同元软控专业模型库系列—

01 引言

近年来，数字液压技术在工业领域的应用逐渐推广，为提升生产效率、降低能源消耗、实现智能化制造提供了新的可能性。数字液压技术的应用已经覆盖了工程机械、航空航天、能源设备等众多领域，具有巨大的发展潜力。

行业技术的发展融合在整个工业发展趋势之中，液压技术的发展阶段完全与历次工业革命阶段同步，正如“液压3.0”是液压与信息自动化相联系的时代。而现在，“液压4.0”时代正在到来，即液电一体化的时代，“液压4.0”将是数智液压的时代。

△ 液压元件发展阶段

为解决液压系统设计复杂、故障诊断困难等问题，行业在液压全生命周期中，引入数字孪生技术，建立多层次的模型。不同结构层次的物理实体在虚拟空间均建立相对应的数字孪生模型，形成液压系统设计、测试、运维等全流程的可视化、带检测反馈的闭环系统，对系统的运行进行故障诊断与维护，从而减少传统液压设计所带来的弊端。

△ 数字孪生技术示意

借助信息技术的手段来研究物理世界，都需要建立对应的模型，专业、普遍的建模是智能化绕不开的台阶，因此在智能装备的研发中，越来越多的专业领域会转向基于模型的工作。新一代自主科学计算与系统建模仿真平台MWORKS 2024a版本中，全新升级发布了液压气动系列模型库，这些模型库的广泛应用将极大提升我国“液压3.0”时代的发展速度，加快“液压4.0”时代到来的进程。

同元软控液压气动模型库成员如下：

02 模型库简介

液压气动系统已经成为现代化系统中动力的主要承担者，可以完成对能量的合理配置和控制，强化机械的传动力、速度和效率。为满足航空、船舶、车辆和工程机械等行业对液压气动系统的仿真需求，同元软控模型产品团队基于MWORKS.Sysplorer平台推出8个液压气动模型库，能够支撑液压和气动领域数字系统研发全流程的建模仿真需求。

△ 液压气动建模仿真应用领域

2.1 模型库依赖关系

在MWORKS.Sysplorer中，所有的液压气动模型库均依赖于Modelica标准库3.2.3，其他各库之间的依赖关系如下图所示：

2.2 模型库介绍

1）液压组件模型库（TYHydraulics）

液压组件模型库包括泵源、液压阀类、执行机构、管路、流阻、液压辅件、边界源和各种传感器等共149个模型。

该库可用于航空航天、车辆船舶、工程机械等领域液压系统的设计、仿真及优化，例如开展飞机液压能源系统的功率计算；验证挖掘机液压系统的关键指标；管网系统设计与仿真分析等。模型库包含组件如下图所示：

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2）液压元件模型库（TYHydraulicComponents）

液压元件模型库包括活塞、滑阀芯、锥阀芯、球阀芯、喷嘴挡板阀芯、隔膜、密封摩擦泄漏和控制容积等共38个模型。

该库主要用于搭建各种复杂的液压部件模型。用户可根据液压柱塞泵、溢流阀、换向阀等液压部件的物理拓扑结构，搭建结构化的液压部件模型，可与液压组件库配合用于液压系统部件级、系统级的设计与验证。模型库主要包含内容如下图所示：

3）液压介质库

液压介质库为液压模型和热液压模型提供油液介质，包含Oil液压油和ThermalOil热液压油两大类。

Oil液压油提供常特性、插值表、简单、基础和高级五种计算方式油液可供用户选择，主要应用于液压产品库对介质物性调用。液压油介质种类在液压组件中进行选择，支持在同一系统中选择多种油液类型。

ThermalOil热液压油考虑了温度和压力对物性变化的影响。热液压油介质种类共提供60种，包括：冷却液、润滑油、燃油、航空液压油、乙二醇、水等，可在热液压组件中进行选择，支持在同一系统中选择多种油液类型。

4）热液压组件模型库（TYThermalHydraulics）

热液压组件模型库，包括各种泵源、压力阀、方向阀、流量阀、作动筒、马达、集管路、分布式管路、流阻、换热器、液压辅件、边界源和传感器等共153个模型，满足各种液压系统热仿真计算场景。模型库主要包含内容如下所示：

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5）热液压元件模型库（TYThermalHydraulicComponents）

热液压元件模型库包括活塞、滑阀芯、锥阀芯、球阀芯、喷嘴挡板阀芯、隔膜、密封摩擦泄漏和控制容积等38个模型。

用户可根据液压柱塞泵、溢流阀、换向阀等液压部件的物理拓扑结构，搭建结构化的液压部件模型，可与液压组件库配合用于液压系统部件级、系统级的设计与验证，并可开展对液压系统的热故障、压焓图计算等场景的应用。模型库主要包含内容如下所示：

6）气动组件模型库（TYPneumatics）

气动组件模型库包含气阀、执行机构、压气机、管路、流阻、换热器和辅件等共84个模型。

该库可用于各类工程机械、汽车、航空航天等领域的气动系统的设计，例如工程流水线常用的气动机械手、气动自动门系统、飞机的燃油通气等。模型库主要包含内容如下所示：

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7）气动元件模型库库（TYPneumaticComponents）

气动元件模型库提供丰富的活塞、阀芯、隔膜和密封摩擦泄漏等共33个基础气动元件，能够快速搭建所需的气动部件模型，满足不同颗粒度的气动部件的建模需求。配合气动组件库进行气动系统的仿真设计与验证。模型库主要包含内容如下所示：

8）气体介质库（TYGasMedia）

气体介质库提供了包含34种气体介质，适配理想和半理想气体两种计算方式，也可以进行自定义，满足气动系统建模需求。模型库主要包含内容如下所示：

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2.3 介质调用与传递

在进行系统模型搭建时需要调用介质，介质种类的选择在组件参数中进行，不需要拖拽油液，只需加载介质模型库即可。各模型库已与对应的介质库进行绑定，可自动加载。

介质种类可在任一组件中进行选择，然后通过接口传递至其它组件，因此介质相通的组件会选择相同的介质，而介质不相通的组件可以选择不同的介质，在同一系统模型中可实现多种介质共存。

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△ 介质调用与传递演示

03 模型库亮点

3.1 模型库基本特征

3.1.1 开发规范

1）架构设计合理、图标风格统一

在模型库建立伊始就对各模型库的库底板、子库底板、库图标、模型图标和连线的色彩进行统一定义，从而保证模型库整洁美观。各模型库的子库划分与实际液压气动设备分类一致，有助于模型的查找使用。各模型库架构如下：

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2）参数、变量定义规范

参数和变量的命名需要在减少命名冲突的基础上增强模型代码的可读性，在整个模型库中相同的参数、变量代表同一含义，同时参数、变量的名称能够使读者快速理解该参数、变量的含义或者作用，更快地理解整个模型。

△ 参数、变量定义规范

3.1.2 覆盖全面

1）模型库应用场景广泛

液压气动系列模型库包含有液压组件库、热液压组件库、液压介质库、气动组件库和气体介质库，这些模型库包含了常用的液压设备模型，使用这些模型可以快速进行液压气动系统搭建，完成系统设计验证、性能优化和系统稳定性分析等工作。广泛应用于行业典型液压气动场景，如四缸发动机润滑系统性能优化、液压伺服控制系统动态特性分析、数控加工中心启动系统设计验证、液压平衡系统稳定性分析等。

△ 四缸发动机润滑系统性能优化

△ 液压伺服控制系统动态特性分析

△ 数控加工中心启动系统设计验证

△ 液压平衡系统稳定性分析

2）满足多粒度建模需求

依据模型的用途不同往往需要搭建不同颗粒度的模型，对于颗粒度较粗的模型需求使用液压组件库和气动组件库的模型足以满足需求；但如果需要研究部件本身的性能则可以使用液压元件库、热液压元件库和气动元件库搭建颗粒度更细的模型。组件库和元件库配合使用，可以在同一系统中包含多种粒度模型，更高效的达到预期的仿真目标。

△ 高压喷油器设计

△ ABS电磁阀设计

△ 汽轮机调节油系统故障诊断

△ 供油系统性能优化

3.1.3 模型易用

1）帮助文档详细

液压气动模型库为每个模型配备详细的模型帮助文档，包括：模型功能描述、模型接口定义、模型参数和变量定义、模型参数设置指导、模型建模原理等，辅助用户快速理解模型的功能、原理和用途，从而实现对模型的合理使用。

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△ 帮助文档展示

2）参数面板整洁、仿真浏览器注释充分

模型参数面板中各个参数按照不同的类别设置标签，同一标签下又按照不同的功能进行分组，从而使整个参数面板呈现整洁有序的面貌。参数面板各个参数都有对应的注释，可以帮助用户了解参数的含义，从而正确地设置参数值。

模型仿真结束后可在仿真浏览器中选择需要查看的变量，在这里包含有各个模型的结果变量，且每个变量都有相应注释，用户可方便的选择。

△ 参数面板整洁

△ 仿真浏览器注释充分

3）报错提示信息充分

为了保证模型的正常使用，在模型参数设置时提供必要的信息提示，若参数设置不合理则进行提示，用户可依据此信息对参数进行修改。

△ 报错提示信息充分

3.2 模型库功能亮点

模型库名称	亮点描述
液压组件库	1、涵盖的泵、阀、缸、管路、流阻和辅件等模型，能够适用于多场景、多工况的液压系统建模与仿真；2、能够模拟液压系统在不同工况下的瞬态行为，如泵瞬时流量脉动、液压水锤现象等。
液压元件库	1、支持以液压部件的组成模块（如弹簧腔模块、阀口模块、阀芯模块等）为对象建立模型，根据拓扑结构自主搭建液压缸、阀、泵等定制化模型；2、用户可根据具体液压零部件的结构参数，搭建结构化的、细粒度的液压部件模型，能够计算研究部件本身的力学特性、运动特性、压力特性、流量特性及其之间的耦合关系；3、接口类型选择功能，使活塞或阀芯元件模型适用性更强，易用性更高。
液压介质库	1、包含5种普通液压介质计算方式和60种热液压介质，热液压介质覆盖冷却液、润滑油、燃油、航空液压油等；2、支持用户自定义油液属性。
热液压组件库	1、涵盖动力组件、执行组件、控制组件、辅助组件等不同种类组件模型；2、提供可与外界发生热交换的组件模型，具备可选的热接口，能够满足用户对热交换设计、仿真与验证等；3、能够支持复杂液压系统热仿真分析，热故障模拟，压焓图计算，能源系统优化设计等。
热液压元件库	1、用户可根据液压部件结构性能，设计不同颗粒度的部件模型，并与液压组件配合搭建液压系统，分析研究液压系统中流量、压力特性和热特性之间的耦合关系；2、热液压元件库不但与热液压组件库完全兼容，与机械、控制、热流等模型库均具备兼容接口，容腔模型包含热接口，能够满足与换热模型库等的兼容性。
气动组件库	1、涵盖气动系统仿真所需的大部分模型组件，同时能够提供特殊阀类、多种类型管路和流阻等模型；2、能够模拟气动系统在不同工况下的瞬态行为。
气动元件库	1、可自定义设计搭建所需的高粒度气动阀组件模型及系统模型等，覆盖更多场景的气动系统建模需求；2、能够计算研究部件的力学特性、运动特性、压力特性、流量特性及其之间的耦合关系。
气体介质库	1、包含34种气体介质，适配理想和半理想气体两种计算方式；2、支持用户自定义气体属性。

04 应用案例

4.1 电静液伺服作动器

电静液伺服作动器(EHA)作为一种高效率、高可靠性的执行机构，近年来受到多个领域的广泛重视，尤以航空领域最为重视，是多电/全电飞机舵面控制的优选方案。在方案设计阶段，使用液压组件库和Modelica标准库可以快速建立EHA系统仿真模型，通过仿真结果可以对系统的已有参数进行检验和对未知参数进行确定，为下一步整机工程化提供参考。

△ 电静液伺服作动器模型

△ 不同参数下期望与位移对比曲线

4.2 汽车悬架系统

汽车悬架在车辆行驶过程中扮演着至关重要的角色，对车辆的舒适性、稳定性、操控性和安全性都有着重要影响。一个良好的悬架系统可以提高车辆的性能并提供更好的驾驶体验。使用气动组件库可以建立汽车悬架系统的模型，模拟汽车悬架系统在不同工况下的运动、力学特性和性能表现，以评估悬架设计的有效性、优化悬架参数和改进悬架性能。