0 引 言

Simulation X为一款在工程实践和高校科研实验中得到逐渐应用的新兴软件[1-3]。Simulation X可在统一平台上为多学科和多领域进行相关的系统工程建模和仿真验证研究，它涉及的学科门类较多，包括海洋工程、机器人及控制系统优化、发动机系统以及电磁驱动机构的设计等。而动态机理建模技术为Simulation X仿真提供了可操作的基础，通过掌握对象的运行机理，将数学模型导入Simulation X中，形成最终的仿真分析结果[4-8]。

在海洋工程学科的课堂教学实践中，相关的理论和技术都较为抽象，这种抽象主要表现在两个方面，① 海洋工程的真实环境距离学生较远，学生对于海洋及海洋工程的相关系统概念是模糊的，仅靠图片和视频是难以形成完整的海洋工程学的知识体系。② 海洋工程涉及面广，涉及机械、控制、材料多种学科的融合。基于此，单一的理论传授式的教学是难以达到课堂教学目的，且教学效果较差[9-12]。如果能通过一些仿真实验环节对课堂教学进行有效的补充，将会对学生较好的掌握海洋工程的相关知识体系具有非常大的帮助，并产生良好的课堂教学效果。

本文以“海洋工程设计”课程中的“深水阀门及执行机构”教学内容为例，结合Simulation X软件，对深水阀门及执行机构进行机理建模和动态仿真分析。基于Simulation X软件搭建深水阀门及执行机构仿真平台将训练学生在海洋工程、水下生产系统、水下电液复合系统与水下控制系统设计等方面的综合能力。通过对运行机理进行分析并建立数学模型，再结合Simulation X软件中最新的海洋库组件模块，学生可以根据不同水深、不同海况压力和温度的要求，自主设计并搭建水下深水阀门及执行机构仿真系统，根据要求设定深水阀门及执行机构的动作时间及运行方式，可充分将理论与实践衔接起来，一方面使学生能够系统地学习理论知识，掌握深水阀门及执行机构的基本原理与技术；另一方面有助于提高学生解决实际深水工程问题的能力，从而提升教学质量与效果。

1 深水阀门及执行机构的压力补偿机制

深水阀门及执行机构是深水海洋油气开发必不可少的设备，并广泛应用于水下生产系统中[5]。深水阀门与陆地上阀门相比，涉及海水腐蚀、深水压力、深水温度等外部环境影响，同时这些外部因素的影响也要求阀门具有较高可靠性和较长使用寿命。深水阀门及执行机构的构成如图1所示，包括液压缸，ROV(水下机器人)操作接口、机械传动机构，阀门位置指示器和用于平衡海水静压的压力补偿结构[3]。

深水阀门及执行机构相较于陆上阀门不同点在于前者内部必须充入液体—补偿液，以平衡海水环境中阀门所受的压力，即通过压力补偿器来实现此特性[3]。图2为一种皮囊式压力补偿结构，皮囊的内外表面分别与补偿液和海水接触，以达到内外介质的压力平衡，同时又将海水与补偿液隔离，避免海水进入阀门及执行机构腐蚀内部组件。

1-指示器指针；2-压力补偿器；3-液压注入口；4-深水闸阀；5-执行机构本体；6-ROV接口图1 深水闸阀执行机构1-补偿器外腔；2-皮囊；3-补偿器内腔；4-补偿器油流通道；5-执行机构内腔；6-执行机构外壳；7-补偿器外壳图2 皮囊式压力补偿器 示意图

图3所示为一种深水阀门及执行机构的活塞杆开导流孔示意图。

下面通过建立了包含导流孔阻尼影响在内的深水阀门及执行机构液压控制时的动力学模型，并利用SimulationX软件进行动态仿真。

2 深水闸阀执行机构液压控制时的动力学模型

深水阀门及执行机构的动作动力源为液压油，在阀门开启时，由水上的液压源在恒定压力作用下供油；当需要阀门关闭时，去除液压压力。在此基础上用传递函数法建立深水闸阀执行机构液压控制时的动力学模型[3-4]。执行器的动态微分方程如下：

执行器开启过程中，活塞杆的力平衡方程为

p(A-A1)+

流量方程为

动作持续时间为

执行器关闭过程中，活塞杆的力平衡方程为

k(L0+y)+

md2y/d2t+ρgHA1 +ρgH(A-A1)+f关

流量方程为

动作持续时间为

以上各式中：p为执行机构控制开启的供压压力；A为活塞面积；A1为活塞杆面积；A2为阀杆面积；H为工作水深；y为活塞位置；L为活塞行程；L0为弹簧预压缩量；m为活塞等动作部件质量+1/3弹簧质量；ρ为海水密度；μ为补偿液的动力黏度；k为弹簧刚度；g为重力加速度；lp为导流孔长度；dp为导流孔内径；f开为阀门的开启阻力；f关为阀门的关闭阻力；Q为执行机构开启过程中流入液压缸的流量；Q1为执行机构关闭过程中流出液压缸的流量。