运动模拟器（通用10篇）
运动模拟器 篇1
汽车驾驶模拟器一般由驾驶舱的各种操作机构通过各自的传感器将驾驶员的各种操作信息采集、处理以后送给计算机控制系统,由计算机控制系统根据采集到的驾驶员的操作信息生成相应的车辆运动姿态和视频图像并显示出来,进而达到模拟真实驾驶环境的目的[1]。为了降低成本,国内很多种汽车驾驶模拟器脚踏板的运动检测大都采用电位器、差动互感器以及其他一些接触式传感器。随着时间的推移和使用次数的增加传感器极易出现故障,而且维护起来比较麻烦,这也限制了汽车驾驶模拟器的应用和推广[2]。本文基于此,对一种新型非接触式脚踏板运动检测技术进行了研究与探索。
1 脚踏板运动检测系统设计
1.1 总体设计
由于目前各种脚踏板运动检测系统采用的电位器、互感器等传感器所采集到的信号均为模拟信号,在信号送入计算机控制系统之前都要进行信号的调理和处理等过程,系统设计复杂,使用维护极不方便。而采用一种新型的光电传感器对脚踏板的运动进行非接触式检测的方法可以简化系统的设计并可以提高系统的可靠性。该方法将脚踏板的旋转运动转换为标准脉冲信号,利用单片机对脉冲进行双向计数[3],进而实现对脚踏板运动的非接触式检测。
1.2 系统方案设计及工作原理
1.2.1 系统方案设计
由于汽车驾驶模拟器的各种脚踏板(包括离合器踏板、脚刹车踏板和油门踏板等)的运动为旋转运动,在脚踏板运动检测系统设计中采用一种直射式红外光电传感器IT236实现旋转编码功能。该检测系统可以将脚踏板的旋转运动转换为脉冲信号,通过单片机对脉冲计数实现对脚踏板运动的检测。脚踏板运动检测系统的设计方案为:将光电传感器固定安装在脚踏板的侧上方,同时将一个半径为40mm、齿宽1mm、齿间距1mm的扇形齿盘垂直固定安装在脚踏板的转动轴上,使扇形齿盘位于光电传感器检测凹槽的正中央,并且扇形齿盘的栅格平面垂直于光电传感器的光轴。
1.2.2 系统的工作原理
当脚踏板沿一定方向运动时带动齿盘转动,直射式红外光电传感器对齿盘的栅格转动进行检测形成相应方向(或相)的计数脉冲。单片机只需对相应相的脉冲数量进行计数处理即可实现对脚踏板运动的非接触式检测。
2 脚踏板运动检测系统的结构设计
2.1 系统的硬件结构设计
脚踏板运动检测系统的硬件结构图如图1所示,系统主要由传感器部分、辨向部分、单片机部分和上位机系统构成。
传感器部分主要由直射式红外光电传感器IT236和安装在脚踏板转动轴上的齿盘(或者光栅码盘)构成。IT236传感器本身集成了两路红外光电传感套件,由两组红外发射和接收管组成,其分辨率为0.43mm,提供A、B两相TTL电平输出,不需调整输出相位即可实现两路信号的正交输出[4]。安装在脚踏板转动轴上的齿盘则可根据不同的检测分辨率使用不同半径的扇形齿盘。IT236传感器根据齿盘半径不同可以每转输出90-180个脉冲。
由于光电传感器只输出A、B两相脉冲信号并不对A、B两相脉冲信号的次序进行任何预处理,实际使用中需要利用A、B相的脉冲相位之间的关系对齿盘的转动方向进行辨向处理。此处使用专用辨向芯片ST288A[5]。系统的辨向电路图如图2所示。由于光电传感器输出的两相脉冲信号均为标准TTL电平信号,所以在实际使用中可以不对脉冲信号进行任何放大和整形处理。
单片机部分则是利用单片机内部的计数器对外部输入的脉冲信号进行双向计数,进而实现对脚踏板运动的检测。
2.2 系统的软件设计
系统的软件设计部分主要是单片机的编程以及与上位机的通信协议的编写。单片机的编程主要涉及到计数器设置、中断设置以及UART串口通信设置。单片机的程序软件流程图如图3所示,上位机对脚踏板运动检测系统的测试界面图如图4所示。
3 结论
本文采用光电传感技术设计的非接触式汽车驾驶模拟器脚踏板运动检测系统克服了传统检测系统的各种缺点,同时由于采用了低成本的单片机技术,该系统极大地降低了设计和运行维护成本。随着经济的迅速发展和人们生活水平的日益提高,我国的汽车保有量迅速增加,驾驶培训市场也在快速发展。可广泛使用于驾驶培训的、具有高精度和高可靠性的汽车驾驶模拟器必将随着社会的发展迎来一个飞速发展的时机。
参考文献
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[7]孙涵芳.INTEL16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,1995.
[8]赵合稳.用于光电编码器的四倍频测量电路[J].电气传动自动化,1997(5).
运动模拟器 篇2
微孔渗灌土壤水分运动的数值模拟及其应用
建立了含有第3类动边界条件的二维渗灌土壤水分运动数学模型,模型得到了试验的验证,具有较高的精度.模型计算结果表明:供水压力、管壁透水系数和初始土壤水势对土壤水分运动的影响具有显著差异.随着供水压力和管壁导水系数的.增大,湿润区范围、湿润区内土壤平均含水率和累积渗水量均相应增加.初始土壤水势越高,湿润区范围、湿润区内土壤平均含水率越大,但累积渗水量却越小.最后结合保护地试验,确定了保护地番茄渗灌栽培的最佳渗灌管设计埋深.
作 者：高西宁 周云成 张玉龙 作者单位：沈阳农业大学,辽宁,沈阳,110161刊 名：安徽农业科学 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ANHUI AGRICULTURAL SCIENCES年，卷(期)：34(17)分类号：S11+1关键词：微孔渗灌 土壤水分运动 数值模拟
运动模拟器 篇3
的问题以及提出的解决方案,为今后的探索奠定了基础。
关键词:多相非匀质材料;模拟机床
中图分类号:TM743 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 04-0000-03
VP Simulate Multiphase Inhomogeneous Material Machining Kinematics Simulation
Sun Yao,Liu Biao,Ni Shiwei
(East China University,Science&Technology College,Shanghai200051,China)
Abstract:The multi-phase non-homogeneous materials is the optimal ratio by the same or different source material derived from nature with excellent material,as the material for the process with stringent requirements,for this type of pre-processing process simulation be very important.This paper describes our research group for computer simulation of multiphase non-homogeneous materials processing simulation kinematics, and try to analyze the problems encountered and solutions in Simulation process.As a basis exploration for future.
Keywords:Multiphase inhomogeneous material;Simulation tools
一、引言
多相非匀质材料,即是一种通过最优化配比相同或者不同源属的物质得出的具有优异化学或者物理性质的材料,用来满足各种社会生产中的各种特殊需求。为了制造这种特殊属性的材料,特殊的加工工艺应运而生。这些工艺通常都会涉及到复杂的混合的铺层生产技术。
由于多相非匀质材料对于加工过程有着苛刻的要求,其加工的高成本高风险以及对于加工工艺的精细控制,对于这类型加工工序的预先模拟生产就显得分外重要。通过计算机模拟生产工艺的整个过程能帮助相关生产厂商及早了解整个生产工序的步骤,直观地观察产品的制作过程进而发现生产工艺上可以做出的改进,便于商业展示以及其他各种目的。高级建模语言的广泛使用,特别是Web3D技术的出现,对于这类生产的仿真过程实现,具有极为重要的意义。事实上,现代计算机技术已经为我们提供了数种甚至数十种Web3D高级建模语言用于进行运动学模拟仿真。
(一)多种Web3D建模语言的比较
VRML:只需要标准插件;易于学习、使用;文件小,以代码进行传输,网络传输速度较快。复杂建模的功能较弱,浏览插件使用相对较复杂。
Cult3D:具有逼真的三维质感且文件小,网络传输速度快,浏览器使用方便。客户使用需要授权,并支持相应费用。
OpenGL:独立硬件,独立于窗口系统,是专业图形处理、科学计算等高端应用领域的标准图形库。在网络上传输的是图像,传输速度慢,无法满足多用户异地实时协作的要求。
Java3D:封装了OpenGL和Di-rectX,一次书写可跨平台使用,以代码进行传输,网络传输速度快。编写、调试相对和复杂,目前国内使用不是很广泛。
而这其中,VRML(virtual reality modeling language)的出现使得我们有了一种方便使用的工具,来实现对于这一类生产仿真的诉求。
(二)VRML简介
Web scriptVRML(Virtual Reality Modeling Language,虚拟现实建模语言)是一种网络上使用的三维形体和交互环境的场景描述语言,具有分布性、多媒体集成、交互性、平台无关性等优点。通过VRML自带的插补器和传感器,可以实现较简单的计算机动画和交互。但是对于一些高级应用,仅仅依靠VRML就会有很大的局限性,而应用VRML与Java的交互,就可以有效地弥补VRML本身的一些不足,增强VRML的动画效果和交互能力。
围绕VRML与Java的交互,在目前的技术领域已经存在几种比较成熟的技术方案,首推EAI交互和SAI交互两种方式。基于EAI的交互方式,EAI(External Authoring Interface)即外部编程接口,该接口由一组关于浏览器操作的函数组成,通过这些函数的调用,外部程序就能影响VRML世界中的物体。EAI是浏览器中VRML与Java Applet的中介,这为客户端功能扩展以及提供更强大的动态交互性提供了技术保障,使得一些实时交互功能不必依靠服务器就可以在客户端实现,也为VRML、Java Applet及html文件在同一网页中的嵌套提供了技术支持。而SAI偏重于虚拟场景内部处理,在浏览器内部对场景的节点进行访问;而EAI主要用来提供与外部环境相互通信的能力,从VRML浏览器外部获取场景节点和事件结构。基于EAI的交互关系如图2所示。利用EAI包提供的Browser类和Node类,可以完全不用Script节点和Script类及路由等方式而直接由EAI外部程序操控VRML世界中的各种节点,极大地丰富了VRML的功能。但是该方法也有其局限性,它只能通过Java小程序来控制VRML世界。
二、模拟仿真实验
(一)模拟机床的创建过程
1.学习了解SolidWorks机床模拟图。
在指导老师的帮助下,作者获得了SolidWorks制图生成的常规机床模拟图,借助SolidWorks搭建的3D机械机床图像,全面了解机床运动以及多相非匀质材料零件加工过程的原理。该方针图像由机床支架、加工台、喷绘台、研磨器、激光雕刻台五部分构成。机械机床的这种构成,能够满足使加工台自由实现空间三维坐标X轴、Y轴、Z轴方向的运动,在喷绘台中填充物质,在研磨台研磨物质,实现物质的细致化均匀化,并在激光雕刻台对于零件加工达到需要的形状。
2.使用VRML建模。
利用VRML实现模拟机械运动学仿真时有多种建模方法,可以在VRML代码中通过基本形体节点来建模,也可以使用其它建模软件中建模后转化为VRML文件。作者在仿真实验中,是通过SolidWorks2008搭建的3D机械机床,然后进行转换建模,进而完成模拟机床的VRML图像搭建。相应步骤为:在SolidWorks2008中,根据零件设计尺寸,将已经得到的SolidWorks2008机床的模拟图,进行输出转换,选择转换方式为VRML97。其中,VRML 的默认单位是米,为了下一步装配方便统一单位设置,更改单位为厘米。
3.模型优化。
文件大小、文件质量是影响网络传输、视觉效果的重要因素,使用VRML实现模拟机械运动学仿真的一个优点就是数据量小,可以整合到网页中,并且VRML特效可以根据自我需要进行调节。而作者所创建的3D机床图,在使用到SolidWorks2008的SLDASM文件时,文件大小为230KB,而VRML图的大小仅为151KB。因此,为尽可能减少数据量,提升视觉效果,作者对复杂模型应进行优化。下面将谈一下两种优化方式。
(1)在3DS MAX 中优化。
选择模型,在3DS MAX修改面板的下拉菜单中选择优化工具,在保证机床外观无太大损失的情况下,增加优化面板上的面阈值和边阈值,可减少机床的点、线、面,减少数据量。并且在3DS MAX软件中通过光线的设定,场景素材的添加,达到坚强视觉效果的功效。
(2)在VrmlPad2.1中优化。
使用VrmlPad2.1打开Vrml文件,在工具中选择代码,可以根据需要,选择删除注释,整理代码格式,3DMAX清理,删除无用命名等功能,优化文件。并且可以根据VRML语法规则,自己修改文件,增加修改相应的内容。作者在此,添加了背景Background,视角Viewpoint,修改了Appearance属性,达到增加视觉美观的功能。
以上是两种模型优化的方法的效果图,通过这两种方法的使用,可有效减少文件数据量。达到优化的效果。其中,3DS MAX优化的结果中,添加场景会照成大量数据量,在网络传输以及网页加载过程中,会造成一些滞后问题。而使用VrmlPad2.1优化对代码处理能力要求比较高,大部分场景修改需要自己对于代码进行编辑。经过反复优化尝试,实验结果为:原始文件大小为151KB,3DS MAX优化文件大小为1320KB,VrmlPad2.1优化文件大小为109KB。根据项目的客观要求,作者最后采用的为VrmlPad2.1优化文件作为模拟机床的原型。
(二)模拟机床的运动仿真
1.JAVA与VRML的交互。
在已经成功创建的VRML图的基础上,需要实现利用VRML模拟机械运动学过程仿真,而利用VRML 模拟机械运动学过程仿真,可以通过多种方式实现,在目前的技术领域已经存在几种比较成熟的技术方案分别是:1.在VRML文件中,使用利用VRML的TimeSensor(时间传感器)节点和OrientationInterpolator(方向内插器)直接控制运动。2.利用EAI数据接口,实现JAVA Applet与VRML虚拟场景之间的相互通信,达到模拟机械运动学过程仿真的目的;EAI接口包含浏览器脚本接口的全部功能,例如查询浏览器状态,增删路由等,如果需要集成多种媒体达到人机互动的效果、进行复杂的网络控制,多采用利用EAI接口的方法进行。3.借助SAI接口的方法,利用script节点、事件发生器、dff/use命名规则和路由route,连接VRML 场景中对应的节点和域,实现VRML 与JAVA 的交互,并最终实现模拟机械运动学过程的仿真。
根据多项非匀质材料零件加工过程中的运动学仿真的动态模拟需要,小组选用EAI接口技术,用DEF关键字修改VRML视图中所有节点名称,通过JAVA对于VRML文件所有节点进行控制,实现模拟机床的运动学过程仿真。在搭建平台环境过程中,使用JDKversion1.3平台,添加cortonavrml浏览览插件中的classes、corteai包,以实现EAI接口的调用功能,在理论完善的基础上,实现JAVA与VRML的交互,完成运动模拟的仿真。
2.模拟机床的运动仿真。
EAI接口连接运动节点
根据在之前通过VrmlPad2.1优化的模拟机床的原型,作者利用EAI接口技术,实现了JAVA Applet与虚拟机床场景节点相互交互。其中,Applet利用封装在vrml.eai.Browser包中的Browser类访问VRML场景,通过getNode(””)函数用来直接获得VRML中使用DEF关键字定义的节点对象,调用EAI接口中的getEventOut、getEventIn函数获得事件输入、输出的实例,改变事件输入项,从而相当于改变场景。
以视点Viewpoint以及Transform为例,分别介绍相应的连接代码:
VRML场景中定义视角1:DEF View1 Viewpoint {…}
Java程序中代码实现连接视角:
……
browser = BrowserFactory.getBrowser(this); //生成Browser对象
view1 = browser.getNode("View1");//得到View1节点
bind1 = (EventInSFBool) view1.getEventIn("set_bind");//得到事件输入实例
……
if( event.target ==bview1 ) //如果选择一视角
bind1.setValue(true);//设置输出,调整视角
VRML场景中定义节点:DEFUpper_saddle Transform {…}
Java程序中代码实现连接节点:
……
browser = BrowserFactory.getBrowser(this); //生成Browser对象
nodeUpper_saddle = browser.getNode("Upper_saddle");//得到Upper_saddle节点
set_translation_Upper_saddle=(EventInSFVec3f)nodeUpper_saddle.getEventIn("set_translation"); //得到事件输入实例
……//循环递减tmp_rate,实现加工台的运动
position_Upper_saddle[2]=position_Upper_saddle[2] - tmp_rate;
set_translation_Upper_saddle.setValue(position_Upper_saddle);
实现模拟机床多项非匀质材料的生成
实现模拟机床多项非匀质材料的生成,即使用JAVA编程通过EAI接口,对于所有VRML中的机床节点进行系统控制,在前面连接的基础上,有效的控制运动。在作者设计的JAVA控制文件中,使用到变量控制的循环处理方式,实现基本模拟运动路径。
路径包括:①喷绘→②研磨→③激光雕琢→①喷绘→②研磨,控制方式代码表述为:
for( ; ; )// 循环处理
{
//变量控制
if( assembly_flag == NUM )
{
//通过assembly_flag变量控制,实现运动步骤的判定,并执行运动
｝
｝
根据多项非匀质材料的特性,作者在机床仿真运动的基础上,通过对于VRML喷洒头的动画效果模拟,仿真多项非匀质原料的喷洒过程。在VRML文件中,定义DEF Polator ColorInterpolator节点,选择颜色值、持续时间,然后将颜色值列入keyValue域中,并将相应的持续时间列于key域中,并且通过TimeSensor节点循环控制,模拟喷洒效果。
其中,ColorInterpolator的设置如下:
DEFPolator ColorInterpolator {
key[0,0.5,1]
keyValue [100,111,100]
}
即实现0.5秒的红色材料喷绘,1秒的白色材料喷绘。再结合激光雕刻方式,能够完成较为复杂的零件仿真。
以上,通过所有步骤实现了多相非匀质材料零件加工过程中机床运动学的模拟部分的仿真。
三、结论:
尽管VRML在实现交互和网络通信方面存在缺陷,但它与Java的结合有效弥补了自身的不足,相信随着研究的不断深入,VRML将会在分布式虚拟现实和协同虚拟现实技术中发挥重要作用。但是由于传统方法SAI和EAI对JDK版本的限制,使得Java的JDK版本被限制在了1.4以下。在项目研究的初期,我们试图找到解决这个问题的方法,提出了基于网页脚本交互的方案,但在实际研究过程中,该方案人存在严重的不足:对场景参数的修改要在网页脚本中实现,无法充分利用浏览器插件所提供的开发包,当修改参数较多时,对系统的实时性有影响。因此,我的研究只能作为一种思路的借鉴,为以后进一步深入研究提供一个探索的方向。
参考文献:
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[5]康与云,赵晓春.基于VRML的牛头刨床机构运动的虚拟仿真[J].工程图学学报
作者简介:孙尧(1988-),男,山东泰安人,东华大学计算机科学与技术学院07级学生。
三维运动模拟平台总体设计 篇4
动态角跟踪精度检测装置由被试系统、多波段点源目标发生器系统 (以下简称“目标发生器”) 、运动模拟平台及总控制系统四个部分组成, 图1为动态角跟踪精度检测装置系统组成原理框图。其中的运动模拟平台可以完成方位、俯仰和垂直直线运动。
2 目标运动平台
目标运动平台包含圆弧导轨副 (含驱动传动机构) 、目标固定支撑台面 (俯仰U型框) 、俯仰/升降二维运动机构、平台三维 (俯仰、升降及滑动) 伺服驱动系统、平台运动控制系统等5部分组成, 图2为运动平台组成框图。
导轨为目标平台的方位运动轨迹, 围绕着圆弧导轨的圆心转动, 形成方位视线角速度变化;目标固定支撑台面负载目标发生器在进行沿圆弧导轨水平运动的同时, 通过俯仰和高低二维运动机构带动目标发生器进行自身的位置运动, 形成复合俯仰方位视线角速度变化, 进而模拟目标在空域范围内的位置信息, 以便对被测系统进行测试及仿真。
2.1 运动平台功能
平台本身具备三个运动自由度, 目标发生器安放于运动平台的俯仰框上, 平台依据操作者规划的运动路径, 带动目标模拟系统形成相对被测试系统的方位、俯仰两个自由运动并保证目标光轴实时指向被测系统成像面中心, 模拟真实环境下目标的运动特性, 以便被测系统进行跟踪, 分述如下。
2.1.1 模拟目标的方位运动
整套设备在以GDX塔的转轴中心为圆心的圆弧导轨上运动, 实现方位角度变化的模拟, 由于被测系统及圆弧导轨都以GDX塔的转轴中心为圆心, 可以实现旋转中心重合, 所以可以保证目标在导轨上运动时, 被测系统光轴可以始终跟随着目标发生器的光轴, 且在某一视场可观测到多波段点源目标;
2.1.2 模拟目标的俯仰运动
升降机构为沿圆弧导轨运动的一套直线升降机构, 带动目标发生器升降, 与俯仰运动机构产生相应的俯仰视线角角度变化, 以便测试时被被测系统对目标进行搜索或跟随。
2.1.3 光轴调整用垂直直线运动机构
在直线升降机构上, 叠放一俯仰运动机构, 目标发生器以定位机构固定在这一俯仰机构上。当产生如模拟目标的俯仰运动时, 目标发生器被带动产生直线升降时, 由于运动模式为平移, 所以目标发生器光轴也出现上下平移, 此时安放在GDX塔上的被测系统的光轴无论怎样调整都会与目标生成器光轴产生夹角, 导致无法观测到目标图像。本处的俯仰运动机构的作用就是在目标生成器出现水平上下运动时, 实时调整光轴角度, 使目标生成器的光轴始终指向被测系统, 这样被测系统通过GDX塔带动可实现光轴对准, 达到测试或仿真的目的。
2.2 结构设计
目标运动平台主的结构部分要由目标支撑固定机构、俯仰/升降联动机构、方位滑动台体、圆弧导轨机构、电机驱动元件、光电编码器及气浮光学平台组成, 以实现目标发生器的固定、俯仰/升降及方位运动, 图3为目标运动平台系统组成三维设计效果图。目标支撑固定机构 (图中俯仰框) 用于目标系统的安装及定位;俯仰/升降自由度设计成联动机构以保证滑动台体沿圆弧导轨机构进行方位运动时始终指向被试系统光轴。
2.2.1 方位旋转设计
圆弧导轨方位维由高精密重载圆弧导轨、涡轮蜗杆传动机构、伺服电机驱动机构、定位轴及轴承机构、承载台面等五个部分组成。结构设计的关键是高精密重载圆弧导轨的定制和驱动与传动机构的设计, 本方案的圆弧导轨机构为外购定制THK弧形内径1.8m的导轨副系统, 采用4段各1/4圆拼接而成, 内外环均为16个滑块支撑平台上面部分。
方位旋转维台面考虑试验台整体功能, 由四块1/4圆形台面拼接而成, 分别为升降台台面、人行通道台面 (升降台台面对面的1/4台面) 、布线台面及备用基准台面, 拼接时采用高分辨率激光设备定位, 从而实现各块各自功能, 以满足设计指标要求。
方位驱动单元采用日本安川1.5k W伺服电机驱动, 传动单元为直径950mm的大型精密涡轮匹配蜗杆实现。
2.2.2 直线升降设计
直线升降维由导向支撑导轨机构、螺杆传动机构、刚性支架、辅助支撑、俯仰支撑台面及驱动单元等六部分组成, 如图4所示。
直线升降机构行程长、精度高、驱动困难是设计及元件选型的三大难点, 设计时考虑整体刚性, 将外围框架设计为长方形加固铝合金支架及底角辅助支撑方式, 采用航天级高强度铝合金型材经刮研工艺以保证导向导轨机构的定位精度;内部采用每侧2根共计4根THK高精度直线导轨副, 其自身精度为每1m内位置误差0.02mm;通过松下1k W伺服电机及减速器带动THK高精度大型滚珠螺杆执行升降维移动;大型滚珠螺杆自身精度为每1m内位置精度误差0.02mm。
2.2.3 俯仰旋转设计
俯仰维设计时考虑最终负载目标发生器的质心最好应在俯仰旋转轴上, 这样运动时无偏载, 可很好的实现俯仰动态性能及精度。这样采用U-U型框架实现俯仰机构, 内U框架既为俯仰功能框又为带载接口框架;外U型框架为俯仰支撑框架, 通过定位直接安装在升降机构的支撑台面上。传动单元为采用日本安川伺服电机驱动及匹配减速器驱动轴系实现。图5为俯仰框架设计效果图,
3 结束语
为了进行优化设计, 本运动模拟单元通过三维实体建模, 获得了大量的用于计算和优化的信息, 这些信息用来进行优化设计计算, 对结构的优化、电机的优选及反馈原件的布置都起到了很大的作用, 通过实体加工检测, 很好的完成了设计指标。
参考文献
[1]孙恒, 傅则绍.机械原理[M].北京:高等教育出版社, 2001.
运动模拟器 篇5
桥台局部冲刷坑内水流运动的三维数值模拟
局部冲刷是河道中丁坝、桥台等破坏的重要因素.这些建筑物周围绕流流场和泥沙运动十分复杂,对冲刷的机理及平衡条件的研究还有待于进一步深入.文中采用k-ε模型对桥台周围平衡冲坑内的流场进行了三维数值模拟,计算结果正确反映了建筑物周围的流速分和紊动动能的分布;根据流场分布分析了冲坑内的旋涡分布规律及其与冲刷的关系,阐述了主旋涡向螺旋旋涡的转化以及冲坑内水流的`能量耗散机理.冲坑内的床面切应力的分布反映了床面冲刷平衡条件,数值模拟得到的床面切应力分布表明颗粒运动受到斜坡上重力作用的影响,同时在紊动剧烈的区域还受到旋涡的影响.
作 者：陈小莉 马吉明 CHEN Xiao-li MA Ji-ming 作者单位：清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电国家重点实验室,北京,100084刊 名：水动力学研究与进展A辑 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF HYDRODYNAMICS, SER.A年，卷(期)：22(6)分类号：O242关键词：局部冲刷 三维数值模拟 泥沙起动 床面切应力
浅谈人运动模拟控制系统 篇6
该系统的主要功能是自动生成一个基于关节的人体结构模型, 同时实时模拟了简单的人物沿着由控制点自动生成的曲线走步、跑步、踏步的过程。
一、虚拟人显示模块涉及到的技术主要是
1、虚拟人建模。
虚拟人建模技术是研究人的第一步, 主要是进行人体几何的建模, 既需要考虑人体的基本结构也要考虑到人体运动的动态特征。最初的生成的人体几何模型有棒模型、体模型、表面模型。本系统主要是采用体模型。对人的关节在运动过程的变化进行了详细的模拟。
(1) 人体建模的基础包括以下几个部分:
人体测量主要包括:人体各部分的尺寸、6个肢体部分的回转半径、6个肢体部分的转动惯量、人体质心及6个肢体部分的质心位置、人体尺寸测量方向和基准面。
(2) 虚拟人的几何模型
将人体分成骨架层跟部位层。
(Ⅰ) 基于NURBS的人体曲面模型。
NURBS是一种非常优秀的建模方式, 在高级三维软件当中都支持这种建模方式。NURBS能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度, 从而能够创建出更逼真、生动的造型。NURBS曲线和NURBS曲面在传统的制图领域是不存在的, 是为使用计算机进行3D建模而专门建立的。在3D建模的内部空间用曲线和曲面来表现轮廓和外形。它们是用数学表达式构建的, NURBS数学表达式是一种复合体。NURBS是Non-Uniform Rational B-Splines的缩写, 是非统一有理B样条的意思。具体解释是:
i、Non-Uniform (非统一) :是指一个控制顶点的影响力的范围能够改变。当创建一个不规则曲面的时候这一点非常有用。同样, 统一的曲线和曲面在透视投影下也不是无变化的, 对于交互的3D建模来说这是一个严重的缺陷。
ii、Rational (有理) :是指每个NURBS物体都可以用数学表达式来定义。
iii、B-Spline (B样条) :是指用路线来构建一条曲线, 在一个或更多的点之间以内插值替换的。
简单地说, NURBS就是专门做曲面物体的一种造型方法。NURBS造型总是由曲线和曲面来定义的, 所以要在NURBS表面里生成一条有棱角的边是很困难的。就是因为这一特点, 我们可以用它做出各种复杂的曲面造型和表现特殊的效果, 如人的皮肤, 面貌或流线型的跑车等。在此系统中我们, 利用他来做人体曲面的模型。
(Ⅱ) 整体模型的CSG表示。
CSG又称构造实体几何法, 是目前最通用的三维物理表示法, 它可描述为一个由三维体积和一组布尔运算集及运动操作算子组成的表达式:
(Ⅲ) 光照处理采用的是Phong光照模型。
模型的真实感是通过其表面的颜色和明暗色调来表现的, 因此在人体几何建模过程中, 颜色的处理以接近真人的皮肤为主, 明暗色调通过光照处理实现。此系统采用了Phong (1) 光照模型。
二、虚拟人运动建模主要涉及到的技术
(1) 人体坐标的设定
主要定义了三类坐标系:世界坐标系、人体基坐标系和各关节的局部坐标系。
(2) 基于雅可比矩阵的逆运动学控制算法
(Ⅰ) 运动学分析:目的是为了确定人的立正、走步的时序关系, 以便根据四肢和身体的位置及速度协调他们之间的运动。
(Ⅱ) 走步的时空特征
走步运动的最重要的空间特征是步幅。
(Ⅲ) 跑步的时空特征
(Ⅳ) 踏步的时空特征
踏步是一种原地手脚交替摆动的运动, 它的步幅是指脚抬离地面的高度。
三、虚拟人物显示模块涉及到主要技术
基于DIRECT3D的显示方法
(Ⅰ) DIRECT3D的优势:渲染引擎强大, 硬件兼容性很好, 编程方式友好, 适合于图形系统。
(Ⅱ) 将虚拟人的各部分模型文件用工具分别导成.X格式。骨架使用.Wrl (2) 脚本文件。。
(Ⅲ) 部位层由于数据量大, 采用IMESH接口渲染。
并联运动模拟台铰链间隙误差分析 篇7
目前, 提高球铰精度和刚度的方法, 主要有提高加工精度、提高表面质量和采用铰链消隙装置等措施。但随着精度的提高, 成本和实现难度均大幅增加, 因此, 研究铰链间隙对机构精度的影响, 从而根据机构精度需要合理确定球铰间隙, 优化精度分配, 对提高并联机构的性价比意义重大。
1 具有SPS驱动支链的3-DOF并联模拟台的结构
本文针对外场试验用激光通信光端机运动模拟台的技术指标要求, 设计了3-DOF (三自由度) 并联模拟台的结构[2], 运动模拟台位置精度要求为1 mrad, 经误差分配, 球铰引起的误差应小于0.5 mrad, 3-DOF并联模拟台如图1所示。
如图1所示, 三自由度并联运动模拟台由三层平台、三个驱动电动缸、四个过渡支撑杆和一个中心支撑组成。其中:三个平台相互平行且同心, 中平台为多边形, 动平台和中平台之间有四个固定支撑, 两个纵向的电动缸成90°分配, 横向的电动缸中心线与基台平行, 且与两个纵向电动缸垂直。其原理为控制三个电动缸的伸缩量, 以实现并联模拟台横滚、俯仰和偏航的角度, 中心支撑主要承载整个摇摆台的重量。
2 球铰间隙模型分析
如图2所示球铰[3]可视为由连杆1和连杆2组成, 根据连杆坐标系设定的原则, 分别在连杆1、2上建立三维直角坐标系O1-X1Y1Z1和O2-X2Y2Z2, 且O1-X1Y1Z1为与静平台固连的球铰球窝中心的静坐标系, O2-X2Y2Z2为与驱动支链固连的球铰球心的动坐标系。
根据坐标变换法 (即为局部动坐标系中任意点在整体静坐标系中的坐标表达式) :
其中, PD为动坐标系中任意点D在静坐标系中的坐标;2PD为点D在动坐标系中的坐标;P1为动坐标系原点在静坐标系中的坐标 (即坐标系的平移矩阵) 。
为动坐标系的方向余弦阵 (即坐标的旋转矩阵) 。设初始状态动坐标系的原点与静坐标系的原点重合, 产生间隙后的点D为动坐标系中的任意点, 且设在局部动坐标系中D= (x D, yD, zD) T, 则在局部动坐标系中球铰间隙随机点的坐标为:
在整体静坐标系中, 球铰间隙随机点的坐标为:
其中:a, b, c为球铰球心的平移间隙, α0, β0, γ0为球铰球心的转角间隙, R1为静平台的半径。
3 模拟台姿态角度误差分析
机器人运动学中的D-H法[4]是机器人连杆和关节建模的一种非常简单的方法, 可用于任何机构的构型。采用D-H法对运动模拟台的SPS (电动缸两端以球铰联接) 单开支链进行分析计算, 进而建立球铰间隙与模拟台姿态误差角[5]度间的数学模型。
如图3为SPS单开支链的结构简图, 在局部动坐标系On-XnYnZn中, 定点A2 (, 0r1cosθ, r1sinθ) T。与上述同理, 根据坐标变换法, 在整体静坐标系中, 经过旋转平移后, 2A的坐标为O:0-X0Y0Z0
其中:1r为动平台上固定点2A与局部坐标系原点nO之间的距离;θ为初始状态下A2nO与+Yn之间的夹角;n为中心支撑铰链球心On与基台整体静坐标系O0-X0Y0Z0的垂直距离 (见图3) 。
初始状态下α=0°, β=0°, γ=0°, 此时
驱动杆长为:
4 实例
如图1所示并联运动模拟台结构形式, 已知:r1=280mm, n=112mm, R1=185mm, θ=5 0, L0=317球铰间隙范围±0.05mmm, 任取局部动坐标系坐标原点2O= (-.005-0.05-.005) , 并且在局部动坐标系2O-X2Y2Z2中, 随机取点xD, yD, zD∈ (, 0.01) mm随机取值, 球铰球心沿静坐标系三个轴的平移间隙
同理可得:
计算得:
假设球铰间隙只对摇摆台的俯仰运动误差有影响, 即, α≠0，∆β=0，∆γ=0, 则:
5 MATLAB编程与仿真
运用M A T L A B进行编程仿真, 得到球铰间隙影响下并联模拟台的角度误差。
由图5可知, 球铰间隙对运动模拟台横滚角度的峰峰值为±0.405212mmrradad, 方位和俯仰方向误差与横滚分析方法, 经误差合成, 由球铰引起的最大误差小于±0.5 mmrraadd, 满足模拟台角位置精度要求。
6 结论
运用D-H法和坐标变换法分析了单开支链下球铰间隙对模拟台姿态角度精度的影响, 建立了球铰间隙与并联机构精度的简单实用的数学模型, 为运动模拟台中球铰的选择提供了理论依据。
摘要：球铰联接是多自由度并联运动模拟台中普遍采用的一种连接方式, 但由于球铰间隙的存在, 使并联模拟台的运动精度明显降低。利用机器人运动学中的D-H (Denavit-Hartenberg) 法推导出铰链间隙对并联模拟台运动的姿态角度的影响, 采用MATLAB进行仿真分析。结果表明:针对所设计的并联运动模拟台, 球铰间隙为±05.0 mm时, 并联机构的精度小于5.0 mrad, 满足机构运动精度要求。
关键词：球铰,间隙误差,并联模拟台,D-H法,MATLAB仿真
参考文献
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运动模拟器 篇8
长期以来常规球磨机是细磨的主要设备,由于它主要采用冲击粉磨方式进行磨矿,能量虚耗在转动笨重的筒体上,利用率低。搅拌球磨机是一种有发展前途而且能量利用率高的超细粉碎设备,其特点是采用搅拌方法直接输入能量。球磨机介质颗粒运动学分析首先是由E.W.Davis于1919年提出创立的,他建立了著名的球磨机介质运动学分析理论,即Davis理论[1]。我国的周思浦[2]也做了大量工作,在实验球磨机中观察了介质运动状态。在搅拌磨机中,介质的运动学分析同样重要,国内外学者进行了一些研究工作,但是介质球的运动学分析及能量转换关系较为复杂,研究者较少[3]。本文引入离散元方法[4],以真实的物理参数作为初始条件对搅拌磨系统进行模拟分析。
搅拌磨机主要应用于超细粉磨作业,在实际运行过程中,内部的介质由钢球颗粒和物料组成,但物料微粒的粒径很小,大部分分布在几十到几百微米之间,钢球直径为5mm,此外,钢球介质的填充率在80%以上,在如此高的填充率下,钢球之间的间隙非常小。根据以上分析,物料对仿真计算影响较小,为了简化模型,我们以钢球介质为模拟对象。
1 搅拌磨机系统数学模型
1.1 物理模型
图1为搅拌磨机的三维图[5],在粉磨过程中,电机经过减速器带动螺旋搅拌器,筒体静止,搅拌器在填充有钢球和物料的磨筒内做旋转运动,钢球和物料在搅拌器的驱动下做复杂的自转和循环运动,物料在冲击﹑摩擦和剪切综合作用下破碎[6]。
根据计算机仿真步骤,首先要选定所要模拟的搅拌磨机类型。为了更好地模拟工作情况,本文以某公司试验用搅拌磨机为研究对象,并进行实体比例尺寸建模,磨机的几何参数见表1。
在建立搅拌磨离散元模型前,除了要规定搅拌磨的规格,还要选好合适的模型输入参数,即需要设置介质参数来进行仿真计算,钢球的关键参数信息见表2[7]。
搅拌磨系统的建模过程如下:
(1)生成筒体和螺旋搅拌器结构。实际磨机筒体为一圆柱体,下端有端盖封闭,螺旋搅拌器为实体结构。在模拟中,筒体用圆柱墙体表示,端盖用平面墙体表示,搅拌轴用圆柱墙体表示,叶片用螺旋状墙体表示,生成的模型见图2。
(2)建立钢球模型。在PFC3D中,钢球模型表示为颗粒集合,颗粒集合充满在筒壁和搅拌器之间的特定区域里,编程中要用到表2的相关信息。
(3)自然堆积过程。在整个筒体内,各钢球之间没有接触,还处于非平衡状态。对钢球施加重力,钢球在重力作用下以自由落体运动下落,呈自然堆积状态,最终达到初始平衡状态,见图3。
1.2 接触力学模型
模型的建立是基于单个介质是刚体的假设基础之上的,刚体在接触点允许重叠,重叠量的大小与接触力的大小相关。两颗粒单元的接触作用通常分解为法向和切向来讨论,颗粒受力如图4所示。
根据Hertz Mindlin接触模型[8],法向力计算公式为
式中,E*为等效弹性模量,Pa;δn为法向重叠量,m;R*为等效半径,m。
R*和E*计算公式如下:
式中,R1和R2分别为两接触颗粒的半径,在本模型中,两颗粒半径相同,都是R;E1和μ1﹑E2和μ2分别为两颗粒的弹性模量和泊松比,在本模型中,两颗粒的弹性模量和泊松比相同,都是E和μ。
1.3 计算模型
介质系统内颗粒间的相互作用由接触力学原理得出,在每一时步扫描到的颗粒瞬时运动由该颗粒所受的接触力确定,边界条件由空间条件(螺旋搅拌器或圆筒壁)限定。接触模型是拟静态的,但整个系统是动态的,在每一时步对所有的单元进行扫描迭代计算,确定各个单元的接触状态,从而得到整个颗粒系统的运动形态。
离散元程序在计算时,对接触力的计算需要寻找颗粒间的接触点。Cundall提出了时间差分格式的计算方法来循环计算接触力增量和随后颗粒的运动[9]。对每一次循环,每一个颗粒的位移和加速度由牛顿第二运动定律得出,通过一个很小的时步下的数值积分得出更新后的速度和位移。每个颗粒的速度用于寻找接触颗粒之间的叠合量,以便根据力与位移叠合量之间的关系来计算法向接触力增量。解出接触力后便可以得到各个颗粒上的不平衡力,由此根据下个时步来计算各个颗粒的加速度。整个颗粒系统的动态循环过程示意图见图5。
对于颗粒在一个时步Δt内,外力和加速度都假定为常数,因此由牛顿第二定律,可得颗粒的运动方程:
式中,i=1,2,3,表示沿x,y,z三个坐标轴方向的分量;Fi为球颗粒的不平衡力分量,N;β为黏滞阻尼系数,N/(m/s);vi为平动速度分量,m/s;m为球颗粒的质量,kg;Mi为由接触力引起的不平衡力矩分量,N·m;βg为旋转(黏性)阻尼系数N·m·s/rad;ωi为转动速度分量,rad/s;I为球的转动惯量,kg·m2。
用差分法表示t时刻的平衡方程:
整理式(6)、式(7)可得速度迭代的表达式:
得到速度的表达式后,可以根据下式计算相应的每个颗粒新的位置:
式中,ui和φi分别为颗粒的线位移和角位移。
此循环不断继续下去,直到力或位移达到平衡状态为止,或是循环达到一定次数为止。
2 仿真计算及结果分析
搅拌磨系统的离散元模型生成后,赋予螺旋搅拌器240r/min的转速。程序运行结束后,我们得到了一系列的结果并对结果进行了分析。
2.1 介质运动形态
速度矢量图能够直观地观察介质的运动形态,从图6中可以看出,螺旋搅拌器对速度矢量影响较大,决定了速度矢量的分布,紧贴螺旋壁面的钢球速度矢量为最大值,随着钢球位置远离壁面,速度值逐渐减小,上层介质球和紧贴圆柱筒体壁面的速度值较小。可以得出,在搅拌器周围,钢球和物料运动充分,粉磨效果好,远离搅拌器壁面处粉磨效果较差。
2.2 系统平衡状态判定
平均接触应力代表了介质与介质之间﹑介质与筒体和搅拌器之间接触应力的平均值,平均不平衡应力是评估模型状态的一个重要参数,它的值需要与平均接触应力做对比。如图7所示,平均接触应力达到峰值后基本稳定在一定值,并上下波动,平均不平衡力近似恒定,且值较小,可以判定系统呈近似平衡状态。由此可见,搅拌磨机在粉磨过程中近似处于平衡状态,这便于在特定的运行时间内,得到理想中的物料细度。
2.3 系统能量耗散
搅拌磨机系统的能量包括几个部分,在这里只分析摩擦功和动能。摩擦分为钢球之间、钢球与螺旋搅拌器或筒体之间的摩擦,摩擦均为滑动摩擦,各个接触处的滑动摩擦力均做功。系统的动能是总体钢球的动能,包括平移时的动能和转动时的动能。功能曲线图见图8和图9。
从图8摩擦功曲线中可以看出,摩擦功随着时步呈近似线性增加;图9动能曲线表明,介质的动能在搅拌器刚开始转动时急剧增加,增加至某一平衡值后上下波动,且随着时步稳定在一定的数值范围内。随着时步的增加,总动能围绕某一定值上下波动,摩擦功近似线性增加。钢球的总动能越大,钢球之间的运动越剧烈,冲击力越大,搅拌磨机的粉磨效率越高。
3 结论
(1)在全部钢球中,螺旋面附近的钢球速度值较大,在这个区域里物料的粉磨效果好,同时也加剧了钢球的磨损,这对于研究合适的钢球速度有贡献意义。
(2)系统的平均不平衡应力较小,系统在刚开始时就能达到近似平衡状态,且以后运行一直保持近似平衡状态。
(3)搅拌磨系统的摩擦功随着时步线性增加,但钢球的总动能在较短时步内达到峰值后在平均值上下波动,表明介质球的复杂运动影响动能,但对摩擦功的线性增加基本没有影响。
摘要：针对搅拌磨机应用广泛但对其内部介质运动信息了解甚少的现状,以某公司立式搅拌磨机为研究对象,运用三维离散元方法跟踪磨机内的介质颗粒,考虑其重力、摩擦力和碰撞力的综合作用,建立了搅拌磨机系统的数学模型,对磨机内介质颗粒的复杂运动全过程进行了数值模拟。研究结果表明,在螺旋搅拌器附近的介质球速度值较大,粉磨效率较高,搅拌磨机系统在运行中达到近似平衡状态,系统摩擦功随时间线性增加,但总动能在固定值上下波动。
关键词：搅拌磨机,离散元法,介质运动,数值模拟
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运动模拟器 篇9
现阶段, 建筑消防工程中主要采用水幕和空气幕两种方式来阻断火灾烟气。水幕是最为常见的抑烟手段, 主要是通过水滴的机械趋散作用稀释和隔绝烟气, 可以有效降低烟气中毒害性气体和烟尘颗粒的体积分数, 加速颗粒的沉降, 但存在严重的二次污染等问题。
有关细水雾与烟气作用的研究主要集中在阻断烟气运动方面。笔者利用火灾动力学软件FDS模拟了不同作用方式下细水幕阻断建筑走廊烟气运动的过程, 分析了细水幕对烟气温度场、烟气的阻断作用和对毒害气体的机械稀释作用效果, 为进一步研究细水幕阻断烟气机理和以及烟气变化规律研究提供参考依据。
1 物理模型与工况设置
数值模拟中采用了大涡湍流模型 (LES) 模型, 以庚烷模型模拟燃烧, 欧拉-拉格朗日粒子运动模型模拟液滴的运动。
1.1 物理模型
物理模型尺寸为20m×3m×3m通风走廊, 如图1所示。走廊右端设有楼梯间门, 尺寸1.5m×2m;在走廊的左端设置有燃烧盘和通风窗, 燃烧盘尺寸为1m×1m, 通风窗尺寸为2m×2m。数值模拟时, 燃烧盘设置为燃烧状态, 楼梯间门和通风窗设置为开启状态。模型环境初始温度为20 ℃, 并设置有从左至右的稳定气流, 速度为1m/s。模拟过程中为简化计算模型, 走廊墙壁均为绝热条件, 不考虑其与烟气和水滴间的相互作用。
模型中共设置两道帘状细水幕, 分别设置于距走廊的左端8m和16m处的天花板上。每道细水幕由5个细水雾喷头组成, 喷头间距为0.5 m。细水雾喷头参数如表1所示。
FDS模拟由走廊左端算起, 在9.5m处每隔0.6m垂直设置4个热电偶, 记录烟气层温度在垂直方向上随时间的变化;在距走廊左端11m处设置光束探测装置, 高度为1.5m, 用以模拟火灾发生时烟气遮光率;在12m处设置层分区装置和气相燃烧装置, 其中气相燃烧装置距地面1.2m。
1.2 网格划分
在模拟区域的网格划分方面, 笔者参考了前人对网格划分的研究成果。模拟时对网格配置采用网格敏感性分析, 依据相关文献确定以下几种尺寸配置进行测试, 如表2所示。
网格的精度直接影响计算误差的大小, 原则上是网格越小计算越精确。当网格精度为0.50 m和0.25 m时, 网格过大, 在5s前模拟软件中的热电偶就停止记录数据。精度为0.10m和0.08m的网格正常的记录下数据。从图2可以看出, 两者数据差距不大, 但后者所需的时间大大超过前者。结合计算机运算时间和模拟的要求, 最终确定优化网格尺寸为0.1m×0.1m×0.1m, 模拟时间持续60s, 使用2.0GHz计算机, 每种工况计算时间接近10h。
1.3 工况设置
模拟中通过设置热释放速率为2 500kW/m2的庚烷燃烧盘模拟现实火灾。当燃烧盘被引燃时, 两道细水幕同时释放。根据细水幕有无和施加方向的不同设置了4种不同的工况:无细水幕施加 (工况1) 、细水幕垂直向下施加 (工况2) 、细水幕垂直向上施加 (工况3) 、细水幕垂直上下同时施加 (工况4) 。
2 模拟结果分析
2.1 细水幕对于烟气的降温作用
2.1.1 走廊温度场变化
图3为4种不同工况下走廊纵向温度场分布图。火源释放的烟气在浮力作用垂直向上运动, 受到走廊天花板的阻挡变为水平流动的射流, 而该射流是一种半受限的重力分层流, 当烟气在水平天花板积累到一定的厚度时发生水平流动。火灾发生60s后烟气有明显的分层现象, 工况1中走廊上端平均温度达到140 ℃。并且由于大量烟气拥塞在走廊右端门口处, 烟气被迫向走廊下端运动, 产生烟气堆积现象, 走廊下端温度也达到120 ℃。产生的高温烟气不断产生补充, 提高了烟气层的温度, 烟气的温度场分布连续。相比与其他3种工况, 可以直观地发现细水幕的施加能有效地降低烟气温度, 其他三种工况的走廊下端温度被控制在40 ℃以下, 有明显的降温效果。这是因为细水雾具有较小的水滴粒径和体比表面积, 使其可以迅速吸收烟气和周围环境中的热量, 并且抑制烟气对走廊顶端释放的辐射热。同时, 水滴分子在走廊里运动造成了一定范围内空气湍流和卷吸, 使烟气层的温度分布不连续。
2.1.2 走廊固定点温度变化
模拟中对走廊中不同高度温度的监测, 如图4所示。反映出无细水幕施加时, 40s后不同高度处温度均高于其他三种工况, 温度峰值达到120℃。工况4中固定点温度变化体现出了细水幕对于烟气明显的降温效果, 不同高度的温度均被抑制在40℃以下。随着火灾的持续进行, 细水幕的水滴与烟层相互作用, 烟气的温度均趋于稳定。模拟结果表明, 走廊中设置的细水幕起到对火灾烟气的降温作用, 并且能够将温度控制在一定范围内。
2.1.3 走廊右端门处的释放量变化
研究通过测量走廊右端门处的热释放量, 考察细水幕的不同施加方式对吸收烟气携带热量的影响, 如图5所示。从图5可以看出, 烟气从产生到运动到右端门处需要约10s时间。在10~60s之间, 4种工况下累计的热释放量呈一定的上升趋势。工况1累计的热释放量最多, 达到386kW。工况2和工况4通过的热释放总量分别为181kW和174kW。工况3情况下通过的热释放量为312kW, 略低于工况1, 但累计的热释放总量是工况2和工况4的2倍。因为工况3中细水雾粒径小, 雾通量小, 水滴在上升的过程中受重心和空气阻力的作用, 速度减少, 穿透力减弱, 与烟层中的烟粒等固体颗粒发生碰撞后, 大量细水雾水滴还未与烟气中的颗粒完全发生热交换, 动量减为零, 未能完全阻隔烟气的通过, 仅对烟气起到延缓运动的作用, 抑制效果不明显。工况4中细水幕流量是工况3中的2倍, 热烟气中的颗粒与更多的细水幕水滴发生热交换, 体现了对烟气热量良好的吸收效果。
2.2 细水幕对于烟气的阻断作用
2.2.1 烟气层高度变化
图6为4种工况下烟气层累计厚度变化规律。通过模拟中设置的层分区装置分析发现, 在细水幕抑制下, 0~10s由于走廊中冷空气与烟气相互作用强烈, 4种工况中烟气层厚度迅速增加。10s后烟气厚度减少, 出现明显的分层现象, 上层为由庚烷的燃烧产物和空气组成的热烟气层, 下层为冷空气层。随着火灾的进行, 烟气在走廊末端聚集, 在浮力作用下做爬升运动, 产生逆流现象, 最终烟气厚度趋于稳定。无细水幕施加情况下, 烟气厚度呈持续上升趋势, 最终稳定在2.28m, 几乎填充满这个走廊。工况2和工况4的情况下对烟气的抑制效果比较明显, 烟气的厚度相比无细水幕施加时下降很多, 分别稳定在1.32m和1.46m。工况3的烟气在垂直向上细水幕水滴的同时作用下, 高度比工况1情况下下降, 烟气高度稳定在1.95m, 但效果不如工况2和工况4。
2.2.2 烟气遮光率
建筑走廊发生火灾时, 烟气遮光率也是一个重要参数, 通过分析遮光率的大小可以反映细水幕对烟气的机械稀释效果。模拟中根据遮光率计算方程对模拟过程中固定点处烟气遮光率进行计算, 如式 (1) 所示。
式中:I为烟气遮光率;i为沿光束方向上的网格数;ρsot，i为网格内的烟气微粒密度;Δxi为在网格内沿光束移动的距离;Km为单位质量消光系数。
图7为烟气遮光率对比图。在整体模拟过程中, 工况3中细水幕作用效果较明显, 相比较其他工况烟气遮光率下降了7%, 仅有62.4%。这是由于烟气中有很多颗粒较大的物质, 细水幕主要通过动力学作用、物理学作用有效地冲刷烟颗粒, 并且细水幕具有更小的水雾粒径和比表面积, 在火灾环境快速吸热蒸发形成过饱和水蒸气, 烟颗粒吸收了过饱和水蒸气, 体积和质量增大, 容易快速沉降。工况2 和工况4 中由于水滴在走廊上端运动, 造成空气湍流, 压力骤低, 加速烟气的运动, 但施加的细水幕对烟气也产生机械稀释, 遮光率略低于工况1。
2.3 细水幕作用下气体组分变化
2.3.1 二氧化碳质量浓度
图8为二氧化碳质量浓度变化。火灾燃烧时产生的大量二氧化碳, 密度大于空气, 属于重质气体。火灾开始的0~25s内施加了细水幕的工况中烟气在细水幕水滴的作用下加速扩散。当火源稳定燃烧后25~60s时间内, 工况3中的二氧化碳质量浓度平均值最低, 火灾发生60s时仅为0.007kg/m3, 相比其他三种工况二氧化碳被稀释了12.5%。并且伴随火灾的持续进行, 大量二氧化碳在水滴的机械运动和空气卷吸耦合作用下, 细水幕水滴推向走廊上空, 并不断被机械稀释, 减少了逃生人员因吸入过量二氧化碳产生中毒的危险性。
2.3.2 氧气质量浓度
图9为走廊内氧气质量浓度变化图。从图可以发现, 随着火灾的持续进行, 氧气质量浓度持续下降。其中无细水幕施加的情况下氧气质量浓度下降速度较快, 火灾发生60s时, 氧气质量浓度值为0.211kg/m3, 增大了逃生人员窒息的危险性。而其他三种工况下由于施加了细水幕, 减缓了氧气质量浓度的下降速率, 氧气质量浓度值均大于0.22kg/m3。当火灾发生30s后工况4中的氧气质量浓度下降速率最为缓慢, 氧气质量浓度值为0.243kg/m3。这是因为垂直上下同时施加的细水幕流量大, 具有较大的有效面积, 充分稀释了烟气中的颗粒和烟尘, 减缓了氧气质量浓度的下降速率, 有效地阻挡了烟气向走廊右端运动。
3 结论
(1) 细水幕通过水滴和烟气的热交换作用, 降低了烟气的温度, 减少了烟气所携带的热量, 减少了烟气对周围环境的热辐射。
(2) 细水幕对烟气中的二氧化碳具有稀释作用, 施加细水幕后, 二氧化碳质量浓度的下降趋势有明显减弱, 为逃生人员争取了宝贵的时间。
(3) 采用上下垂直相结合施加细水幕的方式, 使水滴的机械稀释作用得到加强, 火场的烟气层高度明显下降, 同时增大了火场的能见度。
(4) 模拟中烟气主要受到雾通量和流量两个因素制约:流量越大, 更多的细水幕水滴被汽化成水蒸气, 烟气颗粒的沉降也就越明显;雾通量越大, 空气湍流效果越明显, 空气和烟气热交换速度加快, 烟气温度下降也越快。
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用VB模拟小球平抛运动 篇10
模拟演示结果如下图所示:
一、属性设置
在窗体上设置了时钟、命令按钮、标签、文本框及一组图像控件, 各控件的属性设置如下表所示:
二、核心事件代码
……
Private Sub tmrclock_Timer ()
x = v * t * 5
' 水平方向的移动步长扩大5倍, 以便观察在此方向小球的运动轨迹
y = 0.5 * g * t * t * 5
' 垂直方向的移动步长扩大5倍, 以便观察在此方向小球的运动轨迹
t = t + 0.5
txtx.Text = v*t
txty.Text = 0.5 * g * t * t
imgball1.Left = 600
imgball2.Top = 600
imgball1.Move imgball1.Left + x, imgball1.Top
' 每100ms使小球在水平方向向右移动一个位置
imgball2.Move imgball2.Left, imgball2.Top + y
' 每100ms使小球在垂直方向向下移动一个位置
' 通过控件数组, 显示小球在窗体上做平抛运动时移动到每一位置的轨迹
本程序通过反复修改一些参数与变量, 来达到较真实的、理想的模拟效果。如在核心事件代码中, 因在窗体上坐标系总是以度量值很小的Twip为单位 (1/1440英寸) , 故根据平抛运动的轨迹方程来计算小球在水平方向、垂直方向的移动距离时, 分别扩大5倍, 以期在观察小球的运动轨迹时以达到直观、清晰的物理模拟效果。可见, 通过对程序进行“调试→修改→运行→调试”这样的过程, 对促进编程思想的掌握、程序设计能力的提高有很大帮助。
摘要：VisualBasic是由微软公司开发的基于Basic的可视化程序设计语言, 具有面向对象、事件驱动的编程机制, 本文主要介绍如何利用Visual Basic来实现小球的平抛运动。
关键词：平抛,运动,轨迹
参考文献
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