机电系统建模与仿真作业

机电系统建模与仿真作业专业：机械设计及其自动化姓名：程阳锐学号： S2*******一、举例说明系统建模与仿真的作用和意义。

随着仿真技术的发展，仿真技术应用目的趋于多样化、全面化。

最初放着技术是作为对实际系统进行实验的辅助工具而应用的，而后用于训练目的，现在仿真系统的应用包括航空、航天、各种武器系统的研制部门、电力、交通运输、通信、化工、核能各个领域、系统概念研究、系统的可行性研究、系统的分析与设计、系统开发、系统测试与评估、系统操作人员的培训、系统预测、系统的使用与维护等各个方面。

在电力工业中，随着单元发电机组容量越来越大，系统越来越复杂，对它的经济运行、安全生产提出了更高的要求。

仿真系统是实现这个目的的最佳途径，通过仿真系统可以优化运行过程，可以培训操作人员，电站仿真系统已经成为电站建设与运行中必须配套的装备。

核电站的运行必须安全操作人员的技术素质、技能是保证安全运行的前提，培训调高操作人员素质、技能的有效手段是仿真培训系统。

一般来说凡是需要有一个或一组熟练人员记性操作、控制、管理与决策的实际系统，都需要对这些人员进行训练、教育与培训、早期的培训大都在系统或设备上进行的。

随着系统的加大、复杂程度的提高，特别是造价日益昂贵，训练时因操作不当引起破坏而带来的损失大大增加，因此，提高系统运行的安全性事关重大。

以发电厂为例，美国能源管理局的报告认为，电厂的可靠性可以通过该机设计和加强维护来改善，但只能占提高可靠性的20%-30%，其余要依靠提高运行人员的素质来提高，可见，人员训练对这类系统的重要行。

为了解决这些问题，需要这样的系统，它能模拟实际系统的工作状况和运行环境，又可避免采用实际系统时可能带来的危险性及高昂的代价，这就是训练仿真系统。

二、论述系统仿真的类型和特点。

系统仿真是近几十年发展起来的一门综合行学科，它为进行西天宁国的研究。

分析、决策、设计，以及对专业人员的培训等提供了一种先进的手段，增强了人们对客观世界内在规律的认识能力，有力的推动了那些过去以定性分析为主的学科向定量化方向发展。

在系统及人员培训中采用仿真技术，可大大减少费用、缩短周期。

仿真技术已经广泛应用于工程及分工程领域，并取得巨大的社会及经济效益。

仿真的类型可分为1.物理仿真，2半物理仿真（数学-物理混合仿真），3数学仿真物理仿真的优点是：能最大限度的反映系统的物理本质，具有直观性强及形象化的特点，能将原型中发生的综合过程在模型中全面反映出来，这些复杂过程不是简单的数学方程所能表达的。

物理仿真的缺点是：为建造物理模型所需的费用高、周期长、技术复杂；在物理模型上做实验，修改模型的结构及参数困难，实验的限制条件多，较容易受到一些环境条件的干扰。

数学仿真的优点是经济，方便、通用性强。

计算机为数学模型的建立与仿真提供了较大的方便与灵活，它实际上是一个“活的数学模型”。

所以数学仿真也就是在计算机上对系统的模型进行实验，故常称为计算机仿真半物理仿真即将系统的一部分建立数学模型，并放到计算机上，而另一部分构造其物理模型或采用实物，然后将它们联接成系统进行试验，这种形式的仿真称为数学－物理混合仿真或半实物仿真，具有数学与物理仿真的共同优点。

三、以实例说明仿真研究的步骤基于MSC.ADAMS液力变矩器的动力传动系统建模与仿真的步骤1.建立力学模型采用广泛应用于车辆上的三元件向心涡轮液力变矩器作为研究对象，忽略液力变矩器在偶合器工况下工作时的导轮惯性力矩，建立动态系统力学模型如图1所示。

图1 液力变矩器动态系统力学模型 图2 液力变矩器原始特性图1中D P T 、HD P T 、P I 、P ω为非稳定工况下的泵轮轴动态转矩、泵轮动态液力转矩、泵轮构件当量转动惯量、泵轮转速；D T T 、HD T T 、T I 、T ω为非稳定工况下的涡轮轴动态转矩、涡轮动态液力转矩、涡轮构件当量转动惯量、涡轮转速。

2. 建立数学模型根据图1建立数学模型：dt d I T T P P HD P D P ω+= dt d I T T T T HD T D T ω-=忽略循环圆内液体循环流量变化、忽略泵轮和涡轮中工作液体转动惯量以及机械损失，则 ：HD P T ＝52D g T ωλρ HD T T ＝k HD P T式中λ为泵轮动态力矩系数，ρ为工作液体密度，D 为循环圆直径，k 为动态变矩比。

当液力变矩器非稳定工况下的泵轮转速变化在－52 rad/2s ≤d ω/dt ≤52 rad/2s 时，液力变矩器的动态特性与静态特性的相对偏差在4.5%以内，可以用静态特性代替动态特性。

此外,假定液力变矩器原始特性在各种工况下保持不变。

因此，在进行仿真时，根据液力变矩器的原始特性曲线（如图2），直接利用Akima 插值方法确定当前速比下的动态λ和k 值。

3. 计算仿真模型利用此模型进行某全程调速柴油机和某正透穿液力变矩器共同工作仿真，能方便得出全程调速柴油机与液力变矩器共同工作的一些动态特性，如图3、4所示。

图3 发动机与液力变矩器共同工作 图4液力变矩器输出转矩的局部放大图 输出特性4. 分析仿真模型的计算数据图3中，曲线1是液力变矩器输出转矩，曲线2是发动机稳态输出转矩，曲线3是发动机净输出转矩，曲线AB是共同工作时发动机稳定工作曲线。

由图中可见，发动机稳定工作曲线AB位于调速阶段，特性较硬；液力变矩器输出转矩（转速）的变化范围（曲线1）与发动机稳定工作曲线AB相比有很大拓宽。

图4是液力变矩器输出转矩的局部放大图，曲线1、2、3、4分别为涡轮角加速度－50、－10、10、502rad时液力变矩器输出转矩。

由图中可见，同一负载转速下的输出转矩在/s加/减速过程有一定差别，这是因为系统转动惯量的存在使得加速过程有转矩储备而减速过程储备转矩释放。

四、结合所学专业,选择课题中的实际机电系统,建立其模型,并进行仿真研究。

防撞梁受冲击载荷的有限元动态仿真（一）、显式动力学有限单元分析法在防撞梁受冲击载荷过程中，箕斗对防撞梁的作用，是一个与时间有关的冲击问题。

其显式动力学方程为式中：[M],[C],[K]分别为质量、阻尼和刚度矩阵；U,u,{u}分别为加速度、速度和位移矢量；{F}为外力矢量。

箕斗撞击防撞梁的整个过程持续时间极为短暂，振型叠加方法不适合求解高阶振型分量特殊的冲击问题和极短时间的动力响应问题，此问题可采用差分法[4]。

利用该算法进行求解时，解的稳定性取决于该问题的求解方程性质决定的某个临界值Δt，将时间分割成小的差分Δt，对上式采用逐次直接时间积分法求解。

为保障算法的稳定性，时间步长Δt≤2/ωn，ωn为系统的最高阶固有频率，则基于位移的速度和加速度表达式为：所以可得到如下箕斗撞击防撞梁的位移方程由于箕斗撞击防撞梁的力持续时间短暂，变化剧烈，在碰撞过程中，冲击力引起的应力、应变关系一般是非线性关系，且变形速度很大。

所以在采用有限元法对其进行动态仿真时，为保证计算的准确性，所划分单元的体积和所取时间的间隔需足够小，这将是个计算量非常大的工作。

（二）、建立模型1. 假设箕斗过卷冲击防撞梁过程中，提升钢丝绳未发生松绳现象，则可将提升系统的变位重力集中到箕斗上，同时为方便建模，可将箕斗的模型建为一个横截面积与箕斗相同的长方体，防撞梁受到的冲击过程即为该箕斗对它的冲击。

防撞梁受力情况是分析的重点，所以需按照实际情况建立其三维分析模型。

以安徽淮北杨庄矿主井提升为分析对象，其提升方式为缠绕式提升，提升系统的变位重力为：，式中：Q 为载重，kg；Qz 为容器质量，kg；g 为重力加速度，m/s2；p 为钢丝绳单位长度的重力，N/m；Lp 为 1 根提升钢丝绳全长，m；Gj 为提升机全部旋转部分变位到卷筒圆周处的变位重力，N；Gt 为天轮变位至卷筒圆周处的变位重力，N；Gd 为电动机转子的变位重力，N。

防撞梁全长3165mm，横截面为两侧用10mm厚钢板封口的40工字钢。

根据某矿主井实际提升参数建立的箕斗冲击防撞梁三维分析模型如图1所示，模型材料参数如表1所列。

采用ANSYS/ LS-DYNA支持的solid164实体单元对模型进行网格划分。

为防止过度沙漏，模型需采用map或sweep的均匀网格划分方式，并采用EDENERGY命令将HGEN设置为1，以确保在ASCⅡ格式文件GLSTAT和MATSDM中记录沙漏能量和内能的对比结果，沙漏能量不能超过内能的10％。

考虑到防撞梁的非规整结构，采用vsbw命令，将防撞梁分为多个长方体结构，分别对每个长方体进行sweep网格划分，模型的网格划分效果如图2所示。

划分后防撞梁节点数为120714，单元数为65472；箕斗的节点数为132600，单元数为124950。

（三）、边界条件实际情况中，防撞梁固定在井架上，所以在有限元模型中，应将防撞梁两端面固定。

在ANSYS/ LS-DYNA程序中，没有接触单元，只需定义可能接触的表面即可。

在箕斗撞击防撞梁的过程中，它们之间存在较大的接触面积。

分别选定防撞梁的底面和箕斗的顶面为Contact表面和Target表面。

选择STS普通面面接触类型，自动接触(Automatic)算法计算在大变形接触和动态撞击中的防撞梁和箕斗之间的相互作用。

由于采用的是实体单元对模型进行划分，ANSYS/LS-DYNA将自动设定接触表面的方向。

定义箕斗初速度，赋予箕斗竖直向上的初速度为1m/s，设置求解时间为0.1s，结果文件每2μs输出一次，研究防撞梁在不同过卷速度下的受力情况。

（四）、仿真结果ANSYS/ LS-DYNA 动力分析的计算结果，可按如下步骤进行动画显示，以观察模型应力、应变等随时间的变化过程：任意时刻，箕斗撞击防撞梁的效果如图3所示。

通过动画显示可知，整个撞击过程中，防撞梁的最大应力出现在0.03s时刻，位置为其断面处左端面，此时刻防撞梁应力云图如图4 所示。

用命令EDREAD从ASCII格式化文件中读入LS-DYNA Data，用命令STORE将ASCII数据读入时间历程变量，便可在标准的ANSYS时间历程后处理器中绘制任意节点数据的时间曲线，防撞梁内最大应力点处应力随时间的变化如图5所示。

（五）、结果分析箕斗在撞击防撞梁的过程中，其自身动能随着时间的变化逐渐转化为防撞梁和提升容器的变形能，当箕斗的动能减小到0时，防撞梁内储存的变形能达到最大，此时防撞梁处于最危险状态。

箕斗速度在0.03s 时刻速度近似为0，防撞梁在整个冲击过程中受到的最大应力也发生在该时刻，最大应力点位置处于防撞梁的断面。