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AMESim参数研究与优化案例，演绎寻找最优设计方案过程

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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仿真圈

3年前浏览3537

导读：AMESim是当前CAE领域应用最为广泛的一维多领域仿真平台，它基于动态建模方法建立物理元件的数学模型，提供面向众多学科领域的专业应用库，包括控制、液压、气动、热、多相流、电子电力、电磁、机械与动力传动、电气等等。

这些专业库和库元件都经过了大量工程检验，用户只需要根据系统组成，把来自各专业库的预定义好的物理元件模型连接和组装起来，即可创建完整的系统模型，AMESim可自动形成系统方程，并进行稳态、瞬态或频响计算，分析系统性能。

通过AMESim集成的参数研究与优化工具，用户可以进一步对系统参数进行优化，找到达到产品设计目标的最优设计方案。

一、认识一维仿真软件Amesim

Amesim是一款功能强大的系统仿真软件，它可以带来机械行业的模型的设计，帮助工程师们可以更加准确的对系统进行计算，使用该软件用户将可以对多域控制系统进行建模，仿真和分析，并提供工厂建模功能，以连接到控制设计，帮助您评估和验证控制策略。

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AMESim的主要功能特殊包括：

1、1D仿真

通过Simcenter，用户可以利用1D仿真在概念设计阶段预测多领域系统性能。通过大量预定义的物理与应用模型库，用户可以高效地建立可同时用于3D协同仿真与控制策略验证的精确的仿真模型。

2、3D仿真

Simcenter 3D解决方案可帮助用户预测基于几何体的3D设计的多学科性能。Simcenter将大量强大的解算器、高效的前处理、高效仿真过程中的定制化后处理功能，与嵌入式专业知识相结合，更好地为用户提供关于产品实际行为的认识。

3、物理测试

Simcenter物理测试系统让用户可以获得无可匹敌的仿真精度并高效地指导组件和最终产品的验证。Simcenter测试解决方案为用户提供一种完整的集成式环境，用于基于测试的工程设计。

4、多学科探索

Simcenter包括一个高效易用的多学科探索工具平台，可以方便地集成用户当前的设计与仿真工具，并全面提升用户的高性能计算基础。这可以加速用户的性能预测与设计改进决策。

5、仿真数据管理

通过与Teamcenter仿真过程管理整合，Simcenter可以让用户的分析师更高效地管理数据。这一解决方案可以使分析模型与结果和设计保持同步。通过获取和管理数据与流程，用户可以为公司构建长期的知识和价值。

二、AMESim进行优化仿真的流程

使用AMESim进行优化仿真前需要将关键的输入参数设置为全局参数、研究参数的输入参数，设置关注的目标为研究参数中的输出参数；建立优化仿真流程，设定研究输入参数的上限、下限，输出参数的目标上限和下限，指定仿真的迭代次数，进行优化迭代。

图1 AMESim优化仿真流程

三、使用AMEsim进行优化仿真的案例

1、阻尼孔的确定

AMESim在阻尼孔的确定等方面非常方便，可以根据输出目标的需要设定阻尼孔的参数为研究参数，设定可以描述的输出目标和优化迭代次数，进行参数优化设计，体现正向设计的高效性，避免解析法和试凑法的低效。

以下图为例，2个阻尼孔并联，阻尼孔1通过定义直径D1为5mm来计算流量，要求通过阻尼孔2的流量是阻尼孔1的两倍时，阻尼孔D2的直径是多少？

图2 2个阻尼孔并联的回路图

传统的方法可能是试凑或者通过并联形式，基于阻尼孔1的直径换算阻尼孔2的直径，这对于简单的问题能解决，但对于系统复杂的时候就可能解决不了。

通过AMESim将原理图做些补充，增加流量传感器，提取阻尼孔1和阻尼孔2对应的流量传感器的数值进行除法计算，让除法计算得到的数值跟常数2进行比较。

图3 进行优化仿真前用的原理图

以阻尼孔2的直径D2作为研究参数的输入参数，以2个流量传感器数值进行除法计算后得到的倍数值跟常数2比较后的差值作为优化目标，使其下限为0，上限足够小进行优化迭代，得到最优设计参数。

图4 设定阻尼孔2的直径为研究参数的输入参数

图5设定2个流量传感器数值的倍数值

与常数2比较后的差值为研究参数的输出参数

创建优化仿真流程，并设置优化算法、迭代次数、输入参数的上限和下限，输出参数的上限和下限等。

图6 设定优化仿真的算法和迭代次数

图7 设定优化仿真输入参数的上限和下限

图8 设定优化仿真输出参数的上限和下限

运行优化仿真得到研究参数输入参数的最优结果，应用该结果，软件自动将此参数复杂到全局参数供动态仿真时调用。

图9 仿真得到阻尼孔2的最优数值

2、伺服振动试验台控制参数的仿真

伺服振动试验台由作动器、电液伺服阀、溢流阀、控制器、传感器、油箱、管路等组成，其作用是希望作动器连接的试验件能随着作动器的活塞杆按照一定的规律进行往复运动，例如希望试验件按照正弦规律进行往复运动。

某伺服振动试验台由一个作动器驱动试验件，液压回路采用差动连接形式，回路中包含的位移传感器采集作动器活塞杆的位移信号，跟期望的活塞杆正弦位移信号进行比较，信号比较后的差值输入给PID控制元件，经过计算后输出控制信号到达电液伺服阀的控制端口来改变电液伺服阀的阀芯开度，从而调节进入作动器的流量来改变作动器的移动速度以追踪期望位移曲线，其仿真原理图如下。

图10 单作动器驱动的伺服振动试验台仿真原理图

原理图中使用正弦信号元件定义作动器的期望位移曲线，使用位移传感器提取仿真输出的作动器活塞杆的位移，使用求差元件计算期望位移跟仿真输出的活塞杆位移之间的差值，将此差值作为PID元件的输入。PID元件中的参数、泵的排量、溢流阀的开启压力设置为全局参数。

图11 设置PID控制元件、泵和溢流阀的全局参数

仿真原理图中使用2个自定义表达式的元件和求均值的元件将期望位移信号和仿真输出位移信号的差值进行平方计算，求均值以及进行开方计算得到信号差值的均方根值，将此均方根值作为研究参数中的输出参数。

图12 设定研究参数的输入输出参数

创建优化仿真流程，并设置优化算法、迭代次数、输入参数的上限和下限，输出参数的上限和下限等。

图13 设定控制优化仿真的输入参数上限和下限

图14设定控制优化仿真的输出参数的上限和下限

运行优化仿真后将得到的输出参数应用到系统中，接着运行动态仿真。

图15 优化仿真得到的输入参数值

运行动态仿真后进行后处理，调出作动器的期望位移曲线与仿真输出的作动器位移曲线。

图16 作动器的期望位移曲线和仿真输出曲线的对比

四、结论

使用AMESim软件的优化功能可以方便地基于工程师设置的研究参数的输入参数对研究参数的输出参数进行优化，得到关注的输入参数的推荐值，接着进行动态仿真进行验证。优化仿真能提高效率，帮助工程师快速确定输入参数的优选值，是仿真工程师的有力工具（仿真小助手：更多AEMSim视频教程和学习资料，请在仿真秀官网或APP搜索）。

作者：液压仿真专家，仿真秀专栏作者，高级工程师，有十几年设计和仿真经验，结构、液压、多体动力学仿真工程师，擅长结构有限元分析、机构运动分析、拓扑优化、液压系统和非标元件建模仿真。

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首次发布时间：2021-01-31