仿真节点论文范文

2024-06-05

仿真节点论文范文（精选7篇）

仿真节点论文第1篇

光交换可分为光电路交换和光分组交换两种方式。光电路交换已经研究成熟, 并逐步大规模应用, 完成这一交换功能的主要是光交叉连接器和光分插复用器, 但是这种交换模式只是粗粒度的光交换, 不能取代IP层的分组交换。光分组交换试图直接在光层上实现小粒度的分组交换, 近年来取得了一些进展。光标记交换和多波长标记交换都属于实现光分组交换的技术。但是, 在一些关键性的光器件 (如高速光开关、光缓存器和光逻辑器件等) 取得重大突破之前, 光分组交换技术尚难以从实验室走向实用。

为了结合这两种交换的优点, 同时又克服二者的不足, 即在较低的光子器件要求下, 实现面向IP的快速资源分配和高资源利用率, 便提出了光突发交换 (OBS) 。

1 OBS网络

1.1 OBS的原理

在OBS中, 突发为一些IP包组成的超长IP包, 这些IP包可以来自传统IP网中不同的电IP路由器。OBS中的控制分组的作用相当于分组交换的分组头, 但与传统分组交换不同的是, 控制分组与突发数据在物理通道上是分离的。在波分复用 (WDM) 传输系统中, 可以采用一个 (或多个) 专门的波长作为控制通道, 用于传送控制分组, 而把其他的波长作为数据通道。

1.2 OBS的结构

OBS网络的拓扑结构由WDM链路连接的工作在光域的核心节点和工作在电域的边缘节点组成。分组在网络入口处被组装成光突发, 后者经过核心节点的交换后在网络的出口处被分解成分组, 并被转发到下一跳。边缘节点提供光突发的组装和拆分功能, 并且提供了各种网络接口, 如千兆以太网 (Gigabit Ethernet) 、同步光网络上的分组 (Packet over SONET) 、网际协议/异步传输模式 (IP/ATM) 等, 使之可以和其他协议类型的网络互联。

1.3 OBS的边缘节点

边缘节点是连接OBS网和其他传统网络的桥梁, 它主要完成业务的接入、分类、组装、突发包调度和发送、突发头分组 (BHP) 的调度和发送、突发包的接收、突发包的解封装以及一些三层交换的功能。

边缘节点分为两部分:发送部分 (也叫发射端) 和接收部分 (也叫接收端) 。发送部分结构如图1所示, 其主要功能是将IP分组组装成突发包, 并按照OBS协议将其转发到OBS网络中去。线卡首先对从以太网传来的数据进行校验和解封装 (主要是第一层和第二层的解封装) , 然后对IP分组流分类。

模块根据目的边缘节点的 IP 地址以及服务质量 (QoS) 等信息将数据流进行分类缓存, 并将其交给突发包组装器。突发包组装器根据IP分组目的边缘路由器地址和 QoS属性将 IP分组组装成突发包。突发包形成之后, 波长调度器根据数据信道和控制信道的使用情况, 按照一定的调度算法选择发送突发包。调度器还能获得每一个突发包的信息, 如路由信息、路径、长度和QoS等, 据此为每个将发送的突发包配备一个控制分组, 然后按一定规则为突发数据 (DB) 和BHP选择空闲的数据信道和控制信道, 根据选择结果在BHP的相关域中添加DB和BHP之间的偏移时间, 最后将DB和BHP在预定的时间经过电/光 (E/O) 转换后发送出去。

边缘节点接收部分结构框图如图2所示, 它的主要功能是从OBS网络中接收突发包, 并将其拆分成传统的 IP 分组, 然后经过交换、封装, 将IP分组转发给以太网。光纤延时线 (FDL) 使突发包接收器在接收突发包前, BHP处理器有足够的时间处理BHP。拆包模块根据突发包包头信息 (主要是突发包中的 IP 分组个数) 把突发包拆分成IP分组。交换模块根据IP分组的目的地址将其发送到相应的线卡上。线卡主要完成第二层、第一层封装 (即数据链路层和物理层封装) 。

2 边缘节点性能仿真

2.1 仿真模型的建立

在该数据交换网络的仿真中, 需要仿真的网络拓扑是一个中心节点连着4个边缘节点所构成的网络结构, 如图3所示。

每个收到数据包的节点要估算该数据包发送的时延, 即从该包创建到接收到该数据包所耗费的时间, 也就是一个数据包在网络中滞留时间的长度, 然后收到数据包的节点要销毁该数据包, 释放掉内存。在进行仿真拓扑模型的建立前, 首先要定义数据包的格式和节点间的链路格式。下面重点介绍边缘节点的建立。

2.1.1 边缘节点的建立

边缘节点的节点模型应该由以下几个部分组成:数据产生模块 (src) 、核心处理模块 (proc) 、数据发送器 (tra) 和数据接收器 (rec) 。根据以上分析, 边缘节点的结构如图4所示。

2.1.2 边缘节点处理模型的建立

边缘节点的处理模型一定要包含数据的接收处理和数据的发送处理。建立完成的完整的边缘节点的处理模型如图5所示。

图中, init状态是状态机的初始状态, 在这个状态中主要完成的是一些系统的初始化任务。空闲 (idle) 状态是系统的等待状态, 该状态是程序的两个分支传输 (tra) 状态和接收 (rec) 状态的结合点。tra状态是发送数据报的处理过程。当系统判断到数据包中断是由于接收到数据包而产生时, 则由idle状态转移到rec状态, 在这里主要进行计算端到端延迟等对数据的接收处理。无论是在tra状态, 还是在rec状态, 执行完数据处理任务后, 系统都要返回到idle状态, 以等待下一个数据中断的产生。

2.2 仿真结果及分析

图6所示为端到端延迟的仿真结果。

仿真过程中所配置的参数如下:

Name1属性的名称为LJ_net-sim1;Name2中属性的名称为LJ_net-sim2;

Vector File1属性名称为LJ_net-sim1;Vector File2属性名称为LJ_net-sim2;

LJ_net-sim1中属性的Value1设置为4;LJ_net-sim2属性的Value2设置为40;

Seed值设为32;Duration设为500s。

由图6可知, 当边缘节点的数据包产生速率为恒定时, 端到端的延迟是比较固定的;如果边缘节点的数据包的发送速率突然增加, 那么在中心节点就会累积一些数据包, 这样会使端到端的延迟有一些波动。从图中可以看出, 当数据包的发送速率突然加大的时候, 延迟的大小和抖动都有一定幅度的增加。若要观察每种配置下单独的延迟量, 将过滤器设置为“As is”即可。大部分数据包的端到端延迟是比较固定的, 但是还是有一部分数据包经历了较高的端到端延迟。

3 结束语

本文从OBS网产生的背景出发, 论述了OBS网的原理和体系结构, 对OBS体系中边缘节点的结构进行了详细介绍。最后还对OBS的边缘节点的性能进行了仿真研究, 通过仿真分析得知, 当边缘节点的数据包产生速率为恒定的时候, 端到端的延迟是比较固定的;如果边缘节点的数据包的发送速率突然增大, 那么在中心节点就会累积一些数据包, 这样会使端到端的延迟有一些波动。在今后的研究中, 需要对边缘节点的网络结构做进一步的改进, 从而减小数据包发送时端到端的延迟。

摘要：文章介绍了光突发交换产生的背景、光突发交换网的原理和体系结构以及光突发交换体系中边缘节点的结构。主要采用计算机仿真, 仿真工具是OPNET 8.1.A。仿真结果表明:若边缘节点的数据包产生速率恒定, 则端到端的延迟比较固定;若边缘节点数据包的发送速率突然增大, 端到端的延迟会有一些波动。

关键词：光突发交换,边缘节点,端到端延迟,OPNET仿真

参考文献

[1]Qiao C, Yoo M.Optical burst switching (OBS) -anew paradigmfor an optical Internet[J].Journal ofHigh Speed Networks, 1999, 8 (1) :69-84.

[2]Chao K, Balt H, Michel S, et al.Information model ofan optical burst edge switch[C].China:Proceedingsof the IEEEICC, 2002.2 717-2 721.

[3]于金辉, 范戈.光突发交换技术[J].光通信技术, 2002, 26 (5) :38-40.

[4]Berger L.Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) Signaling Constraint-based Routed LabelDistribution Protocol (CR-LDP) Extensions.rfc3472[DB/OL].www.ietf.org, 2003-01-15.

[5]陈俊峰, 李新琬, 吴龟灵, 等.光突发交换网络的突发包组装和调度[J].光通信技术, 2003, 27 (2) :11-14.

仿真节点论文第2篇

移动自组织网是由一组移动节点临时组成的、无中心的和多跳的无线网络。它不需要使用固定基站设施,具有建网快捷灵活等优点。同时,也具有拓扑易变、带宽和能量有限等特点,对性能的保证存在技术挑战[1]。如节点因为电池耗尽,发生故障而失效。另外,新的节点可能加入到网络中,使得整个无线网络的拓扑连通情况将随着节点移动、失效或增加而变化。因此,良好的拓扑控制既有助于改善网络的能耗性能,也有效地实现动态重建以适应网络的动态变化。

拓扑控制是通过控制节点间的通信链路和节点的传输范围,使生成的拓扑满足一定的性质,以延长网络生命周期,降低网络干扰,提高吞吐率[2]。现有的拓扑控制算法从运行的方式来看,可分为集中式算法与分布式算法[3]。集中式算法假设网络中存在一个中心节点,该节点能够获得本网络中每个节点的ID、位置及功率信息,故在此中心节点上运行算法即可得到整个网络的拓扑。对于大型网络而言,中心节点需要收集大量的信息,因此会出现中心节点能量迅速耗尽的现象。移动自组织网不存在中心节点,而且感应范围有限,所以每个节点根据它接收的邻近节点的信息独立运算来分配传输功率。因此,分布式的算法具有很强的拓展性,也更适用于移动自组织网络。

1 K-Neigh算法概述

K-Neigh是利用概率思想进行拓扑构建的算法。基本思想是保持每个节点的邻居数小于等于某个特定的k。K-Neigh算法只需要获得距离信息就足够了,不需要知道邻居节点的具体位置或所在方向,减轻了节点的负担。初始时节点用最大传输能量互相交换信息,根据收到的信息选择k个最近的邻居作为一个集合,调整自己的传输范围使其覆盖集合中最远的节点。如图1所示,节点x不同的功率级别Level0、Level1、Level2、和Level3所对应的邻居数分别是0、2、5、8。由于MAC层传输的分组能够到达节点覆盖范围内的所有物理邻居,因此无需额外的硬件支持,采用物理层能量检测技术和距离估计机制即可获得K-Neigh所需的参数信息。

目前对K-Neigh算法的研究主要集中在k值的大小对连通度的影响。如Douglas M.Blough[5]进行了大规模密集仿真实验研究了网络连通概率与k的关系。这里着重研究不同的k值对节点能量、整个网络性能及连通率的影响和合适的权衡。

2 算法仿真与分析

拓扑控制算法特性可从节点的度和传输半径2个方面来分析。其中,节点半径等于此节点的通信传输距离,即该节点与其相距最远的邻节点的几何距离。节点传输半径越大,表明所需通信能耗越大,空间复用度越弱;节点的度(邻居个数)越大,则该节点对邻居节点的干扰增加,同时也增加了维护邻居状态的开销。K-Neigh算法在保持连通度的基础上有效减少节点度,又在降低发送功率的同时减小传输半径,有效地减少网络功耗,延长了网络的生命周期。

2.1仿真设计

网络仿真工具采用ns-2.34[6,7]。通过对ns2节点定义邻节点数组对邻居节点的信息进行存储和管理,MAC层RTS/CTS对邻居节点进行查找、添加、删除等操作,并且更新邻居列表的节点信息。根据距离对邻居节点排序,选取第k个节点与自己的距离,计算发送到第k个邻居所需的功率,调整自己的发送功率为所计算出的功率。仿真场景为1 000x1 000 m2,节点数50个,节点在仿真区域中均匀随机分布。节点的最大传输半径为300 m(相应发送功率为0.58 W),网络层使用AODV 路由协议,随机取10个cbr包流,发包速率为64 kbit/s。

仿真中采用TwoRayGround无线传输模型

$Ρ t = \frac{Ρ r \times d^{4} \times L}{(G t \times G r \times (h t^{2} \times h r^{2}))}$ , (1)

式中,Gt为发送节点的天线增益;Gr为接收节点的天线增益;L为系统自身损耗;Pt为发送节点的发射功率;Pr为接收节点接收到的功率;d为发送节点与接收节点之间的距离。ht为发送节点天线高度;hr为接收节点天线高度。仿真中每个节点使用发送天线和接收天线均为0 dB增益的全向天线,天线高度为1.5 m,CSThresh_为1.559×10-11;即确定信号侦听范围为550 m;队列大小50;设置节点初始能量为2 J,其中定义k为节点的邻居个数。

2.2性能分析

选取不同的邻居个数k值进行仿真实验。采用了以下几个性能指标:

① 吞吐量:是指在不丢包的情况下单位时间内节点可以接收的数据量;

② 丢包率:在单位时间内未收到的数据分组数与发送的数据分组数的比率;

③ 传输延时:源节点发送出一个分组到目的节点接收到该分组之间的时间差;

④ 能耗:能量消耗率用节点的实际能量消耗量与节点的初始能量的比值来衡量;

⑤ 网络连通率:接入移动自组织网络的节点数与网络节点总数的比值。

仿真结果分别如图2、图3、图4、图5和图6所示。

如图所示,k=1时,形成的拓扑虽然简单,能耗较小,但因为瓶颈节点的失效而失去连通性,导致丢包较严重,吞吐量不高;k=6时,丢包和延时比k=5时较大,这主要是由于节点传输半径的增加导致网络拓扑信息量大,路由计算复杂从而影响网络丢包和延时;k=5时,算法形成的拓扑结构不仅有效地降低维持全局连通的传输功率,减少网络中冗余链路,降低节点间通信干扰,提高节点能量利用率,延长了网络寿命,而且有力地增强了网络的业务量。

3 结束语

节省传输功率和保证良好的网络性能都是移动自组织网设计需要考虑的2个方面。该文采用K-Neigh拓扑控制算法思想,通过节点距离信息调整节点发射功率实现对网络结构的拓扑控制。通过仿真实验分析节点功耗、网络延时和吞吐量等性能指标,可知当k=5时的网络拓扑结构不仅具有能量有效性,同时优化网络性能,鲁棒性较好。

参考文献

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[2]魏亚青.Ad Hoc网络拓扑控制及其分簇研究[D].湖南:中南大学,2009.

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[4]王妙音,韦岗,季飞.一种Ad Hoc网络的拓扑功率控制算法[J].通信技术,2007,40(12):158-162.

[5]BLOUGH D M.The K-Neigh Protocol for Symmetric Topology Control in Ad hoc networks[J].ACM Computer Communication Networks,2003,5(9):141-152.

[6]黄化吉,冯穗力,秦丽姣,等.NS网络模拟和协议仿真[M].北京:人民邮电出版社,2010.

仿真节点论文第3篇

自从发现网络流量存在自相似特性以来,网络流量自相似特性的研究就成为业界人士研究的热点[1]。自相似流量的发现,新引进的业务对整个网络的影响,网络对业务的要求等等,在网络和业务之间如何优化,都成为研究的重点。但目前研究中,主要是针对单一网络节点进行特性分析,而对不同网络流量(自相似流量)经过交换节点(比如:交换机和路由器)后仍然继续传输,到下一个节点时,其网络流量呈现什么样的特性研究的很少,尚未见到有数学解析,但是存在的一些问题可以通过搭建仿真模型来进行分析。

有关自相似流经过交换节点的仿真分析做得很少,文献[1]中等给出了基于FARIMA自相似流经过交换节点后的网络影响,本文采用能够精确刻画实际流量的FBM自相似模型进行性能分析,并给出具体的搭建仿真模型方法;文献[2]中采用OPNET搭建了MSM型Clos交换结构的仿真模型,仿真分析了几种典型算法的性能,但此仿真模型不能同时加入几种网络流量进行性能分析;文献[3]中研究了交换节点中缓存的排队、WRR调度算法对突发流量大小的弱化影响,但没有研究网络流量经过交换节点后的影响程度。

1核心交换节点的交换结构和自相似模型

1.1交换结构

交换结构是交换节点的核心,决定着交换设备的性能,本节重点阐述交换结构的框架。

目前大多数交换节点结构都如图1所示。交换单元可以有2×2、4×4、8×8或16 ×16等。可以观察到,缓存可出现在输入端口,也可出现在输出端口,在网状结构中也可以有缓存。当分组到达交换机时被放入输入缓冲区,然后交换结构把分组转发到相应的输出端口。如果几个不同输入端口上的分组都同时从一个输出端口输出,而它们之中只能有一个被转发,所有的分组都在缓冲区中排队等待发送,从而造成了分组争用链路和排队队列中流量的突发。这样直观来看,网络流量经过交换节点后,网络的性能就会有所改变,网络流量的特性到底如何,这些问题可以通过仿真来分析搭建的网络性能的好坏。

1.2自相似模型

对于一个稳定序列X = { X ( i ) , i=1,2,…},设:

$X^{(m)} (k) = \frac{1}{m} \sum_{i = (k - 1) m + 1}^{k m} X (i) k = 1, 2, \dots$ (1)

为对应的聚集水平为m(即将原始序列X划分为大小为m的互不交叉的块)的聚集序列,其中k为块的序号。如果对于所有的聚集水平m:

$X =_{e}^{Δ} m^{1 - Η} X^{(m)}$ (2)

均成立,则称稳定序列X = { X ( i ) , i=1,2,…}为精确自相似过程。

如果式(2)只用当m→∞时才成立,则称稳定序列X = { X ( i ) , i=1,2,…}为渐近自相似(asymptotically self-similar)过程。式中参数 H 称为 Hurst 参数,是自相似程度的度量,取值范围是H∈[0.5,1),H=0.5 时,表示不存在自相似,H 值越接近1,长范围相关的程度就越大,过程的自相似程度越高。通信网络中的自相似一般为统计意义上的渐近自相似。

自相似聚集过程具有下列性质:

(1) 方差:

Var(xm)=m-2(1-H).Var(x) (3)

(2) 自相关系数:

Rxm(k)→Rx(k) m→∞ (4)

(3) 精确二阶自相似过程的自相关函数为:

$r (k) = \frac{1}{2} (| k + 1 |^{2 Η} - 2 | k |^{2 Η} + | k - 1 |^{2 Η}) k \geq 1$ (5)

(4) 渐近二阶自相似过程的自相关函数为:

r(k)～cr|k|2H-2k→∞ (6)

其中,cr>0为常数。

为了刻画自相似业务,Norros [7]提出了如下的分形布朗运动业务(FBM)模型:

$A (t) = m t + \sqrt{a m} B_{Η} (t) t \geq 0$ (7)

其中A(t)代表t 时间内到达的流量,m>0为流量的平均速率,a为方差系数,BH(t)为具有0均值、自相似参数0<H<1和增量方差Var[BH(t)]=|t|2H的标准分形布朗运动。

由式(7)可知,A(t)是一个具有稳定增量的高斯过程,均值为:E[A(t)]=mt,方差为:Var[A(t)]=maVarBH(t)=mat2H,0.5<H<1时自相似的,具有长相关特性。 $var i a n c e [A (t)] / m e a n [A (t)] = \frac{m a t^{2 Η}}{m t} = a t^{2 Η - 1}$ ,即方差/均值的比率依赖于计算的持续时间。令t=1,则variance[A(t)]/mean[A(t)]=a,可见,参数a为到达过程的“峰值”,描述流量波动的幅度。

2OPNET仿真模型

2.1网络拓扑结构

本文目的是完成基于自相似的交换节点仿真的性能分析,并要求易扩展同时支持几种网络流量的性能分析,所以采用具有可扩展性的设计很重要。

为了增强网络的灵活性,建立一个目的地址和流索引(可以看作是物理地址)的映射表。作为网络业务源的周边节点产生分组,并且为每个分组分配一个目的地址通过发信机传输出去;作为网络业务终端的周边节点接受分组并且统计网络的性能。

在建立模型时,交换结构及仿真所采用的信源可以抽象为如图2所示的网络拓扑结构,中心节点对应交换结构,二者之间的连线代表输入输出端口。

2.2节点层模型

本仿真方案中难点主要集中在交换结构的设计上,采用搭建hub进程模块析取分组中的目的地址进行转发。

交换节点在输入端口采用共享缓存方式,输出级采用输出缓存方式,所以在建模时输入级和输出级都采用了队列模块。

搭建如图3所示的交换节点结构,设计收信机从源结点中接收分组,收到的分组在输入queue模块中进行排队,使自相似流量的特性发生了改变,然后通过hub进程模块将接收到的分组转发到输出queue模块中进行排队,再通过hub进程模块将分组按照目的地址转交给正确的发信机,最后通过发信机将分组发往目的节点。

3仿真实验及性能分析

由于篇幅的限制,本节采用自相似程度比较高的网络流量与泊松流量同时作为网络交换节点源数据流量驱动OPNET仿真。仿真数据由分形高斯噪声(FGN)产生,FGN是FBM的增量过程,所产生的是具有单一Hurst系数的精确自相似过程,可以动态调节模型的H,v,m等参数。通过FGN模型产生65536个精确自相似流量(理想流量),将该理想流量和OPNET本身提供的泊松流量同时作为仿真输入,驱动OPNET进行网络仿真,统计相应的性能参数。

为了验证分析结论的可靠性,本节采用WAND组织采集的实际网络流量和理想流量进行了仿真验证,其统计结果如图4所示。

由图4可以看出,FBM模型产生的理想流量和实际网络流量仿真结果有一定的偏差,但偏差结果不大;这说明可以用理想流量模拟实际网络流量进行性能分析。

由图5可知,自相似程度比较高的网络流量经过第一个交换节点后,自相似程度有明显的降低,自相似程度越高,降低的程度越大;但是随着经过交换节点跳数的增加,自相似程度降低的幅度越来越小。这种情况是因为流量进入交换节点后,分组会争用链路,当过多的分组争用同一条链路时,队列就会溢出,分组将不得不被丢弃,从而削弱了流量的突发性;另一方面,不具有自相似性的泊松流量经过交换节点后,增加了自相似性,主要是由于在缓冲区中排队等待发送的流量,在同一个输出端口上,不断聚合发生了拥塞,而聚合流量又不会随着聚合尺度的增加而很快地平滑掉,在经过每一个交换节点时,增加了流量的突发性,即经过交换节点后对泊松流量产生了负面影响。由此可见,自相似程度高的流量,经过交换节点后,会削弱流量的自相似性;而本身不具有自相似性的流量,经过交换节点后反而会增加流量的自相似性;这与文献[1] 仿真结果一致。

从图6可看出,同一种自相似流量经过不同交换单元的交换节点后自相似程度都有所降低,但降低的程度不一样。交换节点的交换单元越大,自相似程度降低得就越大,即对自相似性的影响就越大。

4总语

本文根据OPNET仿真三层建模机制的原理,完成了一种自相似流量经过交换节点的仿真。仿真结果发现:交换节点对流经的网络流量产生了不同的影响。该研究为进一步的自相似流量经过交换节点后的特性分析提供了基础。进一步的研究设计中,可以考虑加入多种调动算法和不同的自相似网络流量。

摘要：完成网络流量经交换节点的仿真模型的性能分析。仿真方案采用具有模块化的分层建模,通过扩展OPNET上的模块实现所有核心节点搭建,并着重对模型的基本原理和关键技术进行分析,采用多源端方法解决传统业务和不同自相似业务同时驱动OPNET仿真的问题,同时为增加模型的灵活性,增设了数据源节点和目的节点。仿真实验采用自相似流量和泊松流量同时加入源节点的性能比较,验证了仿真实验正确性和有效性。该模型为经过交换结构的网络流量性能的仿真分析提供了一种有效途径。

关键词：仿真模型,OPNET,交换节点,自相似

参考文献

[1]Yunkai Zhou,Sethu H.A Simulation Study of the Impact of SwitchingSystems on Self_Similar Properties of Traffic.;Statistical Signal andArray Processing[C]//Proceedings of the Tenth IEEE Workshop on 14-16 Aug.2000:500-504.

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[6]J.Beran.Estimation,Testing and Prediction for Self-Similar and relat-ed processes[J].PH.D,dissertation ETH.Zurich,1986.

仿真节点论文第4篇

惠平路桥位于上海嘉定区, 一跨跨越蕰藻浜河道, 主桥全长268 m, 采用独塔混合梁斜拉桥, 主桥跨径组合为2×35 m+158 m+40 m, 钢梁为双箱截面, 长约208 m, 混凝土梁长约60 m, 为双箱多室截面。主桥桥面总宽为35.5 m[1]。

主桥桥塔采用3根钢管组成, 桥塔呈两头细中间粗的针形, 桥塔向河道一侧倾斜18°, 主塔由装饰性塔尖、空间钢管塔身以及整体铸钢下塔柱段三部分组成, 桥塔与主墩铰接。主桥主跨为2根索构成的单索面, 边跨为双索面, 边跨斜拉索在塔梁之间形成空间索面。全桥立面布置示意图见图1。

主墩基础采用37根φ1 500 mm的钻孔桩, 桩尖持力层为 (9) 层 (灰色粉砂) 。主墩墩身中搁置桥塔的部位为方形实体墩, 两侧搁置主梁的墩身为薄壁墩, 厚度3.5 m, 墩高约7 m。承台为矩形, 厚3.5 m。墩身与道路中心线垂直, 承台顺河道布置, 与道路中心线成67°。其余边墩为柱式排架墩。

2 节点仿真分析的必要性

斜拉桥桥塔与桥墩一般固结, 墩梁之间有固定和分离2种, 而工程主桥的结构体系为墩梁固结、塔墩铰接, 比较特殊。

主墩与主梁固结, 由于主墩高度方向尺寸较小, 主墩的线刚度较大, 墩梁固结承受很大的弯矩与水平力;主塔与主墩成72°角, 主塔底面轴向力的水平分力由两边钢主梁的轴力来平衡, 这个水平力的大小在恒载作用下接近26 000 k N左右, 而水平力的传递需要通过主墩的横向变形来协调, 主墩横向的受力、墩梁固结节点构造设计非常复杂, 常规的梁单元分析法不能很好得到应力的计算结果, 必须借助3D空间有限元仿真模型来完成。

3D空间应力分析的结果不但能够验证结构构造设计是否安全, 而且可以判断应力分布是否合理, 反过来对构造设计进行优化, 有必要对主桥的墩梁固结节点进行仿真分析研究。

3 节点分析的仿真模型

主桥墩梁固结节点局部空间受力分析采用结构分析软件ANSYS, 建立整个节点包括钢箱梁节段与主墩的空间仿真有限元模型, 其中混凝土采用实体单元SOLID45, 钢箱梁节段、墩梁固结内钢结构及加劲板采用板壳单元SHELL63。图2为节点仿真分析模型透视图, 图3为节点仿真分析模型内部的隔板、加筋。

为保证模型分析结果的准确性, 局部分析模型的建立需要满足圣维南原理, 关键研究区域需要远离模型边界。本次局部模型截取箱梁全长35 m:桥墩左侧, 即边跨, 取10 m至钢混结合段;桥墩右侧, 即主跨, 取25 m包含第一根斜拉索。主墩处桥面纵坡为4%, 横坡为2%, 模型考虑了桥面纵横坡的模拟, 整个节点共划分为105 072个单元。

在主墩与主梁固结节点模型中, 模型的边界取墩底固结, 即位移边界, 而节点内的主梁梁端、斜拉索、钢铰支座采用力的边界。根据总体分析模型的计算结果[2], 提取箱梁左右两端截面内力作为节点模型力的边界条件, 索力采用节点力施加, 而钢铰支座反力按支座面积折算成均布荷载施加在支座的作用区域上。考虑的荷载工况有以下几种情况。

1) 成桥恒载。

2) 第1种荷载组合工况 (简称工况1) 是主塔塔柱轴压力最大的工况, 此时该节点处的钢主梁轴力与弯矩也基本达到最大值。

3) 第2种荷载组合工况 (简称工况2) 是活载偏载时的最不利工况, 此时左右两幅钢主梁轴力差最大, 对主墩的受力可能较为不利;以上荷载组合均采用标准组合。

4 模型验证

本文从局部模型的反力、变形以及应力与内力等方面与总体模型的计算结果进行比较, 以验证局部模型的有效性。

4.1 模型反力校核

由于主桥所有支点的水平反力之和为零, 则得到墩底反力水平方向分量为零, 该处反力作为模型校核依据之一。

根据计算分析结果可知, 在成桥恒载作用下, 由ANSYS模型计算得到的墩底实体单元节点反力经积分得到的水平方向总反力为45.5 k N, 只是边跨轴向力的0.1%, 这个误差是完全可以接受的, 因此可认为墩底水平力为零。

4.2 模型变形校核

由计算分析结果可知, ANSYS局部模型在主跨梁端的竖向位移最大值为110 mm, 边跨梁端竖向位移最大值为5 mm;MIDAS整体模型在主跨梁端的竖向位移最大值为109 mm, 边跨梁端竖向位移最大值为15 mm, 两者的变形基本一致。

4.3 模型应力及内力校核

选取主跨梁段距桥墩10 m位置作为验证截面1, 选取边跨梁段距桥墩5 m位置作为验证截面2。

验证截面的不同模型应力比较见表1, 应力以拉为正、压为负。

由表1数据可知, 总体上, 2个模型得到的应力比较接近, 只是ANSYS模型的板壳单元应力变化范围较大, 反映钢箱梁节段的空间应力分布情况。把验证截面1与验证截面2上的节点应力进行积分, 得到表2中的截面轴力与剪力, 并与MIDAS的相应结果进行比较。两者非常接近, 基本一致。

以上模型验证结果可以表明, ANSYS空间局部模型的仿真分析结果真实可信, 与MIDAS整体模型计算结果可以相互验证。

5 节点分析结果

利用ANSYS仿真模型, 分析得到节点区域的钢箱梁节段与墩梁固结区内钢结构应力, 以及主墩混凝土的应力与裂缝宽度。

5.1 节点钢箱梁节段应力

根据ANSYS仿真模型的计算分析结果, 节点区域钢箱梁在各个工况下的最大应力如表3所列, 表中应力单位为MPa, 应力以拉为正、压为负。此外, 以成桥恒载为例, 钢箱梁代表截面上、下缘正应力横向分布见图4。

由计算分析结果可得到, 箱梁正应力分布存在明显剪力滞效应, 应力最大值主要出现在箱梁外侧腹板上及墩梁固结区钢结构加劲板与箱梁底板连接处。各个工况下, 墩梁固结区钢结构加劲板与箱梁底板连接处应力水平都很高, 一方面由于构造应力集中造成的, 另一方面由于底板面外受力造成的。

此外, 从钢箱梁的Von Mises应力情况可以得到, MIDAS的整体梁单元模型仅关注纵向正应力对钢结构设计是偏于不安全的。

5.2 墩梁固结区内钢结构应力

墩梁固结区内钢结构的应力分布非常复杂, 只有了解清楚其应力分布情况, 才能正确指导固结处钢结构的细部构造设计。

在成桥恒载状态下, 墩梁固结处钢结构加劲板的Von Mises应力云图见图5。

由图5可见, 位于钢结构内侧加劲板Von Mises应力最大, 最大值达到350 MPa左右, 但越靠外侧加劲板的应力越小。这与钢结构在墩梁固结位置处传力路径偏向内侧有关, 建议设计加强内侧加劲板的设计。此外, 由计算结果得到, 墩梁固结区内钢结构的横隔板应力较小, 说明横向受力较小;纵向中腹板在成桥恒载状态下的Von Mises应力最大值达到270 MPa左右, 这与节点加劲板的受力特性相一致, 都是由纵向受力引起的。

总之, 墩梁固结区的内侧加劲板与中腹板的Von Mises应力比较大, 各个工况下其最大应力见表4。

5.3 主墩混凝土应力及裂缝宽度

主墩混凝土在正常状态下的应力分布相对钢结构较容易把握。以成桥恒载状态为例, 图6为主墩关键截面横向正应力云图切片。表5为各个工况下的主墩横向、竖向应力值, 数值以拉为正、压为负。

由计算分析结果得到, 各个工况下, 主墩混凝土边跨侧横向受拉, 主跨侧横向受压;主墩横向拉压应力峰值主要集中在主墩的墩梁固结与墩塔铰接的交界处, 离开这一区域应力峰值迅速衰减。这一现象主要是由主塔水平分力与钢主梁轴力差共同作用造成的主墩横向受弯;同时, 墩梁与塔墩交接处的直角构造也会引起应力集中。

采用SOLID65单元考虑普通钢筋影响进行混凝土非线性分析的开裂分析, 计算得到主墩竖向钢筋应力最大值为100 MPa, 横向钢筋应力最大值为67 MPa。正常使用状态下, 主墩裂缝宽度验算结果见表6。

以上验算结果表明, 在正常使用状态下, 主墩竖向与横向的裂缝宽度均满足设计规范的要求。

6 结语

根据以上的主桥墩梁固结节点的局部仿真分析结果, 提出以下一些意见与建议。

1) 墩梁固结节点区域内钢箱梁底板压应力和Von Mises应力较大, 建议适当增加底板板厚或优化构造措施以减少应力值。

2) 与钢箱梁底板连接的加劲板与墩梁固结区内钢结构的中腹板应力比较大, 建议设计引起注意, 采取一定的措施进行改善, 例如取消中腹板的开洞等。

3) 主墩混凝土的横向拉应力较大, 特别是拉应力峰值主要集中在主墩的墩梁固结与墩塔铰接的交界处, 如果在该处出现结构性裂缝, 则裂缝会向墩底发展, 很难稳定, 裂缝修补工作很难进行。建议在主墩的边跨侧增设横向预应力, 以控制横向拉应力, 并在两侧适当加强配筋, 以抵抗地震反应。

4) 主墩混凝土的竖向拉应力较大。在地震作用下, 由地震效应产生的主墩弯矩比正常使用状态下的弯矩更大, 则主墩的竖向拉应力更大。建议在墩梁固结的竖向适当配置些预应力, 以控制主墩的竖向拉应力, 同时加强墩梁固结钢结构与混凝土主墩的连接构造。

参考文献

[1]上海市城市建设设计研究总院.嘉定惠平路蕰藻浜桥主桥工程施工图设计文件[R].上海, 2012.

[2]上海市城市建设设计研究总院.嘉定惠平路蕰藻浜大桥关键技术研究:主桥塔梁墩关键节点三维空间分析[R].上海, 2012.

仿真节点论文第5篇

关键词：航天动力学,柔性绳索体,绝对节点坐标法,刚度矩阵

柔性绳索体是由多个物理节点连接横纵双向多条独立绳索(带)组成的。这种工程结构以质轻、柔软易折叠、收缩比例大、在拉伸状态下能承受一定的载荷等优点而备受工程师青睐[1]。柔性绳索体结构被广泛应用于海洋捕捞、航空航天以及建筑防护等领域[2,3,4]。正是柔性绳索体在工程上起着重要的作用,所以对其动力特性的研究显得尤其重要。

国内外对于柔性绳索体模型的研究主要采用集中质量法,近期也出现了采用多体系统动力学方法来建模的学术成果。此外,随着有限元技术的快速发展,有限元法也被引进柔性绳网的建模。

陈钦等[5]针对飞网系统的发射过程,利用建模仿真和地面试验两种手段进行了研究,建立了飞网发射的集中质量模型,设计了基于燃气助推质量块的飞网发射地面试验装置,开展了多次飞网发射试验;赵国伟等[6]基于离散质点系统假设,将柔性网体的网目结点近似为集中质量球单元,结点间的网线近似为杆单元,引入Kawabata拉伸张力应变模型,考虑气动力影响,建立柔性网体的动力学方程,运用四阶Runge-Kutta法进行数值计算;文献[7]将柔性网离散化为质点———弹性杆单元的结构,在此基础上建立了柔性网的动力学模型;Tsutomu等在文献[8]应用集中质量方法,开发了用于渔业捕捞的Na LA系统;Provot在文献[9]中采用了“质子-弹簧”模型建立了柔性网结构的动力学模型,并给出了网上近似空气动力系数。

于洋等[10]为了分析飞网展开过程,建立了正方形空间飞网运动的解析模型;李京阳等[11]采用非线性有限元软件ABAQUS建立柔性模型与松弛飞网模型,对两种飞网模型的抛撒展开进行了对比,提出了飞网展开效果的衡量标准。

2013年,韩峰、陈翰等[12,13,14]利用多刚体系统动力学方法,将柔性拖网简化为二维模型,认为拖网是是由多个刚体连接的质点系组成。该方法建立了布撒网的力学模型,较好地模拟了真实情况下火箭拖拽柔性网飞行的过程。但柔性网体毕竟与刚体的物理模型存在差异,要想更接近真实情况必然需要利用柔性多体动力学方法来建立拖网模型。

综上所述,集中质量法由于简化了对柔性体段的空间位形和内部应力/应变分布情况,只能近似地得到柔性体的位形和应力分布;单纯地利用商业有限元软件也只能采用近似单元模拟绳索(网)运动,对于其大变形、大位移情况模拟有限;多刚体方法则将绳索视为刚体,与其柔性特质相差甚远。因此,有必要采用一种结合有限元和柔性多体的建模方法来建立柔性绳索体的模型,进而进行仿真计算。绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation)是Shabana教授于1996年提出的用于解决大变形、大位移柔性多体动力学的方法[15],其理论基础是有限元和连续介质力学。该方法坐标系构成简便,并且其质量矩阵保持常数阵,不存在科氏力和离心力项,提高了数值计算的效率[16]。相比于传统方法,该方法更适合柔性绳索体的建模和动力学研究。本文采用绝对节点坐标法建立柔性悬臂梁和柔性网的柔性多体模型,并在此基础上建立含有横向杆的刚-柔耦合网体模型,研究三种模型的动力学过程,并给出仿真结果及分析结论。

1 基于绝对节点坐标的绳单元

Gerstmayr和Shabana于2006年在文献[17]中提出了一种低阶的绳单元,该单元是基于EulerBernoulli梁单元而得到的,适合于柔性绳索体这种大变形、非线性的动力学模型。单元的假设为各向同性,只受拉力作用不受压,并且不考虑剪切、扭转变形。

绳单元属于一维二节点单元,如图1所示,在三维建模中,每个节点坐标由位置矢量和该点的位置梯度矢量组成,共6个坐标,每个单元含有12个坐标。

节点i坐标为

式(1)中rm X、rm Y(m=i,j)为节点i、j位置矢量在惯性系中的分量;为单元节点i、j处切线斜率。

单元坐标可以表示为

因此,绳单元的位移场可以表示为局部坐标x的不完备三次插值多项式[16]

式(3)中S为单元形函数矩阵,其形式为

式(4)中I为3×3的单位矩阵。式(4)中四个形函数表达式为

式(5)中ξ=x/L,x∈[0,L]。L为单元未变形时的初始长度。

2 柔性绳索体动力学方程

2.1 质量矩阵

正如引言里所提到的,相比于其他建模方法来说,绝对节点坐标法其中一个优点在于其推导出的质量矩阵是常数矩阵[18]。不失一般性,首先,单元的动能可表示为

式(6)中ρ为绳单元的密度,A为绳单元截面积,V为绳单元的体积。

由式(6)可得单元质量矩阵为

2.2 广义外力

采用绳单元组成的绳索体在仿真过程中,不受其他外力作用,唯一只受到重力G的作用。基于虚功原理可以得到重力虚功为

式(8)中G为单元重力矢量,δr为重力的虚位移。

重力的广义化形式可以表示为

2.3 刚度矩阵

尽管绝对节点坐标法具有常数质量矩阵的特点,比起诸如浮动坐标法等传统方法来说在计算方面更加高效,但其弹性力项却是具有强非线性的[19]。因此,对于绝对节点坐标法这样用来处理大变形、大位移的方法来说,合适的弹性力计算模型对于研究对象的动力学过程进行精确模拟至关重要。绝对节点坐标法建立的模型大多采用Berzeri和Shabana在文献[20]中提出的纵向和横向双向弹性力计算模型。文中分别建立了单元纵向弹性力模型L1、L2和L3,单元横向弹性力模型T1和T2。在实际的应用中,根据是否假设纵向变形为小变形来选择不同的计算模型。柔性绳索体在不受外力或外力较小的情况下,其变形主要表现出来的是弯曲变形,而拉伸变形则相对较小。因此在仿真中对于绳索体弹性力的计算,模型选择的是适用于纵向小变形的L1和T1。但是,当单元尺寸不够小或者步长略大时,计算就会发散。通过查询新近发表的文献才发现,文献[20]中的L1模型在计算纵向拉伸应变时只是简单地计算相邻节点在此时刻的直线距离,一旦单元主要表现出弯曲变形时,这种计算模型就会带来计算误差,甚至导致计算不收敛的情况发生[21]。下面举例说明。

如图2所示,假设单元变形前原长为l,变形后单元真实的纵向长度为ls,模型L1计算的纵向长度为lL1。当发生图2中的示例1情况时,真实的纵向长度ls大于原长l,而利用模型L1计算出来的纵向长度却小于原长,与事实不符;当发生示例2的情况时,真实的纵向长度大于原长,而模型L1计算出来的数值却等于原长。这两种情况导致在纵向拉伸长度大于原长(即纵向应变大于零)的情况时,弹性力计算发生为零甚至为负的错误情况发生[21]。而绳单元的假设是只受拉不受压,弹性力是不能为负的。

因此,需要依据文献[21]中改进的弹性力计算模型来建立柔性绳索体准确、合适的刚度矩阵,用以更加真实地描述物体的变形过程。

2.3.1 纵向拉伸变形弹性力及刚度矩阵

绳单元被认为各向同性,因此其与纵向拉伸变形相关的应变能可以表示为

式(10)中εl代表纵向拉伸应变,下标l代表纵向Longitudinal的英文首字母,E代表单元弹性模量,A代表单元横截面积。

纵向拉伸应变εl表达式为

变形后单元真实的纵向长度为ls可以沿着绳单元中心线,对微元弧长进行积分得到

微元的弧长可以表示成单元位置梯度矢量的函数

式(13)中下标x代表单元上任一点的位置矢量r对物质坐标x的导数,即单元位置梯度矢量

取f(x)=eTSxTSxe-1,并将式(13)代入式(12)中可得

对项进行级数展开

略去高阶项,只取前两项,并带入式(15),引入f(x)=eTSxTSxe-1可得

式(17)中的积分项是常数项,可以在迭代计算开始前进行预先计算,然后每次迭代时可以调用,提高了计算效率。将式(17)代入式(11)就可以实时计算当前构型的纵向拉伸应变,进而计算相应弹性力和刚度矩阵。并且能更精确地计算绳单元纵向拉伸应变,也为总体运动方程的求解带来便利,可以以更少的单元、更大的步长进行数值计算,并且计算也较容易收敛。详细数值算例可参见文献[21]。

与纵向拉伸变形相关的弹性力表达式为

相应刚度矩阵表达式

2.3.2 弯曲变形弹性力及刚度矩阵

类似地,与弯曲变形相关的应变能可以表示为

式(20)中κ代表当前构型单元圆弧的曲率,下标t代表横向Transverse的英文首字母,E代表单元弹性模量,I代表单元截面惯性矩。

在建模中,假设绳单元纵向变形为小变形,则曲率的表达式为

式(21)中双下标xx代表单元上任一点的位置矢量r对物质坐标x的二阶导数。

与弯曲变形相关的弹性力表达式为

相应的刚度矩阵表达式

2.3.3 绳单元总体弹性力及刚度矩阵

根据式(18)、式(19)、式(22)和式(23)可得绳单元总应变能表达式

单元总弹性力

单元总刚度矩阵

2.4 动力学方程及数值算法

2.4.1 运动方程

根据第一类拉格朗日方程,建立柔性绳索体的运动方程如下

式(27)中C(e,t)表示约束方程。

将运动方程表示为矩阵形式

式(28)中λ为拉格朗日乘子,Ce为约束方程雅克比矩阵,R为约束方程对自变量的二阶偏导数,其表达式为

2.4.2 数值解法

方程(27)属于多体系统的微分-代数方程(DAE),对于此类方程传统的数值求解方法像Baumgarte法,Newmark法,HHT法和广义α法等,并且一些算法需要合理地选择算法参数才可以保证计算收敛,提高计算效率。但当求解长时间历程的非线性动力学问题时,传统方法可能会变得不稳定,产生数值耗散[16]。对于这一问题,Bathe[22,23,24]提出的一种适用于长时间历程非线性动力学问题求解的方法,并借鉴Tian Q等人[25]将Bathe法应用于微分代数方程求解的策略,对方程(27)进行求解。文献[25]中对于每一步长h的迭代分成了两步,即先对[0,h/2]区间进行迭代,再对区间[h/2,h]进行二次迭代。但在实际计算中发现只对[0,h]区间进行一次迭代同样可以得到理想结果,并且还可以简化计算步骤。求解之前需要对运动方程进行一定的处理,可提高数值求解的收敛性,详见文献[16,25]。

其次,多体动力学研究的对象一般具有一定的规模,并且运动方程中包含多个构件的运动信息。同时,质量矩阵和刚度矩阵属于大型稀疏矩阵,采用直接解法,如高斯消元法,求解费时费力,缺乏计算高效性,一般采用迭代法来进行求解。式(28)的系数矩阵属于非对称大型稀疏矩阵,其不对称性又为计算带来了不便,因此需要寻找一种高效的算法来处理非对称大型稀疏方程组。对于系数矩阵是非对称大型稀疏矩阵时的方程组求解,最普遍采用的是GMRES方法,它是求解大型非对称稀疏矩阵问题最常用的方法,也通常被称为是“最优”的方法[26]。此外,大型稀疏矩阵的存储同样也会影响到数值求解的速度。本文算例皆利用MATLAB语言进行编程计算,对于稀疏矩阵的存储,利用MATLAB内置命令sparse来存储质量矩阵和刚度矩阵,可以有效地减小占用内存,提高调用效率;对于方程组(28)的求解,采用Bathe积分策略和MATLAB内置函数gmres联合的方法进行计算。

3 数值算例

3.1 悬臂梁自由“钟摆”

为了验证建模、计算方法的正确性,先利用绳单元建立二维的悬臂梁模型。悬臂梁基本参数如表1所示。

悬臂梁自由“钟摆”仿真结果如图3、图4所示。其中图3表示了不同时刻下,悬臂梁的当前构型,可以看出10个绳单元组成的悬臂梁能较好地反映其弯曲变形和位置变化;图4分别对3个、4个、6个、10个、15个和20个绳单元组成的悬臂梁自由端在摆动过程中垂直位置变化情况进行了对比,这六组仿真都是在同一时间步长(千分之一秒)下进行计算的。通过对比可以得出,在0.5 s之前,悬臂梁由最高位置荡到最低位置附近,不同数量单元组成的悬臂梁自由端位移变化比较近似;而在0.5 s之后,悬臂梁由最低位置向上摆动,不同单元数带来了结果的不同。分析其规律:当单元数大于等于10时,计算结果趋于一致,也就是说10个单元及以上已经能满足计算精度要求,且10个单元方案占用内存小,计算时间少,是最优的单元数量选择方案。这一结果可以为接下来的柔性绳索体建模提供依据。

3.2 柔性网体

在悬臂梁算例的基础上,不改变材料参数,建立一张10×4的柔性网体模型,纵向带间距0.33 m,用以探究绝对节点坐标法建立柔性网体模型的过程。仿真条件依然是将物体悬挂然后自由下落摆动,观察其各单元、节点的位置变化情况。计算结果如图5所示。

图5表示一张悬挂于平面x=11 m和平面y=2m相交轴上的柔性网从0~4 s的摆动过程。

图6表示悬挂点连接的单元纵向拉伸应变随时间变化的情况。因为除y方向的重力作用外,其余方向并未施加外力,所以四个连接单元上的应变变化均相同,此处只以其中一个单元作为示例。图7表示了网体最下端节点的垂直位置随时间变化的情况,同样也是取下端四点中一点作为示例。综合图6和图7可以看出,在1.25 s之前,网体从参考构型位置开始下落直至最低点处,悬挂单元上的应变变化缓慢上升至0.06附近;1.25 s之后,网体开始从垂直位置最低点向上回荡,单元上应变开始剧烈震荡,直至3.75 s时,网体再度回到垂直位置最低点;此后,纵向拉伸应变急剧减小。若继续计算,网体上悬挂单元拉伸应变和下端点垂直位置以同样规律周而复始地变化,直至网体最终停止运动。

图6悬挂点连接单元的纵向拉伸应变变化Fig.6 Change of axial strain on the element jointed to the hitch point

4 结论

仿真节点论文第6篇

仿真是通过对系统模型的实验来研究存在或设计中的系统, 又称模拟[1]。基于Vehicle Spy3的ABS节点仿真是用汽车检测软件Vehicle Spy3来代替实验台上的ABS从而实现报文的仿真收发与分析。

1 仿真实验数据采集

1.1 实验条件

本实验采用的试验车为迈腾1.8L排量2012款轿车。实验设备为美国英特佩斯公司推出的Vehicle Spy3与相应硬件Noe VI fi re组成的汽车测试系统。

1.2 实验数据采集

在迈腾实验车上换上实验用的电子驻车制动系统与ABS, 在EPB端接出引线连接汽车测试系统Vehicle Spy3, 在不同工况下采集EPB与ABS之间的实验数据信息:如按下抬起P键与AH键、刹车与开关车门, 进行记录并保存。

1.3 实验测试数据

电子驻车制动系统与ABS之间的数据通信是在专用CAN网络上实现的, 故只需用汽车测试系统测试记录专用CAN网络上的数据报文信号 (图1) 。

2 实验数据分析

2.1 实验数据分包

在试验车上测试的数据为ABS与EPB之间的报文, 但并不能确定发送与接收的方向。在实验室搭建汽车ABS-EPB系统仿真平台, 用以对实验数据进行分包分析。

依照实际汽车系统搭建仿真实验平台进行分包实验分析。在实验平台上断开ABS与EPB之间的连接, 用汽车测试系统测量ABS端并记录, 得到ABS发出的数据信号, 另外用汽车测试系统测量EPB端并记录, 得到EPB发出的数据信号。分析得出ABS向EPB方向发出报文数据ID为:1A0、1AC、1C1、2F0、3C1、4A0、4A8、4C1, EPB向ABS方向发出报文数据ID为:188、189、1C0、3C0、4C0、5C0。

2.2 数据分析

根据实车测试数据与实验台测试数据对比测试实验录像, 分析试验车每个动作执行时所对应的报文变化。每条报文信号有8个字节, 每个字节代表不同的信号含义。如在进行刹车实验时, ID为1A0的报文第6字节根据刹车动作在相对应变化, 其余字节规律变化或无变化, 这样就可以猜测第6字节代表刹车信号。如表1所示。

通过这种方法分别对安全带信号、档位信号、车门信号、自动驻车信号进行分析, 明确各种信号对应的报文ID及字节, 使仿真过程的实现有数据保障。

3 实验仿真

3.1 编辑通信协议数据库

根据分析出的每条报文信号的特征如:ID、波特率、周期、报文长度及变化率等信息在仿真测试软件上编辑DBC文件。在仿真软件上运行实验测试数据, 打开Messages编辑界面并选则需要仿真的报文信号, 将仿真报文添加到Message Editor界面的Receive栏或者Transmit栏中。在Messages Editor数据编辑界面, 选定报文, 编辑报文的名称、数据类型等信息。在设置界面中编辑报文的数据类型、格式、单位、位置等[2]。完成编辑后, 保存DBC文件。这个DBC文件包含了本次实验ABS与EPB之间的所有数据信息, 即仿真协议数据库。

3.2 ABS节点仿真过程

在仿真软件中创建一个新的开发平台, 在建立的平台上加载编辑的协议数据库DBC文件, 可以查看仿真实验中报文信号各个节点的定义情况, 如报文中的信号类型、信号计算公式、绑定的字节与各字节含义等信息。

然后在软件上打开发送区TX panel, 把需要模拟的节点复制到发送区上, 设置模拟节点的数据类型、绑定函数、周期与变化规律等信息 (图2) 。

在软件的功能模块上添加编写各模拟节点的接收与发送程序脚本, 使模拟的节点可以按照实验测试数据进行传输。最终通过Manual手动发送模拟节点的message或者通过多个程序控制节点的收发流程, 运算等, 实现对节点或者整个网络的模拟。

4 总结

本文通过实验测试得到数据后进行了节点仿真方法的分析, 简单的介绍了应用Vehicle Spy3对ABS节点仿真的过程。通过对ABS的节点仿真可以更好的对电子驻车制动系统与汽车ABS系统之间的通信方式进行研究, 为对整个汽车网络系统的研究做好数据基础。

摘要：近年来电子驻车制动系统在汽车领域中得到广泛应用, 对其的研究越来越重要。基于对电子驻车制动系统的研究, 应用汽车网络通信测试软件Vehicle Spy3对与其进行数据通信的防抱死系统ABS进行分析仿真实验, 仿真模拟汽车ABS节点与电子驻车制动系统之间的通信关系, 分析系统的数据通信模式, 进而更深一步的对电子驻车制动系统以及ABS系统进行研究。

关键词：电子驻车制动系统,防抱死系统ABS,Vehicle Spy3,仿真实验

参考文献

[1]仿真技术及其应用[J].北京科技大学.

仿真节点论文第7篇

AOS[1]是一种先进的空间数据通信系统体制标准,它通过建立统一格式的数据流,利用一个信道来传输各种不同的信息。AOS卫星中转节点是多点仿真系统中的一个独立的节点,它按照AOS系统中的协议标准对上一级卫星节点发送过来的数据进行处理,之后,再把处理完的数据转发至下一个卫星节点。AOS卫星中转节点实现了数据的接收、处理和转发的功能。本仿真系统将卫星中转节点分成了数据接收、数据处理和数据传送三个模块。

2 AOS卫星中转节点模块设计

数据接收模块:用于接收上一级卫星节点发送过来的数据,两者的通信接口通过Socket来完成。通信协议采用了无连接的UDP协议具体处理过程:建立套接字Socket S=Socket();利用Bind()绑定端口号调用Recvfrom()接收上一级卫星发送过来的数据,在接收到数据之前Recvfrom()一直处于阻塞状态。UDP协议的通信流程框图如图1所示

数据处理模块:此模块包括信源数据恢复成员和信源数据再处理成员,其中信源数据恢复成员是用来恢复上一级卫星发送过来的信源数据,而信源数据再处理成员刚好是反过程,即对恢复出来的数据再次按照AOS的协议进行封装和添加帧同步处理,之后,传送至下一个卫星节点。

数据传送模块:数据传送模块是将本卫星节点处理完的数据中转至下一个卫星节点。通信接口同样是采用Socket来完成,此模块是用来发送数据,故基本流程如图1中的客户机模式。首先,通过调用Socket()函数创建套接字,然后调用Sendto()函数将待发送的数据发送至下一个卫星节点。

3 AOS卫星中转节点模块仿真实现

基于上述原理,借助Visual C++[3],本仿真系统选用了文本和图像信源,进行了本次实验,结果如下:

3.1 数据接收模块仿真图如图2所示

点击图2中的开始接收按钮,接收上一级卫星节点发送过来的数据,并把接收过来的数据放于本地的文件之中,信息部分显示了接收过来的文本和图片文件存放的路径信息。

3.2 数据处理模块和数据传送模块的仿真图如图3所示

点击信源数据恢复部分的两个按钮,可分别将文本数据和图像数据恢复成原始信源;之后,点击信源数据处理部分的两个按钮,可将上一个步骤恢复出来的信源按AOS协议的格式封装成帧,并加入帧同步头;最后,点击开始发送按钮,将添加完帧同步头的数据发送至下一个卫星节点。

经过实验仿真验证,AOS卫星中转节点可以成功的实现对文本和图像信源的接收、处理以及发送功能。

参考文献

[1]田野,张子敬,张艳琴.AOS协议中自适应帧生成算法的研究[J].宇航学报,2011,32(5):1171-1178.

[2]肖俊宇,吴为胜.由浅入深学C++[M].北京:电子工业出版社,2011,7.