技术及模拟论文

技术及模拟论文（精选12篇）

技术及模拟论文 第1篇

为了使化工生产实现科学化管理,人们利用数学和物理模拟对生产过程进行模仿。其中,数学模拟综合应用了热力学方法、化学反应、单元操作原理等方面的内容,通过计算机来创建仿真的化工过程数学模型,同时展开物流平衡计算、能量平衡计算、相平衡计算等,对化工生产过程的性能进行模拟,实现最优化的生产过程。物理模拟需要借助实验装置来展开,因此需要投入大量的资金,而且相较于实际生产装置,实验装置偏小,所以许多参数都会发生一定的变化,模拟的真实性得不到保证。这种模拟技术经过几十年的发展,目前已经成为化工企业普遍采用的一种手段。

化工流程模拟技术经历了三代发展,20世纪60年代初,Flexible Flowsheet系统横空出世,第一个化工流程模拟软件在国际市场中大放光彩,该模拟系统采用的是直接迭代求解法,通过描述工艺流程实现流程模拟。该系统单元操作模块较少,功能有限。

20世纪60年代末至70年代中期,第二代流程模拟程序应运而生,主要代表是Flowtran,该模拟程序具有物性数据丰富、计算容易收敛的特点。第二代流程模拟程序采用的是固定的流程结果,导致物流数和组分数都受到限制,在一定程度上阻碍了流程软件的再次开发。

20世纪80年代,第三代流程模拟系统被开发出来,其中杰出代表有ProⅡ,Aspenplus。第三代流程模拟软件采用的是开式结构,各个单元操作模块能够进行自由组合,实现新工艺生产模拟。同时采用了多任务窗口、表单式输入、二次开发接口等,为流程模拟应用提供了方便。

流程模拟软件在开发过程中取得了巨大的进步,逐步投入到化工生产控制以及流程设计中。20世纪90年代中期,Hypprotech公司开发了动态模拟软件Hysys,该软件同时具备了动态模拟和稳定模拟的功能,而且这2种模式可以自由转换,被广泛应用于石油工业中。

2 化工流程模拟技术的实际应用

化工流程模拟技术能够对生产过程中产生的技术难题进行判断,通过评价流程环境友好特性,来辨别生产工艺的优劣。而且化工企业还可以利用化工流程模拟技术对各种控制方案进行比较,对工艺流程、化工设计等进行改进,为提升生产效率提供理论依据。其中,流程模拟技术在生产实践中的应用具体包括以下几点:

(1)改造工艺。在化工工艺设计中,技术人员首先需要借助相关的流程模拟软件对各种工艺设计和装置设计方案进行对比。流程模拟软件能够为各工艺参数提供参考,便于技术人员明确单元设备的设计参数。此外,借助化工流程模拟软件还能及时将设计中出现的各种问题挖掘出来,并提出建设性意见,不仅缩短了设计时间,而且为设计准确性的提高做出了重要的贡献。

(2)改造技术。利用流程模拟系统,能够对生产操作进行优化,为改造装置技术提供可靠的依据。国内有学者利用流程模拟优化技术对某催化裂化装置进行优化计算后,制定了新的操作方法,发现该操作方法能够使装置柴油收率提升5%左右,提升了经济效益。

(3)诊断故障。现阶段,化工企业均希望采取一定的手段来获取最大化的经济效益,这就要求化工企业降低能源消耗,实现增产增效的标准。此外,化工生产还必须实现环境友好的目标,排放必须要满足环保的相关要求。大量的实验结果表明,小试开发流程和中试开发流程需要投入大量的资金,而且所需的时间较长,利用化工流程模拟技术能够在较短时间内对各种工况下的运行情况进行模拟,帮助企业管理者选出最佳的工艺条件。在具体生产实践中,就可以利用生产信息对其进行模拟,实现流程模拟条件实时选择的目的。对流程模拟结果进行优化能够在一定程度上实现控制机理模型的优化作用。

(4)指导开停车。各种管路连接的庞大设备共同构成了化工连续生产系统,从开车到稳定生产状态需要花费大量的时间,在该过程中会产生大量的次品或者废物。比如,一般情况下,精馏塔从开车到稳定状态至少需要几个小时,在开车过程中,如果工作人员操作不协调,那么就有可能引发安全事故。化工企业借助流程模拟软件,能够在模拟环境下进行开停车训练,在一定程度上降低了生产风险。

(5)仿真培训。化工企业新引进的员工都没有实际的操作经验,如果直接参与生产过程,那么必定会出现大量的不合格的产品,导致停车现象的发生,更甚者引发爆炸等安全事故。所以化工企业应该创建动态模拟系统,让学员首先在模拟环境下学习生产操作方法,逐步掌握过程控制规律。而且学生在模拟环境中,还能学习开车、停车等过程。动态模拟系统能够让学员在较短时间内了解整个工艺流程,在付出最小成本的基础上获得第一手操作经验,为成为合格员工奠定坚实的基础。

3 优化化工流程模拟技术的几点建议

同所有的新科学技术一样,化工流程模拟技术并不是万能的,化工人员必须要充分认识化工流程模拟技术的优势与劣势,使其为化工企业提供更加优质的服务。近些年,计算机技术发展迅速,其为流程模拟工作开辟了更加广阔的空间。为了将化工流程模拟技术的效用充分发挥出来,笔者认为应该从以下几个方面着手:首先,在应用化工流程模拟技术的同时,相关技术人员还应该对化工流程系统进行开发。化工流程模拟系统涉及的范围较广,某些单元操作的模拟结果不够深入,因此技术人员可以针对特定模拟结果来研发化工流程模拟系统。我国许多大型企业为了进一步提升经济效益,从国外购买通用的化工流程模拟软件,然后对其进行开发,使其成为与本企业实际情况相符的化工模拟软件。其次,将稳态模拟技术与动态模拟技术有机结合在一起。在化工流程模拟系统中,部分软件不仅具有稳态模拟的作用,而且还能够发挥动态模拟的功用,将离线分析与在线调优合并起来。再次,化工流程模拟技术应该应用先进的计算机技术,使其逐步向集成化过程系统发展,即使稳态模拟软件与其他化工流程工程软件实现集成化目标。其中,集成化系统包括了研究开发、过程设计、过程控制、决策支持、在线优化等所有的工程活动范围。最后,在化工流程模拟系统中引进人工智能。化学工程科学、人工智能、系统科学互相结合共同生成了智能流程工程,进一步丰富了化工过程设计、合成、建模、管理的理论与方法。

4 结语

近些年,计算机技术飞速发展,化工流程模拟技术在该背景下将会得到更快的发展。将化工流程技术与相关的高新技术结合在一起,能够进一步提升化工企业的经济效益,这也是化工企业提升竞争力的一种重要手段。

当前,我国化工企业逐步向大型化、连续化、集中化发展,在发展过程中,对生产质量和环境保护提出了更高的要求,尤其是当前自然资源日益短缺,各大化工企业亟待解决的问题就是采用何种方法使生产过程实现最优化目标,全面提升生产效率。各大化工企业为了节能降耗,将目光聚焦在化工流程模拟技术上,这在一定程度上提升了企业的竞争力。此外,针对国内具有自主知识产权的流程模拟系统软件,技术人员应该投身于开发事业中,对其商品化程度不断进行完善,改变国外流程模拟技术的垄断局面。促进我国化工信息技术可持续发展。

参考文献

[1]蒋凌波,王国栋,于庆昌.化工流程模拟技术的应用研究[J].工业技术经济,1992(3):65-67.

[2]冯权莉.通用化工流程模拟技术进展与应用[J].云南工业大学学报,1996(1):52-56.

[3]舟丹.石油化工流程模拟技术的应用[J].中外能源,2011(S1):38.

[4]刘燕萍.流程模拟优化技术在石油化工工业的应用[J].石油炼制与化工,1997(6):48-51.

[5]单自龙.计算机模拟在化工设计中的应用研究[J].化工管理,2015(1):201,216.

训练模拟器总体设计技术及应用 第2篇

训练模拟器总体设计技术及应用

训练模拟器的研制要求的模拟逼真度高,能完成主要操作训练,同时要结构简单、成本低.由于新型武器系统技术含量较高,操作较为复杂,训练模拟器研制周期较短,顶层设计至关重要.本文从总体的角度论述了训练模拟器的`功能、结构、关键技术等设计方面的问题.

作 者：王彤 卢世超 武智晖 作者单位：中国兵器工业系统总体部刊 名：国防技术基础英文刊名：TECHNOLOGY FOUNDATION OF NATIONAL DEFENCE年，卷(期)：“”(4)分类号：关键词：训练模拟器 半实物仿真 总体设计

技术及模拟论文 第3篇

关键词：充型过程；数值模拟；计算方法；验证方法

DOI：10.15938/j.jhust.2016.03.019

中图分类号：TG244 文献标志码：A 文章编号：1007—2683（2016）02—0096—05

0引言

铸造充型过程伴随着复杂的液体流动，易产生铸造缺陷，例如冷隔、浇不足、夹砂、裹气等，而生产人员必须确保铸件的最终尺寸在合理的公差范围内并成功消除缺陷。针对以上问题，研究人员于20世纪60年代开发了能够计算带有自由表面的不可压缩流体的非稳态流动数值方法。充型过程的研究及模拟能够帮助我们通过计算机技术，更加直观的观察铸造过程金属液的流动以及温度的分布情况，对易产生缺陷的位置进行预测，为避免铸件中的缺陷提供有力依据，并帮助技术人员及时更改生产工艺，缩短生产周期。本文对充型过程数值模拟的国内外发展情况做出了相应的概述，并总结了充型过程数值模拟所涉及的相关计算及验证方法，同时对充型过程数值模拟的未来发展进行了展望。

1铸造充型过程数值模拟技术的发展

1.1国外铸造充型过程数值模拟的发展

充型过程数值模拟起源于20世纪80年代。1983年，Hwang W S等将计算流体力学与铸造充型问题相结合，开展了对充型过程数值模拟技术的研究。1984年，Desai P V研究了强制对流对内浇道温度的影响，采用涡函数的方法研究了弱对流与温度场之间的关系。1985年，匹兹堡大学的Wang CM利用改进后SOLA-VOF方法进行铸件充型过程数值模拟，并用高速摄影技术进行验证，模拟结果与实验基本相符合。1988年，Lin H J等将二维SO-LA-VOF方法与传热学结合，预测了扁平压铸件充型时的冷隔问题，从而为压铸件的充型模拟提供相应指导。1991年，Jonsson P分别基于层流、湍流以及两种流态共有的三种状态，模拟了不同状态下金属液在型腔内的充型结果，进一步探讨了金属液流态对充型结果的影响。1992年，Yeh J L等又利用SOLA-VOF方法求解湍流的N-S方程以及带有自由表面的k-6湍流模型，对钢水的流动进行模拟，并用水力模型实验进行对比，结果表现出良好的一致性。1995年，在第七届铸造、焊接和凝固过程模拟大会上，伯明翰大学的Sirrel B等公布了标准实验结果，该标准实验结果作为对充型过程数值模拟结果的参考一直沿用至今。在此次大会上，各研究小组利用各自的模拟软件对铸件充型过程进行模拟，大部分模拟结果都与实体实验接近。1997年，Pan SM利用SOLA-VOF技术及k-ε湍流模型，分析了充型过程中流体和浇包内气体的流动现象，包括速率和气泡的流动迹线，其中气体和液体流动所产生的相互作用也被考虑到其中，该方法与生产实际紧密结合，具有实际应用意义。1998年Jtirgen Neises等将VOF方法进行改进，新算法利用非结构网格来控制单元体积的计算，能够将双曲线方程转换为单支抛物线方程进行求解，减少计算量。该方法已经能够运用到简单铸件的生产及工厂实际应用中。2004年Mirbagheri SMH等基于SOLA-VOF方法开发了一种新的算法，研究传热和传质以及型腔内压力对充型过程的影响，同时分析了金属液对不同铸型型壁的冲击作用。该研究工作利用具有不同颗粒度的模具浇注铝合金，研究不同粗糙度下的液体流动状态及金属液对模具的侵蚀程度。2005年Kashiwai S模拟了铝合金铸件的真空吸铸过程，分析了不同的吸人压力和解压缩率对充型过程的影响，研究表明，较高吸入压力和减压速度，会更容易在充型过程中产生湍流，增大夹渣和卷气的风险，使真空吸铸技术得到进一步发展。2007年Lee D Y等模拟了半固态镁合金的充型过程，对金属液在不同剪切速率和冷却速度下的流变性和触变性进行了研究，同时分析了粘度对充型过程的影响。2011年Korti AIN等利用动量守恒方程和连续性方程求解速度场和压力场，用VOF方法处理自由表面，研究了铝铸件在高压状态下，在水平气缸和型腔中的二维流动过程。2013年Mcbride D等基于离心铸造开发了一种计算模型，该模型能够捕捉到复杂离心铸件充型过程中自由表面的细节，研究气-液两相界面间流体膜所形成的浓缩物，同时利用水力学模拟实验验证模拟结果，并用高速摄像机捕获充型过程。

国外充型过程数值模拟技术发展迅速，体系完善，无论是流体本身的性能研究还是与铸件及铸型的结合，都拥有成熟理论支持和科研平台，并且涉及领域及学科十分广泛，对算法及计算方程的研究深入准确，为国内铸造充型过程数值模拟的发展提供了先进的科学指导和参考价值。

1.2国内铸造充型过程数值模拟的发展

国内充型过程数值模拟起步虽晚但发展迅速，1991年，沈阳铸造研究所的孙逊基于SOLA-VOF方法研制了充型过程流体流速的模拟软件，并在此基础上进一步编制了含有热对流和热扩散的三维传热模拟程序，与球铁铸造工艺相结合，开发了球铁铸造工艺CAD软件，并对球铁铸件进行数值模拟计算，为工厂实际生产进行指导帮助。1994年汪小平等采用SOLA-VOF法模拟了不可压缩连续流体自由表面的流动，开发了适用于复杂薄壁压铸件的流场数值模拟程序。1995年，陈立亮等在原有的EPC充填数学模型的基础上，自主开发三维气化膜充填应用软件，准确地模拟了气化膜铸件成型过程，使国内对气化膜的研究取得进展。1997年，清华大学的邱伟在自由表面的处理上对VOF算法的累积流量误差进行修正，利用共轭梯度法求解离散化迭代方程，并引用k-ε湍流模型，利用物理实验验证改进后的效果。1998年，陈立亮对如何加快铸件流场数值计算速度进行了研究，引入了平均收敛率以及总平均收敛率来分别作为选取动态松弛因子ω和衡量整个计算过程效率的标准。每隔一段时间，程序可以根据收敛率来不断调整松弛因子，使计算的收敛速度不断地提高。2001年，贾良荣等人基于有限差分法建立流动及传热的耦合计算模型，并利用SOLA-VOF算法开发了压铸件充型过程流动及热传分析软件，利用k-～湍流模型对“弓”形型腔的充型过程进行模拟，结合水力模拟实验进行验证，同时采用所开发的软件模拟了复杂压铸件的充型过程，分析了型腔表面的温度变化，提出“瞬态层”概念。同年，吴士平运用SOLA-VOF法求解动量守恒方程和连续性方程，对TiAl基合金的离心铸造充型过程进行数值模拟，并利用石蜡做为充型液体，进行实际浇注，验证模拟结果。2002年清华大学的王罡等人利用计算机群的网格化并行计算环境，对压铸件充型过程进行分析，建立并行搜索模型，通过调整效率参数，同时利用多节点优势，对原有的SO-LA-VOF串行算法进行改进，显著地提高了计算效率。2004年，哈尔滨理工大学的马秋等对镁合金压铸件充型过程进行了数值模拟计算，研究了充型过程的物理场，预测了铸件的缺陷位置，该实验证明了采用闭合式浇注系统充型平稳，温度场分布均匀，卷气和冷隔缺陷较少。2005年，赵海东等在有限差分法的基础上，提出了表面无量纲距离，表面充填比率和体积充填比率，建立充型过程模型，以预测充型过程氧化膜的卷入，并浇注铝合金铸件进行实体实验验证。2010年，张明远等采用Level Set方法追踪充型过程气一液两相流动界面，并利用Projec-tion方法对三维复杂铸件的多相流动过程进行模拟，成功地分析了充型过程中气-液两相流动行为。

国内充型过程数值模拟技术在参考国外先进技术的基础上，在短时间内取得了快速的发展，研究人员逐步依靠自身的科研力量，不断地填补国内充型过程研究的空白，在研究内容上不断深入，在研究方法上不断创新，使在该领域的研究体系日益完善。

2充型过程数值模拟计算方法

2.1 MAC及SMAC算法

MAC技术就是基于有限差分网格，对动量方程的两端进行离散，得到求解压力的泊松方程，并将连续性方程作为压力的约束条件对泊松方程进行变形，通过动量方程和连续性方程的同时迭代，求解相应的压力场和速度场。MAC算法在流体中加入标识粒子，它并不参与计算，而是作为一种跟踪描述的方法来反应流体流动的情况。由于MAC方法需要压力场和速度场同时迭代，并且需要大量的示踪粒子才能较为准确的反应自由表面的移动，这便加大了计算量，使计算速度慢，效率低。为此在MAC算法的基础上又开发了SMAC算法，该方法是将初始压力场代人动量守恒方程离散求解速度场，如果该速度场无法满足连续性方程，则会得到一个势函数，通过势函数得到一个校正速度场，再将校正速度场代人连续性方程进行验证，直到获得收敛的速度场。将成功收敛后的速度场代人动量方程便能够求解最终压力场。可见，SMAC算法只进行了速度场的迭代，所以可大幅度提高运算速度，节省计算空间。

2.2 SIMPLE算法

SIMPLE算法最早由帕坦卡提出，该方法的理论基础是压力场间接地由连续性方程规定，当正确的压力场代人动量方程时，便能得到满足连续性方程的速度场，因此计算速度场的困难在于压力场的迭代，SIMPLE算法的首要步骤便是估计一个可行的压力场。该方法为了找到可行的估计压力值P′，采取了以下步骤：①首先确定正确的压力方程为P=P*+P′，其中P′为压力修正。②基于压力方程的前提，估计一个压力场P*，代入动量方程求得速度分量ν*、μ*、ω*。③求解P′的离散化方程，再利用压力方程确定压力P_④利用速度修正公式计算最终速度分量ν、μ、ω。⑤求解影响流场的其它物理量的离散化方程。⑥将P作为一个新的估计压力场，代入计算第一步骤，进行迭代计算，直到所得压力场和速度场收敛。另外，SIMPLE算法采取基于MAC方法的交错网格处理，避免动量方程和连续性方程将锯齿状压力场和波形速度场处理为均匀压力场和均匀速度场，使迭代结果更加准确。但SIMPLE算法和MAC算法一样，都没能摆脱压力场和速度场同时迭代的方式，这需要同时求解由动量方程和连续性方程所推导的整个离散化方程组，加大了计算量，计算效率较低，并且SIMPLE算法尽管在迭代过程中早就得到正确的速度场，但压力场却很可能需要多次迭代后才会收敛从而得到正确的解。因此，帕坦卡等提出了改进的SIMPLE法即SIMPLER算法，该方法认为，如果只用压力修正方程来修正速度场，而由其它途径来获得修正的压力场，则会加快计算速度。在推导压力方程时，没有做任何假设，而是让正确的速度场参与运算，压力方程便会得到正确的压力场。SIMPLER算法可以立刻得到收敛的解，由压力修正方程得到合理的速度场。但SIMPLER算法在单次迭代中的计算量要大于SIMPLE算法，因为其在求解SIMPLE方法中所有的方程外，还要计算压力方程，不过由于迭代次数低于SIMPLE算法，所以整体的计算时间和计算效率要优于前者。

2.3 SOLA-VOF算法

该方法的独到之处在于其将SOLA方法和VOF方法相结合，利用SOLA方法求解动量方程和连续性方程，用VOF方法处理流体自由表面。在铸件充型过程中，液态金属是不可压缩的流体，其流动过程服从质量守恒和动量守恒，其数学形式就是连续性方程和动量守恒方程即N-S方程。在用SOLA-VOF方法求解动量方程和连续性方程时，同样先将当前的压力和速度场代人动量守恒方程，如果所得的速度场没有满足连续性方程，则通过改变压力值得到新的试算速度，并将新的试算速度代入连续性方程进行验证。由于每一个计算单元的校正压力直接由连续性方程算出的速度求出，然后校正速度场，所以只需对速度场进行迭代计算，便可同时得到正确的压力场和速度场，提高了计算效率。对于自由表面的处理，VOF法定义一个体积函数F，用于表示一个流体单元内液体的体积含量。当一个流体单元充满液体时，F值为1，F值为0时表示该流体单元没有液体，当0

2.4格子气方法

格子气方法又称离散粒子技术，它是指大量的微观个体按照一定的规律集合在一起便表现出高度的有序性，这决定了其组成的宏观物理系统具有复杂性质。这样便可以认为流体是由大量微观个体所组成，这些离子在网格空间内按照一定规律相互作用或移动，宏观上表现为流体的运动，任一个体有质量无体积，只能在网格点上存在，并沿着网格线在网格间运动，在同一时刻同一点上，沿着每一网格的运动方向最多只有一个粒子。粒子运动的方法是先让某一个分子按其速度矢量的指向移动一格，走到最邻近的格点。如果有两个分子以相对方向，同时向一个网格节点运动即发生碰撞，则由这两个分子组成的位形之间的角度要换成直角，而其它位形保持不变。利用格子气方法所构造的格子气自动机，可转变为不可压缩流体的二维和三维的动量方程，不仅是速度，在时间和空间上都是离散的，格子气模型与非线性的N-S方程有3方面差异：1）缺乏伽利略不变形；2）缺乏各向同性；3）维度交叉问题。格子气方法主要优点是算法稳定，边界条件易处理，对于单一节点的计算只涉及若干与其相邻的节点，可以进行并行计算。格子气方法的计算速度比传统方法快至少1000倍以上，在未来的模拟实验中存在相当大的发展空间。

3对于充型过程数值模拟结果的常用验证方法

3.1直接验证法

最常用的方法便是根据要求设计实验，浇注实体铸件，对充型过程可能产生的缺陷进行分析研究，与模拟结果进行对比，这种方法一般适用于中小型铸件，对于大型铸件，由于其体积大，浇注过程极为不易控制，并且每一次实际生产都会花费大量人力物力且无法保证铸件质量，所以对于大型铸件的充型模拟过程不宜采取这种方法。

3.2水力模拟实验

水力模拟实验是最常用的方法之一，成本较低且易于控制。该验证方法主要是用透明有机玻璃制成铸型型腔，以水代替金属液充入型腔，并用高速摄像机拍摄充型过程。但是由于液态水和液态金属的流动性存在一定差异，为此，也可以使用低熔点有机材料代替水进行模拟例如石蜡，同样取得了较好的效果。

3.3 X射线的应用

在充型过程中可以用带有一定电压的X射线进行观察，同时结合高速摄像机进行图像记录，这种验证方法所得到的结果准确但操作复杂。

3.4对比验证

充型过程数值模拟的发展已经到达一个较为成熟的阶段，世界许多科研机构也相继推出了可供与模拟结果相对比的标准实验结果，例如伯明翰大学的Sirrel B等公布的标准实验结果。基于这些标准实验结果，可将模拟的实验结果与其进行对比验证。

3.5商业化软件的应用

现在人们常用的商用化模拟软件如MAGMA，ProCAST，Flow-3D等已经发展的相当成熟，其模拟结果的准确性也得到广泛认同，因此对于同一实验可利用多个商业化模拟软件进行模拟，然后对比实验结果进行分析。

4展望

充型过程数值模拟虽然起步较晚，但发展迅速，多种计算方法的应用以及商业化软件的开发都有效的推动了充型过程数值模拟的研究进程。但充型过程较为复杂，涉及到流体力学、传热学、计算学等诸多学科内容，所以对充型过程的模拟研究依然任重而道远。

充型过程数值模拟的常用算法有很多，但都避免不了速度场或压力场的迭代，这就加大了计算量，使计算效率降低，因此应着重开发高精度快速算法，例如利用Projection方法代替SOLA方法求解动量方程，则无需进行速度场和压力场的耦合计算。

对于大型铸件而言，由于其结构复杂，受外界因素影响的程度大，充型过程不易控制，因此大型铸件充型过程的数值模拟往往和实际生产结果存在一定差距，为此需要更加精确的模拟参数以及功能更加全面的商业化软件。

技术及模拟论文 第4篇

回弹的存在造成冲压件的形状、尺寸与设计之间的偏离，直接影响着冲压件的品质，包括表面品质和装配性能等。随着汽车工业和航空工业的发展，对薄板壳类零件成形精度的要求越来越高，特别是近年来由于高强度薄钢板和铝合金板材的大量使用，回弹问题更为突出，成为汽车和飞机等工业领域关注的热点问题[1]。

板料回弹分析的解析法、简单数值法以及经验法只能分析简单的纯弯曲、无约束弯曲、V形弯曲、U形弯曲、拉弯成形及直翻边弯曲成形回弹问题。而对于大型复杂的覆盖件，由于其复杂的边界条件和几何形状，只能借助于数值模拟技术来分析它们的成形回弹问题[2,3]。

每3年一度的NUMISHEET会议，不仅每届都有回弹方面的考题，而且考题数以及论文发表数量也逐年增加。NUMISHEET’99回弹考题为1个，回弹论文比例为11%;NUMISHEET’2002回弹考题为2个，回弹论文比例为16%;而NUMISHEET’2005回弹考题论文比例高达20%。从NUMISHEET’2005年发表的文章来看，板料成形的成形缺陷预测，如起皱、拉裂己比较成熟(≥90%)，但在回弹分析方面，其预测精度仍很低(≤75%)，需取得进一步的发展。所有这一切表明，回弹问题已经成为板料冲压成形领域的难点及重点问题[2,4]。

2 影响回弹模拟精度的主要因素

回弹模拟计算准确程度既受成形过程模拟精度的制约，也与回弹的模拟方法有重要关系。准确性和收敛性一直是回弹数值模拟难以达到满意的主要问题。以下从成形过程模拟和回弹模拟两方面分析影响回弹模拟精度的主要因素，以便寻找减小误差的途径。

2.1 来自成形过程模拟的主要影响因素

由于回弹是成形的最后一步，成形过程模拟中产生的任何误差都会积累到回弹计算阶段，因此，回弹模拟结果的准确性很大程度上取决于成形过程的模拟精度。尤其是流过模具圆角部位材料变形的模拟，不仅接触摩擦最为严重，而且非线性问题最为突出。单元的优劣及尺寸的影响、接触算法及摩擦模型的科学性、本构方程及硬化规律的合理性、有限元算法的先进性等都将在这里受到严格的考验，一直是板料成形数值模拟的重点和难点。因此，有必要对上述因素进行分析研究，寻求提高回弹模拟精度的方法。

(1）单元类型及积分方案的影响

单元类型是影响成形模拟精度的主要因素之一。K.P.Li[5]等讨论了实体单元和壳体单元的选择，建议半径厚度比(R/t)在5或6以上，选用壳单元;在5或6之下，选择实体单元。目前CAE软件常用Mindlin板壳单元，如Belytschko-Tsay壳单元和Hughs-Liu壳单元。

对于回弹模拟而言，成形过程中弯曲应力场的模拟至关重要，为了提高弯曲应力的模拟精度，一个有效的方法是适当地增加材料厚度方向的高斯积分点数。高斯积分点数越多，弯曲应力模拟得越精确。但F.Valente和Li X.P.指出，当高斯积分点数大于9以后，弯曲应力的模拟精度提高很小，相反会显著地增加CPU计算时间。对于壳单元一般取7个高斯积分点为宜[4,6]。

(2）单元尺寸的影响

单元尺寸，尤其是处于模具圆角区域的板料单元尺寸对板料成形数值模拟精度有着直接的影响。Li X.P.[4]和Mattiasson[7]也发现，回弹计算值与单元尺寸成反比关系，单元尺寸越小，计算的回弹量越大;反之，回弹量越小，甚至可能出现反向现象。当单元尺寸为模具圆角半径的1/2时，回弹结果与实验结果最为接近。S.W.Lee[8]等认为圆角部分单元尺寸在圆角半径的0.15～0.2倍比较合适，并指出，相对于接触阻尼参数、罚参数或虚拟冲压速度等参数，单元尺寸对回弹的影响是最大的。

(3）本构方程的影响

板材成形过程中，当材料流过模具圆角时经历严重的弯曲和反弯曲变形，引起塑性加载和卸载现象。在这种情况下，反向加载软化的模拟精度就成为影响回弹模拟精度的主要因素之一。Mattiasson等就等向强化和随动强化模型对回弹的影响进行了比较分析，结果表明，采用随动强化模型所获得的回弹结果更接近于实验值。X.C.Li等[9]比较了采用双线性硬化模型和幂硬化模型时的回弹预测结果，结果表明幂硬化模型计算的回弹结果更准确一些。其次，如果仿真模型中出现反向加载情况时材料会出现包辛格效应，需要采用混合硬化模型。K.P.Li等[5]指出，板料出现反向加载情况，要采用考虑包辛格效应的模型，如运动硬化模型、混合硬化模型等。S.W.Lee等[8]研究结果表明，采用运动硬化比各向同性硬化的回弹计算精度高。

(4）有限元算法的影响

目前模拟板料成形回弹的有限元算法有显式算法、隐式算法和显/隐式相结合的方法。Luc Paperleux[10]应用商业软件OPTRIS，采用显式算法比较了三种不同材料(低碳钢、高强钢和铝合金)的回弹量，并对影响回弹量较大的三个因素(压边力、摩擦系数及时间积分算法)进行了分析。Chuantao Wang[11]在板料回弹预测、测量可靠性及补偿技术研究现状中指出，显/隐式相结合的方法是处理板料成形回弹问题的有效方法。

(5）屈服准则

1948年，Hill仿照Mises屈服准则，提出了Hill’48各向异性屈服准则。由于该屈服准则表达式简单，它的各向异性参数易于采用单向拉伸试验测得，所以被广泛应用于目前的有限元分析软件中。Woodthorpe和Pearce[12]的研究表明，Hill’48各向异性屈服准则在描述r值较大(r>1)板料的各向异性行为比较准确，但不能准确描述r值较小(r<1)的象铝合金板料的屈服行为。1979年，Hill提出了更一般的屈服准则[13]，该屈服准则能通过调整m值，准确的逼近由多晶体Bishop-Hill模型得到的屈服轨迹，因此，能更好地描述r<1板料的变形行为。但它没有剪切分量，所以当主方向与各向异性主轴不重合时，不能表征一般的变形。1989年，Barlat和Lian[14]提出了能较好的描述板料面内各向异性的屈服准则，一般适用于平面应力状态。研究表明Barlat’89各向异性屈服准则能较为合理的描述各向异性较强板料的屈服行为。

此外，摩擦模型也对成形和回弹模拟精度有重要影响。目前，一般采用基于库仑摩擦模型计算摩擦力。为了计算的稳定性，将阶跃变化的摩擦力相对速度曲线修正为按一定规律连续变化的光顺曲线。关于摩擦力的模拟目前仍存在一定困难，进而限制了回弹模拟精度的提高。因此，有必要进行深入的理论和实验研究，寻求更为科学的描述方法。

2.2 来自回弹过程模拟的主要影响因素

（1）卸载路径对回弹模拟精度的影响

一般认为，在回弹模拟过程中，卸载路径的模拟是关键。但A.P.Karafillis和M.C.Boyce[15]指出，对于复杂零件的回弹，反向加载软化仅局限于非常狭窄的曲率半径很小的区域，如零件圆角处。因此，认为将回弹过程按弹性问题处理不会造成大的影响。许多研究结果表明[16]，采用不同的变形路径分析回弹问题所得到的计算结果几乎完全一样。M.J.Finn等[17]以无模法为基础，忽略回弹的非线性，采用一步直接卸载法模拟了U型件、方形浅盒和汽车挡泥板的回弹，计算效率高，但该法仅适用于回弹量较小的情况。对于回弹量较大、非线性不可忽视的问题，还需采用迭代的方法进行模拟。

(2）刚度阵求解算法对回弹模拟精度的影响

许多大的商用板料成形有限元模拟软件，如PAM-STAMP等，在成形过程模拟阶段采用动态显式有限元算法，而在回弹模拟阶段却采用静态隐式算法。采用静态隐式有限元方法模拟回弹，实质上是一种牺牲计算效率以保证计算精度的措施。为了提高回弹的计算效率，许多人致力于刚度阵求解的算法研究。PCG算法[18]作为一种新的静态隐式有限元刚度阵的求解方法受到了有限元开发人员的欢迎。总之，目前较成功的回弹计算仍停留于较简单零件的回弹模拟阶段。

3 回弹模拟及补偿技术国内外发展现状

早期的工作主要基于解析法对一些简单零件纯弯曲或拉弯成形的回弹进行分析。Mai Huang和James C.Gerdeen总结了1994年以前板料成形回弹问题的研究状况，分析了双曲度可展曲面零件的回弹规律，并介绍了大约90篇参考文献。从上世纪70年代起，有限元分析方法开始应用于板料成形领域。20世纪80年代，回弹的有限元数值模拟研究大多集中在2D弯曲成形问题。进入20世纪90年代，随着3D成形数值模拟技术的不断完善，有学者开始对3D复杂成形件进行回弹数值模拟研究，如：为提高回弹计算的精度，需准确的描述板料的应力状态。对此Xia[19]等采用混合实体/壳单元计算翻边过程的回弹，在翻边半径周围采用三维实体单元以改进应力状态的计算精度。Song[20]采用实体单元、壳单元及无网格法计算直翻边过程的回弹量，结果表明实体单元和无网格方法的应力计算精度高于壳单元。近几年另一个研究重点是对影响回弹量主要因素的研究及回弹控制研究。Mattiasson[21]分析了不同的有限元网格、不同的材料模型、动态效应等对U型件拉深回弹的影响，得到了一些对回弹量计算具有指导意义的结论。LiGY[22]将有限元分析和正交回归设计方法相结合，为回弹预测及控制提供了工程手段。Ruffini和Cao[23]将神经网络理论应用于槽型件的回弹控制，将在线识别的冲头行程—冲压力曲线参数作为人工神经网络的输入，以此来识别材料参数和工艺参数，输出控制压边力以减小回弹。Wu和Karafillis[24]等人研究了回弹量的模具补偿方法，其基本思想是基于有限元仿真，通过迭代算法对模具形状进行不断修正，使得最后成形的零件在回弹后恰好满足设计形状要求。如果冲压成形和回弹模拟精度能够得到保证，这些回弹控制方法都能取得较满意的结果。

国内外学者在数值模拟技术的材料模型、求解算法、求解过程、单元技术等方面进行了大量的研究，也取得了一定的进展[2,4,8,11,12,25]。

3.1 材料模型方面的研究

目前的板料冲压成形数值模拟软件(DY-NAFORM,LSDYNA,PAMSTAMP,AUTOFORM等)一般采用弹塑性材料模型，它包括屈服准则的选取、塑性硬化规则的确定。

近年来，Barlat等人提出了一系列更准确的反映板料面内各向异性的新屈服准则，如Barlat’91、Barlat’97和Barlat’2003，但由于这些屈服准则不仅表达式复杂，还需更多参数以及更多的试验来确定这些参数，因而没有得到广泛应用。目前，有限元软件中较为广泛应用的还是Hill’48和Barlat’89各向异性屈服准则。

Prager’s线性随动强化理论无法描述平面应力状态后继屈服面的移动。Zeigler改进了Prager’s线性随动强化模型，该模型虽能描述任何应力状态，但它认为反向加载材料曲线形状完全相同于正向加载，不能准确反应复杂加载情况下材料的应力应变关系，而且线性随动强化只是用一个线性随动常数粗略的反映板料的包申格效应特性。很多学者(Drucher and Palgen,Dafalias,Lemaitre and Chaboc he)通过板料循环单向拉伸—压缩试验发现，板料在复杂加载情况下的硬化行为呈现出非线性的应力应变关系。

3.2 求解算法

Gang Liu采用显/隐式相结合的方法对NU-MISHEET’93板料U形弯曲考题进行了成形回弹模拟。M.J.Finn采用LS-DYNA和LS-NIKE3D商业软件中的显/隐式算法，模拟了福特公司某轿车前翼子板的成形回弹过程。Li Dayong利用DYNAFORM软件，采用显/隐式算法，分析了材料参数对板料回弹量的影响。陈喜娣采用显/隐式算法，对多点成形中的圆柱面、球面及马鞍面弯曲回弹进行有限元模拟。因显式算法每增量步无需迭代，每步计算只能近似满足变形体的控制方程，导致板料回弹预测精度低。隐式算法虽具有计算精度高的特点，但在模拟板料成形非线性问题时，因计算难以收敛而使模拟无法顺利进行。因此，改进现有的有限元模拟板料成形回弹算法，是有限元发展的重要方向。

3.3 求解过程

回弹一般采用两种求解方法：一种为无模法，它将回弹看作是弹性变形过程，采用增量法求解。在计算开始之前，将模具与零件分离，代之以与成形结束接触条件相对应的反向力学边界条件，然后进行迭代计算直至接触力为零。另一种方法为有模法，它能模拟实际回弹过程，回弹的计算类似于成形计算，但模具运动方向相反。当板料上所有节点与模具脱离时，即认为回弹结束。采用有模法时，因仍有接触计算，计算时间比无模法长。因无模法计算效率较高，目前大部分板料成形数值模拟软件(DYNAFORM、LS_DYNA、PAM_STAMP)均采用无模法分析板料回弹问题。

3.4 单元技术

近年来，Büchter N和Sansour C等人提出了一种全新的壳单元———七参数壳单元，每个节点需7个自由度，考虑了壳单元厚度方向上的应力应变。H.Parisch、Hauptman等人结合壳单元和实体单元的优点提出了另一种壳单元———固壳单元，该单元突破了传统壳单元的限制，考虑了壳单元厚度方向的应力和应变，不含转动自由度，这给处理实际问题带来了很大的方便，特别是大变形分析问题。由于固壳单元和7参数壳单元在板料成形非线性分析中存在体积锁死和横向剪切锁死问题，一般采用增强假设应变方法、假设自然应变方法、选择缩减积分方法或联合采用这三种方法中的两种来解决体积锁死和剪切锁死问题，增加了编程难度和数值模拟计算时间，有待于进一步的研究。

3.5 回弹补偿算法

除了回弹预测之外，补偿算法也是回弹补偿研究的一个重点。结合有限元模拟技术和实验等其他手段，近年来出现了很多补偿算法。Karafillis和Wu采用FDM方法，通过施加和成形后内力反向的力来计算模具型面的补偿量，该方法在经过2～3次迭代之后，可以减小反弹误差90%以上。Wagoner等提出了DA方法，通过给模具型面施加一个和回弹方向相反的位移对模具型面进行补偿。Cheng等总结了上述两种方法，结合几何修正和回弹计算，提出了一种加速的回弹补偿算法，可以取得更快的收敛速度。由于目前在回弹预测的准确性方面还存在问题，一些研究人员采用实验的方法获得回弹数据进行迭代修正。这方面比较有代表性的是DTF方法，该方法通过寻找实验模具形状和零件形状之间的传递函数来计算模具的补偿型面。A.P.Karafillis和M.C.Boyce提出两种基于有限元模拟技术的回弹补偿计算方案———应力场迭代分离法(ITEA)和应力场外推归纳法(ETEA)，均以迭代法为基础。

4 结论

板料成形有限元模拟的回弹模拟及回弹补偿技术虽然得到了人们的高度重视，但回弹模拟及补偿技术仍然是数值模拟中的一个薄弱环节，需要继续进一步的研究。此外，仅仅使用数值模拟的方法还不能较好地解决回弹计算和控制问题，配套的试验及工业应用验证也应该是必不可少的研究手段。这对于制定合理的冲压工艺方案，并在模具设计过程中，考虑回弹的关键因素，以便修正模具尺寸，补偿回弹误差，具有重要的实际意义。

摘要：板料冲压成形过程中的回弹是卸载过程产生的反向弹性变形,是一种普遍存在的物理现象。目前,越来越多的商业化CAE软件实现了金属薄板冲压成形过程中的回弹模拟,但是回弹模拟精度仍然是数值模拟的难点。本文详细分析了影响回弹模拟精度的主要因素,总结了回弹模拟及补偿技术国内外发展现状。这对制定合理的冲压工艺方案,并在模具设计过程中,考虑回弹的关键因素,以便修正模具尺寸,补偿回弹误差,具有重要的实际意义。

技术及模拟论文 第5篇

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2014年青海教师招聘考试《信息技术》模拟试题及答案

一.填空题1.义务教育阶段信息技术教育内容分为()和()。

2.小学信息技术初步模块内容安排有：了解信息技术基本工具的作用、了解计算机各个部件的作用、掌握键盘和鼠标器的基本操作、认识多媒体、了解计算机在其他学科学习中的一些应用和()。

3.小学网络的简单应用模块内容安排有：学会用浏览器收集材料和()。

4.课时安排：小学阶段信息技术课程，不少于()学时，建议102学时;上机课时不少于总学时的()。

5.信息技术课中设计的任务主要以()和()或实践活动为主。

6.信息技术课程的总体目标是()。课程的三维培养目标是()、()、()。7.教学评价必须以()为依据，本着对发展()和()有利的原则进行。

8.课程教学内容：小学阶段分为模块一()、模块二()、模块三()、模块四()、模块五()、模块六()、模块七()。

9.评价的方式要灵活多样，要鼓励学生创新，主要采取()或评价学生作品的方式。10.小学网络的简单应用模块内容安排有：学会用浏览器收集材料和()。

11.小学信息技术课程教学内容安排有：信息技术初步认识、操作系统简单介绍、用计算机画画、用计算机作文、网络的简单应用和()。

12.小学用计算机作文模块内容安排有：文字处理的基本操作和()。二.解答题

1.简述信息技术课堂中常用的教学方法。

2.在《中华人民共和国义务教育法》中，提出了适龄儿童“依法享有平等接受义务教育的权利，并履行接受义务教育的义务”，在信息技术课堂中，如何体现这一宗旨? 3.信息技术教师的素质应该体现在哪些方面? 4.中小学信息技术课程的主要任务是什么? 5.如何关注课堂中学生的基础水平和认知特点差异?

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参考答案一.填空题 1.基础性内容 拓展性内容

2.认识信息技术相关的文化、道德和责任 3.学会使用电子邮件 4.68 70% 5.典型作品设计 项目型作业

6.提升学生的信息素养 知识与技能 过程与方法 情感态度和价值观 7.教学目标 学生个性 创造精神

8.信息技术简介 操作系统简单介绍 用计算机画画 用计算机作文 网络的简单应用 用计算机制作多媒体作品 LOGO绘图

9.考查学生实际操作 10.学会使用电子邮件 11.用计算机制作多媒体作品 12.文章的编辑 二.解答题

1.信息技术课堂中常用的教学方法有：讲授，任务驱动，自主探究，协作学习等。各种教学方法要根据教学内容、教学环境、学生特点选择使用。

2.在义务教育法中，指明学生在接受教育方面有“平等的权利”，信息技术课堂中，也要让全体学生享有“平等”的接受教育的机会，要让不同学习能力的学生都有所收获。所以在教学设计、教学实施和教学评价中，要针对不同的学生设置不同的内容，以适应不同学生的需求，从而体现出平等接受教育这一要求。

3.信息技术教师的素质应该体现在：a.计算机应用能力强，熟悉学生学习和教学等相关软件的使用;b.教师学习能力强，能够接受新生事物，并对新生事物快速的做出响应;教师表达能力强，能够在课堂中能够言简意赅地表达出自己的思想;c.教师写作能力强，能够通过文字，记录、提炼教学经验;d.与学生、同事沟通能力强，能够借助信息化手段，高效地同他人进行实质的沟通;e.协作能力强，在信息化社会中，能够与他人协作完成大型任务。

4.中小学信息技术课程的主要任务是：培养学生对信息技术的兴趣和意识，让学生了解和掌握信息技术基本知识和技能，了解信息技术的发展及其应用对人类日常生活和科学技术的深刻影响。通过信息技术课程使学生具有获取信息、传输信息、处理信息和应用信息的能

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力，教育学生正确认识和理解与信息技术相关的文化、伦理和社会等问题，负责任地使用信息技术;培养学生良好的信息素养，把信息技术作为支持终身学习和合作学习的手段，为适应信息社会的学习、工作和生活打下必要的基础。

5.教师可以通过设立多级学习目标和多样的学习方式，让不同的学生都能根据自己的实际需要选择到合适的内容。教师可以根据学生的能力差异、水平差异针对性地实施分层次教学;对于基础较差的学生，可以采用补课的方法为其奠定必要的基础，消除他们对信息技术的神秘感，增强其学习的信心;也可以采用异质分组的方法，变学生的个体差异为资源，让学生在参与合作中互相学习并充分发挥自己的长处，协同完成学习任务;对于少数冒尖的学生，给予专门辅导，使其吃饱吃好，早日成才。

技术及模拟论文 第6篇

在我国高校电子技术类专业中普遍开设了模拟电子技术课程，它虽然属于一门基础性学科，但是它的学习难度大、不易理解。近年来，高校为提高各专业的教学质量，加大校内软硬件设施的建设，尤其是互联网技术的应用，它为信息技术与模拟电子技术教学的整合提供了有力条件。高校只有抓住机遇，才能有效提高模拟电子技术课程教学质量。

1 信息技术与模拟电子技术教学整合的教学模式

模拟电子技术课程具有较为广泛的知识体系，学习难度较大，在教学过程中只有实现信息技术与模拟电子技术课程的完美结合，才能确保学生充分掌握该课程的基本理论和技能。目前，信息技术与模拟电子技术教学整合后的教学模式主要分为三种，下面将一一详细阐述。

1.1 学生主讲教学模式

学生主讲教学模式主要是组织学生利用课余时间来完成的，它要求学生在课下进行自学与合作，它为学生创造了一个良好的学习氛围，充分调动了学生的自学的积极性，不但可以提高学生的自学能力和团队合作能力，还极大的提高了模拟电子技术的教学效率。但是这种教学模式的运用要做好两方面的工作：第一，选择难度较小的教学内容使学生在课下做好课程的自学与合作；第二，激发学生自学的自觉性和积极性，并对学生的课堂主讲进行评分考核，将其纳入课程成绩。

1.2 教师主导教学模式

教师主导教学模式并不是依靠传统的口头说教和板书的形式对学生进行模拟电子技术课程教学，它需要教师充分利用教学资源，做好教学内容、方法和手段的精心设计，以提高教学质量。具体来说，教师要做好五个方面的工作：第一，教师要积极营造一个宽松愉悦的学习氛围，引导学生对模拟电子技术课程的探索和发现，不断培养学生的创新意识。第二，在教学中引入信息技术，为学生创造一个模拟情景，促使学生在学习中协作互助、自主探究、启发思考。第三，在每一节课程当中都要积极培养学生的工程化思维和工程应用能力。第四，积极了解和掌握模拟电子技术的发展需求和方向。第五，做好专业教育与素质教育的相结合，提高学生的综合能力。教师主导的教学模式具有自身的优点，首先教师在模拟电子技术教学中融入信息技术可以提高学生的注意力和记忆力，通过多重感官的刺激提高学生的学习效率；其次，教师利用信息技术可极大的丰富教学手段和方式，将信息有效的传递给学生，从而提高教学质量。

1.3 探究式教学模式

探究式教学模式主要是指教师向学生布置一些体现学科前沿、涉及电子技术实际应用的小专题，使学生应用信息技术做好对小专题的信息收集、信息整体和开拓创新的工作，并对小专题进行自主探究，完成一篇具有深刻体会的小论文。教师采用探究式教学模式需要积极指导学生的探究活动，对学生的论文进行科学的修改和评阅，并对学生的整个学习过程和论文质量进行评分，将其纳入到课程成绩当中。

模拟电子技术课程与其他课程具有很大不同，它涉及的知识体系较为丰富，且内容多、教学难度大，在模拟电子技术课程中融入信息技术，需要充分发挥教师在教学中的主导地位，积极采用教师主导教学模式，在此基础上，依靠学生主讲教学和探究式教学做好模拟电子技术教学的补充工作，实现三者间的相辅相成、互相协作。

2 信息技术与模拟电子技术教学的整合实践

2.1 拓展性的沟通渠道

随着科技的快速发展，信息技术取得了很大成果，学生可以利用网络获得大量的学习资料。教师可以利用网络中的模拟电子技术课程资料加强对学生的自主学习和训练，学生在网络学习中可以增强自己对模拟电子技术课程的兴趣，同时还可以获得所需的内容和帮助，尤其是在学习过程中遇到困难时，可以通过发帖或发站内信的方式得到网上专业人才的回复和解答，促使模拟电子技术课程教学质量的提高。

2.2 丰富多样的教学内容呈现方式

教师应用信息技术可有效整合模拟电子技术课程内容，改变传统的口头传授和板书的教学形式，通过音频、视频、超文本等多种现代化教学手段将课程内容和理论准确的展现在学生面前。

2.3 虚拟仿真软件的应用

模拟电子技术课程具有一定的难度，运用传统的教学手段难以取得理想的效果。在模拟电子技术教学中应用信息技术可以构建一个仿真平台，解决传统教学无法完成的实验难题，从而增强学生对课程内容的理解。虚拟仿真软件具有很大的优势，它部署方便，具有较强的仿真性，而且可以随时对数据进行调整，满足实验需要。模拟电子技术教学依靠虚拟仿真软件可以激发学生的学习热情，提高学生的自主学习能力和动手实践能力。

2.4 在线测试促进知识掌握

在模拟电子技术教学中，教师可以利用信息技术对学生的学习效果进行快捷的测试和考核，并在线记录学生学习的不足，在日后的教学中更有重点。此外，在线测试可根据教学的不同阶段而抽选出相对应的试题，从而更有针对性的完成对学生的测试。

3 对信息技术与模拟电子技术教学整合的评价

将信息技术融入到模拟电子技术教学中，改变了以往传统的教育方式，充分发挥出了教师的主导作用，同时也更加重视学生在教学过程中的主体作用，可以帮助学生有效掌握模拟电子技术的相关知识和技能，使学生构建一套完整的模拟电子技术知识体系。此外，在模拟电子技术课程教学中借助信息技术的支持，可以使学生正确的对信息进行获取、使用和发布，弥补了传统教学手段的不足。

综上所述，高校是我国培养人才的重要场所，其具有较为先进的软硬件设施。高校良好的信息技术环境为信息技术与模拟电子技术教学的整合提供了有力条件。高校要抓住机遇，在模拟电子技术教学中融入信息技术以提高教学质量，并提高学生的自主学习积极性和实践操作能力，推动现代化教学的进步。

参考文献

[1]兰振平，金凤莲，牛悦苓.模拟电路课程及实践教学改革的探索与实践[J].中国现代教育装备，2007（07） .

[2]李文林.信息技术与高校模拟电子技术课程教学整合的研究[J].河南科技. 2013（21）.

技术及模拟论文 第7篇

一、模拟电子技术虚拟实验开发的必要性

模拟电子技术虚拟实验平台有着广泛的应用, 可以有效的推动农业、工业、经济等的发展, 目前, 运用较多的就属在高等教育系统中的应用。通过调查研究发现, 在学校的实验室教学中, 存在着很多问题, 比如, 学生对仪器的掌握不够好, 学生往往缺乏强化的练习, 没能够熟练的掌握仪器的原理, 不能够熟练的应用。实验接线的水平不高, 这直接就导致了实验结果的正确与否。排除故障的能力较差, 若出现实验结果错误的情况, 学生不愿去一步步的排除发生错误的故障, 即使有些原因很简单, 但是学生还是不能很快的找出导致错误的原因[1]。对实验的原理认识不清, 不能做到扎实的掌握, 在实验中不能联系实际, 造成盲目的照搬课本, 不知道自己所做实验的原理和结论, 只是走形式的做一遍。动手能力差, 对常用的实验电子器件、电子仪器、实验方法等都比较陌生, 不能够熟练的操作和应用。

在实验室教学的基础上, 模拟电子技术虚拟实验网络平台可以起到更好的完善与补充的作用。这种新型的网上虚拟实验教学模式可以解决实验室教学中出现的问题, 并且还可以解决在教学中出现的教学经费的紧张、实验室实验设备陈旧等问题。更重要的是提高了学生学习的热情, 增加了学生学习的积极性, 容易使学生理解和加深实验的内容及结果。从而, 有效的提高了教学的质量。随着模拟电子技术虚拟实验平台的建立与逐步的成熟, 网络虚拟教学有了更为广阔的推广, 这极大的方便了高校间的资源的共享, 一些高校可以建立本校的模拟电子技术虚拟实验平台, 然后基于此利用知名高校的教学模式及方法, 这样就会提高教学资源的利用率, 从而, 达到提高教学质量的目的[2]。

二、模拟电子技术虚拟实验的设计及应用

下面所描述的模拟电子技术虚拟实验网络平台是基于高校教育开发的, 主要是改善实验教学的效果, 提高教学的质量为目标。此虚拟实验网络平台包括信息维护、报告管理、虚拟实验及统计评价四个模块。

信息模块包括学生管理、添加实验、启动实验、删除实验四部分, 这个模块主要是对学生及实验的管理。报告管理模块主要是学生实验报告的电子形式。虚拟实验模块是模拟电子技术的网络实验, 在这里可以进行实验, 然后录入实验的结果。最后使统计评价模块, 其包括操作统计和教师点评, 操作统计是根据学生的实验自动生成的, 教师可以根据统计的结果对学生的实验进行点评。

1. 信息维护模块。

此功能模块主要是对学生信息的统一管理, 学生的信息包括学生的姓名、学号、院系班级等。一般会采用固定的用户名进行系统的使用, 其中多为学生的学号, 这样方便使用并且不会重复。在此模块中, 系统的管理人员可以对学生的信息进行管理, 主要是对学生实验内容、过程及结果等数据进行管理。系统管理员可以学生的实验信息进行添加、删除或者是修改。

2. 报告管理模块。

此模块主要是学生提交的电子版的实验报告, 教师可以通过学生提交的实验报告对学生的实验进行浏览, 查看学生的实验是否符合标准, 有没有哪个步骤出错, 或者遗漏、颠倒某些试验程序[3]。通过对这个模块的浏览, 可以清晰的了解学生实验的全过程。

3. 虚拟实验模块。

这就是实验室实验通过电子技术在网路中的虚拟化, 这个模块包括实验的所有步骤, 并且都会通过电子技术在网络中显示出来, 只需要运用鼠标和键盘就可以操作整个实验, 如果哪个步骤错误, 系统会第一时间显示实验错误, 以便及时修改, 方便查找和操作。学生可以通过鼠标来完成实验的连线部分, 连线完成后, 会录入系统, 系统会自动判断连线是否正确, 如果错误, 会给出相应的提示。系统会保存学生的操作程序, 这样方便教师的查看和教学, 能够发现学生容易在哪个程序中出错, 可以及时发现问题, 解决问题[4]。

4. 统计评价模块。

统计评价模块包括学生的成绩计算和教师的点评。统计评价模块是通过教师事先录入的实验步骤及实验结果和学生实验的步骤及结果相参照, 然后自动的给出实验的成绩。这时, 教师通过学生的实验给出相应的评价和建议。教师可以通过模块对学生的实验进行观摩, 查看学生在实验过程中会发生什么错误, 然后做统一的讲解, 这样会及时的改正和提高。

三、模拟电子技术虚拟实验平台的优势

模拟电子技术虚拟实验可以有效的实现实验教学的管理与指导, 与传统的实验室试验相比, 具有效率高、成本低、易操作等特点。并且容易激发学生的热情, 提高学生的兴趣, 从而, 使教学的效率与质量得以有效地提升[5]。具体优势如下: (1) 摆脱了实验室实验的时间限制和空间限制。作为网络实验平台, 可以提供实验者自由进入平台操作的时间和空间, 并且可以多人共同的实验, 能够做到资源的共享。 (2) 有效的减少了实验设备的损耗, 节省了实验的经费。虚拟实验平台不用真实的实验室, 节约了实验设备的购买费用, 同时, 也不用对试验设备进行维修和保护。 (3) 实验操作更为安全快捷。利用虚拟的网络电子技术平台, 可以有效避免实验室错误实验带来的伤害, 尤其是对人身和建筑的损伤。这样就能够更安心的做实验, 不用担心实验带来的安全问题。 (4) 提高了实验热情, 培养了创新意识。虚拟网络的实验平台摆脱了传统实验室实验的束缚, 可以在网络中多次进行实验, 方便深入的研究和学习, 不用考虑设备的数量和损坏。

四、结束语

模拟电子技术虚拟实验可以有效的提高科研创新和实际工作能力, 促进理论和实践的结合, 激发实验的热情和兴趣。对教育、科技、工农业的发展都有着重大的推进作用。同时, 模拟电子技术也在不断的更新改进, 可以更好的为社会服务。

参考文献

[1]陈栋.建设模拟电子技术虚拟实验室[J].科技传播.2010 (23)

[2]李升源, 刘宏, 周克良, 肖发远, 黄朝志.电工电子虚拟实验与真实实验的互补性[J].实验技术与管理.2010 (04)

[3]孙俊卿.基于虚拟实验的模拟电子技术教学方法研究[J].中国现代教育装备.2008 (10)

[4]许燕青, 金平, 马草原.模拟电子技术网络虚拟实验平台[J].实验技术与管理.2007 (10)

技术及模拟论文 第8篇

为保证盾构进出洞的安全性,需采取一系列的工程措施,端头加固技术在实际工程中应用广泛。本文介绍了目前常用的端头加固技术,并通过数值模拟,分析了加固厚度对地层和地连墙的影响,对加固体厚度优化提出合理化建议。

1 盾构进出洞端头加固方法

端头加固的方法主要包括注浆法、深层搅拌桩法、高压旋喷桩法、冻结法、降水法等,需根据实际情况合理选择。

1.1 注浆法

通过对地层注入水泥砂浆,实现提高地层强度的目的。此工法的特点是设备简单,规模小,耗资少,但加固体的质量可靠性不高,经常配合其他工法一起使用。

1.2 深层搅拌桩法

通过深层搅拌机器搅拌均匀,使水泥类悬浊液在原地层中与土体反复均匀混合,水泥固结后,形成水泥土加固体。特点是桩体连接成壁后有隔水帷幕的作用,对周围环境影响较小,施工简单,易于操作,适用于粘土、砂土地层等。

1.3 高压旋喷桩法

包括单重管、二重管、三重管及近几年出现的多重管法,其特点是可克服渗透系数很小的细颗粒在土层中无法灌浆的土体加固方法。结合定喷法,可有效形成垂直向、水平向或封闭式隔水墙。适用于砂土、粘性土、淤泥土及人工填土等土质。

1.4 冻结法

水平冻结施工加固土体作为盾构进出洞加固的一种工艺、工法得到广泛的应用。特点是加固强度较高,止水性能好,但施工周期长,造价高,土体的动触对地面的隆沉有一定影响。适用于含水量较高的砂层,在越江隧道中应用较多。

1.5 降水法

用抽水设备抽取井内水,降低地下水位到有利工程施工,在过程中保持不间断抽水,使工作面土体始终保持干燥,从根本上防止流砂现象发生,同时动水压力减少或消除,土体竖直面更稳定。适用土层为粉砂、砂质粉土、粉质粘土。

2 端头加固体厚度优化数值分析

洞口土体的加固设计需同时考虑纵向与横向加固长度,其中纵向加固长度主要考虑盾构机类型、地层透水性及洞门密封型式等。当同时考虑土体稳定性和止水性时,加固体纵向长度一般取盾构机长度加1～2倍管片环宽。经验表明,一般纵向3～4m的加固长度即可满足要求。横向加固长度按表1确定[9],其中D为盾构直径,B为隧道中心处水平向加固长度,H1和H2表示盾构上、下需要加固的土层厚度。

采用有限元软件ABAQUS,通过地层变形、地连墙变形及其受力变化反映加固效果,研究加固体厚度对地层及地连墙的影响。以深圳地铁9号线某区间为背景,建立数值模型如图1。工作井基坑长30m、宽26m、深28m,地连墙厚度1m,三道支撑;隧道外径6m,隧道中心距离地面22m。加固体横向范围为洞径外3m,厚度2～9m。为提高计算速度取1/4结构,土体尺寸70m×50m×50m。

土体选用弹塑性本构模型,简化起见不考虑土体分层;与未加固地层相比,加固体弹性模量增大一倍,模拟加固后刚度增强;地连墙采用线弹性模型,与土体通过硬接触模型建立关系;荷载考虑材料自重及地面超载20kPa。加固体厚度分别取值为2,3,4,5,6,7,8,9 (m),分析不同工况下,洞门凿除后土体及地连墙的变形及受力变化规律。

2.1 加固体厚度对土体位移的影响分析

图2和图4红色部分分别为竖向和横向研究路径,作两路径上土体侧向U3位移与加固体厚度之间的关系图,见图3-5。

由图3和图5分析可发现,不同加固体厚度下,土体的变形规律类似,洞门附近土体位移明显,远离加固体的土体位移较小,在隧道中心位置出现了最大侧向位移U3。加固体厚度越大,洞门完全凿开后土体侧向位移U3越小,加固效果越好。

图6为隧道中心土体侧向位移与加固体厚度之间的关系图。该处的位移随加固体厚度的增加而减小,但不是线性关系,减小的速率先快后慢。当加固体厚度由3m增加至4m时,最大侧向位移减小了1.3mm,改变了接近10%,而当加固体厚度由8m增加9m时,最大侧向位移仅减小了0.2mm。也就是说,厚度的确定除考虑加固效果外,还需结合加固的效率,在满足加固要求的同时,降低成本。

2.2 加固体厚度对连续墙的影响分析

加固体厚度同样会对工作井的地连墙产生影响。加固体厚度为2m时,地连墙U3变形如图7所示,其余加固厚度时的墙体位移分布模式与之相似,远离洞口的墙体位移变化相对较小,而在洞口附近较大。

图8是各加固体厚度时,地连墙最大侧向位移变化。可看出,随加固体厚度的增加,墙体侧向位移总量减小,与土体位移减小规律不同的是墙体侧向位移的减小速率基本一致,每增厚1m加固体,墙体的最大侧向位移减小0.2～0.3mm。

加固体厚度为2m时,地连墙最大主应力分布云图如图9所示,其余加固厚度时,地连墙最大主应力分布模式与此相似,最大主拉应力(ABAQUS中拉应力为正,压应力为负)均出现在拱腰位置,且随距隧道中心距离的增加,拉应力逐渐减小。加固体厚度增加至4m以上时,最大主拉应力逐渐减小,墙体开裂的可能性越低,加固效果越好。当加固体厚度从2m增至9m时,墙体的最大主拉应力由5.7MPa降低至4.6MPa,降低了19.3%。

洞口拱腰位置处地下连续墙最大主应力沿厚度方向的分布见图10,其横坐标为地下连续墙与土体接触的节点的距离。分析发现,墙体内侧主要受拉应力,外侧主要受压应力,中性轴大约在墙体厚度的中心位置。在大小上,所受拉应力明显大于压应力,且相对于压应力,拉应力随加固体厚度的增加,降低更为明显。

3结束语

通过分析得到如下结论。

(1)盾构进出洞是盾构施工时的主要风险源之一,端头加固技术是常用的有效应对措施。

(2)端头加固所采用的手段主要包括注浆法、深层搅拌桩法、高压旋喷桩法、冻结法、降水法等。实际工程需要根据情况选择合理工法。

(3)加固体越厚加固效果越好,但加固效果不会随加固体厚度增加而线性增加,而是变化地越来越小。因此在实际工程中,不能为了加固效果,盲目增大加固体厚度,而是应在满足加固要求的前提下确定最合理的加固厚度,提高经济效益。

参考文献

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[2]李大勇,王晖,王腾,等.盾构机始发与到达端头土体加固分析[J].铁道工程学报,2006(1):87-90.

[3]高永琪.饱和软土地层盾构端头加固及进出洞关键技术[J].建筑工程技术与设计,2015(8):134-135,366.

[4]王社江.在富水粉砂地层中盾构到达段施工技术[J].石家庄铁道大学学报,2012,25(1):53-57.

[5]孙华.采用水平MJS工法的盾构端头加固技术[J].建筑机械化,2013(7):75-77.

[6]苗立新,齐修东,邹超,等.冻结法在盾构接收端头土体加固中的应用[J].铁道工程学报,2011(9):105-109.

[7]江玉生,杨志勇,江华,等.论土压平衡盾构始发和到达端头加固的合理范围[J].隧道建设,2009,29(3):263-266.

[8]王天明,戴志仁.盾构法隧道端头井地层加固方法及其应用研究[J].铁道工程学报,2014,31(8):90-95,100.

[9]张庆贺,唐益群,杨林德.隧道建设盾构进出洞施工技术研究[J].地下空间,1994(2):110-119.

技术及模拟论文 第9篇

环氧沥青混合物是由环氧树脂、固化剂及碱性沥青组成的热固性沥青混合物。固化后的环氧沥青混合物被广泛应用于钢桥面的铺装。对大跨径桥梁钢桥面铺装的典型问题进行研究, 发现裂纹是其主要问题。

为了研究环氧沥青混合物的裂纹情况, 本文使用光学测量传感技术。光学测量传感技术最早用来检测钢筋混凝土结构的缺陷。安萨里用光纤环来测量混凝土梁[1]的裂缝宽度, Hiroshige Ohno开发了基于光学测量传感技术的监控设备[2]。布里渊光时域反射仪是基于受激布里渊散射和光时域反射。可以通过温度及拉紧程度来确定光纤的不同位置, 并且沿光纤感测参数的空间分布可以通过该技术测定。因为其在连续空间的实时测量能力, 布里渊光时域反射仪已成为光纤传感技术的有效方法。

另一方面, 研究人员已通过有限元方法研究了破裂的机理及裂缝预测, 且内聚力模型已应用于早期阶段的研究, 随后提出了预裂纹路径的方法及裂纹扩展力学响应。然而, 常规的有限元法很难处理高度不连续的裂缝问题。因此, 基于单元分解法的扩展有限元法通过允许自由裂缝不断地扩展来解决不连续的数值问题。相关研究表明, 数字图像处理技术的扩展有限元法可以反映微裂纹的理想特征, 还有一些研究者结合扩展有限元法与内聚力模型研究混合模式疲劳裂纹的扩展问题。

本文利用布里渊光时域反射仪和扩展有限元法来研究环氧沥青混合物的复合梁结构的断裂特性, 从而获得了裂缝的空间分布形式。

2 实验

试验中采用的两种主要材料的制备及试样如下。试验中所用的粘合剂为2910型本地环氧沥青, 该粘合剂由成份A和B组成, 成份A为环氧树脂, 而成份B包括石油沥青和固化剂。实际工程中钢桥面的铺装材料选择玄武岩骨料和石灰岩粉末。最大骨料直径为13.2mm。材料的基本信息在文献[3]中给出。

研究表明, 纵向裂缝是主要的裂纹问题, 其容易出现在纵向加劲梁以上的沥青混合料桥面, 说明纵向裂纹出现的位置是受力的薄弱点。因此, 进行复合梁结构试验是为了准确研究裂纹的特性, 如图1所示。

图1表明, 由于桥面铺装正在进行, 可以选择该复合梁结构进行研究。在荷载作用下, 纵向最大拉应力的位置为A点。

3 试验结果

3.1 光纤传感技术的结果

通过布里渊光时域反射仪理想条件下获得应变状态, 选择应变ε为研究裂纹扩展特性的指标, 图2表示荷载为4k N、8k N及12k N时的频率值。峰值的位置表示预裂纹的位置。

3.2 光纤的应变分布

根据频率、温度及应变之间的关系如式 (1) 所示, 布里渊频率的值可以表达为:

其中, vB (ε) 表示当轴向应变为ε时的布里渊的中心频率值;vB (0) 表示轴向应变为零时中心的频率值为应变的影响系数为轴向应变;ε为温度的影响系数;T-T0为温度变化。计算了不同荷载下环氧沥青混合物的应变, 如图3所示。X轴表示光纤嵌入在组合梁中的相对位置。

当荷载从4k N增加到8k N时, 裂纹从初始状态开始扩展。当荷载达到8k N时, 表面裂纹的扩展会对中间层的微裂纹态产生影响, 当荷载大于8k N时, 表面及中间层应变增加的趋势很明显。然而, 环氧沥青混合物底部的应变显示出, 当荷载在8k N至16k N时应变变化较小且为线性, 当荷载增加到20k N时, 应变可达到2000με。

3.3 光纤的最大应变

计算了不同荷载下应变的平均值和峰值, 其结果示于图4。从图中可以看出, 上表面时荷载达到6.81k N和14.04k N时应变曲线出现转折点, 中间层时荷载达到7.82k N和15.30k N时应变曲线出现拐点。然而, 底部时, 随着荷载的增加, 应变曲线接近于线形。当负载小于6.8k N, 该纤维的应变很低, 但是, 应变的显著增加称为微裂纹的发展阶段。当负载大于7.8k N时, 微裂纹发展成宏观裂纹。在此期间, 表面纤维的应变增加缓慢, 称为稳定发展阶段。当负载达到14k N, 应变的增加比以前更快, 称为不稳定发展阶段。

4 数值分析

4.1 结构的模型

为了研究环氧沥青混合物的断裂特性, 利用ABAQUS软件研究关于裂纹的力学响应。根据里渊光时域反射仪的测试结果, 建立了环氧沥青混合物的有限元模型, 并且利用扩展有限元来模拟。有限元模型的尺寸取于实验样品。有限元模型采用三维8节点的实体单元。将实验中的荷载转换成均匀分布的压力, 有限元模型的边界条件与试验相同。

4.2 材料模型

温度对于环氧沥青混合物的材料特性有显著影响。必须研究相应的材料特性。根据复合梁的破坏模式, 研究20℃时环氧沥青混合物的材料特性指标弯曲拉伸刚度模量和劈裂强度, 如表1所示。

4.3 对比数值比较和实验结果

为了保证该有限元分析符合测试结果, 以便确保数值计算的可靠性, 选择裂纹尖端的力学模型与试验结果进行比较。在本节中, 使用不同深度的应变作为指标, 数值分析结果与试验结果比较示于图5。

该复合梁表面数值分析的结果小于试验结果, 但中间层与底部数值分析的结果与实验结果一致。总之, 数值分析结果符合裂缝的应变情况, 确保了研究中材料的可用性。

4.4 数值分析的力学响应

4.4.1 裂缝中的力学变化

最大主应力/应变显示了材料在临界状态下的反应, 因此它是材料临界状态的关键指数。图6示出了沿复合梁的厚度及不同深度处裂纹尖端的最大主应力/应变的螺旋分布。表层最大主应力 (应变) 增至14.04k N, 中间层最大主应力 (应变) 和7.82k N和15.30k N。然而, 随着荷载的不断增加, 底部的应变曲线接近线性。当荷载小于6.8k N, 该纤维的应力变低。应力显著增加的阶段称为微裂纹的发展阶段。当负载大于7.8k N时, 微裂纹发展成宏观裂纹。在此期间, 纤维表面的应变增加缓慢, 称为稳定繁殖阶段。当负载达到14k N时, 应变增加比以前更快, 称为不稳定繁殖阶段。随着裂纹深度的增加, 这些值沿着复合梁的厚度方向变化。一般情况下, 在两侧的最大主应力 (应变) 的值都小于混合物内部的应力。可以得出结论, 在环氧沥青混合物组合梁结构的断裂过程中, 裂纹很容易在组合梁的两侧及厚度方向上的最大主应力/应变的地方出现及扩展。

4.4.2 应力强度因子

应力强度因子K描述了裂纹尖端的弹性应力场强度。应力强度因子与裂纹扩展的变化如图7所示。在混合物上分别选择了三个裂缝尖点, 分别为混合物的一侧 (面1) 、1/4厚度处 (表面2) 和1/2厚度处 (表面3) 。不同位置上的应力强度因子曲线相似, 一侧的应力强度因子小于其他厚度的。主要是因为该侧没有限制, 导致该侧点比其它的更容易造成裂纹扩展。同时, 当混合物的裂缝接近20mm时, 应力强度因子达到峰值, 然后迅速下降, 表现了不稳定的传播现象。这表明出现了裂纹应当及时修复, 以避免这种不稳定状态的传播。

5 结论

(1) 当荷载大于8k N时, 应变曲线有显著的增加, 特别是环氧沥青混合物侧面状态下的应变曲线。

(2) 环氧沥青混合物两侧的应变曲线展示了一个缓慢的生长阶段, 显示出裂纹已经发展成稳定扩展, 裂缝扩展使微裂纹逐步发展成宏观裂纹。当荷载达到某一特定值时, 裂纹扩展进入不稳定阶段。

(3) 裂纹很容易发生在环氧沥青混合物组合梁的两侧, 但裂纹很难在混合物的内部发展, 表明混合物内部的应力场强度大于上侧的强度。

摘要：用分布式光纤传感技术来研究环氧沥青混合料的断裂行为。通过布里渊光时域反射仪对组合梁结构进行荷载试验, 来观察应变的分布变化与裂纹的扩展。此外, 为了分析环氧沥青的力学特性, 建立了复合梁结构的有限元模型。实验结果表明, 随着荷载的增加, 裂纹扩展不稳定, 且较大的荷载会产生较深的裂纹。另外, 计算结果表明, 裂纹尖端的力学响应随着裂纹扩展的变化而变化, 而裂纹损伤最严重的区域是位于复合梁两侧。

关键词：环氧沥青混合料,组合梁结构,分布式光纤,扩展有限元法

参考文献

[1]Ansari F.Real-Time Monitoring of Concrete Structures by Embedded Optical Fibers[J].Proc Nondestr Test Concr Elem Struct, 1992:49-59.

[2]Ohno H, Naruse H, Kihata M.Industrial Applications of the BOTDR Optical Fiber Strain Sensor[J].Opt.Fiber Technol, 2001, 7 (1) :45-64.

[3]张肖宁, 张顺先.基于使用性能的钢桥面铺装环氧沥青混凝土设计[J].华南理工大学学报, 2012 (7) :1-7.

技术及模拟论文 第10篇

现阶段, 国内绝大多数铸造企业均是运用以往传统式工艺试错法展开铸件生产。传统式铸造工艺设计方式可以说通常是依赖于直觉及经验, 铸件结构简单或者是铸造类似铸件时相关经验是主要因素, 关于一些大型且复杂的铸件浇注时往往经验缺失, 仅仅是通过重复性工艺实践来确定适宜的工艺。往往某些工艺出现极大失误时就极有可能将工艺方案彻底推翻。经过工艺重复性实践确定适宜的工艺方式, 极有可能会造成所制作的模具报废, 这对于较大型铸件来讲费用也是极高, 从而出现极大经济性损失, 并且会影响到新产品试制及延长新产品试制时间。随着计算机软件技术的持续进步, 铸造信息也得到了很大发展, 将CASTsoft技术有效运用于铸件铸造过程中, 能够合理降低或者是取消新产品工艺试验, 避免各类铸造缺陷出现以确保工艺可靠性, 有效缩短新产品试制时间[1]。

1 铸造工艺设计及铸件质量控制

1.1 铸造工艺设计关键内容及方式

砂型铸造可以说是多种铸造方式最基础, 水玻璃砂型铸造以及树脂砂型铸造目前在诸多中大型铸件及一些较小铸件生产中仍是非常关键。近些年压力铸造及消失模铸造发展快速。熔炼工艺, 熔炼的关键任务就是促使配置合理的炉料及熔剂在熔炼与过热中所产生的冶金反应出有益造渣, 这有助于净化金属液及相关成分调整, 更是有助于变质处理及孕育处理;造型工艺, 该工艺的关键任务就是促使铸型及浇注系统和冷却系统与排气系统, 能够在造型及制壳中形成空腔, 这有助于充型及充分净化入型金属液, 并且能够有效实现内杂物及气体离开型腔, 对于凝固时期维系补缩液有着极好的补缩通道, 能够有效降低铸件残余应力;后续处理工艺, 此工艺关键是铸件清理及铸件热处理等方面[1]。铸件清理工艺不止是影响着铸件表面质量, 更是直接关乎着铸件表层组织及性能, 并且影响着铸件残余应力大小及分布。铸件热处理关键是清除应力及有效稳定组织与力学性能, 经过调控炉气氧化性能及加强炉内炉气中所存在的对流热换, 有助于提升同类铸件热处理之后, 得到组织及力学性能统一性。

1.2 铸件质量控制关键内容及方式

1.2.1 铸态力学性能控制

铸件材料铸态力学性质是材料铸态金有效结合方面所决定的, 组织则是取决于材料化学成分及冷却速度或者是动态结晶这几个方面条件。所以处于生产条件之下想要得到稳定铸件铸态力学性能, 关键是要制定及执行基于熔炼工艺, 促使铸型之内的金属液得到高度净化的过程。这样能够在熔炼中经过炉料配料及成分元素等合理调整, 把其稳定程度控制于要求范围之内。并且, 在此基础上再经过铸型冷却环境改变以及调整铸件冷却系统设计方案这方面方式来构建及相关成分互相适应的冷却速度, 运用科学合理的变质处理及孕育处理工艺方式来有效改变铸件结晶前沿性动态结晶条件, 以便于充分达到铸态组织统一性[2]。

1.2.2 表面质量控制

可以说运用改变铸型及型芯或者是涂料材料为主的相关工艺方式来控制铸件表面质量。或者是采用改变熔炼温度及浇注温度为主熔炼工艺方式来充分控制铸件表面质量。

1.2.3 内部质量控制

可以说在实现金属液高度净化基础上充分加强金属液的补缩能力以及铸件排气能力等方面工艺, 这样有助于防止出现不致密组织;并且合理运用造型工艺来防止出现过多残余应力。

2 铸造工艺仿真设计

2.1 铸造工艺仿真设计关键内容及方式

以往传统式工艺设计往往是借以工程师熟练经验及多次工艺设计方案的修改, 并进行重复试制, 这样才可以有效确定最终生产工艺[3]。相关铸件结构简单或者是铸造类似铸件时通常长时间所积累的生产经验时非常关键的, 不过在生产单件小批量大型或者是较为复杂的铸件时是运用新型铸造方式与生产不同材质铸件时总是会出现经验缺失现象, 这样就不可以及时有效的编制科学合理的铸造工艺, 并且在工艺出现失误时就极有可能出现工艺方案被彻底否定, 以至于铸件或者是模具和工装等各个方面报废掉, 这样也给对应企业带来了极大极大经济损失, 并且严重影响着新型产品开发所需时间。

计算机模拟技术充分运用于铸造工艺仿真设计上, 能够有效处理铸件铸造过程中所出现的各类问题, 并且针对于生产铸件各类工艺条件及基本特征与铸件品质各个方面要求, 这时分析铸件可能出现的铸造缺陷时, 提出了初步工艺处理方案且运用铸造CASTsoft技术来对工艺克服铸件缺陷科学合理性施以有效仿真验证, 这样就能够依据相关模拟结果, 并施以对应措施进行修改工艺。铸造工艺仿真设计能够充分确保铸件质量, 并且缩减产品开发时间及降低生产成本, 降低研制所需费用。

可以说国内外目前具有十款主要铸造工艺仿真软件, 帮助相关研究人员展开较宽领域运用铸造工艺仿真设计, 这样有助于现场工作工程师能够得到针对性较强且效果优越和便捷简单的实用性工程处理方案, 来适应于企业现存产品软件购置方案方面服务。

流程及方式, 应该针对不同铸件的铸造方式及材质与材料来详细分析其中所存在的缺陷或者是预测缺陷类型及大小、形状和分部状态;接下来就是针对相关缺陷来确定适应的仿真内容;并且针对其仿真内容来合理选择仿真软件和对应模块;运用选择的仿真软件和模块来展开计算机模拟;详细分析仿真结果, 经过相关工艺的改进, 设计出适宜于铸件铸造的工艺;针对其铸件最佳仿真设计工艺, 在生产现场应用调优设计周迁移原理来得到铸件最优化生产工艺;针对铸件的最优化生产工艺来编制产品技术性文件或者是产品生产管理文件, 充分确定铸件最优化生产工艺稳定执行;最终把铸件铸造工艺及全部管理过程所产生的各类信息并进企业ERP[3]。

2.2 铸造工艺方案设计

铸造工艺方式选择。因为铲板是煤矿设备中最主要的钢铸件, 其相关结构尽管比较简单, 不过整体厚度确实不均匀的, 热节部位诸多, 产品的工作环境也是较为恶劣及质量方面要求很高, 外轮廓的尺寸是1932 430 380毫米, 对应铸件毛坯在进行机加工及除应力处理之后施以组焊及装机, 铸件相关零件的表面质量内部质量及配合尺寸方面的要求更是极高。为了能够充分确保顺利充满及厚大位置不出现疏松现象, 尤其是确保焊接位置及装配部位质量及尺寸, 经过浇注系统化设计及浇注时间合理控制, 降低及避免气孔及渣孔现象出现, 经过造型及涂料和浇注温度等有效措施来确保其表面质量, 充分考虑铲板质量及批量所提出的各类要求, 并且有效结合厂铸造现场的生产能力, 最终是选择适宜的砂型重力铸造及改性水玻璃砂工艺工艺方案。此次铸型是选择改性水玻璃砂, 型芯是选择水玻璃砂及浇注温度1600摄氏度, 对应冒口套是保温材料[4]。

2.3 浇注系统部位选择

铲板长度对应方向是装配配合部位以及铲板工作部位是最长方向法或者是铲板前部及各个加强筋根部组织的要求极高, 务必要确保其不会缩松及气孔等方面铸造缺陷, 为了促使铸件达到合理顺序凝固, 确保工作部位力学性能。有效的满足所要求的工艺分型, 经过铸造工艺设计软件和工艺模拟软件的合理确定。

3 三维建模

3.1 铸件三维建模

运用Pro-E软件进行铸件三维建模, 首先将铸件的对应毛坯输出, 施以铸造工艺设计来合理确定其分型面, 铸件的摆放部位确定工艺布置, 对应冒口大小及浇注系统的大小。经过铸造工艺模拟软件施以铸造过程模拟, 最终科学有效的确定最佳浇注工艺方案[5]。

3.2 铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套三维建模

因为进行工艺模拟时对应铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套这些均是工艺装配体部件, 而且各个部件的材料和属性均是不同的, 三维建模确保建模工艺部件及实际的生产工艺部件位置及大小是统一化的, 应该要求对应铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套间面是极为贴合的。因为铸件很多位置是不规则的曲面, 因此铸件毛坯及浇注系统和冒口系统及冒口套形状也均是不规则的曲面形状, 也就是随形铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套, 与此同时因为铸件毛坯及浇注系统和冒口套不连续, 其相互间是单独且分散的, 因此在进行建模时也应该是分散式分布, 互相间是不连接的, 不过在工艺建模时是要求一种材料工艺部件组合成的整体, 所生成STL文件。

3.3 工艺模拟及工艺优化

3.3.1 工艺步骤确定

首先, 是使用CASTsoft铸造工艺设计模块展开工艺热节计算, 以便于确定其冒口部位及大小, 更能够有效确定铸件的工艺布局与浇注系统;其次, 是运用CASTsoft铸造工艺模拟模块施以铸造全部过程模拟, 经过铸造充型过程及凝固过程展开模拟和缺陷分析, 最后获得最佳铸造方案。

3.3.2 造模型构建和模拟计算

依据工艺要求增加砂型重力铸造工艺参数。通常铸件材料参数设置为ZG30Cr Mo, 铸型材料往往是改性水玻璃砂, 对应型芯是选择水玻璃砂, 浇注温度应该是1600摄氏度, 其相关冒口应该运用保温棉。

3.3.3 铸造工艺设计和方案初定

经过铸件毛坯不同布局下的工艺热节部位合理确定, 详细分析有助于具体生产方案展开的工艺设计, 以便于充分确定冒口部位及大小及浇注系统。

3.3.4 铸造工艺结果显示和合理评定

运用CASTsoft铸造工艺模拟模块展开铸造过程模拟验证, 经过凝固过程及温度场和缩孔或者是缩松等方面详细判定, 在工艺冒口尺寸较小时, 为了要节约钢水则运用不加大冒口直接引进冒口套工艺消除缺陷, 经过模拟逐渐的对应补缩工艺来处理, 具有非常严重的缩孔缺陷部位清除。

4 结语

总而言之, 运用CASTsoft软件能够充分预测工艺设计过程中所存在的各类问题, 可以预测铸件会出现的铸造缺陷, 并且依据该模拟结果来进行工艺改进与优化。运用三维建模软件有效的展开铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套改善, 并且运用CASTsoft软件进行铸造工艺对应参数设置及调节, 多次模拟且改良, 直到清除所存在的铸造缺陷。这有助于较大型复杂铸件高质量铸造, 能够充分降低工艺实践重复性次数, 更是可能取消工艺性实践, 确保铸件一次就是试制成功。进而有效缩短新产品试制所需时间, 有效提升企业竞争力。并且, 根据该次模拟结果所编制的工艺用于生产之后, 各方面效果较好及对应铸件在机械施以加工之后并未出现铸造缺陷, 在组焊时也没有出现缺陷, 充分满足了设计各方面要求, 进而有效验证了工艺模拟科学合理性。

参考文献

[1]陈日军, 黑玉龙, 宋彬.铸造工艺模拟CASTsoft CAD/CAE技术在铸造工艺设计及优化中应用[J].铸造技术, 2012 (10) .

[2]黑玉龙, 陈日军, 宋彬.CAD/CAE技术在铸造工艺设计及优化中的应用[J].特种铸造及有色合金, 2012 (13) .

[3]李化芳, 刘魁敏, 胡占军, 张辉.基于CAE技术的铸造工艺设计研究[J].热加工工艺, 2013 (03) .

[4]王仲珏, 傅宏江, 左大利.铸造工艺仿真设计方法初探[J].铸造, 2013 (10) .

通用技术高考模拟卷编写策略 第11篇

关键词：模拟试卷；试卷编写；考试说明；题型

通用技术高考模拟考试，是组织学生高考复习的重要环节之一。通过模拟考试，一方面让学生了解自己掌握知识的程度，以便查漏补缺；另一方面让学生适应考试环境，把握考试时间，消除考试给学生带来的紧张感。编写一份能体现通用技术新高考趋势的模拟试卷，则能反映出教师的专业水平和综合素质，研究命题有利于我们通用技术教师的快速成长。我根据本校学生的复习需要，编写了几份原创性通用技术高考模拟试卷。现将编写的一些体会总结如下，以供同行借鉴与探讨。

一、精读《考试说明》，把握命题环节

我通过学习《普通高等学校招生统一考试通用技术考试说明》，

明确了考试要求和考试内容，掌握了考试形式与试卷结构，参考了题型样例及参考答案。并以此作为编写通用技术高考模拟试卷的指导思想，在命题过程中把握好各个环节。

1.明确考试目标注重能力考核

通用技术高考要考查的目标主要是知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观。所以，我们编写的考题不能偏离教学的三维目标，同时还要体现对学生的理解能力、设计能力、制作能力、试验能力、评价能力、应用能力的考核。注重以技术设计与应用为基础的技术实践能力。编写试题的关键要掌握“题型样例”中的评价题、试验题、设计题等题型特点，这几类题型更侧重于对学生能力的考核。

2.模拟样卷题型力求试题原创

题型的模拟则根据“题型样例”进行模仿，不仅题量相等，而且题型要相近。例如题型样例中的24题：分析评价题系统具有动态性，即系统的状态、结构会随着时间的变化而变化。钱塘江大桥（如右图所示）桥墩采用钢筋混凝土，桥的上下两层分别通汽车和火车。该桥建于上个世纪，历尽沧桑，多次维修，2000年4月15日到2001年4月25日，还经历了一次大整修。若把钱塘江大桥作为一个系统，请你说说该系统的动态性体现在哪些方面（举例说出三点）。

这是一道案例分析题，考查的知识点是系统的动态性。要求学生从系统的动态性对案例进行分析。

分析评价题：衢州西安门大桥原为

双曲拱桥，建于1971年，1997年改建拼

宽后的大桥为钢筋混凝土钢架拱桥，七孔，每孔跨径42米，主桥长337米，宽24米，如右图所示。2007年11月，浙江大学土木工程测试中心对西安门大桥进行了检测，检测结果存在安全隐患。2008年7月投资400余万元进行维修加固。请从系统的动态性进行分析：西安门大桥存在安全隐患的原因。

可见，模拟的题型与《考试说明》中的样卷题型基本类同。当然，试题选材思路要开阔，编写的试题力求原创性，给人耳目一新的感觉。

3.把握试卷难度注意试题覆盖

根据《考试说明》中的知识内容列表，学生掌握的知识程度和要求分为Ⅰ、Ⅱ两个层次。Ⅰ的含义：对所列知识要知道其内容及含义，并能在有关问题中识别和直接使用它们；Ⅱ的含义：对所列知识要理解其确切含义及其中的技术思想方法，能够进行叙述和解释，并在解决实际问题中运用它们。所以，在编写考题的过程中，以“知识内容列表”中的考试要求确定试题的难度，整份试卷的难度系数应控制在0.6左右，也就是说该份试卷有60%的学生能答对或平均得分在60%左右。当然，还要按照“知识内容列表”中的各章节知识点，注意试题覆盖，不要重复。同时又要突出重点，保证试题在所测内容上具有代表性，较好地切合考试说明及课程标准的要求。

二、转变命题理念体现课程特点

通用技术课程是以提高学生的技术素养为主旨，以设计学习、操作学习为主要特征的一门立足实践、高度综合、注重创造、科学与人文融合的课程。所以编写的试题一定要体现课程的特点。

1.贴近学生生活，做到考题公平

通用技术的知识与我们的生活很近，更多的理论是从我们生活中提炼出来的。从技术考试的《考试说明》可以看出，虽然通用技术采用笔试的形式，但内容的要求更多是强调知识的应用，体现了从生活中来，到生活中去。所以，编写的考题材料应切合学生实际生活。例如：自行车的鞍座（坐垫），一般都设计成“V”字形，而且安装时还要注意使坐垫的“V”字的尖端朝车头方向。请从人机关系的角度来分析，这种设计和安装主要实现的目标是（ ）

A.健康 B.舒适 C.安全 D.高效

自行车是城乡学生都熟识的交通工具，以此为材料作为考题的载体，无论是城市的学生还是乡村的学生都有过亲身体验，有利于学生对题意的正确理解。所谓考题公平，实际上就是题目语意上的公平。这种城乡学生具有共同体验的生活实际考题，才能体现考试的公平性。否则，编写的考题必须具有详细的案例说明或图示。

2.反映时代气息，体现高考趋势

编写的试题在确保内容的正确性、试题材料还要反映时代的气息，体现新高考的趋势。如2008年的南方雪灾、四川地震、北京奥运会、三鹿奶粉等社会问题。譬如以三鹿奶粉事件为试题载体，编写的选择题：在食品制作中，需要检查蛋白质含量，业界常使用一种叫做“凯氏定氮法”的方法，通过食品中氮原子的含量来间接推算蛋白质的含量。而三聚氰胺是一种白色结晶粉末，含氮量很高，生产工艺简单、成本很低，掺入牛奶没有什么气味和味道，掺杂后不易被发现，所以成了掺假、造假者极大的经济利益驱动，于是最终制造出这起轰动全国的三鹿奶粉事件。从事件的危害性我们明确在牛奶中掺入三聚氰胺来提高蛋白质含量违反了设计原则中的（ ）

A.经济原则 B.创新原则

C.技术规范原则 D.道德原则

三鹿奶粉事件是人们关注的社会热点问题，选取这样的试题材料不仅能反映学生对所学技术知识要点的理解情况，还能反映时代气息，体现高考趋势。

3.规范评分标准，力求评分简便

规范评分标准，就是在试题的分值分配等方面要明确合理。根据“题型样例”中的评分标准，客观题（选择题）占40%，主观题占整份试卷的60%。由于学生在解答主观性试题时，可以自由组织答案，教师给分难以做到完全客观一致。所以，在编制试题的同时，应当合理地制订评分标准，力求使评分简便、准确，而且在分数的分配、给分的标准方面务求合理科学。对主观性试题要进行分步定分。例如，佳佳同学设计制作了一个“不倒翁”玩具，经试验：无论把它的头从哪个方向按倒，手刚离开，它就随即站立起来，即使从课桌上滚到地上，也没有摔破和变形。经介绍：佳佳同学利用常见的植物果实——葫芦为主体，然后在里面装入适量的用胶水搅拌过的沙子；最后在葫芦表面根据自己的个性进行修饰并点缀，漂亮的不倒翁就制成了。（如右图所示）请从结构稳定性的角度对该作品进行评价，并分析它是如何体现设计一般原则的。（10分）

这是一道作品评价题，主要考核学生的评价能力。考核的知识点包括：一是结构的稳定性，二是设计的基本原则。本题可采取以下分步定分的方法：

（1）结构的稳定性

该不倒翁中装入适量的用胶水搅拌过的沙子，使其重心下降，提高了它立而不倒的稳定性。（2分）

（2）体现设计的原则

①利用葫芦这种植物果实制作，其外壳坚硬，结构强度大，并且利用适量的沙子提高其稳定性。所以该作品的制作体现了创新原则。（2分）

②取材上利用植物果实和沙子，不仅体现了经济原则，而且从环保角度体现了可持续发展原则。（2分）

③从造型、外饰、点缀方面看，体现了美观原则。（2分）

④该不倒翁既可以作为儿童的玩具，又可成为通用技术课程的教具。所以该作品的制作体现了实用原则。（2分）

主观性试题通过分步给分的好处包括：一方面，学生答对一点，可以较准确地给分，避免了错一点全扣光的弊病。另一方面，有利于教师把握评分标准，使评分简便，提高阅卷效率。

通用技术高考模拟卷的编写，笔者认为一定要精读考试说明，

立足于教材知识体系，转变命题理念。这样不仅对学生的通用技术高考复习具有正确的导向作用，而且有利于教师自身专业水平的提高。

技术及模拟论文 第12篇

在医疗器械向乡镇、农村等基层地区的运输过程中,路途的颠簸、振动[1]等特殊的运输路况通常对医疗器械产生危害作用,使医疗器械可靠性发生变化,成为导致失效的主要环境因素。

目前国内在医疗器械道路运输的研究方面,还未出现专门的用于医疗器械道路运输的模拟平台,更多的方法是使用传统的振动试验机作为替代品或从国外引进道路模拟试验机。对于传统的振动试验机,虽然在一定程度上能够产生振动,但因运动速度、振动幅度及调速方式等因素的影响,其运动的方式仅局限于回转式或正弦式,单一性的运动方式使其无法根据道路实况实现模拟运动。对于从国外引进的道路模拟试验机,其功能的设计决定了该试验机主要用途在于对整车的性能、零部件耐久性进行测试,与医疗器械的道路运输研究有一定的偏差,而且这种试验机操作复杂、价格昂贵。使用6-DOF并联机器人作为医疗器械道路运输模拟平台,不仅能够准确复现道路运输中的多种运动规律,真实反映医疗器械道路运输的运动状况,而且良好的控制性能和简便的操作方式,使其能够针对医疗器械的道路运输问题开展专业性的研究。

1 平台组成及工作原理

医疗器械道路运输模拟平台由激励源、6-DOF并联机器人、医疗器械道路运输模拟软件和医疗器械固定装置四部分组成。其工作原理为:将仿真产生的三维道路谱作为激励源,转化为6-DOF并联机器人所需的运动数据并加载至机器人;通过控制并联机器人使其能够高效准确地模拟车辆在不同车速、各种等级路面上的运动。模拟平台的工作原理如图1所示。

激励源是模拟平台的原始输入部分,提供了驱动6-DOF并联机器人完成道路运输模拟运动所需的原始数据。本文通过改进谐波叠加算法,建立三维道路的路面谱模型,以此作为模拟平台的激励源。

6-DOF并联机器人是整个模拟平台的一个重要组成部分,由运动控制计算机、驱动装置和机器人本体三部分组成,如图2所示。它提供了道路运输模拟过程中的瞬时过载、重力分量的持续感、运输过程中的振动和冲击信息,使道路运输模拟运动更加逼近医疗器械的真实运输环境。本模拟平台使用的6-DOF并联机器人采用伺服电机驱动,负载能力为200 kg,重复定位精度为±0.1 mm,平动位移定位精度为0.2 mm,转动角度定位精度为0.02o,机器人在X、Y、Z三个方向的平动位移范围为±200 mm,绕X、Y、Z三个轴向的转动角度范围为±20o,驱动轴最大线速度和角速度分别为200 mm/s和30o/s。

医疗器械道路运输模拟软件是模拟平台的软件控制部分,其主要功能有:(1)完成模拟平台的初始化工作;(2)提供模拟平台所能完成的各种道路等级路面和运输车辆的车速信息;(3)控制6-DOF并联机器人在选定的道路等级路面和车速下完成模拟运动;(4)完成6-DOF并联机器人复位工作以及为机器人模拟运动提供安全保障。

医疗器械固定装置是模拟平台中对医疗器械进行固定的装置,装置主体部分选用强度高、重量轻、稳定性强的铝型材作为原材料加工而成。其位置处于6-DOF并联机器人动平台上方,并通过螺栓与机器人动平台固定。该固定装置不仅对医疗器械具有固定的作用,而且在模拟运输过程中对所载医疗器械具有保护作用。

2 获取激励源

激励源是根据国家道路等级划分标准[2]产生的八种道路等级(A-H级)的路面谱数据,其准确性直接影响到道路运输模拟平台的性能[3]。本文从空间频率出发,改进了谐波叠加算法,使之能够反映车辆运动的动态特性和实际路面随机特性的三维空间道路谱,并从功率谱密度的角度验证所建路面模型的有效性,从而保证激励源的准确性。

2.1 改进的谐波叠加算法

改进的谐波叠加法是针对现有的道路谱仿真模型不符合实际道路随机分布,各态历经特性以及缺少车辆行驶动态特性的问题,在原有谐波叠加法基础上,将仿真模型由路面长度和路面不平度组成的二维模型扩展到由路面的长度、宽度和不平度组成的三维模型,并通过增加车辆速度和相位差的方法建立符合实际路面特性的三维道路谱模型。

按照GB7031-2005[2],路面不平度位移功率谱密度可用幂级数作为拟合表达式:

式中:n0为参考空间频率,单位为m-1;n0=0.1m-1;Gd(n0)为参考空间频率n0下的路面不平度系数,单位为m2/m-1;w=2为频率指数,决定了路面谱的频率结构。

已知在空间频率n1

对应每个小区间,找到具有频率nmid-i且其标准差为Gd(nmid-i)⋅∆ni正弦波函数,将对应于各个小区间的正弦波函数叠加起来,得到频域路面随机位移输入:式中:θ为[0,2π]上均匀分布的随机数;x为频域路面方向的值。

车辆行驶是一个动态过程,仿真建立的道路谱模型除包含路面不平度信息外,还需要考虑车辆行驶速度,因此将式(1)转换为时间功率谱:

其中f=u×n,同理,将f(f1≤f≤f2)划分为n个区间,用每个区间的中心频率fi处的功率谱密度值Gd(fi)代替Gd(f)在整个小区间内的值,则可以在时域内用三角级数模拟随机路面不平度:式中θi为[0,2π]的随机数,t为给定车速下的时间历程。

为了表示路面的三维特性,需要增加路面的宽度,利用随机数发生器产生路面长度和宽度两个方向上的随机数作为三角级数的相位差。将(5)式转换为空间域内的谐波叠加式,由于,所以将x看作空间点到初始点的距离,式(7)改为:增加路面宽度,拓展到三维空间后

至此,通过离散路面空间频域n和时间频率f,得到了空间频域和时间域下三维道路谱的数学模型。

2.2 三维道路谱模型仿真与验证

根据改进谐波叠加法建立的数学模型,将空间频率(0.011 m-1≤n≤2.83 m-1)划分为200等分,即N=200采样频率dt=0.003 s。以E级路面为例,产生2 m×100 m区域三维道路谱仿真模型,如图3所示。选取y=0.6 m处的x方向路面不平度,将其转化为时域路面不平度信号,得到E级路面车速为20 m/s时路面不平度曲线,如图4所示。将仿真生成的车速为20 m/s时E级路面的路面不平度功率谱密度,与标准功率谱谱密度对比,验证仿真三维路面的有效性。

标准功率谱密度曲线由路面时间功率谱密度计算得出。E级路面功率谱密度曲线,由E级路面不平度信号经FFT转换为频率信号,再进行周期图法功率谱估计得出[4],如图5所示。

图5中data2所示的曲线代表仿真产生的E级路面的功率谱密度分布曲线,data1所示的直线代表标准功率谱密度线。从图5可以看出,两者的走向趋势一致,只是在幅度上有所不同。这是为了表示随机道路路面各态历经的特性而增加相位差随机数发生器引起的,因此改进谐波叠加算法生成的三维道路谱模型可以较好地表示实际路面不平度且符合国家道路等级划分标准,从而证明了路面数据可以作为模拟平台的激励源。利用改进的算法依次仿真出A-H八种等级路面的三维道路谱模型,并记录三维路面谱仿真数据作为模拟平台的激励源。

3 道路运输模拟平台运动控制

医疗器械道路运输模拟平台模拟车辆的运输过程是通过控制6-DOF并联机器人运动实现的,仿真产生的三维道路谱为机器人运动提供了原始的激励源。然而,根据机器人的运动学特性,该激励源不能被机器人直接使用,需要转化为机器人需要的运动数据,才能加载至机器人而控制其运动。

3.1 获取机器人运动数据

6-DOF并联机器人的运动是通过各驱动轴长度发生变化,从而使动平台位姿发生改变实现的。动平台位姿是指动平台几何中心相对于静平台的位置(x、y、z)和转角(α,β,γ),因此首先需要求出机器人动平台的位姿,再由位姿求出机器人各驱动轴长度,驱动轴长度的变化量对应的脉冲数即为机器人运动数据。假设某种轮距为1 500 mm、轴距为2 500 mm的型号汽车(假设为刚性),在上述仿真路面上以一定速度行驶,由道路谱计算出车辆在仿真三维道路上的状态角,这样就得到了车辆几何中心在道路行驶中垂直方向的位移(路面不平度)及车身转角。根据6-DOF并联机器人的位置反解算法[5],求出动平台的位姿,得到机器人所需的运动数据。机器人数据获取过程如图6所示。

3.2 机器人运动控制

机器人运动控制由自行开发的医疗器械道路运输模拟软件完成。运动控制过程如图7所示。

(1)运行控制软件,初始化机器人各驱动轴和运动控制卡;(2)选定需要模拟的等级路面与车速并对车速进行判断;(3)控制卡接收运动数据后以脉冲方式发送给各驱动轴的伺服电机;(4)监视一号轴和三号轴的寄存器值是否为3,若为3,则继续监视寄存器状态,否则存储该时刻各驱动轴脉冲数,用于计算各驱动轴的运动速度;(5)监视各驱动轴运动速度,防止运动速度大于2 m/s;(6)使用绝对位置S形直线插补方法,对各驱动轴进行运动控制;(7)机器人各驱动轴完成一组运动数据,取下一组数据继续运动;(8)模拟运动结束后,机器人进行复位操作。

4 结论

作为一个高效、可控的医疗器械道路运输模拟平台,激励源和运动控制是其中两个关键部分。采用改进谐波叠加算法建立的三维道路谱,可以准确地表示随机路面的各态历经的特性以及车辆运动的动态特性。保证了加载至6-DOF并联机器人的数据具有较高的准确性,通过绝对模式的S形直线插补方法控制并联机器人,并实时监控机器人的运动速度和寄存器状态,保证了机器人完成运动数据的精确性,从而使医疗器械道路运输模拟平台能够高效准确地模拟车辆在不同车速、各种等级路面上的运动情况。该平台与国内现有的振动试验机相比,具有模拟真实、可控性好、针对性强和运动多样化等优势,而且比国外的道路模拟试验机价格低廉。

摘要：针对目前医疗器械道路运输模拟平台短缺的问题,提出了一种使用6-DOF并联机器人进行道路运输模拟的实现方法。通过改进谐波叠加法建立三维道路谱模型,与标准功率谱对比验证仿真模型的准确性。将三维道路谱作为激励源转化为机器人运动数据,通过绝对位置S形直线插补方法控制并联机器人,使其能够高效准确地模拟车辆在不同车速、各种等级路面上的运动状况。

关键词：6-DOF并联机器人,道路运输,三维道路谱,运动控制

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