设备仿真（精选9篇）
设备仿真 篇1
0 引言
云计算技术已经成为信息化发展的方向[1]。它可以运用虚拟化技术将系统的运算任务提交到云服务资源池中, 运用软件自动管理各种系统应用所需要的存储空间及信息服务[2,3,4,5], 从而降低信息化所需的成本。
目前, 特种设备行业已广泛运用有限元分析技术分析特种设备检验、评估过程中所发现的结构强度、刚度及稳定性方面的问题[6,7,8]。有限元分析手段可以完成许多现场测试无法解决的问题, 还可以节省高昂的实验费用, 可以为应力测试提供合理的布点方案, 提高检验、评估工作效率。但是有限元分析的应用受到很多条件的限制:1) 有限元分析工作需要有高性能计算机和专业分析软件的支持, 而高性能工作站和专业分析软件的购置费用较高;2) 很多企业只是临时需要进行某一特定问题的分析。因此, 建立一个能有效提高工作站及有限元软件使用率、能异地调用工作站及分析软件的特种设备仿真、分析的云平台很有必要。
1 特种设备仿真云平台构建方案
广州市特种机电设备检测研究院仿真分析与风险监测研究室现有3台服务器和6台高端图形工作站。其仿真云平台构建思路是:整合高端图形工作站, 部署仿真云平台虚拟应用模块, 集成工程仿真计算软件的前后处理模块以及设计类软件, 实现应用软件的远程调用和管理, 并与集群计算平台整合成为一个统一的计算资源管理平台, 如图1所示。
平台构建流程如图2所示, 其实现步骤:
1) 根据现有图形工作站设备, 通过网络改造、系统优化等技术手段构建一个高性能计算 (high performance computing, HPC) 集群及虚拟化环境。
2) 整合部署相关仿真应用软件, 将仿真工具整合成“企业云”中的在线资源。
集成部署ANSYS、ALGOR、Nastran、n Code等相关求解器, 高性能计算硬件资源、整合高端图形工作站、高速互联网络资源。以Web服务或瘦客户端的形式提供给仿真分析人员, 从而实现将传统的仿真软件工具发展成为“企业云”中的在线计算资源, 形成统一的高性能计算管理平台。统筹调度工程计算软件中的求解器模块, 以大幅提升高性能计算资源的易用性, 促进高端图形工作站的高效共享, 从而有效提高仿真计算工作效率。
3) 封装仿真调用接口, 为仿真人员提供实时在线的仿真计算服务。
仿真云平台可以集成数值仿真软件并进行调用接口封装工作, 将其从固定化软件工具转变成为实时在线的仿真计算服务资源, 方便用户即需即用。平台可以有效整合硬件集群、仿真软件等计算资源, 同时提供简洁、方便的操作界面与管理接口, 为计算用户提供直观便捷的计算服务, 从而使工作站先进计算能力得到充分的发挥。通过仿真云计算平台实现集群计算和三维应用的管理、调度和使用。
4) 在平台内处理实际使用、现场试验及数值模拟结果, 实现特种设备生命周期管理。
仿真云平台能实现与产品生命周期管理系统进行信息双向交互功能, 建立特种设备安全运行履历, 结合特种设备的使用履历, 建立完整的特种设备健康运行记录, 为后期分析研究工作提供参考。仿真云平台可以处理大量的分析数据, 将每一次试验及仿真分析的结果提交到平台上, 为特种设备建立安全运行档案。真正做到将CAE计算融入特种设备安全管理流程中, 形成资源、数据、流程的高度整合与统一, 指导特种设备检验及使用。
2 云平台的功能
本仿真云平台最终目的是建立一个方便可靠的平台来进行特种设备有限元分析工作。工程仿真软件的模块可分为两大类:求解器模块和前后处理模块。求解器模块主要采用迭代算法进行求解计算;前后处理模块主要是进行人机交互。这些模块都需要进行许可证的调用才能正常使用, 因此云平台的建设要处理好许可证的调度与监控, 使仿真分析软件能正常地在平台上运行。
仿真云平台可实现如下功能:
1) 集群计算
建设一定规模的HPC集群, 部署云平台集群计算模块, 集成相关求解器, 形成统一的高性能计算管理平台, 统筹调度工程计算软件中的求解器模块, 有效提升软硬件利用率, 合理分配仿真分析工作。
2) 虚拟应用建设
将整合后的高端图形工作站部署于仿真云平台中, 并集成工程仿真计算软件的前后处理模块以及设计类软件, 从而实现应用软件的远程调用和管理, 并与集群计算平台整合成为一个统一的计算资源管理平台。实现仿真分析人员异地办公, 方便地向特种设备使用单位展示分析成果。
3) 大数据处理
整理现场安全监测、试验及仿真分析的结果, 形成特种设备安全运行履历, 从而达到指导特种设备使用及维护, 保证特种设备使用安全的目的, 真正将云计算与物联网相融合的技术应用到特种设备中。
3 云平台对特种设备安全监控的意义
本仿真云平台目前是国内第一个针对特种设备仿真分析而建立的云平台。该仿真云平台可以弥补特种设备数值仿真计算的资源瓶颈, 整合仿真计算资源, 提高数值仿真工作效率, 有效提升特种设备安全评估中的数值仿真能力, 便于特种设备安全管理和安全监测数据的处理及应用。
本云平台真正实现了软硬件资源的共享, 平台允许多用户同时使用, 可以集中硬件设备完成超大规模的计算, 提高分析效率及资源使用率, 从而节省软、硬件资源购置费用, 有效减少特种设备仿真分析上的投资及维护成本, 为特种设备安全管理部门带来实实在在的利益, 也有效保护了特种设备使用单位的资产安全。
本云平台不仅可以提供给质监系统对仿真计算有需求, 但软、硬件设备不足的部门进行分析计算, 同时也可以开放到行业外租借给其它需要进行仿真分析的企业使用。
4 结论
本文研究了一个适合用于特种设备有限元分析的仿真云平台的构建方案及实际意义, 提出了一个云计算在特种设备中的应用形式:将云计算模式应用于特种机电设备的仿真分析工作中, 将多学科仿真计算、高性能集群计算管理、高清三维应用虚拟化、软件许可证管理等IT技术高度融合, 全方位管理计算资源, 为特种设备的检验工作和安全使用提供指导及意见。
虽然平台建设工作中还存在一些尚待完善的问题, 但将云计算引入到特种设备安全控制中, 让云计算技术为特种设备安全运行提供服务的思路可以为其它领域的安全管理提供借鉴作用。
摘要：为实现特种设备仿真分析软件的远程调用和管理, 提高工作站和服务器的使用效率, 建立一个特种设备仿真云平台很有必要。介绍一个特种设备仿真云平台的搭建方案:首先构建一个HPC集群及虚拟化环境, 然后部署仿真应用软件, 再封装仿真调用接口。分析了该云平台对特种设备检验、评估工作的意义。实际使用情况表明:特种设备仿真云平台能够为特种设备检验带来极大便利, 可以更好地指导特种设备的使用及维护, 保证特种设备使用安全。
关键词：仿真云计算,特种设备,有限元
参考文献
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设备仿真 篇2
作者/张华 古思会
摘 要：当前企业的IT设备越来越多，维修费用也越来越大，对员工的素质、速度等要求也越来越高，企业通常选择外包，外包价格根据经验估算并没有较科学的计算。通过蒙特卡洛方法，对三个主要因素仿真，得出维修的外包指导价格。
关键词：设备维修;外包;蒙特卡洛;仿真
信息化的发展催生大量的IT设备，频繁及专业的设备维修使信息部门疲于应对而无法专注管理应用的提升，利用科学的方法计算合理的价格选择服务外包是较好的应对方法。
一、公司情况简介
A公司为集团本部，负责管理属下企业开发、生产和销售药品，品种达4000多种，销售额为77亿，员工约5000人。公司从使用ERP管理生产、销售、采购等业务，搭建以集团为中心的城域网，更实施了OA系统、BI系统，紧接着的几年，继续投入存储备份、上午行为、防病毒、CRM、电子商务等系统，IT设备增多。
二、面临的问题
随着公司ERP、OA等系统不断融入企业采购、生产、销售等方面运作，IT设备也从仅有的几台PC机到30多台不同类型的服务器、专业空调、网络设备。当前，大部分设备维修期满后自行维护，对人员技术要求较高且修复速度无法保证。
然而，企业信息部门的重要职责为系统应用管理提升、维修等与业务低融合度的项目应该外包。但究竟哪个划算?依据是什么?
三、基础数据的收集和分析
因IT设备众多无法对所有设备和因素加以考虑，为简化仿真过程仅以一台维修次数较多的设备作为研究对象。数据收集内容包括维修处理流程，维修记录，其他费用。
维修流程：发现故障，员工3小时内解决;否则付费维修，1天内500元，2天1000元，3天及以上则为1500元。
因交通费、通讯费、工具材料费等金额不大并不具代表性，本仿真中仅以具有代表性的三个项目考虑：
1.人员工资
工资=8000元/22天/8时，约为52元/时。没有加班工资，外部维修时本公司需协助的时间=维修时间，随机发生。
2.维修费用
自我维修1~3小时，外部维修费用为0;维修费用为500元/时，工作时间为3~8小时;维修费用为1000元时，工作时间为8~2*8小时;维修费用1500元/时，工作时间为2*8~3*8小时，当超过3天，通常设备外送维修，内部员工极少协助，工作时间=2*8~3*8小时即可。每次实际解决故障的.工作时间为相应范围内的随机数。
3.历史故障发生时间和外部维修费用
表1为该设备历史故障发生的时间和外部维修费用、餐费。
表1 设备维修费用及餐费情况表
由表1得出下图可看出故障发生的时间和费用随机分布，波动范围很大。
4.餐费
为保证业务运转设备维修通常在非工作时间。按公司规定可报销额度为350元/次的餐费。从表1可得到表3，其中0为不报销，1为报销。餐费为18~350元的随机数。
四、蒙特卡洛仿真
维修时间为随机数;维修成本和间隔时间、餐费都是随机变量且分布已知。该服务有3个不可控的输入变量：维修费、工资、餐费;按历史维修记录得出维修费用分布。餐费是随机变量，餐费可能为0，否则介于18与350之间。
1.输入已知数据和概率
在Excel输入全包维修报价、维修费、餐费报销概率分布上下限。在单元格B5输入全包维修报价800元，在单元格B6输入工资/小时，在单元格B10：B13中输入维修费的可能值及对应随机数区间的上下限。在单元格G10：I11输入餐费的概率分布上下限(0不报销，1报销，报销金额为18到350之间的随机)。
2.生成一系列随机数，得到不可控输入变量的抽样值
用单元格B18、C18、D18、F18、H18、K18分别表示维修费、工资、工作时间、是否报销餐费、餐费、总费用的一组抽样值。
(1)生成外部维修费抽样值
单元格B18：B1018中产生1000个维修费用的抽样值，在单元格B26中输入公式：=VLOOKUP(RAND，$B$10:$D$13，3)得到按正态分布的维修费抽样值，将上述公式复制到单元格B19：B1017，得到另外999个服从B10:D13分布的维修费用的抽样值。
(2)生成工作时间和工资费用抽样值
工作时间是随机值，与维修费用密切相关，因此，可计算出工作时间乘以52元/小时即可得出工资的随机数，在单元格D18输入公式：“=INT(IF(B18=0，1+(3-1)*RAND()，IF(B18=500，3+(8-3)*
RAND()，IF(B18=1000，8+(2*8-8)*RAND()，IF(B18=1500，2*8+(3*8-2*8)*RAND())))))”得出工作时间随机数，其中IF(B18=0，1+(3-1)*RAND()为自我维修时间，随机发生在1到3小时内，B18=0即维修费用为0;RAND()为随机值;IF(B18=500，3+(8-3)*
RAND()为1天内外部维修的随机工作时间;IF(B18=1500，2*8+(3*8-2*8)*RAND()为3天外部维修的随机工作时间。并对工作时间取整。将该公式复制到单元格D19：D1017得到另外999个工作时间的抽样值。工资费用为52元/小时*工作时间，即C19=52*D19。
(3)生成餐费及餐费抽样值
在单元格G18：G1018中产生1000个餐费的抽样值，产生方法为在G18：G1017输入公式“=VLOOKUP(RAND()，$G$10:$I$11，3)”，再在仿真结果为报销餐费(值为1)时，在18到350间产生一个随机数，即在I18：I1017输入公式“=INT(IF(G18=1，18+(350-18)*RAND()，0))”。
(4)总维修费用
即维修费用+工资+餐费，因此，在K19：K1017输入公式“=B18+C18+H18”得出每次仿真的总费用。
3.统计分析
(1)平均总维修费用
用单元格K1020表示平均总维修费用，输入公式：=AVERAGE(K18:K1017)，可见平均总维修费用在1100元/次左右，与原维修费用相差很大。
(2)平均总维修费用标准方差
反映不同抽样值下总维修费用的差异，当差异较大时说明费用变化幅度较大时常用标准方差描述变化的大小。用单元格K1020表示总维修费用的标准方差，输入公式：=STDEV(K18:K1017)。平均方差为944左右，结果表明总维修费用波动范围较大。
(3)超过外包费800元的次数：=COUNTIF(K18:K1017，″>800″)
①费用大于外包价格的次数与概率
用单元格K1024与K1025分别表示总费用大于外包价格的次数与概率，在单元格K1024中输入公式：=COUNTIF(K18：K1017，
″>800″)。从仿真结果可以看到，大于800元的次数为540次左右，概率为54%。
②最大和最小费用
反映费用的变动范围，用单元格K1023和K1022分别表示最大与最小费用，=MAX(K18:K1017)和=MIN(K18:K1017)。从仿真结果可看到费用介于52~3000元。
③占总费用的比例
用B1026、C1027、H1026分别表示考虑的三个费用对总费用的影响。公式为：=B1020/K1020，=C1020/K1020，=H1020/K1020。
五、结果讨论与分析
从仿真结果和统计数字可看到：
1.总的维修平均费用为1100元，其中维修费用620元占55%，工资37%，餐费8%。人工成本和维修费用的降低将大幅降低总费用。因此寻求外包服务可降低人工成本(不需配备维护该设备的人员，减少维修协助时间)及餐费，从经济角度上是可行的。
2.当前总维修费用1100元/次较高，超出外包费用800元/次，发生概率54%，因此，降低工资提高维修费用总成本将更低。也可增加技术人员提高自行维修几率以减少外部维修费用。
六、决策建议
综上所述，提出如下结论与建议：
1.每次800元的外包服务比当前的总费用1100要低，因人员占总费用比例大，当员工兼任其他工作并有空余并技术能够匹配时可保持现状，因为工资固定，总成本=620元维修费+80元餐费，仍比800元的外包费用要低100元/次。
2.当员工工作饱满或者工作空闲可解雇时，外包可降低人员成本，使维修费用维持在800元/次的水平。
仿真结果表明，虽然平均支付的外部维修费用增加180元，但人工成本几乎为0，因此外包更划算。实际上人员工作已饱满，外包既保证响应速度，又降低费用，在考虑人工、维修费用、餐费这三种影响因素的情况下，外包费用为800元/次是划算的。
参考文献：
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设备仿真 篇3
关键词：保温时间 升降温时间 热平衡时间 温度场 数值仿真
中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0042-03
过保温会引发设备相关结构部件的尺寸和形状产生热变形误差，产生机械故障而使其性能下降和使用寿命降低。国军标GJB150A[1]、美军标MIL-STD-810F[2]和英军标DEF 07-55[3]提出用直接测量法来确定设备在高低温环境中适应能力。但人工测量费时费力，若采用放置温度传感器的方法，对不同结构的设备，复杂程度不同。若要求精确得到试验温度稳定时间，对温度传感器数量的确定、放置位置的细化选择是否科学合理（包括能否放置进精密仪器内问题、放置后对试验的影响、舱门和箱盖能否关闭）等多种问题可能同时存在。GJB150的修订版GJB200X[4]强调新的设备环境试验标准在试验程序的选取和试验方案的制定上的剪裁性。目前国内对温度试验技术及温度环境对设备影响的相关研究还不够全面。若要在试验前确定试验温度稳定时间，目前尚无结构模型可以衡量，也无基础性科学研究和理论数据支撑。
1 数值仿真研究
1.1 数学计算分析[5]
（1）内部微分方程，非稳态、具有内热源的设备内部导热微分方程为：
式（1）中：T=T（x，y，z，t）（K）为热力学温度分布函数；t（s）为时间；λ（W/（m·K））为微元材料的导热系数；微元材料单位质量定压热容为（J/（kg·K））；微元物质的密度为ρ（kg/m3）；（W/m3）为微元单位体积的热生成率。由式（1）可知，发生导热过程的设备内任意一点的温度随时间和空间的变化取决于其各部分材料的导热系数、比热容、密度和热生成率。
（2）外部微分方程，武器装备外表面与试验箱内空气之间通过对流和辐射方式进行热交换，属于第三类边界条件，换热规律表达式如式（2）所示：
为外表面法向的单位矢量；α（W/（m·K））为外表面与试验箱内空气之间的对流传热系数；（K）为试件外表面的热力学温度；（K）为试验箱内空气热力学温度；ε为系统黑度，亦称辐射系数；（W/（m2·K4））为波尔兹曼常数，其值为5.67×10-8；为辐射角系数即形状因子。
（3）有限元矩阵，在有限元热分析系统中，热传递温度场控制方程见式（3）：
式（3）中：[C]为比热矩阵；{}为节点温度的时间导数；{T}为节点温度向量；[K]为有效传导矩阵；{Q}为有效的节点热流率向量。根据式（3），再根据边界条件和初始条件，可在数值分析软件中求出温度试验时试件温度场的有限元近似解。
1.2 研究对象及模型建立
通过查阅国内外近几年来的相关技术资料[6-9]，了解温度场机理、工作流程及步骤。结合几种典型武器装备，建立可调整结构模型，仿真分析主要从以下几个方面进行。
（1）材料设置，炮体选用52Mn，精密电子仪器部件可简化为灌封材料聚氨酯、高频线路板，材料属性可查。
（2）边界条件，初始温度设置为室温25 ℃。为保证足够长的计算时间使所有位置温度达到平衡，经试算确定模型外表面温度加载历程如图1所示。
按照实际试验曲线，当空间温度达到30 ℃时，保温20 h；再经过升温到60 ℃，保温30 h。
（3）仿真建模及测点分布，为证明开展“基于有限元分析软件的武器装备温度场数值仿真研究”的可行性，该报告以两种结构方舱为例进行模型建立和布置测点，如图2、3和4所示。
图2为简单结构方舱有限元模型及温度测点位置示意。从测点1到测点6沿右侧方舱壁—空气—左侧方舱壁的途径横贯整个简单结构方舱中部。
图3为复杂结构方舱模型及温度测点位置示意。空气测点位于模型中央处，电路板在模型内部，外部不可见。
图4为精密电子仪器部件测点位置分布示意。精密电子仪器部件装载在各个薄壁箱体中，聚氨酯为填充材料，电路板为主要组成部分，温度测点位于箱体中部。
2 计算结果
2.1 简单结构方舱
简单结构方舱部分时刻温度场云图如图5，各测点温度历程曲线如图6。
结果分析：简单结构方舱模型靠近箱体壁面的测点1和测点5最先达到温度平衡，加载30 ℃时，10 h后所有节点温度都已在29.2 ℃以上，之后缓慢进入平衡状态；温度加载60 ℃时，10 h后所有温度在59.3 ℃以上，之后缓慢进入平衡状态。
2.2 复杂结构方舱
复杂结构方舱部分时刻温度场云图如图7，各测点温度历程曲线如图8。
结果分析：模型2中线路板测点离上箱面较近，加载30 ℃时，线路板测点1、2、3、4在2.83 h时温度已达30 ℃，随后0.5 h内，所有线路板测点温度达到平衡温度30 ℃；加载60 ℃时，5 h后线路板测点1、2、3、4达到平衡温度60 ℃，随后1.5 h内，所有测点达到平衡温度60 ℃。模型2中空气测点加载30 ℃时18.8 h温度平衡，加载60 ℃时，28 h后温度平衡。
3 结语
为对武器装备建立某种可调整结构的有限元模型，在试验前与主持单位及厂家进行曲线合理性分析，解决温度场分布及热应力应变场分布问题。该文以上述两种结构方舱的散热设计分析为例，进行数值仿真分析，结果表明：在温度变化情况下，试验线路板部件等重要测试部件内部会产生热应力、应变，是其结构破坏的重要影响因素。后期若进一步研究，可以此次分析模型温度场结果为边界条件，进行线路板或线路板安装的子模型热应力耦合分析，得到详细温度加载过程热应力应变结果，进一步对其结构稳定性进行评估。
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设备仿真 篇4
推进剂加注设备是火箭发射系统的重要组成部分,操作、维修人员的业务水平对火箭发射活动具有重要影响。操作失误和维修不当轻则造成设备故障,延误发射,重则引起推进剂泄漏事故,造成人员和装备损失。利用虚拟现实技术进行加注设备装配操作训练,有助于操作和维修人员熟练地掌握加注设备的操作和维修技能,避免利用实际加注设备进行训练的种种限制。本文研究加注设备虚拟装配仿真训练系统的开发过程。
1 系统功能和技术框架
加注设备虚拟装配仿真训练系统具备以下三项主要功能:
1) 加注设备基础知识学习功能。
以帮助文档和虚拟场景相结合的形式讲解加注设备的功用、结构、原理、操作使用和维护修理等知识。设备知识包括系统级和部件级两个层级。系统级知识的学习在完整的加注设备虚拟场景中进行,用户进入场景“实地”观察系统构成、设备功用与布置、管路走向等,并可通过弹出菜单项选择进入相关帮助文档,学习系统工作流程、操作使用方法和维护修理知识。在系统级虚拟场景中可点选重要设备进入部件级学习,部件级学习在单个设备虚拟场景中进行,可观察各设备的三维实体结构和装配关系,也可选择进入相应帮助文档,学习设备的工作原理和使用维护方法。操作、维修人员通过这些知识的学习,获得加注设备工作原理和操作维护的基本知识。
2) 加注设备装配模拟训练功能。
以动画演示和虚拟交互操作相结合的形式练习加注设备的拆卸和装配工艺过程。在系统级虚拟场景中,可以选择观摩零部件更换和维护保养演示,这种演示为顺序动画形式,用户不能干预或参与装配;也可选择交互拆装操作,用户可通过鼠标、键盘对设备进行选择、旋转、拖动和释放,进行零部件更换和维护保养的操作训练,此时用户完全自主拆装。用户还可点选重要设备进入单个设备的拆装训练环境,同样可选择观摩单个设备的拆装演示或自主进行设备的交互拆装训练,此时可将设备完全拆卸成零部件。通过交互拆卸和装配训练,用户可熟悉设备拆装的工艺流程。
3) 加注设备装配工艺规划。
以装配工艺规划算法[1]为基础,提供拆装序列规划、路径规划和特定故障拆装训练平台。针对加注设备的特定故障,用户可通过此平台拟定维修方案并进行维修训练。当某设备发生故障后,维修人员初步确定拆卸的方案(通常只需拆卸少量零部件),再利用此平台规划拆卸序列和路径,得出最优的拆卸工艺方案。再以此拆卸工艺方案为基础,生成操作、维修综合实验环境,人员通过此环境,针对具体的故障和维修方案,采用最优的装配工艺进行拆装训练,有针对性地获得特定故障的维修技能,提高维修的工作效率。
图1所示是推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的技术框架,分为界面层、应用层和支撑层三部分。界面层是对仿真应用的集成和调度,实现用户功能,并为用户提供友好的操作界面。应用层是面向特定需求的仿真实现,通过设备知识的搜索和综合、装配过程仿真和装配工艺规划三部分实现加注设备知识学习、拆装过程演示和交互操作、拆装工艺方案规划和训练环境生成等核心功能。支撑层包括仿真应用所需的三维模型和数据库、系统开发和运行所需的支撑软件等。
2 建立三维实体模型
为实现装配仿真训练系统,首先要建立加注设备的几何模型,模型必须真实地表达设备的结构,即模型尺寸要准确,配合间隙要精确,装配关系要与实际相符,而且外观必须逼真。本文选用Autodesk Inventor建立加注设备的几何模型,它基于特征进行参数化的实体造型,建立的模型既有直观的外形,又有精确的尺寸配合。
加注设备包括各种管道、阀门、泵、推进剂贮罐和操纵台等,使用Inventor建模[2],首先根据零件的尺寸参数,画出零件的特征草图,然后使用特征操作,如拉伸、旋转、扫掠、阵列等构建出零件的几何特征。当建好设备的所有零件几何模型以后,通过各种约束,如配合约束、角度约束、相切约束等约束零件间的相互位置关系,组成设备的整体模型。如图2所示是的安全阀的几何建模过程。
建立好各种分离设备的几何模型后,根据加注设备真实连接关系组合成系统模型,利用Multigen Creator[3]进行渲染,构建加注系统各工作区域场景,如图3所示为泵房和罐室场景。
3 加注设备的装配仿真
装配仿真是加注设备虚拟装配训练的核心功能,本文采用VP[4]进行仿真开发,在VP中通过对场景(scene)、观察者(observer)、观察通道(channel)、环境变量(environment)、运动方式(motion)等参数进行设置,构建推进剂加注设备装配仿真的虚拟环境。利用VP所提供的功能模块和程序开发接口,实现加注设备的装配过程演示和交互装配操作。
给模型设定一系列的路径控制点,通过路径控制点控制模型在通过此路径控制点时的位置、姿态,然后利用导航器Navigatror连接路线中的各个散布控制点,形成一条完整的运动路径,模型可以自动地按照指定的运动路径在场景中运动。通过对PathNavigator中的setStartDelayTime,setKinematicstate等参数的设定,确定零件拆卸的先后顺序和拆卸动作的快慢。对点的位置或拆卸时间等参数进行修改,可以改变拆卸过程演示方案。图4(a)所示是电磁阀的拆卸演示过程。
通过鼠标的拖动改变零件在场景中的位置,来实现装配的交互操作。首先获取鼠标在计算机屏幕上的位置坐标(x,y)和零件的三维空间位置坐标(x',y',z'),并通过设置观察者坐标和姿态,获得装配场景的正视图,用鼠标的(x,y)坐标来改变零件的(x',y')坐标值,然后切换到装配场景的侧视图,固定零件的x',y'的值,利用鼠标的x坐标信息来改变零件的z'坐标值,实现零件的拖动。如图4(b)所示是球阀的虚拟交互装配的过程。
4 装配工艺规划
装配工艺规划针对特定的加注设备出现的特定故障,分析修理过程中的拆卸和装配方案,并通过对不同装配方案的比较,得出最优的装配方案,为维修工作提供指导。装配工艺规划分为装配序列规划和装配路径规划。
4.1 装配序列规划
装配序列规划[6]即产生一个装配顺序,在经济最优化的前提下,把分离的零件装配在一起,形成目标产品。
本文采用的装配序列规划原理为:采用联结图法建立加注设备的装配模型,表达零件的装配信息。采用子装配体的概念对装配模型进行简化。然后利用零件间的优先约束关系分析拆卸模型,建立设备的优先关系矩阵。通过对设备装配模型和优先约束关系矩阵的分析,生成设备可行的拆卸序列。采用遗传算法对设备的拆卸序列进行优化,优选出最佳的装配序列。
对图5所示的闸阀进行装配序列规划,得到一组最佳拆卸序列为:1,6,2,3,7,9,10,8,4,5,11。
4.2 装配路径规划
装配路径规划[5]就是寻求一条装配零件从装配起点到装配目标点的空间运动无碰路径。本文采用粒子群优化算法进行装配路径规划。图6是在有三个障碍物的空间中,采用粒子群优化算法从起点S到终点T寻找的一条最短无碰路径,路径长度为205.945。
5 系统开发
本文利用VC++2003.net编程实现仿真训练系统界面程序[6],通过进程调用的方式对各功能模块进行调度和集成,形成加注设备虚拟装配仿真训练系统。图7(a)所示是设备知识学习界面,图7(b)所示是设备拆装演示界面。
6 结论
本文设计了推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的功能和技术框架,建立了设备的几何建模,开发了加注设备的装配演示、交互操作仿真以及工艺规划模块,并对系统进行了集成。开发的虚拟装配仿真训练系统对加注设备操作和维修人员的业务学习和技能训练有重要帮助。
摘要：设计了火箭推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的功能和技术框架,建立了加注设备的三维实体模型,开发了加注设备的拆装演示、交互装配操作和装配工艺规划模块,并编制了功能模块调度与管理界面程序。设计的系统对加注设备操作和维修人员的业务学习和技能训练有重要帮助。
关键词：加注设备,虚拟装配,训练系统,设计
参考文献
[1]谢慧清.虚拟装配系统技术的研究与实现[D].兰州:兰州大学,2007.
[2]董永进.Inventor机械设计精彩实例与进阶教程[M].北京:化学工业出版社,2007.23-29.
[3]王乘,周均清,李利军.CREATOR可视化仿真建模技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2005.35-41.
[4]周玉清.城市仿真应用工具/VEGA软件教程[M].上海:同济大学出版社,67-72.
[5]张中位.基于混合遗传算法的路径规划研究[D].西安:第二炮兵工程学院,2008.
变电设备检修仿真系统的应用分析 篇5
关键词：变电检修,变电设备,仿真,培训
1. 变电设备检修仿真系统的主要功能及模块
1.1. 主要功能
构建变电设备虚拟场景需要运用到数字化建模 (即建立设备的正常、异常、故障和缺陷等三维实体模型) 技术, 模型建立质量和数量直接关系到整个系统的优劣, 本系统中对变电站的所有一次设备如变压器、断路器、隔离开关、互感器、电抗器、电容器等建立了模型, 由此形成了设备建模库, 设备库还可对各设备正常和非正常 (缺陷) 状态的具体细节进行描述。仿真系统要求能在计算机上动态模拟变电设备安装和检修过程, 并实现人机交互装配, 直观和准确地表达其内部结构、各零部件空间关系, 零部件浏览和分析、变电设备缺陷仿真、检修人员技能综合测试以及自动评分等等。系统的主要功能如图1所示。
变电设备检修仿真系统采用多媒体、三维图像仿真, 集图片、图像、图形、视频、文字等为一体, 整个变压器动态装配过程均以3D形式投影在大屏幕上, 逼真地再现变电站现场设备的动作过程和设备运行状态。
本检修仿真系统基于DirectX9.0c来构建3D图形引擎, 开发虚拟现实仿真系统, 通过MFC处理系统用户界面, 视景平台、动态装配仿真、零部件数字化建模、零部件缺陷仿真、检修技能测试等核心内容都是用C++来实现。
1.2. 功能模块
变电检修仿真中心通过VR平台, 按照仿真数据仓库中检修仿真算法, 分设备类型、生产厂家、型号建立变电设备样本模型库;模拟各类设备的常见故障和解决方案;分常规检修和故障检修两种方式模拟变电设备的检修过程。仿真中心通过算法接口和输入输出接口接收用户控制命令和返回结果数据。
检修训练中心提供人机交互环境, 用户使用各类终端设备 (鼠标键盘等) , 通过输入输出接口在虚拟现实的界面发出各类检修操作命令, 并通过算法接口与检修仿真中心进行数据交互, 完成各类训练动作的执行。为检修人员的培训提供演示和交互操作两种培训方式。
管理监控中心完成各类设备部件划分、部件逻辑关系及其拆装顺序定义和维护;故障知识库中故障现象、故障原因、检修推荐方案的定义和维护;依照《作业指导书》以及《现场作业工序工艺标准卡》等技术标准对检修流程进行设定或变更重组;并完成培训档案建立、培训题库建立、培训过程监视控制、培训过程回放、培训考核评估以及培训各类绩效指标的统计分析。它通过各类算法接口在VR平台上完成对变电检修仿真中心各类仿真模型的管理以及与变电检修控制中心培训管理人员的命令、指令、数据交互。
2. 故障分析功能
2.1. 故障信息
系统通过在线监测系统以及状态检修系统的联机分析, 对故障的信息提供从故障的设备及其故障部件、部位的外部现象、到故障的变化过程、再到故障相关各类数据的全方位支持, 为故障的分析和诊断提供从表面到数据的支持。
如变压器过热性故障, 系统除了从设备模型给出温度计的读数外, 还可以提供一个连续时间段温度的变化情况, 并且通过在线监测系统提供各时刻对应油中C2H6、C2H4、H2、C2H2, CO、CO2等气体含量数据。
2.1. 故障诊断及检修方法
系统根据故障信息, 结合状态检修系统、生产管理系统、在线监测系统的综合分析情况, 给出故障的可能原因以及对应的检修对策指导。如变压器过热性故障, 当存在C2H6、C2H4增长较快, 可能有H2和C2H2, CO和CO2增长不明显的现象, 导致该故障的原因可能就是变压器铁心短路, 在系统图形界面上就会输出铁心短路的外部状况。用户可以点击相应的检修策略指导, 系统会采用动画及互动的方式提供处理铁心短路情况的典型检修方法。
3. 变电设备仿真检修系统的特征模型
在变电设备仿真检修系统总体设计初步完成后, 即可进行特征模型设计。根据已经确定的方案和主要数据, 按技术任务要求进行。变电设备的内部结构复杂, 零部件多为不规则几何体, 要实现虚拟的装配过程必须先对基本的零件建立三维数字模型。装配之前要进行总体规划, 确定各级子装配和各零件的合理安装顺序。还要结合变电站的实际安装程序来安排虚拟场景中各零件或子装配的装配顺序。
以变压器为例说明, 本仿真系统将变压器整体结构划分为六部分:总装、油箱、绝缘、引线、铁心、线圈, 各部分通过相应的构件连接起来, 其主体结构划分如图2所示。
变压器型号用于描述实体的几何形状, 是造型中最主要的信息之一。主要参数包含变压器的额定电压, 额定容量, 连接组别, 窗体的长、宽、高等信息。部件间的装配特征用于表达变压器结构的装配关系以及在装配过程中所需信息。构件间关系具有油箱、绝缘、引线、铁心、线圈等结构间的安装定位关系等。
4. 基于虚拟现实的动态仿真流程
为了便于清楚地观察装配体结构及装配顺序, 需要增加与虚拟世界的交互功能。而动画给了人们一个巨大的空间。用户在进入装配场景后, 在任意位置点击鼠标, 动态装配过程即呈现在窗口中。基于虚拟现实技术实现动画的流程如图3。
5. 系统实现技术方案
5.1.系统拓扑结构
本系统采用B/S的体系结构, 系统的核心包含一个业务主机 (包括应用服务器和WEB服务器的功能) 和一个数据库服务器, 包含若干客户机、网络设备等等。
客户机中包括教员机和学员机, 教员机通过与业务主机的交互完成对学员机下达各类控制命令, 学员机接收并完成这些任务, 同时操作过程同样通过与业务主机的交互进行数据和逻辑的通信。
5.2. 平台软件
操作系统:根据实际选用的虚拟现实技术平台选用对应的操作系统。
数据库系统:本项目数据库系统有IBM DB2、Oarcle和MS SQL Server2005三种选择, 建议本系统采用Oarcle 9i数据库。用于提供高效、海量的数据存储, 建立数据仓库为虚拟现实技术的实现和数据分析提供基础。
中间件软件:采用JBoss中间件, 用于提供web服务。
商业智能平台:报表工具采用eclipse birt;OLAP工
具采用mondrian, 提供数据统计、分析和报表图标展现功能。
ETL工具:采用oracle ODI。用于完成与其他电力信息系统的数据同步。
5.3. 虚拟现实技术
虚拟现实技术 (Virtual Reality) , 又称灵境技术, 是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起, 为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工程的应用提供了新的界面工具;为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于, 计算机产生一种人为虚拟的环境, 这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间, 或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的"虚拟环境", 从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用, 改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式, 尤其在需要对大量抽象数据进行处理时;同时, 它在许多不同领域的应用, 可以带来巨大的经济效益。
虚拟现实系统主要由以下模块构成
(1) 检测模块:检测用户的操作命令, 并通过传感器模块作用于虚拟环境。 (2) 反馈模块:接受来自传感器模块信息, 为用户提供实时反馈。 (3) 传感器模块:一方面接受来自用户的操作命令, 并将其作用于虚拟环境;另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。 (4) 控制模块:对传感器进行控制, 使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。 (5) 建模模块:获取现实世界组成部分的三维表示, 并由此构成对应的虚拟环境。
虚拟现实系统开发平台的核心是引擎, 它具有四个方面的接口, 分别是算法接口、模型贴图输入接口、硬件辅助设备接口和硬件主设备接口。虚拟现实系统开发平台通过这些底层接口向所有上层软件提供强大的功能支持。
6. 数据存储及整合技术
6.1. 数据存储
建立物理数据仓库的存储;提供集中的数据仓库管理界面来控制、监测和管理数据仓库的操作;为主题分析和决策支持应用提供快速、准确的数据服务。
6.2. 数据整合
ETL:包括数据采集、清洗、转换、汇总、加载, 数据加载到数据仓库中;建立数据仓库元数据中心存储;Webservice:通过XML交换数据, 使系统之间即可靠的交换数据, 又降低了系统之间的耦合程度。
6.3. 数据仓库管理
包括元数据管理、ETL管理、数据复制与备份管理、数据安全管理等等
7. 数据分析技术
7.1. 数学建模、数据挖掘
采用三比值法、TD图法、电研法、神经网络算法等有效的诊断算法进行故障诊断;利用时间序列神经网络模型的非线性映射能力和学习能力来预测设备的检修状态;
7.2. 商务智能平台
提供包括面向主题的数据集市、即席查询、多维分析、企业日常报表、Dashboard等各种商务智能分析工具;提供一个面向主题的可扩展的应用分析环境;高效、灵活的查询、报告、联机分析处理以及预测功能。
7.3. 业务优化平台
通过商业智能平台的多维分析应用、预测分析和OLAP应用来支持检修流程优化等生产管理应用。
8. 结束语
变电设备检修仿真系统的应用, 不但可提高变电检修人员的技能水平、工作效率, 同时缩短检修时间和快速恢复设备送电提供了有力保障。
参考文献
电子设备自动测试与仿真技术 篇6
USB设备具有操作简单、使用方便、数据传输速度快和稳定性强等特征, 本文主要介绍USB设备的突出特征:
1.1 热插拔性能强大
USB设备具有良好的带电插拔性能, 支持用户在不关闭计算机或停止系统运行的情况下直接带电插入或拔出USB设备, 不会影响系统的正常温度的运行。热插拔性能在系统发生停止、卡死等情况时可以实现立即恢复, 不会损坏USB设备中存储的数据信息。
1.2 支持多设备连接
外围设备可以通过USB的树状连接结构进行连接, 由于USB具有树状图的连接特征, 因此, 可以连接更多的外围设备。USB外围设备连接上限为127 个, USB总线带宽在连接范围内没有任何损耗, 还可以保持固定不变的带宽。
1.3 即插即用功能
当USB设备与计算机进行连接时, 计算机会自动检测集线器上是否出现新的设备连接状态, 如果检测到有新的设备连接计算机, 计算机立即以集线器作为数据通信通道来实现计算机与USB设备的连接。当计算机通过控制指令向USB 设备发送请求时, USB设备马上回应与控制指令相对应的信息, 此时, 计算机与USB设备之间的通信称为枚举操作。USB设备强大的即插即拔功能使其操作使用更加方便快捷, 提高了数据传输的效率。
1.4 国际标准统一
传统的计算机外围设备接口大多数属于特定接口, 包括串行接口、并行接口和IDE接口等, 这些接口技术只能支持特定的计算机外围设备连接, 例如硬盘设备、打印机设备、扫描仪设备等, 在外围设备数量较多的情况下, 复杂的接口技术类型和过少的接口数量使得外围设备的使用非常不便, 而USB接口国际标准的出台对这些计算机外围设备接口进行了统一。
2 USB接口的仿真方案
由于研究最终目的是对USB接口芯片的仿真与测试, 本文针对USB接口的仿真方案和测试方案分别进行介绍。如图1所示, USB接口框架图中包括了三个功能模块, 分别是Controller控制模块、数字PHY物理层模块和模拟PHY物理层模块, 采用不同的仿真方法对这三个功能模块进行仿真。
USB接口的Controller控制模块和数字PHY模块采用Verilog语言进行描述, 其仿真的最终目的是为了检验U SB接口数字逻辑功能的正确性, 我们可以利用输出的仿真波形对代码的逻辑正确性进行验证。本文在Linux操作环境下, 使用VCS编译软件对以上两个功能模块进行仿真, VCS是编译型Verilog模拟器, 支持Verilog语言, VCS编译软件具有仿真速度快、计算精度高、调试方式多等特征优势, 可以从其自带的DVE数字视频特效功能来观察仿真波形。对USB接口的模拟PHY模块进行仿真的目的是为了验证电路原理图参数设计正确与否, 根据验证结果适当优化电路原理图的参数设计。本文采用SPICE软件对电路原理图进行仿真, SPICE是一种功能强大的模拟电路仿真器, 具有开放性强、实用性高、精度较高等特征, 在布置好仿真环境后可以对电路原理图中的全部元器件进行仿真, 根据仿真结果修改元器件配置。
3 USB接口的测试方案
由于只具有USB接口的数字逻辑代码和模拟收发器部分, 针对USB接口的测试过程变得非常复杂, 测试过程不能采用传统的独立芯片测试方法, 无法将USB接口芯片直接连接到计算机和USB设备中间实现数据传输。因此, 必须创建一个完整的USB系统, 用来模拟独立的USB接口芯片功能, 最终完成对USB接口的测试过程。USB系统结构示意图如图2 所示:
如图2 所示, 首先将USB数字逻辑代码全部下载到FPGA芯片中, FPGA芯片由于加载了USB数字逻辑代码, 可以实现USB接口的全部逻辑功能。其次, 选用芯片代替USB模拟收发器, 通过芯片来实现USB模拟收发器物理层的数据收发功能。最后, 选择适当的主机控制器、驱动程序和应用程序代替主机功能。
综上所述, 本文在介绍了USB接口的基本特性基础上, 以对USB接口的仿真与测试为最终目的, 给出了详细的USB接口仿真方案和测试方案。通过对USB接口的仿真与测试, 不但可以确保USB接口芯片的正确性, 还能够有效优化USB芯片的使用状态。
此篇论文系作者在2015~2016年度北京航空航天大学访学期间完成。
摘要：随着计算机技术的快速发展, 以及智能移动终端设备的普及应用, 电子设备接口技术成为了智能移动终端产品升级、更新的重要因素。作为外围设备通信总线标准的USB越来越受到电子设备厂商的关注, USB具有成本低廉、操作简单、数据传输速度快等优势。本文以USB接口作为研究对象, 提出了USB接口的仿真与测试方案。
关键词：电子设备,USB接口,测试与仿真
参考文献
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设备仿真 篇7
无线电传即Radio Telex,是GMDSS地面通信系统的一套主要终端,它与MF/HF收发信机相连接,可以实现电传电路的自动建立、自动识别、报文的自动收发,进而实现船舶通信自动化。因此,Radio Telex设备的仿真在整个GMDSS模拟器中占有重要地位。
Radio Telex仿真机设备软件操作系统为DOS环境,为了获得必要的操作环境真实感,要求在基于图形交互界面的Windows环境中仿真出DOS界面。
我们选择MFC基于对话框的应用程序来仿真设备的DOS操作环境,具有程序结构简单、编程灵活、适合模拟DOS界面等优点。文中就在Windows环境下,如何利用基于对话框的应用程序仿真设备在DOS环境下的键盘输入,以及如何通过局域网UDP协议仿真设备的电传通讯过程中的关键性技术做一些简要介绍。
2 MFC中基于对话框程序的消息处理过程及响应键盘消息的实现
2.1 MFC基于对话框应用程序的消息处理过程
对话框应用程序的消息处理过程:首先,对话框程序在完成程序的初始化后,就在程序主线程中,调用CWinThread::Run函数。在该函数中,调用API函数PeekMessage,PeekMessage函数检查线程消息队列,如果消息存在,就将该消息放于指定的MSG结构中,以后的消息处理都将针对这个MSG结构对象。捕获消息后,该Run函数将捕获的消息进行预处理,然后再将该消息传递给相应的窗口处理函数。
在run函数中,调用了函数CWinThread::PumpMessage,就是利用这一函数,MFC实现了对消息的分流,使得消息沿着MFC对各种消息规定的路线流动,直到被正确响应。
函数PumpMessage调用了函数CWinThread::Pre TranslateMessage对消息进行处理,默认情况下CWinThread::Pre TranslateMessage函数不对消息进行处理,而是调用另外一个API函数Translate Message函数将虚拟键消息转换为字符消息,并调用函数DispatchMessage分发消息给窗口处理程序。
在CWnd及其派生类的成员函数Pre TranslateMessage是一个虚函数,可以通过重载来改变其处理过程。在默认情况下,没有重载这一函数,所以pMainWnd->Pre TranslateMessage直接调用了CDialog::Pre TranslateMessage,该函数调用CWnd::Pre TranslateMessage处理tooltip消息,并处理了在编辑框中ESC键的按下等消息。而我们需要关注的是该函数最后调用的CWnd::Pre Translatelnput。
函数CWnd::PreTranslateInput(LPMSG IpMsg)处理的消息都是键盘或鼠标消息。其后调用了函数CWnd::IsDialogMessage。
CWnd::IsDialogMessage中只对消息做了一个简单的处理,就是直接调用Windows APl函数Is Dialog Message。当Is Dialog Message处理一个消息时,它检测键盘信息并把它们转变成对响应对话框的选择命令。
2.2 对话框应用程序响应键盘消息实现
由2.1分析的理由可知,要想在对话框程序中实现键盘消息的响应,就要对程序进行一些处理,使得键盘消息在函数Is Dialog Message被调用之前得到响应,这可以通过重载虚函数Pre TranslateMessage来实现。
3 局域网UDP协议通信原理及ARQ电传通信的仿真实现
3.1 UDP协议的通信原理及其通信程序实现步骤
本仿真系统选择局域网UDP协议仿真Radio Telex设备的电传通信。采用UDP协议实现点对点的通信,主要包括以下几个步骤:
(1)在程序中加入对Windows Socket的支持。
(2)以Csocket为基类派生出一个用于通讯的Cmy SocketUdp类。
(3)在Cmy SocketUdp类中重载虚函数OnReceive,并添加一个成员函数void Set Parent(CDialog*pWnd)设置关联窗口和一个成员变量CDialog*m_pWnd指向关联窗口。
(4)声明两个Cmy SocketUdp类对象,一个m_SocketUdpSend(用于发送数据),一个m_SocketUdpRecv(用于接收数据),在Set Parent函数中对象m_SocketUdpSend与一个发送对话框(发送界面)关联,对象m_SocketUdpRecv与一个接受对话框(接收界面)关联。
(5)对象m_SocketUdpRecv先调用Create函数创建套接字,函数的第一个参数是需要绑定的端口号,第二个参数是SOCK_DRGAM,表明此套接字用UDP协议进行通信,然后调用Bind函数使套接字跟特定的IP地址(接受方IP地址)绑定,等待接收数据,此时对象m_SocketUdpRecv是接收方。
(6)对象m_SocketUdpSend先调用Create函数创建套接字,然后调用Bind函数使套接字跟特定的IP地址(发送方IP地址)绑定,最后调用Sendto函数在接收方对应的IP地址和端口号上发送报文数据,此时m_SocketUdpSend是发送方。
(7)对象m_SocketUdpRecv发现有数据报文给它,它就调用On Receive函数来响应网络上有数据给它的网络事件,在On Receive函数中就可以调用函数Receive From来接收网络上发过来的数据报文。
(8)对象m_SocketUdpRecv与对象m_SocketUdpSend之间可以不停地相互发送数据直到有一方调用Close函数关闭套接字结束通信。
为了保证数据正确接收,发送双方收发的数据结构必须保持一致,否则收发双发的数据将无法识别,造成通信失败。
3.2 基于UDP协议的ARQ通信程序的仿真
ARQ通信程序的仿真包括:(1)选呼程序仿真;(2)识别程序仿真;(3)通信流程仿真;(4)转流通信程序仿真;(5)拆线程序仿真。
3.2.1 选呼程序仿真
在Radio Telex仿真程序中,船台的MMSI(海上移动业务识别码)由局域网上每台PC机的IP地址最后两位确定,于是在整个局域网(最大容量100台PC机)范围内每个Radio Telex仿真终端就可以唯一确定,实现了MMSI的识别功能。
3.2.2 识别程序仿真
在Radio Telex仿真程序中,ISS(信息发送台)根据输入的被呼台的MMSI得到被呼终端的识别码和IP地址,调用SendTo函数发送报文,IRS(信息接收台)从接收函数Receive From中取出ISS的IP最后两位,转换成ISS的识别码,这样ISS与IRS双方就各自得到了对方的识别码。
3.2.3 通信流程仿真
在Radio Telex仿真程序中,从通信开始到该台返回到预备状态,仿真程序始终保存终端处于主台还是副台、处于ISS还是IRS状态以及对方识别码等信息。在通信流程仿真时,IRS将收到的报文先保存在本地,然后经过一段适当的延时后,将报文在设置的时间周期内一个一个字符逐一地在屏幕上滚动显示。
3.2.4 转流通信仿真
在Radio Telex仿真程序中,F9键(OVER)可以实现信息流的方向改变。在半自动模式下,通信完毕后即可以自动拆线并中断通信;在手动模式下,可以按下F9键来实现通信转流,此时IRS转变成为ISS,其标志变量m_bISS置为TRUE,ISS转变成为IRS,其标志变量m_bISS置为FALSE。
3.2.5 拆线程序仿真
当通过岸站中转通信结束后,ISS与IRS根据各自保存的标志变量m_bISS的真假来判定是否是ISS,如果是ISS就可以直接拆线;如果是IRS需要先进行转流,使自己变成ISS才可以拆线。当然也可用以上类似方法仿真CFEC与SFEC通信过程,限篇幅在这里就不详述了。
4 结论
文中简要地阐述了在Radio Telex设备仿真中的两点关键技术:
(1)利用MFC中基于对话框的应用程序,仿真设备在DOS环境下键盘输入。
一种电子设备的热仿真分析 篇8
随着航空电子设备高速发展, 功率密度越来越大的同时, 体积却越来越小, 这使得电子设备的热流密度越来越高, 芯片级已达到300W/cm2。努力降低设备中元器件的工作温度以及各种元件结合部件的温度, 一直是提高产品可靠性设计工作的重点[1]。
本文介绍了一种航空电子设备的热设计, 该设备功耗大、体积小。通过设备结构的合理性设计, 和采取有效的散热措施, 保证了设备的热设计符合要求。
2 输入条件及设备结构
该电子设备由7个独立的模块组件构成, 其中5个相似模块安装于一个封闭的主机箱内。另外2个模块分别安装在主机箱的左侧和后侧, 见图1。
所有模块及机箱的材料为防锈铝为5A06, 该材料密度小, 强度相对较高, 满足航空设备对重量和刚度的要求。
该电子设备的功耗及单个模块组件的功耗分布见表1。
结构布局如图1所示。其中有5个模块组件分别安装在主机箱内。其余2个模块分别按照在主机箱的背部和侧面。所有模块均为独立的, 通过电缆及印制板实现电信号的传输, 均可独立维修及更换。所有模块内部的大功耗器件所处的相应位置设计安装凸台, 通过接触传热的方式与外壳或冷板建立良好的散热路径。
模块布置图如图1所示, 其中5个模块安装在主机箱内部, 通过楔形锁紧条与机箱保持良好接触, 由顶部2个风机负责冷却, 风机工作曲线见图2序号5曲线。背部的功放模块由尾部的2个风机负责冷却, 风机工作曲线见图3序号2曲线。侧壁的电源模块由平台提供环控风负责冷却, 风量为8.3kg/h, 进风口温度为30℃。
3 热仿真分析及结果
设备的工作环境温度为70℃, 设备表面喷黑色油漆。
应用Flotherm软件仿真时首先需进行网格划分, 根据设备模型的复杂程度及仿真结果要求需合理安排网格的疏密, 网格过密会导致仿真计算时间过长, 甚至造成计算机崩溃, 但网格过于稀疏也会影响计算精度。
本次仿真有限网格的划分如图4所示, 网格单元14876793个, 划分时选定系统的中等网格, 对大功耗器件比较集中的区域进行局部精细化网格划分。
仿真后整机表面温度云图如图5所示, 所有模块总功耗最大的PCB板及其器件表面温度云图如图6所示。
各模块表面温度见表2, 由于在设置上功放模块和电源模块的内部结构只是考虑其对其它模块的影响, 因此表面温度分别达到102℃和100℃, 比真实温度要高, 不可作为参考。
由表2可知, 由于采用了合理的散热措施和结构设计。使得所有模块的温度值均在可以接收范围内。
4 测试试验
为验证热仿真的结果, 在相同温度条件 (70℃) 下测量对个模块及主机箱的表面温度, 见表3。所有测得的温度值均为设备达到平衡阶段后的温度。
由表3可知, 除功放模块和电源模块以外, 其它模块表面温度的实测值与仿真值的误差最大为6℃。这是由仿真的误差及在测量中的误差造成的, 属于可以接受的范围。
通过Flotherm软件对设备进行热仿真, 可以对设备的热设计进行比较准确的评估和预测, 并针对设计中的不合理地方提前进行修改, 避免了在进入生产阶段后由于设备过热导致的重新返工。
5 结语
由热仿真结果可知, 由于该设备采用了合理的结构设计和散热措施, 设备内的各模块均可以可靠工作。
摘要：本文针对一种航空电子设备功耗大、体积小的特点, 通过Flotherm软件进行仿真分析, 综合考虑了设备的边界条件后, 得出了各模块的温度值。结果表明, 该设备的热设计符合要求, 为后续的整机设计提供了依据。
参考文献
设备仿真 篇9
矿用电子设备之间及内部的互连电缆间的电磁耦合导致系统性能降低甚至失效的现象非常普遍,大量的电磁干扰信号通过互连电缆间的电磁耦合来传播[1,2]。为保证整个电子系统安全可靠地工作,必须解决互连电缆间的电磁耦合带来的不良影响,以实现整个电子系统的电磁兼容性。电缆内部导线束之间的电磁耦合对矿用设备的影响最为直接,因此,本文针对这种耦合进行分析。
1 多导体互连线串扰耦合数学模型
以多导体传输线方程[3]为基础,建立矿用电子设备互连电缆的电磁耦合数学模型,并以此为依据,分析、计算互连电缆的电磁耦合量。为适当简化计算,假定多导体传输线均为均匀传输线且平行放置,穿过传输线横截面的电流和为零,场结构为准TEM波。图1给出了多导体传输线示意图,0—n为导体编号。选取第0号导体为参考导体,通过麦克斯韦方程导出多导体传输线的耦合模型:
简化的电子设备互连线的耦合数学模型为
以上互连线的自电容、自电感以及线间互电容、互电感等电路参数,可通过有限元分析软件Ansys建模并提取电容矩阵和电感矩阵而获得。
2 基于Ansys的互连电缆电路参数的提取
对于不同结构的电缆、不同的布线方式、不同的材料等,都存在不同的电容矩阵和电感矩阵,即不同的电路参数。下面采用电磁场有限元的数值方法[4,5]来提取电路参数。
电容矩阵和电感矩阵的提取可以归结为二维静电场的求解问题。互连线电磁耦合量的计算主要考虑平行放置结构,该结构用二维静电场模型能够很精确地描述,因此,这种近似不会降低数值分析的重要性和准确性,同时应用二维模型可大大简化问题的计算。
四芯非屏蔽电缆的实体模型如图2所示,有限元模型如图3所示。仿真的频率范围为100 kHz～1 GHz,耦合长度l=1 m。由于信号频率处于相对高频的范围,以分布参数的等效电路为基础,建立导体系统的电磁干扰等效电路。仿真模型在干扰源线的负载端以及被干扰线的两端分别接50 Ω电阻,取干扰源的内阻为0 Ω,干扰源线信号端接1 V的交流激励电压源,仿真计算主要考虑导体1与其他导体在不同频率上的耦合关系。
图2 四芯非屏蔽电缆实体模型
由于近端的干扰较强,所以主要计算近端耦合的结果。耦合量X=20lg (U2/U1),其中U2和U1分别为源电路导线上的电压和接收电路近端负载的感应电压,相应的U3,U4为导体3和导体4的近端感应电压。四芯非屏蔽电缆在0.01 m离地高度下的等效电路参数如下。
电容:C1=C2=6.000 5 pF,C3=C4=7.765 7 pF。
互容:C12=22.940 pF,C13=22.563 pF,C14=5.294 5 pF,C23=5.294 5 pF,C24=22.563 pF,C34=22.093 pF。
电感:L1=L2=542.6 nH,L3=L4=446.8 nH。
互感:L12=320.5 nH,L13=L24=296.8 nH,L14= L23=264.2 nH,L34=272.4 nH。
耦合系数:K12=0.663 8,K13= K24=0.610 4,K14= K23=0.502 4,K34=0.586 2。
3 电磁干扰耦合建模与仿真分析
当线间耦合长度l和信号波长λ相比属于高频耦合情况时,为了能够应用等效电路模拟分析线间干扰,将导体按长度分成若干等分,使每段长Δl满足Δl≤λ/10的条件,得到若干个集中参数等效电路的串级电路,如图4所示。在高频情况下,不分段会带来很大的误差,分段越多则计算越精确,但是段数越多仿真电路越复杂,分析计算量也会成平方倍增加,而且当Δl=0.05λ时,再继续增加段数对提高准确性效果不大,因此,取段长在(0.05～0.1)λ之间为宜。
下面分析电缆离地高度一定(h=0.01 m)时,导体1对导体2—导体4的干扰情况。通过电路级模拟程序SPICE仿真计算可知,在导体1干扰信号的作用下,导体2、导体3、导体4产生的电磁干扰响应电压随信号频率变化曲线如图5所示。从图5可看出,随着干扰频率的增加,干扰响应电压也增加。在相同信号干扰频率下,导体4的串扰响应最小,而导体2、导体3的串扰响应相差不大。导体2、导体3、导体4与导体1之间的耦合关系可以用图6所示的串扰耦合响应曲线来表示。从图6可见,导体2、导体3受到的耦合量比导体4受到的耦合量要高约5 dB,这可以通过导体4与导体1的间距大于其他导体与导体1的间距来说明,随着导体间距加大,互容和互感相应减少,线间的电容耦合和电感耦合也随之降低。
4 结语
分析了互连电缆的电磁干扰机理,运用Ansys软件提取多导体线间的电路参数;针对高频电磁干扰预测提出了电路仿真模型,应用场路结合的方法对电子设备互连电缆进行电磁干扰预测分析,得到了与理论相一致的数值计算结果。本文实现的仿真预测对矿用电子设备的电磁兼容性设计有一定的指导意义。
参考文献
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[4]金建铭.电磁场有限元方法[M].王建国,译.西安:西安电子科技大学出版社,1998.