电气仿真建模

电气仿真建模（共8篇）

电气仿真建模 篇1

0 引言

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

[1]余定华,王益民.机车电缆的抗电磁干扰性研究[J].机车电传动,2005(6):36-40.

[2]廖志强,陈东春,刘水文.煤矿井下电磁干扰源及抗干扰技术研究[J].工矿自动化,2012,38(7):25-28.

[3]CHELDAVI A,KAMAREI M,NAEINI S S.Analysisof coupled transmission lines with power-lawcharacteristic impedance[J].IEEE Transactions onElectromagnetic Compatibility,2000,42(3):308-312.

[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.

[5]张榴晨,徐松.有限元在电磁计算中的应用[M].北京:中国铁道出版社,1996.

电气仿真建模 篇2

13工业工程2班 李伟航 13工业工程2班

实验10

一、实验目的: 1.学习库存系统查库与订货处理的结构建模方法

2.学习用Equation模块、Equation（I）模块读写数据库的方法 3.学习用Equation模块、Equation（I）模块进行编程计算的方法

二、实验问题

1.打开上次实验你保存的文件（这个文件要保存好，下次实验还要使用），然后根据以上视频，进行操作实验。

2.简述用Equation模块计算订货量的程序逻辑。

3.简述用Equation（I）模块计算并累加总订货成本到数据库中的程序逻辑。4.Equation模块与Equation（I）模块有何不同？

5.在本案例的假设前提下，在一笔订货的在途货物运输期间（即提前期期间），会不会再次发出订货指令？或者换句话说，每次查库时，会不会有已订但未到的货？为什么？

三.实验过程

1.生成查库员（查库信号）

用Create模块每天生成一个库存检查员实体（实际代表一个查库信号）Create模块具体设置如下图：

2.判断是否需要订货

利用Select Item Out模块、Equation模块和Simulation Variable模块检查库存，并判断是否需要订货。若需要，就将库存检查员实体发送到Select Item Out模块的上端口输出进行后续处理；若不需要订货，就将库存检查员实体发送到下端口输出，简单地离开系统。其中，Equation模块的设置如下图。

3.无需订货的处理

由上一步Equation中设置可知，当s=1时，即无需订货的情况下，直接将库存检查员实体从Select Item Out模块下端口输出，通过Exit模块离开系统。Select Item Out模块设置如下，当s=0时从上端口输出，否则从下端输出。

4.订货处理-建立模型

当s=0时，即需要订货的情况下，库存检查员实体有Select Item Out模块上端口输出，后续订货处理模型如下图：

5.计算订货量

用一个Equation模块获取数据库中的当前库存（kc）和最大库存(ds)，计算订货量dh。Equation模块设置如下：

6.设置订货量属性

将第5步Equation模块计算得到的订货量（dh）输出给Set模块，将订货量赋值给检查实体dh属性。Set属性设置如下图。

7.用Equation（I）模块计算并累加总订货成本到数据库中

因此用Equation（I）模块获取数据库中固定费（gdf）和可变订货费（kbf），再根据订货量算出本次订货成本，把它累加到总订货费用（toc）并写入数据库中。具体Equation（I）模块设置如下图。

8.设置提前期

从下订单到所订货物入库的这段时间为订货提前期，这里用Activity模块表示，设置该提前期服从0.5-1天的均匀分布。订货提前期的设置如下。

9.到货后更新数据库中的库存数据

库存检查实体离开Activity，表示提前期结束，货物到达，到货后用Get模块获取订货量，用Write模块将订货量累加到数据库中的sc表的当前库存（kc）中，根据订货动态增加当前库存。Write模块设置如下。

10.观察运行结果 运行模型，观察数据库sc表中的库存（kc）由变为13，累计订货费用达到了11125。

四.实验问题的分析解答

1.上述过程即为实验步骤。本实验实验模型如下：

2.答：用Equation模块计算订货量的程序逻辑：是当检测到库存小于订货点xs时，用最大库存ds减去目前库存，即为订货量，即dh=ds-kc；过程如实验步骤5所示。

3.答：用Equation（I）模块计算并累加总订货成本到数据库中的程序逻辑是：因为每订货一次的成本=固定费（gdf）+可变订货费（kbf）*订货量（dh），将每次的订货成本累加到总订货成本当中去，即toc=toc+gdf+kbf*dh，即更新了总订货成本。具体步骤如步骤7所示。

4.答：Equation模块是由value库中添加的值模块，是用来读取传递系统产生的值（如产生的随机数）并进行相应的逻辑运算，而对于实体传来的属性则不可以读取；而相反的，Equation（I）模块是由Item库中添加的实物模块，用来读取和传递实体属性并进行相应的逻辑运算。两者都可以读取数据可中的数据。

5.答：一笔订货的在途货物运输期间，不会再次发出订货指令。因为在Create模块中设置了检查实体到来的间隔为1天，而订货提前期服从0.5-1的均匀分布，所以不会出现每次查库有已订但未到的货的情况。

实验11

一、实验目的

1.通过实验理解各种库存性能指标的含义 2.学习用Read模块读取数据库数据的方法

3.学习用Max&Min模块、Mean模块、Equation模块以及各种计算模块计算和采集库存系统性能指标的方法

二.实验问题

1.打开上次实验你保存的文件（这个文件要保存好，下次实验还要使用），然后根据以上视频，进行操作实验。

2.本实验中，用read模块读数据库数据时，在其option页要做何设置？ 3.用Mean Variance模块计算平均每天总成本的均值和置信区间时，模块对话框要做何设置？

4.利用本次实验建立的模型，实验比较以下各组（s，S）下的平均每天总成本：(20, 40)(20, 60)(20, 80)(20, 100)(40, 60)(40, 80)(40, 100)(60,80)(60,100)(80,100)对每种情况重复运行20次，写出各项配置下的平均每天总成本的均值和置信区间。并写出以上最优的（使得平均每天总成本最低）的（s，S）。

5.添加必要的模块，分别计算平均每天缺货成本、平均每天储存成本、平均每天订货成本的均值和置信区间。6.用Plotter，Discrete Event模块绘制当前库存水平的波动曲线，并同时绘制一条高度为20（即订购点）的水平直线，和一条高度为0的水平直线（连接constant模块到plotter DE模块），观察并库存曲线的波动情况以及和两条直线的关系，根据你的观察，缺货情况经常发生吗？

三.实验过程

1.在库存发生变化时读取数据库中当前库存水平

每当库存数据发生变化时，用Read模块读取库存（kc）的值，Read设置如下：

2.计算平均每天储存成本 当库存大于0时，通过max模块与0比较得到当前库存值，并通过Mean&Varience模块（运行10次）计算平均每天的库存，再用Equation模块计算平均每天储存成本。计算平均每天储存成本的模型与设置如下所示：

3.计算平均每天缺货成本 当库存小于0时，通过max模块与0比较得到当前缺货数，并通过Mean&Varience模块（运行10次）计算平均每天的缺货数，用Equation模块（缺货数取反）计算平均每天缺货成本。计算平均每天缺货成本的模型与设置如下所示：

4.计算平均每天订货成本

利用Read模块读取运行完后数据库中的总订货成本，再用Math模块除以系统运行当前时间，得到平均每天订货成本。平均每天订货成本模型和设置如下：

5.计算平均每天总成本

利用Math模块将第2、3、4步所计算出的平均每天储存成本，平均每天缺货成本和平均每天订货成本相加即得到平均每天总成本。

6.计算平均每天总成本的均值和置信区间

在Math模块后用Mean&Varience模块计算运行10次之后的平均每天总成本的均值和置信区间。

四.实验问题的分析解答

1.上述过程即为实验步骤。本实验实验模型如下：

2.答：由于本实验要求在库存发生变化时读取数据库的库存水平，因此在Read模块中的Option选项中，选择Discrete event-read data during when 以及勾中data sources change，意思即为数据发生变化时读取数据库。设置如下：

3.答：用Mean&Varience模块计算平均每天总成本的均值和置信区间时，要勾中Calculate for multiplte simulations，意思是计算出运行多次情况（这里为10）次时平均每天总成本的均值和置信区间。

4.答： 10种情况的运行结果如下，其中最优的（s，S）为（20,60）。

（20，40）（20，60）（20，80）

均值：125.8870元 均值：120.3812元 均值：121.4371元

置信区间（125.8870±2.2602）置信区间（120.3812±1.8750）置信区间（121.4371±1.0904）

（20，100）（40,60）（40，80）

均值：128.1696元 均值：127.3233元 均值：127.5943元

置信区间（128.1696±1.1935）置信区间（127.3233±1.2890）置信区间（127.5943±0.8358）

（40,100）（60,80）（60，100）

均值：134.0826元 均值：146.2447元 均值：147.6999元

置信区间（134.0826±1.2611）置信区间（146.2447±1.3544）置信区间（147.6999±1.1276）

（80,100）

均值：167.5711元 置信区间（167.5711±1.2291）

5.答：用3个Mean&Varience模块计算平均每天存储成本、缺货成本和订货成本的均值和置信区间，Mean&Varience模块勾中Calculate for multiplte simulations。添加模块后的模型以及运行结果如下：

平均每天存储成本：平均每天缺货成本

均值约为9.5140元 均值约为16.2608元 置信区间为（9.5140±0.2234）置信区间为（16.2608±0.9608）

平均每天订货成本：

均值约为98.7903元

置信区间为（98.7903±1.3140）

6.答： Plotter Discrete Event模块设置和运行后的库存水平波动曲线如下图所示，由曲线图可以看出库存水平在0和20之间以及上下变动。由图可以看出，位于0以下的曲线分布比较多，这意味着缺货的情况发生的比较频繁；曲线在0和20之间的分布也较多，这意味着需要订货的情况也发生的比较多。

实验12 一.实验目的: 1.学习库存仿真优化方法

2.学习如何设置模块表格的内容为决策变量

二.实验问题

1.打开上次实验你保存的文件，然后根据以上视频，建立优化模型。

2.在优化模块（Optimizer）中，整数型决策变量和连续型（实数型）的输入方法有何不同？

3.请在你的模型上，使用Extendsim软件提供的优化器来寻找（s，S）的最佳设置（总成本最小）。令s在1和99之间取值（步长为1，即为整数），S在2和100之间取值（步长为1，即为整数）。要注意s和S必须是整数而且满足s < S。a.优化器参数由先选择Quicker Defaults，写出优化结果（s，S）和平均每天总成本。

b.再将优化器参数由选择Better Defaults，写出优化结果（s，S）和平均每天总成本。

4.在上题（第2题）的基础上，通过将库存检查间隔（Evaluation Interval，目前为1天）作为变量加入到优化变量集中，来研究在每天开始工作时查看并补充（当需要时）库存是否是最佳方案，让该值在半天到5天之间连续取值，s和S的取值情况与上题相同。应用优化器求取最优设置。

a.先优化器参数选择Quicker Defaults，写出优化结果（s，S）、Evaluation Interval和平均每天总成本。

b.再将优化器参数选择Better Defaults，写出优化结果（s，S）、和平均每天总成本。

三.实验过程

1.用Data Init模块初始化最小最大库存(s，S)

2.设置Optimizer模块目标函数和决策变量 从value库中将Optimizer模块放进模型中，在查库与订货处理模型中将决策变量订货点(xs，1~99)和最大库存(ds，2~100)和输出变量平均每天总成本（toc）克隆拖放到Optimizer模块上，然后建立目标函数方程和约束条件。Optimizer模块设置如下：

3.设置Optimizer模块约束方程

在Optimizer模块中的Constraints中添加约束方程，约束条件为s和S必须是整数而且满足s < S，约束条件的代码设置如下：

4.设置Optimizer模块运行参数

在Optimizer模块下的Run Parameters中，由于模型为随机模型，所以单机Random mode下的Quicker Defaults按钮快速设置所有优化参数（速度快精度低），然后点击New Run。运行结束后选择Better Default按钮设置规模更大的优化参数（耗时长精度高），并比较两次的结果。

5.运行优化,查看结果

通过Optimizer模块下的Results可以看MinCost数值的变化，运行结束时最顶行会给出最优解。分别用Quicker Defaults参数和Better Defaults参数运行两次比较结果。结果见实验结论3。

四.实验问题的分析解答

1.实验过程如上述实验步骤所示。

2.答：整数型决策变量的输入方法为输入范围的时候不要输入小数点，如1；而实数型的输入方法为输入范围时输入带有小数点的数字，如1.0。

3.答：选择Quicker Defaults参数，（s，S）优化结果为（27,43），平均每天总成本约为122.37627元。

Quicker Defaults

选择Better Defaults参数，（s，S）优化结果为（20,58），平均每天总成本约为130.8615元。

Better Defaults

4.答：将库存检查间隔ei克隆拖入Optimizer模块上，在订货模型create模块后加队列防止其堵塞，ei的范围设置如下。分别运行Quicker Defaults参数Better Defaults进行优化。

 Quicker Defaults做法

第一步：选择Quicker Defaults参数,并开始运行

第二步：分析结果。

（s，S）优化结果为（9,74），Evaluation Interval（ei）为1.0186，平均每天总成本约为123.0515元。

Quicker Defaults

 Better Defaults做法

第一步：选择Better Defaults参数

第二步：分析结果。（s，S）优化结果为（38,54），Evaluation Interval（ei）为1.0714，平均每天总成本约为,120.19126元。

排队系统的建模仿真研究 篇3

1．1基本概念

排队是生活中经常出现的现象。如到银行办理业务，银行出纳员逐个接待顾客，当顾客较多时就会出现排队等待。在队列中等待服务的顾客和服务台就构成了一个排队系统。物流系统中也不乏排队系统的例子，如等待装运的物料与运输车辆之间、等待包装的商品与包装设备之间、等待入库的成品与堆垛机之间等。

排队系统的本质是研究服务台与客户之间的效率问题。服务台与客户之间存在相互依存又相互矛盾的关系。对排队系统的研究在日常社会中具有极其普遍的指导意义。排队系统的概念现已经被广泛应用于各种不同的领域。

1．2排队系统的主要特征

顾客到达模式、服务模式、服务流程和排队规则是排队系统的四个主要特征。顾客到达模式主要是指顾客到达的时间间隔，通常到达的时间间隔是一个随机变量。服务模式是指服务台为顾客服务时间，一般也是一个随机变量。服务流程是指顾客在系统中接受服务的过程，需要的服务台，经过的顺序。

排队规则是系统规定的各个顾客接受服务需要遵循的排队的顺序规定。排队规则一般有先入先出，后入先出和按优先级排队等。为了加快物料的流动，减少由于物品积压所造成的浪费和资金呆滞，先入先出是物流系统中最提倡的方式。

1．3排队系统常用的输出参数

T———系统仿真运行时间;n———实体数量;D———等待时间;S———接受服务时间。

2 排队系统仿真的基本步骤

2．1确定仿真目标

对一个系统的仿真目的可以各不相同，针对所关心的问题不同，建立的系统模型、设定的输入变量、输出变量等各不相同。因此在进行系统仿真时，首先确定仿真的目标，也就是仿真要解决的问题，这是系统调研和建模的依据。

2．2系统调研

系统结构调研的目的是为了深入了解系统的总体流程、各种建模参数，以便建立系统模型。系统调研是了解系统运行状况和采集系统数据资料的过程。系统调研所期望获取的资料一般有以下几类：

(1)系统结构参数：系统结构参数是描述系统结构的物理或几何的参数。

(2)系统工艺参数：系统工艺参数是系统运行的工艺流程，各流程之间的相互逻辑关系。

(3)系统动态参数：系统动态参数是描述系统在运行过程中动态变化的一些参数。

(4)系统逻辑参数：系统逻辑参数描述了系统运行过程中各种流程和作业之间的逻辑关系。

(5)系统状态变量：系统状态变量是描述状态变化的变量。

(6)系统输入、输出变量：系统仿真的输入变量分别为确定性变量和随机变量。如果是随机变量则需要确定其分布和特征值。输出变量是根据仿真目标设定的，仿真目标不同，输出变量也不同。

(7)事件表：事件表列举了系统运行过程所发生的各种事件的类型与描述、事件发生的时间及其相关属性。

2．3建立系统模型

系统模型由模型和模型参数两部分组成。由于系统仿真的专业性特点，仿真模型和运行模型的工作一般由专业的仿真人员来做。但是对系统的分析常常需要仿真需求方的密切配合。为了使仿真需求方了解仿真的一般过程，以配合仿真前期的调研工作，可以将上述调研所需获取的数据和参数整理并列表，由仿真需求方进行针对性的填写，以保证资料的完整性和准确性。

系统模型的形式可以是多样的，有文字叙述型、流程图型、图标型、数学表达式型。排队系统仿真模型最常用的是建立系统的流程图模型。流程图模型中应包含有：临时实体到达模型、永久实体服务模型和排队规则。

2．4确定仿真算法

仿真算法是控制仿真钟推进的方法，是系统仿真的核心。目前最为常用的有事件调度法、活动扫描法和进程交互法三种。

2．5建立仿真模型

仿真模型是将系统模型规范化和数字化的过程，同时也需要根据计算机的特点增加一些必要的部件。仿真模型主要部件有初始化模块、输入模块、仿真钟、随机数发生器、状态统计计数器、事件表、事件处理子程序和输出模块等。

2．6模型验证与模型确认

模型的验证主要检验所建立的仿真模型(包括系统组成的假设、系统结构、参数及其取值、对系统的简化和抽象)是否被准确的描述成可执行的模型。模型的确认则是考察所建立的模型是否能够代表所要研究的实际系统。

2．7运行仿真模型

运行仿真模型时需要确定终止仿真的时间。一般有两种终止方法，一是确定一个仿真时间长度，另一种方式是确定仿真事件的数量。选择哪种方式可依仿真系统的具体情况定。

2．8仿真结果分析

关于仿真结果可以有两种角度的分析：一种是从系统优化的角度考虑问题，即对照仿真目标考察仿真结果是否满意，如果满意，表明系统的参数无需再做修改;另一种分析是仿真结果是否可信，也就是说仿真结果以多大的可信度和精度能够反映我们所研究的真实系统。

2．9仿真结果输出

目前成熟的仿真软件一般都可以提供多种仿真结果输出形式，如表格输出、直方图、饼图、曲线图等图形以及数据文件等输出。

2．10单服务台排队系统仿真

这里以一个简单单服务台排队系统的仿真为例，讨论建模和分析方法及其过程。

3 仿真过程

3．1问题描述

在一个每天8小时工作制的制造内部物流系统中，在小部分货物货运与装配区之间使用一种电子高架索道来运输。在装配区域，先处理完的小部分被测试，后放到装配区域，就会产生一个结果，该结果被采纳，这个事件(测试+货物存放)符合平均值为20秒的指数分布，同样电子高架索道车的到达时间间隔也符合指数分布，到达情况为2.5辆/分，对于上述系统运行30天，分析在装配区域阻塞平均有几个高架索道车。

3．2建立仿真模型

建立仿真模型是要把上述的排队系统中高架索道车不断到达、等待、被测试和存放货物离开的过程，用一系列的离散事件表示出来，并按照已知的某种概率分布，来展示整个系统的动态的演变过程。

这里采用AutoMod来实现上述单服务台排队系统的仿真建模。首先打开AutoMod建模主界面，为该模型建立一个文件夹，并命名。然后进行如下几个步骤的建模：

(1)定义系统的实体单元：包括等待测试的高架车的队列(Queue)、正在测试的高架车队列(Queue)、以及高架车(Load)等与真实系统实体对应的实体单元;同时还包括为控制高架车到达的随机数学模型的辅助临时实体。

(2)建立其他逻辑单元，包括进程(Process)、计数器等，其中主要进程是高架车被测试的进程。

(3)根据系统的数学模型，在Source file中用用户语言编写系统的控制逻辑，主要是高架车在系统中的行动模型。

高架车在系统中动作的数学模型用AutoMod的用户语言编程如下：

(4)模型验证。逐一检查模型各实体单元、逻辑单元及其属性的定义，并检查程序代码，确保仿真模型与所描述的系统是一致的。

(5)运行设置。运行模型，运行AutoStat，在AutoStat中设置一些所需的参数：

3．3模型运行与结果输出

运行建立的模型。下面是仿真30次，每次8小时仿真长度的仿真结果。

可看到这次仿真所要求得的在装配区域阻塞平均有3.916辆电子高架索道车。企业可根据实际情况进行适当的参数修改，并可通过AutoMod的仿真结果，对调整方案进行采纳或排除。

4 结语

排队系统是我们日常生活中经常遇到的问题，通过实例建立一个简单的单服务台系统说明排队系统建模仿真的应用。本文例题中也只是让求阻塞时平均有几辆高架车，实际中往往要比这复杂得多，不仅要找出多个地方的结果，还要进行具体的分析及优化。

摘要：排队系统是一类典型的离散事件系统, 分析排队系统问题, 有重要的现实意义。主要介绍了排队系统的基本概念以及解决途径, 并结合实例, 用仿真软件AutoMod仿真运行单服务台排队系统。仿真结果表明:用AutoMod仿真软件来解决排队系统具有很大的优越性。

关键词：排队系统,AutoMod,单服务台

参考文献

[1]张晓萍.物流系统仿真原理与应用[M].北京:中国物资出版社, 2005.

[2]郭齐胜等.系统建模原理与方法[M].上海:国防科技大学出版社, 2003.

[3]张燕云.离散事件系统建模与仿真[M].北京:清华大学出版社, 1991.

超声空化微射流建模与仿真 篇4

功率超声珩磨是在普通珩磨中施加超声振动的一种精密加工方法,具有珩磨力小、珩磨温度低、加工效率高及表面质量好等优点,在汽车及坦克发动机缸套加工中广泛应用[1]。在超声珩磨过程中,为了冷却及润滑,需要注入大量切削液,在超声声压的作用下,切削液中会发生空化现象,产生的空泡会在超声波的作用下历经生长、膨胀、压缩、崩溃等一系列行为。Kornfeld等[2]认为,当空泡受压力梯度作用或在边壁附近溃灭时,空泡变形为扁平形或元宝形,最后分裂、溃灭,并在溃灭前的瞬间,产生一束直径几微米的微型射流冲向壁面。高速的微射流冲击会对工件壁面的微观形貌产生影响[3],如造成微小凹坑乃至材料去除,微射流的冲击行为有利于功率超声珩磨加工过程中材料的去除,提高加工效率。目前,有关功率超声珩磨中空化微射流对壁面作用的研究文献较少, 人们迫切需要了解微射流对壁面作用的微观机理,对此进行研究,对深入了解超声珩磨磨削机理具有很高的现实及理论意义。

空化微射流冲击壁面的现象是一种强非线性流(液)固耦合现象,同时也是一类液固撞击问题, 相似现象还有蒸汽轮机叶片上的水滴撞击、高速雨滴冲击飞行器表面、水射流切割以及水下爆炸产生的射流对舰船底板的冲击等。Cook[4]基于汽轮机叶片的水蚀防护问题,最早研究了液固高速撞击现象,并引入了“水锤压力”来解释液固高速撞击瞬间产生的高 压。Barber等[5]考虑液体 的可压缩性,运用液-固冲击模型详细描述了射流冲击固体的全过程。随后,Obara等[6]进行了射流冲击实验,用高速摄像机观察到了液体中的冲击波、释放波以及空化云,其研究结果证实了高速液固撞击中液体压缩性的重要性。上述研究基本假定固体为刚性板,研究重点在液体区域。为探求高速液固撞击下材料表面损伤,谢永慧等[7]利用光滑粒子流体动力学和有限元耦合的方法,分别分析了有机玻璃及钢材在液滴撞击下材料内部应力应变的变化过程。为综合考虑液体和固壁面的相互作用,姚熊亮等[8]采用改进的双渐进法,分析了可压缩射流冲击板结构的流固耦合动力学, 并得到了水柱横截面积、水柱速度、板的材料等参数对冲击压力的影响。

综上所述,高速液体冲击固体表面作用明显。 本文在前人研究的基础上,分析超声珩磨中空化微射流对壁 面的作用,基于Abaqus/Explicit软件,运用耦合欧拉拉格朗日(CEL)方法模拟微射流冲击壁面的过程,并对壁面压力、壁面变形及损伤等进行仿真分析。

1空化微射流冲击的理论分析

1.1微射流冲击特性

功率超声珩磨中,由于工件壁面的存在,在壁面垂直方向上,远离壁面侧的空泡自由界面收缩较快,因此溃灭具有不对称性,经膨胀、压缩多次振荡后,在壁面附近,空泡从远离壁面一侧向空泡底部凹陷最终贯穿,同时产生微射流。微射流以较高速度冲击工件表面,冲击过程可看作两个典型的阶段:水锤压力阶段及滞止压力阶段。微射流撞击工件壁面瞬间速度急剧降低,并在接触面产生激波,激波分别以c和cs的速度向液体介质和壁面中传播,激波将液体区域划分为受扰动区域和未受扰动区域。 在受扰动区域中,由于微射流速度的瞬时降低会产生极高的压力,因此需要考虑液体可压缩性。 在激波离体之前,受扰动区域会表现出极高的压力,只持续极短的时间,这就是水锤压力阶段。随后,激波离体,由于受扰动区域内液体内压力远大于外界大气压,故液体会在高压下高速喷出,形成沿壁面的高速侧向射流,其速度大于微射流冲击速度。 之后,受扰动区域内压力降低至稳定的滞止压力,并持续相对较长时间,即滞止压力阶段。

微射流冲击示意如图1所示。假设以静止壁面为参考系,建立图1所示的坐标系,微射流以速度v0冲击工件壁面,由于考虑了壁面的弹塑性变形,受冲击的壁面将以速度vs沿相同方向变形并且在固体区域产生速度为cs的激波,则此时液体激波面后的液体质点速度为vs,产生的激波相对参考系的速度为c-v0,激波前后区域的液体总压力及密度分别为p1、ρ1和p2、ρ2。未受扰动区域液体密度可看作常温常压下的密度,即ρ1=ρ0, 在超声珩磨加工工况下,需考虑声压pa及珩磨压力pH,其中pa=pAsinωt,pA为声压幅值[9],则激波前后面的总压力分别为

式中,p01、p02分别为激波前后的水压,p01大小为一个标准大气压,即p01=p0。

液体内激波前后的连续方程和 动量方程 分别为

由式(2)可得

1.2壁面压力分析

在壁面一侧,假定固体内的激波速度可用固体中声速cs替代,同样可得出壁面上的撞击压力为p=ρscsvs,液固交界面处压力平衡,故p2=p, 可得壁面的变形速度:

其中,Γ 为液固声阻抗比,;c0为常温常压下液体中的声速。

由于考虑了液体的可压缩性,激波速度c还未知,定义冲击速度马赫数M0=v0/c0,有如下关系[10]:

式中,k为一个液体相关常量,对于水,k取2。

由式(3)~式(5),可得壁面峰值压力为

峰值压力可理解为前述水锤压力,持续时间tw极短,tw= d/2c ,d为微射流的直径,在水锤压力阶段之后,压力释放,侧向射流形成,进入滞止压力阶段,液体压缩性不再起主要作用,可忽略,滞止压力ps为

综上所述,得到了一维情况下空化微射流冲击壁面的峰值压力和滞止压力的公式。由于冲击过程比较复杂,还未能得出壁面压力时历变化及壁面变形的解析解,为进一步分析微射流冲击问题,对微射流冲击壁面的过程进行有限元模拟。

2空化微射流冲击的数值仿真

2.1冲击模型建立

对于空化微射流的冲击问题,很难由理论分析得到冲击压力随时间变化的解析解,并且在功率超声珩磨工况下,由空泡溃灭产生的微射流非常微小且不易观察,进行相关实验非常困难,会耗费大量的人力物力,故本文应用Abaqus有限元分析软件进行有限元模拟。Abaqus/Explicit提供了一种处理流固耦合问题的耦合欧拉拉格朗日 (CEL)方法。本文将壁面设置为拉格朗日网格, 将总体区域设置为欧拉网格,应用CEL方法,考虑外界声场及珩磨压场,建立微射流冲击壁面的模型,如图2所示。

2.2模型初始条件

在本模型中,忽略了液体黏性、重力及表面张力,考虑了液体的压缩性、壁面的弹塑性变形、外界声场及珩磨压场。先前相关学者估算微射流直径约为几微米[11],此处根据本课题组前期研究成果[9]及具体工况,合理假设微射流直径6μm,总长14μm,以300 m/s的速度冲 击30μm × 30μm×5μm的铝板,超声珩磨磨削液一般为煤油、水或乳化液,此处选水,其与壁面的摩擦系数设为0.1。由于微射流冲击时间远小于超声声压周期,故可认为在射流冲击过程中声压不变,模型初始参数见表1。

空化微射流冲击过程极短,可认为微射流冲击过程中外界条件不变。在珩磨液大环境下,冲击过程的热效应可忽略。为方便研究微射流冲击过程,由壁面中心点开始,向左每隔三个网格节点取一个点,依次为A、B、C、D,如图3所示。

2.3壁面压力数值仿真

图4所示为A、B、C三点壁面压力的时历曲线,可见,微射流冲击壁面的瞬间产生很高的压力 (水锤压力),持续极短时间,随后迅速降低并在相对较长时间内保持某一稳定值(滞止压力)。图5为不同时刻壁面压力分布图,可直观看出最大压力不在中心位置,而是出现在射流边缘附近。

为进一步分析冲击速度对冲击压力的影响, 对冲击速度为100~1000m/s的情况进 行了仿真,峰值压力 与滞止压 力的仿真 结果分别 同式 (6)、式(7)的理论结果比较,仿真结果与理论结果吻合,如图6、图7所示,且结果同其他学者研究结论[12]一致。

2.4壁面的变形

本研究中选取铝板作为壁面材料,有限元仿真中可明显看出壁面被冲出一个微小凹坑,并在边缘处有材料隆起,如图8所示。图9为不同时刻壁面变形曲线,壁面在微射流冲击下中心区域材料下陷形成凹坑,挤压材料至边缘形成隆起,并且凹坑最大深度出现在射流冲击边缘,这也说明了壁面最大压力出现在微射流冲击的边缘。由图9可看出凹坑深度大约为0.11μm,相对超声珩磨加工中的材料去除深度非常小,单次微射流冲击的作用几乎可以忽略。但是,一次微射流冲击作用时间极短,只有几十纳秒,而在整个超声珩磨加工过程中,会有数量极其庞大的微射流冲击到壁面上,此时,微射流对壁面的作用不可忽略。微射流冲击造成表面产生微小变形,并且侧向微射流的剪切作用有可能去除壁面的微小毛刺,有利于超声珩磨中材料的去除。

本文采用von Mises屈服准则,探求微射流冲击下壁面的损伤变形,图10显示了时间分别为1.0148 ns、3.0122 ns、5.0121 ns、10.011 ns、 20.024ns、50.000ns时壁面的等效应变,可看出等效应变很小,但大于零,说明材料发生了很微小的塑性变形;等效应变近似为环形分布,由中心以先增大后减小的趋势向外扩散;在10.011ns后, 材料等效应变不再明显变化,故材料变形主要发生在冲击前期。

图11为A、B、C、D四个点等效应力的时历曲线,可见在冲击过程中其最大等效应力都达到了75MPa左右,而选取的 铝板材料 屈服点为75MPa,故可认为材料产生了微小的塑性变形, 该塑性变形有利于超声珩磨加工中材料的去除。

3结论

(1)本文研究了超声珩磨中空化微射流对壁面的冲击作用,考虑冲击前期液体的可压缩性,建立了壁面峰值压力、滞止压力等公式。选取铝板为壁面材料,用Abaqus/Explicit中的CEL方法建立了微射流冲击壁面的有限元模型并进行了数值研究。

(2)空化微射流冲击至壁面瞬间产生极高的压力,随后迅速降低并趋于某一稳定值,峰值压力出现在射流冲击的边缘附近,并且峰值压力及滞止压力的仿真结果与理论结果相吻合,证实了结果的可靠性。

(3)壁面受到 微射流冲 击后产生 深度约为0.11μm的微小凹坑,并且凹坑边缘有材料隆起, 凹坑的最大深度也出现在射流冲击的边缘附近。

风力机控制建模及仿真研究 篇5

1、研究风力机控制的重要意义

随着能源危机和环境危机的不断加剧,可再生能源的利用受到越来越多的关注。风能作为最具大规模开发利用的可再生能源,在世界发电总量中所占的比例每年呈上升趋势。由于风能的随机性和不稳定性,风能的最大捕获一直是风能界面临的主要问题。有效的调节风力机的各个参数,可以改变风力机的运行状态,直接影响风力机的工作效率。

在不同的风速下,风力机有不同的旋转角速度,风力机工作在不同的状态。通过对风力机各个运行状态进行分析,可以掌握风力机各个参数的变化规律及其对风力机输出功率的影响。其研究目的是为了掌握风力机的运行过程以便最大限度的提高风力机的输出功率,实现风能的有效利用。

2、国内外研究进展

实现风力机的控制,首先要了解风力机的运行状态。对于风力机的运行分析,目前主要有以下两种方法:

(1)不同的风速下风力机处于不同的工作状态,为此将风速分成几个区域来研究风力机的运行过程[1,2]。当风速小于启动风速时,风力机不动作;当风速在启动风速和额定风速之间时,风力机切入运行但输出功率小于额定功率,风力机以Cpmax输出功率,风力机一直处于最大风能捕获阶段;当风速在额定风速和截止风速之间时,风力机保持输出功率为额定功率,通过调节桨距角完成此过程;当风速超过截止风速后,风力机切出运行。

(2)风力机的运行状态不仅与风速有关,也与发电机的转速保持一定的关系。因此按照发电机转速的变化可以将风力机的运行状态分为以下几个区域:当风速达到起动风速后,通过对发电机转速进行控制,风力发电机组进入λ恒定区(Cp=Cpmax),这时机组在最佳状态下运行。随着风速增大,转速亦增大,最终达到一个允许的最大值,这时,只要功率低于允许的最大功率,转速便保持恒定。在转速恒定区,随着风速增大,Cp值减少,但功率仍然增大。达到功率极限后,机组进入功率恒定区,这时随风速的增大,转速必须降低,使叶尖速比减少的速度比在转速恒定区更快,从而使风力发电机组在更小的Cp值下作恒功率运行[3]。

二、风力发电原理

1、风力发电系统组成及原理

目前世界上大多数并网型风力发电场均采用双馈异步风力发电机组。双馈异步风力发电机组主要由风力机,双馈式异步风力发电机,传动装置及控制装置组成。其中,风力机是将风能转化为机械能的部件,在气流作用下带动风轮旋转,风力机将风能转化为叶片上的机械能;发电机是将机械能转化为电能的部件,当风力机捕获风能以后,经过传动装置把能量传递到发电机的转子,通过电磁耦合,发电机将转子的机械能转化为电能并输送给电网。整个运行过程中,控制装置起到监督调节的功能,各部分形成一个统一的整体[4]。

2、风力发电机简介

风力发电机的类型主要有三种:同步风力发电机;鼠笼式感应风力发电机;双馈式异步风力发电机。但由于风能的不稳定性,风力发电对于发电机和风力机的要求就变得更加严格。在正常情况下很难保证发电机恒速运行,同步机很难满足作为风电机的要求。而异步发电机结构简单,牢固,特别适合于高圆周速度电机,无集电环和碳刷,可靠性高。特别是柔性可控的双馈式异步风力发电机使用非常广泛。

双馈异步发电机是指将定、转子三相绕组分别接入两个独立的三相对称电源,定子绕组接入工频电源,转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的交流电源,即采用交~直~交或交~交变频器给转子绕组供电的结构。其中,双馈电机对转子电源频率的要求很严格,在任何情况下必须与转子感应电动势的频率保持一致,当改变转子外加电压的幅值和相位时即可以改变电机的转速及定子的功率因数[5]。

3、风力机分类及对比

(1)水平轴风力机的基本类型及对比

从转速控制角度来讲,现代并网运行的水平轴风力机可分为两种基本类型:定转速风力机和变转速风力机。在定转速风力机中,风力机的发电机直接并入电网,风力机在联网运行时与电网之间存在着强耦合关系。当风速低于某一值时,电网给风力机供电。大于一定风速,风力机给电网供电。电网对风力机具有强大的限制作用,使风力机转速运行在同步转速附近。由于这个原因,这种风力机被认为是定转速风力机[6,7]。

相反地,变转速风力机的发电机不是直接并入电网的,而是通过整流器和逆变器接入电网的,发电机的转速能自由变化,不需要局限于同步转速。

与定转速风力机相比,变转速风力机具有下列优越性:

1在低风速时,风力机能跟踪最优功率系数曲线,最大限度的捕捉风能,可使风力机效率提高20%左右。

2提高机械部分的寿命周期。

基于上述原因,变转速风力机自20世纪90年代以来越来越受到国际风能界的重视。

(2)变转速风力机分类

变转速风力机又可分为两种:失速型和变桨距型。失速型风力机为固定桨距,采用失速调节。当风速大于额定风速以上时,通过调节风轮转速,使气流在叶片表面的分离加速,加剧叶片失速,降低叶片效率,从而使得机组的输出功率大致保持不变。变桨距型风力机是通过叶片桨距角,控制与叶片相匹配的叶片攻角,从而调节发电机的功率[8]。

4、变桨距调节原理

众所周知,任何一种翼型风力机的桨叶(叶片)在风力的作用下都同时受到升力与阻力两种作用。升力推动叶片在风轮平面内旋转,而阻力则起阻止的作用。改变风轮叶片桨距调速就是使叶片可以根据要求绕叶柄转过一个角度来改变叶片的冲角,从而改变叶片的升力与阻力,如升力增大则转速增加,如阻力增大则转速降低。所以这种调速方式又称为桨叶(叶片)偏侧调速法。

5、变桨距风力发电机组特点

变桨距风力机组与定桨距风力机组相比具有以下几个特点:

(1)在额定风速点具有较高的风能利用系数;

(2)高风速段输出功率恒定;

(3)起动性能与制动性能。

基于上述原因,现代大中型风电场多采用变桨距风力发电机组。

三、变桨距风力机的功率控制原理

1、风力机功率调节原理

风力机的输出功率随风力机的几个参数而变化,首先对影响风力机输出功率的几个参数进行介绍。

(1)风能

流动的空气所具有的动能为

式中:m为空气质量(kg)

单位时间内穿过截面A的风能为

式中:t为时间(s)

(2)风能利用系数Cp

水平轴风力机:0.2—0.5垂直轴风力机:0.3—0.4

所以

风轮功率和风轮叶片数无关,但与空气密度成正比。

系数Cp反映了风力机吸收风能的效率,它是一个与风速、叶轮转速和桨距角均有关系的量。当这些因素发生变化时,Cp发生变化,风力机的运行点及其运行效率将要发生变化。当桨距角不变即定桨距时,风力机风能转换效率与其转速与风速有关,当风力机的转速和风速满足一定关系时其风能转换效率最大。如果同时桨距角也在变化,则情况就更为复杂。风力机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能追求Cp最大,从而增加其输出功率[9,10]。

(3)风力机的叶尖速比λ

λ为风轮叶片尖端的线速度与该风速之比,ω为风轮旋转角速度ω=2п/60式中:n为转速 (rpm)ωR为叶片尖处的线速度

所以

λ反映在一定风速下风轮转速高低的参数。

(4)桨距角β

为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳,风力机需要进行桨距调整。在定桨距基础上安装桨距调节环节,构成变桨距风力机组。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性,它要依靠叶片桨距角 (气流方向与叶片横截面的弦的夹角) 的改变来进行调节。在额定风速以下时桨距角处于零度附近,此时,叶片桨距角受控制环节精度的影响,变化范围很小,可看作等同于定桨距风机。在额定风速以上时,变桨距机构发挥作用,调整叶片桨距角,保证发电机的输出功率在允许范围以内。

风能利用系数Cp是叶尖速比λ和桨距角β的函数,

当风力机的输出功率大于额定功率时,通过调节桨距角β改变Cp值,

从而使风力机的输出功率保持在额定功率。

(5)贝兹理论

空气气流模型如图3.1所示,设空气密度为ρ (通常取1.225kg/m3)的气流以速度v0流过面积为A0的区域,该气流在一定距离内通过扫风面积为A1的叶片时,速度变为v1,在经过叶片后,该气流的截面积变为A2,速度变为v2。

从理论上讲风力机的功率系数不能超过0.593,这就是著名的贝兹理论[11]。

在实际现场中,风力机的功率系数受到许多因素的限制,往往取不到0.593,贝兹理论只是理论上的最大值。

调节风力机输出功率的方法很多,当风力机的输出功率小于额定功率时,本文按照公式(3-4)进行风力机最大风能捕获的控制;当风力机的输出功率大于额定功率后,通过对风力机转速及桨距角的调节,改变Cp取值,从而改变风力机的输出功率,使风力机的输出功率保持在额定功率。

2、风速模型

风移动的过程中,既有动能的变化,又有势能的变化。风速的持续变化在一定时间和空间范围内是随机的,但从总的和长期统计结果来看,风速的变化仍然具有一定的分布规律。为了模拟作用在风力机上风速随时间变化的特征,风速变化的时空模型原则上可由四部分组成[12,13]:

(1)基本风

基本风在风力机正常运行过程中一直存在,它决定了风力发电机向系统输送额定功率的大小,基本上反映了风电场平均风速的变化。它可以由风电场测风所得的威布尔(Weibull)分布参数近似确定:

式中: 为基本风速(m/s);A ,K为韦布尔分布的尺度参数和形状参数;Γ[ ]为伽马函数,

(2)阵风

为了反映风速的突然变化特性,可在基本风上叠加一阵风分量VWG

式中tG,t1G,分别为阵风作用时间,阵风启动时间和阵风最大值。

(4)渐变风

为了反映风速的渐变特性,可在基本风上叠加一渐变风分量v WR

式中MaxR,t1R,t2R,tR分别为渐变风最大值,渐变风起始时间,渐变风终止时间和渐变风保持时间。

(4)随机噪声风速

为了反映风速的随机扰动,可在基本风上叠加一随机分量v WN

其中vN为随机分量的最大值,Ram(-1,1)为 -1和1之间均匀分布的随机数,wv为风速波动的平均间距,一般取0.5π--2πrad/s,φv为0--2π之间均匀分布的随机分量。

综合上述四种风速成份,模拟实际作用在风力机上的风速为

3、风力机最大风能捕获运行原理

如图3.2所示,对于一台确定的风力机,在风速和桨距角一定时,总存在一个最佳叶尖速比λopt对应着一个最大的风能转换系数Cpmax,此时风力机的能量转换效率最高。对于一个特定的风速,风力机只有运行在一个特定的机械角速度下,风力机才会获得最大的能量转换效率。因此,在任何风速下,只要调节风力机转速,满足λ= λopt,就可以维持风力机在Cpmax下运行,这就是风力机最大风能捕获的运行原理[14]。

4、风力机的输出功率 -- 风速特性曲线

(1)输出功率特点

实际上,从实际运转的风力机上所测得的机械功率,其功率系数很少超过40%,由于风力机在风场中受到风速及风向波动的影响,使风力机输出的可用功率进一步减小,考虑到此因素,风力机的输出功率公式可进一步写成

(2)基于按风速分段的桨距角控制

当vi<v≤vr时,P=1/2 ρA v3(Cp·η),为保证最大风能捕获应使(Cp·η)保持在最大值41%。Cp与叶尖速比λ和桨距角β的函数关系为

通过画图可以得出 不同β值时的Cp与λ的关系曲线,如图3.4。

由曲线可知当β=0时,Cpmax总是大于其它β值时的Cpmax,因此在vi<v≤vr时,应将桨距角β置于0,Cp为最大值0.593,(Cp·η)=0.415

(a)β=00,50(b)β=100,150

在额定风速时,Cp为最大值,即上式右端(Cp·η)=0.415,通过上式可以求出已知风速为的(Cp·η)v值,从而求出桨距角β值。具体求解过程将在3.8节中介绍。

(3)方法评定

这种方法虽然从理论上可以通过控制桨距角实现调节风力机的输出功率,但这只是一种很粗略的方法。因为在起始风速和额定风速之间,风力机并不能一直保持以最大Cp值输出功率,相反风力机只能在很短的一个风速段保持Cp值最大,所以风力机在vi<v≤vr一段的输出功率并不能保持线性增长。在实际的现场操作中,基于这种方法的桨距角调节是行不通的。

5、风力机的输出功率与转速的关系

功率 -- 转速特性曲线的形状由Cpmax和λopt决定,图3.5给出了转速变化时不同风速下风力发电机组功率与目标功率的关系。(v1>v2>v3)

追踪最大风能的过程可由上图定性解释:假设原先在风速v3下风力机稳定运行在Popt曲线的A点上,此时风力机的输出功率和发电机的输入机械功率相平衡,都为Pa,风力机稳定运行在转速ω1上。如果某时刻风速升高至v2,风力机就会由A点跳至B点运行,其输出功率由Pa突变至Pb。由于惯性作用和调节过程的滞后,发电机仍暂时运行在A点,其输入功率大于输出功率,功率的失恒导致转速上升。在转速增加的过程中,风力机和发电机分别沿着BC和A C曲线增速。当到达风力机功率曲线与最佳曲线相交的C点时,功率再一次平衡,

转速稳定为ω2,ω2就是对应于风速v2的最佳转速。同理也可分析从风速v1到v2的逆调节过程[15]。

不同风速下,风力机的功率—转速曲线不同,在风力机的运行过程中,并不是一直运行在追踪最大功率曲线上,会有一定的偏离。为了便于求取不同风速不同转速下风力机的输出功率,本文建立了不同风速下风力机的功率—转速关系。因为风力机运行时偏离最大功率曲线的域度是有限的,所以本文只选取功率曲线上方1/3高度进行函数关系的建立,并假设该段曲线为正弦波型。

当风速为某一确定值时,设P=P0+P1sin(aω+b),因为P0+P1=Popt,所以P0=2/3 Popt,P1=1/2 Popt。对公式(3-27)理论推导可以证明,只要保证λ在6.3附近时,Cp就可以取到最大值Cpmax=0.4382,P=Popt,此时的λ值对应着一个ωr。当P= P0时,从公式(3-27)中可以对应出一个Cp值,从而可以求出此时的发电机转速ω’,由曲线上的两点便可以确定该曲线。例如,当v=3 m/s时,Popt=19.15KW,当P=Popt时, λ=6.3,ωr=384rpm;当P= P0=12.77KW时 ,Cp=0.2923, λ=9.444,风力机的旋转角速度为0.977rad/s ,求得此时发电机的转速ω’为576 rpm。所以曲 线上可以 确定两点 ,(384,19.15),(576,12.77)。

其中,v为风速;ωr为最佳叶尖速比时发电机转子转速;Popt为风力机最大输出功率;ω’为正弦曲线右端端点对应的转子转速;P为风力机输出功率。

确定出风 力机的输 出功率与 发电机转 速之间的 关系,就更容易对风力机进行运行分析,以便在风力机的运行过程中,及时的调节控制风力机的运行状态,使风力机尽可能的工作在最大输出功率曲线上,实现风能的最大捕获。

6、基于功率—转速分段的运行分析

根据调速风力发电机组在不同区域的运行,将基本控制策略确定为:低于额定风速时,跟踪Cpmax曲线,以获得最大能量;高于额定风速时,跟踪Pmax曲线,并保持输出稳定。为此将风力机的运行过程分为三个区域:恒定区,转速恒定区,功率恒定区。图3.6表示了变速风力发电机组在三个工作区运行时,Cp值的变化情况。

(1)λ 恒定区

在λ恒定区,风力发电机组受到给定的功率 -- 转速曲线控制。Popt给定参考值随转速变化,由转速反馈算出。Popt以计算值为依据,连续控制发电机输出功率,使其跟踪Popt曲线变化,用目标功率与发电机实测功率之偏差驱动系统达到平衡。

(2)转速恒定区

如果保持Cpmax(或λopt)恒定,即使没有达到 额定功率,发电机最终将达到其转速极限。此后风力机进入转速恒定区。在这个区域,随着风速增大,发电机转速保持恒定,功率在达到极值之前一直增大。控制系统按转速控制方式工作,风力机在较小的λ区(Cpmax的左面)工作。

(3)功率恒定区

随着功率增大,发电机将最终达到其功率极限。在功率恒定区,必须使发电机的转速低于其极限。随着风速增大,发电机转速降低,使Cp值迅速降低,从而保持功率不变,通过桨距角的调节可以实现这一过程。

7、基于按转速分段的桨距角控制

在风力机的输出功率低于或等于额定功率阶段,为实现风力机的最大风能捕获,应使风力机桨距角一直保持在00,此时公式(3-27)可进一步化简为:

从理论上讲,只要叶尖速比处于最佳叶尖速比的位置,就可以一直保持Cp为最大值状态。对公式(3-31)进行编程可以求出当 λ=6.3附近时,Cpmax=0.4282。由公式(3-5)得ωR/v=6.3 ,R为风力机风轮半径,以G58-850KW风力机为例R=29米,所以ω/v=0.217 ,即在任一风速下,都可以得到一个转速与之对应,实现最大风能捕获。从而证明了3.4节中介绍的恒定区。对于任意一种型号的风力发电机,都有其转速的要求,以G58-850KW风力机为例,发电机的额定转速为1620 rpm,在额定频率为50Hz的情况下,风力机与发电机的转速比为1:61.74,即风力机的转速n=1620/61.74=26 rpm,又因为ω=2п/60,所以风力机的旋转角速度也有其自身的范围,不允许超过额定转速ωr=2.7227rad/s。所以在λ恒定区还应当注意不同风速下对应的风力机的旋转角速度是否超过其额定转速,一旦超过风力机将进入转速恒定区。

由式(3-31)可以得到Cp的最大值Cpmax=0.4382,若一直保持Cp= Cpmax,则根据公式(3-4)可以得出当风速到达额定风速以前,风力机的输出功率就已经到达额定功率,所以一定存在3.4节中介绍的转速恒定区(Cp值下降的区域)。

当功率超过额定功率以后,通过对桨距角的控制可以改变Cp的取值,减小风力机的输出功率,使输出功率一直保持在额定功率,即3.4节中介绍的功率恒定区。当进入功率恒定区以后,风力机的输出功率保持在额定功率,风力发电机的转速保持在额定转速1620 rpm,此时风力机的旋转角速度也保持在

于是在不同的风速下的Cp值可以求出来。

因为ωr=2.7227rad/s,由公式(3-5)可以得出风力机的λ值,以G58-850KW风力机为例, λ=78.958/v,在不同风速下可以求出λ的不同取值。将Cp值与λ值代入公式(3-27)中,即可求出不同风速时的β值,实现桨距角控制。

8、基于功率—转速分段的方法评定

在实际现场中,有很多客观因素限制风力机转速的随意变化,使Cp值不能一直按照人们想要的结果变化。例如对于任意一种型号的风力发电机,都有其转速的要求,以G58-850KW风力机为例,风力机的旋转角速度不允许超过额定转速ωr=2.7227rad/s。在λ恒定区应当注意不同风速下对应的风力机的旋转角速度是否超过其额定转速。

任何一种型号的风力机都有其自身的启动转速,当风速达到启动风速后,风力机便以启动转速旋转,此时的风速与转速对应着一个λ值,此λ值通常不是最佳叶尖速比。换言之,当风力机刚启动时Cp值并不能取到最大值,风力机不能进入λ恒定区,所以风力机并不是处于最大风能捕获阶段。

为此本文做这样一个假设:在λ恒定区之前,由于启动转速的限制,风力机并不能从一开始就运行在最大风能捕获阶段,可能会存在一个Cp值渐渐变大的区域。在此区域,发电机的转速可能保持不变,或以很小的幅度慢慢增长。随着风速的增加, λ值不断向最佳叶尖速比位置靠近,当风速达到某一值 时 ,为最佳叶尖 速比 ,Cp取到最大值 ,风力机进 入 (Cp)恒定区 ,风力机实 现最大风能捕获。

四、风力机功率调节控制仿真

1、G58-850KW 风力机的主要参数

不同类型风力机的各种参数不同,额定功率,额定转速及风速的分界点等参数直接影响到风力机的运行状态,因此不同类型风力机的输出功率变化曲线不同。在实行风力机功率调节控制时应按照具体风力机类型操作,根据给定参数进行计算。本文以G58-850KW风力机为例,给出风力机控制的具体过程。在表4.1中给出了G58-850KW风力机的主要参数值。

2、G58-850KW 风力机桨距角的求取

在G58-850KW风力机一文中给出了G58-850KW风力机几种参数的对应关系。图4.1给出了G58-850KW风力机的输出功率与风速的曲线。表4.2给出了G58-850KW风力发电机的Cp和Ct值。图4.2给出了G58-850KW风力发电机的Cp和Ct曲线。图4.3给出了G58-850KW风力机的输出功率与发电机转速的曲线。

将以上几幅图表综合在一起可以得出G58-850KW风力机几个重要参数,如表4.3所示。其中ωr为发电机转速,G58-850KW风力机的转速比为1:61.74,所以风力机的转速为n=ωr/61.74。又因为风力机旋转角速度ω=2п/60,所以可以得到ω与ωr的关系。计算出ω的值后,通过公式(3-5)即可得出λ的值。按照3.5节介绍的方法和已知数据即可求出桨距角β的值。

从表4.3中可以看出来,在额定风速以前G58-850KW风力机的Cp值并不是始终保持在最大值状态,而是由小渐渐变大。这是因为发电机的转速有所要求。当风速达到3 m/s时,发电机的启动转速ωr=900 rpm ,对应着一个ω值(ω=1.527),在此ω值时,风力机并不是处于最佳叶尖速比的状态( λ=14.756≠λopt),因此风力机的Cp值取不到最大值0.445,并不能实现最大风能捕获。并且风轮的转动也将受到惯性原因的影响并不能按想要的结果随意变化。当风速慢慢增加时,风力机渐渐向最佳叶尖速比状态靠近,当风速达到8.5m/s时Cp达最大值,风力机实现最大风能捕获。

在风力机未达到额定功率以前,桨距角一直保持在00;当风力机的输出功率超过额定功率以后,将不同风速下推导得出的λ值代入公式(3-27)即可求出对应的β值,实现桨距角控制。

3、G58-850KW 风力机的运行分析

按照G58-850KW风力机ωr值和Cp值的变化过程,可以将G58-850KW风力机的运行过程分为四个阶段:

当3≤v≤5时,ωr=900 rpm ,此阶段并不能实现最大风能捕获。随着风速的慢慢增大, λ值向最佳叶尖速比状态靠近,Cp值慢慢增大,此阶段为转速恒定区I。

当5<v<11时 ,ωr开始变大 , λ值在最佳叶 尖速比附近,Cp值在最大值附近,可以近似看成是Cp值保持最大值,此阶段为风力机实现最大风能捕获阶段。

当11≤v≤16时,虽然风力机的输出功率并没有到达额定功率,但发电机的转速已经到达额定转速,所以此阶段风力机以匀速旋转,发电机转速保持在1620rpm附近,风力机输出功率慢慢达到额定功率。此阶段为转速恒定区II。

在前三个阶段里,桨距角一直保持在0°

当16<v<21时,风力机的输出功率已达到最大值,通过对桨距角的控制调节使风力机的输出功率保持在额定功率。发电机转速达到额定转速1620rpm,并保持以额定转速运行。此阶段为功率转速恒定区。

风力机运行得出的实际数据表明,在风力机进入最大风能捕获阶段之前,存在一个转速恒定区。在此区域发电机转速保持恒定,随着风速的增加,λ 值向最佳叶尖速比靠近,风力机渐渐进入最大风能捕获阶段,与上一章所作的假设正好吻合。

4、G58-850KW 风力机的仿真

根据风电场给出的G58-850KW风力机的现场数据,利用最小二乘法进行函数拟合,建立各参数之间的函数关系。将风力机进行仿真,实现连续变化风速下风力机各参数的连续输出,为双馈式异步风力发电机的研究提供可靠的数据。并可以将仿真模型求得的数据与理论分析所得的数据进行比较,对理论推导进行验证。

下图为利用PSCAD对风力机进行仿真所得的仿真图及风速连续变化时风力机各参数的输出波形。

由图4.5可以看出,当风速小于3m/s时,风力机不动作;当风速大于3m/s时,风力机开始输出功率;当风速接近16 m/s时,风力机的输出功率接近额定功率,并且输出功率不随风速的增大而变化,此时桨距角开始动作;当风速大于21m/s时,桨距角成88°,接近于与风速垂直的角度,风力机切出运行,输出功率为0,仿真结果与理论推导保持一致。

通过此风力机模型,可以得到任意风速下风力机的几个重要参数,也很容易观察到它们随风速变化的情况,较为真实的模拟了风电场的实际运行,为双馈式异步风力发电机的研究提供了较为精确的数据。

五、结论

客车正面碰撞仿真建模与分析 篇6

汽车碰撞过程的计算机仿真已成为汽车碰撞安全性设计与改进的重要方法和手段,因此,如何保证仿真的精度及准确性对工程应用至关重要。仿真的精度及准确性除了与有限元核心计算有关,还在很大程度上依赖于仿真模型建立的精度。

本文对某型客车车身骨架的正面碰撞过程进行了显式动力分析,并介绍了汽车碰撞仿真模型建立的一般流程与技术要点。

1 基本模型的建立

1.1 几何实体模型

由于整个客车车身骨架复杂,且有已有车型作为原型参考,所以在建模时采用自下而上的设计和装配。将车身分为左侧围、右侧围、后围、顶围和底架等分部件,先建立各分部件骨架的模型,最后将设计好的分部件装配成整车的车身骨架模型。

1.2 网格划分

将之前CATIA建立的CAD模型转化为能够导入Hypermesh的stp格式文件,然后进行网格划分,建立客车的有限元模型。为了保证整个车身单元的平顺性,减少单元不规则的过渡区,采用统一的较小的单元尺寸划分网格。

划分网格时控制壳单元网格质量为:最小尺寸(min size)=5 mm;长宽比(aspect ratio)≤4;翘曲度(warpage)≤15o;扭曲度(skew)≤40o;雅可比(jacobian)≥0.6;四边形内角(angel quad)=50o～130o;三角形内角(angel tria)=25o～110o。按照以上要求,使用Hypermesh软件的2D-Quality index面板检查单元质量,并修改不合格单元,直到comp.QI=0,此时所有单元都为透明显示的较理想单元。划分网格结束后的整车有限元模型如图1所示,共有498 562个单元,496 637个节点。

2 设置物理属性

在Hypermesh中将划分好网格的车身模型另存为.dyn文件,导入LS-DYNA的官方前处理器FEMB来继续模型网格化之后的前处理。

2.1 量纲选择

在LS-DYNA中对量纲的选择并没有明确的限定,而是通过各物理量单位之间的关系来自动匹配的。本文采用ton-mm-s-N的量纲组合。

2.2 材料

客车车身中由于后部基本上不发生变形,为减少不必要的计算时间,将其材料模型选用刚体;障碍壁选用刚体材料,并且约束其在x、y、z三个方向的平动和旋转自由度。客车车身前部变形区域均选用分段线性塑性材料模型。

在material面板使用create-structural命令创建一个材料模型,选择20.1*MAT-RIGID,设置密度为7.83×103 kg/m3,弹性模量为207 GPa,泊松比为0.28,对于赋予给障碍壁的刚体材料还需设置CMO=1,CON1=7,CON2=7使其固定。

同样的方法创建另一个材料模型,选择24.1*MAT-PIECEWISE-LINEAR-PLASTICITY,基本参数同上,并赋予相关数据以定义应力-等效塑性应变曲线。

2.3 单元属性

在element property面板使用create-shells命令创建一个壳单元属性,设置element formulation=2,即采用缺省的BT壳单元。

对于NIP的设置,使用缺省的厚度方向的2个积分点,但对厚度大于1.5 mm的PART,在厚度方向采用5个积分点,以得到沿厚度方向的应力分布情况;对于等厚度的壳,只需定义第一个节点的厚度值,即设置T1为此PART的厚度值。

3 边界条件设置

3.1 接触定义

CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE是一种非常稳定、精确而且方便的接触类型,广泛应用在汽车碰撞分析中,故在该车型的正面碰撞模拟计算中采用该种接触类型。进入contact面板使用create-3dimension命令,选择*contact-automatic-single-surface。

3.2 合并刚体

由于客车后部不同PART都采用刚体来模拟,而部分PART之间是通过节点耦合的形式模拟连接的,即PART间存在共同节点,而两个刚体是不能共用同一节点的,这时两刚体需要通过*CONSTRAINT-RIGID-BODIES关键字进行合并。

进入B.C.面板,使用constraint-rigid bodies命令,将有共同节点的两个刚体部件分别设为主、从PART,即完成刚体的合并。

3.3 定义初速度

缩短车身和刚性墙接触前的“空跑”距离可以大大节省计算时间,因此在建立刚性墙有限元模型时将车和刚性墙“紧贴”在一起,仅预留一个壳单元厚度级别的小间隙以防止初始穿透。

参考我国碰撞安全法规CMVDR294,初速度设置为50 km/h,即13 888.89 mm/s。

4 质量缩放

为减小计算量,需要人为地控制LS-DYNA时间步长,即质量缩放。在不改变有限元模型的前提下,加大实际计算步长。壳单元模型中最小时间步长Δtmin为:

undefined。 (1)

其中:lmin为最小单元长度;c为材料的声速,undefined,E为材料弹性模量,v为材料泊松比,ρ为材料密度。

由式(1)可知,通过调整该单元的密度可增大它的时间步长。在LS-DYNA中,可通过关键字*CONTROL-TIMESTEP中参数DT2MS来人为地控制时间步长,通过输入期望的实际计算时间步长,程序自动增加对应单元的密度。使用质量缩放可以显著地降低求解时间,但某些单元密度的增加必然导致有限元模型整体质量的额外增加,一般情况下,应控制质量增加在5%以内。经过多次试算, DT2MS设置为-1.8×10-6比较合适,其中,负号表示仅对小于指定时间步长的单元进行质量缩放,以减小对模型惯性的影响。

表1为质量缩放前后对比,可看出质量缩放只是轻微地增加了模型质量,却节省了将近一半的CPU时间。

5 计算结果后处理

在模型提交计算完成后,可以通过LS-DYNA的后处理软件LS-PREPOST来获得需要的结果信息。

碰撞过程分析了总能量、动能、内能、沙漏能、滑动界面能的变化过程,如图2所示。碰撞过程总能量保持平衡,80 ms以后,动能和内能不再变化,碰撞过程结束。在分析中沙漏变形的出现使结果无效,所以应尽量减小和避免,最好控制在5%以内;滑动界面能应当避免出现负值,因为出现负值很可能是存在初始渗透,它将导致不切实际的接触行为。从图2中可以看出,沙漏能和滑动界面能都是符合要求的。

整车碰撞后的等效应力云图如图3所示。碰撞后,客车前部变形较大,多处出现较大的应力,大部分能量由客车前围和底架纵梁吸收。

图4为前纵梁变形云图。从图4可以看出,作为正面碰撞吸收能量的主要部件前纵梁变形严重,且发生了不规则的变形,导致整个部件进入欧拉弯曲变形模式,失去原有的能量吸收能力。因此,前纵梁是结构改进的重点,应该预先使结构的某些部位弱化或强化,从而引导结构在碰撞时朝着褶皱压缩的方向发展,以起到很好的变形吸能作用。

客车中部某节点的加速度变化情况如图5所示。碰撞过程中车体的加速度是一项重要的评价指标,加速度峰值的大小、出现峰值的时间和变化的剧烈程度直接影响乘车人员的人身安全。所以致力于碰撞安全的改进应尽可能减小加速度峰值,并使其变化趋于平缓。

6 结论

结合CATIA、Hypermesh、FEMB三种软件各自的优势,通过stp和dyn文件格式进行数据交换,建立了客车车身的正面碰撞有限元模型;将模型递交LS-DYNA程序计算,并使用LS-PREPOST软件对计算结果进行后处理分析;对客车正面碰撞安全性进行了初步评估,并浅谈了改进的方向;为汽车碰撞仿真建模以及建模软件的结合使用提供了一些参考。

摘要：建立了某型客车车身骨架几何实体模型与碰撞有限元模型;基于著名的显式动力分析程序LS-DYNA,对其正面碰撞过程进行了求解分析;并在现有商业建模软件的基础上,讨论了碰撞仿真建模中的一些应用技术要点。

关键词：碰撞,仿真建模,LS-DYNA

参考文献

[1]钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法[J].汽车工程,1994(1):1-6.

[2]钟志华,张维刚,曹立波,等.汽车碰撞安全技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3]张金换,杜汇良,马春生,等.汽车碰撞安全性设计[M].北京:清华大学出版社,2010.

[4]赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京:兵器工业出版社,2003.

[5]尚晓江,苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[6]张胜兰,郑冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007.

系统建模与仿真技术探讨 篇7

1. 系统概念与分类

1.1 系统概念

系统概念范畴很广, 通常包括系统的定义、结构、层次、实体、属性、行为、功能、环境、演化与进化等, 它们均与系统建模有关。系统创始人奥地利学者贝塔朗菲认为, 系统是相互作用的多元素复合体。我国著名科学家钱学森认为, 系统是相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的、具有特定功能的有机体[1]。所以, 在自然界和人类社会中, 凡是具有特定功能、按照某些规律结合起来相互联系、相互制约、相互作用、相互依存的事物总体, 均可称之为系统。

1.2 系统分类

因为系统之间存在一定的规律和相互关系, 所以可从不同的角度对系统进行分类, 常见系统分类见表1。

2. 系统建模技术

2.1 系统模型概念及性质

系统模型是对实际系统的一种抽象, 是系统本质的表述, 是人们对客观世界反复认识、分析, 经过多级转换、整合等相似过程而形成的最终结果, 具有与系

表1系统分类表

统相似的数学描述或物理属性, 以各种可用的形式给出研究系统的信息[2]。一个有效的模型能够反映原型的主要特征及功能, 并具有如下基本性质:普遍性 (或等效性) 、相对精确性、可信性、异构性及通过性。

2.2 系统建模及过程

系统建模其实就是建立系统数学模型, 简称系统数学模型。数学模型就是描述系统内、外部变量间相互关系的数学表达式, 它的最终目的是确定系统模型形式、结构和参数, 获得正确反映系统表征、特征和功能的最简数学表达式。从仿真的角度来看, 系统模型包括数学模型和仿真模型两大部分。仿真建模是将非形式化模型或数学模型变换成计算机系统能够识别和运行的模型, 也称为二次建模。

系统建模的一般过程:观察和分析实际系统、提出问题、做出假设、系统描述、构筑形式化模型、模型求解、模型有效性分析 (包括模型校验、验证机确认) 、修改模型、最终确认和模型使用。

2.3 系统建模基本理论和方法

系统建模是以多个学科为基础, 包括数学建模和仿真建模两部分。模型论、相似理论、系统论和辨识理论是系统建模的基本理论, 同时还有复杂适应系统理论、自组织理论、网络理论、定性理论、云理论、模糊理论、灰色系统理论、元胞自动机和支持向量机理念、马尔科夫理论、原模型理论及综合集成研讨厅体理念及虚拟现实理论。由于建模理论较多, 相对应也产生了不同的建模方法。

从系统建模的定义可以得出, 系统建模方法就是数学建模方法, 是建模方法的一种。它是系统建模与仿真技术体系中的一部分, 也是在工程设计和计算中经常用到的一种建模方法。各类建模方法的使用详见文献[2]。

3. 系统仿真技术

3.1 定义及分类

系统仿真是以相似原理、系统技术、信息技术以及其应用领域有关专业技术为基础, 以计算机和各种模拟器及专用物理设备为工具, 利用系统模型对真实的或假想的系统进行动态研究的一门综合性技术[4]。

系统仿真其实就是建立系统模型, 并运行该模型进行科学实验研究的全过程。对于系统仿真来说, 由于仿真目的不同可以将系统仿真分很多种类, 如图1所示。

3.2 工作流程

数学仿真包括了三项基本要素:系统、模型和计算机。联系三要素的基本活动为系统建模、仿真建模和仿真试验。

本文中所阐述的系统仿真工作流程主要是以计算机为基础的数学仿真的工作流程。

(1) 系统定义。根据仿真目的, 规定和假设系统的边界、参数及约束条件。

(2) 数学建模。根据系统相关的基础理论、仿真目的和试验资料来确定系统数学模型的基本框架、结构和参数。

(3) 模型转换。根据数学模型形式和参数, 将数学模型转换成仿真模型, 建立仿真试验框架, 校核仿真模型。

(4) 程序设计。利用仿真软件将仿真模型输入计算机, 根据试验数据进行仿真程序设计。

(5) 仿真试验。

(6) 仿真模型校核、验证与确认 (VV&A) 。

3.3 仿真软件

仿真软件是系统仿真实现的工具和平台, 不同系统仿真模型的仿真过程需要不同的仿真软件来实现。仿真软件的种类和功能不断更新和完善, 促进了系统仿真技术的突飞猛进。根据仿真要求和目的不同, 仿真软件可以分为不同类别。

数据库技术是系统仿真技术的开发技术之一, 尤其是对大规模分布式仿真起着重要的作用。数据库管理系统 (Database Management System, DBMS) 是用户和操作系统间的管理软件, 包括了Oracle数据库管理系统、SQL Server数据库管理系统和Access数据库管理系统。

地理信息系统 (G e o g r a p h i c a Information System, GIS) 是仿真系统的基础, 是仿真实体仿真效果和实体状态显示的平台。常用的GIS基础平台软件有, Map GIS、Super Map GIS和Geo Star GIS。另外还有一些桌面软件、专业软件和应用软件, 详细介绍见文献[6]。

随着科学的发展, 虚拟现实技术已经成为了系统仿真的一项新技术, 实现了创建和体验虚拟世界的目的。目前常用的建模和仿真软件有Creator、Open GL、Open GL Performer、Vega和Vega Prime。

除了上述仿真软件之外, 在作战系统仿真中的软件有计算机生成兵力 (Computer Generated Forces, CGF) 系统和STAGE (Scenario Toolkit and Generation Environment) 作战仿真软件。各类仿真软件的详细介绍参见文献[6]。

4. 小结

本文对系统模型与仿真技术基本概念和理论进行了探讨, 构建了系统建模体系和系统仿真分类树图。为初次接触系统建模与仿真技术的读者提供了基础理论和方法相关知识, 使其能够对系统建模和仿真技术有一个初步的了解和认识。

摘要：主要从系统建模与仿真的基本概念、基本理论、系统建模方法、系统仿真体系结构、仿真工作流程等几个方面对建模与仿真技术进行了初步探讨和研究。构建了系统建模分类表和系统仿真分类树图。

关键词：建模,仿真,仿真软件

参考文献

[1]刘兴堂, 梁炳成, 刘力, 何广军等.复杂系统建模理论、方法与技术[M].北京:科学出版社, 2008, 6

[2]王庚, 王敏生.现代数学建模方法[M].北京:科学出版社, 2008, 2

[3]唐凤举, 杨惠珍, 高立娥等.现代仿真技术与应用 (第二版) [M].北京:国防工业出版社, 2010

[4]彭晓源.系统仿真技术[M].北京:北京航空航天出版社, 2006, 12:1

[5]肖田元.系统仿真导论[M].北京:清华大学出版社, 2000:1～11

数控车削仿真加工建模与软件实现 篇8

数控加工广泛应用于产品制造领域, 数控仿真也得到了广泛应用, 相对于传统的NC程序检验方法, 数控加工仿真更加安全、有效。它根据实际数控机床切削加工过程, 实现了系统的可视化建模仿真, 形象、逼真地模拟切削加工的全过程, 直观地显示切削过程中可能遇到的问题, 并通过反复修改、测试, 最终完成数控程序的编写与数控机床的调试。而数控切削仿真加工数学模型的构建成为系统实现仿真功能的关键和基础。

2 车削仿真加工模型的构建

仿真系统的车削加工模型由工件 (毛坯) 安装, 卡盘、顶尖装夹, 刀具装夹, 刀具车削等模型构成, 它们的数学模型结构如图1所示。

车削加工模型的数据结构是建立在VB的Picture Box控件Pic之中, 以Pic (left, top) 作为第一坐标系 (X1, Z1) 的坐标原点 (0, 0) ;系统加工环境建立在Picture Box控件Picture2中, 以Picture2 (left, top) 作为第二坐标系 (X1, Z2) 的坐标原点 (0, 0) , 第二坐标系原点位于第一坐标系坐标 (1200, 3400-50*D/2) 处, 它是一动点, 这样可以保持工件模型的轴心线始终穿过第一坐标系坐标点 (1200, 3400) , 从而固定工件模型的装夹与加工位置。工件模型建立在Picture4中, 其坐标 (left, top) 与Picture2 (left, top) 一致, 有利于工件、刀架、卡盘、刀具等相互关联的模型数据结构的建立。

3 工件毛坯建模

系统坐标值以VB默认的twip缇作为度量单位, 每英寸为1440twip, 因此每缇约为0.0176mm。为了便于计算和测量, 本系统中的坐标和最小移动单位均设定为每缇0.02mm, 建立坐标值单位 (毫米) 与VB单位 (缇) 之间的换算 (1mm=1twip×50) 。

工件毛坯模型的数据结构:Left=L*50, Top=D*50, 其中L为工件长度, D为工件直径。由于每堤为0.02mm, 因此工件的Left值为L*50 twip, Top值为D*50 twip。

工件毛坯数据模块主要是完成毛坯的外形、尺寸、材料等参数的选择与设定, 其交互界面如图2所示。

(1) 工件模型尺寸参数是以仿真系统的主窗体MDIForm1.Picture的 (Left, Top) 为坐标原点 (0, 0) 来设定的, 工件的直径参数:MDIForm1.Picture.Height=Val (Text2.Text) *50 (mm) ;毛坯的长度参数:MDIForm1.Picture.Width=Val (Text4.Text) *50;

注:MDIForm1.Picture为显示工件毛坯大小的Picture控件;Text2.Text为输入直径尺寸文本的Text控件;Text4.Text为输入长度尺寸文本的Text控件。

(2) 工件材料模块是利用Combo Box控件的List属性来实现下拉菜单式的材料材质选取功能。

(3) 轴类和孔类工件的选择是利用if语句来判断和实现Picture1和Picture4的Height、Width属性赋值, 从而建立轴 (孔) 类工件毛坯模型。

4 卡盘、顶尖装夹建模

4.1 卡盘夹具建模设计

车床加工工件时, 需要三爪自定心卡盘夹持工件进行车削加工。本仿真系统的卡盘夹具模型是利用User Control用户控件来实现卡盘夹紧功能 (如图3所示) 。

实现卡爪张开、夹紧 (卡爪由张开最大位置到夹紧位置) 的代码如下:

卡盘完成夹紧功能的源程序如下:

4.2 顶尖建模

在车削加工较长工件时, 为了增加工件刚性, 需要用顶尖加以辅助支撑。本系统的顶尖模型可以实现顶尖的装/卸与旋转。

(a) 装/卸功能的实现。顶尖User Control11控件默认是不可见的, 当经if语句判断需要安装时才显现, 并由此默认位置向工件方向移动并实现夹紧。添加的代码如下:

(b) 旋转功能的实现。通过Timer控件和Select () 语句实现顶尖User Control11和User Control21控件不停地交替显示, 从而达到旋转的视觉效果。

5 刀具装夹建模

刀具数据管理包括刀具数据的输入与浏览、选择等。该数据库能够完成刀具的数据管理和动态配置。仿真系统从刀具数据库中选择刀具数据参数, 并将其转化为文件的形式完成刀具配置, 系统仿真时从刀具文件中选择刀具作为仿真加工的切削刀具。

刀具模型主要包括三项数据信息: (1) 刀位, 同刀具库中的刀位一致; (2) 刀具类型, 描述该刀具所适用的加工类型 (外圆、端面、内孔、螺纹、沟槽等) ; (3) 刀具模型, 在加工仿真中的实体几何模型。

所有的刀具均放入刀具库中以备调用, 刀库由刀具文件支持。刀库中描述刀具模型的数据结构如下:

MDIForm1.User C11.Left=MDIForm1.Image01.Left′车削刀具Z方向位置MDIForm1.User C11.Top=MDIForm1.Image01.Top-1140′X方向位置MDIForm1.User C21.Left=MDIForm1.Image01.Left′隐藏刀具Z方向位置

当车削轴类工件时:

当车削孔类工件时:

其中:User C11为可见工作刀具;User C21为隐藏工作刀具;Text1.Text (Text3.Text) 分别为轴 (孔) 类工件的直径参数文本。

刀具模型的数据结构:显示刀具User C11 (left, top) 为 (Image01.left, Image01.top-1140) ;隐藏刀具User C21 (left, top) 为 (Image01.left, D*50-Image01.top) 。

6 仿真车削建模

6.1 系统双边切削的建模

车削仿真通常是利用刀具切削过程的建模逼真地反映出工件加工过程, 通过图像动态显示分析切削过程, 检验数控程序。刀具运动建模的最大问题是如何实现在前后两个切削位置处刀具图像的交替显示, 而且在图像的交替显示过程中的计算和显示的速度不能响应整个图形的动画效果, 常用的图像编辑方法和异或方法, 很难连续和平滑地显示整个仿真过程, 易造成动画过程中出现屏幕闪烁, 影响视觉效果。

为此, 仿真车削建模采用刀具运动动画法, 即在快速定位和插补等模块中每次计算出下一位置的坐标时, 刀架和刀具控件就移动到该点, 只要通过控制空间位置的连续变化就能实现这些部件的运动动画。利用时间钟 (Timer) 的定时功能绘图这种方法是基于上述两种方法的叠加。其基本原理是将一条曲线分解成足够多的有限微小线段, 然后利用Line/Circle方法通过时间钟 (Timer) 的定时功能来连续地画这些线段。当线段的数量足够多时, 所有线段的连接就形成曲线。这样一条曲线就可看成是有限微小线段的连续排列。

仿真车削建模不能只模拟单边的切削过程, 只有进行双边切削建模才能更具真实感, 更加直观。为此, 以被车削工件的轴心线为对称轴, 在切削车刀的对称侧配置一把隐形车刀 (车削时不可见) 。仿真时, 双边的车刀轴向车削时同向运动, 径向车削时相向运动, 从而实现双边仿真切削的动画效果, 如图4所示。

工件在被刀具切削时, 形态发生了根本的变化, 数控仿真系统利用Line方法画线实现切削动画。其采用的策略是首先通过添加Active X用户控件, 设计出背景色透明的刀具控件;然后, 在切削过程中刀具图片以刀位点为基点沿着切削轨迹进行位移, 同时沿着刀具的主、副切削刃进行画线, 用背景色覆盖在工件上, 实现工件被车削的动画效果。如90°精车刀进行车削加工时, 刀具的工作部分是由主切削刃AB和副切削刃AC两条切削刃组成, 如图5所示。因此, 仿真加工的实现是以精车刀的刀位点Left, Top (0, 0) 或Left, Top (0, 1160) (隐形刀具) 为基点画AB、AC两条线段, 并实时跟随刀具切削刃进行位移并画线 (颜色与背景色一致) 用以覆盖工件体, 从而实现工件被车削的效果。

6.2 双边切削建模的软件实现

90°精车刀实现切削 (画线) 的源代码如下:

7 结语

本文通过对仿真数控加工关键技术的研究, 根据车削加工工件的几何外形和成形特点, 提出了一种简易的仿真加工场景快速几何建模的方法。利用这种方法在VB6.0平台上建立了数控仿真车削加工场景的几何模型。实践表明该方法可快速建立仿真加工的场景, 且仿真加工系统具有较好的真实感、较逼真的动画仿真以及良好的独立性。

参考文献

[1]陈为国.虚拟仿真辅助数控车削对刀实训教学的探讨[J].机床与液压, 2012, 40 (18) :38-40.

[2]唐秋华, 易磊, 等.三自由度数控车削加工建模与仿真[J].机械设计与研究, 2012, 28 (5) :80-83.

[3]周静, 土新华.数控仿真培训系统的研究与开发[J].机床与液压, 2010, 38 (8) :4-7.

[4]李建广, 姚英学, 高栋, 等.提高虚拟车削仿真质量的工件建模方法[J].计算机集成制造系统-CIMS, 2002, 8 (3) :233-237.

[5]徐宏海, 吴晚云, 张超英.车削加工过程建模与MATLAB仿真分析[J].机床与液压, 2006 (6) :229-230.

[6]廉良冲, 周莉.仿真软件与数控教学的结合应用[J].机床与液压, 2010, 38 (4) :107-108.

[7]李春雷, 石皋莲.基于Open GL的虚拟数控加工场景快速几何建模技术研究[J].现代机械, 2009, (4) :53-55.