开题报告 - 图文

贵 州 师 范 大 学

硕士研究生学位（毕业）论文开题报告

论 文 题 目 二级液压缸顺序运动仿真研究

研 究 生 姓 名 李 成 亮 学 号 4201210000765 导师姓名、职称 苏 明 研究员 郑继明 教 授 学院（教学部） 机械与电气工程学院 专 业 计算机科学与技术 研 究 方 向 机械CAD/CAE

一、立论依据

（选题的研究意义、国内外研究现状分析） 1.1 研究意义： 自二十世纪八十年代以来，机、电、液技术在工程机械领域得到了迅速的发展，现代控制方式也实现了技术的革新。在液压传动系统中，液压缸是最普遍使用的执行元件，它将液压能转变为机械能，因其具有工作平稳、承载力大等优点，已被广泛应用于各种机械生产行业。但在行程较远的应用场合，普通的液压缸因其行程小而大大地受到限制，因此，研究行程远的多级液压缸具有十分重要的意义。 在多级液压缸的研究过程中，其多级缸的运动顺序和控制精度一直是研究的重点。但运动顺序所遵循的规律仍然停留在多级缸的几何关系上，并且多数情况还是在空载或负载为阻力的条件下建立的，忽略了负载的主动力作用。在实际应用过程中，仅仅依靠单一的几何关系来约束多级缸的运动顺序还是不完整、有待完善的。 为了进一步提高多级液压缸运动的稳定性、可靠性，满足贵州某企业的要求，因此有必要研究多级液压缸较精确的运动顺序，以探索高效的液压传动与控制方法，提高液压系统的工作效率，降低液压系统的故障率，满足不同用户提出的不同需求，减少生产成本，为企业提高经济效益起到了举足轻重的作用。因此本课题的确立不仅具有重大的理论意义，而且具有很广阔的市场应用前景。 1.2国内研究现状： 近些年来，液压技术一直受到世界各国的重视。液压缸以及数字化的关键技术研究也一直是全球研究的热点。 在我国，多级液压缸顺序运动的研究源于21世纪初期，是由于贵文教授等人在设计双作用多级液压缸的过程中首先提出的：在二级液压缸材料满足强度的情况下，其依次伸缩的条件为：第一级活塞内径与外径之比不小于第二级活塞的内径与外径之比，即称为液压缸各级之间满足的几何关系。多级液压缸的理论研究现状具体为： 文献[3-4] 对含有二级液压缸的举升系统进行了研究，且从文中能得出二级液压缸的运动顺序，但并未讨论影响其运动顺序的因素； 文献[5-8]建立了保证二级液压缸伸出按先大后小、回缩按先小后大顺序进行依次伸缩运动的液压缸的几何关系，并进行了仿真分析；以及文献[9]通过算法对二级液压缸的控制进行优化； 文献[10]中仅单纯地说明了在油腔压力一定、输出恒定的推力时选用二级液压缸的方法，并未给出在液压系统中所能承受力的大小。 多级液压缸的实际应用研究现状为： 浙江大学流体传动与控制实验室研究的多级液压缸是以液压电梯为对象，采用国外的“DSH液压系统仿真软件”对三级液压缸进行了计算机仿真[13][2][1]。 第二炮兵工程学院采用AMESim软件对导弹发射车的起竖装置进行了研究，并采用联合仿真的方法研究了

变负载的同步控制。 长春工程学院以液压起重机为载体，研究了四级同步伸缩液压缸的一些特性，总结归纳了液压缸的有关参数之间的关系 [14]。 1.3国外研究现状： 在国内液压缸不断生产和研发的过程中，与此同时，国外液压缸的行业也在迅猛发展。为了拓宽市场，增强市场竞争力，国外的一些国家，尤其是日本、法国、德国，液压缸的企业朝着大型化、集团化发展。根据日本生产液压缸的42家厂商统计，结果显示：有 14 家企业年产量在一万根以上的；有 7 家年产量在五千根以上的；有 8 家年产量在两千根以上的。在“日本油压工会”的推动下，顺应生产规模扩大的趋势，很大一部分企业组成了企业集团，如1968年日本组成了油缸集团。到1976年，油缸集团还在进一步扩大，油研工业、太阳铁工等企业加入了油缸集团。据不完全统计，当年生产统一标准的液压缸，实际年产量已达六万根。 在国外，多级液压缸的研究是与具体的实际应用相结合的。日本的Nanbu Tetsukou公司所获专利的三级伸缩式液压缸，直接开发出了能让伸出活塞杆固定在三个位置的控制系统。 捷克斯洛伐克发明了结构独特的双作用多行程液压缸，如图1-1所示，已获得专利。在缸体3内依次有三个活塞2。当活塞杆4移动时，每个活塞的行程以及初始位置均借助液压缸内的挡铁1确定[15][1]。 图1-1 多行程液压缸 Fig. 1-1 multi-strokes hydraulic cylinder 德国的Hanchcn公司生产了一种可直接测量行程的多级液压缸，配有活塞杆移动感应式传感器，采用伺服阀来控制液压缸[25]；美国的 Miller Fluid Power Corp 公司在研究液压缸的制动方面已获得了滚珠式液压机械制动装置专利，这种装置的可靠性比较高。 随着控制技术、信息技术、智能科学不断向机械工业的渗透，液压缸的研究不再仅限于机械的层面，而是与多领域学科相结合，所开发的产品也是日益多样化、现代化、高精准化。

二、研究方案

1．本研究的特色与创新之处 特色： （1）AMESim软件是基于功率键合图理论，为多学科领域复杂系统的建模、仿真提供了良好的可视化运行环境。本论文拟采用AMESim软件对液压系统进行建模、仿真。 （2）针对二级液压缸在吊装和平装两种工作状态下，对其进行了力学分析，分别给出了顺序运动的判断条件。 （3）设计了简单的液压系统，基于AMESim软件建立了系统模型，在不同负载条件下进行了二级液压缸的运动仿真，验证了判断条件的正确性。 （4）基于python语言对AMESim脚本的进行开发，详细叙述了AMESim脚本工具的设置和开发的过程，结合设计的简单的液压系统，测试通过脚本开发模式与AMESim仿真模式两种模式下运行的结果，验证了脚本开发的正确性，并总结了脚本开发的优缺点， 创新： 虽然在理论上提出了二级液压缸顺序运动的条件，但吊装工作状态下其所能承受的最大负载值与液压系统紧密相关，在设计二级液压缸时仍无法准确求出。针对这点不足，提出一种在液压系统中求解二级液压缸负载最大值的数值解法，这种解法具有较强的实用性。 2、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 研究目标： 在液压缸吊装负载时，因负载起到主动力的作用，二级液压缸运动顺序会受到负载的影响。对吊装和平装二级液压缸的伸缩运动进行了分析，给出二级液压缸顺序运动的判断条件，验证分析结果，提出一种在液压系统中求解吊装二级液压缸负载最大值的数值解法。 研究内容： （1）为保证含二级液压缸系统的稳定性和安全性，二级液压缸必须按伸出先大后小、回缩先小后大的顺序进行运动。针对二级液压缸在吊装和平装两种工作状态下，拟对其进行力学分析，分别给出其顺序运动的判断条件。 （2）拟设计简单的液压系统，基于AMESim软件建立系统的模型，在不同负载条件下进行二级液压缸的运动仿真，验证判断条件的正确性。 （3）在高级语言python对AMESim脚本的开发步骤不完整的情况下，拟详细叙述AMESim脚本工具的设置和开发的过程，结合设计的简单的液压系统，测试通过脚本开发模式与AMESim仿真模式两种模式下运行的结果，验证脚本开发的正确性，并总结脚本开发的优缺点，为AMESim的脚本开发提供了参考。 （4）虽然在理论上提出了二级液压缸顺序运动的条件，但吊装工作状态下其所能承受的最大负载值与液压系统紧密相关，在设计二级液压缸时仍无法准确求出。针对这点不足，拟提出一种在液压系统中求解二级液压缸负载最大值的数值解法。 拟解决的关键问题： 在液压缸吊装负载时，因负载起到主动力的作用，二级液压缸运动顺序会受到负载的影响。本论文拟对吊装和平装二级液压缸的伸缩运动进行了分析，给出二级液压缸顺序运动的判断条件，验证分析结果，提出一种在液压系统中求解吊装二级液压缸负载最大值的数值解法。

3、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 研究方法： 本论文研究二级液压缸顺序运动的判断条件，其方法可以归纳为： 首先，对典型的液压系统进行相关的理论研究；其次，对二级液压缸进行力学分析，给出其顺序运动的判断条件；然后，设计液压系统，通过AMESim软件进行仿真验证；最后，基于python语言，求出二级液压缸顺序运动的负载的极值。 技术路线： （1）理论分析：对二级液压缸运动顺序进行力学建模、分析计算。 （2）数字仿真：基于AMESim软件建立液压系统，仿真分析二级液压缸顺序运动的判断条件的正确性，求出二级液压缸顺序运动的负载的极值。 可行性分析： 目前，文献[3-4] 对含有二级液压缸的举升系统进行了研究，且从文中能得出二级液压缸的运动顺序，但并未讨论影响其运动顺序的因素；文献[5-8]建立了保证二级液压缸伸出按先大后小、回缩按先小后大顺序进行依次伸缩运动的液压缸的几何关系，并进行了仿真分析；以及文献[9]通过算法对二级液压缸的控制进行优化；文献[10]中仅单纯地说明了在油腔压力一定、输出恒定的推力时选用二级液压缸的方法，并未给出在液压系统中所能承受力的大小。 于贵文教授等人在设计双作用多级液压缸的过程中首先提出的：在二级液压缸材料满足强度的情况下，其依次伸缩的条件为：第一级活塞内径与外径之比不小于第二级活塞的内径与外径之比，即称为液压缸各级之间满足的几何关系。在此基础上进一步提出二级液压缸顺序运动与负载的关系具有可行性。 4．研究条件和可能存在的问题 研究条件： 本课题的研究依托贵州师范大学机械与控制仿真重点实验室，其不仅具有AMESim（多学科仿真）、NX NASTRAN（基础有限元仿真）、NX Motion（多体动力学仿真）、Simufact（金属成形仿真）、Procast（铸造工艺仿真）软件仿真的能力，还具有液压缸样机试验的硬件平台。导师苏明研究员多年从事液压领域的研究，具有丰富的数字液压控制及仿真的实践经验。故本课题研究的各项条件都具备。 可能存在的问题： 在研究二级液压缸顺序运动的过程中，选用何种方法、如何较快地求出负载的极值可能有一定的难度。 5．预期的结果 通过研究二级液压缸的运动，给出统一的二级液压缸顺序运动的判断条件，设计简单的含二级液压缸的液压系统，基于AMESim软件建立吊装二级液压缸的模型，在不同负载条件下进行二级液压缸的运动仿真，验证分析结果，求出吊装二级液压缸负载的最大值。

三、论文写作进度安排

研究起止年限和任务安排： 2014.1～2014.3 二级液压缸运动过程的相关理论学习 2014.4～2014.6 基于AMESim软件建立二级液压缸的模型 2014.7～2014.9 基于AMESim软件对二级液压缸进行仿真 2014.10～2014.12 基于python语言对AMESim进行脚本开发，求出影响二级液压缸顺序运动的负载最大值。 2015.1～2015.3 总结，形成论文初稿 四、主要参考文献

[1] 李鑫. 数字液压缸位置控制系统的特性研究[D].沈阳工业大学,2013 [2] 李成亮,苏明,谢志平.吊装二级液压缸顺序运动的条件研究.液压与气动[J],2014,(7);10-14 [3] 马长林,黄先祥,李锋,等. 基于软件协作的多级液压缸起竖系统建模与仿真研究[J]. 系统仿真学报,2006,S2:523-525 [4] 任建华,谢建,李良,等. 基于Simulink的含二级液压缸的举升系统仿真研究[J]. 机床与液压,2013,09:160-162 [5] 于贵文,臧克江,林晶. 双作用多级液压缸的设计[J]. 中国工程机械学报,2007,04:430-433 [6] 谢建,罗治军,田桂,等. 基于AMESim的导弹起竖系统建模与仿真[J]. 流体传动与控制,2009,05:13-15 [7] 谢建,罗治军,田桂,等. 基于AMESim的多级液压缸建模与仿真[J]. 机床与液压,2010,07:126-129 [8] 贾善斌,刘志奇,刘天勋,等. 基于AMESim的液压支架试验台升降系统的建模仿真[J]. 液压气动与密封,2012,05:43-46 [9] 任建华,谢建,张磊. 含二级液压缸举升系统的改进PID控制算法研究[J]. 液压气动与密封,2013,02:50-52 [10] 中国有色工程设计研究总院. 机械设计手册（第五版）第5卷[M]. 北京:化学工业出版社，2008,03:21-361 [11] 马长林,郝琳. 基于Simulink的多级液压缸建模与仿真应用研究[J]. 液压与气动,2012,08:88-91 [12] Cheng-Liang LI,Ming SU,Zhi-Ping XIE. Extreme Research on the Order Motion of the Hoisting Two-stage Hydraulic Cylinder. Applied Mechanics and Materials Vols. 727-728 (2015) pp 430-434 [13] 廖柯，邱敏秀，杨华勇，郑建军. 多级同步伸缩液压缸的设计和研究[J].液压与气动,1994,2 [14] 孙伟，范成岩,张丽萍. 四级同步伸缩液压缸的研究[J].控制与检测,2005,8 [15] 李良福. 国外动力液压缸的发展状况[J].机械工程师,2002,(9);9-11 [16] 李宇彤. 液压缸智能计算机辅助设计系统的开发和研究[D],吉林:吉林大学,2005 [17] 陈正. 四级同步比例伸缩液压缸控制系统的研究与应用[D],湖北:武汉科技大学,2011 [18] 李成亮,苏明. 基于Python语言对AMESim脚本开发的研究[J].贵州科学,2015,3 [19] 潘曲（William F. Punch），尹鲍德（Richard Enbody）著. Python入门经典 以解决计算问题为导向的Python编程实践[M]. 北京：机械工业出版社, 2012,08:1-7 [20] 肖建,林海波等. Python编程基础[M]. 北京:清华大学出版社, 2003,1-5 [21] 付永领,齐海涛. LMS Imagine. Lab AMESim系统建模和仿真实例教程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2011, 07:158-202 [22] 付永领,祁晓野. AMESim系统建模和仿真参考手册[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2011,10:139-145 [23] 崔中凯. 102米液压多级缸云梯的分析研究[D],山东:山东大学,2010 [24] 贾善斌. 多级液压缸四缸同步控制系统研究[D],山西:太原科技大学,2012 [25] Kadlowec, J.; Wineman, A.; Hulbert, G., Elastomer bushing response: Experiments and finite element modeling. Springer-Verlag Wien. June 2003. p 25-38 五、论文大纲

目录 中文摘要 英文摘要 第1章 绪论 1.1课题研究背景及意义 1.2国内外研究现状 1.3 课题研究内容 第2章 多级液压缸的特性与结构分析 2.1液压缸的分类 2.2多级液压缸的分类 2.3本章小结 第3章 二级液压缸顺序运动的条件研究 3.1吊装二级液压缸顺序运动的条件研究 3.2平装二级液压缸顺序运动的条件研究 3.3二级液压缸顺序运动的判断条件 3.4 本章小结 第4章 吊装二级液压缸系统的建模与仿真 4.1吊装二级液压缸系统的建模 4.2吊装二级液压缸系统的仿真 4.3本章小结 第5章 吊装二级液压缸顺序运动的极值研究 5.1 AMESim脚本开发的工具及其功能 5.2基于Python语言对AMESim脚本开发的研究 5.3基于Python语言对吊装二级液压缸顺序运动的极值进行研究 5.4本章小结 第6章 总结与展望 6.1总结 6.2展望 参考文献 致谢 附录 六、评审意见

导师意见： 开 题 报 告 考 核 小 组 成 员 姓名 职称 是否硕导 工作单位 考核小组意见： 考核小组成员签名： 年 月 日

注：本表一式四份（报研究生处、学院（部）、指导教师各一份；研究生本人留一份。

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