UM Pneumatic Systems

Моделирование динамики систем тел с пневматическими элементами

Программный комплекс «Универсальный механизм» включает специализированный модуль UM Pneumatic Systems, который содержит инструменты для моделирования динамики систем тел с пневматическими элементами. Следующие элементы доступны для использования вместе с данным модулем:

• Пневматическая рессора
• Камера с постоянным объемом
• Пневматическая трубка
• Сопло (отверстие)
• Клапаны контроля высоты
• Компрессоры

Пневматическая рессора (ПР)

Реализованы следующие модели ПР:

• Табличная модель: описание силового элемента включает табличные экспериментальные данные о силе и объема;
• Модель Нишимуры
• Модель Берга
• Термодинамическая модель

Статическая модель ПР 1T15-M0 от производителя

Табличная модель ПР импортированная в UM

Производители часто предоставляют информацию о свойствах ПР в виде графиков, которые включают результаты статических испытаний нагрузка/высота и объем/высота. Пример таких графиков для ПР 1T15-M0 приведен на рисунке. Такие данные позволяют построить достаточно точную динамическую модель ПР.

Пневматические трубки (каналы)

Стационарные модели

Трубка длиной 3м, диаметр 5мм

Для пневматических трубок реализованы три модели представляющие собой зависимости массового расхода от падения давления:

• "Atlas"
• Механика жидкостей
• Уравнения Дарси-Вайсбаха (Darcy-Weisbach)

Модель потока в пневматической трубке во временной области

Динамическая модель потока воздуха в пневмотрубке описывается системой дифференциальных уравнений. Модель позволяет учитывать переходные процессы и инерционные свойства потока в длинных трубках.

Верификация динамической модели пневмотрубки

Схема экспериментальной установки для верификации динамической модели потока в трубке

Частотный отклик: сравнение моделирования с экспериментом

Модели отверстий, сопла и т.д.

Подобно пневматической трубке, отверстие (а также сопло, клапан и т.д.)  является связующим элементом между двумя узлами пневмосистемы. Математическая модель такого элемента включает зависимость массового расхода от падения давления. В UM реализованы две модели отверстия:

• Сопло
• ISO 6358

Клапан контроля высоты

Примеры клапанов

Клапан контроля высоты (HCV- height control valve или LV – leveling valve) используется в автомобильной и железнодорожной отрасли для поддержания желаемого значения высоты подвески при различной нагруженности кузова грузового автомобиля или пассажирского вагона.

Пример характеристика клапана контроля высоты

Компрессор

Компрессор в UM введен для автоматического поддержания давления в резервуарах. Компрессор включается, если давление в резервуаре меньше заданного значения P_min, и выключается при достижении значения P_max.

Пневматические системы

Пневматическая система в UM – это граф, то есть набор узлов (вершин), соединенных ребрами. Каждый узел соответствует одному из пневматических элементов следующих типов:

• Камера постоянного объема
• Пневморессора (ПР)
• Простой узел

Ребрами являются:

• Пневматические трубки (каналы)
• Отверстия

ПР, соединенные двумя тройниками

ПР, соединенные трубками со вспомогательными камерами

Модель пневмосистемы с клапаном контроля высоты

Верификационные тесты

Тест 1: Пневморессора, соединенная каналом со вспомогательной камерой

Схема эксперимента для изучения влияния пневмотрубки на динамическую жесткость и демпфирование пневморессоры со вспомогательной камерой

Динамическая жесткость в зависимости от частоты возбуждения: сравнение моделирования с экспериментом

Тест 2: Пневморессора, соединенная отверстием со вспомогательной камерой

Пневморессора и вспомогательная камера

a = 1mm	a = 2.5mm
a = 5mm	a = 7.5mm
Коэффициент динамичности: сравнение моделирования с экспериментом

Пример моделирования: высокоскоростной железнодорожный экипаж

Модель экипажа

Модель тележки с двумя пнеморессорами

Сравнение результатов моделирования для случаев ПР со вспомогательными камерами и изолированных ПР с дополнительными гасителями колебаний во вторичной подвеске