機電系統(tǒng)建模與仿真作業(yè)

機電系統(tǒng)建模與仿真作業(yè)專業(yè)：機械設計及其自動化姓名：程陽銳學號：S20090076

一、舉例說明系統(tǒng)建模與仿真的作用和意義。隨著仿真技術的發(fā)展，仿真技術應用目的趨于多樣化、全面化。最初放著技術是作為對實際系統(tǒng)進行實驗的輔助工具而應用的，而后用于訓練目的，現(xiàn)在仿真系統(tǒng)的應用包括航空、航天、各種武器系統(tǒng)的研制部門、電力、交通運輸、通信、化工、核能各個領域、系統(tǒng)概念研究、系統(tǒng)的可行性研究、系統(tǒng)的分析與設計、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)測試與評估、系統(tǒng)操作人員的培訓、系統(tǒng)預測、系統(tǒng)的使用與維護等各個方面。在電力工業(yè)中，隨著單元發(fā)電機組容量越來越大，系統(tǒng)越來越復雜，對它的經(jīng)濟運行、安全生產(chǎn)提出了更高的要求。仿真系統(tǒng)是實現(xiàn)這個目的的最佳途徑，通過仿真系統(tǒng)可以優(yōu)化運行過程，可以培訓操作人員，電站仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為電站建設與運行中必須配套的裝備。核電站的運行必須安全操作人員的技術素質、技能是保證安全運行的前提，培訓調高操作人員素質、技能的有效手段是仿真培訓系統(tǒng)。一般來說凡是需要有一個或一組熟練人員記性操作、控制、管理與決策的實際系統(tǒng)，都需要對這些人員進行訓練、教育與培訓、早期的培訓大都在系統(tǒng)或設備上進行的。隨著系統(tǒng)的加大、復雜程度的提高，特別是造價日益昂貴，訓練時因操作不當引起破壞而帶來的損失大大增加，因此，提高系統(tǒng)運行的安全性事關重大。以發(fā)電廠為例，美國能源管理局的報告認為，電廠的可靠性可以通過該機設計和加強維護來改善，但只能占提高可靠性的20%-30%，其余要依靠提高運行人員的素質來提高，可見，人員訓練對這類系統(tǒng)的重要行。為了解決這些問題，需要這樣的系統(tǒng)，它能模擬實際系統(tǒng)的工作狀況和運行環(huán)境，又可避免采用實際系統(tǒng)時可能帶來的危險性及高昂的代價，這就是訓練仿真系統(tǒng)。二、論述系統(tǒng)仿真的類型和特點。系統(tǒng)仿真是近幾十年發(fā)展起來的一門綜合行學科，它為進行西天寧國的研究。分析、決策、設計，以及對專業(yè)人員的培訓等提供了一種先進的手段，增強了人們對客觀世界內在規(guī)律的認識能力，有力的推動了那些過去以定性分析為主的學科向定量化方向發(fā)展。在系統(tǒng)及人員培訓中采用仿真技術，可大大減少費用、縮短周期。仿真技術已經(jīng)廣泛應用于工程及分工程領域，并取得巨大的社會及經(jīng)濟效益。仿真的類型可分為1.物理仿真，2半物理仿真（數(shù)學-物理混合仿真），3數(shù)學仿真物理仿真的優(yōu)點是：能最大限度的反映系統(tǒng)的物理本質，具有直觀性強及形象化的特點，能將原型中發(fā)生的綜合過程在模型中全面反映出來，這些復雜過程不是簡單的數(shù)學方程所能表達的。物理仿真的缺點是：為建造物理模型所需的費用高、周期長、技術復雜；在物理模型上做實驗，修改模型的結構及參數(shù)困難，實驗的限制條件多，較容易受到一些環(huán)境條件的干擾。數(shù)學仿真的優(yōu)點是經(jīng)濟，方便、通用性強。計算機為數(shù)學模型的建立與仿真提供了較大的方便與靈活，它實際上是一個“活的數(shù)學模型”。所以數(shù)學仿真也就是在計算機上對系統(tǒng)的模型進行實驗，故常稱為計算機仿真半物理仿真即將系統(tǒng)的一部分建立數(shù)學模型，并放到計算機上，而另一部分構造其物理模型或采用實物，然后將它們聯(lián)接成系統(tǒng)進行試驗，這種形式的仿真稱為數(shù)學－物理混合仿真或半實物仿真，具有數(shù)學與物理仿真的共同優(yōu)點。三、以實例說明仿真研究的步驟基于MSC.ADAMS液力變矩器的動力傳動系統(tǒng)建模與仿真的步驟建立力學模型采用廣泛應用于車輛上的三元件向心渦輪液力變矩器作為研究對象，忽略液力變矩器在偶合器工況下工作時的導輪慣性力矩，建立動態(tài)系統(tǒng)力學模型如圖1所示。圖1液力變矩器動態(tài)系統(tǒng)力學模型圖2液力變矩器原始特性圖1中、、、為非穩(wěn)定工況下的泵輪軸動態(tài)轉矩、泵輪動態(tài)液力轉矩、泵輪構件當量轉動慣量、泵輪轉速；、、、為非穩(wěn)定工況下的渦輪軸動態(tài)轉矩、渦輪動態(tài)液力轉矩、渦輪構件當量轉動慣量、渦輪轉速。建立數(shù)學模型根據(jù)圖1建立數(shù)學模型：忽略循環(huán)圓內液體循環(huán)流量變化、忽略泵輪和渦輪中工作液體轉動慣量以及機械損失，則：＝＝式中λ為泵輪動態(tài)力矩系數(shù)，ρ為工作液體密度，為循環(huán)圓直徑，k為動態(tài)變矩比。當液力變矩器非穩(wěn)定工況下的泵輪轉速變化在－52rad/≤dω/dt≤52rad/時，液力變矩器的動態(tài)特性與靜態(tài)特性的相對偏差在4.5%以內，可以用靜態(tài)特性代替動態(tài)特性。此外,假定液力變矩器原始特性在各種工況下保持不變。因此，在進行仿真時，根據(jù)液力變矩器的原始特性曲線（如圖2），直接利用Akima插值方法確定當前速比下的動態(tài)和值。計算仿真模型利用此模型進行某全程調速柴油機和某正透穿液力變矩器共同工作仿真，能方便得出全程調速柴油機與液力變矩器共同工作的一些動態(tài)特性，如圖3、4所示。圖3發(fā)動機與液力變矩器共同工作圖4液力變矩器輸出轉矩的局部放大圖輸出特性分析仿真模型的計算數(shù)據(jù)圖3中，曲線1是液力變矩器輸出轉矩，曲線2是發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉矩，曲線3是發(fā)動機凈輸出轉矩，曲線AB是共同工作時發(fā)動機穩(wěn)定工作曲線。由圖中可見，發(fā)動機穩(wěn)定工作曲線AB位于調速階段，特性較硬；液力變矩器輸出轉矩（轉速）的變化范圍（曲線1）與發(fā)動機穩(wěn)定工作曲線AB相比有很大拓寬。圖4是液力變矩器輸出轉矩的局部放大圖，曲線1、2、3、4分別為渦輪角加速度－50、－10、10、50時液力變矩器輸出轉矩。由圖中可見，同一負載轉速下的輸出轉矩在加/減速過程有一定差別，這是因為系統(tǒng)轉動慣量的存在使得加速過程有轉矩儲備而減速過程儲備轉矩釋放。四、結合所學專業(yè),選擇課題中的實際機電系統(tǒng),建立其模型,并進行仿真研究。防撞梁受沖擊載荷的有限元動態(tài)仿真（一）、顯式動力學有限單元分析法在防撞梁受沖擊載荷過程中，箕斗對防撞梁的作用，是一個與時間有關的沖擊問題。其顯式動力學方程為式中：[M],[C],[K]分別為質量、阻尼和剛度矩陣；U,u,{u}分別為加速度、速度和位移矢量；{F}為外力矢量?；纷矒舴雷擦旱恼麄€過程持續(xù)時間極為短暫，振型疊加方法不適合求解高階振型分量特殊的沖擊問題和極短時間的動力響應問題，此問題可采用差分法[4]。利用該算法進行求解時，解的穩(wěn)定性取決于該問題的求解方程性質決定的某個臨界值Δt，將時間分割成小的差分Δt，對上式采用逐次直接時間積分法求解。為保障算法的穩(wěn)定性，時間步長Δt≤2/ωn，ωn為系統(tǒng)的最高階固有頻率，則基于位移的速度和加速度表達式為：所以可得到如下箕斗撞擊防撞梁的位移方程由于箕斗撞擊防撞梁的力持續(xù)時間短暫，變化劇烈，在碰撞過程中，沖擊力引起的應力、應變關系一般是非線性關系，且變形速度很大。所以在采用有限元法對其進行動態(tài)仿真時，為保證計算的準確性，所劃分單元的體積和所取時間的間隔需足夠小，這將是個計算量非常大的工作。（二）、建立模型1.假設箕斗過卷沖擊防撞梁過程中，提升鋼絲繩未發(fā)生松繩現(xiàn)象，則可將提升系統(tǒng)的變位重力集中到箕斗上，同時為方便建模，可將箕斗的模型建為一個橫截面積與箕斗相同的長方體，防撞梁受到的沖擊過程即為該箕斗對它的沖擊。防撞梁受力情況是分析的重點，所以需按照實際情況建立其三維分析模型。以安徽淮北楊莊礦主井提升為分析對象，其提升方式為纏繞式提升，提升系統(tǒng)的變位重力為：，式中：Q為載重，kg；Qz為容器質量，kg；g為重力加速度，m/s2；p為鋼絲繩單位長度的重力，N/m；Lp為1根提升鋼絲繩全長，m；Gj為提升機全部旋轉部分變位到卷筒圓周處的變位重力，N；Gt為天輪變位至卷筒圓周處的變位重力，N；Gd為電動機轉子的變位重力，N。防撞梁全長3165mm，橫截面為兩側用10mm厚鋼板封口的根據(jù)某礦主井實際提升參數(shù)建立的箕斗沖擊防撞梁三維分析模型如圖1所示，模型材料參數(shù)如表1所列。采用ANSYS/LS-DYNA支持的solid164實體單元對模型進行網(wǎng)格劃分。為防止過度沙漏，模型需采用map或sweep的均勻網(wǎng)格劃分方式，并采用EDENERGY命令將HGEN設置為1，以確保在ASCⅡ格式文件GLSTAT和MATSDM中記錄沙漏能量和內能的對比結果，沙漏能量不能超過內能的10％?？紤]到防撞梁的非規(guī)整結構，采用vsbw命令，將防撞梁分為多個長方體結構，分別對每個長方體進行sweep網(wǎng)格劃分，模型的網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。劃分后防撞梁節(jié)點數(shù)為120714，單元數(shù)為65472；箕斗的節(jié)點數(shù)為132600，單元數(shù)為124950。（三）、邊界條件實際情況中，防撞梁固定在井架上，所以在有限元模型中，應將防撞梁兩端面固定。在ANSYS/LS-DYNA程序中，沒有接觸單元，只需定義可能接觸的表面即可。在箕斗撞擊防撞梁的過程中，它們之間存在較大的接觸面積。分別選定防撞梁的底面和箕斗的頂面為Contact表面和Target表面。選擇STS普通面面接觸類型，自動接觸(Automatic)算法計算在大變形接觸和動態(tài)撞擊中的防撞梁和箕斗之間的相互作用。由于采用的是實體單元對模型進行劃分，ANSYS/LS-DYNA將自動設定接觸表面的方向。定義箕斗初速度，賦予箕斗豎直向上的初速度為1m/s，設置求解時間為0.1s，結果文件每2μs（四）、仿真結果ANSYS/LS-DYNA動力分析的計算結果，可按如下步驟進行動畫顯示，以觀察模型應力、應變等隨時間的變化過程：任意時刻，箕斗撞擊防撞梁的效果如圖3所示。通過動畫顯示可知，整個撞擊過程中，防撞梁的最大應力出現(xiàn)在0.03s時刻，位置為其斷面處左端面，此時刻防撞梁應力云圖如圖4所示。用命令EDREAD從ASCII格式化文件中讀入LS-DYNAData，用命令STORE將ASCII數(shù)據(jù)讀入時間歷程變量，便