模拟验证技术范文

2024-05-23

模拟验证技术范文（精选3篇）

模拟验证技术第1篇

关键词：PHOENICS,火灾模拟,火灾试验,火灾模型

近年来, 随着计算机技术的飞速发展, 利用场模型模拟火灾的发展和烟气的流动过程已经成为认识火灾特性和开展有关分析的重要手段, 尤其对建筑物的性能化分析和设计来说尤为重要。相对于其他火灾模型来说, 场模型可以比较准确地得到模拟区域内各个位置的温度、速度、浓度等火灾参量随时间的变化。

目前比较常用的场模拟软件主要有PHOENICS、FLUENT、CFX、STAR-CD等通用软件, 以及FDS、JASMINE、SMARTFIRE等专用软件。PHOENICS软件是英国 CHAM 公司开发的模拟传热、流动、化学反应和燃烧过程的通用计算流体动力学软件, 该软件于1981年投放市场, 是世界上第一套计算流体力学与计算传热学商用软件。 PHOENICS软件可用于求解零维、一维、二维和三维空间内可压缩或不可压缩、单相或多相流体的稳态或非稳态流动, 确定流体空间内的质量、动量、热量、浓度的传递与分布, 已广泛应用于航空航天、船舶、汽车、安全、暖通空调、环境、能源动力、化工等领域。

安全分析是PHOENICS软件的一个十分重要的应用领域, 其可用于可燃、毒性气体的泄漏分析、污染物扩散分析和通风/排烟分析、爆炸分析等。目前, 已有诸多学者将PHOENICS用于火灾模拟, 且其在性能化设计中也得到了比较广泛的应用, 但有关其模拟有效性的研究还不多见。笔者研究了PHOENICS火灾模拟的应用方法, 并用公认的火灾试验对其模拟的有效性进行了分析。

1 PHOENICS软件基本结构

PHOENICS软件可分为前处理器、求解器和后处理器三部分。VR-Editor (SATELLITE) 为前处理器, 其主要功能是以直观的界面完成求解问题的建模和参数设置, 包括坐标的选取、计算域的确定、实体模型的建立、网格划分、控制方程和离散格式的选择、边界条件和初始条件的设定等;EARTH模块为求解器, 是软件的核心计算模块;PHOENICS的后处理器包括VR-Viewer、PHOTON和AUTOPLOT, 用于处理计算结果, 后处理也可采用其他软件, 如TECPLOT、MATLAB等。

PHOENICS的主要运行步骤为:通过VR-Editor输入所要模拟的物理模型及相关参数, 生成Q1文件, SATELLITE接收Q1文件并对其进行编译, 生成EARTH计算所需要的数据文件, 即EARDAT文件, 然后运行EARTH开始计算。计算完毕后, 生成包含全部计算结果的PHI文件和包含Q1文件和部分计算结果的RESULT文件, 最后由VR-Viewer、PHOTON、AUTOPLOT完成计算结果的可视化。

针对某些专业领域, PHOENICS设计了一些专用模块, 如:用于暖通建筑行业的FLAIR模块;用于电子元件散热的HOTBOX模块;用于工业锅炉煤粉燃烧的COFFUS模块和用于爆炸燃烧的EXPLOIT模块。这些模块针对性强, 对所模拟的现象有很强的模拟 (仿真) 能力。用于火灾和烟气流动模拟时一般用FLAIR模块, 当涉及到燃烧模拟时可采用核心模块。

2 控制方程及求解方法

PHOENICS所求解的控制方程的通用形式如式 (1) 所示。

undefinedundefined (1)

式中:Ø为求解变量;ρ为密度;t为时间;undefined为速度矢量;ΓØ为扩散项;SØ为源项。

Phoenics采用有限体积法对控制方程进行离散处理, 基本离散格式如式 (2) 所示。

αPØP=αWØW+αEØE+αNØN+αSØS+αHØH+αLØL+αTØT+SØ (2)

式中:α为控制方程离散后的系数;P为控制体节点, 角标W, E, N, S, H, L, T分别代表离散节点周围的7个节点及时间。在PHOENICS中, 边界条件是按源项来处理的。离散格式可选择一阶迎风、混合格式、QUICK格式等, 默认情况下采用QUICK格式。

PHOENICS采用交错网格法进行控制方程的离散, 流场计算采用压力与速度耦合的SIMPLEST算法, 对两相流纳入了IPSA算法 (适用于两种介质互相穿透时) 及PSI-CELL (粒子跟踪法) 。代数方程组的求解可以采用点迭代、块迭代或整场求解法。PHOENICS几乎允许使用者在外部方便地替换程序中的任何部分。

3 PHOENICS火灾模拟基本方法

3.1 应用PHOENICS进行火灾模拟的基本步骤

(1) 建立实体模型。

根据建筑对象的实际情况, 利用虚拟现实前处理器VR-Editor和CAD工具建立模拟对象的实体模型, 并根据所确定的火灾场景, 设置火源和防排烟系统、喷淋系统等消防设施。

(2) 设置控制方程及边界条件。

选择相关控制方程、湍流模型、辐射模型和烟气方程, 并设置相关的边界条件和初始条件, 包括壁面条件、物性参数、环境温度、火源的热释放速率、产烟量、毒性组分产量、排烟和补风条件等等。

(3) 区域离散化。

划分网格, 选择收敛方法和收敛准则, 可选择自动收敛准则或设置松弛因子。

(4) 模拟计算。

运行EARTH模块进行计算, 计算过程中可通过监测点的参数变化及残差曲线来监测收敛情况, 并可通过虚拟现实后处理器VR-Viewer查看中间计算结果, 以判断计算结果的合理性。若计算不收敛或结果不合理, 则需修改计算模型、调整松弛因子, 重新进行计算。

(5) 结果处理。

通过后处理程序处理计算结果。

3.2 火源的设计

PHOENICS软件提供了两种火源处理方法, 即:体积热源法和燃烧模拟法。体积热源法不考虑化学反应, 而是将火源假设为体积热源和烟气源, 用热源释放的热量来代替燃烧所放出的热量, 热源周围的气体受浮力作用上升, 周围冷空气补充进来, 形成卷吸和羽流, 利用体积热源法可节省大量计算时间。燃烧模拟法考虑燃烧反应, 但模拟实际的燃烧需要耗费大量的计算时间, 在工程应用中并不可行。因此, 一般采用简化的燃烧模型, 比较常用的有混合分数模型、漩涡破碎模型、概率密度函数模型等。在PHOENICS中, 其核心模块提供了多种燃烧模型, 如漩涡破碎模型、涡流耗散模型、预设的概率密度函数模型、双流体模型等, 而FLAIR模块中采用体积热源法来描述火源。当模拟的重点是研究远离火源区域的烟气流动情况, 或是当火源尺度和火区蔓延速度相对于建筑空间的尺度较小时, 利用体积热源法是简单有效的。一般情况下, 在性能化设计中采用体积热源法是可行的。

3.3 湍流模型的选择

PHOENICS提供了20多种湍流模型, 包括涡流粘性系数模型 (混合长度模型、单方程模型和双方程模型) 、雷诺应力模型、大涡模拟模型等。由于浮力对火灾的流动过程有重要影响, 因此, 火灾模拟应选择着重考虑浮力影响的湍流模型。在PHOENICS中, 一般选择标准双方程模型即可。

近年来, 大涡模拟在火灾模拟中也得到了比较广泛的应用, PHOENICS在其核心模块中内置了大涡模拟模型, 但在FLAIR模块中没有固化该模型, 需要人工添加语句才能实现。

3.4 辐射模型的选择

PHOENICS内置了多种辐射模型, 如面面模型, 六通量模型和IMMERSOL模型等。IMMERSOL模型由Spalding教授于1995年提出, 该模型是基于斯蒂芬-波尔兹曼定律得到的, 用于计算处于流体中的固体表面之间和流体间的辐射换热。该模型假设固体都是灰体, 且忽略波长的影响。利用该模型可以计算固体表面辐射温度及流体中辐射温度。经实践检验, 该模型具有较高的准确性和经济性。火灾模拟时, 一般选择IMMERSOL模型。

4 PHOENICS火灾模拟的特点及应用技巧

4.1 FLAIR模块中和火灾相关的模型

PHOENICS 2008版进一步完善了火灾模型, 当激活烟气方程后, 可对火源的燃烧材料、热值、CO产量、产烟量、能见度等参数进行设置, 这在其他通用CFD软件中是没有的。另外, FLAIR中还具有和火灾模拟相关的多种模型。

(1) Fire:

火源模型, 用于建立一个面积或体积热源, 可以设置火灾功率、质量源和烟气源等。可设置的火灾类型有:稳态火、t平方火、随时间变化的线性火源、与质量损失速率或温度相关的火源、池火模型等;

(2) Fan:

风机, 仅向计算区域提供动量, 可用于模拟机械排烟口;

(3) JETFAN:

射流风机, 可模拟实际工程中的射流风机;

(4) INLET:

入口边界条件, 可用于模拟排烟口、送风口等;

(5) OPEN:

固定压力边界条件, 可用于模拟自然排烟口等;

(6) Spray-head:

喷淋模型, 可模拟水喷淋系统。

4.2 模型建立

工程中需要模拟各类建筑中的火灾, 这就需要软件有很强的建模能力。PHOENICS的虚拟现实前处理器提供了丰富的建模功能, 其不但内置了常用的几何模型, 而且还可利用其中的shape maker工具建立各种形状的实体。另外, 可导入AUTOCAD、PRO/E等大多CAD工具所建模型。建模时应注意以下几点:

(1) PHOENICS对导入的各种CAD图形都有一定的要求, 如在导入AUTOCAD图形时, 所建立的立体图形必须是实体模型, 并需要将图形转化为STL格式, 实体模型转化为STL格式时, 一定要注意实体必须位于第一象限。

(2) 模拟建筑火灾时, 一般模型都比较复杂, 因此, 建模时最好从最简单的模型开始, 一步一步添加物体, 每添加一定数量的物体, 就简单试算一下, 看结果是否合理, 这样可以保证及时发现建模中出现的错误。

4.3 网格划分

PHOENICS提供了直角坐标、柱坐标和适体坐标, 另外提供了精细网格功能和部分物体处理功能。网格划分是影响计算结果的重要因素, 应注意以下几点:

(1) 状态参数变化梯度较大的区域应采用比较细密的网格, 以准确解析各参数的变化, 其他区域可采用相对稀疏的网格。这样既可以保证求解精度, 又可以缩短计算时间。如在火源、排烟口、射流风机、喷头等周围区域应采用加密网格。

(2) 对需要局部加密的区域可通过设置NULL (虚物体) 来实现, 设置NULL进行局部加密比使用精细网格功能更易于收敛。

(3) PHOENICS采用的是结果化网格, 比较规则的网格是高质量网格, 如在直角坐标系下, 正六面体是最好的网格。划分网格时应尽量避免出现细长比较大的网格, 这样的网格不但会降低计算精度, 且易使计算结果发散。

(4) 在某一方向上, 网格尺寸变化率不宜过大, 一般控制在3倍以下。

(5) 在实际模拟计算中, 通常可以先用稀疏的网格来进行初步估算, 不但可以确定模拟大致所需的时间和解析解的范围, 而且有助于在模拟过程中发现问题, 随时调整网格, 减少无用功。

(6) 当网格数量过多时, 可考虑采用并行计算。

4.4 收敛判定

当计算达到以下三个条件时, 可认为计算收敛:

(1) 监测点处的值不再随计算步数的增加而变化;

(2) 各参数的残差随计算步数的增加而降低, 最后趋于平缓;

(3) 满足质量守恒与能量守恒。

对于前两个判据, 可以通过GRAPHIC 显示的监测点处的值及残差曲线来判断, 对于第三个判据, 则可以通过检查RESULT 文件中的Nett source 信息来判断。进行火灾模拟时, 监测点一般放置在火羽流区域, 以便随时监测火区模拟是否合理。在计算过程中可以随时调整松弛因子。

5 PHOENICS火灾模拟的有效性验证

笔者用PHOENICS模拟Steckler房间火试验, 以验证模拟的准确性。Steckler等人在1982 年开展了一系列单室火灾实验来研究燃烧导致的流动, 对温度、速度场分布进行测量实验, 所得到的实验数据已被多种区域模型或场模型用于模型验证。

5.1 试验介绍

试验房间长2.8 m、宽2.8 m、高2.18 m, 如图1所示。房门尺寸、火源位置和热释放速率在各试验中有一系列变化, 在门处安放二维双向速度探针和裸线热电偶阵列来测量速度和温度, 速度测量的误差约为10%, 热电偶和速度探针的垂直间距均为0.114 m。在房间的角落处安放了一排吸气式热电偶来测量气体的温度, 角落处测试点距离近处两侧墙壁各0.305 m。本次模拟的基本实验条件如下:火源布置在房间的中间位置, 面积为0.45 m×0.45 m、热释放率为62.9 kW, 主要模拟两种工况: (1) 房门宽0.74 m、高1.83 m, 室外温度为28 ℃; (2) 房门宽0.36 m、高1.83 m, 室外温度24.6 ℃。

5.2 模拟结果

湍流模型采用标准双方程模型, 辐射模型采用IMMESOL模型, 火源为体积热源, 但可以向周围空间释放烟气和燃烧产物。网格尺寸为40×40×30。

工况1试验结果及模拟结果见图2～图4所示。

工况2试验结果及模拟结果见图5～图7所示。

从模拟结果可以看到, 门中间的速度和温度的模拟结果和实验结果吻合较好;墙角处的模拟结果在高度大于1 m时偏离试验值较大, 但变化趋势是一致的, 相对于试验结果来说要保守。笔者所采用的火灾模型为体积热源模型, 当采用燃烧模型时, 误差应该会相对较小。另外, 试验测量也是产生误差的主要来源。从速度曲线来看, 房门处速度为零的位置即为中性面的位置;从图3可以看到, 工况1试验测得的中性面高度为1.026 m, 模拟所得的中性面高度为0.985 m;从图7可以看到, 工况2试验测得的中性面高度为0.940 m, 模拟所得的中性面高度为0.900 m。可见, 模拟结果是比较精确的。

6 结语

作为一款通用计算流体动力学软件, PHOENICS在各个领域均得到了广泛应用, 对于火灾模拟, 近年来, PHOENICS在FLAIR模块中固化了一些火灾模型, 增加了软件的易用性。笔者分析了PHONEICS数值模拟的基本原理及求解方法, 介绍了PHOENICS中与火灾相关的模型, 给出了火灾模拟的基本方法及应用技巧, 以期对使用者提供指导。同时, 利用PHOENICS对Steckler房间火灾试验进行了数值模拟。通过和实验数据比较可知, PHOENICS可以比较准确地预测火灾流场中的速度和温度。

火灾模拟是性能化防火设计的重要组成部分, 是性能化防火设计得以实现的手段和基础, 火灾模拟的准确性将直接影响设计的可靠性。影响火灾模拟准确性的因素很多, 如网格划分方法、网格形状和数量、湍流模型和燃烧模型的选择、边界条件的设置等;同时, 由于各CFD软件所采用的算法和计算假设不尽相同, 这就导致了对同一问题, 各软件的模拟能力不同, 对复杂问题进行模拟时仅采用一种软件, 难免会出现偏差。因此, 对比较复杂的问题, 建议选择两种不同的软件进行模拟, 以相互校验, 保证计算结果的合理性。

参考文献

[1]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社, 2001.

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[4]Ludwing J C, MalinM R, Spalding D B.PHOENICS Documentation[R].Concentration, Heat and Momentum Limited, 2005.

模拟验证技术第2篇

2010年9月17日，英国新型“恶魔”(Demon)无人技术验证机进行了试飞。该无人机仅仅依靠喷射气流、而不是传统的襟翼／副翼等部件完成了升降和转向控制。这次试飞也因此成为英国民航管理局(CAA)首次批准并且正式认定的飞行器“无襟翼飞行”(flapless flight)。此次试飞成功，对于射流控制技术尽早实现实用化具有重大意义。

“恶魔”无人验证机简况

“恶魔”无人验证机的研制和测试是在英国工业界和多所高校合作实施的“无襟翼飞行器综合工业研究”(FLAVIIR)项目下开展的。FLAVIIR项目于2005年6月启动，为期5年，英国BAE系统公司和英国工程物理科学研究委员会(EPSRC)联合投资(共620万欧元，约合985万美元)，由BAE系统公司和克兰菲尔德大学牵头、联合其他9所英国高校组成的团队合作实施。该项目旨在对未来无人机所涉及的结构、控制和集成等关键技术进行开发验证，以最终设计出一种能够避免传统飞行器性能缺陷的无控制面、低成本、易维护的新一代无人机。已经成功完成首飞的“恶魔”无人验证机就是FLAVIIR项目团队近期取得的成果，对其探讨多年的射流飞行控制技术进行了初步测试验证。

“恶魔”在英国BAE系统公司先前研制的“日蚀”(Eclipse)无人机基础上改进而成，该机采用了翼身融合体结构，下单翼布局，机翼为切尖三角翼，翼展约2.5米，重约91千克，动力装置为一台推力230牛的AMT“奥林匹斯”小型涡轮喷气发动机(今后可换装推力增大为390牛的“泰坦”涡轮喷气发动机)，飞行速度70～150节。

“恶魔”无人机最引人注目的特点，就是该机取消了传统的机械升降舵和襟翼，而代之以曼彻斯特大学和克兰菲尔德大学合作研制的全新“射流飞行控制系统”，并使用了莱斯特大学和帝国理工学院合作开发的“飞行控制算法”。出于慎重考虑，“恶魔”仍保留了副翼作为备份，准备在射流飞控系统的表现不佳时启用。试飞中，测试人员曾锁死了“恶魔”的副翼以便对射流飞控系统进行观测，该机成功完成了升降和转向控制，表现令人满意。若在此基础上进一步发展和推广，今后普通飞机机翼上的襟翼和副翼、水平尾翼上的升降舵和垂直尾翼上的方向舵均可用射流控制系统来取代。

“恶魔”无人机项目是一个技术演示验证项目，该机本身不会投入批量生产，但其所验证的多项先进技术有望在未来飞行器设计中得到广泛应用。按计划，“恶魔”无人机今后还将进行为期两年的验证试飞，以测试其整个飞行包线范围内的性能。在获得足够的地面和飞行测试数据信息后，项目团队今后有可能制造一架更大的验证机，或改装现有的常规飞机并以其为平台进行射流控制系统测试。

射流控制技术原理

现代飞机飞行控制原理

现代飞机为了保证良好的操纵性，通常在其机翼和尾翼上布置有多个活动操纵面，其中最主要的有3个，分别是位于机翼上的副翼(负责滚转操纵)、平尾上的升降舵(负责俯仰操纵)和垂尾上的方向舵(负责转向操纵)。同时，为了提高飞机的机动能力并改善起降性能，现代飞机的机翼上往往还布置有前后缘襟翼、缝翼、扰流片、减速板等活动部件。驾驶员通过控制这些活动部件的偏转可在一定范围内改变机翼表面的形状，影响机翼上下表面的气流方向，从而控制机翼升力或阻力分布以产生相应的控制力矩，最终达到改变飞机飞行姿态或改善飞机起降性能的目的。但在目前技术条件下，机翼上这些活动操纵面和部件均通过铰链连接，控制其偏转需要通过机械装置(主要为液压系统)来驱动。这会带来一系列弊端，主要会使整个机翼结构趋于复杂并增加重量。若能找到一种不依靠传统操纵面，也无需机械动作的手段来控制飞机，上述问题将会迎刃而解。目前，英国等国正在探讨的“射流控制”技术就是在这种思想指导下提出的一种全新飞行控制理念。

射流飞行控制技术原理

射流飞行控制技术摒弃了传统的飞行控制原理，它无需通过各种操纵面改变机翼的外形，而是通过“流动控制”(cc)和“射流推力矢量喷管”(FTV)等技术来控制飞机完成相应的飞行动作。其中，“流动控制”是在传统的飞机襟翼位置释放经过调节的压缩空气，利用喷射气流在机翼后部制造一个“空气刀锋”来改变流经机翼表面的空气流动方向，从而产生相应的控制力矩；“射流推力矢量喷管”则借助引入的两股喷射气流来影响发动机喷管主气流的状态，使其改变方向进而实现推力矢量控制，而无需像传统的机械推力矢量喷管那样需要喷管整体／部分偏转或加装调节挡板。

“恶魔”无人验证机的射流飞行控制系统

以“恶魔”无人验证机为例，该机的“射流飞行控制系统”就是由上述“流动控制”和“射流推力矢量喷管”两部分组成，分别用于飞机的滚转和俯仰控制。其中，“射流推力矢量喷管”是一种二元推力矢量喷管，基本上采用了先前英国曼彻斯特大学工程学院的相关研究成果；而其全新开发的“流动控制”系统则被外界认为是“恶魔”无人机最具特色之处。

为了产生喷射气流，“恶魔”无人机上有专门贮存压缩空气的装置，其内的压缩空气通过一个由辅助动力装置驱动的专用压缩机引入，并在前机身下方设有单独的进气口(今后将可改进为直接从飞机发动机引入空气)。贮存装置内的压缩空气可导入机翼后缘的一个气腔，该气腔内有一个特殊设计的气缸，可以通过旋转改变上、下气腔的容积，使两者产生容积差。在机翼后缘(传统襟翼位置)的上、下部位分别设置有一排外形狭长的喷嘴，这两排喷嘴分别与上、下气腔相连，用以释放压缩空气从而产生喷射气流。当上、下气腔存在容积差时，从机翼后缘上、下两排喷嘴喷射出的气流压力也不相同，由此可以改变机翼后缘气流的方向，从而产生控制力矩。例如，当某侧机翼后缘的一排喷嘴喷出的空气压力大于另一排时，可导致掠过该机翼后缘的气流偏向上方或偏向下方，此时将起到与传统副翼完全相同的作用，足以完成飞机的滚转操纵。在“恶魔”的机翼上还布置有传感器，可随时监测机翼表面气流的动向，并通过“飞行控制算法”及时调节喷射气流的方向，从而使飞机按指令完成相应的飞行动作。

射流控制技术的应用前景

国外(目前主要是英国和美国)相关领域的研究表明，射流控制技术在军用及民用方面都有着广阔的应用前景。与传统的飞行控制系统相比，飞机采用射流控制技术后至少将在以下几方面有改进：减小机翼外形尺寸

采用射流控制系统的飞机取消了普通飞机机翼上的襟翼、副翼等控制面，其机翼的外形尺寸将明显减小(这对宽体客

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机尤为重要)，飞机的结构重量也将随之减轻。

降低使用维护成本

采用射流控制系统后，飞机上的各种活动控制面及与其相关的控制子系统部件将大幅减少甚至完全取消，从而将减少全机零部件数量，提高系统可靠性。同时，还可避免像常规飞机的活动控制面那样需要进行频繁的检查维修，不仅有助于降低使用成本，还将提高飞机的使用效率。

降低飞机噪音

飞机上的襟翼、副翼等活动控制面是导致机上噪音的重要原因。用射流控制系统代替后，飞机噪音将大幅降低，这对提高民用飞机的乘坐舒适性尤为重要。

提高军用飞机的隐身性能

对军用飞机来说，襟翼、副翼等活动控制面以及这些部件而形成的一系列尖锐边缘、开口、凸出物和缝隙等是雷达反射源，会增大雷达反射面。采用射流控制系统后，这些反射源几乎全部消失，再加上机翼外形尺寸减小，可大幅提高飞机的隐身能力。此外，随着射流控制技术的发展，军用飞机将来还有可能完全取消垂尾，从而在保证高机动性的前提下从根本上消除这一传统飞机上最大的侧向雷达反射源，使飞机的隐身性能得到根本性提高。

提高军用飞机的机动性和敏捷性

根据研究，射流控制与推力矢量喷管等手段相配合，将会显著提高战斗机的机动性与敏捷性。例如，目前正在探讨论证中的美空军第6代战斗机和美海军“下一代空中优势战斗机”就计划采取该措施。

应用射流控制技术面临的主要困难

尽管射流控制技术有着上述诱人的应用前景，但从目前情况来看，要研制出实用的射流控制飞行器，在气动、控制、系统、材料、集成和制造等领域都还需要解决许多技术问题，突出表现在以下几方面：

飞机能耗增加

目前通过液压系统等驱动襟翼来控制飞机的机动，所需耗费的能量很少。但采用射流控制技术的飞机需要发动机额外提供较多能量，甚至配备一台专用的辅助动力装置来提供压缩空气和喷射气流(目前“恶魔”无人机即采取此种方式)，这将使飞机的能耗大大增加。

可靠性问题

完全采用射流控制的飞机若遇到发动机故障、燃油耗尽、机翼表面遭到破坏(例如飞鸟撞击)等情况，可能连方向也无法控制，因此通过射流控制完全代替翼面还需商榷。若同时为飞机加装襟翼、副翼、方向舵等作为备份，又将弱化射流控制技术带来的优势。

适用范围受限

目前射流控制技术还只能用于飞机机翼／尾翼后缘的襟翼、副翼、方向舵，代替普通飞机机翼前缘的前缘襟翼还有待进一步研究。因此，飞行器射流控制技术距离实用还有相当大的距离。但该技术的应用无疑将会大幅提高军／民用飞机的任务效能和效费比，并给新一代飞行器的设计思想带来革命性影响。可以预见，射流控制技术一旦成熟，将会大大扩展未来军／民用飞机概念设计的空间，有望使未来飞行器性能取得突破性进展。

模拟验证技术第3篇

MasterCAM数控车削加工参数的分析验证

(一) x方向过切量

在MasterCAM车削端面参数中, “x方向过切量”是刀具在端面切削中超过中心线在x方向的实际走刀距离。

通过“刀具路径模拟”中的“手动控制”功能, 运用记录刀位点坐标的方法, 分析得到该参数在加工中的实际意义, 详细操作步骤不再赘述。

在这里, 假设x方向过切量参数设为1.0mm, 刀具的刀尖圆弧半径为0.8mm。当手动控制刀具切端面到工件中心轴线位置时, MasterCAM界面左下角显示刀位点x坐标为D-3.6, 如图1箭头所示。也就是说, 刀位点半径坐标为-1.8, 过中心线1.8mm, 去掉刀尖圆弧半径0.8mm, 刀具超过中心线, 在x方向实际走刀刚好1.0mm, 如图2所示。

(二) 粗车步进量

等距图3是外圆车削粗车的刀具路径, 对话框中的参数设置如下: (1) 有重叠量, 重叠量为0.2; (2) 粗车步进量2.0, 等距; (3) 最小切削深度0.01; (4) 进刀延伸量2.5; (5) X方向预留量0.2; (6) Z方向预留量0.2。用刀具路径模拟功能, 用手动方式单段控制刀具运动, 记录下1~9点各进刀点的坐标 (坐标值保留小数点后两位, A点是粗车外圆时刀具趋近工件的起始位置) 。并计算出每一次的粗车步进量值, 如表1所示。从表中可以看出, 系统根据总切削量及“粗车步进量2”、“等距”、“最小切削深度0.01”这些参数, 计算出平均每次的切削量为1.785mm或1.790mm, 保留小数点后两位, 则每次的切削量为1.79mm。也可以改变粗车步进量参数, 如3mm, 用同样的方法可以计算出对应的实际切削量值。由此可知, 在设置了粗车参数“等距”时, 实际的粗车步进量值是小于或等于 (“小于”的几率多) “粗车步进量”设定值的。

不等距取消外圆粗车参数设置中“等距”的设置, 其他参数不变, 刀具路径如图4所示。用同样的方法记录各点的坐标, 然后计算出每一次的粗车步进量, 如表2所示。粗车步进量最大值为2, 其余还有1.8、1.0及0.59等不同数值, 不等距。结合零件形状 (零件为阶梯轴, 这里略去零件图) 、刀具路径图观察这些数据, 可以看出, 总切削深度是按照当前位置距离下一个最大直径来进行分段的, 在每段内, 先按照参数设置的“步进量2”进行切削, 剩余不足2的单独切削。下一个“分段”以此类推。所以, 表2的步进量数值有这样的分布规律。

单位:mm

(三) 进刀延伸量

进刀延伸量是指在粗车加工时刀具的起始位置在进刀方向延长的距离。在上一个粗车步进量例子中, 进刀延伸量为2.5mm, z方向预留量为0.2mm。注意观察表1和表2的各点z坐标值, 可以发现, 除了A点的坐标为2.0 (2.0是刀具在趋近工件时Z方向的安全间隙, 应该与系统的后置处理器设定有关) , 其余均为2.7。刀具在开始切削运动之前有一个从A点到1点的动作, 向右移动0.7, 这是因为“刀具延伸量”设为2.5, Z方向的精加工余量为0.2, 所以, 刀具在切削之前, 距离工件右端面的总距离为2.7mm, 如图5。

(四) 进退刀向量

该参数是设置进刀和退刀时具运动的方向和距离。同样, 可以利用刀具路径模拟功能记录各点坐标的方法, 通过计算得到该参数的具体含义, 这里只详细列出退刀向量的点坐标记录计算过程, 进刀向量从略。

在上一个例子的基础上, 进退刀向量参数设置如图6、图7所示。

退刀向量参数设置如图8所示, 图9中记录下某退刀点1、点2坐标如表3所示。

则可以得出:

点1与点2之间的X方向距离为:

Z方向距离为:|z1|-|z2|=|-149.800|-|-148.386|=1.141 (mm)

所以, 退刀向量的夹角为45度。从而计算出1点到2点之间的距离为:

由上便知退刀向量中参数“角度”、“长度”的含义了, 如图10所示。

单位:mm

其他参数, 如“调整外形”中的“延长缩短外形的起始位置”、“增加线段”的“长度”和“角度”等等, 以及数控铣削加工参数, 都可以用同样的方法进行分析验证, 由于篇幅所限, 不一一列举。

验证结论