超单元技术

超单元技术（通用4篇）

超单元技术 篇1

1前言

有限元技术的发展已使设计初期获得相关设计产品基本性能成为可能。设计人员可以在轴承的设计中应用有限元技术获取轴承的基本性能。欧阳中和采用ANSYS软件,应用弹性接触理论对轴承进行仿真分析[1];张风琴等采用ADAMS对圆柱滚子轴承进行动态仿真分析[2],汝艳等根据轴承的结构特点,利用VC++在Solid Works平台上开发出轴承设计系统[3]。本文针对轴承结构的自身特点,引入超单元技术进行轴承设计初期仿真分析。

2 超单元技术

采用超单元分析方法可以将一个复杂的模型分成若干个不同的部件,称其为子结构;将每个子结构视为一个超单元,之后按一定的连接方式组合成整个结构[4]。子结构法由静态凝聚技术支持,在分析中静态凝聚用于描述子结构之间的边界位移和其内部位移。超单元的自由度分为内部自由度和边界自由度,计算时需要将内部自由度凝聚掉,通常采用对称高斯消去法进行求解。其数学过程为:将f-集分为o-集(内部自由度)和a-集(边界自由度),o-集在分析时被删除,a-集保留。

设一个结构有n个部件,分别记为部件1,部件2,…,部件n。相邻的两个部件i和j在界面i-j上连结,令其界面位移自由度为{u}i-j,它的节点自由度为两个部件所共有。每个部件的f-集位移可以表达为:

式(1)、式(2)中,uo为内部自由度;ua为边界自由度。

式(1)和(2)包括每个部件中除与o-集相连的界面以外的所有自由度,通过静态凝聚后每个部件将所见到的只有界面自由度集。两个缩减的刚度方程为:

式(3)、(4)中,K为刚度,P为载荷。

因为方程式(3)、(4)针对同一组位移,而且位移坐标系也相同,所以将刚度和载荷相加得到:

在求解界面位移之后,可以计算每个部件的内部位移,并计算其它所有的物理量。

运用超单元技术具有很多优点,其可以求解超过计算机资源范围的单一结构问题;在部件重新设计时,只需要单独分析该部件,而不需要整体重新计算;可以有效地对结构布置进行深入研究;在同一系统内,重复部件的模型可以通用,并可由承担同一计划的各组分别创建各部件模型;支持互相连接的通用分析零件库的概念。

3轴承仿真分析

3.1 有限元模型建立

图1为整体滚柱轴承的CAD模型。对同样尺寸外径和内径的轴承,不同厂家的滚柱数目设计等细节会有所不同,但整体上轴承的结构都可以视为包含一个滚柱的单位结构,并将其旋转构成的轴承整体。以图1滚柱轴承为例,抽取的包含一个滚柱的单位结构如图2所示。

由于本次分析仅针对轴承在静载下的受力情况,此时可假设滚柱受到内圈与外圈的挤压,而保持架不起作用,故在有限元模型建立时忽略保持架,节省建模与计算时间。图3为轴承单位结构有限元模型。

将每个单位结构定义为超单元,最终构成整体有限元模型(图4)。

3.2 GAP单元

众所周知,轴承内部滚柱和内外圈的相互作用是弹性接触问题,为此利用MSC.Nastran软件中的间隙单元进行模拟仿真,即在圆柱滚子和内外圈接触的局部设定GAP单元[5]。GAP单元是用来模拟接触的三维间隙单元,在未接触区,它不影响分析对象的运动状态和趋势,而在接触区域,GAP单元的法向刚度将变得足够大以阻止接触体相互侵入。

GAP单元如图5所示,由GA,GB两点构成,其载荷和位移的关系可以通过接触面的法向分量和切向分量进行描述。

GAP单元的主要参数包括初始开度U0,接触发生时的法向刚度KA和切向刚度KT,接触分离时的法向刚度KB以及静摩擦系数Uy和Uz。在线性分析中,法向刚度为常数,大小取决于初始开度U0;在非线性分析中,当接触点位移差≤U0时发生接触,接触法向刚度为KA,当接触分离时,接触法向刚度为KB。

本文分析中,在圆柱滚子和内外圈接触的局部定义GAP单元,如图6所示。

3.3 圆柱滚子轴承静力分析

通常在轴承运动状态下可以认为滚柱、内外圈、保持架均在平面内平行移动,而滚柱具有3个方向的自由度,即径向平面内的两个垂直方向平动自由度和绕自身轴线的转动自由度。内圈以恒定转速绕轴心转动;外圈固定。由于圆柱滚子轴承轴向受力很小,故在静力分析时忽略保持架的受力。圆柱滚子轴承约束状态为:约束外圈的外侧节点自由度,由于取消了保持架,所以在滚柱和内圈补充了轴向自由度的约束。正弦函数形式载荷施加到内圈下半圆。约束与载荷示意见图7。

本文所选轴承滚柱数目为15,选取两种情况进行分析,即有一个滚柱在加载区域最下方和有两个滚柱在加载区域最下方的情况。

两种方案整体分析结果应力云图如图8、图9所示。

4 结束语

探讨轴承结构,采用超单元技术实现整体轴承的静力学仿真分析,为保证接触分析的准确性,

采用GAP单元定义滚柱与内外圈的接触。此分析方法更能全面体现整体轴承受力情况,且对模型进行局部重新设计再分析时模型改动量小。

摘要：随着有限元技术的发展,在设计初期掌握轴承的各项基本性能已经成为设计人员追逐的目标。针对轴承结构特点,提出基于超单元技术对整体轴承快速分析的方法,并应用此方法对一款圆柱滚子轴承进行静力分析。

关键词：轴承,性能设计,超单元技术,仿真分析

参考文献

[1]欧阳中和.机械轴承工作状态的ANSYS仿真研究.贵州工业大学学报(自然科学版)2007,36(6):48-51.

[2]张风琴,杜辉,邓四二,等.基于ADAMS的圆柱滚子轴承仿真分析.河南科技大学学报(自然科学版),2009,30(2):15-18.

[3]汝艳,陈兴玉,黄康,等.轴承的三维设计系统的研究与开发[J].机械设计与制造,2009,3:215-216.

[4]马洪亮,贾海涛,刘伟,等.超单元应用中的关键问题研究[J].计算机仿真,2009,5:48-51.

[5]王国林,张建,王启唐,等.基于GAP单元的车架有限元分析.江苏大学学报(自然科学版),2008,29(3):206-209.

超单元技术 篇2

1左边工具栏，每个工具边上如果有三角形代表有子菜单

2.新建→预设（可设纸张大小）样式（可设高，宽），像素一般是300，颜色模式RGB，背景为白色。图像大小在右下角可见。

3背景层（白色）最好单独一个图层（要操作的新建一个新图层）

4必须在坐在图层下操作，否则会出现“无法完成XX命令，因为所选区域是空”

5.放大或者缩小图像ctrl+Alt+加号或者减号“+”“-”

6选定：用魔术棒工具

7后退：操作错误时，可从“编辑→后退一步”（但是这个命令只能后退一步，8如果要后退很多步选择“文件”→历史记录，或者右边导航键直接有“历史记录”也可操作）

9调整角度：编辑→自由变换（上方可调整角度）

10.画圆形：右点击工具栏左一上选择“椭圆选框工具”，在图层里拉动+shift（可等比例画圆），或者在上方设定固定像素可以画圆。

11.视图→标尺（可看见尺寸大小）→（工具处于“移动”命令下）从标尺上方慢慢拉虚线，到圆的中心会有卡住的感觉。

12．调整颜色：图像→调整→色阶

13．选择图像外内容：选择→反选

14.整体向上移：整体选中，然后CRTL+ALT+↑

15加、减选区：按Shift，加选区。；按alt 减少选区。

16套索的用法：多边形套索，双击起点，拉出想要的线（需要垂直+shift），要转弯时停顿，单击→接着拉线，完成一个选框后双击。若有多增加，要一直按住shift（增加选区）（不小心选区小时要选择“编辑→后退一步”，这样就可恢复）

如何用PS制作立体饼？（Photoshop CS2试题汇编第一单元第一题）要求：

1）建立直径为230像素的圆形。

2）填充270度绿色，50度红色，40度蓝色

3）制作立体效果（30像素高度）

1.新建宽和高均为6cm的文件，白色背景，RGB格式，像素300.2.设置前景色为红色，背景色为白色。

2（点右边图层框下方右二图标）创建新图层，图层1——背景图层最好是单独一图层

3.选择椭圆选框工具：点击左上一（椭圆工具），右击，选择第二项——椭圆选项工具；（选项上方）样式改为（固定大小）宽、高230（像素），建立椭圆选区。【若题目没有规定像素，则“样式”处于“正常”然后一手按住shift（作用是画出等比例的圆，而不是椭圆）+一手在选区里拉出一个圆】。用前景红色填充选区：鼠标放油漆桶，点击右键，选择“油漆桶工具”点一下，然后鼠标出

现油漆桶标志，往要填充的椭圆形选框点一下（完成填充步骤）。点击 上方“选择”~“取消选择”（crtl+D）

4上方“视图”→“标尺”（ctrl+r），此时图层周围会出现尺寸。

5鼠标处于“移动”命令（右上一），从标尺上方拉下一条线，慢，到圆中间会有卡住的感觉，放开。同样的，从左边标尺拉出一条线，慢，到圆中间，会有卡住感觉，放开。——这样就把圆分成4个90度。

6．把鼠标放在图层“图层1”（红色圆圈图层）

7.鼠标右击一下左上（竖二）“套索”命令，选择第二个“多边形套索工具”

8.按住shift（整个过程不要放手），点击一下要切的45度角起点（我选的是圆的底下中点），开始向上拉直线到圆的中点，点击鼠标左一下，再点一下往45度角方向（也就是90度的中间拉）拉到圆外，左击一下鼠标，再往起点拉。形成一个虚线框把45度角圈出来（如果没有虚线框则双击鼠标就会出现）。右击一下鼠标，选择“通过剪切的图层”，即可在图层2出现新的一个45度角图层。

9.再同样鼠标点击图层1（选择要切的图层）

10.用第8步的方法切出另一个45度角，出现图层3

11.此时在图层“图层1”、“图层2”、“图层3”分别用油漆桶填充上相应要求的颜色。具体操作：点击选择图层1，即270度的角。（或点击左边工具栏的魔术棒选择，点击270度的圆位置。）然后把左边工具栏的前景色，设置为绿色，再点击油漆桶，填充270度角为绿色。同样方法操作图层2和3为红色和蓝色

12．把图层2（红色图层）拉到右边图层最下方的右二图标（删除图标的左边），创建一个图层2副本。然后点击魔术棒，点击红色部分的圆，点击上方“编辑”→自由变换（在上方图标第二行的。。度 设置-5度），再把图层2和图层2副本的尖角拉到重合的位置上，即形成50度角。双击虚线框内，即确定。13：在图层上关闭其它图层的眼睛，留下图层2和图层2副本。

14点击右边图层的最右边的向右小箭号（不透明度的上方），选择“合并可见图层”。即合并了红色的两个图层，形成50度的一个图层。再把其它眼睛点亮。（背景图层先不点亮）

15．参照第14步合并全部三个图层（除背景图层外）

16.点击魔术棒→点击红色部分→点击移动命令→拉动红色部分，稍移开一些形成切割效果。

17.参考第16步移开蓝色部分。[虚线若还在可点击上方 选择→取消选择（ctrl+D）]

18.点击“编辑→变换→旋转”，鼠标点住左边下角小四方格向左旋转到合适的位置。

19按Shift, 用魔术棒工具连续选择3个色块，形成选区。

20.按ctrl+Alt组合键，同时连续按向上方向键“↑”，三个色块同时向上复制累积形成饼状立体示意图

P．s． 若要区分颜色，可在最后一步操作：“选择→反向”，然后点击上方“图像→调整→色相（饱和度）”，拉动色相和饱和度数值，则可看到效果。

超单元技术 篇3

本工作首先设计了一种超材料吸波体, 模拟仿真计算了其谐振频率点, 并分析了其表面电流分布情况;然后对这个模型进行了取轮廓的处理, 在发现这种处理后的轮廓对其谐振吸收基本上没有影响的基础上, 在这个轮廓模型中加入了其他的谐振单元, 研究了通过单元间的组合实现拓宽微波衰减吸收频带的技术途径, 最后通过激光刻蚀的方法, 研制了实际材料样品, 在实验上对所设计的模型进行了验证。

1 模型设计

实验设计的模型如图1 (a) 所示, 经过大量的仿真实验, 得到的模型尺寸如下:外正方形边长a=8mm、开口g=2.8mm、所有金属条的宽度w=1.2mm、背板为金属板, 所有的金属都为铜, 其厚度为0.017mm, 导电率为5.88×107S/m。谐振结构和金属背板分别处于边长c=12mm、厚度为2mm的FR4基板 (E=4) 正反两面。

2 仿真结果和数据分析

数字仿真是采用基于有限差分法来计算金属-电介质结构的透射参数与反射参数的CST Microwave Studio软件进行的, 在1~8GHz频段, 对图1 (a) 中的一个单元的超材料结构进行了仿真研究。在垂直入射电磁波的激励下仿真计算了一个单元吸波体的散射参数, 如图1 (b) 所示。从图中可以看出, 在4.5GHz左右出现了一个吸收峰, 由于背板为金属, 透过率S221可以认为是0, 所以这个模型的吸收率[11]A=1-S211-S221, 其在谐振频点处达到了0.90以上 (图1 (c) ) ;进一步分析其谐振点的表面电流分布发现 (图1 (d) ) , 大部分电流集中分布在金属结构的边缘, 这就为基本不改变谐振点位置的前提下最大限度简化超材料结构提供了可能。

因此, 对这个模型进行了轮廓化处理, 由于一般PCB板加工的精度在3~6mil (0.075~0.15mm) , 所以为了满足工业领域加工精度要求, 实验中取其轮廓线的宽度w=0.2mm。模型如图2 (a) 所示, 其余尺寸不变, 在垂直入射电磁波的激励下仿真计算了一个单元吸波体的S参数, 结果如图2 (b) 。

从图1 (b) 和图2 (b) 的S11参数对比可以看出, 轮廓模型使原始模型的谐振频点向低频有所移动, 但变化不是很大, 其在吸收深度上有所加深。通过观察分析这两个模型谐振点的电流分布可以看出 (图2 (c) ) , 轮廓模型在结构外环上产生了一定强度的电流分布, 而在原始模型上最外边缘几乎没有电流分布, 因此认为对原始模型取轮廓后, 由于外轮廓与内轮廓之间的距离, 产生了一个寄生电容, 相当于在原来的电容上并联了一个电容, 根据LC谐振电路的计算公式 可知, 增加的这部分电容C1使得谐振频点向低频移动了, 与此同时由这个电容所组成的环路还起到了增加电磁场能量消耗的作用, 使得吸收峰变得更深;更深入观察发现, 这种结构模型在谐振点所激发的电流模式都是从上而下的, 这为以后分析多带宽电流分布是由哪个结构决定的提供了重要的依据。

3 双吸收带的实现

在模型轮廓处理研究工作的基础之上, 对通过不同结构参数模型的组合来实现双吸收峰的结构进行了研究。通过大量的仿真实验得到了一种实现双吸收带宽的组合结构, 结果如图3所示。

中间“王”字型的结构是原始结构模型的简化版本, 其结构参数为:高度h0=7mm, 宽度b=6mm, b1=3.6mm, 线宽w=0.2mm。由仿真结果的S11参数可以看出 (图3 (b) ) , 这个模型分别在3.4GHz和5.2GHz处出现了吸收峰, 并且其低频吸收峰比高频吸收峰浅 (图3 (c) ) 。进一步观察其谐振频点的表面电流分布发现 (图3 (d) ) , 在低频谐振时, 外轮廓上的电流分布和图2 (c) 的表面电流分布相同, 而“王”字形结构和图2 (c) 的表面电流分布相反, 这说明低频谐振主要是由外轮廓谐振产生的。而“王”字形结构的反向电流分布起到了抑制外轮廓感应电流产生的磁场消耗入射电磁波磁场的能力, 使得吸收峰变浅。为了进一步说明这个问题, 可以对整个结构的谐振模式进行分析[11], 首先, 超材料谐振是由两种谐振模式组成的, 第一种是超材料结构金属单元和背板之间产生的磁耦合, 另外一种是单元和单元之间产生的电耦合, 而磁耦合是引起表面电流分布的主要原因。在这个模型中, 其入射的磁场方向垂直于谐振环和金属背板, 根据楞次定理, 由磁通量的改变而产生的感应电流方向, 总是在阻碍磁通量的改变, 所以, 金属结构上表面电流的方向一定与入射磁场的变化趋势有关, 而不同结构的表面出现了不同方向的感应电流必然是由于不同的磁通量变化趋势引起的, “王”字型金属上感应电流产生的磁场是阻碍外轮廓感应电流产生的磁场的, 那么这样就减少了谐振时外轮廓对入射电磁波磁场的消耗能力, 吸收峰变浅。同时, “王”字形结构的电谐振产生了一个寄生电容, 相当于在原来的电容上并联一个电容, 吸收峰向低频移动, 使得低频吸收峰的位置比单独由外轮廓产生的吸收峰的位置低。

在高频谐振时, 只在“王”字型结构上产生了表面电流, 并且其表面电流的分布与图2 (c) 的一样, 所以高频谐振是由“王”字型结构谐振产生的, 同时, 由于外轮廓没有产生反向感应电流的阻碍, 从而使得电流强度非常小的“王”字型结构产生了比低频谐振时更深的吸收峰。为了进一步清楚地说明这个问题, 实验中对“王”字型结构单独进行了仿真, 仿真结果如图4所示, 发现没有外轮廓的情况下, 谐振频点依然是处于5.6GHz左右, 并且其表面电流分布和组合结构中高频时其表面电流分布一样 (图4 (c) ) , 所以外轮廓的作用也仅仅只是增加了寄生电容而拉低了谐振频率点。

4 实验结果

为了进一步说明实验结果的正确性, 实验中通过激光刻蚀技术制作了所有的计算模型 (图5) , 并用弓形法反射率测量方法对其S11参数进行了测量。从图5可以很明显地看出, 实验结果与仿真结果具有很好的一致性, 谐振频点的微小移动是由超材料制作上尺寸的微小误差所造成的, 而吸收深度的变浅是由测量误差所引起的, 在实际测量中, 由于软件的拟合等因素, 不可能出现在仿真结果中出现的那么尖的吸收峰。排除这些因素的影响, 可以说实验结果完全验证了超材料轮廓法拓宽吸波材料衰减吸收频带的技术思路。

5 结论

(1) 设计了一种超材料吸波体, 通过模拟仿真计算确定了其谐振中心频率的位置, 并分析了其表面电流的分布情况, 发现了谐振中心处频点的表面电流位置主要分布在超材料结构的边缘。

(2) 在超材料结构模型进行轮廓化处理, 仿真结果显示, 处理后的轮廓对其谐振吸收基本上没有影响。

(3) 在轮廓模型中加入了新的谐振单元, 通过单元间的组合实现了双频带的微波衰减吸收, 通过激光刻蚀技术对设计的模型进行了实验验证, 实验结果表明与仿真结果具有很好的一致性, 验证了超材料轮廓法拓宽吸波材料的技术思路, 为宽频带超材料吸波体的研究提供了一个很好的技术途径。

参考文献

[1]SMITH D R, PADILLA W J, VIER D C, et al.Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity[J].Phys Rev Lett, 2000, 84 (18) :4184-4187.

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[3]CHEN H T, PADILLA W J, ZIDE J M O, et al.Active terahertz metamaterial devices[J].Nature, 2006, 444:597-600.

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超窄带滤光技术研究进展 篇4

超窄带滤光技术研究进展

对自适应光学中激光导星的基本原理及系统中所需的超窄带滤光技术作了简单的.介绍.重点介绍了一些有望应用于激光导星系统上的滤光技术,如:原子共振光学滤光器、双折射滤光器、法拉第反常色散滤光器、法布里-珀罗滤光器等.针对以上滤光技术各自的特点,阐明了它们的基本原理,给出了部分主要参数,并且对各滤光技术的发展现状和不足作了简要阐述.

作 者：王锋 胡晓阳 叶一东 WANG Feng HU Xiaoyang YE Yidong  作者单位：中国工程物理研究院应用电子学研究所,绵阳,621900 刊 名：激光与光电子学进展  ISTIC PKU英文刊名：LASER & OPTOELECTRONICS PROGRESS 年，卷(期)： 44(6) 分类号：O439 关键词：激光技术   滤光器   窄带   激光导星