仿真曲线（精选5篇）
仿真曲线 篇1
1 引言
列车超速防护系统是一种在高速和实时条件下保障行车安全和提高运输效率的重要设备，本文利用计算机仿真技术实现了一个列车超速防护系统，构建了防护系统的仿真和测试平台。
2 列车控制系统原理分析
列车控制系统是整个系统中很重要的一个组成部分，主要用来实现列车的超速预防和防止冒进。其功能是根据轨道电路的空闲状态、线路曲线和坡道，固定限速、临时限速以及进路的状态，实时地为每个区段进行信息编码，并根据编码计算出每个区段的限速曲线(即最大速度曲线)。其结构如图1[1]。
2 列车速度控制曲线研究
列车速度控制曲线的分类模式是指为了保证列车运行安全，以安全信息为基础对列车的速度进行安全监控的不同表示方式。
2.1 台阶模式
在每一个速度区间内，防护系统只监督一个既定的速度，遇到前方有速度限制时，要求司机在规定的区间内速度保持在到规定的速度，这种速度控制模式需要一个保护区段，用于防止司机误操作，这种速度控制方式对司机的限制比较宽松，但对提高运输效率和节能是不利的。目前，这种方式在铁路上运用较多。
2.2 分级连续模式
分级连续模式如图3，这种控制模式在每一个速度区间里给出一个入口速度和出口速度。这样就可以在闭塞分区内连续对速度进行监控，该模式比台阶式模式需要更多的信息，但对提高运输效率和安全是有好处的。目前采用这种模式的有上海地铁2号线和广州地铁1号线等。
2.3 一次制动模式
这种速度控制模式也叫目标距离控制模式，是比较新的速度控制模式，它直接以目标点为计算依据按照坡度等参数来产生一次制动的最佳速度控制点，从而能够最大程度地提高运输效率并达到节能的目的。其原理如图4所示，这种速度控制模式需要大量的信息来进行列车的定位。为了使列车不超出安全制动曲线，分区速度监控系统会先关闭牵引系统，然后启动涡流制动，以确保列车的安全。
2.4 速度控制曲线的选择
以上三种模式中，分级连续式速度控制曲线和一次制动式速度控制曲线无疑更为合理，也代表了新技术的发展方向，本文最终采取了目标距离控制模式来进行仿真和实现。
3 列车受力分析及速度近似公式
列车在运行状态中会受到多个力的作用，其加速度计算公式近似如下[2]：
其中：Fp为由同步直线电动机产生的力;Fa为空气阻力;Fσ为其他因素如风速，两列车交汇所产生的力等;A=0.03m.s-2为列车运行在轨道上的再生制动加速度系数;A'=1.2m.s-2为由涡流制动器产生的强制制动加速度系数;B=30m.s-1;k为坡道斜率(数据库中用辅助位1表示上坡，2表示下坡，0表示水平行驶);v为列车速度;g为重力加速度;
反映在公式中，即让Fp=0,Fσ=0加以忽略，其中多台涡流制动机中可能会有一辆台失效。总之，列车加速度公式修改为：
式中：Fa为空气阻力，Fa=Cdv2,Cd为阻力系数，与列车的最大迎风截面积和形状等有关，这里取Cd=0.313,C为失效系数，因为为了安全考虑，多台涡流制动机里可能会有部分失效，这里取C=3/4,v为平行于列车运动方向的气流相对速度，这里近似为列车速度，dv/dtbrake为列车制动加速度，(v)是v的分段函数：
根据运动学原理，建立如下公式：
从而得到
对上式两边分别积分，得到如下递归求值公式：
其中取v1=0，Δs=100m,a1=0，使用公式(1)求得a(v)并带入公式(3)来确定v2，然后依此迭代计算，即可获得近似的每个点的速度vi和位移Si，如果vi+1>vb，取vi+1=vb，其中vb为特定区段的限速度。然后依此绘图，得到距离-最大速度曲线。
4 安全速度防护曲线的组件的实现
安全算法防护曲线组件的实现步骤和功能如下：
1)如下图所示，将整个区段划成个长度为△D的小区段，然后在视图上点击坐标轴上一点，取整绘制出最大速度防护曲线。
2)先将D1定位到S1求最大速度曲线。从S1起以△D为间隔，从右到左依次标号为D2,D3,…Dn-1。
3)将S1作为起始点，列车速度v1=0，加速度a1=0，从access数据中读取该点的斜率k，通过式(4)和式(3)，绘制出相应的最大速度曲线。
4)if vi>线路限速vlim，则vi=vlim循环结束，以免数值越界。
5)else vi<线路限速vlim，则vi入栈，i=i+1,vi+1=vi。
6)判断计数器k,if k
7)通过比较列车在当前的运行速度和根据最近的前一个区间的速度区间计算得出的速度防护曲线由控制中心向列车发送消息，如果超速则向列车发送制动指令。
图7显示了由本文的算法设计实现的列车安全速度防护曲线的部分效果图。
5 结束语
本文基于列车仿真系统中速度防护曲线的几种实现模式，具体应用了一次制动模式，并给出了全新的速度迭代计算公式，并实际应用到了组件开发中，而该组件的设计和应用，极大的方便了列车速度的中央监控。
参考文献
[1]王志莉,黄厚宽,王涛.列车控制仿真系统中速度控制曲线的计算[J].铁路计算机应用,2005,2:47-50.
[2]郭宁,郭进.列车运行控制仿真系统(二)ATP列车超速防护仿真研究.铁道通信信号,2008,4:13-16.
[3]钮泽全.牵引计算学[M].北京:中国铁道出版社,1985.
[4]沈洪波.对既有线200km/h动车组列控系统的认识[J].铁道通信信号,2006,9:5-7.
仿真曲线 篇2
近些年, 随着人们对产品外包装的认识更加深化, 促使着我国食品饮料包装机械取得了较快发展。但相对国外同行业技术的发展, 国内生产技术较为落后, 大部分仍采用陈旧的通用设备加工, 机械零部件精度较低;其次我国包装机械的设计主要还是测绘、仿制及稍加国产化改进, 独立开发新产品能力不足, 产品开发缺少创新, 设计方法主要依赖于传统算法, 其计算量大, 经运行发现, 设计出的凸轮存在较大柔性冲击且易磨损。针对诸多难题, 我公司设计人员从更新设计理念出发, 运用Autodesk Inventor中的运动仿真模块完成贴标机凸轮曲线的设计。
1 传统设计方法分析
1.1 凸轮机构工作要求分析
如图2所示, 工作中, 从动件十字拨叉随回转大盘转动, 同时在双层凸轮的作用下产生与回转大盘旋转方向相反的自转运动, 且分为匀加速、匀速和匀减速三个阶段。如图1所示, 当回转大盘转过θ1区域时, 十字拨叉自转角速度从零匀加速至最大角速度ωmax, 自转角度α1;转过θ2区域时, 其以角速度ωmax匀速自转角度α2;转过θ3区域时, 其角速度从ωmax匀减速至零, 自转角度α3。由于在方瓶贴标过程中标签接缝相对瓶身要求精准定位, 为满足贴标要求, 十字拨叉进入θ1区域时要求有一条边指向回转大盘中心, 转出θ3区域时也要有一边指向大盘中心。即:
1.双层凸轮2.十字拨叉3.驱动齿轮4.回转大盘5.瓶型 (方瓶) 6.瓶托齿轮
1.2 十字拨叉上任意一点轨迹曲线的计算
如图1, 以任意一点为原点, 水平方向为x轴, 竖直方向为y轴建立直角坐标系, 各参数见表1。
十字拨叉中心点O1 (x01, y01) 运动轨迹方程为:
十字拨叉上任意一点B (x, y) 运动轨迹方程为:
由以上各式得十字拨叉上任意一点运动轨迹方程为:
将式 (2) 和式 (3) 所形成的轨迹曲线进行一定的修改即为凸轮曲线。
2 基于运动仿真设计凸轮曲线的计算与建模
2.1 凸轮曲线设计的参数计算
为满足整机贴标要求, 即吸标转鼓线速度V吸应等于回转大盘线速度V盘与瓶身自转线速度V瓶之和;同时十字拨叉应满足凸轮机构工作要求分析中的式 (1) 。
因十字拨叉与瓶托之间依靠齿轮传动, 且驱动齿轮与瓶托齿轮的传动比为i。
a为匀加速段的加速度。
由式 (6) 、 (7) 得t加=2α1/ωmax。匀减速段同于匀加速段, 可得t减=2α3/ωmax。
2.2 运动仿真的建立与三维建模
2.2.1 运动仿真模型建立及驱动条件与优化方式的选择
首先将十字拨叉与回转大盘建立三维模型并正确约束组装为一装配体, 通过Autodesk Inventor菜单【环境】选项中的【运动仿真】模块建立仿真运动。其次, Autodesk Inventor运动仿真中所需驱动条件分为位置、速度和加速度三种, 根据上述参数计算, 十字拨叉经过匀加速、匀速和匀减速段所需时间已知, 故可选【速度】为运动仿真的驱动条件。根据设计要求, 可在【选定扇区的特性】的下拉菜单中选择合适的修正曲线。
2.2.2 十字拨叉自转和回转大盘旋转驱动条件参数设定
在满足式 (1) 的要求下, 根据设计要求分别设定十字拨叉自转角度值α1、α2和α3, 且ω、ωmax、t加、t匀和t减通过上述算式可知。十字拨叉速度驱动条件应分为三段:1) 匀加速段。如图3黄色区域, 起始点速度和时间均为零, 运动结束点速度为ωmax, 时间为t加;2) 匀速段。起始速度为ωmax, 运动时间为t加+t匀;3) 匀减速段。起始点速度为ωmax, 时间为t加+t匀, 运动结束点速度为零, 时间为t加+t匀+t减。将三段运动参数 (匀加速前和匀减速后分别增加了一段无自转运动) 分别对应输入驱动条件参数表 (如图3所示) 。同理设定回转大盘驱动条件参数。
2.2.3 凸轮曲线的生成与建模
将仿真生成的四条运行轨迹导出至草图经修剪和向中心外方向偏移d1/2距离得到生产加工的凸轮曲线。运动仿真的生成和凸轮三维实体建模如图4所示。
3 结论
基于运动仿真设计出的双层凸轮曲线经加工成零部件, 装机并通过长时间生产运行证明, 凸轮机构柔性冲击小, 使用寿命长。体现了其设计方法的合理性与正确性, 设计过程避免了大量的轨迹方程的计算, 降低误差累积的同时很大程度上提高了工作效率, 对回转式贴标机双层凸轮曲线的设计具有一定的实际指导意义。
摘要：在分析凸轮曲线传统设计方法的基础上提出了新的设计理念, 运用Autodesk Inventor设计软件中的运动仿真模块进行零部件的三维动态模拟, 将形成的运动轨迹曲线转化成草图并修剪得到凸轮曲线。经设计加工出来的凸轮机构在多台回转式贴标机上生产运行后, 证明了运用运动仿真来设计双层凸轮曲线方法的可行性与正确性。
关键词：回转式贴标机,运动仿真,双层凸轮曲线,Autodesk Inventor
参考文献
[1]唐湘民.Autodesk inventor有限元分析和运动仿真详解[M].北京:机械工业出版社, 2009.
[2]张俊玲.回转式贴标机凸轮的设计与研究[D].济南:山东大学, 2006.
仿真曲线 篇3
关键词：MOCVD,有限元分析,温度场,调节曲线
随着以GaN为代表的第三代半导体的发展,特别是在半导体照明领域的广泛应用,由于MOCVD法能够大规模的生产出高质量的GaN外延片,它已经成为最有前景的生长方法之一[1]。而作为其上游产业,MOCVD设备的研发尤为重要。
近年来,国内外科研人员对MOCVD反应室内温度场进行了许多研究,但大多针对反应室内热流场的仿真以及小面积的感应加热方式[2,3,4,5,6]。如Chen[7]提出在保持感应线圈中电流强度不变的条件下,最大温度随激励电流频率增大而增大;Li等[8,9]利用有限元方法,给出了电磁加热的反应室中焦耳热与电流频率、电流强度及线圈匝数等参数间的关系;Li等[10,11]还提出了一种石墨基座刻槽方式提高感应加热均匀性的方法。
目前,最先进的MOCVD设备单批生产量已约达到100,而外延片最大尺寸也达到了8 inch(1 inch=2.54 cm,为方便研究,文中一律采用英制单位)。为了保证这种大面积的加热均匀性,单个的感应加热器已经不能满足需要,而往往采用多个辐射加热器协调工作[12]。因此,研究每个加热器加热时对石墨盘的影响就显得更为重要。在这里,提出加热器调节曲线这一概念,反映了该加热器在加热时,石墨盘各点温度的变化情况。如果知道不同位置和大小加热器的在不同功率下的调节曲线,就可设计出符合要求的反应室和加热系统,以及在实际应用时更容易地调整温度场的均匀性。而加热器调节曲线可由加热器单独加热时石墨盘表面温度场近似给出,文中把石墨盘表面温度分布曲线简称为调节曲线。调节曲线的峰值是一个关键参数,它能反应该加热器在升温或降温时,石墨盘温度变化的最大位置;最内和外圈加热器的峰值,还能反映出该加热系统可调节的最大范围。
红外辐射方式一般分为片式和丝状两种[13],本文是针对片式辐射加热的MOCVD反应室进行热场模拟,对调节曲线峰值点变化情况进行了系统分析,对其影响因素做了分析和总结,为以后MOCVD片式加热系统的设计以及优化提供了必要的依据。
1 基础理论与仿真模型
本文主要研究加热器几何条件对石墨盘温度场的影响。在不影响主要结果的前提下作以下假设:
(1)模型中不考虑热对流的情况,只考虑热辐射因素、石墨盘内部热传导因素。
(2)模型不考虑石墨盘自转因素。
(3)反应室内为标准大气压下的氢气气氛。
(4)反应室外壁设置为室温。
(5)石墨盘温度场只考虑稳态分布情况。
其热场特征可以由以下方程和边界条件表示:
热传导定律
基座、内壁边界条件为
外壁边界条件为
T=T0 (3)
中轴边界条件为
r=0 (4)
其中,c是比热;ki是第i种材料的热导率;ρ为密度;T表示温度;γ为发射率;σ为斯蒂芬-波尔兹常数;h为表面传热系数;TS为环境温度;q为被吸收的热量;T0为室温。这些方程都集成在Comsol Multiphysics中,各材料的属性均采用软件材料库中给出的。
采用片式加热反应室的二维轴对称简化模型,将反应室结构简化为加热器、石墨盘、反应壁3部分,并将加热器简化为环形加热器,如图1所示。
为方便表述,对模型一些几何参数做出定义。在图2中,定义环形加热器的差径R为外半径r2减去内半径r1的差值。定义石墨盘上半径为加热器内外径和值1/2的圆为M圆,对应峰值曲线上的横坐标值称为M点,它的定义方便直观地观察峰值的变化情况。该点是石墨盘位置的一个标度,同时,当石墨盘半径无限大,加热器内外径无限大时,调节峰值所在的位置。比较关注调节峰值和该点的相对位置变化。图1所示模型中,中圈和外圈的M点分别为Mm=0.5 ft,Mo=0.85 ft(1 ft=0.304 8 m)。
2 仿真结果讨论分析
2.1 加热器加热功率的影响
模拟出3个加热器单独工作在加热功率为395 000 bf/(ft2·s)时,各自的加热调节曲线,1 bf/(ft2·s)=42.899 4 W/m3。图3所示为3个加热器各自的加热调节曲线,共同作用时的温度分布曲线及其峰值随着加热功率升高的变化情况。
2.1.1 内圈加热器
如图3所示,内圈加热器几何和质量中心与石墨盘在对称轴上,由于它处于完全的轴对称中心,所以其调节曲线峰值位置不随加热器功率变化而变化,改变加热功率只是曲线的曲度发生变化。
2.1.2 外圈加热器
如图3所示,外圈加热器调节曲线峰值点在其M点的外侧。这是由于石墨盘边缘效应影响,石墨盘边缘阻碍了热量向外的传导,导致热量堆积,温度升高,使其调节曲线峰值位置向M点外侧偏出。随着加热功率升高,峰值点内移,如图4所示,这是由于随着加热功率升高,补偿了内侧由于向内热传导损失的热量;而超高温时,其峰值又外移,这是由于超高温时,石墨边缘的气体已经被加热到了很高的温度,甚至超过了石墨盘的温度,由式(2)可知,继续增加温度边缘热辐射和热传导的热量损耗小于向石墨内侧的热传导损耗,于是边缘效应再次占上风,又将峰值向外侧拉动。但由于超高温时,温度梯度变化较小,峰值移动比较缓慢,最终边缘成为峰值点。
2.1.3 中圈加热器
如图3所示,中圈加热器条件曲线峰值点在其M点的内侧。由于这个位置的边缘效应较弱,而石墨盘中间部分面积小散热较慢,使得向内的热传导效率下降,造成了中间部分热量的堆积,使其调节曲线峰值向M点内侧偏入。随加热功率升高,逐渐向外侧移动,这是加热功率的升高对向外侧传导的热量损失有所补偿。但达到一定值时候又再次向内侧移动,原因是内圈加热器被中圈加热器辐射加热,对石墨盘中间部分起到了保温作用,加剧了因中间部分散热较慢带来的内移。为验证这一解释,将内圈加热器去掉,发现调节曲线继续外移,如图5所示。只有当超高温情况下,才出现峰值内移的现象,说明上述解释的正确性。
从图3共同作用后的温度分布曲线来看,石墨盘在内中外3圈加热器相同功率时,呈现中间温度高,边缘温度低的分布,这正是由于中间热积累大于边缘效应所导致。从三者的各自的调节曲线可以看出,边缘部分仅由外圈加热器的峰值在此处,故加热时,外圈加热器加热功率要大于内圈和中圈,以补偿边缘部分的热耗散。因此,在设计加热系统时,外圈加热器的加热功率范围要大于内圈。如果不考虑石墨盘中央转轴的因素,越靠外的加热器受到的边缘效应也越大,因此加热器位置越靠外,其最大加热功率也应该越大。
2.2 加热器的水平位置的影响
同样差径的加热器,随内外径的变大,即在石墨盘的相对位置的外移,使得峰值外移,并呈现明显的正比例关系。这里移动的原因来自两方面:一是加热器本身位置的移动,即M位置变化;二是由于越向外移,边缘效应影响会越强烈,导致了峰值点与M点位置的相对变化。图6为加热功率395 000 bf/(ft2·s),加热器差径0.1 ft和0.5 ft时峰值的变化曲线。图中不同差径变化的斜率也不同,石墨盘越大,变化越明显,这是由于加热面积较大时,石墨盘的边缘效应堆积热量也越快。
2.3 加热器大小的影响
在加热功率恒定在395 000 bf/(ft2·s)时,研究当石墨盘M点一定时,差径变化带来的影响,即加热器大小的影响。
首先,可以看到3个加热器的调节曲线峰值点主要决定于M的位置,一般在M位置附近,即加热器位置的附近。
等M位置时,随着差径增加,峰值中心变化情况不一,当在中心位置在内侧时,则随其增大向内移,如图7(a),这是由于在该情况下,内部热量积累占主要作用,边缘效应影响较小,随着加热器越大,内部热量积累越显著,于是峰值向内部偏移;当中心位置在外侧时,则向外移如图7(c),这是由于奇点外侧时,边缘效应占主要作用,随着加热器大小增加,边缘效应的影响加大,导致其峰值向外侧偏离M点;但在中间一定范围内,加热器大小的影响变得无规律,如图7(b),这是由于在这个范围上时,增大差径,内外圈同时增加面积,内部影响和边缘效应的影响的效果在这点附近相差不多,所以出现相互胶着的情况。一般地,内部积累热量的前期占优,边缘效应后期占优。关于石墨盘上该范围的区域的情况,这里不再作深入研究。
结合实际,可以得到两个设计石墨盘加热系统的原则:在条件允许的情况下,加热器越多其石墨盘上温度调节越灵活;最外圈的加热器面积越小,则其M点越靠外,温度调节的面积也越大。
3 结束语
仿真曲线 篇4
上海中环线北翟路立交NW匝道有一联3孔钢箱梁,其中K18孔梁跨越吴淞江。桥跨布置为57 m+95.758 m+40.367 m,最小曲率半径为95 m。梁体截面为单箱单室变截面钢箱梁,梁顶宽8.7~9.6 m,主墩梁高5.151~5.158 m,跨中梁高2.537~2.890 m,箱梁梁高按二次抛物线变化。主梁采用Q345钢板,桥墩采用C40混凝土[1]。
本钢桥施工区域处于上海市区北虹路与北翟路(长宁路)及天山路的交叉路口,现场交通流量大,大部分构件须夜间进场及吊装,且东西两侧为居民住宅社区,施工文明要求高。除跨吴淞江那孔钢梁采用浮吊进行吊装施工外,其他吊装机械不能停放在路桥上作业,施工难度大。
跨越吴淞江的钢箱梁在两墩柱位置的截面高达4.6 m和5.4 m(包括梁底支座),且中箱体宽度也在4 m以上,受运输限制,需侧向分段,增加了现场拼装和焊接工作量。分段构件吊装顺序:先吊装中箱梁,后吊装两侧翼。NWK17~K19施工节段划分示意图如图1所示。
2 施工阶段结构分析模型
钢桥施工建立全结构仿真分析模型,施工吊装的模拟采用ANSYS软件特有的单元生死功能实现。由于箱梁变宽、变高、变坡,故箱梁板壳单元选择8节点SHELL93单元,桥墩和支座采用实体单元SOLID45模拟,全部单元数量为50 000个。
由于ANSYS软件中单元生死的计算是非线性求解过程,故庞大的求解规模和非线性迭代过程造成计算效率较低。在现有的计算能力下,完全按照施工吊装顺序模拟计算很不现实,综合考虑了施工吊装顺序、模型计算规模、仿真计算目标等因素,实际计算步骤划分如表1所列。模型的细部示意图与施工阶段1~5的有限元模型分别如图2、图3所示。因有限元模型中没有显示作为约束来模拟的临时支架,施工阶段6及成桥阶段的模型图与施工阶段5的模型图相似。
3 计算结果分析
本文利用大型通用分析软件ANSYS的三维板壳单元与单元的生死技术,全过程仿真模拟曲线箱梁的施工过程。分析各个施工过程中曲线箱梁的应力与变形,主要有以下内容。
1)关注每个施工阶段曲线箱梁的最大应力。
2)关注每个施工阶段曲线箱梁的最大变形。
3)关注各个施工阶段累计下来的曲线箱梁最大应力、最大变形,以及各个支座反力的分布情况,并且与一次落架的计算结果作比较。
受篇幅所限,在这里不能列出所有施工阶段的计算结果,只列出最后一个阶段——成桥阶段和一次落架的一些计算结果,其他计算结果见参考文献[1-2]。
根据文献[1-2],综合NWK17~K19的计算结果,从中可以得出施工阶段变形和应力值。施工阶段变形和应力值见表2。采用吊装方案的支座反力与一次落架的对比见图4。
由表2可见,与一次落架计算结果相比,采用吊装施工方案使最终的成桥变形增加了42 mm,这对设计的预拱度设置会产生一定的影响,设计预拱度应作调整。
同样,由表2可以得到,考虑施工过程,恒载下主跨跨中底板最终最大应力为97 MPa,而一次落架计算结果为60 MPa,增加了37 MPa。
文献[2]给出了考虑施工过程,主跨跨中顶板最大应力为79 MPa,而一次落架计算结果为34 MPa,增加了45 MPa。综合空间梁单元与三维板壳单元的计算结果,同样由文献[2]可以近似得到在附加组合下,主跨跨中顶板最大应力约为150 MPa(包括汽车局部轮压作用的第二、第三体系应力),主跨跨中底板最大应力约为146 MPa,能够满足规范210 MPa的要求。
从图4可以得到两个边墩的支座反力(16号墩与19号墩),考虑施工过程的支座反力与一次落架计算得到的支座反力比较接近;而17号墩的支座反力,考虑施工过程后,内、外两侧的反力更加不均匀;但是,18号墩的支座反力,考虑施工过程后,内、外两侧的反力变得均匀、基本相等。
4 结语
综合以上分析,可以得到以下一些结论。
1)根据以上计算分析结果,采用吊装施工方案的顶、底板应力有所增加,但仍满足规范要求,因此本吊装方案在曲线箱梁NWK17~K19的受力方面是基本可行的。
2)采用吊装方案需增加NWK17~K19曲线箱梁的设计预拱度。
3)采用吊装方案,则NWK17~K19曲线箱梁17、18号墩的内、外侧支座反力计算值与一次落架的计算结果有一定的差别。
4)建议施工单位对以上曲线箱梁在施工吊装过程中进行变形与应力的监测。
5)对曲线箱梁的不均匀支座反力,应采取一定的有效措施,以防曲线箱梁在不利受力情况下出现支座负反力,特别在汽车超载作用下,更容易引起负反力,严重的情况就是结构发生倾覆破坏。
摘要：上海中环线北翟路NWK17～K19是一大跨度曲线变截面连续箱形钢桥。在该桥施工吊装时,由于施工条件的限制,钢箱梁截面两翼与中间箱体分离,顺桥向采用多节段吊装,故箱梁在施工阶段受力非常复杂。采用三维空间板单元仿真模拟了该桥的复杂空间结构与关键施工阶段,计算分析得到的结果能为实际工程设计与施工提供有价值的理论依据。
关键词：变截面连续梁,曲线箱形钢桥,施工阶段,有限元仿真分析
参考文献
[1]中环线立交新建工程SWK23～K27/NWK17～K19连续钢箱梁空间分析报告[R].上海:上海市城市建设设计研究院,2009.
仿真曲线 篇5
凸轮机构是实现机械自动化和半自动化中应用比较广的一种机构, 凸轮机构突出的优点是适当的确定凸轮轮廓线就可以实现比较复杂的运动规律[1]。从动件的运动规律与特性会直接影响到整个凸轮机构的运动学、动力学等特性[1]。因此采用高精度的设计和加工方法已经非常必要。随着计算机辅助设计、分析的技术的飞速发展, 凸轮轮廓曲线的计算机辅助设计方法逐渐丰富起来[1], 同时越来越多的制造业信息化软件可以实现凸轮轮廓线的设计及凸轮机构的运动仿真。NX8.0是集CAD/CAE CAM为一体的功能强大的三维参数化软件, 它的功能覆盖了产品的全生命周期过程[1]。现以NX8.0为平台, 介绍了盘形凸轮轮廓曲线的参数化设计方法, 对凸轮轮廓曲线做了曲线连续性分析, 并通过运动分析对仿真结果和理论设计结果的一致性做了验证, 同时对凸轮的参数化驱动做了验证。
1 凸轮的理论轮廓线
某直动从动件盘形凸轮机构, 从动件行程h=50 mm, 推程和回程均采用摆线运动规律, 摆线运动规律的从动件加速度没有突变, 可以避免柔性冲击和刚性冲击[1]。偏距e=0, 并且推程运动角Φ=120°、远休止角Φs=45°、回程运动角Φ'=100°、近休止角Φ's=95°, 基圆半径r0=110 mm。
凸轮轮廓线方程:
从动件在不同阶段的位移方程:
于是得到轮廓曲线分别在x、y的方程:
2 基于NX的凸轮轮廓线建立
使用建模模块的“表达式”及“规律曲线”创建凸轮的轮廓曲线。
2.1 创建表达式
新建NX文件cam.prt, 单位:mm。进入NX建模模块后, 根据方程 (3) 、 (4) 创建以下表达式:
以上表达式可以从NX中导出一个.exp文件, 可以使用记事本编辑, 该文件可以导入到NX文件中[1]。
2.2 使用“规律曲线”创建凸轮轮廓线
点击“规律曲线”, 使用“根据方程”依次创建出凸轮轮廓的四段曲线。具体的创建过程可参阅[3]。然后使用“圆弧/圆”命令创建基圆, 半径为表达式r, 再使用直线命令以第一段规律曲线的起点为端点建立竖直向上沿YC方向, 长度为100 mm的直线来代表从动件, 以上曲线和直线都为特征。此时图形窗口如图1所示。
2.3 曲线连续性分析
使用“形状分析”工具条的“曲线连续性分析”命令对凸轮的四段轮廓曲线在彼此的交点处的曲线连续性进行分析, 结果显示所有相邻曲线都是相切连续, 验证了设计的精度。
3 凸轮的运动仿真
NX8.0的运动仿真模块和建模模块无缝连接, 可以在不建立实体、不装配的情况下进行机构的运动规律分析, 还可以做零件间的干涉分析、跟踪零件的运动轨迹、分析零件在不同参考系的位移、速度、加速度、力和扭矩等。NX8.0的运动仿真模块可以使用Adams或Recur Dyn解算器进行解算。
3.1 创建连杆、运动副、添加驱动及解算
选择主菜单“开始”—“运动仿真”, 进入运动仿真模块, 此时可以在运动仿真导航器最顶部的节点上单击右键, 选择“新建仿真”建立一个新的仿真方案, 运动环境设置为“运动学”。
单击“运动”工具条上的“连杆”命令, 选择凸轮的5条曲线 (包括基圆) , “确定”创建连杆L001。以同样的方法选择直线创建出连杆L002。
单击“运动”工具条上“运动副”命令选择连杆L001的基圆添加旋转副, 单击运动副的“驱动”标签, 为运动副添加“恒定”驱动, 初速度为360。单击“运动”工具条上“运动副”命令, 设置“类型”为“滑动副”, 选择连杆L002, 无驱动。以上两个运动副均接地。
单击“运动”工具条上“点在曲线上”命令约束连杆运动, 在“指定点”选项中选择直线的下端点, 在“选择曲线”选项中依次选择凸轮的4条轮廓曲线 (不包含基圆) , 确定完成添加。
单击“运动”工具条上“解算方案”命令添加解算方案, 时间为1秒, 步数为500步。在运动导航器的Solution_1节点处单击右键“解算”。此时运动导航器和图形窗口如图2所示
3.2 生成运动曲线
使用“动画控制”工具条的“播放”命令可以观看凸轮机构的运动仿真动画。
使用“运动”工具条的“作图”命令, 可以生成从动件相对绝对坐标系原点的位移和速度曲线。此时出现“图表”对话框。
添加从动件位移曲线:选择运动副J002, 其它选项依次是“位移”、“Y”、“绝对”。
添加从动件速度曲线:选择运动副J002, 其它选项依次是“速度”、“Y”、“绝对”。
单击“确定”生成图表如图3所示从动件的速度曲线和位移曲线, 运动分析结果符合理论设计结果。
4 验证凸轮设计的参数化驱动
返回主模型文件cam.prt, 将表达式h=50, r=110。更改为h=40, r=80, 此时模型更新, 重新解算并生成从动件的位移和速度曲线。如图4所示。更改表达式后的运动分析结果充分验证了凸轮轮廓线参数化设计的合理性。整个凸轮的推程、回程运动角也都可以参数化更新, 这里不再验证。
5 结语
相对于传统的作图法, 基于NX8的盘形凸轮的参数化设计方法能够充分保证设计精度, 针对关键变量的参数化, 大大提高了模型可编辑性与重用性。而NX8的运动仿真模块可以直观的展示机构的运动过程, 分析运动规律, 并且与NX建模模块无缝连接, 确保了设计过程中的CAD和CAE一体化。
摘要：介绍了利用NX8.0的“规律曲线”功能对凸轮轮廓曲线进行参数化设计的方法, 分析了凸轮轮廓曲线的连续性, 通过对凸轮的运动仿真验证了设计结果的正确性, 分析了从动件的位移和速度的运动规律, 验证了凸轮设计的参数化驱动, 结果表明使用NX8.0的CAD和CAE模块对凸轮轮廓曲线进行参数化设计和运动分析能够充分保证设计精度, 大大提高了模型可编辑性与重用性。
关键词：凸轮,轮廓曲线,参数化,运动仿真,连续性
参考文献
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