冯艳明，戴钰冰，李明，童明炎，孙胜



基于AMESim的调压器的研究

冯艳明，戴钰冰，李明，童明炎，孙胜

（中国核动力研究设计院，四川 成都 610213）

介绍了调压器的作用、结构组成和工作原理，并根据调压器的主要结构组成与工作原理，结合实际工况下的调压器的各主要参数值，在AMESim环境下按照AMESim的仿真步骤及要求建立了调压器的AMESim仿真模型。基于该仿真模型对充入调压器的氦气的体积、调压器的橡胶囊的弹性系数等主要参数进行了仿真分析与研究，得出了调压器在调压过程中的温度、氦气压力、氮气压力等主要参数的变化规律以及充入调压器的氦气体积、调压器的橡胶囊弹性系数等主要参数对调压器调压特性的影响规律。

调压器；AMESim；调压特性

调压器是变功率辐照考验回路中的重要件，其调压特性影响甚至决定着功率变化特性，因此，需要对调压器调压特性进行仿真分析研究。

1 AMESim

LMS Imagine.Lab AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）为多学科领域复杂系统建模仿真平台。用户可在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，也可在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。通过AMESim，用户从开发阶段起就能对智能机电一体化系统的功能进行分析。由于专注于实际物理系统，AMESim将工程师从数值仿真算法和耗时的编程中解放出来。每个模型提供了最基本的工程元件，这些元件组合起来能够描述任何元件或系统功能。AMESim拥有一套标准且优化的应用库、4500多个领域的模型，已成功应用于航空航天、车辆、船舶、工程机械等多学科领域，成为流体、机械、热分析、电气、电磁以及控制等复杂建模和仿真的优选平台。

2 调压器的结构与原理

调压器结构如图1所示，由筒体、吊耳、筒体法兰、橡胶气囊、橡胶气囊进气口、氦气进气口、气囊法兰组成。橡胶气囊的外表面与筒体内表面紧贴，橡胶气囊内充满压强为0.1 MPa、体积为153 L的氮气。压强为15 MPa、体积为1.3 L的氦气经氦气进气口进入筒体内表面与橡胶气囊外表面之间的间隙后，在高压氦气的作用下使橡胶气囊发生挤压变形。橡胶气囊的变形使橡胶气囊内的氮气、橡胶气囊外的氦气的体积发生变化，进而使氦气的压强、体积发生变化，从而达到调节氦气压力的目的。

1.筒体2.橡胶气囊3.吊耳4.筒体法兰5.氦气进气口6.橡胶气囊进气口7.气囊法兰

3 调压器的AMESim模型

根据调压器的结构与工作原理和建立AMESim模型的四个步骤（Sketch图形模块、Submodels子模型模块、Parameters参数设计模块、Simulation仿真计算模块）建立的调压器仿真模型如图2所示[2]。其中，橡胶囊的变形过程近似为线性过程，简化为带有弹簧的缸筒、活塞。初始状态下橡胶囊的内表面积约为1.97×106mm2，厚为10 mm，查得橡胶的弹性模量为7.84 MPa，由＝·/得橡胶囊的弹性系数为1.54 N/mm。

图2 调压器仿真模型

4 仿真分析

在上述建立的仿真模型上进行调压过程仿真。所有仿真过程忽略热变形、制造精度、泄漏、环境对调压过程和结果的影响，仿真模型的子模块和参数模块按照调压器的实际结构、原理与参数进行选择和设置。调压器仿真模型中氦气的压力设置为15 MPa，体积1.3 L，橡胶气囊内压力设置为0.1 MPa，体积153 L，外表面积设置为2.06×106mm2，内表面积设置为1.96×106mm2，温度均为常温293 K。仿真时间设置为20 s，采样时间0.01 s，控制信号控制氦气在氮气充满橡胶气囊1 s后充入调压器。经仿真得出调压器调压过程中氦气压力、温度变化曲线如图3、图4所示。

图3 氦气压力变化曲线图

由图3可以看出氦气的压力由调压前的15 MPa经过3 s迅速下降到13.9 MPa，紧接着经过6 s下降到13.8 MPa，并稳定保持在此压力值，整个调压过程用时9 s。

图4 氦气温度变化曲线图

由图4可以看出氦气的温度由调压前的193 K经过3 s迅速下降到287.8 K，紧接着经过6 s下降到287.3K，并稳定保持在此温度值，整个调压过程用时9 s。

由图3和图4可知，在调压器调压过程中氦气的压力与温度变化趋势相符合，均先迅速降低到一定值，然后缓慢降低且稳定在一定值。

5 参数研究

5.1 氦气体积对调压器调压特性影响的研究

将充入调压器的氦气体积设置为1.3～15.3 L，步长为2 L，共8组，其它参数不变，基于上述仿真模型，进行批处理仿真，得出不同体积下氦气的压力变化曲线如图5所示。可知，氦气经过调压器调压后，压力随充入氦气的体积增大而增大，在1.3～9.3 L范围内充入氦气的体积变化对调压后氦气的压力变化影响较大，1.3～5.3 L范围内影响最为显著。当充入氦气的体积大于9.3 L后对氦气的压力变化影响较小。

图5 不同体积下氦气的压力变化曲线

5.2 橡胶囊弹性系数的研究

基于上述模型，将调压器橡胶囊的弹性系数设置为0.64～2.74 N/mm，步长0.3 N/mm，共8组，其它参数不变，进行批处理仿真，得出不同弹性系数下氦气的压力变化曲线如图6所示。可以看出，8条曲线重合为一条曲线，从而可得出在该范围内橡胶囊的弹性系数变化对调压过程和调压后氦气的压力无明显影响。

图6 不同弹性系数下氦气的压力变化曲线

6 结论与展望

通过对调压器进行基于AMESim的建模仿真分析，得到如下结论：

（1）调压器的调压特性曲线：氦气压力从15 MPa降低为13.8 MPa，温度从293 K下降到287 K，整个过程用时9 s，压力、温度均是先急剧下降后缓慢降低。该调压特性在理论上够满足变功率辐照考验回路对调压器的要求。

（2）充入调压器的氦气体积对调压后氦气压力的影响规律：体积越大压力越大，当体积为1.3～9.3 L时，对压力有显著影响，当体积大于9.3 L后对压力的影响较小。

（3）橡胶囊的弹性系数对调压后氦气压力的影响规律：在0.64～2.74 N/mm范围内对调压器的调压过程和结果均无明显影响。

[1]付永领，祁晓野. AMESim系统建模和仿真——从入门到精通[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006：1-80.

[2]余佑官，龚国芳，胡国良. AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[J]. 液压气动与密封，2005（3）：28-31.

Research on Pressure Regulator Based on AMESim

FENG Yanming，DAI Yubing，LI Ming，TONG Mingyan，SUN Sheng

( Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China )

This paper introduces the functions, composition and working principle of pressure regulator, and according to the main composition and working principle of the pressure regulator，combined with the main parameters of the regulator under actual operating conditions, the AMESim simulation model of the regulator is established under the AMESim environment according to the simulation steps and requirements of AMESim. Based on the simulation model, the main parameters such as the volume of the helium filled in the regulator, the elastic coefficient of the rubber capsule of the regulator and so on are simulated and studied. The changing rules of main parameters such as temperature, helium pressure and nitrogen pressure in the process of pressure regulation, as well as the influence of main parameters such as the volume of helium and the elastic coefficient of the rubber of the regulator on the pressure regulation characteristics of the regulator are obtained.

pressure regulator；AMESim；pressure regulation characteristics

TM423

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.011

1006－0316 (2018) 02－0042－03

2017－03－30

冯艳明（1987－），男，山西吕梁人，硕士研究生，研究实习员，主要从事放射性设备的设计与研究工作。