機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真作業(yè)

機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真作業(yè)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化姓名：程陽銳學(xué)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(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)應(yīng)用目的趨于多樣化、全面化。最初放著技術(shù)是作為對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的輔助工具而應(yīng)用的，而后用于訓(xùn)練目的，現(xiàn)在仿真系統(tǒng)的應(yīng)用包括航空、航天、各種武器系統(tǒng)的研制部門、電力、交通運(yùn)輸、通信、化工、核能各個(gè)領(lǐng)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(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)測試與評估、系統(tǒng)操作人員的培訓(xùn)、系統(tǒng)預(yù)測、系統(tǒng)的使用與維護(hù)等各個(gè)方面。在電力工業(yè)中，隨著單元發(fā)電機(jī)組容量越來越大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對它的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、安全生產(chǎn)提出了更高的要求。仿真系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的最佳途徑，通過仿真系統(tǒng)可以優(yōu)化運(yùn)行過程，可以培訓(xùn)操作人員，電站仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為電站建設(shè)與運(yùn)行中必須配套的裝備。核電站的運(yùn)行必須安全操作人員的技術(shù)素質(zhì)、技能是保證安全運(yùn)行的前提，培訓(xùn)調(diào)高操作人員素質(zhì)、技能的有效手段是仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。一般來說凡是需要有一個(gè)或一組熟練人員記性操作、控制、管理與決策的實(shí)際系統(tǒng)，都需要對這些人員進(jìn)行訓(xùn)練、教育與培訓(xùn)、早期的培訓(xùn)大都在系統(tǒng)或設(shè)備上進(jìn)行的。隨著系統(tǒng)的加大、復(fù)雜程度的提高，特別是造價(jià)日益昂貴，訓(xùn)練時(shí)因操作不當(dāng)引起破壞而帶來的損失大大增加，因此，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性事關(guān)重大。以發(fā)電廠為例，美國能源管理局的報(bào)告認(rèn)為，電廠的可靠性可以通過該機(jī)設(shè)計(jì)和加強(qiáng)維護(hù)來改善，但只能占提高可靠性的20%-30%，其余要依靠提高運(yùn)行人員的素質(zhì)來提高，可見，人員訓(xùn)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(shí)際系統(tǒng)的工作狀況和運(yùn)行環(huán)境，又可避免采用實(shí)際系統(tǒng)時(shí)可能帶來的危險(xiǎn)性及高昂的代價(jià)，這就是訓(xùn)練仿真系統(tǒng)。二、論述系統(tǒng)仿真的類型和特點(diǎn)。系統(tǒng)仿真是近幾十年發(fā)展起來的一門綜合行學(xué)科，它為進(jìn)行西天寧國的研究。分析、決策、設(shè)計(jì)，以及對專業(yè)人員的培訓(xùn)等提供了一種先進(jìn)的手段，增強(qiáng)了人們對客觀世界內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)識能力，有力的推動了那些過去以定性分析為主的學(xué)科向定量化方向發(fā)展。在系統(tǒng)及人員培訓(xùn)中采用仿真技術(shù)，可大大減少費(fèi)用、縮短周期。仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程及分工程領(lǐng)域，并取得巨大的社會及經(jīng)濟(jì)效益。仿真的類型可分為1.物理仿真，2半物理仿真（數(shù)學(xué)-物理混合仿真），3數(shù)學(xué)仿真物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是：能最大限度的反映系統(tǒng)的物理本質(zhì)，具有直觀性強(qiáng)及形象化的特點(diǎn)，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(fù)雜過程不是簡單的數(shù)學(xué)方程所能表達(dá)的。物理仿真的缺點(diǎn)是：為建造物理模型所需的費(fèi)用高、周期長、技術(shù)復(fù)雜；在物理模型上做實(shí)驗(yàn)，修改模型的結(jié)構(gòu)及參數(shù)困難，實(shí)驗(yàn)的限制條件多，較容易受到一些環(huán)境條件的干擾。數(shù)學(xué)仿真的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，方便、通用性強(qiáng)。計(jì)算機(jī)為數(shù)學(xué)模型的建立與仿真提供了較大的方便與靈活，它實(shí)際上是一個(gè)“活的數(shù)學(xué)模型”。所以數(shù)學(xué)仿真也就是在計(jì)算機(jī)上對系統(tǒng)的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故常稱為計(jì)算機(jī)仿真半物理仿真即將系統(tǒng)的一部分建立數(shù)學(xué)模型，并放到計(jì)算機(jī)上，而另一部分構(gòu)造其物理模型或采用實(shí)物，然后將它們聯(lián)接成系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，這種形式的仿真稱為數(shù)學(xué)－物理混合仿真或半實(shí)物仿真，具有數(shù)學(xué)與物理仿真的共同優(yōu)點(diǎn)。三、以實(shí)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(xué)模型采用廣泛應(yīng)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(shí)的導(dǎo)輪慣性力矩，建立動態(tài)系統(tǒng)力學(xué)模型如圖1所示。圖1液力變矩器動態(tài)系統(tǒng)力學(xué)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(zhuǎn)矩、泵輪動態(tài)液力轉(zhuǎn)矩、泵輪構(gòu)件當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量、泵輪轉(zhuǎn)速；、、、為非穩(wěn)定工況下的渦輪軸動態(tài)轉(zhuǎn)矩、渦輪動態(tài)液力轉(zhuǎn)矩、渦輪構(gòu)件當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量、渦輪轉(zhuǎn)速。建立數(shù)學(xué)模型根據(jù)圖1建立數(shù)學(xué)模型：忽略循環(huán)圓內(nèi)液體循環(huán)流量變化、忽略泵輪和渦輪中工作液體轉(zhuǎn)動慣量以及機(jī)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(dāng)液力變矩器非穩(wěn)定工況下的泵輪轉(zhuǎn)速變化在－52rad/≤dω/dt≤52rad/時(shí)，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(nèi)，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(jìn)行仿真時(shí)，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(dāng)前速比下的動態(tài)和值。計(jì)算仿真模型利用此模型進(jìn)行某全程調(diào)速柴油機(jī)和某正透穿液力變矩器共同工作仿真，能方便得出全程調(diào)速柴油機(jī)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(jī)與液力變矩器共同工作圖4液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩的局部放大圖輸出特性分析仿真模型的計(jì)算數(shù)據(jù)圖3中，曲線1是液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩，曲線2是發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩，曲線3是發(fā)動機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩，曲線AB是共同工作時(shí)發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作曲線。由圖中可見，發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作曲線AB位于調(diào)速階段，特性較硬；液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）的變化范圍（曲線1）與發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)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(shí)液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩。由圖中可見，同一負(fù)載轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩在加/減速過程有一定差別，這是因?yàn)橄到y(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的存在使得加速過程有轉(zhuǎn)矩儲備而減速過程儲備轉(zhuǎn)矩釋放。四、結(jié)合所學(xué)專業(yè),選擇課題中的實(shí)際機(jī)電系統(tǒng),建立其模型,并進(jìn)行仿真研究。防撞梁受沖擊載荷的有限元?jiǎng)討B(tài)仿真（一）、顯式動力學(xué)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(gè)與時(shí)間有關(guān)的沖擊問題。其顯式動力學(xué)方程為式中：[M],[C],[K]分別為質(zhì)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€(gè)過程持續(xù)時(shí)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(shí)間的動力響應(yīng)問題，此問題可采用差分法[4]。利用該算法進(jìn)行求解時(shí)，解的穩(wěn)定性取決于該問題的求解方程性質(zhì)決定的某個(gè)臨界值Δt，將時(shí)間分割成小的差分Δt，對上式采用逐次直接時(shí)間積分法求解。為保障算法的穩(wěn)定性，時(shí)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(dá)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(shí)間短暫，變化劇烈，在碰撞過程中，沖擊力引起的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系一般是非線性關(guān)系，且變形速度很大。所以在采用有限元法對其進(jìn)行動態(tài)仿真時(shí)，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，所劃分單元的體積和所取時(shí)間的間隔需足夠小，這將是個(gè)計(jì)算量非常大的工作。（二）、建立模型1.假設(shè)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(shí)為方便建模，可將箕斗的模型建為一個(gè)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(diǎn)，所以需按照實(shí)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(zhì)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(jī)全部旋轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子的變位重力，N。防撞梁全長3165mm，橫截面為兩側(cè)用10mm厚鋼板封口的根據(jù)某礦主井實(shí)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(shí)體單元對模型進(jìn)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(shè)置為1，以確保在ASCⅡ格式文件GLSTAT和MATSDM中記錄沙漏能量和內(nèi)能的對比結(jié)果，沙漏能量不能超過內(nèi)能的10％。考慮到防撞梁的非規(guī)整結(jié)構(gòu)，采用vsbw命令，將防撞梁分為多個(gè)長方體結(jié)構(gòu)，分別對每個(gè)長方體進(jìn)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(diǎn)數(shù)為120714，單元數(shù)為65472；箕斗的節(jié)點(diǎn)數(shù)為132600，單元數(shù)為124950。（三）、邊界條件實(shí)際情況中，防撞梁固定在井架上，所以在有限元模型中，應(yīng)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(jì)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(shí)體單元對模型進(jìn)行劃分，ANSYS/LS-DYNA將自動設(shè)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(shè)置求解時(shí)間為0.1s，結(jié)果文件每2μs（四）、仿真結(jié)果ANSYS/LS-DYNA動力分析的計(jì)算結(jié)果，可按如下步驟進(jìn)行動畫顯示，以觀察模型應(yīng)力、應(yīng)變等隨時(shí)間的變化過程：任意時(shí)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(gè)撞擊過程中，防撞梁的最大應(yīng)力出現(xiàn)在0.03s時(shí)刻，位置為其斷面處左端面，此時(shí)刻防撞梁應(yīng)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(shí)間歷程變量，便