CN113656944B - 气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法，其特征在于先建立气压制动系统中基础气动元件以及各关键部件的压力响应仿真模型，然后利用数值计算软件将上述仿真模型进行集成，构建气压制动系统元件压力响应仿真模型库；适用性和兼容性强，与平台无关，适用于不同数值计算软件或编程语言。同时大大降低建模难度；减少重复建模工作，模型库中的模型可快速应用于不同的气压制动系统，大大提高建模人员工作效率。

Description

气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法

技术领域

本发明涉及汽车制动领域，尤其涉及车辆气压制动系统制动压力响应计算与分析的数值建模方法，具体来说是一种气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法。

背景技术

气压制动系统是为以压缩气体为工作介质，它通过各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路有机地组合成的整体，进行动力或信号的传递与控制。气压制动系统设计的关键在于：从完善气源系统入手，择优选取和合理使用气动元件，综合运用气动流体力学和气压系统动力学，对气压制动系统回路进行设计，使终端气体压力按照预定规律变化。在对不同结构的气压制动系统进行仿真时，需要重新建立各部件的仿真模型，模型复用性不强。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法。适用性和兼容性强，与平台无关，适用于不同数值计算软件或编程语言。同时大大降低建模难度；减少重复建模工作，模型库中的模型可快速应用于不同的气压制动系统，大大提高建模人员工作效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法，其特征在于先建立气压制动系统中基础气动元件以及各关键部件的压力响应仿真模型，然后利用数值计算软件将上述仿真模型进行集成，构建气压制动系统元件压力响应仿真模型库；包括如下步骤：

步骤一、对气压制动系统中气体状态、压力损失、元件连接状态、元件受力状态做出假设；

步骤二、对基础气动元件进行预处理，采用模型等效的方法进行简化；将接头等效为固定节流孔，将阀口等效为可变节流孔，将制动气室容腔以及阀类部件的内腔室等效为气容单元；

步骤三、对包括气动管路、储气罐、制动气室、阀类部件在内的关键部件进行压力响应理论建模；

步骤四、利用数值计算软件建立基础气动元件的模块化仿真模型；

步骤五、基于上述步骤三中建立的理论模型，利用数值计算软件建立关键部件的仿真模型；

步骤六、在上述各仿真模型的基础上，构建气压制动系统元件压力响应模型库。

上述技术方案中，步骤一包括如下具体步骤：

步骤101、气体为理想气体，满足理想气体的各种定律；

步骤102、忽略气体流动造成的压力损失，忽略气压制动系统中各连接密封处的气体泄漏；气体在接头和阀口处的流动均为等熵过程，动态过程为准平衡过程；

步骤103、除管路外，气压制动系统的其它关键部件中各参数视为集中参数，同一部件的腔室内气体压力、密度和温度分布均匀；

步骤104、阀内的运动元件所受的重力和摩擦力相对气压力较小时，忽略阀芯重力和摩擦力。

上述技术方案中，步骤二按如下步骤进行：

步骤201、将气压制动系统中部件与管路连接所用的接头等效为固定节流孔，使用ISO 6358流体特性参数表示上述固定节流孔的流量特性参数；

步骤202、对于继动阀、串联双腔制动阀在内的阀类部件，将阀口等效为可变节流孔，使用有效流通面积S表示气体流通能力，同步骤201，使用ISO 6358流体特性参数表示上述可变节流孔的流量特性参数；

步骤203、将制动气室容腔以及阀类部件的内腔室等效为气容单元。

上述技术方案中，步骤三按如下步骤进行：

步骤301、计算固定节流孔的流量特性，得到不同压力比下流经节流孔的质量流量计算式；

步骤302、计算可变节流孔的流量特性，得到不同压力比下流经节流孔的质量流量计算式；

步骤303、确定基于多变过程的气容压力响应理论模型，得到气容压力和气容温度计算式；

步骤304、确定基于换热过程的气容压力响应理论模型，得到气容压力和气容温度计算式；

步骤305、根据步骤304中确定的考虑换热的气容压力响应模型计算储气罐中气体压力；

步骤306、建立制动气室压力响应理论模型，根据步骤301确定的固定节流孔流量特性公式，计算流入气室的气体质量流量；根据步骤304确定的考虑换热的气容理论模型，计算制动气室内气体温度和压力；

步骤307、采用有限差分法将管路等分为有限个格子，以每个管路格子为控制体，利用气体状态方程、运动方程、连续性方程和能量方程建立管路理论模型；

步骤308、将阀体部件分为阀腔室和阀芯两部分,假设腔室内气体流动过程为等温过程，推导阀类部件的压力与流量方程。

上述技术方案中，步骤四按如下步骤进行：

步骤401、确定基础气动单元的模型接口及连接规则；

步骤402、建立多变过程和基于传热过程的气容仿真模型；

步骤403、使用CIP法精确求解管路的分布参数模型，并设置计算边界条件，即设置管路入口和出口气体状态参数。

上述技术方案中，步骤五中采用的数值计算软件为Simulink，利用Simulink建立储气罐、制动气室、阀类部件在内的关键部件的仿真模型。

上述技术方案中，步骤六以数值计算软件Simulink构建气压制动系统元件压力响应模型库。

上述技术方案中，步骤六按如下步骤进行：

步骤601、点击Simulink菜单栏中“Simulink Library Browser”，进入模块library，在“File”菜单中选择新建library并命名；

步骤602、将封装好的关键部件仿真模型复制到新的library中并保存，此时各模块的属性就是从browser中调用时的默认属性；

步骤603、在MATLAB安装路径中“toolbox”路径下创建一个文件夹，命名与新建的library名字相同，将库文件(.mdl文件)复制到该文件夹中；

步骤604、在该文件夹中创建一个slblocks.m文件，其中定义了新建library名，以及在browser中library的显示名；

步骤605、将.mdl文件所在的目录添加到path中，运行slblocks.m文件；

步骤606、刷新Simulink library browser，添加的自定义模块库将显示在左侧导航栏。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)模型库中模型建构方法与平台无关，适用于不同数值计算软件或编程语言。

(2)将气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构过程流程化，大大降低建模难度。

(3)减少重复建模工作，模型库中的模型可快速应用于不同的气压制动系统，大大提高建模人员工作效率。

附图说明

图1为根据本发明实施的气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法的流程图。

图2节流孔处气体流动图。

图3阀口处气体流动图。

图4为本发明基于多变过程的气容仿真模型框架图。

图5为本发明基于传热过程的气容仿真模型框架图。

具体实施方式

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明。

本发明的目的在于提供一种气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法。为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来说明。

步骤一、对气压制动系统中气体状态、压力损失、元件连接状态、元件受力状态等做出假设。

气体为理想气体，满足理想气体的各种定律；

忽略气体流动造成的压力损失，忽略系统中各连接密封处的气体泄漏；气体在接头和阀口处的流动均为等熵过程，动态过程为准平衡过程；

除管路外，其它关键部件中各参数视为集中参数，同一部件的腔室内气体压力、密度和温度分布均匀；

阀内的运动元件所受的重力和摩擦力相对气压力较小时，忽略阀芯重力和摩擦力。

步骤二、对相关气动元件进行预处理，采用模型等效的方法进行简化。

步骤201、将气压制动系统中部件与管路连接所用的接头等效为固定节流孔，使用ISO 6358流体特性参数表示上述固定节流孔的流量特性参数。

步骤202、对于继动阀、串联双腔制动阀等阀类部件，将阀口等效为可变节流孔，使用有效流通面积S表示气体流通能力，同步骤201，使用ISO 6358流体特性参数表示上述可变节流孔的流量特性参数。

步骤203、将制动气室容腔以及阀类部件的内腔室等等效为气容单元。

步骤三、对气动管路、储气罐、制动气室、阀类部件等部件进行压力响应理论建模。

步骤301、计算固定节流孔的流量特性。

节流孔处气体流动如图2所示，其中P_up为节流孔上游气容的绝对压力，Pa；T_up为节流孔上游气体温度，K；P_down为节流孔下游气容的绝对压力，Pa；为流通的质量流量，kg/s。上游气容内气体通过节流孔向下游气容充气，在某一压力比时，流量将达到最大值，此时的压力比称为临界压力比，分别计算出压力比超过临界压力比和压力不超过临界压力比时流经节流孔的气体质量流量。特别地，在压力比接近1时，采用层流模型替换亚音速流动模型，得到流经节流孔的质量流量计算式为：

式中：为线性增益，其中b_high为层流模型临界压力比。

步骤302、计算可变节流孔的流量特性。

阀口处气体流动如图3所示，其中h表示阀芯运动产生的阀芯开口位移，m；D为气体通过阀口的环形大直径，m；d为气体通过阀口的环形小直径，m。阀芯运动导致阀口开度h变化，从而影响阀类部件内部气体的流通能力。用有效流通面积S(m2)描述阀口的流通能力。分别计算出压力比超过临界压力比和压力不超过临界压力比时流经节流孔的气体质量流量。特别地，考虑层流压力比，同步骤301，得到流经节流孔的质量流量计算式为：

式中：为增益系数，当阀口流通面积固定不变时，阀口可视为固定节流孔，固定节流孔音速流导与有效截面积在数值上的换算关系为：S＝502C

步骤303、确定气容压力响应模型，在多变过程条件下，得到气容压力计算式：

气容温度计算式：

多变指数n不同时，对应不同的热力学过程。n＝1时为等温过程，n＝γ＝1.4时为绝热过程。

当考虑换热时，气容压力计算式为：

气容温度计算式为：

步骤304、根据步骤303中确定的考虑换热的气容压力响应模型计算储气罐中气体压力。

步骤305、建立制动气室压力响应理论模型，其中制动气室充气过程中膜片的变形力变化为：

F_m0为制动气室膜片初始变形力，N；x_chamber为推杆位移，m；x_maxchamber为制动气室推杆最大位移，m。

制动气室的进气口和出气口为同一个接头，根据步骤301确定的固定节流孔流量特性公式，计算流入气室的气体质量流量。

气室为末端部件，制动时仅充气，气室内温度变化较大，因此考虑制动气室中气体温度变化，根据步骤303确定的考虑换热的气容理论模型，计算制动气室内气体温度和压力。

步骤306、采用有限差分法将管路等分为有限个格子，以每个管路格子为控制体，利用气体状态方程、运动方程、连续性方程和能量方程建立管路理论模型。

步骤307、将阀体部件分为阀腔室和阀芯两部分,假设腔室内气体流动过程为等温过程，推导阀类部件压力与流量方程。

步骤四、本实施例中采用的数值计算软件为Simulink，利用其建立气动单元的模块化仿真模型。

步骤401、确定基础气动单元的模型接口及连接规则

步骤402、建立多变过程和基于传热过程的气容仿真模型，图4所示为基于多变过程的气容充放气仿真模型，图5所示为基于传热过程的气容充放气仿真模型。

步骤403、使用CIP(Cubic Interpolated Profile，立方插值拟质点)法精确求解管路的分布参数模型，并设置计算边界条件，即设置管路入口和出口气体状态参数。

步骤五、本实施例中采用的数值计算软件为Simulink，基于上述步骤中建立的理论模型，利用Simulink建立储气罐、制动气室、阀类部件等关键部件的仿真模型。

步骤六、以数值计算软件Simulink为例，在上述模块的基础上，构建气压制动系统元件压力响应模型库。

步骤601、点击Simulink菜单栏中“Simulink Library Browser”，进入模块library，在“File”菜单中选择新建library并命名。

步骤602、将封装好的关键部件仿真模型复制到新的library中并保存，此时各模块的属性就是从browser中调用时的默认属性。

步骤603、在MATLAB安装路径中“toolbox”路径下创建一个文件夹，命名与新建的library名字相同，将库文件(.mdl文件)复制到该文件夹中。

步骤604、在该文件夹中创建一个slblocks.m文件，其中定义了新建library名，以及在browser中library的显示名。

步骤605、将.mdl文件所在的目录添加到path中，运行slblocks.m文件。

步骤606、刷新Simulink library browser，添加的自定义模块库将显示在左侧导航栏。

Claims (6)

1.一种气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法，其特征在于先建立气压制动系统中基础气动元件以及各关键部件的压力响应仿真模型，然后利用数值计算软件将上述仿真模型进行集成，构建气压制动系统元件压力响应仿真模型库；包括如下步骤：

步骤一、对气压制动系统中气体状态、压力损失、元件连接状态、元件受力状态做出假设，括：

步骤101、气体为理想气体，满足理想气体的各种定律；

步骤102、忽略气体流动造成的压力损失，忽略气压制动系统中各连接密封处的气体泄漏；气体在接头和阀口处的流动均为等熵过程，动态过程为准平衡过程；

步骤103、除管路外，气压制动系统的其它关键部件中各参数视为集中参数，同一部件的腔室内气体压力、密度和温度分布均匀；

步骤104、阀内的运动元件所受的重力和摩擦力相对气压力较小时，忽略阀芯重力和摩擦力；

步骤二、对基础气动元件进行预处理，采用模型等效的方法进行简化；将接头等效为固定节流孔，将阀口等效为可变节流孔，将制动气室容腔以及阀类部件的内腔室等效为气容单元；步骤三、对包括气动管路、储气罐、制动气室、阀类部件在内的关键部件进行压力响应理论建模，按如下步骤进行：

步骤301、计算固定节流孔的流量特性，得到不同压力比下流经节流孔的质量流量计算式；步骤302、计算可变节流孔的流量特性，得到不同压力比下流经节流孔的质量流量计算式；步骤303、确定基于多变过程的气容压力响应理论模型，得到气容压力和气容温度计算式；步骤304、确定基于换热过程的气容压力响应理论模型，得到气容压力和气容温度计算式；步骤305、根据步骤304中确定的考虑换热的气容压力响应模型计算储气罐中气体压力；步骤306、建立制动气室压力响应理论模型，根据步骤301确定的固定节流孔流量特性公式，计算流入气室的气体质量流量；根据步骤304确定的考虑换热的气容理论模型，计算制动气室内气体温度和压力；

步骤307、采用有限差分法将管路等分为有限个格子，以每个管路格子为控制体，利用气体状态方程、运动方程、连续性方程和能量方程建立管路理论模型；

步骤308、将阀体部件分为阀腔室和阀芯两部分,假设腔室内气体流动过程为等温过程，推导阀类部件的压力与流量方程；

步骤四、利用数值计算软件建立基础气动元件的模块化仿真模型；

步骤五、基于上述步骤三中建立的理论模型，利用数值计算软件建立关键部件的仿真模型；步骤六、在上述各仿真模型的基础上，构建气压制动系统元件压力响应模型库。

2.根据权利要求1所述的气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法，其特征在于步骤二按如下步骤进行：

步骤201、将气压制动系统中部件与管路连接所用的接头等效为固定节流孔，使用ISO6358流体特性参数表示上述固定节流孔的流量特性参数；

步骤202、对于继动阀、串联双腔制动阀在内的阀类部件，将阀口等效为可变节流孔，使用有效流通面积S表示气体流通能力，同步骤201，使用ISO 6358流体特性参数表示上述可变节流孔的流量特性参数；

步骤203、将制动气室容腔以及阀类部件的内腔室等效为气容单元。

3.根据权利要求1所述的气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法，其特征在于步骤四按如下步骤进行：

步骤401、确定基础气动单元的模型接口及连接规则；

步骤402、建立多变过程和基于传热过程的气容仿真模型；

步骤403、使用CIP法精确求解管路的分布参数模型，并设置计算边界条件，即设置管路入口和出口气体状态参数。

4.根据权利要求1所述的气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法，其特征在于步骤五中采用的数值计算软件为Simulink，利用Simulink建立储气罐、制动气室、阀类部件在内的关键部件的仿真模型。

5.根据权利要求1所述的气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法，其特征在于步骤六以数值计算软件Simulink构建气压制动系统元件压力响应模型库。

6.根据权利要求5所述的气压制动系统元件压力响应仿真模型库建构方法，其特征在于步骤六按如下步骤进行：

步骤601、点击Simulink菜单栏中“Simulink Library Browser”，进入模块library，在“File”菜单中选择新建library并命名；

步骤602、将封装好的关键部件仿真模型复制到新的library中并保存，此时各模块的属性就是从browser中调用时的默认属性；

步骤603、在MATLAB安装路径中“toolbox”路径下创建一个文件夹，命名与新建的library名字相同，将库文件“.mdl文件”复制到该文件夹中；

步骤604、在该文件夹中创建一个slblocks.m文件，其中定义了新建library名，以及在browser中library的显示名；

步骤605、将.mdl文件所在的目录添加到path中，运行slblocks.m文件；

步骤606、刷新Simulink library browser，添加的自定义模块库将显示在左侧导航栏。