纤维素热分析动力学
廖艳芬，王树荣，骆仲泱，周劲松，余春江，岑可发.纤维素热裂解过程动力学的实验分析研究.浙江大学学报，2002，36（2）.
摘要：尽管针对纤维素热裂解动力学方面的研究以已开展的比较广泛，但其表观动力学的确定认识一个具有争论性的问题，从而对纤维素热裂解机理的描述也就各不相同。廖艳芬等人试图通过纤维素的热裂解动力学研究，对此种想象作出合理的解释，并给出相应的机理描述。纤维素热裂解随温度的升高经历了五个不同的阶段，其中第三阶段是整个过程的主要是部分，期间大量灰分分析出并造成明显失重。实验发现随着升温速率的增加，热滞后现象的加重致使纤维素热裂解各个阶段向高温侧移动；同时高升温速率对炭的生成具有抑制作用，但有利于挥发分的生成。通过对热裂解主反应区的热重分析，采用微商法求得对应的反应动力学参数，以600K作为分界点，低温段的活化能约在267KJ/mol，较高温度段则体现为174 KJ/mol左右的低活化能。纤维素热裂解是一传热传质现象，与化学动力学机制相互影响控制的过程试验条件传热传质过程的影响是造成结论存在差异的内在原因。
随着世界经济持续发展导致对能源需求的高速增长以及大量化石燃料燃烧利用所造成的环境污染，生物质能这一可再生的清洁能源目前已引起了世界各国的高度重视。相比于煤炭等化石燃料，生物质具有低污染排放特点，而且其生产
的零排放，从而对于缓解“温室效应”具有特殊意义。
利用过程中能实现CO
2
生物质能的热化学转换技术是生物质能转换利用研究中的一个重点，其中生物质热裂解作为目前世界上生物质能研究开发的前沿技术，不仅是生物质气化或燃烧等转化过程中的必经步骤，而且其本身就是一种产生高能量密度产物的独立工艺。生物质热裂解是指生物质由于受到外界热效应的影响而发生的热化学转换过程，随着过程的进行，生物质的理化性质发生变化，研究这种变化的趋势不仅有助于了解生物质热裂解进程的演变情况，为生物质热裂解液化技术提供理论基础，同时对开发生物质高效直接燃烧和气化技术也具有重要的工程价值。纤维素作为生物质的主要组成部分，其热裂解行为在很大程度上体现出生物质整体的热裂解规律，因而进行纤维素热裂解过程的研究对生物质热转化利用技术的规模化应用具有重要意义，而对于纤维素热裂解过程的研究通常从其动力学特点入手来解释其过程的发展。
本文采用Perkin-Elmer TGA-7型差示热重分析仪，在程控温度操作条件下以5~50K/min的不同升温速率对纤维素原料在300~1200K的温度下进行动态升温试验，测量物质的物理性质与温度的关系，从而研究其反应动力学。试验用的载气为高纯度氮气，以保持炉内惰性气氛，同时能及时将纤维素热裂解生成的挥发性产物带离样品，从而减少了由于二次反应对试样瞬时重量带来的影响。动力学分析采用的纤维素是从含纤维素为99%的纯棉花中提取，其灰份质量分数为0.01%，粒径为50~60μm，试样量均控制在8mg以内。
2 纤维素热裂解动力学试验结果
在给定的升温速率下，随着原料温度的升高，纤维素热裂解经历了几个不同阶段，主要分为五个区域（见图1）。
的部分，在该区域中生物质除了温度升高外，没有第一区域是从室温开始到T
发生失重，此时试样的性质基本未变化；第二区域是指T0到T1的这个范围，在这个过程中生物质开始失去自由水；在接下的T1至T2的第二区域内，热重曲线几乎成一平台，期间发生微量的失重，这是生物质发生解聚及“玻璃化转变“现象的一个缓慢过程；第三区域是从T2到T4阶段，该区域是生物质热裂解过程的
主要阶段，试样的绝大部分失重发生在该区域，在该范围内生物质热
图1 纤维素热裂解的失重过程
裂解生成小分子气体和大分子的可冷凝挥发分而造成明显失重，并在T3时生物质的失重速率达到最大值，此阶段吸收的热量占整体反应的主要部分；最后一个区域对应于残留物的缓慢分解，并在最后生成部分炭和灰分。
不同升温速率下，纤维素热裂解的TG（图2）和DTG（图3）曲线具有一致的演化区势，随着升温速率的增加，各个阶段的起始和终止温度（除初温度T0）向高温侧轻微移动并且主反应区间也增加。这是因为达到相同温度，升温速率越高，试样经历的反应时间越短，从而反应程度越低。同时升温速率影响到测点与试样、外层试样与内部试样间的传热温差和温度梯度，从而导致热滞后现象加重。致使曲线向高温侧移动。
图2 不同升温速率下纤维素的TG曲线
从图2可以得出随着升温速率的增加，纤维素热裂解的炭产量逐渐减少，这里所定义的炭产量，并非整个热裂解过程的最终残留物质量分数，而是指主反应区域的炭生成量Yc。表1列出了不同升温速率下的炭产量，结果显示低升温速率下炭的生成量较高，表明高升温速率对炭的生成具有抑制作用，有利于挥发分的生成。
3 纤维素热裂解表观动力学模型
本文借助热重法对纤维素热裂解主反应区进行分析，求得其反应动力学参
图3不同升温速率下纤维素的DTG 曲线
表1 不同升温速率下炭的产量
数， 从而建立该区间的表观反应动力学模型。在热重法分析生物质受热失重的过程中，常采用式（1）所示的简单动力学方程来模拟纤维素失重现象，其中00()/()m m m m α∞=--为相对失重或称转化率；m 代表样品的质量，下角0与∞分别代表反应初始与终止状态。
()d kf dt
αα= （1） 速率常数k 可由Arrhenius 定律exp(/)k A E RT =-求得，其中频率因子A 和活化能E 的表达式需通过热重曲线的分析计算求得，反应机理()f α的表达式按较为常见的假设为： ()(1)n f αα=-，结合式（1）并引入升温速率与反应时间的线性关系，可得
exp()(1)n d A E dT RT
ααβ=-- （2） 式（2）取对数后进行差分得到
ln(
)(1/)[]ln(1)ln(1)d E T dT n T ααα??=-+?-?- （3）
式（3）的左端与(1/)ln(1)
T α??-成线性关系，可由直线的斜率求得活化能E ，由纵坐标的截距得到反应级数 再结合式（1）和Arrhenius 定律以及反应机理()f α可计算出频率因子A 。
图4示出了不同升温速率下的计算情况，从图中明显观察到不同升温速率下 ，直线的斜率均发生了向下转折现象，从而将热裂解主反应区分为了两段，这意味着活化能在整个区间内并非为常数，而是随反应的进行有所降低 通过横坐标(1/)ln(1)
T α??-的折算，发生转折的温度大约都在600K 附近。表2列出了不同升温速率下相应的动力学参数组，下标1和2分别表示温度低于和不低于600K 的情况。
图4 不同升温速率下的曲线
表2 不同升温速率下的动力学常数
由表2可见，在不同的升温速率下得到的活化能和指数前因子值存在着一定差异，这主要是在热重法中，由于热重曲线的形状与升温速率等试验条件相关的缘故，需对此引入相应的“动力学补偿效应”：
ln A aE b =+ （4）
从图5、6得到动力学补偿效应的表达式为
11ln()0.24816.283A E =?- （5）
22ln()0.27617.101A E =?- （6）
从而得到纤维素的表观反应动力学模型
214.4210exp(266520/)(1)d RT dt
αα=?--，600T K ， （7） 132.6910exp(173880/)(1)d RT dt
αα=?--，600T K ≥， （8）
图5 低温段动力学补偿效应
图6 较高温度段动力学补偿效应
4 结果分析及讨论
对于纤维素热裂解表观反应动力学研究，迄今已有许多不同的结果。反应模型的描述有单组动力学参数，也有多组动力学参数，其计算得出的值比较分散，如表观活化能从82~310KJ/mol 之间变化，从而对纤维素热裂解机理的描述也就各不相同。如Rao 等人用两组参数来模拟，认为纤维素在280~310KJ/mol 时， 以表观活化能为82.7KJ/mol 反应级数为1的动力学模型进行热裂解：而温度在350~400KJ/mol 时，则应用表观活化能为282.0KJ/mol 反应级数为2.0的动力学模型来模拟。Bilbao 对纤维素进行动态、静态热裂解重分析后，以E=226KJ/mol 的简单一阶一级模型模拟得到相当满意的效果。
当然不同研究者获得的试验样本对应的纯度和粒径等特性不同，就可能得出不同的活化能结果。然而纤维素热裂解过程应存在一定的内在规律，因而面对如
此纷繁众多的动力学参数，需寻找一个统一的答案或合理的解释。
Milosavljevic综合前人的结果，通过对大量数据的分析，并在试验基础上总结出纤维素热裂解在温度为600K左右时，表观动力学参数发生了分界，T≥600K时纤维素的表观活化能为140~150KJ/mol，而T＜600K时表观活化能为218 KJ/mol，并由此提出了新的纤维素热裂解模型。他在保留Broido模型的基础上引入了第三个竞争反应：纤维素热裂解生成二次生物油。由于较高温时纤维素热裂解以生成二次生物油的反应为主导，其反应活化能较低，从而导致了表观活化能的转折。从Milosavjevic的划分范围和活化能的取值区间来看，本文得到的结果与之有很大的相似之处，T≥600K时纤维素以173.8 KJ/mol活化能的路径热裂解，而T＜600K时则遵循266.5KJ/mol活化能的路径反应，似乎Milosavjevic的反应模型可以解释纤维素热裂解的演变过程。
其他研究者也注意到以两组参数模拟纤维素热裂解主反应阶段的方案，以下面两组动力学参数分别模拟纤维素快速热裂解600K前后的两段过程：T＜600K，E1=220.5KJ/mol，A1=3.47*1017s-1；
T≥600K，E2=143.2KJ/mol，A2=3.77*1010s-1；
结果发现拟合误差高达13%和10%而以一组动力学参数E=214.5KJ/mol，A=1.2*1017s-1描述误差仅6%，Antal在尽量减少传热传质影响条件下，在氩气环境中对小样本纤维素进行了热重分析，同样以简单的一阶一级模型模拟的纤维素热裂解（活化能约为（238±10）KJ/mol）结果也很满意。
研究者们对纤维素热裂解动力学的研究结果各不相同，几乎每组动力学参数都与其相应的试验数据符合得很好，对另一试验环境得出的结果拟合却又不如人意，这些各持己见的观点使纤维素的热裂解动力过程变得扑朔迷离，在不能肯定他人试验结果对错，或是哪一组更为合适的情况下研究的焦点又集中到热裂解过程本身纤维素热裂解是一传热传质现象与化学动力学机制相互影响、控制的过程，反应条件影响着反应过程的进行。热裂解过程中传质限制主要体现在热裂解产生的挥发份不能及时排出而在固体表面发生气固相二次反应。传热控制现象则体现为颗粒内部空间梯度引起的温度差异、颗粒料层内部温度梯度以及颗粒与反应器之间受传热速率影响产生的温度梯度。由于纤维素热裂解过程对于温度相当敏感，传热因素影响了温度的准确测定，因而使试验数据的准确性受到怀疑同时纤维素热裂解是一吸热过程，在系统传热不充分的情况下颗粒实际温度低于周围环境温度，因而测温仪器热电偶的放置位置与试验准确度有很大关系。为使试验数据更能反映真实情况，传热限制必须尽量减少，即降低样本颗粒尺寸和样本厚度以及恰当的测温手段使其满足传热要求。
考察上面两组试验设备与方法，Lanzetta的试验在石英管反应器内进行，其特殊的装置使样本控制在指定温度下进行热裂解，从而避免了测温带来的误差试验采用的样本颗粒纤维长度为20~150μm，其内部温度梯度可忽略，样本铺设厚度约为140μm以避免颗粒料层内温度梯度，同时反应生成的挥发份被惰性气体稀释并携带出反应器，因而可以认为该试验基本上不存在传热传质限制，二次反应可忽略，反应处于动力学控制范围内。
Milosavljevic在TGA上对粒径为10~30μm的纤维素进行热重试验，因为颗粒尺寸足够小所以颗粒内部传热限制可以忽略，而且热电偶与样品直接接触保证了温度测定的可靠性。但在此热重分析中样品用量太大，约为30μm，厚度约为1mm，导致颗粒间温度梯度不可忽略，扩散效果差，热裂解产生的挥发份不容易逸出，增加挥发份在颗粒外表面的停留时间，从而加大了气固二次反应程度，所以该
试验处于动力学机制与传热传质同时控制的范围内。按照近来被普遍接受的改进了的Broido-Shafizadeh模型方案，见图7纤维素热裂解机理可描述如下：纤维
图7 改进的Broido-Shafizadeh模型
素热裂解首先是一聚合度降低形成活性纤维素AC的反应过程，后续两平行竞争反应，其中低温有利于炭的生成，较高温则偏向于生成液态挥发份。一次挥发份在高温和长时间停留条件下进一步反应生成包括二次轻质气体、二次焦油和部分炭的二次产物。在通常的反应条件中，如热天平，由于不可能采用足够小的颗粒粒径或足够薄的物料厚度，以及热裂解产物的及时猝冷装置，一次产物接触高温炭或者是在高温反应条件下发生二次热裂解几乎是不可避免的。因而在Milosavljevic试验中由于传热与传质的影响，热裂解动力现象在高温时体现出二次反应的效果，使得表观活化能在600K 左右出现转折现象，而Lanzetta石英管反应器内纤维素热裂解处于动力学控制区，二次反应可以忽略，其热重曲线体现的仅为一次反应，所以计算得到以一组动力学参数模拟效果更佳。尽管在本文的试验研究中，为保证试验数据的准确可靠性，对试样的粒径和用量都进行了选择，但由于仪器的灵敏度，样品的用量都在5~8mg，其在样品盘内的堆积厚度有3~5mg，因而热质传递因素导致了表观活化能的转折。Antal对生物质热裂解过程中，热电偶处于不同测温点得到的表观活化能结果进行分类发现：测温用的热电偶位于试样外时的活化能为210~215KJ/mol；热电偶测点位于气流中的活化能则为138~210 KJ/mol；热电偶直接与试样接触的活化能为109~138 KJ/mol，由此也从另一面了解到了传热传质条件对动力学结果的影响。
因而，试验条件的不同，热质传递过程的影响造成了该热裂解动力学结果多样化现象，其主要包括传热限制造成的测温误；传质条件不同引起的二次反应程度差别；热裂解反应热效应引起物料温度滞后等等原因。故而选取动力学参数模拟热裂解过程时应在Broido-Shafizadeh动力学机理的基础上，充分考虑到传递现象的影响，进行恰当的选择，以最合适的动力学参数真实的描述试验条件下进行的热裂解反应过程。本文计算得到的模型适合本试验设备，能很好的解释该条件下的纤维素热裂解动力学过程。
另外，纤维素热裂解过程受到众多因素的影响，比如：纤维素的来源、纯度、数据处理方法等等，样本的纯度决定了热裂解过程受催化作用的程度，而灰份中的金属离子对热裂解过程又是以不可预知的方式作用，因而不同来源的纤维素有可能得出不同的动力学机理。
5 结论
（1）随温度的升高，纤维素热裂解经历了五个不同阶段，其中第三阶段是整个过程的主要部份，试样在该阶段内热裂解生成小分子气体和大分子的可冷凝挥发分，从而造成明显失重。
（2）随着升温速率的增加，热滞后现象的加重致使纤维素热裂解各个阶段向高温侧移动。
（3）升温速率增加!纤维素热裂解的炭产量逐渐减少表明高升温速率对炭
的生成具有抑制作用，有利于挥发份的生成。
（4）不同升温速率下表观活化能对温度相当敏感，在600K左右出现了转折，低温段的活化能约在267KJ/mol，较高温度段则体现为174 KJ/mol左右的低活化能，从而使主反应区的模拟分为两步进行
（5）纤维素热裂解是一传热传质现象与化学动力学机制相互影响、控制的过程，反应条件如反应温度、升温速率、气相停留时间以及颗粒粒径等影响着反应过程的进行。
（6）试验结果与其他研究者得到的结果进行了对比分析，结果表明热质传递等因素的影响是造成热裂解动力学参数差异的主要原因。
热分析动力学
热分析动力学 一、 基本方程 对于常见的固相反应来说，其反应方程可以表示为 )(C )(B )(A g s s +→ （1） 其反应速度可以用两种不同形式的方程表示： 微分形式 )(d d αα f k t = （2） 和 积分形式 t k G =)(α （3） 式中：α――t 时物质A 已反应的分数； t ――时间； k ――反应速率常数； f (α)—反应机理函数的微分形式； G(α)――反应机理函数的积分形式。 由于f （α）和G （α）分别为机理函数的微分形式和积分形式，它们之间的关系为： α αααd /)]([d 1 )('1)(G G f = = （4） k 与反应温度T （绝对温度）之间的关系可用著名的Arrhenius 方程表示： )/exp(RT E A k -= （5）
式中：A ――表观指前因子； E ――表观活化能； R ――通用气体常数。 方程（2）～（5）是在等温条件下出来的，将这些方程应用于非等温条件时，有如下关系式： t T T β0 += （6） 即： β/=t d dT 式中：T 0――DSC 曲线偏离基线的始点温度（K ）； β――加热速率（K ·min -1）。 于是可以分别得到： 非均相体系在等温与非等温条件下的两个常用动力学方程式： )E/RT)f(A t d d αexp(/-=α (等温) （7） )/exp()(β d d RT E f A T -=αα (非等温) （8） 动力学研究的目的就在于求解出能描述某反应的上述方程中的“动力学三因子” E 、A 和f(α)
对于反应过程的DSC 曲线如图所示。在DSC 分析中，α值等于H t /H 0，这里H t 为物质A ′在某时刻的反应热，相当于DSC 曲线下的部分面积，H 0为反应完成后物质A ′的总放热量，相当于DSC 曲线下的总面积。 二、 微分法 2．1 Achar 、Brindley 和Sharp 法： 对方程 )/exp()(β d d RT E f A T -=αα进行变换得方程： )/exp(d d )(βRT E A T f -=α α （9） 对该两边直接取对数有： RT E A T f - =ln d d )(βln αα （10） 由式（11）可以看出，方程两边成线性关系。 通过试探不同的反应机理函数、不同温度T 时的分解百分数，进行线性回归分析，就可以试解出相应的反应活化能E 、指前因子A 和机理函数f(α). 2．2 Kissinger 法
多体动力学读书报告
计算机辅助工程与分析课程读书报告 课程名称：计算机辅助工程与分析 报告题目：多体系统动力学及ADAMS软件 学院：机电工程学院 专业：2014机械工程 姓名： 学号： 任课老师：王立华 提交日期：2015年6月29 日
目录 1.多体动力学理论 ............................................... - 3 - 1.1多体动力学研究对象....................................... - 3 - 1.2多体动力学研究现状....................................... - 3 - 1.3多刚体系统动力学建模..................................... - 3 - 1.3.1多体系统动力学基本概念............................. - 4 - 1.3.2计算多体系统动力学建模与求解一般过程............... - 4 - 1.3.3多刚体系统运动学[3].................................. - 4 - 1.3.4多刚体系统动力学................................... - 5 - 1.4 多柔体系统动力学建模[4]................................... - 5 - 1.4.1多柔体系统坐标系................................... - 5 - 1.4.2多柔体系统动力学方程的建立......................... - 5 - 1.4.3多柔体动力学方程................................... - 6 - 1.5多体系统动力学方程的求解................................. - 6 - 1.6多体系统动力学中的刚性（Stiff）问题...................... - 7 - 1.6.1微分方程刚性（Stiff）问题.......................... - 7 - 1.6.2多体系统动力学中Stiff问题......................... - 7 - 1.7多体系统仿真模型......................................... - 7 - 2.ADAMS软件简述................................................ - 8 - 2.1 ADAMS软件............................................... - 8 - 2.2 主要内容................................................ - 8 - 3. 总结 ........................................................ - 8 - 4.四自由度机械手的总体方案 ..................................... - 8 - 4.1机械手自由度的选择....................................... - 8 - 4.2 三维造型............................................. - 9 - 4.2.1三维设计软件proe简介.............................. - 9 - 4.2.2机械手关键零部件设计............................... - 9 - 4.2.3机械手其它零部件设计.............................. - 10 - 4.3 Adams 仿真模型......................................... - 11 - 5.学习心得 .................................................... - 13 - 6.学习笔记 .................................................... - 13 - 6.1 pro/e与adams之间的转化................................ - 13 - 6.2 力与驱动的关系......................................... - 14 - 3.Marker点与Pointer点区别................................. - 14 - 7.课程反馈意见 ................................................ - 14 - 参考文献 ...................................................... - 14 -
多体系统动力学分析软件ADAMS的介绍
多体系统动力学分析软件ADAMS的介绍 ADAMS是美国学者蔡斯（Chace）等人利用多刚体动力学理论，选取系统每个刚体的质心在惯性参考系中的三个直角坐标和反映刚体方位的为广义坐标编制的计算程序。其中应用了吉尔（Gear）等解决刚性积分问题的算法，并采用了稀疏矩阵技术来提高计算效率。该软件因其强大的功能而在汽车航天等领域得到了广泛的应用。 1 ADAMS软件简介 在研究汽车各种性能时，研究对象的建模、分析与求解始终是关键。多体系统动力学软件为汽车动力学研究提供了强大的数学分析工具。ADAMS软件就是其中的佼佼者。 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件，是由美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机-电-液一体化在的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于ADAMS软件具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件已在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。 ADAMS软件一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统仿真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。在产品开发过程中，工程师通过应用ADAMS软件会收到明显效果： ＊分析时间由数月减少为数日 ＊降低工程制造和测试费用 ＊在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案 ＊在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量 ＊当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行 分析和仿真 ＊缩短产品的开发周期
多体动力学软件和有限元软件的区别(优.选)
有限元软件与多体动力学软件 数值分析技术与传统力学的结合在结构力学领域取得了辉煌的成就，出现了以ANSYS 、NASTRAN 等为代表的应用极为广泛的结构有限元分析软件。计算机技术在机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析上的应用，则在二十世纪八十年代形成了计算多体系统动力学，并产生了以ADAMS 和DADS 为代表的动力学分析软件。两者共同构成计算机辅助工程（CAE ）技术的重要内容。 商业通用软件的广泛应用给我们工程师带来了极大的便利，很多时候我们不需要精通工程问题中的力学原理，依然可以通过商业软件来解决问题，不过理论基础的缺失还是会给我们带来不少的困扰。随着动力有限元与柔性多体系统分析方法的成熟，有时候正确区分两者并不是很容易。 机械领域应用比较广泛的有两类软件，一类是有限元软件，代表的有：ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, LS-DYNA, Dytran 等；另一类是多体动力学软件，代表的有ADAMS, Recurdyn ， Simpack 等。在使用时，如何选用这两类软件并不难，但是如果深究这两类软件根本区别并不容易。例如，有限元软件可以分析静力学问题，也可以分析“动力学”问题，这里的“动力学”与多体动力学软件里面的动力学一样吗？有限元软件在分析动力学问题时，可以模拟物体的运动，它与多体动力学软件中模拟物体运动相同吗？多体动力学软件也可以分析柔性体的应力、应变等，这与有限元软件分析等价吗？ 1 有限元软件 有限单元法是一种数学方法，不仅可以计算力学问题，还可以计算声学，热，磁等多种问题，我们这里只探讨有限元法在机械领域的应用。 计算结构应力、应变等的力学基础是弹性力学，弹性力学亦称为弹性理论，主要研究弹性体在外力作用或温度变化等外界因素下所产生的应力、应变和位移，从而为工程结构或构件的强度、刚度设计提供理论依据和计算方法。也就是说用有限元软件分析力学问题时，是用有限元法计算依据弹性力学列出的方程。 考虑下面这个问题，在()0t ， 时间内给一个结构施加一个随时间变化的载荷()P t ，我们希望得到结构的应力分布，在刚刚施加载荷的时候，结构中的应力会有波动，应力场是变化的，但很久以后，应力场趋于稳定。 如果我们想得到载荷施加很久以后，稳定的应力场分布，那么应该用静力学分析方法分析
多体动力学作业
液压楼梯举升结构优化 图中所示装置为一液压楼梯，其中A、B、C、D、G为转动副，C-D为液压缸移动副，E-F为楼梯扶手，扶手与梯子为刚性联接。从图示位置开始，在液压缸驱动下楼梯围绕A逆时针方向转动，经过20秒楼梯转动至竖直位置。 已知液压楼梯所有部件的尺寸（从模型中直接量取），部件材料均为钢，密度取7830Kg/m3，液压缸行程≤500mm,重力加速度取9.8m.s-2，试通过多体动力学仿真软件ADAMS进行如下分析：（1）求得液压缸受力与楼梯偏转角之间的关系，并确定液压缸受力最大时楼梯的转角位置。（2）优化铰接点B、G、C、D的位置使楼梯举升过程中液压缸最大负荷最小，并给出优化后的结构尺寸。
1、举升结构的仿真分析 运动学仿真的主要目的是对举升结构进行运动分析，检查其能否完成预期的运动，在运动仿真过程中有无参数值的突变、仿真的骤停等。如果虚拟样机模型无法完成运动学仿真，或在仿真的过程中有异常，应检查模型是否有过约束，修改模型直至仿真可以进行。另外，通过仿真输出，还可以评价举升结构的性能。 液压楼梯举升结构的三维实体模型已在SolidWorks软件中建立，将模型导入到ADAMS中即可。根据要求，设置相应的工作环境（如重力加速度），导入模型，修改相应参数（如材料、密度），添加约束（转动副、移动副、固定副等）。图1即为初始位置时的样机模型。 图1 初始位置时举升结构模型 假定活塞相对缸体匀速移动，故在油缸推杆与油缸缸体之间的移动副上添加一个直线驱动。设置仿真时间为20s，仿真结束时模型如图2所示，图中的两条曲线分别表示楼梯偏转角和液压缸受力随时间变化的关系。 图2 举升结束时举升结构模型 ADAMS的专业后处理模块PostProcessor是为了提高ADAMS仿真结果的处理能力而开发的核心模块。该模块用来输出高性能的动画及各种数据曲线，还可以
纤维素热分析动力学
廖艳芬，王树荣，骆仲泱，周劲松，余春江，岑可发.纤维素热裂解过程动力学的实验分析研究.浙江大学学报，2002，36（2）. 摘要：尽管针对纤维素热裂解动力学方面的研究以已开展的比较广泛，但其表观动力学的确定认识一个具有争论性的问题，从而对纤维素热裂解机理的描述也就各不相同。廖艳芬等人试图通过纤维素的热裂解动力学研究，对此种想象作出合理的解释，并给出相应的机理描述。纤维素热裂解随温度的升高经历了五个不同的阶段，其中第三阶段是整个过程的主要是部分，期间大量灰分分析出并造成明显失重。实验发现随着升温速率的增加，热滞后现象的加重致使纤维素热裂解各个阶段向高温侧移动；同时高升温速率对炭的生成具有抑制作用，但有利于挥发分的生成。通过对热裂解主反应区的热重分析，采用微商法求得对应的反应动力学参数，以600K作为分界点，低温段的活化能约在267KJ/mol，较高温度段则体现为174 KJ/mol左右的低活化能。纤维素热裂解是一传热传质现象，与化学动力学机制相互影响控制的过程试验条件传热传质过程的影响是造成结论存在差异的内在原因。 随着世界经济持续发展导致对能源需求的高速增长以及大量化石燃料燃烧利用所造成的环境污染，生物质能这一可再生的清洁能源目前已引起了世界各国的高度重视。相比于煤炭等化石燃料，生物质具有低污染排放特点，而且其生产 的零排放，从而对于缓解“温室效应”具有特殊意义。 利用过程中能实现CO 2 生物质能的热化学转换技术是生物质能转换利用研究中的一个重点，其中生物质热裂解作为目前世界上生物质能研究开发的前沿技术，不仅是生物质气化或燃烧等转化过程中的必经步骤，而且其本身就是一种产生高能量密度产物的独立工艺。生物质热裂解是指生物质由于受到外界热效应的影响而发生的热化学转换过程，随着过程的进行，生物质的理化性质发生变化，研究这种变化的趋势不仅有助于了解生物质热裂解进程的演变情况，为生物质热裂解液化技术提供理论基础，同时对开发生物质高效直接燃烧和气化技术也具有重要的工程价值。纤维素作为生物质的主要组成部分，其热裂解行为在很大程度上体现出生物质整体的热裂解规律，因而进行纤维素热裂解过程的研究对生物质热转化利用技术的规模化应用具有重要意义，而对于纤维素热裂解过程的研究通常从其动力学特点入手来解释其过程的发展。 本文采用Perkin-Elmer TGA-7型差示热重分析仪，在程控温度操作条件下以5~50K/min的不同升温速率对纤维素原料在300~1200K的温度下进行动态升温试验，测量物质的物理性质与温度的关系，从而研究其反应动力学。试验用的载气为高纯度氮气，以保持炉内惰性气氛，同时能及时将纤维素热裂解生成的挥发性产物带离样品，从而减少了由于二次反应对试样瞬时重量带来的影响。动力学分析采用的纤维素是从含纤维素为99%的纯棉花中提取，其灰份质量分数为0.01%，粒径为50~60μm，试样量均控制在8mg以内。 2 纤维素热裂解动力学试验结果 在给定的升温速率下，随着原料温度的升高，纤维素热裂解经历了几个不同阶段，主要分为五个区域（见图1）。 的部分，在该区域中生物质除了温度升高外，没有第一区域是从室温开始到T 发生失重，此时试样的性质基本未变化；第二区域是指T0到T1的这个范围，在这个过程中生物质开始失去自由水；在接下的T1至T2的第二区域内，热重曲线几乎成一平台，期间发生微量的失重，这是生物质发生解聚及“玻璃化转变“现象的一个缓慢过程；第三区域是从T2到T4阶段，该区域是生物质热裂解过程的
ode45求解多自由度动力学方程实例
Ode45函数调用形式如下： [T,Y]=ode45(odefun,tspan,y0) 相关参数介绍如下：参数名称 参数说明odefun 用于存放待求解的方程的m 文件名，方程必须用y’=f(t,y)的形式存放tspan 指定自变量范围的向量，通常用[t0，tf]指定y0函数的边界条件，即y0=y(t0)，对于方程组，y0也可以是向量 例：若一三自由度多体动力学系统方程如下： 1121221231233232323 1.510050 2.0sin(3.754t) 2 1.5 3 1.55010050 2.0cos(2.2t) 2 1.5350100 1.0sin(2.8t)x x x x x x x x x x x x x x x x x +-+-=-+--+-=-++-+= 初始条件： 1020301020301 1x x x x x x ====== 由于方程必须用y’=f(t,y)的形式存放，因此需要对方程组进行降阶处理。令11 3253214263y x y x y x y x y x y x ====== 则方程组可化为： 12 2241334 424613556 646350.5*(3 1.510050 2.0sin(3.754t)) 0.5*(1.53 1.55010050 2.0cos(2.2t)) 0.5*(1.5350100 1.0sin(2.8t))y y y y y y y y y y y y y y y y y y y y y y y ==-+-++==-++-+-==--+-+
因此建立M函数文件来定义此方程组如下： function dy=func(t,y) dy=zeros(6,1); dy(1)=y(2); dy(2)=0.5*(-3*y(2)+1.5*y(4)-100*y(1)+50*y(3)+2.0*sin(3.754*t)); dy(3)=y(4); dy(4)=0.5*(1.5*y(2)-3*y(4)+1.5*y(6)+50*y(1)-100*y(3)+50*y(5)-2.0*cos(2.2*t)); dy(5)=y(6); dy(6)=0.5*(-1.5*y(4)-3*y(6)+50*y(3)-100*y(5)+1.0*sin(2.8*t)); end 在matlab命令窗口里输入一下命令： y0=[111111]; tspan=[030]; [t,y]=ode45(@func,tspan,y0); figure(1) plot(t,y(:,1),t,y(:,3),t,y(:,5)); legend('x1','x2','x3'); xlabel('时间(s)','FontSize',10); ylabel('振动位移曲线','FontSize',10); figure(2) plot(t,y(:,2),t,y(:,4),t,y(:,6)); legend('v1','v2','v3'); xlabel('时间(s)','FontSize',10); ylabel(‘振动速度曲线’,’FontSize’,10);
多体动力学讲义-应用篇
多体动力学讲义 （应用篇） 2011年冬
目录 第一章平面多体系统运动学 (3) 1.1预备知识 (3) 1.1.1多元函数微分 (3) 1.1.2斜对称矩阵 (4) 1.2几种典型铰链的约束方程 (5) 1.3 移动准则 (7) 1.4 平面多刚体的运动学分析 (8) 1.4.1坐标变换 (8) 1.4.2位置、速度、加速度分析 (9) 1.5 刚体上动点的运动分析 (12) 1.6平面约束运动学 (14) 1.6.1绝对坐标 (14) 1.6.2运动约束 (14) 1.6.3运动学驱动系统与动力学驱动系统（欠约束系统） (16) 1.6.4约束法的运动学分析 (16) 例题1.1 (17) 例题1.2 (21) 第二章平面多体系统动力学 (24) 2.1广义惯性力 (24) 2.2质量矩阵和离心力 (25) 2.3动力学方程 (28) 2.4拉格朗日乘子 (29) 2.5约束动力学方程 (31) 例2.1 (33) 第三章空间多体系统运动学 (35) 3.1空间位置分析 (35) 3.2空间速度、加速度分析 (36) 3.3广义坐标表示 (40) 3.4欧拉4参数 (42) 第四章空间多体系统动力学 (46) 4.1空间惯性力 (46) 4.2空间作用力 (48) 4.3空间动力学方程 (49) 4.4空间约束动力学方程 (50)
第一章平面多体系统运动学 1.1预备知识 1.1.1多元函数微分 考虑多个函数有多个自变量时，函数表达式如下： (1.1) 其中q i=q i(t), i=1, 2, . . . , n. 对任意函数f j的导数可写为： (1.2) 其中: (1.3) 则： (1.4) 上式可写作： (1.5)
热分析动力学方程
1、=B1^2 2、=B1+(1-B1)*LN(1-B1) 3、=(1-(1-B1)^(1/2))^(1/2) 4、=(1-(1-B1)^(1/2))^2 5、=(1-(1-B1)^(1/3))^(1/2) 6、=(1-(1-B1)^(1/3))^2 7、=1-2*B1/3-(1-B1)^(2/3) 8、=((1+B1)^(1/3)-1)^2 9、=((1-B1)^(-1/3)-1)^2 10、=(-LN(1-B1))^(1/4) 11、=(-LN(1-B1))^(1/3) 12、=(-LN(1-B1))^(2/5) 13、=(-LN(1-B1))^(1/2) 14、=(-LN(1-B1))^(2/3) 15、=(-LN(1-B1))^(3/4) 16、=-LN(1-B1) 17、=(-LN(1-B1))^(3/2) 18、=(-LN(1-B1))^2 19、=(-LN(1-B1))^3 20、=(-LN(1-B1))^4 21、=LN(B1/(1-B1)) 22、=B1^(1/4) 23、=B1^(1/3) 24、=B1^(1/2) 25、=B1 26、=B1^(3/2) 27、=B1^2 28、=1-(1-B1)^(1/4) 29、=1-(1-B1)^(1/3) 30、=3*(1-(1-B1)^(1/3)) 31、=1-(1-B1)^(1/2) 32、=2*(1-(1-B1)^(1/2)) 33、=1-(1-B1)^2 34、=1-(1-B1)^3 35、=1-(1-B1)^4 36、=(1-B1)^(-1) 37、=(1-B1)^(-1)-1 38、=(1-B1)^(-1/2) 39、=LN(B1) 40、=LN(B1^2) 41、=(1-B1)^(-2)
recurdyn多体动力学仿真
实验报告 实验名称: 基于RecurDyn 的铰接式履带坦克转弯性能分析学院机械工程学院 专业班级机自101 姓名 学号 2012年 4月11日
摘要：基于多体动力学仿真软件RecurDyn，建立了某型履带车辆行动部分虚拟样机模型．对履带车辆在硬质水泥路面上，由静止加速到目标车速并匀速行驶的过程进行了仿真分析．提取车辆匀速行驶阶段侧减速器被动轴上测点的转矩响应时间历程并与相同路面、速度工况下的车辆实车试验相应测点的动态转矩测试数据进行比对验证了模型的准确性。为下一步实现车辆动力-传动-行动装置联合仿真提供基础。 关键词: 履带车辆; RecurDyn; 前言：履带车辆在现代战争中发挥着举足轻重的作用，但因其机械系统复杂,使用环境多变如果基于传统的经验结合实验的方法对其性能进行研。通常周期比较长，耗费大。随着虚拟样机技术的发展及多体动力学分析软件的出现，对履带车辆动力学性能的研究，可以通过建立准确的虚拟样机模型进行多种工况下的虚拟测试来实现对降低试验成本，缩短研制周期具有重要意义． 1、履带车辆行动部分虚拟样机建模 虚拟样机分析软件RecurDyn，以多体系统动力学理论为基础，采用相对坐标系运动方程理论与完全递归算法减少了绝对坐标体系中约束方程的数量，适于求解大规模复杂的多体系统动力学问题．其高速履带系统工具包Track /LM，包括了主动轮、诱导轮、负重轮、托带轮、高速履带等各履带行驶系统组件，可以方便快速地实现对车辆行动部分的精确建模。同时利用其提供的Ground模块可建立各种道路模型。 1. 1 行动部分零部件几何建模及组装 履带车辆行动部分虚拟样机模型由车体、主动轮、诱导轮、负重轮、托带轮、履带等零部件组成．基于RecurDyn 提供的CAD 实体建模界面，可方便地建立车体几何模型; 履带车辆含有两条履带子系统，每条履带系统包括1 个主动轮、1 个诱导轮、7 个负重轮、3个拖带轮和35 块履带板，履带板采用双销式链接; 车辆主动轮采用
某型飞机弦梯门多体动力学分析-结构仿真
某型飞机弦梯门多体动力学分析 The Multi-body Dynamic Analysis of Aircraft String Ladder Door 罗涛 胡碧阳 中航工业西安飞机工业公司 陕西西安 710089 摘 要：本文通过某型飞机弦梯门机构多体动力学分析为例，着重介绍了HyperWorks软件中MotionView/MotionSolve模块的功能及应用方法。应用表明利用该软件建立的多体动力学模型，能够准确的模拟舱门机构的运动，并且能够得到每个运动体或运动副在每个时间段承受的力或力矩值，从而为舷梯门机构的后期优化奠定基础。 关键词：弦梯门 机构 多体动力学 模拟仿真 Abstract: Taking the MBD analysis about string ladder door of aircraft for example, an introduction of the function and application about MotionView/MotionSolve in HyperWorks has been taken. The application indicates that the MBD model can properly simulate movement of the door mechanism. The force and moment of every muti-body and every kinematic pair at each periods of time can be obtained, and that can provide the foundation for later optimization of the door mechanism. Keywords: string ladder door, mechanism, Multi body dynamics (MBD), simulation 1 概述 舷梯门作为驾驶员及乘员上下飞机的出入通道，为门梯合一式舱门，使用频繁。同时舷梯门作为飞机上的舱门，具有承受飞机气动载荷，保持飞机外形，保证飞机的密封性等功能。舷梯门由舱门、插销锁机构、舷梯拉杆系统、助力机构和门框锁槽等组成，打开时向乘客提供正常出入通道，关闭时要保证水密。 使用软件HyperWorks模块MotionView/MotionSolve建立舷梯门的多体动力学模型，根据舷梯门开启和关闭的运动原理，建立了舱门有无阻尼器时的运动分析工况，并对两种工况得到的舱门接头上的力进行了对比分析。 2 舷梯门多体动力学模型的建立 舷梯门多体动力学模型采用CAD建模法，利用CAD软件Catia建立的舷梯门三维模型，附之材料属性，测量每个零件的质量、质心坐标以及质心转动惯量，直接输入到CAE软件HyperWorks中，模型外形由Catia模型直接导入。运动机构的每个运动副根据资料预估摩擦系数。舷梯门多体动力学模型包含有3个子系统，每个子系统由运动体、运动副，以及作用在运动副上的摩擦力和作用在运动体上的接触碰撞力等组成。整个模型包含26个运动体，42个运动副，4个接触碰撞力，4个弹簧。