数模（共10篇）
数模 篇1
摘要：车身数模焊接工艺分析是焊接同步工程的一项重要工作内容, 是指在产品设计阶段通过对数模的焊接工艺性如焊接关系、可焊性、装配性、搭接性、涂胶性能等方面进行工艺分析、审查, 以达到在保证产品工艺可行性的同时确定出最优化的车身结构的目的。车身数模焊接工艺分析的结果将直接影响到车型开发的周期以及投资成本。本文主要介绍了车身数模焊接工艺分析的意义、流程及内容。
关键词：车身,数模,焊接,工艺,分析
1 车身数模焊接工艺分析的重要性及目的
1.1 概念
车身数模焊接工艺分析是新车型车身开发焊装同步工程 (SE) 中最重要的一环, 是指结合产品的生产纲领、自动化率、生产方式等总体规划要求, 对产品的焊接工艺性如焊接关系、可焊性、装配性、涂胶性能等方面进行分析, 在保证产品工艺可行性的同时确定出最优化的车身结构的一项工作。
车身数模焊接工艺分析要求具有明确的输入条件。工艺设计输入如生产纲领、生产场地及自动化程度等;产品设计输入如零件三维数模、BOM清单、产品结构树等。任何一项输入数据的准确性都会影响到数模工艺分析的结果。
1.2 作用与意义
车身数模焊接工艺分析的作用就是为了使设计的产品具有生产可行性, 最大化地识别设计问题点, 减少后期的设计更改。其意义如下。
a.优化产品设计, 提高装配性及匹配性。
b.提升车身整体质量。
c.优化车身结构, 缩短开发周期, 降低开发成本。
所以, 车身数模焊接工艺分析对于整车品质保证有着很重要的意义。工艺分析的准确与否将关系到产品的可实现性及后期品质保证工作的难易程度, 直接影响到车型开发的周期及投资成本。
2 车身数模焊接工艺分析
2.1 应具备的基本素质
开展车身数模焊接工艺分析的工作人员应具备以下专业知识。
a.丰富的焊接工艺知识。
b.相关工装夹具、检具知识。
c.相关焊接设备知识。
由于数模的更新频次比较高, 每一次更新后都需要对数模进行重新分析, 因此会输出大量的ECR报告 (Engineering Change Request, 工程变更申请) 。为了将所有的ECR报告的状态管理清楚, 必须建立工艺分析文件管控表, 见图1。在每次数模更新后确认ECR的状态, 对管控表进行刷新, 因此对ECR的管控需要有相当的耐心和细心。
2.2 ECR报告的编号原则
ECR报告的编号原则见图2。
数模阶段代码按照数模的下发阶段可分为BD招标数模、SE同步工程阶段数模、NC冻结数模。
数模分组编号:FF前地板、RF后地板、ER发动机舱、UB地板总成、SB侧围等。
2.3 基本流程
(1) 分析流程
车身数模的结构设计主要分为3个阶段, 每个阶段的冻结数模都会下发到工艺部门进行工艺分析, 3个阶段分别是BD招标数模设计阶段、SE数模设计阶段及NC数模设计阶段。产品设计部门根据工艺、底盘、电气等部门的反馈意见及试验验证阶段的问题反馈对数模进行修改完善后, 确定最终的结构。车身数模焊接工艺分析流程见图3。
(2) 相关步骤说明
a.熟悉产品信息, 对车型结构、零件数量有清楚的认识并进行结构的划分, 这是工艺分析的前提。
b.对接到的招标数模进行检查分析, 主要是为了检查数模设计中存在的明显错误, 例如板件搭接干涉、定位孔缺失、多层板焊接、数模与零件明细表不符等问题。把这些问题汇总并反馈给设计部门, 配合其改进数模。
c.对SE数模进行检查分析。可根据产能、生产方式等因素, 结合产品结构树进行新的结构划分, 得出焊接工艺流程树 (图4) 、焊点布局图 (图5) , 并在此基础上进行详细的数模焊接工艺性分析。此阶段一般需要多人共同协作完成, 分配原则一般是按照车身工艺分块来进行的, 如四门两盖, 左/右侧围, 前/后地板, 发动机舱, 车身主线等。这一部分的工作需要操作者运用自身的专业知识, 结合其他因素综合考虑进行工艺编排及分析工作。期间也可以让夹具设计制造厂家参与进来, 共同完成工艺分析工作。此阶段的分析工作要重点突破大的结构性问题, 以防止后期出现大的设计更改。
焊接工艺流程树主要反映的是车身零部件焊接的工艺路线、级别关系等信息, 该文件是进行车身数模焊接工艺性分析的基础文件。
焊点布局图主要是按照流程对车身焊点进行规划并标示焊点信息如焊点位置、焊接层数等, 该文件是进行焊接可行性分析的基础文件。
d.对NC数模进行检查分析。与SE数模工艺分析一样, 按分组开展数模的焊接工艺性审查分析工作。
e.检查校对。经过以上对招标数模、SE数模及NC数模的分析工作后, 提出了大量的工程变更申请, 要不断对产品下发的新版数模进行检查核实, 以防止有未更改的设计问题或者是遗漏的工艺问题。
3 车身数模焊接工艺性审查的主要工作内容及其说明
3.1 主要工作内容
车身数模焊接工艺分析的工作内容见表1。
3.2 相关文件说明
车身数模焊接工艺性审查工作主要涉及的输出文件及其简要说明如下。
a.可焊性分析报告书
进行焊点的位置、间距和焊钳的操作性及板件搭接层数的研讨, 完成可焊性分析报告。
b.零件匹配适应性分析报告
研讨板件搭接间隙、搭接结构、放件方式、R角之间避免干涉及过孔尺寸, 完成零件匹配适应性分析报告。
c.零件装配性分析报告
研讨铰链固定位置可节解余量、铰链螺栓安装工具与板件之间避让间距及铰链安装面与车身平面的平行度, 最终完成零件装配性分析报告。
d.涂胶分析报告
分析涂胶断面的涂胶形式、涂胶间距及涂胶空间的尺寸大小, 结合上述分析内容完成涂胶分析报告。
e.白车身工艺流程分析报告
由焊接工艺人员结合设计输入 (如车身数模、设计BOM) 及工艺输入 (生产纲领、自动化率、生产方式等) 制定焊接工艺流程, 并在分析工艺可行性的同时将意见反馈至设计部门, 不断进行更改完善。
f.底盘及车体吊具支撑点分析报告
数模工艺分析要考虑到生产线的相关信息, 制定输送系统的定位基准报告, 对于无法满足工艺要求的位置要反馈至设计部门, 对产品结构进行设计更改。
g.定位孔分析报告
定位孔的选取要综合考虑多种因素, 如孔的轴线是否垂直于车身线、孔的中心线是否平形、两孔之间的间距是否满足要求及孔径、孔的强度是否满足要求等。对不满足工艺的要提出设计变更要求。
4 车身数模焊接工艺性分析要点
4.1 焊接位置及焊接搭接边长度
a.焊接搭接边长度 (B) 为:门周边区域最小为11mm, 其他位置最小为13 mm, 一般要求为16 mm。焊钳电极与板件翻边的避让间隙A≥2 mm。焊接断面见图6。
b.焊接板厚及板厚比要求。总板厚允许一般材质为小于5 mm, 高强钢板材质为小于4 mm。允许的板厚比 (总板厚/外侧薄板板厚) 为:一般焊点时小于4.5, 重点焊点时小于4.0。板件厚度太大及板件之间的间隙等因素, 都会导致虚焊、假焊等各种焊接缺陷的出现, 最终导致焊接质量不稳定。
有时由于产品设计的原因会导致局部焊接无法实现, 出现这种现象时需要对产品的结构进行修改, 如增加过孔、修改形面等。
4.2 零件匹配的适合性
a.除焊接搭接面, 其余位置板件搭接间隙最小为2 mm。
b.R角的边缘到搭接边最小距离d≥2 mm。
c.车门外板应比外板加强板高出1 mm;车门内板应比内板加强板高出1 mm;侧围外板应比侧围内板高出1 mm。
d.过孔尺寸:L<30 mm, d 2=d 1+3 (如果是三层板, d 2=d 1+3, d 3=d 2+1) ;L≥30 mm, d 2=d 1+5。过孔尺寸见图7, 其中L为板件之间间距, d1为定位孔直径, d2为过孔直径。
4.3 零件装配及干涉
a.门铰链固定位置的调节余量, 规范要求:A为最小, B+5 mm (A为铰链安装孔, B为螺栓直径) 。
b.规范要求车门铰链安装面与车身平面的平行度, 应尽量保证平行, 如冲压条件无法实现则要求铰链安装面与车身平面的角度≤3°。
4.4 涂胶部位的断面结构
a.膨胀胶涂胶凹槽尺寸要求:凹槽深度a=12mm, 通常情况板件之间间距b=3 mm, 特殊情况b=12 mm, 见图8。
b.点焊密封胶的涂胶间距要求:a1≥50 mm, a1=a2=a3=a4, 涂胶形式尽可能与点焊形式相同, 见图9。
4.5 焊接工艺流程
在确定焊接工艺时, 上件的先后顺序直接影响着焊点的可焊性及总成的结构强度, 有时会导致焊接困难、无法焊接或强度无法保证。图10所示分总成1的结构强度无法保证, 需要重新划分上件顺序或改变产品结构。
4.6 输送定位系统
车身数模焊接工艺分析要考虑到生产线的相关信息。对于共线生产的车型, 要充分地研讨其输送系统的共用性或者切换方便性并提出相应对策;对于新建线要制定输送系统的定位基准报告, 用于指导输送设备 (滑撬等) 的设计与制造;对于无法满足工艺要求的位置要反馈至设计部门, 对产品结构进行设计更改。
4.7 定位孔、定位面的合理性
通过工艺分析确定定位孔、定位面能否满足焊接要求, 并对产品进行反馈, 分析主要依据3-2-1法则。
4.8 包边结构
外覆盖件的包边一般分为平行包边和圆角包边。出于对行人保护方面的考虑, 通常发动机罩盖为圆角包边, 且由于造型的需要, 外板的翻边角度比较特殊, 在一定程度上影响了发动机罩盖内板的上件。考虑到内板上件的方便性及包边的可行性, 外板翻边角度一般要求为105°, 最大不能超出110°, 对于超出此范围的翻边角度包边模已无法实现包边, 需要采用机器人包边的方式。发动机罩盖翻边见图11。
4.9 其他方面的要求
(1) 减少主线上件次数
在进行工艺编排时, 要尽量减少在主线上上件的次数, 尽量简化主线。这样有利于降低成本, 提高主线在混线生产时的灵活性。
(2) 公差积累问题
在做工艺分析时, 要尽可能避免因工艺划分而出现公差积累, 进而对车身尺寸造成影响, 焊点布局见图12。
如果先焊接图12中1、2、3, 则其在Y向的公差积累可能会对左/右纵梁的Y向尺寸造成影响, 所以最好将1、2与3分开焊接较好。具体审查规范详见焊接工艺性审查标准。
(3) 外观焊点的质量保证
尽可能减少外露焊点, 并使外露焊点易于焊接、焊点平整, 防止外观件磕碰。
5 结束语
车身数模焊接工艺分析是焊接同步工程的一个重在确保工艺性的同时可以最大化优化产品结构, 并降低车型的开发成本及开发周期。数模工艺性审查工作在产品开发过程中发挥着重要的作用, 已在各大主机厂广泛推广和应用。
参考文献
[1]常思勤.汽车同步工程在汽车行业的应用.世界汽车[J], 1996, (04) :11-15.
[2]黄训, 申丹凤, 成艾国.面向车身设计的冲压工艺同步分析与研究.机电产品开发与创新[J], 2010, (5) :73-75.
数模 篇2
参加了7月18号至7月31号后的数学建模培训，着实让我收获不少。在这炎热的如同大火炉的夏日，来自其他高校和本校的老师们顶着酷热为我们授课，他们毫无保留的传授知识，就如给了我久旱逢甘露的喜悦。
数学建模是有区别于数学模型的，数学建模就是把一具体的实际问题转化为一个数学问题，然后用数学方法解决他，之后，运用到实际生活中去。用我们的数学模型解释生活中的种种现象和规律。它对我们来说并不陌生，例如，我们平时喝酒开车的问题，怎样喝酒，喝酒后要隔多久才能开车，都属于数学建模的范畴；我们平时出远门，会考虑一下出行的路线，以达到既快速又经济的目的；一些厂长为了获得更大的利润，往往会策划出一个合理安排生产和销售的最优方案……这些问题都和数学建模有很大关系。
在学习过程，我有如下感悟。首先，数学建模的示例很有趣，可以使自己听课时不感到乏味。在解决问题上，既能提高自己的思维能力，学习到解决问题的方法，同时还可以培养自己系统考虑问题的能力。其次，我认识到团队精神的重要性。数学建模是三人一组的，只有伙伴们相互支持，相互帮助，大家共同努力，才会取得优异的成绩。在此，恰能培养我们团队合作的能力，也有利于我们以后的发展。接着，我觉得我们要树立自信。通过数学建模的学习，自己的能力一步步提高；有所感悟后，自己将更加充满信心，既更加坚信自己。最后，意识到培养创造力、想象力和洞察力的重要性。众所周知，创造力并非与生俱来的，需要在潜意识中点滴的培养。这次集训提供了培养自己创造力的机会，可以充分体会创造过程中的紧张、艰辛和喜悦。想象力同样重要，我们的知识可以有限，但我们的想象力却是可以无限的。建模竞赛需要大家把实际的问题抽象成为数学模型，但必要通过自己的想象力和创造力，然后通过数学方法和计算机去解决。“千里之行，始于足下”。通过13天的数模培训，我深深地认识到这次培训是一笔财富。在实践中可以学到在书本上学不到的知识它让你开阔视野、了解社会、深入生活、回味无穷。总之，一份耕耘，一份收获，相信自己会在9月份的数模竞赛中有所斩获！
数模 篇3
关键词：数值模拟；管理机制
油藏数值模拟技术作为开发方案设计、动态监测、开发调整、反求参数、提高采收率的有效手段，能为油气田开发中多种技术措施的制定提供理论依据。因此，近年来各大油田相继掀起学习应用数值模拟技术热潮，为开展好该项工作，各种方法层出不穷，现河采油厂经过三年的探索，在开展该项工作中积累了宝贵的经验，笔者在此归纳如下，期望为正在开展和将要开展该项工作的同行提供参考。
一、数模工作运行管理机制
1.建章立制，制定《建模数模一体化管理办法》
进行数值模拟研究，必须首先根据地质相关资料，建立相对可靠的地质模型，然后转化为数值模拟模型。地质建模和数值模拟是两个相对独立的研究过程，若地质建模与数值模拟脱节，往往造成地质模型的不合理修改，甚至出现明显不符合地质规律的状况，而采油厂内部职能机构将地质和开发分开，地质负责地质建模工作，开发负责数值模拟工作，两项工作分属两个科室，为保障地质建模与数值模拟数据成果的一致性、完整性、约束性、以及工作的连贯性，制定了建模数模一体化管理办法。
该管理办法严格按照五化七要素要求，涵盖了组织机构、工作目标、工作职责、工作流程、工作运行、指标体系和考核奖惩办法七个方面。
2.加强培训，打造人才梯次队伍
在加强培训方面，一是积极参加分公司组织的基础培训，该类培训由斯伦贝谢老师授课，软件流程及基础理论比较深入：二是引进数模博士，为数模技术带好头，把好关。为开展好该项工作，有针对性地引进数模博士1人，专攻数模技术及应用，专职负责数模技术工作开展。三是厂内二次培训，全员普及推广。为尽快把该该项技术推广开，应用好，在厂内研究所相关技术人员中全员推广，要求40岁以下同志必须人人会数模，人人都有数模块。同时通过该项工作发现兴趣浓厚，技术掌握较快的人员，并进行重点培养，形成梯次人才队伍。四是邀请斯伦贝谢公司人员答疑解惑，利用软件公司定期回访的机会和邮件、电话多种方式解决数模过程中遇到了各种问题，借助分公司每季组织的现场督导专家组提高模型质量和技术人员水平。五是广泛开展导师带徒活动，由已能独立开展数模人员作导师和会跑流程人员结成对子，由会跑流程人员和还不掌握的人员结成对子，梯次帮扶，逐级带动，形成全员普及良好局面。
3.精细管理，一人一块计划到周、考核到月、督查到季
每周利用周末半天时间开展一次集中培训，结合培训计划开展一人一块工作，每周由技术主管检查本科室工作进度和把关工作质量，每月由技术首席督导采油厂所有数模技术人员工作开展情况和模型质量，每季接受分公司开发处组织的软件公司、地质院专家组督查。
4.学以致用，提升油藏精细化管理水平
通过培训并完成的一人一块模型质量不高，需要通过历史拟合来修正地质模型，但模型修正是一个动静态结合、综合研究的过程，既要求对区块各情况有一个全面的把握，又要求软件比较熟练，为此，在每个模型应用之前都要与地质院渗流室的专家结合，把关模型质量，保障模型拟合精度。
利用拟合好的模型开展多项常用指标预测，用于指导措施挖潜、优化产液结构、指导新井设计、完善注采井网。
二、取得效果
数模 篇4
注意到数模竞赛与《数学模型》课程体系和课程内容的关系, 本文从数模竞赛促进《数学模型》课程内容和教法的改革、“综合实践”式的教学提升学生创新能力、数学软件的教学提升学生的大数据处理能力三方面进行讨论, 给出促使学生领会数学模型的精神实质和思想方法, 促使数学成为同学们得心应手工具的一些教学总结。
1 数学竞赛促进《数学模型》课程的改革
全国大学生数学建模竞赛是由各大学组队参加, 每个参赛队有三名成员组成, 通过选择适合自己队伍的题目, 经过三天的解答, 以论文的形式向竞赛组委会提交所选题目的结果, 因此, 全国大学生数学建模竞赛是一项“综合实践”活动, 是培养大学生具有应用数学知识的意识载体。通过分析近几年的数学建模竞赛试题, 我们看到数学建模竞赛试题不仅具有基础性和发展性, 而且考查了参赛队收集数据, 分析做出判断, 推出数据中蕴涵着信息的数据分析能力;考查了参赛队从已有的数据和要求出发, 推断某些结果的运算推理能力;也考查了参赛队将实际问题表示成数学问题的建立和求解模型的能力;以及有意识利用数学原理和方法解释实际中的现象的应用意识。数模竞赛试题的特点潜移默化地促使《数学模型》课程的任课老师的授课内容更注重建模知识的“生长点”与“延伸点”、引导学生感受数学的整体性、感受不同角度和层次理解数学模型的重要性, 从而促进了《数学模型》课程的内容和教法的改革。
2“综合与实践”式的教学提升学生创新和竞赛能力
传统的《数学模型》课程授课侧重于定理证明、模型的计算和推导, 而学生的学习活动仅限于接受、记忆、模仿和练习, 这种教学方式难以培养学生的学习探究能力, 学生失去了体验数学模型的发现和应用的过程。“综合与实践”式的教学是以问题为载体、以学生参与为主的学习活动, 在《数学模型》课程的教学中, 采用“综合与实践”式的教学方法可以更好地培养学生应用意识和创新意识。
“综合与实践”式的教学大体分为四个环节, 他们是问题的选择, 问题的展开过程, 学生参与及其合作交流, 教学结果的展示与评价。采用“综合与实践”式教学时, 教师通过采取查阅文献或者自己研制等方法编制适合教学内容和所带班级学生特点的各种问题引导学生进入角色, 组织学生之间的合作交流, 使学生能设计解决具体问题的方案, 并加以实施, 使学生感受到建立模型、解决问题的过程, 并在此过程中, 尝试发现和提出新的问题。总之, 采用“综合与实践”式授课, 引导学生感受到发现问题, 选择适合自己完成的问题, 实际问题的数学化, 合作呈现结果的数模竞赛过程, 提升了学生探究问题、解决问题的能力, 也培养了学生的创造能力。
3 数学软件的教学提升学生处理大数据的能力
数模竞赛的试题一般涉及大量的数据量, 如何在竞赛的三天时间里从这些数据中分析整理出有用的信息, 建立模型, 通过计算机编程或者计算机软件来实现, 然后对计算的结果进行分析和检验, 进一步对模型改进, 要解决该问题, 除了掌握一些优化知识外, 学生还需要熟练掌握诸如Matlab等软件, 因此在《数学模型》的课堂教学过程中, 数学软件和板书相结合授课不仅将抽象的数学知识形象化;而且采用软件, 如Matlab、Lingo、SPSS、EXCEL等进行授课, 使学生掌握插值、拟合等各种算法的思想, 培养了学生的熟练使用软件编程作图、数据导入、结果分析等能力;进而提升学生处理大数据的能力。
4 结束语
总之, 全国大学生数学建模竞赛和《数学模型》课程的教学相辅相成, 互为促进。数学建模竞赛为《数学模型》课程的内容、教学方法提出了新要求, 促进了该课程的教学改革。《数学模型》课程采用“综合与实践”式的教学和基于数学软件的教学方式不仅培养了学生的学习兴趣, 鼓励学生在学习过程中积极探索的习惯, 使学生切身体验到数学模型发现和建立的过程, 发展学生的创新意识, 而且更有利于学生数模竞赛成绩的提高。
摘要：数模竞赛促进了《数学模型》课程的教学改革, 采用“综合与实践”式和基于数学软件的教学方法培养了学生的学习兴趣, 拓展了学生的创新意识, 也有利于学生数模竞赛成绩的提高。
关键词：数模竞赛,“综合与实践”式教学,数学软件,教学
参考文献
数模协会财务表 篇5
2010年9月16日
数模协会招新活动
总额：432.5元
1、通讯部（总计：20元）：
条幅：20元
2、秘书部（总计：119元）
打印协会宣传单及协会汇编：70元
档案盒：9元； 收据：6元；
胶带、纸杯等：34元
余额：293.5元
2010年9月24日
招新与分会资金的注入
总额：293.5元
1、招新共99人，每人上交10元的会费，共990元；
2、协会账目、资金统一管理，从分会拿500元注入；
3、会长去老校区开新生见面会报销车费25元。
余额：1758.5元
2010年9月27日
新生见面会
总额：1758.5元
1、秘书部（总计：55元）：
打印通讯录，一人一份，共45元； 买水：10元；
2、组织部（总计：100元）：
奖励及鼓励干事资助100元大家聚会。
余额：1603.5元
2010年10月12日
数模分会备用资金及研讨会
总额：1603.5元
1、数模分会拿去200元备用资金；
2、第一次研讨会，秘书部（总计：37元）：
打印资料：32元；
买水：5元；
3、六人入会：60元。
余额：1426.5元
2010年10月31日
换届大会
总额：1426.5元
1、秘书部（总计：38.5元）：
买水：15元；
聘书、打印及会议牌：23.5元。
余额：1388元
2010年11月7日
购买趣味知识竞赛奖品
1、通讯部（总计：26元）：
买大红纸、彩纸颜料及打印：26元；
2、数学趣味知识竞赛奖品购买（总计：215元）：
通讯部（总计：20元）：
条幅：20元；
秘书部（总计：195元）：
本子、台灯、音响、信纸及白纸：166元；
证书的购买：27元；
打印证书：2元；
3、三人入会：3*10=30元
则有241-30=211元。
2010年12月6日
数模协会周年庆典
周年庆典活动总计：822.5元
1、通讯部（总计：104元）：
横幅：40元（趣味知识竞赛）；
横幅：35元（第二次研讨会）；
胶带：7元；
打印：5元；
双面胶：2元；
小礼品：5元；
复印：10元；
2、秘书部（总计：522.5元）：
老师请帖：5.5元；
主持人礼服：100元；
小册子：120元；
卡纸：2元；
总额：1388元 余额：1177元
总额：1177元
会议牌：22.5元；
双面胶：3.5元；
打印老师名字：9元；
唇彩：7元；
化妆品（粉底）：15元
礼品：29.5元；
彩纸（趣味知识竞赛）：3元；
买水果：49元；
笔、信纸、打印：20元；
气球一包：7.5元；
气球、彩带、装饰品：29元；
贝壳片：100元
3、组织部（总计：199元）：
桶装水：5元；
水杯：15元；
瓶装水：19元；
音响、话筒：110元；
唐僧服：40元；
人际关系：10元；
2010年12月12日
老校区分会支用150元
数模 篇6
作为各种元器件的支撑和互连的PCB正朝着小型、高速、高密度的方向不断攀升[1]。集成了高速数字电路、模拟小信号电路、A/D或D/A转换电路、电源等的数模混合PCB的应用日益广泛。混合PCB设计中的EMI问题越来越突出, 现代数模混合PCB的设计正面临着新的挑战。为了缩减开发周期和开发成本, 需要采取新的设计方法和手段来解决EMI问题。
本研究从干扰源头和干扰路径来解决PCB中EMI问题, 并给出混合电路PCB设计规则和方法。
1 数模混合PCB中EMI产生的原因
EMI产生的三要素为电磁干扰源、干扰途径、敏感部件。正确辨别PCB中EMI三要素是进行数模混合PCB设计的基础。
1.1干扰源
数模混合PCB中的干扰源主要由数字电路部分产生:
(1) ΔI噪声。高速逻辑电路状态切换时, 电源和地上的电流发生突变, 产生ΔI噪声电流。由于电源线和地线存在一定的引线电感, ΔI噪声电流会在电源和地上产生尖峰电压, 即ΔI噪声电压。
(2) 高速数字信号的高频分量, 主要为时钟和数据等周期信号。在EMI频率范围内, 关心更多的是信号的高阶谐波 (常取10倍频程) [2]。
(3) 由于不对称因素 (如串扰、驱动器错位、线长偏差及不对称负载等) 使差分信号转化成共模信号[3], 共模电流在PCB上寻找任何低阻抗返回路径, 容易产生EMI问题。
(4) PCB电源/地谐振[4]:由电源/地形状、介质厚度、介电常数、去耦电容决定。根据波动理论, 当外界激励频率与结构固有谐振频率一致时, 结构上产生最大振幅。PCB典型的激励源包括电源/地引入的传导干扰、高速IC开关噪声等。谐振增加辐射强度, 因为它会让辐射器更有效率。
1.2干扰途径
(1) 传导干扰[5], 属频率较低的部分 (低于30 MHz) , PCB中主要有共地阻抗耦合及共源阻抗耦合两种。共地平面阻抗耦合模型如图1所示, 其中US1为干扰源电压、US2为敏感电路信号电压, 干扰源与敏感电路间有公共地阻抗ZG。
不考虑I2作用时:
UG=ZGUS1/ (RS1+RL1+ZG) (1)
由于:
RS1+RL1≫ZG
所以:
UG≈ZGUS1/ (RS1+RL1) (2)
UG在R12上形成的干扰电压Un为:
Un=ZGRL2US1/ (RS1+RL1) (RS2+RL2) (3)
可见, 敏感电路负载RL2上的干扰电压Un是干扰源US1、公共地阻抗ZG、负载RL2的函数。同理, 不同电路或芯片的电流通过公共电源阻抗时, 在敏感电路上一样会产生干扰电压。
(2) 感应干扰, 分为电场耦合与磁场耦合。在高频段, PCB走线分布参数的影响不可忽略, 需要按分布参数理论来考虑。电场耦合强度取决于干扰源频率、强度及两走线或者平面之间的互容。电场耦合可用连接在受扰线上的电流源Icm来模拟:
干扰线与受扰线之间的高频电场耦合模型如图2 (a) 所示。
磁场耦合强弱取决于干扰源频率、强度及两走线或者平面之间的互感等因素。磁场耦合可用受扰线上的感应电压源VLm来模拟:
干扰线与受扰线之间的高频磁场耦合模型如图2 (b) 所示。
由参考文献[3]可知, 上述两个耦合模型产生的近端噪声为:
远端噪声为:
式中 Vinput—传输线输入端电压;CM和LM—两走线之间互容和互感;L和C—走线的单位长度电感和电容;X—两走线的耦合长度;Tr—干扰信号的上升沿时间。
(3) 辐射干扰, 属于频率较高部分的耦合 (高于30 MHz) 。根据Maxwell方程, 短单极天线的辐射场为:
Hϕ= (Idlejkr/4πr) (jk+1/r) sin θ (8)
Eγ= (-jIdl/2πωε) (e-jkr/r2) (jk+1/r) cos θ (9)
Eθ= (-jIdl/4πωε) (e-jkr/γr) [-k2+ (jk/r) +1/r2]sin θ (10)
式中 φ、γ、θ—球坐标;I—天线电流;dl—短单极天线长度;r—天线至场点的距离;ω—角频率;ε—空气介电常数;k=2π/λ。
当r≪λ, 为近场, H正比于1/r2, E正比于1/r3, 波阻抗|Z|=|-jZ0 (λ/2πr) |≫Z0 (Z0为自由空间波阻抗) , 为容性阻抗, 与1/r成正比。单极天线为高电压、小电流、高阻抗源。当r≫λ时, 为远场, E与H都正比于1/r, 波阻抗Z=377 Ω。
对于小环天线, E正比于1/r2, H正比于1/r3, 波阻抗Z=jZ02πr/λ, 为感性低阻抗, 与r成正比。小环天线的近场以磁场为主。小环天线为低电压、大电流、低阻抗源。其远场与单极天线相同, H和E都正比于1/r, 波阻抗Z=377 Ω。
1.3敏感部件
敏感部件为模拟电路, 包括传感器、接收器、低噪声放大器等噪声敏感器件和电路。
2 数模混合电路PCB设计原则
控制EMI的关键, 是降低电源地平面谐振和电路回流路径阻抗, 正确放置旁路和去耦电容。
2.1器件布局
(1) 根据电路原理把PCB分为数字区域和模拟区域, 避免数字器件与模拟器件交叉放置。在每个区域按照电源电压/电流大小、速度快慢进行分组。A/D、D/A转换器跨分区放置。
(2) 合理放置高速IC的去耦电容以减小ΔI噪声, 控制EMI干扰源头。所有高速IC的本地去耦电容应该尽量靠近IC的电源管脚。如果使用两个数量级不等的本地去耦电容, 应把较小容值的电容更靠近IC, 以提高瞬间电流补偿速度。PCB的整体去耦电容紧靠外接电源线和地线放置。
2.2高速数字电路部分
减小信号的反射和串扰的措施主要有:
(1) 增加高速信号线之间的间距。对于时钟信号电路布线, 其边对边的距离 (S) 至少为布线高度 (H) 的3倍, 即S/H≥3;对于数据电路布线, 其S/H≥1。尽量减小耦合长度, 把敏感信号线布成带状线以减小远端串扰。
(2) 保持信号在整个路径中感受到的瞬态阻抗不变。对于时钟线和高频信号线要根据其特性阻抗要求考虑线宽, 做到阻抗匹配。如果有大量信号线切换参考平面, 须注意这些过孔在参考层上的分布不要形成开槽, 以免切断信号返回路径。
(3) 高速信号线换层走线时, 如果它们的参考平面具有相同电压, 则尽量将信号线过孔与返回路径过孔放置在一起;如果它们的参考平面具有不同电压, 应在信号过孔旁就近放置ESL小的去耦电容。
(4) 确保高速信号线的参考层为完整平面。比如, 对于一个T-G-S1-S2-P-B的六层板 (T为顶层走线层, G为地平面层, S1、S2为内层信号走线层, P为分割电源平面层, B为底层走线层) , 高速信号最好走在T和S1层, 不要走在S2和B层。
(5) 尽量保持差分线等长和等间距, 减小不对称性。
2.3隔离
分割地平面以减小共地阻抗耦合。在PCB中, 将地平面划分成不同的区域, 如模拟小信号地、功率地、数字地、I/O接口地等, 从而使各电路的返回电流只从各自的地参考平面上返回, 两个地在一处通过铜箔、0 Ω电阻或磁阻相连。并且当有信号线需要跨分割走线时, 从两地的桥接处布线通过, 避免由于地参考平面不连续而增加信号的反射和串扰。同时, 数字电源与模拟电源的分割要与其对应的参考平面保持一致, 避免模数电源的噪声耦合。对于A/D或者D/A的数字地和模拟地, 也采用类似的原则, 只需在器件下面把两个地桥接起来。
2.4减小电流环路面积
单/两层板中, 电源、地通常都是以布线方式走线。要保持电源环路面积和信号电流环路面积最小, 应使电源和地、信号和地成对走线, 以降低辐射。对低频电路, 地应尽量采用单点并联接地;高频电路宜采用多点串联接地。
3 工程实践
为提高实践中设计的成功率, 笔者采用PCB设计原则和仿真相结合的方法。电路包括传感器电路、小信号放大电路、A/D转换器、FPGA和DSP数据处理和控制IC、功率输出电路等。仿真工具为Ansoft的SIwave, 这是一款针对PCB整板级的全波电磁场分析工具。在混合电路PCB设计中, SIwave主要作用为[6,7]:
(1) 计算谐振模式:SIwave通过求解齐次Maxwell方程得到电源和地平面之间2D谐振模式, 分析PCB固有结构和RLC分布参数引起的可能发生的风险。
(2) 计算S/Y/Z参数:计算已定义网络的S参数, 然后通过节点电流电压关系转化成阻抗/导纳参数。S参数反映了信号的反射和传输特性, 以及信号之间的耦合。
(3) 计算激励源的作用:通过定义频变源或者恒定源, 分析PCB板上所激发的电场分布情况, 考查传导和辐射效应。
本研究中PCB采用FR4材料, 尺寸为100 mm×80 mm, 板厚1.6 mm, 使用T-G-S1-S2-P-B的六层板叠层结构。电路中ALTERA FPGA的时钟信号上升沿为0.5 ns, 有效带宽700 MHz, TI DSP数据信号有效带宽为500 MHz。主要的设计方法和步骤为:预布局阶段, 按照设计原则进行布局, 避免了高速数字信号 (FPGA与DSP的时钟、地址信号、数据信号、控制信号) 对模拟电路的干扰, 同时要避免PCB结构谐振引起的潜在干扰源。使用SIwave计算由PCB材料、尺寸和叠层确定的电源/地平面的谐振模式, 避免将FPGA和DSP等关键器件放在其工作频率与平面谐振频率相近并且谐振较大的平面之上, 否则, 只能通过在谐振位置添加合适的去耦电容来改变谐振特性, 增加了成本和设计复杂性。仿真结果表明, 在1.5 GHz以下时, PCB存在4个谐振频点, 如表1所示。
由电磁场分布图 (如图3所示) 可见, PCB在低频时, 中心位置不存在谐振。所以, 布局时应把高速IC放在PCB的中间位置。
根据上述分析的设计原则对该混合PCB进行布局、布线和平面分割, 完成后, 再进行谐振分析, 进一步考查PCB上分布RLC元件对谐振模式的影响, 避免PCB因为谐振存在的潜在干扰源。仿真结果如图4 (a) 所示, 笔者发现在577 MHz时, 3.3 V电源在分割平面上呈现严重谐振, 谐振电压大于8 V。
SIwave中, 在谐振处添加3对陶瓷贴片电容, C1～C3的参数为:C=0.1 μF, ESL=1.5 nH, ESR=0.2 Ω;C4～C6的参数为:C=0.01 μF, ESL=1.5 nH, ESR=0.2 Ω, 消除此处的谐振模式, 如图4 (b) 所示。
计算关键信号的S参数, 考查信号的反射和串扰, 以减小EMI干扰源和感应耦合。在要检测的信号线上添加端口 (PORT) , 然后用SIwave计算S参数。所计算的一个时钟信号与一个数据信号端口的S参数如图5 (a) 所示, 反映了CLK信号的反射和CLK与DATA3之间的串扰。波形表明, 按照上述设计原则的布线能满足设计要求 (串扰小于5%) 。数字电源+3.3 VD与模拟电源-5 VA之间的隔离度 (即串扰) 如图5 (b) 所示, 亦满足设计要求。
笔者进行了传导干扰分析和电压噪声检测。在SIwave中, 某个信号网络的源端添加电压源激励, 末端添加电压探针Probe, 对该信号进行频率扫描, 考查信号在探针处的电压摆幅, 还可以观察在PCB板上激发的电场分布情况。如果某些频点上出现尖峰, 说明加在该网络末端的电压探针探测到这些频点处由于信号 (用激励源代替) 激发了PCB谐振, 造成信号线上电压的较大摆幅。对该PCB中模拟电路+5 VA电源模块与前置运算放大器电源脚之间进行传导干扰分析时测得的波形如图6所示, 该电压源会在360 MHz时激发PCB谐振, 电压达到20 V, 产生EMI辐射。但本电压源的实际工作频率为125 kHz, 远小于激发谐振的频率, 所以PCB上不用改动。
最后, 本研究对PCB进行了远场辐射分析。为防止数字信号产生较强EMI辐射干扰临近的模拟电路模块, 笔者对有效带宽500 MHz的DATA7信号线进行了远场辐射分析。SIwave中, 在DSP的DATA7 PIN脚上添加扫频源, 进行远场解析, 为模拟3米法测试的结果, 可将无穷远处的dB (MaxETotal) 仿真结果进行近似折算, 改为B (MaxETotal/3) +120。仿真波形如图7所示, 在2 GHz频带以下, 辐射小于80 dBuV/m, 基本满足设计要求。
4 结束语
数模混合电路PCB的EMI抑制不是一个简单的流程, 只有掌握了EMI干扰的源头和路径, 通过对PCB的精心设计来控制分布参数、瞬态电压和电流路径, 才能做出正确的对策。尽管相关技术的研究不断取得进展, 但如何将它们有效应用于工程实践仍有很多问题需要进一步研究。本研究中讨论的设计原则与方法对混合电路PCB的设计具有一定的指导作用。
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数模混合电路的PCB抗干扰设计 篇7
现代电子产品中, 许多PCB模块不再是单一的功能电路, 更多地出现了由数字电路和模拟电路混合构成的模块。数据由模拟电路接收采集取得, 而在数字电路中实现数字化的控制处理。所以一块PCB上同时出现的数字电路和模拟电路之间的电磁兼容 (EMC) 问题也就必然出现, 电磁干扰 (EMI) 成为了电路设计的难点。要更大程度地消除其影响, 电路板的抗干扰就显得十分重要。
印制板抗电磁干扰设计能提高线路本身的抗干扰能力, 减少电磁辐射, 从而保证电路系统工作的可靠性, 保证设备电磁兼容性。在印制板上直接采用抗EMI设计, 比在其他方面采取措施更具可靠性、稳定性、经济性。
1 干扰的产生
电路系统的EMI主要来源于电压的快速变化和信号回流。
模拟信号对噪声相对数字信号要更敏感, 因为模拟电路工作依靠连续变化的电压电流, 从电源和地线上传导的干扰都能影响其正常工作, 数字电路工作时对于设定好的逻辑电平进行高低的比较和检测, 具有一定抗干扰能力。在混合电路中数字信号相对于模拟信号是一种噪声源。数字电路工作时, 稳定的有效电压只有高低电平两种, 当数字器件输出电压变化时, 器件内部的开关管会产生开关电流。数字电路的速度越快, 开关时间也就越短, 当大规模数字电路有多个管脚同时发生电平变化时, 会在回路中产生电流尖峰信号。数字电路造成的这种电流扰动, 如果通过电路传导耦合到模拟电路中, 将会影响模拟电路的正常工作。
所以, 电压的快速变化是EMI产生的源头, 而信号回流的路径则是EMI产生的环境。由电源和地之间的阻抗和分布电感引起的EMI, 按照公式Er=IR和EL=L (di/dt) , 电流变化速率越快, 分布电感产生的感应电压就越大, 高速电路设计时, 由于时钟、信号等频率较高, 电流变化快, 所以di/dt较大, 由此而产生大范围的高频电流, 从而激励器件和线缆辐射, EMI问题就会更加明显。
2 混合电路PCB的抗干扰设计
传统设计将模拟电路和数字电路严格区分, 然而在高速数模混合电路中, 最好是采用多点接地, 使用大面积的电源和地平面, 以便为电源去耦提供低阻抗。而如何消除模拟信号和数字信号之间的干扰成了硬件设计的关键点之一。印制板设计时, 布局、布线、内电层分割的设计规则应作为基本设计准则加以应用。
2.1 印制板的布局
印制板相近传输线上的信号之间由于电磁场的相互耦合而发生串扰, 元器件的合理放置可以大大减小EMI问题。例如, 敏感器件应远离高增益放大器的输出;开关电源模块既要远离敏感器件, 又要远离高增益放大器电路;模拟电路和数字电路要分开放置, 避免出现交错;模数转换器件则要放置在模拟电路和数字电路分区的交界处。根据频率和类型分割PCB上的电路, 要仔细选择时钟电路的位置, 避免出现过长的时钟信号布线。通常的做法是按照信号流向安排各个功能模块, 使布局便于信号流通, 并尽可能保持信号方向一致。
2.2 印制板布线
在信号频率>10 MHz的情况下, 印制板上的布线、过孔、器件封装等都会引起不可忽略的分布电感和电容。当布线长度大于噪声频率相应波长的1/20时, 则会产生天线效应, 噪声会通过印制线向外辐射。信号线上的过孔会引起大约0.5pF的电容, 器件的封装材料本身也有可能引入大约2~6pF的电容, 这些小的分布参数在高速电路中的作用不容忽视。
PCB设计时, 电源、地的过孔应尽可能靠近器件的相应引脚, 加粗电源线和地线宽度能减少环路电阻, 同时应尽量使电源和地线走向和数据方向基本一致, 有助于增强抗干扰能力。采用较窄的印制线 (4~8 mil) 能增加高频阻尼和降低电容耦合。布线时要避免大的电流环路面积。采用多点接地使高频地阻抗更低。布线时应避免90°拐弯, 因为90°拐弯会增加电容并导致传输线特性阻抗发生变化。保持相邻线迹之间的间距大于线迹的宽度能使串扰最小。
2.3 电源平面层的分割
为了提高不同电源之间的隔离度, 使得数字部分的干扰尽可能少地传递到模拟信号部分, 必须进行电源平面的分割。但是不恰当的分割也会造成信号回流路径不完整, 影响数字信号的完整性。因此, 电源平面层分割的原则是, 要看分割后的信号回流路径是否被增大, 回流信号对其他信号的干扰是否会增大。如果有条件, 可以将电源平面分层设置, 因为电源分层, 出现信号跨平面层分割的情况会大大降低, 能有效提高信号质量。
综合以上3个方面, 在高速数模混合PCB实际设计当中, 应当遵从以下几个要点: (1) 将PCB区分为相对独立的模拟和数字部分; (2) 元器件布局时区分模拟和数字部分; (3) 只保留统一的地, 模拟电路和数字电路使用公共地平面; (4) 所有层中, 模拟信号在电路板模拟部分布线, 数字信号在数字部分布线, 电路中的电流环路应保持最小; (5) 电源线和地线应相互接近; (6) 布线尽量不跨越分割电源间的间隙, 如果不可避免地要跨分割电源布线, 那么尽量将信号线布在紧邻大面积地平面的走线层上。
3 设计实例
以某种信号处理板为例, 板子要安装两片模数转换芯片, 该器件本身同时有模拟电路和数字电路两部分, 分别使用模拟3.3V电源和数字3.3V电源, 对这两个器件的PCB设计采用了以下方法: (1) 首先是器件的布局, 模数转换器件尽可能靠近模拟信号在电路板边缘的输入插座, 与为其提供模拟电源的芯片一起组成一个模拟电路部分, 独立于其他数字器件摆放, 如图1所示。 (2) 地层的设计遵从一个地平面的原则, 将模拟地和数字地引脚全部连接到同一地平面, 引线要尽量的短。在数字器件和模拟信号线之间对地层进行了不闭合的隔离, 约束信号返回电流的流向, 避免模拟信号电流和数字信号电流相互影响。 (3) 在两个电源层分别分割模拟电源和数字电源, 将数字电源和模拟电源尽可能隔离, 如图2所示。 (4) 添加高频低电感陶瓷去耦电容, 去耦电容可以消除高频噪声, 容值的选择与噪声频率有关, 一般可以用C=1/F计算, 多数选用0.1μF或0.01μF的多层陶瓷电容, 大约5片以上需要加装一个钽电容作为蓄能电容。
4 设计效果及分析
以上述印制板为例, 经过上述设计, 模数转换器前端输入的采样时钟和模拟信号在实际使用时的信号传输基本没有受到数字信号的干扰, 达到了设计要求。
数模混合电路的PCB设计是一个较为复杂的过程, 器件布局布线和电源地平面层的处理都能影响到电路性能, 尽管这只是EMC设计中的一部分。通常采用以上抗干扰措施, 就能有效消除电路之间的电磁干扰。设计时遵从一定的规则, 就能使设计的PCB更好地达到使用要求。
摘要：数模混合电路PCB设计中, 如何消除电磁干扰是一个难题。印制板抗电磁干扰设计能提高线路本身的抗干扰能力, 减少电磁辐射, 从而保证电路系统工作的可靠性, 保证设备电磁兼容性。现通过对干扰源、干扰对象和干扰途径的分析, 依据PCB设计实例, 探讨了利用PCB设计抑制和消除干扰的方法。
关键词：数模混合电路,干扰,EMC
参考文献
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[3]ADI公司高速PCB布板指南[Z].
石灰石湿法烟气脱硫中的数模研究 篇8
关键词：湿法脱硫 (FGD) ,液滴下落模拟,SO2吸收模拟,石灰石
引言
我国是燃煤大国, 随着工业化进程, 能源消耗占世界的8-9%, 能源组成中燃煤约占75%, 而SO2排放量的90%来自于燃煤, 而燃煤产生的污染已经成为我国大气污染的主要来源之一[1,2,3]。因此环保工作的重点之一是治理SO2污染, 在我国要防治SO2污染, 控制火电厂、工业锅炉及窑炉等三大项烟气源的排放是关键, 而烟气脱硫技术是解决烟气排放污染的主要途径。目前, 我国已有石灰石/石膏湿法、氨水脱硫法、海水脱硫法、循环流化床法等十多种工艺的脱硫装置。目前由于湿法脱硫工艺中的固硫剂价廉易得、副产物便于利用、煤种适应范围宽, 并有较大幅度降低工程造价的可能性, 是世界上应用最多、最为成熟的技术[4,5,6]。因此现阶段我国大力发展湿法脱硫技术[7], 其中石灰石/石膏湿法是主流的湿法脱硫技术。
本文系统分析研究了石灰石/石膏湿法工艺技术原理, 通过对系统的合理假设, 结合实际项目数据, 提出了一套关于石灰石/石膏湿法脱硫工艺的数学模型。根据这套数学模型可以对整个脱硫系统进行分析研究, 并指导工艺的改进。同时也可以对运行数据进行验证, 为烟气脱硫装置的运行参数提供可靠的技术资料。
一、石灰石/石膏湿法烟气脱硫化学原理
石灰石/石膏湿法数学模型的建立是基于对湿法烟气脱硫过程中发生的一系列物理化学反应的深刻认识。到目前为止, 国内外研究湿法烟气脱硫技术的文献很多[8,9,10,11], 对脱硫过程模型的研究大都围绕着下面四个子过程进行:SO2吸收子过程、脱硫剂溶解子过程、中间产物氧化子过程以及脱硫产物结晶子过程。主要的化学反应过程如下:
◆水的电离
◆SO2的吸收
◆脱硫剂的溶解
◆中间产物的氧化
◆脱硫产物的结晶
二、石灰石/石膏湿法烟气脱硫数学模型
石灰石/石膏湿法脱硫数学模型的建立是以吸收塔内部为中心。首先对喷淋层到浆液池之间的空间进行了细化分层, 以一个浆液滴作为计算单元, 计算出每一层上浆液滴以及烟气的变化状况。接着对时间进行网格划分, 利用时间向前向后差分计算下一时间层上各种参数的变化情况, 直至最后一层。最后利用二分法计算出口分压, 求出脱硫效率。具体的建模过程分为以下几个方面:
a) 浆液滴的下落过程的模拟
在本文中, 假设浆液滴的下落过程为球体在气体中的下落进行处理。利用流体力学[12]中的公式, 下落过程满足:
其中ud和ug分别是浆滴和烟气的下落速度, ρd和ρg分别是浆滴和烟气的密度, d是浆滴的直径, l是浆滴下落高度, t是浆滴下落时间, μg是烟气的黏度。
我们利用欧拉法来计算浆液点的速度, 以0.01秒为一个步长, 计算各个步长上的浆液速度ud, 然后用ud乘以步长的时间得到一个步长时间内浆液下落的距离, 然后把各个步长内浆液下落距离相加, 使得它等于喷淋层的高度, 这样也得到这个喷淋层的分割层数。同时本文参考[13]中的研究结果并考虑到浆液滴下落过程中聚并的因素, 在计算中浆液滴的直径设为0.0029m。
b) SO2吸收过程的模拟
本文中SO2的吸收过程主要分为以下几个方面:
a) SO2扩散传质系数的计算
根据参考文献[9]中的研究, SO2在浆滴表面被吸收, 传质通量的方程式为:
其中: 由于本文篇幅有限, 具体的计算方程不再展开。
b) 网格上各点的Ca (OH) 2和Ca SO3溶解或结晶速率的计算
正数表示沉淀, 负数表示溶解。
c) 六价硫离子浓度分布的计算
六价硫离子浓度的微分方程为
本文中对此方程进行离散计算:用差商代替导数, 即 其中C指某个元素浓度, h指离散的间隔。在每个网络点上求解方程上所需的各个元素的浓度。
d) 总钙浓度分布的计算
总钙浓度的微分方程为
本文中对此方程的计算方法同六价硫离子浓度德计算。
e) H+浓度的计算
本文中利用“离子电荷平衡式”和“离子平衡方程式”计算出H+浓度。
离子电荷平衡式:
离子平衡方程:
f) SO2分压的计算
根据本文中以上的计算可以算出浆液点里硫离子的总浓度, 即可以算出烟气里SO2的分压。分压计算公式为:
c) SO2脱硫效率的模拟
我们采用二分法来计算出口分压, 以求出脱硫效率。首先猜测一个SO2出口分压, 根据上述液滴下落模型采用显示三点格式计算出出口第一层浆液滴内各离子的浓度分布情况, 计算结果作为下一层的输入, 由此一直计算到进口处, 比较最后层的分压和进口分压。如果计算值过大, 则减少出口分压, 反之, 则加大出口分压, 最后直至相等。
三、模型验证
在某铝厂自备电厂, 烟气脱硫系统已经运行, 且运行参数被用于验证本文提到的模型。该烟气脱硫系统的计算工况为:烟气流量为554000Nm3/h, 吸收塔有4层浆喷嘴, 塔的内径为8.4m, 平均塔出口温度47℃, 入口SO2浓度4000mg/Nm3, 喷淋量16000 m3/h, 喷淋速度8m/s。改变吸收塔内浆液的p H值, 将模型计算得到的SO2去除效率与PH值的关系和实测所得的数据作一对比, 具体见图1所示。结果表明, 模型的计算结果与脱硫系统设计数据的建议值吻合较好。
四、结论
本文从化学和物理原理方面分析石灰石/石膏湿法脱硫工艺, 建立了相应的数学模型, 并对此模型进行了计算, 可以用于预测SO2去除效率, SO2分压分布情况等等。同时可以随时调整关键参数, 根据新的参数计算出相关的预测结果。经过已运行电厂烟气脱硫工程的运行数据验证, 计算较为准确, 可以为工艺系统设计、调试和运行提供相关的技术支持。
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数模 篇9
马钢新区能源综合利用工程[1]135MW汽轮发电机组的基础由于设备构造紧凑,使得基础外形在设计上受到了极大的限制,最小横梁截面的宽度只有0.5m。另外,由于转子轴承座与基础之间的连接属于落地轴承,扰力全部作用在了横梁中点,以上的特性使得基础的动力响应偏大,超出了《动力机器基础设计规范》[2]的要求。所以对大容量汽轮机设备,设备荷载布置、扰力性质均发生了变化,对其基础结构的设计较普通机组进行了较大的改动。国内没有该同类基础的运行业绩,属国内首台基础,按照《火力发电厂设计技术规程》(DL5000-2000)[3]的要求,即“对于新型机组的首台基础宜进行模型试验研究”,有必要对其进行模型振动试验研究,用以验证设计的正确性。但由于该电厂工期非常紧,进行物理模型试验的模型制作及混凝土养护等在时间上已经不具备条件了,而相对于物理模型试验而言,数值模型分析具有模型建立速度快、修改方便、能模拟较复杂的工况、无噪声干扰等诸多明显优点。为此,本文利用用有限元软件SAP2000中频域分析[4]功能对本工程汽机基础进行数模振动特性试验研究。
该基础外形详细尺寸及设备荷载分布见图1,采用了框架式基础,占地面积小,构件尺寸较为经济,可以提供足够的空间给工艺管线和辅助设备,对这种大容量的汽轮发电机组,传统将结构简化成梁单元进行计算的精度已经不能满足实际工程的要求了,计算振幅往往较实际偏大较多,基础的自振特性也不真实,结果导致机器工作时出现共振,引起较大的振幅。本文采用能够真实反映基础自身特性体四面体单元来模拟。
本研究主要分析汽轮发电机基础数值模型振动特性分析,得出汽轮发电机组启动过程中及带负荷运行中,基础的强迫振动响应的一系列数据、曲线等,在此基础上对该汽轮发电机基础作出评价,提出优化截面的建议、方案及该汽轮发电机基础的动力特性的各种参数,为机组今后的检修及故障诊断提供重要参考依据。
2 数值模型的建立
本研究主要利用SAP2000中结构动力分析[4]功能,具体分析流程为:建立模型、检查模型、划分网格、模态分析、谐振响应分析,最后对分析数据进行处理,并以图表的方式显示。
2.1 有限元模型的建立
数值模型的准确与否直接关系到分析结果的准确性,特别是对于大型汽轮发电机基础等复杂结构,由于设备、工艺等各方面要求,结构本身形状比较复杂,因此,应尽可能地利用能反应结构实际特性的单元模拟结构形状,以力求更真实、准确和直观地反应结构自身的力学行为。汽轮机基础在设备运行过程中实际上与上部设备(汽轮机、发电机)一起耦合振动,而且上部设备的质量和刚度对基础自身的力学行为也有较大的影响。本文利用SAP2000强大的功能,在按照《动力基器基础设计规范》要求,建立基础一设备联合系统数值模型,这样可以得到更为真实的分析结果。
在不影响计算结果精度的前提下,对严重增加计算难度的局部作了忽略处理,如比较小的洞口、螺栓孔和较浅的槽等部位,利用四面体单元模拟结构,利用正交异性材料参数模拟钢筋混凝土材料。框架式基础由于采用大底板下打桩,其支座近似用刚结约束边界条件来模拟。
2.2 设备荷载的模拟
安装在基础上的机器设备具有一定的质量、刚度和转动惯量,但由于受到设备自身的形体的复杂性、设备和基础之间的连接方式等因素的影响,设备刚度和转动惯量的大小和位置很难给予定量的确定。故在本模型简化过程中,为了与实际情况尽量接近,将设备简化成具有一定质量、一定刚度的实体结构,按照设备厂家提供的设备荷载图中荷载位置布置在基础上。简化的原则是质量相等,体积和刚度宁小勿大。
2.3 设备的扰力
按照《动力机器基础设计规范》要求,计算振动线位移时,应采用机器制造厂提供的扰力值,当缺乏扰力资料时,其扰力取值为0.1倍机器转子重力,采用集中到螺栓作用点部位上。
按照《动力机器基础设计规范》要求,计算振动线位移时,任意转速的扰力,可按下式计算:
式中,Poi为任意转速的扰力,kN;n0为任意转速,r/min。
此条规定通过SAP2000稳态分析工况定义稳态函数f=(n0/n)2来实现。
3 基础动力特性优化分析
3.1 优化变量的选取
初步建立的数模,在本文中称此计算模型为Model。在该基础的中间平台上设计了风道壁,壁厚100mm,但在计算模型中没有考虑这部分,所以作为第二套计算模型,即加了风道壁,此部分由壳单元来模拟。在本文称此计算模型为Mode2。
在优化计算前,我们和设备厂家配合,对于杆件可进行优化的参数作了确定如下:
柱子单元:1号、3号～5号柱单元可适当增加,优化范围是20%～10%,但减少后截面仍要满足相应的规范要求,即长细比小于14;2号柱单元不可增加,其优化范围是-20%～0%。
中间平台的纵横梁单元:为了优化后不影响设备的安装,所以优化后截面没有增加,为此优化范围是-20%～0%。
顶板横梁单元:所有横梁单元的宽度不能变化,高度的下限均取-10%,上限1号横梁(高中压缸端)可由2.5m增加到3.0m;2号横梁(高中压缸与低压缸之间)可由3.0m增加到4.0m;3号横梁(低压缸与发电机之间)可由2.5m增加到3.0m;4号横梁(发电机与励磁机之间)可由2.5m增加到3.0m,5号横梁(励磁机端)不能改变。
顶梁纵梁单元:只能减小不能增加,所以优化范围是-15%～0%。
在优化分析的基础上,根据专家们的建议,结合工艺要求进行了适当的调整,首先去掉了励磁机端的一排柱,其它杆件截面也进行了相应的变化,形成的结构模型相对于原始的主要变化简要如表1所示。
注:表中数字单位:m。
从表1中可以看出,优化模型相对于原始模型在结构断面方面做了比较大的改动,总重量略有增加(67t),不过如果考虑到地板厚度的降低,混凝土的节约量还是比较可观的。
3.2 两个计算模型优化结果分析
由于该基础受设备条件的限制,结构外型本身各杆件尺寸都已很小,而基础的振动线位移偏大,所以优化的目标重点在于振动线位移,表2是两个计算模型的优化结果。
从表2来看,比较以上的计算结果,优化后的结果比较明显,增加风道壁单元的Mode2在Z向振幅明显下降,最大振幅小于20μm,满足了《动规》要求,说明增加风道壁单元后对发电机与励磁机之间的横梁振动有较大的影响,而Y向变化较小;从自振特性变化上看,优化后由于大部分柱子的截面是减小,且变化率较大,所以结构更向柔性变小,第1阶自振频率有所下降,频率分布却有所变希,最大振动出现的转速有所降低。Mode2相对于Model最大振幅的下降率为18.54%。另外,在最大振动线位移下降的同时,总重量略有增加(60t),说明在优化计算中通过杆件断面的重新分配,大大提高了结构的动力特性。
表3为扰力点Z向的最大振幅和转速,数据表明相对于初始模型而言,优化后模型中各关键点的振幅普遍有所下降,特别是在运转阶段各扰力点Z向的最大振幅下降较多,说明优化模型相对于原始模型达到了比较明显的优化效果;优化后由于大部分柱子的截面是减小,且变化率较大,所以结构更向柔性变化,最大振动出现的转速有所降低。计算结果表明,在扰力的作用下,大多数点的振幅普遍较小,优化后模型振幅的数值计算结果完全满足规范的要求。扰力点的振幅曲线见图2。
图2的幅频曲线表明:
1)相对于初始模型而言,优化后模型中各关键点的振幅普遍有所下降,特别是最大振幅下降较多,说明优化模型相对于原始模型达到了比较明显的优化效果;优化后由于大部分柱子的截面是减小,且变化率较大,所以结构更向柔性变化,最大振动出现的转速有所降低。
2)《动力机器基础设计规范》中规定在汽车启动过程中(0r/min～2250r/min)基础上扰力点的允许振动线位移为30μm,在工作转速范围内(2250r/min～8750r/min)基础扰力点的允许振动线位移为20μm,计算结果表及频幅曲线图表明,在扰力的作用下,大多数点的振幅普遍较小,优化后模型振幅的数值计算结果完全满足规范的要求。
3)优化后模型中扰力点Z向的振幅比较均匀,非常有利于机组的平稳运行。
4 结语
通过对马钢新区能源综合利用电厂改扩建工程汽机基础进行数值模型分析可以看出,优化模型相对于初始模型明显得到改进,最终模型的动力特性都达到比较好状态。数值实体模型分析结果显示,在扰力作用下,绝大多数点的振幅较小,均满足《动力机器基础设计规范》的要求(工作扰频25%内为20μm,其它范围内为30μm)。
摘要：通过对马钢新区电厂工程135MW汽轮发电机基础进行数模振动特性试验研究,得到基础的动力特性,预测在电机启动过程中及带负荷运行中,基础强迫振动响应的一系列数据、曲线,对该汽轮发电机基础作出评价,在基本模型基础上优化,并提出基础的动力特性的各种参数,为机组今后的检修及故障诊断提供参考依据。
关键词：汽轮发电机,基础,数模振动试验
参考文献
【1】国电电力建设研究所.马钢新区能源综合利用电厂工程??135MW汽轮发电机基础数值分析报告[R],国电电力建设研究所,2005.
【2】GB50040-96动力机器基础设计规范[S].
【3】DL5000-2000火力发电厂设计技术规程[S].
数模 篇10
射频标签又称 为射频识 别 ( Radio Frequency Identification,RFID) ,是20世纪90年代出现的一种自动识别技术[1]。阅读器发射的无线射频信号可以被特定的射频标签识别,从而交换、存储数据信息[2]; 与传统的识别技术不同,射频识别解决了免接触等问题,并可同步实现运动目标识别、多目标识别[3],因此被广泛应用于物流系统、室内定位[4]、身份识别、交通管理和医药行业等许多领域[5]。
在引入数模混合仿真方案之前,RFID芯片通常是模拟及数字部分单独进行仿真验证[6]。由于没有进行芯片级系统仿真,无法验证接口的功能、时序以及数字、模拟电路之间的相互影响,可能会导致流片失败[7]。为了解决这一问题,采用了基于Synopsys公司的XA-VCS数模混合仿真解决方案,并对存储器模型进行了修正,实现了对RFID芯片的数模混合信号仿真验证,从而缩短了产品设计周期,有效降低了设计风险。
1 RFID 工作原理
如图1所示,RFID芯片可以 分为模拟 前端( AFE) 、数字基带处理单元( BPU) 和电可擦除可编程存储器( EEPROM) 存储器三部分。模拟前端电路与天线相连,主要功能是电源管理、射频信号的调制解调及数字接口信号生成。电源管理部分包括ESD保护电路、整流电路、高压泄放电路和基带稳压电路; 调制解调电路完成ASK、FSK和BPSK等信号调制解调工作; 数字接口信号生成主要包括时钟恢复电路、上电复位( Power on Reset) 模块等等。数字基带单元是整个芯片的控制单元,其中包括基带协议处理、EEPROM接口、RF接口、加解密单元等。EEPROM存储器负责数据的读取与存储,可重复读写,由存储单元即Bit Cell阵列、数字控制电路、模拟电荷泵等模块组成[8]。
在工作过程中,RFID通过天线接收阅读器发送的载波信号,并通过整流电路将其转换为直流信号,为整个芯片供电; 同时解调模块解调出经调制的载波信号所携带的数据信息,并传递给片上的数字基带部分加以处理; 基带部分与EEPROM存储器部分共同完成数据的读写和处理,再通过调制模块将上行信号返回给阅读器,从而完成一次通信。由此可见,RFID芯片的通信依赖于模拟电路、数字基带及存储器的协同配合,在功能上,数字与模拟电路接口需要准确配合; 在性能上,模拟部分要为数字基带及存储器提供稳定的电源和正确的输入信号,反过来数字电路及存储器的功耗也会对模拟电路造成负载的变化及噪声干扰[9]。
2 XA 仿真环境的建立
XA是Synopsys用于晶体管级电路瞬态仿真的仿真器,在保持了HSIM、Nano Sim的快速、大容量性能的基础上能够得到SPICE的精度[10]。在芯片设计过程中,首先使用XA进行仿真,主要是有以下分析目标:
1上电复位电路是否能保证数字逻辑正确复位并进入工作状态;
2数字电路工作时,模拟稳压电路是否能够保证其稳定工作。
仿真环境的建立采用Spice-Top的方法,模拟前端加射频非接触激励源作为一个整体的模拟电路Spice网表,数字电路网表来自于APR工具输出的Verilog格式网表,利用V2S工具将该网表转换成Spice仿真工具可以识别的CDL网表[11]。根据对功耗情况的分析,在RFID芯片中功耗最大的负载为EEPROM存储器,因此在仿真中需要重点关注EEPROM工作状态下的功耗对模拟前端电源及解调性能的影响。图2是XA仿真结果,从图中可以看到,数字逻辑部分工作正常,可以完成协议处理及数据返回,说明上电复位电路以及稳压电路能够满足数字逻辑的工作需求。
3 全芯片数模混合仿真环境的建立
数模混合信号仿真是数模混合集成电路功能验证的一种系统仿真方案。通过把快速SPICE仿真器与VCS数字仿真器集成到统一的混合信号仿真流程中,成功地克服了行为级验证对模型精确度的依赖性以及晶体管级验证耗时长且效率低等缺点,实现同时仿真数字和模拟单元,验证接口时序、功能,并在仿真的速度和仿真精度间可以进行灵活的折衷。
采用基于Verilog-Top的流程建立芯片的混合信号仿真环境,如图3所示,模拟电路加上VerilogWrapper后,使用Verilog完成顶层描述和模块调用,仿真参数设置文件描述接口部分的电压转换阈值,配置文件主要完成仿真参数配置。在完成混合仿真后,仿真数据统一由FSDB格式输出[12]。在数模混合仿真中,存储器部分的仿真模型主要由以下几种方法实现:
1利用存储器的数字行为模型在数字域完成仿真,缺点是无法为模拟部分提供准确、有效的负载;
2如果有存储器的SPICE网表,则可以把仿真放到模拟部分,但缺点是需要初值的存储器( 如EEPROM) 初始化工作比较复杂,并且较大的存储器会导致整体仿真速度变得异常慢;
3采用存储器的电流模型( PWL格式) 进行仿真,需要Foundry提供相应的模型文件,其优点是仿真拟真度较高,且仿真速度较快。
由于文中EEPROM存储器为加密网表,而XAVCS混合信号仿真中不能对加密网表处理; 同时考虑到存储器对电源负载的影响较大,故采用于PWL模型的仿真方法,以验证系统带载状态下的性能。仿真结果如图4所示,电源电压输出不正常,解调输出错误,VDD被拉到0 V以下,这与实际情况显然不符,纹波幅度也超出了预期,说明PWL模型在混合信号仿真中直接使用存在一定的问题。
4 存储器仿真模型的修正
通过上述仿真,可以看到由EEPROM的PWL模型与实际电路负载对电源的影响差别较大,经分析,认为电流模型作为负载其最大的问题就是电流的强制性,这种强制抽取的电流甚至可以将电源电压拉到负值。所以采用Verilog A建立一个受电流源控制阻值的受控电阻的CCR( Current Control Resistor,CCR) 模型,该模型可以避免电流源对电源电压的强制拉低。CCR的Verilog A模型文件如下:
同时,考虑到EEPROM的等效负载中应存在等效电容因素,根据经验值估算出该电容约100 ~200 p,所以将CCR并联一个200 p的电容。验证该模型准确性,可以通过比较加入CCR仿真结果( VDD1) 与EEPROM Spice网表仿真结果( VDD2) 来实现。图5为两者仿真结果的对比,可以看到除了源纹波较大,两者仿真结果比较接近。
5 数模混合仿真结果
利用修正后的存储器仿真模型,重新完成了全芯片的数模混合信号仿真,结果如图6所示。从仿真结果可以看出,解调信号接收,以及数据返回功能正常,数字、模拟间各输入输出信号功能正常,电源电压正常。通过这一仿真成功验证了该射频标签芯片的接口功能及时序,同时也验证了修正的存储器模型的正确性。
表1所示是本项目中用到的各种仿真方法运行相同测试用例( Test Bench) 消耗时间的比较。
从表1可以看出,采用基于数模混合信号仿真的方法,可以在获得较为准确的仿真结果的同时,大幅节省验证时间,相较传统的纯模拟仿真方法节省时间在10倍以上。
6 结束语
在数模混合信号芯片的设计过程中,设计的瓶颈就是复杂的全芯片功能验证以及数字和模拟间的接口节点分析。考虑到这些问题,针对一款RFID芯片的仿真,提出了一种基于XA-VCS的混合信号验证方法,并对存储器的仿真模型进行了修正,以适应混合信号仿真的需要。仿真结果表明,该方法在保证一定精度的基础上,大大缩短了仿真时间,提高了验证的效率,使设计人员在早期仿真阶段就能及时发现设计中存在的问题,从而改进设计的质量。
摘要：针对射频标签芯片的设计,介绍了一种基于Synopsys XA及VCS的数模混合信号仿真方法。在分析射频标签芯片基本架构和工作原理的基础上,首先采用XA完成了仿真环境的建立,初步验证了芯片的电源系统和基本逻辑功能;在此基础上,开展了数模混合信号仿真技术的研究工作。探讨了在混合仿真中对存储器建模的几种方法,并针对EEPROM的电流模型在仿真中与实际工作状态不符的问题,设计了一种基于电流受控电阻的存储器仿真模型。仿真结果显示,修正后的存储器模型与Spice仿真结果较为接近,利用该模型成功实现了全芯片的数模混合信号功能仿真和接口时序验证,且仿真速度约为传统方法的10倍以上,从而为芯片验证工作节约了大量的时间。