可以实现真实锻造工况下的锻造液压机多维虚拟样机的机械、电气、液压、控制系统的协同仿真。因此，本公开对于提升锻造液压机产品的优化设计水平以及为企业实现降本增效、绿色制造创造了有利条件。而且，将此方法延伸应用于其它类别产品时，对于各行业领域产品实现由传统制造向绿色制造的加速转变以及经济效益的增长也具有重要的意义。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是本公开一种实施方式中锻造液压机多维虚拟样机协同仿真系统的架构示意图；
图2是本公开一种实施方式中锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法的流程示意图。
附图标记说明：
10：SolidWorks软件
20：ITI-SimulationX软件
30：MSC.Adams软件
40：MATLAB/SIMULINK软件
50：Forge软件
60：ANSYS软件
S1-S10：步骤
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
本示例实施方式提供了一种锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法及锻造液压机多维虚拟样机协同仿真系统。所述锻造液压机多维虚拟样机协同仿真系统主要包括通信交互的三维建模软件模块、多学科仿真软件模块、动力学仿真软件模块、金属成形工艺模拟软件模块以及控制系统仿真软件模块，此外，还可以包括有限元分析软件模块以及其它软件模块。
如图1中所示，为本示例实施方式中锻造液压机多维虚拟样机协同仿真系统的基本架构示意图；其中，所述三维建模软件模块以SolidWorks软件为例进行说明；所述多学科仿真软件以ITI-SimulationX软件为例进行说明；所述动力学仿真软件以MSC.Adams软件为例进行说明；所述金属成形工艺模拟软件以Forge软件为例进行说明；所述控制系统仿真软件以MATLAB/SIMULINK软件为例进行说明；所述有限元分析软件以ANSYS软件为例进行说明。容易理解的是，本公开并不以此为限，例如，所述三维建模软件模块还可以为PRO/E软件，所述有限元分析软件可以具体为ANSYS Workbench软件等等。
如图2中所示，为本示例实施方式中锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法的基本流程示意图；其主要包括步骤：
S1.利用三维建模软件建立锻造液压机的机械本体三维几何模型；在本示例实施方式中，即利用所述SolidWorks软件建立锻造液压机的机械本体三维几何模型。SolidWorks软件是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置，非常适合于三维建模。
S2.利用多学科仿真软件建立锻造液压机的电气及液压系统模型；例如，ITI-SimulationX是一种多学科仿真软件，其可以作为本公开中锻造液压机多维虚拟样机协同仿真系统的核心软件模块。
S3.将所述SolidWorks软件建立的机械本体三维几何模型导入所述ITI-SimulationX软件，从而与所述ITI-SimulationX软件建立的电气及液压系统模型进行集成，以辅助于电气及液压系统模型调试。将所述机械本体三维几何模型导入所述ITI-SimulationX软件时，导入格式优选为*.stl。当然，当所述三维建模软件为为其它软件时，也可以适应性的选择导入其它可以识别的格式。
S4.将所述SolidWorks软件建立的机械本体三维几何模型导入所述动力学仿真软件，并通过所述动力学仿真软件建立所述锻造液压机的系统动力学模型。在本示例实施方式中，即将所述SolidWorks软件建立的机械本体三维几何模型导入所MSC.Adams软件，并通过所述MSC.Adams建立所述锻造液压机的系统动力学模型。在将所述机械本体三维几何模型导入所述MSC.Adams软件时，导入格式优选为*.x_t。当然，当所述三维建模软件为其它软件时，也可以适应性的选择导入其它可以识别的格式。
S5.利用控制系统仿真软件建立所述锻造液压机的控制系统模型，该模型为平面仿真模型；在本示例实施方式中，即利用所述MATLAB/SIMULINK软件建立所述锻造液压机的控制系统模型。
S6.利用金属成形工艺模拟软件即本示例实施方式中的Forge软件获取锻造工况成形力数据，并分别导入所述MSC.Adams软件以及所述ITI-SimulationX软件；在将所述锻造工况成形力数据导入所述MSC.Adams软件、所述ITI-SimulationX软件时，导入格式优选为*.txt或*.xls；当然，也可以适应性的选择导入其它可以识别的格式。
由于SolidWorks软件、Forge软件以及MSC.Adams软件的有限元分析能力较弱或者不具有有限元分析能力，因此在上述步骤中，还可以包括将所述SolidWorks软件建立的机械本体三维几何模型导入有限元分析软件，进行有限元分析；在本示例实施方式中，即导入所述ANSYS软件进行有限元分析。同样的，步骤S6还可以包括，将利用所述Forge软件获取的锻造工况成形力数据导入所述有限元分析软件，进行有限元分析；在本示例实施方式中，即导入所述ANSYS软件进行有限元分析。在本公开的一种示例实施方式中，将所述SolidWorks软件建立的机械本体三维几何模型导入有限元分析软件时，导入格式优选为*.x_t；将利用所述Forge软件获取的锻造工况成形力数据导入所述MSC.Adams软件、所述ITI-SimulationX软件以及所述ANSYS软件时，导入格式为优选*.txt或*.xls。当然，也可以适应性的选择导入其它可以识别的格式。
S7.选定锻造工况并依据选定的锻造工况，通过所述ITI-SimulationX软件基于其建立的所述电气及液压系统模型，生成控制信号，驱动所述锻造液压机的液压缸动作；所述控制信号包括作用于所述机械本体三维几何模型中的泵、阀门以及其它被控制部件的控制信号。
S8.将所述液压缸动作的数据传递至所述MSC.Adams软件中建立的系统动力学模型，驱动所述锻造液压机的活动横梁运动。在本示例实施方式中，所述液压缸动作的数据经由所述ITI-SimulationX软件的协同仿真接口模块SimulationX/Coupling Element和Adams/State Variable传递至所述MSC.Adams软件中建立的系统动力学模型；所述液压缸动作的数据可以包括液压缸压力以及速度数据，当然，在需要时也还可以包括其它相关数据。
S9.将所述活动横梁运动的数据传递至所述控制系统仿真软件中建立的控制系统模型与预设数据比较，在比较结果满足预设条件时，控制信号保持不变；否则所述控制系统仿真软件根据所述比较结果生成新的控制信号。在本示例实施方式中，所述活动横梁运动的数据经由MSC.Adams软件的Adams/Controls接口模块传递至所述MATLAB/SIMULINK软件中建立的控制系统模型；所述活动横梁运动的数据包括活动横梁位置、速度以及加速度数据，当然，在需要时也还可以包括其它相关数据；所述MATLAB/SIMULINK软件将此数据与系统控制目标值进行比较，将所述活动横梁运动数据与所述设定值之差乘以预设的比例系数作为补偿量，通过智能控制器更新所述控制信号。
S10.将所述控制信号传递至所述ITI-SimulationX软件，并转至步骤S7，所述ITI-SimulationX软件根据该控制信号驱动所述锻造液压机的液压缸动作。在本示例实施方式中，所述控制信号经由所述MATLAB/SIMULINK软件的协同仿真接口模块ITIFct2和SimulationX/Coupling Element传递至ITI-SimulationX软件，相应的调整作用于所述机械本体三维几何模型中泵、阀门以及其它被控制部件的控制信号，从而驱动所述锻造液压机的液压缸动作。
进一步的，所述步骤S10后还可以包括，将所述MSC.Adams软件动力学仿真过程中指定部件的受力数据导入所述ANSYS软件，已对指定部件的受力数据进行有限元分析。
由上述示例实施方式可知，在本公开的实施例所提供锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法及系统中，以ITI-SimulationX软件为核心，集成Forge软件、SolidWorks软件、MSC.Adams软件、ANSYS软件建立的三维仿真模型，以及ITI-SimulationX软件建立的电气、液压系统模型、MATLAB/SIMULINK软件建立的控制系统模型等平面仿真模型，即建立了符合真实锻造工况的锻造液压机多维虚拟样机模型，进而可以实现真实锻造工况下的锻造液压机多维虚拟样机的机械、电气、液压、控制系统的协同仿真。因此，本公开对于提升锻造液压机产品的优化设计水平以及为企业实现降本增效、绿色制造创造了有利条件。而且，将此方法延伸应用于其它类别产品时，对于各行业领域产品实现由传统制造向绿色制造的加速转变以及经济效益的增长也具有重要的意义。
本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反地，在不脱离本公开的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本公开的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，其特征在于，包括：
S1.利用三维建模软件建立锻造液压机的机械本体三维几何模型；
S2.利用多学科仿真软件建立锻造液压机的电气及液压系统模型；
S3.将所述机械本体三维几何模型导入所述多学科仿真软件，从而与所述电气及液压系统模型进行集成；
S4.将所述机械本体三维几何模型导入动力学仿真软件，并通过所述动力学仿真软件建立所述锻造液压机的系统动力学模型；
S5.利用控制系统仿真软件建立所述锻造液压机控制系统模型；
S6.利用金属成形工艺模拟软件获取锻造工况成形力数据，并分别导入所述动力学仿真软件软件以及所述多学科仿真软件；
S7.依据选定的锻造工况，通过所述多学科仿真软件基于所述电气及液压系统模型生成控制信号，驱动所述锻造液压机的液压缸动作；
S8.将所述液压缸动作数据传递至所述动力学仿真软件软件中建立的系统动力学模型，驱动所述锻造液压机的活动横梁运动；
S9.所述活动横梁运动数据传递至所述控制系统仿真软件中建立的控制系统模型，将其与设定值比较，若满足锻造精度要求，保持所述控制信号不变，否则控制系统仿真软件根据所述比较结果更新所述控制信号；
S10.将更新后的控制信号传递至所述多学科仿真软件，并转至步骤S7，所述多学科仿真软件据以驱动所述锻造液压机的液压缸动作。
2.根据权利要求1所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，其特征在于，所述步骤S9中根据所述比较结果更新所述控制信号包括：
将所述活动横梁运动数据与所述设定值之差乘以预设的比例系数作为补偿量更新所述控制信号。
3.根据权利要求1所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，其特征在于，所述三维建模软件为SolidWorks软件；所述多学科仿真软件为ITI-SimulationX软件；所述动力学仿真软件为MSC.Adams软件；所述金属成形工艺模拟软件为Forge软件；所述控制系统仿真软件为MATLAB/SIMULINK软件。
4.根据权利要求3所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，其特征在于，步骤S1后还包括，将所述机械本体三维几何模型导入有限元分析软件，进行有限元分析；
步骤S6还包括，将所述锻造工况成形力数据导入所述有限元分析软件，进行有限元分析；
所述步骤S10还包括，将所述MSC.Adams软件动力学仿真过程中指定部件的受力数据导入所述有限元分析软件，进行有限元分析。
5.根据权利要求4所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，其特征在于，所述有限元分析软件为ANSYS软件。
6.根据权利要求5所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，其特征在于，将所述机械本体三维几何模型导入所述ITI-SimulationX软件时，导入格式为*.stl；
将所述机械本体三维几何模型导入所述MSC.Adams软件时以及将所述机械本体三维几何模型导入所述有限元分析软件时，导入格式为*.x_t；
将所述锻造工况成形力数据导入所述MSC.Adams软件、所述ITI-SimulationX软件以及所述ANSYS软件时，导入格式为*.txt或*.xls。
7.根据权利要求3所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，其特征在于，所述液压缸动作数据经由所述ITI-SimulationX软件的协同仿真接口模块SimulationX/Coupling Element和Adams/State Variable传递至所述MSC.Adams软件中建立的系统动力学模型；
所述活动横梁运动数据经由MSC.Adams软件的Adams/Controls接口模块传递至所述MATLAB/SIMULINK软件中建立的控制系统模型；
所述控制信号经由所述MATLAB/SIMULINK软件的协同仿真接口模块ITIFct2和SimulationX/Coupling Element传递至ITI-SimulationX软件。
8.根据权利要求1所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，其特征在于，所述控制信号包括作用于所述机械本体三维几何模型中泵以及阀门的控制信号；
所述液压缸动作的数据包括液压缸压力以及速度数据；
所述活动横梁运动的数据包括活动横梁位置、速度以及加速度数据。
9.一种锻造液压机多维虚拟样机协同仿真系统，其特征在于，包括通信交互的三维建模软件模块、多学科仿真软件模块、动力学仿真软件模块、金属成形工艺模拟软件模块、控制系统仿真软件模块以及有限元分析软件模块；
所述锻造液压机多维虚拟样机协同仿真系统根据如权利要求1-8任意一项所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法进行锻造液压机多维虚拟样机协同仿真。
10.根据权利要求1所述的锻造液压机多维虚拟样机协同仿真方法，其特征在于，所述三维建模软件为SolidWorks软件；所述多学科仿真软件为ITI-SimulationX软件；所述动力学仿真软件为MSC.Adams软件；所述金属成形工艺模拟软件为Forge软件；所述控制系统仿真软件为MATLAB/SIMULINK软件；所述有限元分析软件为ANSYS软件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150408 |