动态响应（共10篇）
动态响应 篇1
0 引言
触觉接口设备是人机之间基于皮肤触觉进行交互的接口设备。对于虚拟装配、遥操作、虚拟手术等应用中需要操作灵巧、多自由度、能感知对物体的抓握状态及材质等信息时 (不包括品质信息) , 触觉反馈系统是必不可少的选择。触觉接口设备通过向手指皮肤施加不同的载荷来刺激皮肤内的触觉神经元从而产生不同的触觉感受。目前, 触觉感知的研究主要集中在两方面:触觉接口设备和触觉机理的研究。对触觉接口设备的研究要以触觉机理的研究成果为基础, 而对触觉机理的研究要以人的皮肤特性研究为前提。由于人体较敏感的触觉信息感受部位是手指指尖, 而且触觉机理研究大多以手指指尖皮肤为研究对象, 通过向指尖皮肤施加动态载荷, 对手指皮肤的特性和动态响应进行研究。常见的载荷作用形式有电刺激式[1]、机械振动式[2]、气动式, 都是向手指施加不同的动态载荷来刺激手指皮肤, 产生触觉感受, 但电刺激式和机械振动式都不易对手指的响应进行定量分析, 只是通过人的实际感受作为评价指标, 评价指标存在不确定性。本文针对气动喷嘴接口设备, 分析粘弹性材料在正弦动态载荷作用下的力学特性, 并建立手指变形的试验装置, 定量测量手指在正弦压力动态作用下手指变形, 分析其变化规律, 验证了手指的粘弹性特性。
1 手指皮肤特性分析
手指指尖包括指甲、表皮层、真皮层、皮下组织和指骨。指甲是由指端表皮角质化而成, 主要作用是保护指尖;指骨主要起支撑作用, 刚度较大, 指甲和指骨力学特性表现为线弹性。表皮位于皮肤的最外层, 含有很多微小的神经末梢, 可以感受到外界刺激。真皮层含有胶原蛋白、弹性纤维、网状纤维和基质等, 因此有很好的韧性和弹性。皮下组织层以脂肪为主, 能缓冲外来压力储存能量, 另外此层还有大量的血管, 淋巴管、汗腺等。表皮层为线性材料属性, 真皮和皮下组织在力学性能上都表现为非线性。查阅现有国内外文献[3,4]大多认为真皮和皮下组织为粘弹性。
粘弹性材料在随时间而变化的变形过程中有以下特性[5,6,7]:1) 蠕变, 即在阶跃载荷下变形会逐渐增加最后趋于稳定;2) 应力松弛, 即在恒定的应变下应力会逐渐减弱;3) 迟滞现象, 即在正弦载荷下变形也服从正弦规律, 不过在相位上落后于载荷相位;4) 随着载荷频率的增大, 变形振幅会变小。前三个特性已在相关文献[8]中进行实验验证, 本文重点针对第四个特性进行试验研究。
表示粘弹性材料力学特性的三种模型分别为:Maxwell模型、Voigt模型和Kelvin模型 (又叫标准线性固体模型) , 如图1所示。这些模型都是由线性弹簧 (弹性常数μ) 和阻尼器 (粘性系数η) 组成。maxwell模型充分描述了应力松弛但蠕变表征不够;Voigt模型充分描述了蠕变而应力松弛表征不够;Kelvin模型集成了前两种模型的优势, 充分描述了应力松弛和蠕变, 能够较好的表征手指皮肤的特性。本文采用Kelvin模型来表述手指材料的粘弹性特性。
Kelvin模型中位移u分为阻尼器位移u1和弹簧位移u'1, μ0, μ1为弹性系数, η1为粘性系数。作用力:
则:
式 (3) 即为Kelvin模型中力与位移的关系。
其中:令 , G (iω) 称为复数弹性模量, 则位移:
复数模量的幅值 , 化简后
因为τσ2-ττ2>0, ER>0, 所以 随着ω的增大而增加。因此当作用载荷F的频率ω增加时, 位移u的幅值会减小, 这从理论分析的角度验证了粘弹性材料的第四个特性。
文献[9]中指出, 手指皮肤中含有丰富的触觉神经元, 主要包括迈斯纳小体 (Meissner’s corpusle) , 麦尔克氏细胞 (Merkel’s cells) , 罗芬尼末梢 (Ruffini ending) 和帕西尼氏小体 (Pacinian corpusle) 。文献[10]中指出, 四种神经元的主要感知形式及敏感频率如表1所示, 根据不同神经元的敏感频率和实验室条件, 本文所研究的信号频率范围在1Hz~40Hz之间。
2 手指变形测量实验
测量原理如图2所示, 激光位移传感器发出的光束穿过喷嘴照射到手指表面再反射回位移传感器, 喷嘴由无色透明有机玻璃制作不会遮挡激光束穿过。实验过程中手指表面与有机玻璃板上喷嘴的接触高度为2mm保持不变。手指用双面胶固定于固定台, 消除手指颤抖对测量结果的影响。
试验台控制利用MATLABSimulink中的Real-time模块, 通过研华板卡与传感器, 比例阀等进行连接, 压力控制通过FESTO流量比例阀实现。实验过程中通过调节比例阀的控制电压信号, 保证压力的载波和振幅不变, 测量不同频率载荷下的手指变形。试验台如图3所示。
3 实验结果与分析
由表1可知, 适应速度较慢的两种神经元的敏感频率都是7Hz, 因此首先分析在7Hz左右的手指变形, 如图4所示, 可以看出随着频率的增加, 不但变形振幅减小, 手指的总变形量也是逐渐减小的, 但振幅差别较小, 不太明显。为进一步证明此规律的正确性, 本文分析了5Hz~40Hz范围内的手指变形。如图5所示, 频率分别为5, 10, 15, 20Hz载荷下手指变形的振幅分别为0.440mm, 0.405mm, 0.371mm, 0.293mm;图6为不同频率下的压力, 可以看出压力幅值差别较小, 可以排除压力大小对手指变形振幅的影响。5Hz~40Hz时变形振幅的变化如图7所示;可以看出频率每增加5Hz, 手指变形量振幅降低0.03~0.04mm。当频率相差10Hz时, 手指变形量振幅下降0.06~0.1mm。
实验结果表明:在压力载波和振幅一定的情况下, 手指变形振幅随着压力频率的增加而降低;频率相差越大, 手指变形振幅也相差越大;手指总的变形量也随着频率的增加而减小。
4 结语
本文分析了Kelvin模型在正弦压力载荷下的动态响应, 在此基础上通过实验测量了不同频率的压力载荷作用下手指变形量, 得出手指变形振幅随着压力变化频率的增加而减小这一变化规律, 进一步验证了手指皮肤的粘弹性特性;另外, 由实验结果还可看出手指皮肤总的变形量随着频率增加而减小, 应是粘弹性材料响应的迟滞性所致。本文的研究成果加深了对触觉感知机理的理解, 对触觉接口设备的设计提供了参考指标。
参考文献
[1]金世俊, 朱明武.指端触觉再现的电刺激实现研究[J].南京理工大学学报, 1999, 23 (5) :385-388.
[2]陈旭, 宋爱国, 李建清.一种新的虚拟纹理触觉再现方法及其装置实现[J].测试技术, 2006, 25 (8) :72-75.
[3]Wu J Z, Welcome D E, Dong R.Three-dimensional finite element simulations of the mechanical response of the fingertip to static and dynamic compressions[J].Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2006, 9 (1) :55-63.
[4]胡吉永.基于触觉认知的织物质感的形成机理研究[D].上海:东华大学, 2008.
[5]周光泉刘孝敏.粘弹性理论[M].北京:中国科学技术出版社, 1996.
[6]冯元桢 (美) .活组织的力学特性生物力学[M].长沙:湖南科学技术出版社, 1986.
[7]马和中.生物力学导论[M].北京:北京航空学院出版社, 1986.
[8]Sun Z S, Kou L P, Qiu Y T etal.Experiment of Finger Deformation by Pneumatic Nozzle[J].Applied Mechanics and Materials, 2012:220-223.
[9]Johnson K O, Yoshioka T, Vega-Bermudez F.Tactile functions of mechanoreceptive afferents innervating the hand[J].Journal of Clinical Neurophysiology, 2000, 17 (6) :539-585.
[10]D G Caldwell, N Tsagarakis, A Wardle.Mechano thermo and proprioceptor feedback for integrated haptic feedback[A].Proceed of IEEE Int Conf on Robotics and Automation[C].Albuquerque, USA:IEEE, 1997.2491-2496.
动态响应 篇2
空中爆炸下舰船动态响应数值模拟
运用非线性动力有限元软件MSC.DYTRAN,计算了空中非接触爆炸冲击波作用下舰船动态响应过程.冲击波的计算结果与经验公式吻合良好,表明计算结果是合理的..在此基础上,分析了船体结构的应力情况,能量吸收和冲击环境,得出相关结果,对舰船的抗爆设计具有一定指导意义.
作 者：吴迪 张世联 WU Di ZHANG Shi-lian 作者单位：上海交通大学,上海,30 刊 名：舰船科学技术 ISTIC PKU英文刊名：SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 29(6) 分类号：O383.3 关键词：MSC.DYTRAN 空中爆炸 舰船 动态响应动态响应 篇3
关键词：高速列车；简支梁桥；移动质量
中图分类号：U441.3 文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2009)29-0044-02
随着行车速度的不断提高，交通密度的不断增加，荷载的不断加重，交通车辆与结构的动力相互作用问题越来越受到人们的重视。特别是近年来越来越多的高速铁路相继投入运行。一方面，高速运行的车辆对所通过的结构物产生动力冲击作用，直接影响其工作状态和使用寿命；另一方面，结构的振动又对运行车辆的平稳性和安全性产生影响。
常见的对车辆的简化有以下几种形式：①将车辆荷载简化为集中力，在梁上移动；②将车辆简化为移动质量；③将车辆简化为移动的简谐力；④将车辆看作是在桥梁上移动的弹簧上的质量。这几种简化方法中。以移动弹簧上的质量模拟最为合理，但也最为复杂，而将车辆看作移动的集中力即移动荷载和移动质量这两种简化方式最为简单，但是在对桥梁进行初步估算时不失为最简便、快捷的方法。
本文通过建立移动荷载和移动质量的模型，采用有限元软件ANSYS来研究和比较车辆在不同阻尼比的简支桥梁上运行引起的车桥动力响应。
1模型的建立
用移动质量模拟车辆匀速通过跨度为32m简支梁的情形，采用ANSYS软件建立相应模型，对桥梁的动力响应进行仿真计算。计算中，模型忽略桥梁粗糙、不平顺的影响，不考虑外界风载及地震荷载的影响，不考虑车的初始状态，即认为车辆在理想的状态下运行通过桥面。
本文采用二维梁单元BEAM3来模拟桥梁，划分的单元数由荷载的移动速度和桥梁长度来决定。单元长度△L=L/N，其中，L为桥梁的跨长，N为划分的单元数。这样，荷载在单元之间的运行时间(即从i节点变化到i+1节点)为t=△L/v，其中，口为移动荷载的速度。计算时，划分单元数为50。
在计算结构动态响应时，时间步长△t的选取是否合适，对计算结果能否反映结构响应特征产生很大的影响。如果时间步长△t太大，有可能得到完全失真的响应曲线。在图1所示的响应曲线中，如果步长不当，将会得到如虚线所示的错误的响应曲线。
时间步长的选取，应根据动态响应的振动周期频率来确定。由于三点确定一条抛物线，因此为了真实描述结构动态响应，在一个振动周期中应至少取5个点。如果设T是结构振动的周期，是结构振动的频率，那么结构动态响应计算的时间步长应取为
△L (1) 本文采用桥梁模型基准数据如下：简支梁跨度1=32m，连续梁跨度l＝64m，材料为50号混凝土，弹性模量E=3.5×1010N/m2。箱型断面，断面高度2.8m，断面宽度13m，截面积为A=8.29m2。惯性矩I=8.6m4，密度p=2500kg/m3。 本文主要研究不同阻尼比的桥梁结构的动力性能(阻尼比变化范围为0.01～0.08)，采用的基准车速为300km/h。3数值模拟及结果分析 图2表示了结构阻尼比为0.02、0.04、0.06、0.08时桥梁跨中节点的动挠度曲线。由图2可知，对于高速运行的车辆，随着梁上阻尼比的增加，梁上节点的动挠度逐渐减小。另外，随着梁上阻尼比的增加，各节点发生最大动挠度时荷载所在地位置逐渐后移。表1详细记录了阻尼比由0.01～0.08范围内桥梁跨中节点的最大竖向动挠度。 图3为表1数据所绘，从图中我们不难看出最大动挠度与结构阻尼比的关系已不再是线性的而变为非线性的。结构阻尼比越大，跨中节点的最大动挠度越小。 图4表示了结构阻尼比为0.02、0.04、0.06、0.08时桥梁跨中节点的竖向加速度曲线。可以看出，各节点的竖向加速度表现出类似于正弦曲线特性，随着阻尼比提高，其向下的竖向加速度明显减小。但是在一定范围内，随着阻尼比的提高，其向上的竖向及速度并没有明显减小。由此可见，通过适度提高结构阻尼比的方法可以在一定程度上控制桥梁结构的振动。 图5是由表2数据所绘，详细列出了结构在不同阻尼比下跨中节点的竖向加速度情况，从中不难看出，结构的竖向加速度和结构的阻尼比的关系不再是线性的，而变为非线性的。在结构阻尼比不大的时候，随着阻尼比的提高，结构的竖向加速度降低的速度比较快。随着结构阻尼比的增加，这种影响作用会越来越小。所以，在一定范围内控制结构阻尼比可以很好地控制桥梁结构的震动。 3结论 本论文采取了数值模拟计算的研究方法。对移动质量作用下桥梁的动态响应做了分析研究。通过ANSYS软件对车一桥藕合系统的动态模拟，得到桥梁的动力响应结构阻尼比的关系，通过数据分析得出如下结论： (1)桥梁结构在高速列车作用下的动挠度与结构阻尼比之间并非是线性的关系，但总体规律是随着结构阻尼比的增加，桥梁结构的动挠度逐渐减小。 随着市场竞争越来越激烈, 各地宽带项目产能的进一步释放, 窄带所面临的竞争越来越大, 为了适应市场的要求, 必须提高产品质量和加大产品开发力度, 增大活套容量, 加强对带钢板型的控制, 减少堆钢、减少轧辊压力, 有利于厚度控制, 同时可以拓宽产品规格, 轧制薄规格产品。为增加效益, 开发完善各项技术功能, 减少废品, 提高产量、成材率以及减少故障停机时间, 故必须对活套控制系统进行改造。 1 技术方案的确定与研究 1.1 总体技术思路 活套电机型号为ZZJH-806, 电机功率22.4kW, 转速650/1950rpm, 额定电压220V, 额定电流118A。电机要求长时间储运堵转状态, 电机旋转只有一周半, 根据工艺要求部分薄规格产品轧制电机堵转电流要维持在120A, 在开发新品种轧制薄规格时要求增大堵转电流到200A, 而原控制系统为Mentor IIM105R, 系统额定电流为105A, 再轧制极限规格时装置只能超负荷运行, 因此原控制系统不能适应产品规格扩展的要求, 且今后还要扩展产品规格, 轧制薄规格的产品的比例不断增大, 控制系统将会迅速老化、损坏。为此要求更换活套控制系统, 且考虑今后扩展的要求, 选定用西门子6RA7078-6DV62直流调速装置, 其额定电流为280A, 满足扩展要求。选用西门子系列的调速装置有两大好处: 一是采用的是西门子S7-400型PLC、6RA70系列调速装置与具有强大通讯功能的PLC, 可以实现故障信息的再现检测, 并可以把活套电机的电枢电压、电枢电流等信号通过网络实施采集到PLC中, 用于检控电机的实际运转状态, 同时同主机电流放在一个画面里比较, 就可判断活套起、落套是否准确, 为判断活套是否早套或者不落套提供技术依据。如下图1所示, 红色和绿色波形为F1、F2主机电流, 黄色为H1活套电流, 可以明显看出在F2主机负荷建立后瞬间H1活套起套动作, 然后再F1主机电流消失后, F2主机电流消失前H1自动落套, 证明整个系统监控正常, 且设备运行正常。 二是西门子系列直流调速装置动态响应迅速, 且分辨率高, 其分辨率为0.00~650.00s, 活套起落套控制, 采用根据主机咬钢负荷信号自动进行控制的形式。实际生产过程中, 轧制速度有时常变化, 控制活套起落套的时间点难恰到好处, 若连轧过程中套量过大, 容易产生迭轧堆尾或甩尾拍击轧辊等的情况。在实际应用以后活套起、落套时间控制明显较前控制系统准确, 动态迟滞时间在620m/s以内, 较原系统有较大改善。 1.2 技术方案 1) 电机主回路及控制回路原理 活套张力控制主要依靠电机电流, 必须保证电机输出电流稳定, 才能保证活套张力维持在恒定的水平, 活套控制系统必须使用电流环控制, 所以控制需要增加一个输入信号控制活套张力的投入, 给定信号必须要有起套、落套、张力投入三个。改用西门子6RA70调速装置后通过系统内部调整, 可以通过直接把给定加在电流环直接作用于输出, 就可减少张力投入这一输入信号, 为PLC节约一个输出点, 同时简化PLC的内部程序。 2) 安全连锁控制 由于活套控制系统安装于主电室三楼, 而电牌的停送的登记工作在主电室一楼进行。为了保证安全不允许电话预约停送电, 所以停送电工作必须在一楼登记后, 然后值班人员跑到三楼进行停送电作业, 这样操作非常浪费时间和增加工人作业强度, 特别是在紧急抢修中, 有时一共用5min就能完成的操作, 光停送电就需要10min, 大大降低了工作效率。为解决这一问题, 设置了活套交流接触器控制两地操作, 在主电室一楼原主机的直流操作屏上, 利用备用按钮和指示灯设置交流分、合闸按钮, 分闸按钮与三楼的分闸按钮串联, 合闸按钮与三楼的合闸按钮并联, 并利用接触器的辅助开关在一楼和三楼分别带分合闸指示灯。为了提高系统的安全性, 保证停送电牌位置控制的优先性, 在控制电源侧加装转换开关HK放置在一楼, 只要在一楼拿取电牌后分断转换开关HK, 三楼就不能进行送电操作, 确保的停送电的安全高效。 (原理如图2所示) 2 技术创新点 采用西门子系列直流调速装置, 动态响应迅速、且分辨率高, 克服了原直流调速装置使用至今已十余年、备件老化严重、动态响应能力不足的缺点, 优化了系统的控制结构, 节约了备件费用, 拓展了系统扩展空间;S7-400型PLC, 6RA70系列调速装置与PLC的通讯功能强大, 可以实现故障信息的再现检测。设置了活套交流接触器控制两地操作, 在主电室一楼直流操作屏上, 设置交流分、合闸按钮, 分闸按钮与三楼的分闸按钮串联, 合闸按钮与三楼的合闸按钮并联, 并利用接触器的辅助开关在一楼和三楼分别带分合闸指示灯。这样分、合闸在一楼和三楼都可操作, 且有明确指示。 为提高系统的安全性, 保证停送电牌位置控制的优先性, 在控制电源侧加装转换开关HK放置在一楼, 这样只要在一楼拿取电牌后分断转换开关HK, 三楼就不能进行送电操作, 确保停送电的安全高效。 3 结论 620mm带钢活套张力动态响应调节与优化项目在增加投资很小的前提下, 采用两地操作控制确保的停送电的安全高效, 实现了提高安全系数和增加工作效率的双赢。 通过系统改造, 提高了活套控制系统的动态响应速度, 优化了系统的控制结构, 节约了备件费用, 拓展了系统扩展空间。通过对系统的实际测试显示, 系统运行稳定可靠, 操作简单方便, 控制精度高, 主副传动响应速度快, 故障率低, 维护方便快捷, 改善了活套控制功能, 对提高带钢材产量质量起到了积极作用及取得了可观的经济效益。 参考文献 [1]6RA70系列全数字直流调速装置使用说明书[S]. 通过平面飞片碰撞实验,研究了质量分数为90%的Al2O3陶瓷在0～11.0GPa的动态响应行为,给出了该材料的Hugoniot弹性极限(σHEL)、动态屈服强度、高压声速和Hugoniot曲线.结果表明:当冲击应力在σHEL≈11.0GPa的范围内,Al2O3陶瓷的塑性区压缩特性表现出较明显的弥散行为;在远低于σHEL的`应力区,Al2O3陶瓷已表现出明显的压缩损伤效应,即出现所谓的破坏波效应. 作 者：李平李大红 宁建国 经福谦 作者单位：李平(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900;北京理工大学机电工程学院,北京,100081) 李大红(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900) 宁建国(北京理工大学机电工程学院,北京,100081) 经福谦(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900; 西南交通大学物理研究所,四川成都,610031) 研究果蔬的压缩力学性质在果蔬加工、贮藏、运输等生产环节的工艺参数选择和相关加工装备设计, 对产品质量提高和品质检测等方面具有应用意义［1 － 2］。国内外学者对于果蔬压缩力学性质的研究主要是通过果蔬压缩试验,测得其力- 位移曲线［3］或者应力- 应变曲线［4］,分析其曲线变化规律及受力变形特点,获得弹性模量、屈服强度、抗压强度等力学性能指标［5］。同时,也有关注果蔬的细观结构［6］的研究, 用显微镜［7］、扫描电镜［8］等仪器设备获得果蔬受力变形后的细观组织图像,结合试验测得的力学性质和宏观变形破坏现象,从微观层面分析果蔬变形破坏机理。但是,这些研究只表达了果蔬受力变形最终状态或中间某一时刻的细观结构变位与力学特性相关关系,没能连续地进行果蔬受力变形过程中微观结构变位的动态响应分析。因此,本文在INSTRAN材料力学性能试验机上搭载了动态显微镜观测系统,实现了对果蔬加载的同时采集了果蔬微观结构变位的图像信息,进行了苹果、梨、马铃薯、白萝卜、胡萝卜、茄子的压缩试验,并分析了细观结构变位的动态响应。 1材料和方法 1. 1材料的选取及贮藏 本文选取山西本地产的果蔬为试验材料。水果包括苹果、梨,均采自山西省农业科学院果树所; 蔬菜包括马铃薯、白萝卜、胡萝卜、茄子,均为市场采购,挑选新鲜成熟、无机械损伤、同一品种大小相近的样本。 将样本分别用保鲜袋保存,储藏于4℃ 冷藏柜中保鲜, 备用。 1. 2仪器与设备 本试验使用的主要仪器及设备有: 5544电子万能材料试验机( 美国INSTRON公司) ,最大载荷为2k N; CMM - 15E透反射金相显微镜( 上海光学仪器厂) ,总放大倍数为40X - 2000X,显微图像可由CCD实时记录并通过计算机显示屏观察实时动态图像,图像分辨率为320 × 240,存储速率为24帧/s; DHG - 9023A型电热鼓风干燥箱( 无锡三鑫精工试验设备有限公司) ,温度调节范围为50 ~ 200℃ ; MP2002电子天平( 上海精密仪器仪表有限公司) ,称量范围200g, 可读性0. 01g。 1. 3试验方法 1. 3. 1样品制备 将试验材料从冷藏柜中取出,待其恢复室温后去皮洗净,切成10mm × 10mm × 15mm的矩形试样,每种试样均切20个,已切好的样品及待切样品均用聚乙烯薄膜密封保存,备用。 1. 3. 2含水率测定 每种样本随机选取1个,洗净去皮后切取一小块试验部位样本用于测量物料的含水率。称量所取得的样本质量,随后切成细丝放入已烘干恒定质量的玻璃器皿中,置于100℃ 恒热鼓风干燥箱中4h,待其质量恒定后称重。含水率的计算公式为 式中Mw—含水率; mw—物料中所含水的质量; ms—物料中所含干物质的质量。 1. 3. 3压缩力学试验 用电子万能试验机对每种试样进行压缩试验,同时用电子显微镜观察压缩过程中试样侧表面细观图像变化情况。根据美国农业工程学会( ASAE) 推荐标准,控制试验室温为20℃ ,相对湿度为( 50 ± 5) % ,每种试样测定20次［9］。电子万能试验机的压缩速度控制为1mm /min,压缩试验前预加载速度为5mm /min, 预加载载荷0. 1N,设定荷载率达到40% 时试验自动停止。 2试验结果及分析 2. 1果蔬压缩力学性能 表1给出了几种不同果蔬以及果蔬不同部位试样的压缩力学性能值。表1中,含水率由式( 1) 计算得到,最大载荷Fmax、载荷最大时的位移L、杨氏弹性模量E均由INSTRON万能试验机自动计算生成。强度极限 σ 的计算公式为 式中Fmax—最大压缩载荷; A—试件的初始横截面积。 由于压缩位移- 压缩载荷曲线上没有明显的屈服点,通常认为当生物物料的微观结构开始破坏时物料屈服。因此,当显微图像上看到细胞渗水时,认为细胞屈服。生物屈服强度 σ' 由式( 3) 计算得到。式中,屈服载荷F' 为当电子显微镜观察到果蔬试样表面细胞出现渗水现象时所对应的压缩载荷。那么,则有 式中F' —屈服载荷。 图1为几种果蔬试件的压缩位移- 压缩载荷曲线。随着压缩位移的增大,压缩载荷随之增大,直到试件发生断裂时( 见图2) 压缩载荷急速下降,此时所对应的点为试件破裂点。由于茄子属于海绵体生物材料,因此没有破裂点,随着压缩位移的增加,压缩载荷不断增加。几种不同果蔬的强度极限不同,梨的强度极限为0. 40MPa,在几种果蔬中最小。因此,在运输加工时也最易受外力作用而损伤,然后随着压缩位移的增大,压缩载荷减小。各向异性的果蔬不同的测试部位表现出的压缩力学性质也有所不同: 胡萝卜芯部的强度极限达到了2. 16MPa,而果肉部分仅为1. 48MPa。几种果蔬中胡萝卜的强度极限最大,不容易受外力损伤,因此也更易保存。 动态响应 篇4
动态响应 篇5
动态响应 篇6
2. 2果蔬压缩细观结构变位图像
在用INSTRON电子万能试验机对试样进行压缩试验的过程中,用电子显微镜观察记录试样表面细观结构变化情况。图3 ~ 图5分别为苹果、马铃薯、茄子试样不同压缩阶段的细观结构变化图。
图3 ~ 图5中:
( a) 为果蔬试件侧表面细观结构图。可以看到: 没有经过加载的苹果、马铃薯试样细胞结构完整、呈现出腔结构、细胞饱满、边缘清晰、形状规则,排列整齐、紧凑。
( b) 为果蔬试件加载但未屈服时的细观结构图。 此时,苹果的压缩位移为1 . 135 mm、压缩载荷为3. 192N,马铃薯的压缩位移为0. 418mm、压缩载荷为5 . 4 7 8 N ,茄子的压缩位移为1 . 2 7 8 mm 、压缩载荷为1. 024N。图中可以看出: 果蔬细胞变形、排列不规则、结构疏松、变形严重,但未见水分明显渗出。
( c) 为果蔬试件刚屈服时的细观结构图。此时,苹果试样的压缩位移为1. 754mm、压缩载荷为9. 532N; 马铃薯试样的压缩位移为0 . 961 mm、压缩载荷为17. 685N; 茄子试样的压缩位移为1. 996mm、压缩载荷为2. 296N。图中细胞渗水,认为细胞结构已破坏,水分从细胞中扩散出来,已看不到明显的细胞结构。
( d) 为果蔬试件屈服后继续加载的细观结构图。 图中已充满水分,随着电子万能材料试验机的继续加载,细胞破坏严重,水分大量渗出,已完全看不到细胞结构,并且细胞中的一些大分子物质悬浮于渗出的水分中。
2. 3果蔬压缩力学性质与细观结构变位动态响应分析
果蔬是由细胞组成的,细胞的组成、形状、结构、 排列方式及各项生命功能都与果蔬的力学特性有关。 果蔬细胞由细胞壁、细胞核、液泡等组成。由于细胞壁主要由一些可以承受较大抗拉强度的微丝和微管组成,因此起到了承受外部载荷、维持植物细胞形状的作用［10 － 11］。当果蔬受到外加载荷时,果蔬细胞壁可承受外部载荷,同时细胞内液体的压力可以保证细胞壁受压缩时不会失稳,苹果和马铃薯的细胞壁应变可达到15%［12］。细胞之间是通过胶状物连接的,胶状物具有流变特性且可以传递压力,因此当表层细胞受力时,可将压力传递到相邻细胞［13］。随着外部压力的逐渐增大,由于细胞内液体的压力抵抗细胞变形, 细胞内压随之增大,当细胞内压超过临界值时细胞破裂,此时果蔬细胞结构崩塌,内部水分及细胞内物质渗透,果蔬达到生物屈服极限,受到机械损伤。
3结论
1) 试验测试了苹果、梨、马铃薯、白萝卜、胡萝卜、 茄子的压缩力学特性,得到了以上几种果蔬的压缩最大载荷、强度极限、杨氏弹性模量及生物屈服强度。
2) 采集了压缩过程中果蔬的细观图像,通过观察压缩过程果蔬细胞的变形、微结构变位及渗水等情况,分析了果蔬材料的屈服强度、压缩强度及材料破坏与细观结构变位的关联。
3) 分析了果蔬压缩过程中细观结构变位对压缩特性的影响机理及果蔬的细观损伤机理。
摘要：研究果蔬的压缩力学性质可为果蔬加工、运输、检测包装等生产环节提供设计参数及工艺优化依据。为此,以几种常见果蔬为研究对象,在INSTRON生物材料性能试验机上搭载了电子显微镜图像采集系统,在进行果蔬试样压缩力学性质试验测试的同时,对压缩变形过程进行了动态图像采集与分析,获得了果蔬的压缩强度极限、弹性模量等力学性质指标。同时,结合电子显微镜采集到的压缩过程果蔬细观结构变形图像,通过观察压缩过程果蔬细胞的变形、微结构变位及渗水等情况,分析了果蔬材料的屈服强度、压缩强度及材料破坏与细观结构变位的关联,了解了果蔬压缩力学性质与压缩过程中细观结构变位的动态响应。
动态响应 篇7
为此, 我们针对某型六缸柴油机气缸盖在燃气压力作用下的动态响应进行仿真研究, 选取若干工作循环进行瞬态动力学计算, 得到瞬态燃气压力作用下气缸盖的变形和应力应变分布情况, 可以为气缸盖可靠性设计以及动态热机耦合研究提供数据支撑。
1 装配体模型建立
根据发动机结构对称性, 选取其中某一缸进行分析。通过Pro/E建立气缸盖、气缸体、气缸套和8个螺栓 (主、副螺栓各4个) 的几何模型, 然后将模型分别导入ANSYS/DM模块进行装配并进行适当简化, 装配体几何模型见图1。由于气缸盖结构复杂, 不规则曲面较多, ANSYS自动划分网格较为困难, 故采用ICEM对气缸盖进行网格划分, 装配体网格见图2。由于气缸盖火力面最易产生裂纹而破坏, 研究时需要重点关注, 因而在网格划分时对火力面网格进行细化处理, 见图3。装配体有限元模型的网格节点数为4 823 403, 网格单元数为3 325 507。
2 边界条件施加
网格划分之后, 需要进一步确定模型的边界条件。边界条件施加合理与否对计算结果的准确性有很大影响。对该装配体施加的主要边界条件有约束边界条件、接触边界条件以及载荷边界条件3种[7]。
2.1 约束边界
考虑到发动机结构对称性, 建模时只选取了其中一个气缸, 因而需要在模型上施加对称约束, 主要施加在气缸盖、气缸体和主螺栓截面上, 见图4。选取气缸体、气缸套和主、副螺栓底面施加全约束, 见图5。施加全约束可以较好地清除这些位置处的位移分量, 使部件的固定方式更接近真实工况。
2.2 接触边界
两个相互独立的有限元模型表面互相碰触并且相切, 这种状态叫做接触状, 相互接触的表面定义为一个接触对[8]。该装配体包含较多的接触对, 在气缸盖与气缸体、气缸盖与螺栓等两两接触的部件之间设置面面接触, 接触类型设置为绑定。
2.3 载荷边界
该模型承受的载荷主要有两种:机械载荷和热载荷, 其中机械载荷包括缸内燃气压力和螺栓预紧力。
施加燃气压力时, 忽略其分布不均匀性, 将其以均布面力的形式直接施加在气缸盖火力面 (某型柴油机气缸盖的热机耦合分析) 。螺栓预紧力施加在8个螺栓的圆柱面上, 见图6, 图中A~H分别为8个螺栓上预紧力施加的位置。主螺栓上预紧力为98 k N, 副螺栓上预紧力为49 k N。因为在主螺栓上施加了对称边界, 所以主螺栓上施加的预紧力减半为49 k N。
3 气缸盖瞬态动力学分析
选取额定工况 (2 200 r/min) 作为计算工况点, 进行瞬态动力学计算与分析时, 选取额定工况下4个工作循环 (0.218 17 s) 进行研究, 燃气压力通过发动机缸内工作过程仿真获得, 四个工作循环内燃气压力随曲轴转角的变化, 见图7。图中A、B分别对应爆发压力时刻和最小燃气压力时刻。从图上可以看出, 额定工况时缸内最小燃气压力为0.203 MPa, 燃气爆发压力为12.31 MPa。
瞬态计算时采用自动时间步长的方法, 设置初始步数为100, 最大步数为200。4个工作循环的火力面燃气压力及“鼻梁区”最大应力分别见图8。
从图8中可以看出, 在第一个工作循环的计算初期难以收敛, 一段时间后计算收敛。从收敛后的计算结果看, 火力面鼻梁区最大应力波动周期性明显, 燃气压力峰值对应火力面鼻梁区应力的谷值。在爆发压力时刻鼻梁区最大应力值为19.84MPa, 在最小燃气压力时刻最大应力值为22.48MPa, 应力波动幅值约为2.7 MPa。燃气压力增加使得火力面最大应力略降低, 这是因为火力面的应力以预紧力产生的拉应力为主, 燃气爆发压力作用在火力面产生压应力, 二者相抵消使火力面危险点的应力水平降低。
图9为A时刻气缸盖整体应力分布云图, 从图中可以看出:在机械载荷作用下, 气缸盖上最大应力位于气缸盖顶面与螺栓接触的部分。但由于该部位结构强度较高, 实际运行中很少出现问题, 所以不作为研究的重点。气缸盖火力面最容易产生裂纹而破坏, 尤其是进、排气门“鼻梁区”, 所以以下分析主要针对该火力面区域。
图10和图11分别为施加爆发压力 (A时刻) 和最小燃气压力 (B时刻) 时火力面“鼻梁区”应力分布情况。从图中可以看出, 两种载荷下气缸盖火力面应力分布比较接近, 应力最大的区域为进气门之间的鼻梁区。
4 不同考察点位移分析
4.1 考察点分布
为了更准确地研究气缸盖的变形情况, 在气缸盖底面和顶面各选取5个具有代表性的考察点进行分析。底面考察点分布见图12。考察点1在主螺栓中心线的内侧, 考察点2和考察点3分别位于副螺栓连续的内侧和外侧, 考察点4, 5分别位于火力面“鼻梁区”。气缸盖顶部选择了加强筋上的考察点6、进排气孔中间的考察点7、螺栓孔附近的考察点8, 9, 10, 顶面考察点分布见图13。
4.2 气缸盖位移结果分析
气缸盖底面考察点位移时间历程曲线图见图14, 从图中可以看出气缸盖底部的位移变化具有周期性, 在爆发压力时刻-Y向位移量最小, 缸内燃气压力较小的时刻, -Y向的位移量也较大, 说明预紧力与燃气压力对气缸盖底面位移的影响作用相反;同时, 火力面上的考察点4, 5变化幅值较气缸盖底面其它考察点幅值大, 说明燃气爆发压力对火力面位移的影响较大。
气缸盖顶面考察点位移时间历程图见图15, 该位置处的5个考察点位移值均为负, 这些位置处也具有一定的刚体位移, 尤其在预紧螺栓孔接触面位置的考察点8, 9, 螺栓孔处受预紧力作用明显, 因而比其它考察点位移大。总体上看, 气缸盖顶面振动也具有周期性, 顶面考察点振动幅值相对底面的振动幅值要小, 但它们在振动过程中也具备底面考察点相同的规律。
5 结论
通过对某柴油机气缸盖在四个循环燃气压力作用下的瞬态动力学计算, 得到了气缸盖动态变形和应力分布情况。
a.爆发压力时刻鼻梁区最大应力值为19.84MPa, 最小燃气压力时刻最大应力值为22.48MPa, 应力波动幅值约为2.7 MPa。
b.火力面应力以预紧力产生的拉应力为主, 与预紧力作用相反, 燃气压力增加使得火力面最大应力略降低。
c.单独考虑机械载荷时气缸盖火力面应力最大的区域位于两进气门“鼻梁区”。
d.预紧力与燃气压力对气缸盖底面位移的影响作用相反, 火力面上位移变化幅值较气缸盖底面其它考察点幅值大, 顶面位移幅值相对底面要小, 但具备相同的波动规律。
参考文献
[1]Chang-Chun Lee, Kuo-Ning Chiang, Wen-King Chen.Design and Analysis of Gasket Sealing of Cylinder Head under Engine Operation Condition.Finite Elements in Analysis and Design, 2005, (41) :1160-1174.
[2]赵心远, 刘继全.柴油机气缸盖热-固耦合分析[J].机械工程与自动化, 2011, 6 (3) :67-69.
[3]王晨.柴油机气缸盖热-机械强度有限元分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2010.
[4]郭立新, 杨海涛, 夏兴兰.某汽油机过渡工况气缸盖温度场数值模拟计算[J].现代车用动力, 2007, 127 (3) :32-37.
[5]程军, 李玉峰.过渡工况下风冷内燃机气缸盖温度的变化规律[J].内燃机工程, 1995, 16 (2) :50-54.
[6]姬芬竹, 杜发荣, 司东宏.过渡工况下汽车发动机汽缸盖温度的测试及分析[J].洛阳工学院学报, 2001, 22 (3) :44-47.
[7]陈少林.柴油机气缸盖动态响应分析研究[D].太原:中北大学, 2011.
动态响应 篇8
关键词：消息的分类,消息的路由,OnCommand,OnCmdMsg,mbAutomenuEnable
菜单栏是组成Windows程序图形界面的主要元素之一。大多数Windows应用程序都利用菜单作为用户与应用程序之间交互的一种途径。
1、Windows消息的分类
在Windows中, 消息分为以下三类:
·标准消息
除WM＿COMMAND之外, 所有以WM＿开头的消息都是标准消息。从CWnd派生的类, 都可以接收到这类消息
·命令消息
来自菜单、加速键或简单控件的消息。这类消息都以WM＿COMMAND形式呈现。在MFC中, 通过菜单项的标识 (ID) 来区分不同的命令消息:在SDK中, 通过消息的WParam参数识别。从CCmdTarget派生的类, 都可以接收到这类消息。
·子窗口通知消息
由子窗口 (大多为控件) 产生并发送到该控件所属的父窗口的消息。这类消息是以WM＿NOTIFY形式呈现的。
2、命令消息的路由
其中:
(1) AfxWndProc () :这是WinCore.cpp中的一个函数, 是MFC的窗口过程函数, 对所有消息进行处理:接收消息, 并寻找消息所属的Cwnd对象;向下调用。
(2) AfxCallWndProc:存储消息 (消息标识和参数) 供未来参考, 且向下调用。
(3) CWnd::WindowProc:由AfxCallWndProc调用, 这是CWnd类的一个成员函数。应用程序的所有类型的消息都由此函数来做进一步的处理:发送消息给OnWndMsg () 。如果OnWndMsg没有对消息进行处理, 则回发给此函数, 然后此函数再把消息发送给CWnd::DefWindowProc () 处理。
(4) CWnd::OnWndMsg:对消息进行类型判断。 (1) 标准消息:沿其消息映射表从本类到父类逐层查找其处理函数。如果没有则把此消息发回到WindowProc () 。 (2) 命令消息:由OnCommand函数进行处理。 (3) 通知消息:由OnNotify函数进行处理。源代码如下:
(5) OnCommand () :
这个虚函数提供了两个参数:w Param和l Param。其中 (1) w Param的低位是菜单、加速键或者控件的命令ID;高位是事件代码:如果是加速键则为1;如果是菜单则为0;如果是控件则为具体的通知消息。 (2) l Param:是控件的句柄。如果为0, 则表示命令来自于菜单或加速键。
对于命令消息WM＿COMMAND, 实际上是交给OnCommand函数处理。而OnCommand是一个虚函数, 即WM＿COMMAND消息发生时, 最终是发生该消息所对应的MFC对象去执行OnCommand。比如点框架窗口菜单, 即向CFrameWnd发送一个WM＿COMMAND, 将会导致CFrameWnd::OnCommand (wParam l Param) 的执行。且看该函数原型:
这里包含了一个C++多态性很经典的问题。在这里, 虽然是执行CWnd类的函数, 但由于这个函数在CFrameWnd里执行, 即当前指针是CFrameWnd类指针, 再有OnCmdMsg是一个虚函数, 所以如果CFrameWnd改写了OnCommand, 程序会执行CFrameWnd::OnCmdMsg (…) 。
(6) OnNotify () :
这也是一个虚函数, 试图将消息映射到制造通知的控件;如果映射不成功, OnNotify () 就调用相同的OnCmdMsg () 函数。
(7) OnCmdMsg ()
根据接收消息的类, OnCmdMsg () 函数将在一个称为命令传递 (Command Routing) 的过程中潜在的传递命令消息和通知消息。这个传递路径为:
用一句话来描述即为:视类->文档类->框架类->应用程序类。
3、动态菜单及命令响应的实现
在孙鑫老师的《VC++深入详解》中, 有一个电话本程序:在窗口中输入人名和电话号码, 如果是第一次输入, 在菜单栏最后添加"电话本"子菜单, 同时把这个人名做为"电话本"菜单的菜单项;如果不是第一次, 则直接把输入的人名添加为"电话本"的菜单项。添加之后, 当单击某一个菜单项, 就在窗口显示人名和电话号码。
程序分析:动态地添加菜单并不难, 难点在于:为每一个菜单项添加响应函数。根据MFC中消息映射的机制, 每一个菜单项都应该首先有一个ID, 然后在消息映射表里添加消息和其响应函数的映射, 同时编写响应函数。
在孙鑫老师的书里是这样子实现的:
(1) 在资源头文件Resource.h中, 设置菜单项ID, 如下所示:
(2) 在视类中添加WM＿CHAR消息。在此消息响应函数中实现动态添加子菜单及其菜单项 (使用上面所定义的菜单项ID) 的功能。
(3) 在视类的头文件中添加消息映射函数:
(4) 在视类的源文件中添加消息映射表:
(5) 通过类向导对话对话框添加以上菜单命令的消息响应函数。
到此为止, 孙鑫老师所著书上的关于动态菜单及其响应函数的编写完成。但如果我所添加的子菜单或菜单项根本无法预测, 或者菜单项非常多, 上面方法就显得有点"无能为力"了。设想是否可以不写那么多的菜单项ID、消息映射函数、消息映射表、消息响应函数呢?只有这样才是真正的动态菜单。
根据上面命令消息路由的分析, 重载OnCommand函数或OnCmdMsg函数可以实现。
方法一:重载OnCommand函数
S1:在资源的头文件中为动态添加的菜单项定义一个开始ID号:
S2:因为是在视窗中输入人名和电话号码, 所以需要在视窗中定义相关的变量。详细如下。
(1) 在View类的头文件中:
public:
CStringArray m＿strArray;//存放所输入的电话本信息
CString m＿text;//存放当前一行所输入的信息
UINT m＿number;//记录所输入的电话联系人个数
CString m＿name;//记录当前行所输入的电话联系人的名字
BOOL m＿first;//初始值为真值, 表示是第一条记录, 即需要添加一个子菜单"电话本"
CMenu telephone;
(2) 在View类的源文件中对上面的变量进行初始化:
(3) 在View类中添加WM＿CHAR消息响应函数, 实现动态菜单的添加:
//如果当前按下的键是回车键, 说明某个人的人名和电话号码已经输完。如果是第一个电话号码信息, 则需要先添加子菜单"电话本"。然后再把人名添加为"电话本"菜单项, 同时把这个人的信息存放到m＿strArray中, 以便以后回显电话信息。
S4:但此时运行程序时, 动态添加的菜单项是灰色的。为什么呢?在MFC中有一个这样的变量:CFrameWnd::m＿bAutomenuEnable。如果该数据成员为TRUE (缺省值) , 程序将自动禁止没有ON＿UPDATE＿COMMAND＿UI或者ON＿COMMAND的菜单项。所以我们需要在CMainFrame类的构造函数中:m＿bAutoMenuEnable=FALSE;
S5:要把视类和文档类的头文件包含到框架类的源文件中。总结
此方法的缺点为:由于把m＿bAutomenuEnable设置为FALSE, 使得应用程序原本的菜单失去了原本的状态。
方法二:重载OnCmdMsg函数
前面两个步骤与方法一相同。
S3:在View类重载OnCmdMsg函数
总结
此方法与方法一相比:m＿bAutomenuEnable没有设置为FALSE, 使得对其它菜单项没有合作影响。
结束语
以上就是通过重载OnCommand函数或OnCmdMsg函数来实现真正的动态菜单及命令响应, 可以任意地添加子菜单或菜单项, 而不必考虑菜单项ID, 不必事先编写消息映射函数、消息映射表、消息响应函数。
参考文献
动态响应 篇9
客车车身结构设计阶段往往存在的薄弱环节, 为消除车身结构安全隐患, 解决其使用过程中出现的强度问题, 有必要对客车的强度与刚度进行一个客观评价。当车辆以某一速度驶过凸凹不平路面过程的动态激励是随时间变化的位移激励, 其经过轮胎、悬架、车架等部件传给车身。
本文以某6101型客车车身骨架为研究对象, 应用ANSYS软件, 建立其车身骨架结构有限元模型。采用客车右前轮越障来模拟客车的动态扭转工况, 位移与时间的对应关系由车辆行驶速度和路面形状共同决定。通过客车驶过正弦波形路面的方式, 分析客车动态扭转过程中瞬态响应, 得到车身危险点的位移和应力的时间历程响应。
2有限元模型建立
利用ANSYS软件, 建立某6101型客车车身骨架三维数据模型, 选择单元类型、定义材料属性、划分网格、施加边界条件。材料属性一般包括弹性模量、泊松比、密度和强度等属性。本文的研究对象某6101型客车的车身骨架与车架的零部件的材料都是钢材, 为线性各向同性材料, 其相关参数见表1。
基到计算成本及硬件条件考虑, 在客车有限元模型建立过程中, 忽略了蒙皮对车身结构分析的影响, 主要选用铁木辛柯梁单元 (Beam188) 离散车身骨架结构。其中, 本文选择矩型和槽型两种截面类型, 共定义了九种截面, 具体截面类型参数如表2所示。
对于布置于客车底架上的各总成部件, 如发动机总成、储气筒、变速器、燃油箱等, 本文将其简化为集中载荷, 按实际位置及各位置施加于底架相应的节点上。最终建立了某6101型客车的车身骨架有限元模型, 如图1 所示。其中, 包括节点共2302个, 单元共2 360个。
3动态扭转工况
3.1工况描述
本文采用客车右前轮越障来模拟客车的动态扭转工况, 位移与时间的对应关系由车辆行驶速度和路面形状共同决定。假定该客车以40 km/h速度驶过正弦波形路面。具体描述:客车右前轮通过的正弦波形凸出路面 (半波长为1 米, 波高为0.2 米) , 0.045 s达到路面波峰, 0.09 s通过障碍物。在此过程中, 其余三个车轮始终位于水平的路面上。对该工况施加的动态载荷, 在客车底架的悬架安装点施加随时间变化的位移载荷。正弦波形路面对车身的载荷输入简化为有限元模型的位移约束时间历程, 如图2所示。
在此工况下, 车身骨架主要承受右前轮与地面的接触点在垂直方向上的位移变化而引起的动态扭转载荷。
3.2载荷步划分
在瞬态分析中, 采用多载荷步定义加载历程。根据已知参数, 将整个瞬态越障动态扭转过程用6个载荷步表述。在每个载荷步中, 如表3所示。
对某6101 型客车右前轮的悬架安装点施加相应的位移载荷, 约束其余三个车轮悬架安装点的自由度。
4计算结果及分析
本文选取某6101 型客车前围 (31 节点) 、后围 (80 节点) 、右侧围 (1808 节点) 、左侧围 (824 节点) 、车顶 (520 节点) 、底架 (1037 节点) 等车身六个测点位置图。六个危险测点的位移时间历程响应曲线, 如图3、图4以及图5所示。
选取车门两个对角点 (车门右上角点、车门左下角点) 位移及位移差。其中, 在X方向的位移时间历程曲线 (见图6) , 及其两点位移的差值 (见图7) 。Y方向的位移时间历程曲线 (见图8) , 及其两点位移的差值 (见图9) 。
由上图可知, 车门两个对角点各测点位移比较小, 均未超过15 mm。因此, 该车身满足刚度要求。
某6101型客车车身最大应力的时程曲线, 如图10 所示。从上图可知, 其最大应力发生在0.04 s~0.05 s之间, 故提取0.045 s时刻的动态响应结果予以分析。
本文选取0.045 s时刻, 车身Y向位移云图 (见图11) , 车身Y向速度云图 (见图12) , 车身Y向加速度云图 (见图13) , 其最大值均出现在车门位置。
当0.045 s时刻, 车身的最大应力 (见图14) 出现在前围, 达到130 MPa, 但仍小于材料的屈服强度。因此, 该客车结构设计是安全的。
5结论
通过瞬态响应分析模拟了客车右前轮越障的动态扭转工况, 获取了某6101型客车车身骨架任意一点的位移和应力变化情况, 为进一步改进车身结构, 克服薄弱环节提供了理论依据。
研究表明, 动态扭转工况, 在0.045 秒时最大应力达到130 MPa, 小于材料屈服强度。因此, 某6101型客车结构是完全安全的。
参考文献
[1]陈家瑞.汽车构造 (下册) [M].北京:机械工业出版社, 2001, 392-412.
[2]陈阳.客车车身的动态响应及可靠性分析[D].东北大学硕士学位论文, 2009.
[3]胡方勤.半承载式客车车身骨架有限元建模分析[D].合肥工业大学硕士学位论文, 2007.
[4]博嘉科技.有限元分析软件——ANSYS融会与贯通[M].北京:中国水利水电出版社, 2002, 45-210.
动态响应 篇10
一阶直流动态电路的响应, 根据换路后是由外加激励还是动态元件的初始储能产生的, 分为三种情况。一种是换路后, 仅有外加激励作用下的零状态响应;一种是换路后仅有动态元件的初始储能产生的零输入响应;还有一种是换路后由外加激励和动态元件初始储能共同作用下的全响应[1,2]。对于这三种响应的数学分析, 可以用微分方程法或三要素法求解得到所有响应精确的数学表达式[3], 但数学表达式对于三种响应的实质以及变化规律体现的并不明显。通过Multisum对三种响应的仿真, 不仅有助于对数学理论知识的巩固, 而且有助于对一阶动态电路过渡过程相关知识点 (譬如时间常数对过渡过程长短的影响等) 的理解。
2 Multisum主要功能及特点[4]
Multisim是加拿大IIT公司推出的电子线路仿真软件EWB的升级版, 它把电路图的创建、电路的测试分析和仿真结果等内容集成在一个电路窗口中。Multisim的元器件库提供了数千种类型的元器件, 其中的虚拟元器件可根据需要任意修改元件参数。Multisim还提供了众多的虚拟仪器, 如示波器、波形发生器等, 其功能与实际仪表相同, 可方便地进行电路的仿真测试分析。Multisim的电路分析功能十分强大, 能进行直流工作点分析、交流分析、傅里叶分析等多种分析。利用Multisim强大的仿真功能, 对动态电路过渡过程的分析是一条行之有效的思路。
3 一阶直流动态电路的三种响应及其仿真
一阶动态电路根据所含动态元件 (L或C) 的不同, 分为一阶RC动态电路和一阶RL动态电路, 两者在分析方法上具有很强的对偶性[1,2], 所以我们着重介绍RC一阶动态电路的三种响应及其仿真。
3.1 零输入响应与零状态响应及其仿真
由于RC电路的时域响应, 一般都是短暂的一次过渡过程。为了便于观察过渡过程中零输入响应与零状态响应的变化规律, 采用周期变化的方波电压作为电路的激励电源, 以便使过渡过程重复出现 (如图1所示) 。只要方波电压的半个周期T/2 (也就是信号作用的时间) 大于过渡过程的持续时间, 则方波输出Us=0时, 其所在电路部分相当于一条短路线, 此时电路为零输入响应, Us≠0时, 就相当于电路的零状态响应。
图2 (a) 为图1的仿真电路图, 其中信号发生器XFG2设置为方波 (占空比duty cycle为50%) , 频率100Hz, 幅度 (ampulitude) 为5Vp。从仿真图中可以看出以下几个知识点:
3.1.1 种响应的变化规律
图2 (b) 为R=2K, C=200nf=0.2u F, 即时间常数τ=RC=0.4ms的波形图。由于方波电压的半个周期时间为t=1/2f=0.005s=5ms>>τ=0.4ms, 所以, 从图中很明显看到零状态响应 (Us≠0期间) 和零输入响应 (Us=0期间) 的过渡过程皆早已结束, 电路处于新的稳态, 零状态响应电容两端的电压按照指数规律增长, 最终充电完毕约为电源电压10V;零输入响应电容两端的电压按照指数规律衰减, 最终趋向于0V。
3.1.2 间常数τ与过渡过程长短的关系
当外加激励不变, 改变电路中电容或电阻的参数, 譬如将电容的值增大为C=2μF (τ=RC=4m S) , 则仿真的波形如图3 (a) 所示。从图中可以看出零状态响应, 在方波下降沿到来时, 电容两端电压远小于外加激励10V, 过渡过程没有结束。同理零输入响应电源上升沿到来时, 电容两端电压值远大于0, 电容也没有放电完毕。这充分说明时间常数增大, 过渡过程变长。
当继续增大时间常数, 大约τ≈ (3~5) T/2 (C=7.5μF, τ=RC=15ms) 得到如图3 (b) 所示波形, 很明显, 过渡过程远没有结束, 两种响应波形近似为直线, 体现了电容充放电很慢, 过渡过程更长, 输出几乎为三角波, 近似为输入方波信号的积分, 所以当RC电路的时间常数很大时, 输出信号取自电容两端的电路工程上又称为积分电路。
若再继续增大R或C值, 使τ值增大到约为信号持续时间的10倍时, 此时若从电阻两端输出信号, 可以发现电阻两端电压波形几乎与输入信号重合, 即uR=uS, 也就是的电路工程上称为耦合电路。反之在时间常数很小的情况下 (信号持续时间约为10倍的τ值) , 输入为方波, 仍从电阻两端输出信号, 可以发现输出信号波形形成尖脉冲, 电容充放电非常快, 输出近似为输入的微分, 即工程上的微分电路。这两种电路读者可以自行仿真。需要注意的是输入信号和示波器要共地[5,6]。
3.2 全响应及其仿真
全响应的仿真电路如图4所示, 若开关J2先接在V2 (或V1) 端, 处于稳定后, 电容两端具有一定的初始值3V (或6V) , 再将开关合到V1 (或V2) 处, 此时电容两端输出信号是由电压V1 (或V2) 和电容的初始储能共同产生的, 仿真波形如图5所示。其中AB段表示的是开关J2先接在V2且处于稳态, 将游标1定位在AB端, 从窗口中的坐标读出此时电容两端电压为3伏;B点时刻开关动作合到6V电源V1处, BC段波形表明换路后, 电容两端电压从初始值3V被充电, 其波形按照指数规律增长到新的稳态值, 将游标2定位在图中所示的稳定处, 从窗口中的坐标读出此时电容两端电压为6V, 正好等于外加激励值, 电容充电结束;C点时刻则表示开关由电源6V处动作合到3V电源处, 此时电路中的响应也是有电容新的初始值 (6V) 和电源 (3V) 共同产生的全响应, CD段波形表明换路后电容两端电压从初始值6V放电, 其波形按照指数规律衰减到新的稳态值3V, 过渡过程结束, 之后DE段重复AB段。由此波形分析得到全响应的变化规律:总是从初始值开始, 按照指数规律过渡到稳态值 (初始值>稳态值, 按照指数规律衰减;初始值<稳态值, 按照指数规律增长) , 过渡过程的长短和零输入、零状态响应一样取决于电路的时间常数, 在此不再累述。
4 结束语
一阶动态电路过渡过程的分析就是要分析三种响应中电压与电流的变化规律, 以及影响变化规律的参数。通过本文中Multisum的仿真波形, 可以形象直观地观察到三种响应的变化规律以及时间常数的大小对过渡过程长短的影响。不仅如此, 对于外加非线性激励的一阶动态电路, 采用数学微分方程求解的方法则变得更为繁琐, 但若用Multisum仿真, 则跟本文中一样, 简便、快捷、形象直观[7]。
摘要：一阶直流动态电路是电路理论中的重要内容, 其三种响应会随着电路时间常数的不同而表现出不同的特性。该文利用Multisum强大的仿真功能, 对三种响应在不同时间常数情况下的输出信号进行仿真, 从中观察分析三种响应的其变化规律以及时间常数的大小对过渡过程长短的影响, 有助于对一阶动态电路过渡过程的理解。
关键词：一阶动态电路,三种响应,时间常数,变化规律,过渡过程
参考文献
[1]邱关源, 电路[M].5版.北京:高等教育出版社, 2006.
[2]李瀚荪.电路分析基础[M].4版.北京:高等教育出版社, 2006.
[3]戴继生, 陈晓平.一阶动态电路暂态分析的教学方法探讨[J].中国电力教育, 2012.9 (17) :56-57.
[4]聂典.Multisim 10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京:电子工业出版社, 2009.
[5]邢晓濬.RC一阶电路的实验设计方法研究[J].电气电子教学学报, 2012, 12 (6) :69-71.
[6]李彩萍.李乐生.方波激励下一阶RC电路响应的研究[J].数字技术与应用, 2011 (11) :106-108.