導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫好一篇數(shù)值仿真，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：近場(chǎng)聲全息；統(tǒng)計(jì)最優(yōu)；重建精度；頻率

1 概述

自Williams等提出近場(chǎng)聲全息（nearfield acoustic holography， NAH）方法以來(lái)，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，該方法已廣泛應(yīng)用于汽車、船舶和航空等多個(gè)行業(yè)中[1，2，3]。其中，統(tǒng)計(jì)最優(yōu)近場(chǎng)聲全息（statistically optimized nearfield acoustic holography， SONAH）作為一種典型的局部NAH方法，避免了傳統(tǒng)的如基于空間Fourier變換的NAH方法等要求全息測(cè)量面大小至少大于整個(gè)噪聲源[4]。可以使用比聲源面積小的陣列進(jìn)行測(cè)量，因而對(duì)于結(jié)構(gòu)較大的聲源可大大地減少測(cè)量工作量。

影響SONAH方法聲場(chǎng)重建精度的原因有很多，主要有重建頻率、測(cè)量面大小及間距、重建距離和信噪比等[1，4]。文章主要針對(duì)頻率變化對(duì)SONAH方法的重建精度進(jìn)行了仿真分析，研究了頻率對(duì)重建精度影響。

2 統(tǒng)計(jì)最優(yōu)近場(chǎng)聲全息基本原理

聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)的聲壓可以表示為全息面N測(cè)量點(diǎn)上復(fù)聲壓的線性疊加，設(shè)全息面H位于平面z=zH處，共有N個(gè)測(cè)量點(diǎn)，則可得

3 數(shù)值仿真

目標(biāo)聲源為球心分別位于直角坐標(biāo)系（0，0，0.15）和（0，0，-0.15）兩個(gè)相同脈動(dòng)球源組成。脈動(dòng)球的半徑為0.05m，表面振速為1m/s。全息測(cè)量面位于z=0.25m處，測(cè)量間隔為0.05m，全息面大小為1m 1m，重建面位于z=0.25m處?？諝庵新晜鞑ニ俣葹?43m/s，密度取1.29kg/m3。

為了能夠更直觀的顯示SONAH的重建效果，在重建頻率為1000Hz時(shí)，對(duì)目標(biāo)聲源聲場(chǎng)進(jìn)行了可視化重建。其中，目標(biāo)聲源在重建面上的理論值如圖1所示，圖2為采用SONAH方法時(shí)的重建結(jié)果。從圖1和圖2的對(duì)比容易看出，SONAH方法可有效的重建出目標(biāo)聲源聲場(chǎng)，只有在全息測(cè)量面邊緣附近誤差較大，而對(duì)于重建面的主要關(guān)心區(qū)域，即重建面中間部分，重建效果良好。

為進(jìn)一步研究重建頻率對(duì)重建精度的影響，在100Hz～3000Hz范圍內(nèi)對(duì)SONAH方法進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。計(jì)算了其總體相對(duì)誤差，總體相對(duì)誤差定義為：

從總體上看，隨著頻率的增大，總體相對(duì)誤差呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。在100Hz～300Hz范圍內(nèi)，相對(duì)誤差最小，不超過(guò)3%；在400Hz～2500Hz范圍內(nèi)，總體相對(duì)誤差大多在5%處上下波動(dòng)，且波動(dòng)較小。但當(dāng)頻率超過(guò)2500Hz后，總體相對(duì)誤差具有明顯上升的趨勢(shì)；當(dāng)重建頻率到達(dá)3000Hz時(shí)，總體相對(duì)誤差已長(zhǎng)升高到15.7%，重建精度明顯惡化。以上可以看出，SONAH方法比較適用于在中低頻率進(jìn)行重建。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真驗(yàn)證了SONAH方法能夠有效的重建目標(biāo)聲源的聲場(chǎng)。重建頻率對(duì)重建結(jié)果有著重大的影響，總的來(lái)看，在低頻段范圍內(nèi)的重建精度較高；而在中高頻段，尤其是超過(guò)2500Hz后，重建精度明顯惡化。因而，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量選擇中低頻段內(nèi)進(jìn)行重建，以保證重建精度。

參考文獻(xiàn)

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[2]何元安，鄭四發(fā)，李兵，等. 基于平面聲全息的全空間場(chǎng)變換：水下大面積平面發(fā)射聲基陣的近場(chǎng)聲全息實(shí)驗(yàn)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2003，18

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關(guān)鍵詞：地下水運(yùn)移 數(shù)值仿真 分析對(duì)比

本文以烏鞘嶺公路隧道的實(shí)體工程為依托，對(duì)涌水現(xiàn)象多發(fā)的F4斷層帶的隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中，地下水的滲流仿真與計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)易對(duì)比探討。

一、數(shù)值模型的建立

ADINA軟件提供兩種求解滲流問(wèn)題的方法，一種是利用多孔介質(zhì)材料來(lái)分析滲流問(wèn)題。另一種方法是利用滲流方程與溫度方程相同的原理，用溫度場(chǎng)的求解方法（seepage材料），采用熱傳導(dǎo)單元來(lái)求解滲流問(wèn)題得到滲流速度和浸潤(rùn)面的形狀，本文是采用第二種方法來(lái)模擬地下水運(yùn)移。

隧道正常開(kāi)挖輪廓邊界尺寸為12.38×10.35m2，本次數(shù)值模擬選取隧道右洞斷層帶，隧道埋深80～90m，選取斷層帶里程300米范圍內(nèi)進(jìn)行模擬。由地表水位觀測(cè)得知，該地區(qū)地下水位在地表下5m左右，隧道與地下水位之間的垂直距離約75～80m。建立模型時(shí)，豎向從地下水位面開(kāi)始向下延伸150m，水平向從隧道中心向兩邊分別延伸80m。該里程圍巖類別為Ⅵ級(jí)，圍巖密度取2200 kg/m3，滲透系數(shù)取5.6x10-4 m/s。初始水頭壓力大小選了150m（1.5MPa），設(shè)置為直角三角形不均勻荷載，兩邊對(duì)稱設(shè)置（見(jiàn)圖一，圖二）

圖一 隧道開(kāi)挖前ADINA模型 圖二 隧道開(kāi)挖后ADINA模型

2模擬計(jì)算分析與結(jié)果

圖三 隧道開(kāi)挖前、后總水頭等值線云圖

云圖中看到開(kāi)挖前從1.40 MPa遞減至0.20 MPa，開(kāi)挖后從1.30 MPa遞減至0.10 MPa。開(kāi)挖前后，水頭壓力變化的總體趨勢(shì)不明顯，開(kāi)挖后水頭壓力整體減少了0.10 MPa。距開(kāi)挖區(qū)較遠(yuǎn)的位置，水頭變化較小。開(kāi)挖周邊區(qū)域，由于隧道開(kāi)挖，致使地下水從已完成的開(kāi)挖面流失，水頭壓力明顯降低。在水壓力作用下，地下水從兩側(cè)涌向隧道臨空面，主要匯集于兩側(cè)拱腰，流速為0.075～0.1m/s，一些地下水自上而下向洞頂滲漏，水量較小，流速在0.05m/s左右。取平均流速0.075m/s，裂隙率為5%，根據(jù)公式：Q=vA，估算涌水量為6480m3/d。

二、解析法涌水量估算

采用解析法，即古德曼經(jīng)驗(yàn)公式法： 來(lái)計(jì)算斷層帶的最大涌水，其中滲透系數(shù)為5.6x10-4 m/s，通過(guò)簡(jiǎn)易提水試驗(yàn)得到，含水層厚度取75m，洞身橫斷面換算成等價(jià)圓直徑為10.35m，求得最大涌水量為6566 m3/d，這與數(shù)值模擬結(jié)果略為相同。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)adina軟件數(shù)值模擬結(jié)果與解析法估算涌水量較為接近。模擬結(jié)果顯示，隧道易發(fā)涌水部位在兩側(cè)、頂部三個(gè)方向，其中兩側(cè)水量較大，流速為0.25～0.4m/d，隧道右線正洞正常涌水量預(yù)測(cè)值為3504.05 m3/d，最大涌水量預(yù)測(cè)值為5034.59m3/d，在斷層破碎帶最大涌水量明顯增大，峰值達(dá)6566m3/d。

在富水地帶的隧道開(kāi)挖過(guò)程中，短時(shí)間內(nèi)，結(jié)合隧道富水段勘察資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，利用adina數(shù)值仿真，可較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)涌水和突泥不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，有利于我們采取恰當(dāng)措施，確保隧道安全施工。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛正君、楊曉華、王曉鐘.2012.烏鞘嶺地區(qū)高速公路沿線地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及防治措施[J].水土保持研究.19（1）202～205

[2]劉丹等.2005.秦嶺特長(zhǎng)隧道涌水量的預(yù)測(cè)研究[J].煤天地質(zhì)與勘探.第33卷第1期.西安

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【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道；管片開(kāi)裂；原因；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：U455文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、前言

目前，盾構(gòu)隧道管片依然存在開(kāi)裂的情況，針對(duì)開(kāi)裂的原因，一定要深入的分析，只有弄清楚了開(kāi)裂的原因，才能夠確保盾構(gòu)隧道管片開(kāi)裂問(wèn)題得到解決，提高盾構(gòu)隧道管片的有效性。

二、盾構(gòu)隧道管片開(kāi)裂概述

在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)管片是盾構(gòu)施工的主要裝配構(gòu)件，是隧道的最外層屏障，承擔(dān)著抵抗土層壓力、地下水壓力以及一些特殊荷載的作用。盾構(gòu)管片質(zhì)量直接關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全，影響隧道的防水性能及耐久性能。在盾構(gòu)施工中，常常會(huì)遇到盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)上浮、隧道軸線偏移和管片錯(cuò)臺(tái)等問(wèn)題[1]。此類問(wèn)題除了會(huì)影響隧道走向、凈空外，還會(huì)引起管片破裂并破壞管片結(jié)構(gòu)，從而給隧道的防水帶來(lái)隱患。地鐵成型隧道管片的上浮和錯(cuò)臺(tái)以及由其引起的管片破裂一直是困擾盾構(gòu)隧道施工的技術(shù)難題。

三、盾構(gòu)管片開(kāi)裂的一般性原因

1、盾構(gòu)機(jī)千斤頂總推力較大：作用于管片上的力是造成管片開(kāi)裂的最基本因素其中盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中總推力過(guò)大是致使管片開(kāi)裂的最直接原因。當(dāng)總推力過(guò)大時(shí)，對(duì)于養(yǎng)護(hù)不好并且配筋小的管片則有可能開(kāi)裂。

2、管片環(huán)面不平整：造成管片環(huán)面不平整主要有:管片制作精度誤差管片糾偏時(shí)貼片不平整；盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)各區(qū)的千斤頂推力大小不等管片之間的環(huán)縫壓縮量不一致等原因。因管片環(huán)面不平整盾構(gòu)機(jī)千斤項(xiàng)作用于管片上將產(chǎn)生較大的劈裂力矩造成管片開(kāi)裂。

3、千斤頂撐靴損壞或重心偏位：盾構(gòu)機(jī)通過(guò)千斤頂作用于管片上向前掘進(jìn).在千斤頂與管片接觸處設(shè)置撐靴以減少管片壓力，撐靴損壞后管片局部壓力增大造成管片損壞或出現(xiàn)裂縫。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中已拼裝的管片中心線與盾構(gòu)機(jī)本身的中心線重合為理想狀態(tài)但在實(shí)際施工中兩條軸線存在偏差千斤頂?shù)闹行臎](méi)有作用在管片環(huán)的中心上，造成管片偏心受壓。

4、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制與線路曲線段不匹配：管片是在盾構(gòu)機(jī)尾部?jī)?nèi)進(jìn)行拼裝，拼裝完成后隧道管片空隙為5cm，盾構(gòu)機(jī)在曲線段掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)變化與管片的姿態(tài)變化不一致，盾尾密封刷擠壓管片造成開(kāi)裂。

5、管理不嚴(yán)格

掘進(jìn)參數(shù)控制不當(dāng)，千斤頂?shù)倪x擇未能兼顧管片走向，技術(shù)交底工作未能落實(shí)。管片拼裝管理不嚴(yán)格，造成錯(cuò)臺(tái)、管片接觸不平順。拼裝前管片檢查不充分，管片上存在污物。

四、工程概況

某市盾構(gòu)地鐵在進(jìn)行巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)既有線(本文稱左線)長(zhǎng)達(dá)95m區(qū)間的多節(jié)管片1點(diǎn)鐘位置內(nèi)側(cè)表面出現(xiàn)了不同程度的裂紋，且伴隨地下水滲漏。統(tǒng)計(jì)表明裂縫隔片出現(xiàn)(圖1，圖2)，絕大多數(shù)沿著隧道軸線方向發(fā)展，且多為通長(zhǎng)，最大寬度達(dá)1．5mm，多處深達(dá)100mm，并有個(gè)別貫通裂縫。而此時(shí)距其6m外的右線剛竣工不久。管片受損段工程地質(zhì)沿隧道縱向剖面如圖3所示。

圖1裂縫現(xiàn)場(chǎng)照片

五、開(kāi)裂原因及數(shù)值分析

影響隧道管片產(chǎn)生裂縫的原因很多，本地鐵管片的裂縫是在地鐵運(yùn)營(yíng)后發(fā)現(xiàn)的，無(wú)法準(zhǔn)確確定管片是在施工還是在使用期間開(kāi)裂的。本文重點(diǎn)從開(kāi)裂段的地質(zhì)原因、管片接頭剛度、右線施工時(shí)對(duì)左線管片受力等方面分析其開(kāi)裂原因，并對(duì)部分原因進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

圖3開(kāi)裂區(qū)間地質(zhì)斷面

1、管片受損段地質(zhì)特點(diǎn)

的影響

分析管片開(kāi)裂區(qū)域的左線地質(zhì)剖面圖(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，與其他區(qū)域相比，受損段地質(zhì)條件較差，洞身范圍為＜5H-2＞花崗巖硬塑土，風(fēng)化劇烈，遇水易軟化，洞底圍巖為＜6H＞花崗巖全風(fēng)化帶。管片上方分布有＜5H-1＞、＜4-1＞、＜3-2＞、＜2-2＞等砂質(zhì)粘土，地層比較軟弱。各層地質(zhì)分層的土性和厚度分別為:＜1＞人工雜填土，厚0．4～2．2m；＜2-1＞淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚2．6～4．6m；＜3-2＞陸相沖洪積砂層，厚1．3～5．9m；＜4-1＞沖-洪積土層，厚3．4～4．0m；＜5H-1＞花崗巖殘積土，厚8．6～15．2m；＜5H-2＞花崗巖殘積土，厚7．0～18．0m；＜6H＞花崗巖全風(fēng)化層，厚5．0～8．0m。

圖4受損管片相鄰段地質(zhì)剖面

受損段隧道地面為某小區(qū)1～3號(hào)樓。建筑物的基礎(chǔ)為15～20m深的錘擊貫入樁，地面環(huán)境復(fù)雜。從地質(zhì)圖可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂段隧道頂部1m以上就是＜5H-1＞(花崗巖殘積土)土層，花崗巖殘積土遇水容易軟化，相關(guān)研究也表明擾動(dòng)后強(qiáng)度參數(shù)降低明顯。地面建筑物、施工時(shí)候土層的擾動(dòng)可能會(huì)引起管片受力狀態(tài)的變化。

2、塌落拱高度增加的影響

根據(jù)上一節(jié)可知，和其他段隧道區(qū)域的地質(zhì)條件相比，開(kāi)裂段的地質(zhì)條件發(fā)生了變化。隧道洞身及洞頂主要為＜5H-1＞、＜5H-2＞礫質(zhì)粘性土，該類土層透水性較強(qiáng)，天然狀態(tài)下具有較好的力學(xué)性質(zhì)，但遇水后極易軟化，強(qiáng)度急劇降低，尤其在具有臨空面的浸水條件下，花崗巖殘積土?xí)蜍浕澜舛Ｍ瑫r(shí)隧道上方靠近地面分布有較大范圍的＜4-1＞沖-洪積土層，地層的特點(diǎn)決定了其對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的擾動(dòng)十分敏感。分析設(shè)計(jì)資料可知，盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)該段時(shí)，地面的某小區(qū)1～3樓發(fā)生了沉降，截止2008年4月地面最大沉降已經(jīng)達(dá)129．6mm，地面沉降可能已經(jīng)引起隧道頂巖土體的擾動(dòng)，應(yīng)力發(fā)生了重分布，并可能使得拱頂塌落拱高度增加。塌落拱高度增加會(huì)使得隧道管片豎向荷載和水平荷載增加，隨著塌落拱高度的增加，當(dāng)管片內(nèi)力超過(guò)其開(kāi)裂荷載時(shí)，管片就會(huì)在拉應(yīng)力最大位置出現(xiàn)裂縫。松弛土壓力的計(jì)算方法―般采用太沙基(Terzaghi)公式，換算土壓力計(jì)算高度h0的計(jì)算公式為:

式中，B1為根據(jù)太沙基公式計(jì)算的隧道拱頂松弛

寬度的一半；K0為水平土壓力與垂直土壓力之比；φ為土的內(nèi)摩擦角；p0為上覆荷載；γ為土的重度。根據(jù)公式(1)可知，如果土體強(qiáng)度降低，隧道管片頂部土壓力增大，使得管片內(nèi)力也增大。

2．3管片接頭剛度的影響

開(kāi)裂區(qū)間管片是錯(cuò)縫安裝，開(kāi)裂發(fā)生在1662～1724環(huán)管片上，所有裂縫均出現(xiàn)在偶數(shù)環(huán)上(隔環(huán)產(chǎn)生)的連接塊上，如圖2所示。裂縫兩端對(duì)應(yīng)管片的封頂塊接頭，封頂塊接頭處的剛度小于管片的彎曲剛度，封頂塊所承受的彎矩比毗鄰的管片所受的小。如果開(kāi)裂區(qū)域的隧道圍壓出現(xiàn)局部增加，由于連接塊剛度比封頂塊接縫處的剛度大，所以連接塊分擔(dān)的荷載多些。

用ANSYS軟件，通過(guò)荷載-結(jié)構(gòu)法建立了管片接頭實(shí)體模型，模型中管片縱縫和管片環(huán)縫均采用等效剛度的彈簧單元建立聯(lián)系，對(duì)模擬螺栓的單元施加初始應(yīng)變，以模擬施工中對(duì)螺栓施加的300N?m預(yù)緊扭矩，地基反力也采用彈簧單元。建立的管片接頭實(shí)體模型見(jiàn)圖5和圖6。

圖5、6錯(cuò)縫拼裝模型

考慮管片接頭剛度效應(yīng)和錯(cuò)縫拼裝的既有隧道整體變形如圖7，可見(jiàn)在一定圍壓作用下，管片在11點(diǎn)鐘方向連接塊的變形比封頂塊的大，進(jìn)一步說(shuō)明外荷載增加時(shí)，連接塊會(huì)承擔(dān)更多的荷載，如果超過(guò)其開(kāi)裂荷載就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

圖7整體管片11點(diǎn)鐘位置的位移放大

六、結(jié)論

隧道管片在使用過(guò)程中的開(kāi)裂主要原因是管片圍壓發(fā)生改變，而引起該段管片圍壓改變的可能原因有:管片受損段的地質(zhì)特點(diǎn)；土體擾動(dòng)引起隧道拱頂塌落拱高度增加；管片背后注漿密實(shí)程度；管片開(kāi)裂位置的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)以及右線施工期間對(duì)左線巖土體的擾動(dòng)。原有應(yīng)力及相鄰線路盾構(gòu)施工引起的附加應(yīng)力的綜合結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)1點(diǎn)處管片內(nèi)側(cè)的綜合拉應(yīng)力最大，達(dá)2．72MPa，已超出C50混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2．65MPa。再加上后期線路施工產(chǎn)生的如圖15的效應(yīng)，以及開(kāi)裂段花崗巖全風(fēng)化＜6H＞軟弱下臥層較厚(圖4)，這些因素作用在一起就直接導(dǎo)致裂縫隔片出現(xiàn)于連接塊上1點(diǎn)附近。

表1管片綜合內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，后施工隧道所產(chǎn)生的塌落拱拱腳作用在臨近的既有隧道斜上方；后線單施工步引起既有線目標(biāo)片最大內(nèi)側(cè)環(huán)向拉應(yīng)力產(chǎn)生于靠近后施工線路的右上1點(diǎn)鐘位置，而11點(diǎn)鐘位置(即背向后施工線路一側(cè))所受影響較小。當(dāng)?shù)叵驴臻g允許時(shí)，建議適當(dāng)加大兩條線路的水平距離，使之相隔1．5倍隧道直徑以上，以避開(kāi)對(duì)方的塌落拱拱腳。同時(shí)先施工的隧道應(yīng)重點(diǎn)對(duì)靠近后施工線路一側(cè)的斜上方土體進(jìn)行加固以應(yīng)對(duì)未來(lái)的附加應(yīng)力及相應(yīng)的變位。錯(cuò)縫形式可改縱向的兩片一循環(huán)為多片一循環(huán)，以減小相鄰片之間錯(cuò)縫角度，減輕相鄰管片在頂部的剛度不連續(xù)性，改善受力狀態(tài)。

七、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，盾構(gòu)隧道管片開(kāi)裂的原因多種多樣，因此，一定要考慮到原因的復(fù)雜性，針對(duì)本文分析的一些主要原因，今后要做好相關(guān)的預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施，確保盾構(gòu)隧道管片的有效性。

【參考文獻(xiàn)】

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關(guān)鍵詞:巖石力學(xué) 教學(xué) 數(shù)值仿真技術(shù)

中圖分類號(hào):G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)06(c)-0184-02

巖石力學(xué)是高等學(xué)校土木工程、水利工程、工程力學(xué)、采礦工程等諸多專業(yè)的必修課,是一門與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合的課程。地下洞室是巖體工程中建造最多的地下構(gòu)筑物,如公路和鐵路隧道、地下廠房等。如何解決在建造地下洞室時(shí)所遇到的各種巖體力學(xué)問(wèn)題,包括巖體的二次應(yīng)力分布、圍巖壓力的計(jì)算等問(wèn)題,將直接影響地下洞室的設(shè)計(jì)與施工工作[1]。

地下開(kāi)挖之前,巖體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)均受到天然應(yīng)力作用而處于相對(duì)平衡狀態(tài)。洞室開(kāi)挖后,洞壁巖體因失去了原有巖體的支撐,破壞了原來(lái)的受力平衡狀態(tài),而向洞內(nèi)空間脹松變形,其結(jié)果又改變了相鄰質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)平衡關(guān)系,引起應(yīng)力、應(yīng)變和能量的調(diào)整,以達(dá)到新的平衡,形成新的應(yīng)力狀態(tài)。我們把地下開(kāi)挖后圍巖中應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整而引起圍巖中原有應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變的作用,稱為圍巖應(yīng)力重分布作用或稱為圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)。圍巖的二次應(yīng)力分布呈彈性與彈塑性兩種分布形式,《巖石力學(xué)》按照由易到難的順序?qū)υ搯?wèn)題進(jìn)行了講解。通過(guò)近幾學(xué)期的教學(xué)情況看,此部分內(nèi)容涉及大量的彈塑性力學(xué)知識(shí)及公式推導(dǎo),大多學(xué)生感覺(jué)枯燥乏味,導(dǎo)致該部分內(nèi)容教學(xué)效果欠佳。下面以“深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)”為例,分析數(shù)值仿真技術(shù)在《巖石力學(xué)》教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用。

1 數(shù)值仿真的實(shí)現(xiàn)

1.1 數(shù)值方法的選用[2]

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。軟件主要包括三個(gè)部分:前處理模塊,分析計(jì)算模塊和后處理模塊。軟件提供了100種以上的單元類型,用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。尤其在分析小變形等彈性力學(xué)問(wèn)題時(shí)具有其他軟件無(wú)法具有的優(yōu)勢(shì),針對(duì)“深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)”分析,采用ANSYS軟件是合適的。

1.2 深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)分析,當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為λ=1時(shí)

計(jì)算模型的尺寸為14m×14m,中間開(kāi)挖一半徑為1m的洞室。邊界條件:固定左側(cè)水平方向的位移、固定下端垂直方向的位移,同時(shí)在模型右側(cè)與上端施加1MPa的壓力。采用平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析。

(圖1、圖2)分別給出了計(jì)算后洞壁周圍圍巖的二次應(yīng)力分布情況,與《巖石力學(xué)》教材中圓形洞室的二次應(yīng)力分布狀態(tài)比較后發(fā)現(xiàn),二者圖形分布一致。切向應(yīng)力隨著r的增大而減小,徑向應(yīng)力卻隨之而增大。當(dāng)距離洞壁四倍的半徑左右位置時(shí),徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力都趨向于圍巖的初始應(yīng)力1MPa,也就是說(shuō),洞室的開(kāi)挖在此種工況下對(duì)圍巖的影響范圍在四倍的半徑范圍之內(nèi)。這一些結(jié)論與《巖石力學(xué)》教材中的內(nèi)容是完全一致的。由于劃分網(wǎng)格等問(wèn)題的影響使得洞壁周邊的徑向應(yīng)力沒(méi)有為零,同時(shí)洞壁邊緣的切向應(yīng)力也不像理論分析的那樣為2MPa。但是比較數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn),二者的差別不大,能夠滿足工程計(jì)算的精度要求。

1.3 深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)分析,當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)不等于1時(shí)

通過(guò)1.2節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn),采用ANSYS軟件對(duì)以上問(wèn)題的分析是準(zhǔn)確可靠的。所以,應(yīng)用ANSYS可以分析當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)不等于1的情況。模型同1.2節(jié),水平方向的荷載改為0.5MPa即側(cè)壓力系數(shù)為λ=0.5,計(jì)算結(jié)果如(圖3、圖4)。從洞壁徑向與切向應(yīng)力分布圖可以看出,此情況下的應(yīng)力分布比側(cè)壓力系數(shù)為1的情況要復(fù)雜的多。即便如此,教師可以比較清晰的對(duì)圖中應(yīng)力分布的特點(diǎn)進(jìn)行分析與講解。學(xué)生也可以從繁瑣的計(jì)算公式中解放出來(lái),對(duì)洞壁周邊圍巖的二次應(yīng)力情況有比較深刻的感性認(rèn)識(shí)。

2 結(jié)語(yǔ)

大多的《巖石力學(xué)》教材中還對(duì)橢圓孔以及其他不規(guī)則空洞問(wèn)題的二次應(yīng)力分布問(wèn)題進(jìn)行了講解,與以上分析的兩種情況相比更加復(fù)雜,計(jì)算公式更加的冗長(zhǎng)。有了數(shù)值模擬方法,我們可以很容易的獲得在不同工況下不同形狀洞室的二次應(yīng)力分布情況。在授課的過(guò)程中,還可以給學(xué)生講解有關(guān)有限元分析的原理,以及ANSYS軟件的具體操作,使得學(xué)生在學(xué)好《巖石力學(xué)》大綱規(guī)定相關(guān)內(nèi)容的同時(shí),開(kāi)闊了他們的視野,提高了學(xué)習(xí)《巖石力學(xué)》課程的興趣與積極性。同時(shí),為以后學(xué)生進(jìn)入更高層次階段的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)輔助工程;ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言;模塊開(kāi)發(fā);齒輪

中圖分類號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)25-7233-02

Development and Application of Gear Simulation System Based on APDL

TAN Li-fang

(Chenzhou Technician College, Chenzhou 423000, China)

Abstract: CAD/CAE is one of the most important computer engineering application techniques. In this paper, by using the secondary development language: APDL (ANSYS Parametric Design Language), the columnar gear simulation system is developed successfully. The system operating interface is simple, and the establishment of the gear parametric model, meshing, finite element intensity calculation and post-processing can be finished very conveniently through clicking the button on the interface. This special module could be used by engineers and technicians to perform computer aided design and finite element analysis of the series columnar gears with same structures but similar size quickly and easily, and this simulation system has a good practical application value.

Key words: Computer Aided Engineering; ANSYS Parametric Design Language; Module Development; Gear

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)及計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)是現(xiàn)代機(jī)械、電子、航空等領(lǐng)域非常重要的技術(shù)手段。傳統(tǒng)的齒輪接觸強(qiáng)度計(jì)算公式均以Hertz公式為依據(jù),其結(jié)果會(huì)與實(shí)際有較大的出入,相比而言,利用有限元法對(duì)工業(yè)中關(guān)鍵的零部件齒輪的嚙合狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真,不但可消除理論計(jì)算中的某些限制條件,還可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,并能保證其工作性能的可靠性,提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。本文利用APDL語(yǔ)言編程,開(kāi)發(fā)一個(gè)齒輪運(yùn)動(dòng)副參數(shù)化設(shè)計(jì)及有限元分析的專用模塊,方便工程技術(shù)人員快捷地完成齒輪傳動(dòng)系列產(chǎn)品的參數(shù)化建模和有限元計(jì)算,為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供重要的技術(shù)保障。

1 CAE技術(shù)及APDL語(yǔ)言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,CAE技術(shù)在工程中的應(yīng)用取得了迅猛的發(fā)展,目前已經(jīng)涌現(xiàn)了許多的大型有限元分析軟件,諸如ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, MARC, ADINA等。本文主要選取ANSYS作為分析軟件,它融結(jié)構(gòu),流體,電場(chǎng),磁場(chǎng),聲場(chǎng)分析于一體。ANSYS按功能作用可以分為若干個(gè)處理器,主要包括前處理器 (Preprocessing)、求解器(Solution)、后處理(General postprocessing)。

ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)是一門可用來(lái)完成有限元常規(guī)分析操作或通過(guò)參數(shù)化變量方式建立分析模型的語(yǔ)言,即程序的輸入可設(shè)定為根據(jù)指定的函數(shù)、變量以及選用的分析類型來(lái)做決定,是完成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的最主要的基礎(chǔ)。APDL允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入,使用戶對(duì)任何設(shè)計(jì)或分析屬性都有控制權(quán),如分析模型的尺寸、材料的性能、載荷、邊界條件施加的位置和網(wǎng)格密度等。APDL擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析的范圍,并擴(kuò)展了更高級(jí)的運(yùn)算,包括靈敏度研究、零件庫(kù)參數(shù)化建模、設(shè)計(jì)修改和設(shè)計(jì)優(yōu)化等。APDL具有下列功能,對(duì)這些功能用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行組合使用或單獨(dú)使用,創(chuàng)建一個(gè)高度完善的分析方案。

?標(biāo)量參數(shù) ?數(shù)組參數(shù) ?表達(dá)式和函數(shù) ?分支和循環(huán)

?重復(fù)功能和縮寫 ?宏 ?用戶程序

2 齒輪數(shù)值仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

2.1 齒輪參數(shù)賦值對(duì)話框的創(chuàng)建

首先輸入以下命令,創(chuàng)建齒頂高系數(shù)和間隙系數(shù)兩個(gè)參數(shù)的輸入對(duì)話框。

*ASK,ha,Input coefficient of hight with teeth,1! 輸入齒頂高系數(shù)ha

*ASK,c,Input coefficient of clearance with teeth,0.25! 間隙系數(shù)c

編寫下列宏文件,創(chuàng)建多參數(shù)輸入對(duì)話框。

MULTIPRO,'start',5

*cset,1,3,z1,'The number teeth of smaller gear',28 !輸入主動(dòng)輪齒數(shù)z1

*cset,4,6,z2,'The number teeth of larger gear',36!輸入從動(dòng)輪齒數(shù)z2

*cset,7,9,m,'The module of larger end(mm)',5 !輸入齒輪模數(shù)m

*cset,10,12,alf,'The pressure angle(deg)',25 !輸入壓力角alf

*cset,13,15,b,'The width of gear tooth(mm)',40 !輸入齒寬b

MULTIPRO,'end'

運(yùn)行該宏后,彈出圖3所示對(duì)話框。在文本框中分別輸入所需參數(shù)值,然后單擊OK按鈕,便完成了建模前的參數(shù)設(shè)置。

2.2 有限元分析宏程序文件的編寫

有限元分析主要包括齒輪模型建立及網(wǎng)格劃分、載荷施加及求解、結(jié)果查詢等過(guò)程,本文分別通過(guò)建立GEAR_MODAL.MAC,GEAR_SOLVE.MAC,PLOT_STRESS.MAC三個(gè)宏程序文件來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪嚙合傳動(dòng)的應(yīng)力計(jì)算。限于篇幅,在此只列出部分程序代碼供學(xué)習(xí)參考。

pi=3.14159265358979

angle1=alf*pi/180r1=m*z1/2!分度圓半徑

RB1=r1*cos(angle1) !基圓半徑

RA1=m*(z1+2*ha)/2!齒頂圓半徑

RF1=m*(z1-2*ha-2*c)/2!齒根圓半徑

r2=m*z2/2

RB2=r2*cos(angle1)

RA2=m*(z2+2*ha)/2

RF2=m*(z2-2*ha-2*c)/2

angle2=180/z1!鏡像旋轉(zhuǎn)角

angle3=(pi/2/z1+tan(angle1)-angle1)*180/pi

angle4=(pi/2/z1+tan(angle1)-angle1)*180/pi angle22=180/z2

angle23=(pi/2/z2+tan(angle1)-angle1)*180/pi

angle24=(pi/2/z2+tan(angle1)-angle1)*180/pi

/prep7

csys,4!激活工作坐標(biāo)系

wprot,-angle3,0,0 !初始偏轉(zhuǎn)角度

K,1,0,0

*do,t,0,1,0.01

*SET,x,rb1*(cos(t)+t*sin(t)) !漸開(kāi)線方程

*SET,y,rb1*(sin(t)-t*cos(t))

k,,x,y,0!開(kāi)始生成關(guān)鍵點(diǎn)

*enddo

flst,3,101,3!連點(diǎn)成線

*do,t,2,102

fitem,3,t

*enddo

bsplin,,p51x!生成樣條曲線

KDELE, 3, 101, 1!刪多余點(diǎn)

NUMCMP, KP

wprot,angle4,0,0

LSYMM,Y,1, , , ,0,0

circle,1,ra1!畫齒頂圓

circle,1,rf1!畫齒根圓

circle,1,r1/2

K,10001,ra1*cos(pi/z1),ra1*sin(pi/z1),0,

K,10002,ra1*cos(pi/z1),-ra1*sin(pi/z1),0,

3 仿真系統(tǒng)的工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的齒輪分析專用模塊的正確性,任意選取工程中的一對(duì)嚙合齒輪對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,各參數(shù)如下:齒頂高系數(shù)和間隙系數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值,z1=20,z2=40,m=10,alf=30°,b=50。進(jìn)入ANSYS操作環(huán)境后,依次點(diǎn)擊所開(kāi)發(fā)的模塊中的按鈕(如圖4所示),系統(tǒng)可以自動(dòng)完成建立齒輪模型、劃分網(wǎng)格、施加邊界條件和載荷、求解計(jì)算及結(jié)果查詢等一系列工作,考慮其嚙合狀態(tài),在有限元計(jì)算時(shí)各取5個(gè)齒,計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖5~圖8。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)編程,開(kāi)發(fā)了圓柱齒輪數(shù)值模擬仿真專用系統(tǒng)。該模塊將齒輪設(shè)計(jì)過(guò)程中的所有關(guān)系式融入所編寫的應(yīng)用程序中,在程序的控制下,順序執(zhí)行這些關(guān)系式,通過(guò)與用戶交互的方式來(lái)完成齒輪的建模和有限元分析。

宏程序全部基于賦初值對(duì)話框中所給定的齒輪變量參數(shù),用戶只要按實(shí)際要求輸入齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等結(jié)構(gòu)幾何參數(shù),便馬上可以完成齒輪嚙合的有限元計(jì)算過(guò)程,得到齒輪工作情況下的應(yīng)力和變形分布規(guī)律,無(wú)需工程技術(shù)人員具備較高的繪圖能力、數(shù)學(xué)和力學(xué)相關(guān)知識(shí),能有效地推廣CAE技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

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[3] John A, Faydor L. Computerized integrated approach for design and stress analysis of spiral bevel gears[J]. Comput Method Appl Mech Engrg, 2002, 191:1057-1095.

篇6

【關(guān)鍵詞】二階運(yùn)動(dòng)；動(dòng)力學(xué)建模；數(shù)值仿真

隨著全球環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重和能源的不斷枯竭，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，研發(fā)新型高效率低能耗的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。而作為發(fā)動(dòng)機(jī)中主要的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，曲軸連桿活塞系統(tǒng)在整機(jī)中占有極其重要的地位，其動(dòng)力學(xué)學(xué)性能直接影響到了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性和耐久性。所以對(duì)于某一型號(hào)新型發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其核心部件曲軸連桿系統(tǒng)做動(dòng)力學(xué)分析就顯得極其重要了，本文就針對(duì)某一新型發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其特殊的曲軸連桿活塞系統(tǒng)，做動(dòng)力學(xué)建模并進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得到其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

1系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

1.1活塞受力分析[2][3]

活塞受力分析，為活塞側(cè)向油膜支撐力，為活塞側(cè)向摩擦力，其方向由活塞的速度方向決定，為連桿小頭給活塞銷的力，點(diǎn)為活塞的質(zhì)心，其中活塞的質(zhì)量為，活塞銷的質(zhì)量為。為活塞繞活塞銷中心轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而為活塞繞活塞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 為油膜壓力轉(zhuǎn)矩，為油膜主阻力力矩。

方向力平衡方程：

方向力平衡方程：

活塞力矩平衡方程：

對(duì)曲軸、連桿、活塞分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、受力分析以后，通過(guò)彼此之間的幾何關(guān)系約束，作用力反作用力關(guān)系，可以消去中間量，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、連桿運(yùn)動(dòng)、曲軸運(yùn)動(dòng)均用曲軸處的表示，然后結(jié)合活塞的二階運(yùn)動(dòng)，從而得到整體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。

1.2 活塞缸套系統(tǒng)流體動(dòng)壓建模

Patir Nadir和Cheng H.S在1978年提出的模型[4]，經(jīng)吳承偉教授改進(jìn)，含有接觸因子、壓力流量因子和剪切流量因子的普通雷諾方程適用于本文模型，經(jīng)過(guò)必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)，結(jié)果具體模型，可以得到活塞-缸套系統(tǒng)的平均流量模型雷諾方程簡(jiǎn)化為：

該方程中，所有粗糙度和接觸變形對(duì)動(dòng)壓的影響都?xì)w結(jié)于四個(gè)因素：，，，。，，分別為兩個(gè)方向的壓力流量因子以及剪切流量因子，是表面粗糙度紋向參數(shù)γ和膜厚比的函數(shù)，為接觸因子，為膜厚比的函數(shù)，與粗糙度紋向參數(shù)無(wú)關(guān)。為活塞的半徑；θ為活塞周向角度；為油膜的厚度，可以通過(guò)活塞的二階運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)表示；為缸套軸向方向；η為油的粘度；為平均流體壓力；為時(shí)間；為活塞的軸向速度；為活塞的橫向速度。

1.3 曲軸主軸承系統(tǒng)流體動(dòng)壓建模

上式為適合于動(dòng)載徑向軸承的雷諾定律，其中為油膜的厚度，可以通過(guò)曲軸的徑向運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)表示，為油膜壓力，為軸承的半徑， 為曲軸主軸頸的半徑，為曲軸周向角，為劑的密度，η為劑的粘度，為曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

油膜反力在和方向的分量為：

其中，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型中，所以曲軸-主軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相互耦合，互相影響。

在建立曲軸活塞連桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、活塞缸套流體動(dòng)壓模型、曲軸主軸承流體動(dòng)壓模型之后，系統(tǒng)整體模型就建立完畢。

2 數(shù)值模擬

求解方法確定。

求解雷諾方程，運(yùn)用有限差分法進(jìn)行差分，然后用SOR超松弛迭代法進(jìn)行迭代求解，可以求得油膜壓力的分布，然后在活塞表面對(duì)壓力分布進(jìn)行積分，得到油膜對(duì)活塞的側(cè)向壓力和摩擦阻力。

根據(jù)所建立的曲軸連桿活塞動(dòng)力學(xué)模型、活塞缸套流體動(dòng)壓模型、曲軸主軸承流體動(dòng)壓模型，結(jié)合具體的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，按照所確定的算法和求解流程，進(jìn)行編程求解，得到活塞二階運(yùn)動(dòng)以及活塞、曲軸受的油膜力。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1活塞二階運(yùn)動(dòng)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)模型的編程求解，可以得到六組活塞的二階運(yùn)動(dòng)規(guī)律及六組活塞所受的油膜側(cè)向力以及摩擦阻力的變化情況，由于活塞的二階運(yùn)動(dòng)主要受到燃爆力和慣性力的綜合作用，所以六組活塞的二階運(yùn)動(dòng)及受力情況變化規(guī)律基本類似，相差一定的相位角，而計(jì)算結(jié)果也說(shuō)明這個(gè)趨勢(shì)，所以此處重點(diǎn)分析其中一組活塞的二階運(yùn)動(dòng)與所受油膜側(cè)向力、摩擦阻力的變化規(guī)律。

可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)過(guò)程中，活塞不僅要在缸套內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而且要做橫向的微小平動(dòng)和偏擺，即大部分的時(shí)候，或者并不處于缸套的中心位置，而是處于兩側(cè)比較靠近活塞缸壁的位置，由圖6可以知道，在一個(gè)周期內(nèi)，活塞要經(jīng)過(guò)四次換向，在70°左右的時(shí)候，活塞靠近缸套的右壁，且偏擺角為正，活塞裙部上端更接近于缸壁，在300°左右的時(shí)候，活塞靠近缸套的左壁，且偏擺角為負(fù)，所以活塞裙部的上端更接近與缸壁，在345°左右的時(shí)候，活塞的橫向位移和偏擺量均達(dá)到最大，活塞在此刻迅速靠近缸套的右壁，且在短時(shí)間內(nèi)快速大幅度的變向，因?yàn)榇丝袒钊幱?15°―495°做功沖程，活塞快速?gòu)母滋鬃髠?cè)接近缸套的右壁，活塞的二階運(yùn)動(dòng)在此刻達(dá)到最大，橫向位移的最大值為0.05mm。在570°左右的時(shí)候，活塞靠近缸套的左壁。由以上的曲線變化可以知道，活塞在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，更接近于右壁。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)曲軸、六組連桿活塞、主軸承、缸套整體系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模，并進(jìn)行數(shù)值模擬，求解得到活塞二階運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，得到對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義的結(jié)果。在以后的研究中，作者將使用動(dòng)力學(xué)仿真軟件adams對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證修正模型，在后續(xù)分析中，模型將加入溫度的影響因素，并考慮活塞環(huán)的影響，使模型更接近與真實(shí)情況。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉延柱.高等動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000.

篇7

1 引言

復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)（Automated Fiber Placement）綜合了自動(dòng)鋪帶（ALT）和纖維纏繞（FW）的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了復(fù)雜曲面多變的要求，為復(fù)雜曲面成型制造提供了一種極佳的方法，屬于國(guó)際前沿技術(shù)，在航空、航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。美國(guó)全球鷹無(wú)人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩（圖1（a）所示）與X-47B艦載無(wú)人機(jī)的蛇形進(jìn)氣道（圖1（c）所示）都采用了AFP成型技術(shù)。

下面將剖析環(huán)形復(fù)雜曲面鋪絲時(shí)的模具形變機(jī)理，并通過(guò)有限元法加以分析。

2 AFP成型時(shí)環(huán)形曲面模具形變的來(lái)源及其影響

2.1 AFP成型時(shí)環(huán)形曲面模具形變的來(lái)源

（a）所示的是S形進(jìn)氣道成型模具，（b）所示的是蛇形進(jìn)氣成型模具。那么對(duì)它們進(jìn)行AFP成型時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸放置在AFP系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)支架上，由AFP伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)并進(jìn)行AFP成型操作。根據(jù)AFP成型時(shí)的形變來(lái)源不同，模具形變分為三類；靜態(tài)形變、動(dòng)態(tài)形變和載荷形變。

AFP成型時(shí)大多使用鋼模，即使采用空心結(jié)構(gòu)，重量仍然較大。模具在自身重力作用下的形變，稱為靜態(tài)形變；環(huán)形類曲面進(jìn)行回轉(zhuǎn)鋪絲成型時(shí)，模具在離心力的作用下發(fā)生的形變，稱為動(dòng)態(tài)形變，例如，由于嚴(yán)重的不對(duì)稱性，同樣鋪放參數(shù)條件下，圖2所示的蛇形進(jìn)氣道模具動(dòng)態(tài)形變將會(huì)比S形進(jìn)氣道模具大很多；由于AFP成型不可避免需要鋪絲頭的滾壓作用，滾壓力帶來(lái)的模具變形，稱為載荷形變。

2.2 三種形變的影響

AFP成型的產(chǎn)品形變由成型和固化兩個(gè)階段決定，控制成型時(shí)的形變是基礎(chǔ)，是本研究的重點(diǎn)，在此需要分析其對(duì)最終產(chǎn)品形變的影響。固化產(chǎn)生的形變則與鋪絲的路徑有關(guān)，屬于另外一種形變類型，在此不做分析。

（1）靜態(tài)形變的影響。由于AFP成型之后，復(fù)合材料要與模具一起放置在熱壓罐成型。因此，模具靜態(tài)形變的影響一直會(huì)伴隨著產(chǎn)品的整個(gè)成型、固化過(guò)程，不會(huì)解除。為了控制產(chǎn)品制造的誤差，模具制造和模具靜態(tài)形變都需要分取公差的一部分。

（2）動(dòng)態(tài)形變的影響。由于動(dòng)態(tài)形變是在模具回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的，當(dāng)AFP成型完成之后，理論上可以消失。但實(shí)際上，如果動(dòng)態(tài)形變太大時(shí)，則可能破壞原有的連接狀態(tài)，仍需要加以控制。

（3）載荷形變的影響。盡管載荷形變影響有限，但由于它會(huì)影響到材料的均勻性，也需要加以控制。

總之，上述三種形變都需要加以控制。為了提前知道理想條件下控制的效果，采用ANSYS對(duì)控制效果進(jìn)行FEM分析，很有必要。

3 蛇形管道形變仿真分析

為了更好地控制AFP成型形變，需要通過(guò)仿真來(lái)預(yù)測(cè)，以便采取反制措施。

3.1 靜態(tài)形變與載荷形變的仿真

將圖2（b）所示的蛇形進(jìn)氣的成型模具輸入ANSYS Workbench系統(tǒng)。選擇合理的單元?jiǎng)澐志龋?.5mm），采用的單元類型為Solid 186，對(duì)其進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分。再選擇在ANSYS Workbench的simulation模塊中，打開(kāi)相關(guān)的對(duì)話框，按表1填入屬性值。在模具兩端加以支撐約束，整個(gè)模具受到體分布的重力作用。在上述條件下對(duì)蛇形進(jìn)氣的成型模具進(jìn)行FEM分析，得出靜態(tài)的豎向形變?cè)茍D如圖3（a）所示。

3.2 動(dòng)態(tài)形變的仿真

在靜態(tài)分析之后，將模型的密度改為0值，其余不變。設(shè)定其旋轉(zhuǎn)角速度為15r/min。選擇旋轉(zhuǎn)中心，對(duì)該模具的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)形變進(jìn)行有限元分析，得到動(dòng)態(tài)豎向形變?cè)茍D如圖3（b）所示。

3.3 載荷形變的仿真

載荷形變分析，材料密度設(shè)為0值，加載大小為25公斤，加載范圍約為50mm×120mm范圍（中部、均布）。得出相應(yīng)的豎向形變?cè)茍D如圖3（c）所示。

4 仿真結(jié)果總結(jié)及形變控制策略

通過(guò)上面的有限元分析，總結(jié)如下：

（1）靜態(tài)形變最大，為主要形變來(lái)源，需要加以嚴(yán)格控制；

（2）動(dòng)態(tài)形變?cè)谳^低轉(zhuǎn)速時(shí)，可控制在理想范圍內(nèi)；

（3）正常的滾壓力帶來(lái)的載荷形變非常有限，可以忽略。

根據(jù)上面總結(jié)，相應(yīng)的控制策略為：

（1）在模具設(shè)計(jì)、制造和安裝時(shí)，盡可能考慮模具的靜態(tài)剛度；

（2）對(duì)于轉(zhuǎn)軸非對(duì)稱性較大的環(huán)形曲面，AFP成型時(shí)的轉(zhuǎn)速，應(yīng)適度加以控制。

5 結(jié)論

通過(guò)FEM分析，環(huán)形復(fù)雜曲面自動(dòng)鋪絲成型時(shí)的形變，有三種來(lái)源。本研究通過(guò)FEM確定了它們的大小順序，分清它們主次關(guān)系，并提出了相應(yīng)的控制策略。

參考文獻(xiàn)

[1]盧敏.圓筒件的鋪絲路徑生成算法[J].航空學(xué)報(bào)，2011，32（1）：181-186.

[2]周D，安魯陵，周來(lái)水.復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲路徑生成技術(shù)研究[J].航空精密制造技術(shù)，2006，42（2）：39-41.

篇8

關(guān)鍵詞：船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)；仿真應(yīng)用；數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

引言

本文在對(duì)Visual C++6.0，Matlab以及SQL Server2000數(shù)據(jù)庫(kù)間接口的分析，提出了借助以上三者混合編程下的船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)內(nèi)，把各個(gè)動(dòng)力裝置系統(tǒng)的參數(shù)預(yù)先儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)表中，仿真時(shí)在船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)的模型中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真。本文在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器內(nèi)存入相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)，而且有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)客戶端的計(jì)算機(jī)就可以接受該數(shù)據(jù)服務(wù)，并利用通信協(xié)議來(lái)促進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸，為分布形式的可視仿真打下良好基礎(chǔ)。

一、船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建

本文在建模和仿真中以13000 DWT散貨船作為原始，對(duì)于建模仿真的設(shè)計(jì)，首先就是對(duì)各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型予以建立，然和對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行組合，并有機(jī)結(jié)合全部設(shè)備模型，進(jìn)而對(duì)動(dòng)力裝置系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)性進(jìn)行研究。

1、增壓柴油機(jī)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型

該渦輪形成的扭轉(zhuǎn)可以用如下公式表示：

在上式中，渦輪流量用Gt來(lái)表示，Ke指的是渦輪內(nèi)部氣體絕熱數(shù)值，氣體常數(shù)則用Re表示。那么增壓轉(zhuǎn)速的表達(dá)式則為：

在四沖程的柴油機(jī)中，掃氣流量和吸氣流量是進(jìn)氣閥流過(guò)的空氣量的組成部分。其中，掃氣量在計(jì)算上比較復(fù)雜。不過(guò)，一旦得到掃氣系數(shù)Φs的話，就可以通過(guò)Gi=ΦsGij來(lái)計(jì)算得到；對(duì)于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速nd而言，可以用如下公式計(jì)算：

在上式中，柴油機(jī)軸承到離合器半A軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用Id表示，Qms則是摩擦力扭矩，螺旋槳的負(fù)荷矩則用Mp表示。

2、減速齒輪模型

可以用nd=npi來(lái)表示螺旋槳與柴油機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系，二者之間的扭轉(zhuǎn)關(guān)系則可以用Qe=Qp/i來(lái)表示。其中，螺旋槳的轉(zhuǎn)速為np，螺旋槳上的扭矩則為Qp。

3、組裝后的仿真模型

對(duì)于上述數(shù)學(xué)模型，在Simulink或者M(jìn)atlab中構(gòu)建各個(gè)相對(duì)的模塊，然后有機(jī)組合這些模塊，最后就可以完成動(dòng)力裝置系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建。

二、軟件之間的接口

1、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)

Visual C++6.0提供了ODBC、DAO、RDO等多種數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)工具，以上工具中，ODBC無(wú)論是在關(guān)系數(shù)據(jù)連接上還是在開(kāi)放性都相對(duì)最優(yōu)。除了本機(jī)驅(qū)動(dòng)程序外，多數(shù)據(jù)庫(kù)還包含針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)ODBC的驅(qū)動(dòng)程序。

2、數(shù)據(jù)庫(kù)和Matlab的連接

對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)和Matlab之間的連接，一般應(yīng)借助于ODBC或者JDBC Bridge。它可以作為Matlab的組成部分而被自動(dòng)設(shè)置，C語(yǔ)言可以把JDBC進(jìn)行ODBC APIS的轉(zhuǎn)換，并且傳送到指定數(shù)據(jù)庫(kù)的驅(qū)動(dòng)程序中。如圖1所示，為其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。在Matlab針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作中，必須先取得了數(shù)據(jù)庫(kù)的句柄，其次才能進(jìn)行相應(yīng)的函數(shù)操作。

3、Matlab/Simulink和Visual C++6.0的接口操作方案

Matlab引擎作為一組函數(shù)，用戶通過(guò)該組函數(shù)能夠在應(yīng)用程序中控制Matlab，也就是將Matlab視為一個(gè)計(jì)算引擎來(lái)運(yùn)用。對(duì)于Visual C++6.0來(lái)說(shuō)，為了連接Matlab，可以借助于engOpen（），engOutputBuffer（），engEvalString（），engPutVariable（）等函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)二者的連接。另外，Simulink能夠用框圖形式來(lái)表現(xiàn)模型，而且可以對(duì)各個(gè)模塊參數(shù)任意修改，并支持借助于Matlab指令形式構(gòu)建的Simulink模型，在此基礎(chǔ)上運(yùn)行Simulink模型，設(shè)定相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)。還可以在對(duì)Simulink模型進(jìn)行操作過(guò)程中應(yīng)用Matlab/Simulink和Visual C++6.0的接口。

三、動(dòng)力裝置系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

1、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)源配置

對(duì)于SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)始“Enterprise Mangager”，并建立名稱是“fangzhen”的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的參數(shù)包含沖程、額定轉(zhuǎn)速、氣缸直徑、汽缸數(shù)、中冷器效能系數(shù)、活塞形成、噴油量、柴油機(jī)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)量、渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)量、齒輪減速比例、船體質(zhì)量、螺旋槳直徑等等，在數(shù)據(jù)表simulink中儲(chǔ)存以上數(shù)據(jù)。應(yīng)用Windows內(nèi)的開(kāi)始按鈕并進(jìn)入到管理工具中，選取并進(jìn)入到ODBC數(shù)據(jù)源管理內(nèi)，數(shù)據(jù)源選擇為SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)，在經(jīng)過(guò)SQL Server驗(yàn)證之后，選取“fangzhen”數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置成默認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)“測(cè)試數(shù)據(jù)源”進(jìn)行點(diǎn)擊，并顯示出測(cè)試成功即可。

2、應(yīng)用Visual C ++來(lái)建立用戶界面

借助于MFC向?qū)?lái)構(gòu)建vinsitdatabase的應(yīng)用程序，以sinmulink來(lái)當(dāng)做數(shù)據(jù)源，在主對(duì)話框界面內(nèi)加載“開(kāi)啟引擎”、“參數(shù)讀取”、“仿真運(yùn)行”、“結(jié)果入庫(kù)”等按鈕，并關(guān)閉引擎。成員函數(shù)則需要對(duì)應(yīng)OnGetParanmeter（）、OnStartEngine（）、OnInsertData、OnRunSimulink（）等，并在編譯之后運(yùn)行。

3、功能的實(shí)現(xiàn)

在程序運(yùn)行后，對(duì)“開(kāi)啟程序”、“參數(shù)讀取”、“仿真運(yùn)行”、等依次點(diǎn)擊，這樣該動(dòng)力裝置系統(tǒng)模型就可以在參數(shù)讀取的基礎(chǔ)上實(shí)施仿真運(yùn)算。仿真過(guò)程中，轉(zhuǎn)速指令在前10秒內(nèi)從500r/min增加到600r/min，仿真時(shí)間則在10min左右。之后對(duì)“結(jié)果入庫(kù)”電機(jī)，把各個(gè)仿真結(jié)果全部保存到數(shù)據(jù)庫(kù)表中。

結(jié)論

綜上所述，在數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用上，本文不僅實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)仿真參數(shù)由數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸?shù)絊imulink模型的過(guò)程中，還在SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中保存了以上仿真結(jié)果。結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)可以醋精模型通用性的提高，達(dá)到向不同計(jì)算機(jī)上傳輸仿真結(jié)果的目的，基本上實(shí)現(xiàn)了公共虛擬平臺(tái)的應(yīng)用需要。

參考文獻(xiàn)

篇9

關(guān)鍵詞：復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)；基于智能體建模；經(jīng)濟(jì)仿真；Swarm

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-828X（2012）10-0-03

一、引言

自二十世紀(jì)五十年代博弈論學(xué)科基礎(chǔ)和理論體系建立伊始，博弈論就被廣泛應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，并逐漸成為研究社會(huì)、經(jīng)濟(jì)主體行為與利益關(guān)系的有力工具。在博弈理論發(fā)展的同時(shí)，另一項(xiàng)加速人類歷史發(fā)展進(jìn)程的技術(shù)誕生了，那就是計(jì)算機(jī)科學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的體積越來(lái)越小，運(yùn)算速度越來(lái)越快，功能越來(lái)越強(qiáng)，在計(jì)算機(jī)環(huán)境模擬經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的可能性大大增加。約翰·霍蘭于1994年提出了著名的復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)理論（Complex Adaptive System，簡(jiǎn)稱CAS），為人們研究經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)提供了一種重要的思路與方法，該理論同時(shí)成為目前經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真研究的理論基礎(chǔ)。在具備了理論基礎(chǔ)與技術(shù)基礎(chǔ)之后，計(jì)算機(jī)環(huán)境下的虛擬經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真方法成為一種全新的研究手段。以霍蘭提出的CAS理論為基礎(chǔ)的，基于智能體建模的系統(tǒng)仿真方法成為博弈論研究的有力擴(kuò)展，用以驗(yàn)證博弈理論的正確性，研究經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的演化過(guò)程，并推演新的結(jié)論?，F(xiàn)在，經(jīng)濟(jì)仿真方法作為實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的一種研究手段，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、金融各領(lǐng)域的研究，對(duì)于經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演化、經(jīng)濟(jì)主體特征和政策模擬等領(lǐng)域的研究做出了突出貢獻(xiàn)。

二、國(guó)外經(jīng)濟(jì)仿真研究綜述

基于智能體建模的經(jīng)濟(jì)仿真方法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種較為前沿的經(jīng)濟(jì)理論研究手段。由于國(guó)外計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)科學(xué)等基礎(chǔ)理論發(fā)展較為成熟，因此對(duì)于經(jīng)濟(jì)仿真的應(yīng)用研究成果非常豐富。

美國(guó)的ASPEN模型可以說(shuō)是經(jīng)濟(jì)仿真方法應(yīng)用最早、成就最大的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真模型。ASPEN模型是美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的基于微觀經(jīng)濟(jì)主體的經(jīng)濟(jì)仿真模型，主體自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)特性的引入使得該模型對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的模擬更加接近于真實(shí)情況。ASPEN模型作為一個(gè)政策模擬平臺(tái)，對(duì)美國(guó)的財(cái)政、金融領(lǐng)域政策的制定提供了重要的參考。

Strader、Lin和Shaw（1998）①對(duì)分散式裝配供應(yīng)鏈的訂單執(zhí)行情況進(jìn)行了仿真研究，對(duì)經(jīng)濟(jì)仿真方法在供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了嘗試。Bruun和Luna（1999）②利用開(kāi)放性的Swarm仿真平臺(tái)建立了一個(gè)用以模擬宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的仿真模型，并通過(guò)該模型對(duì)經(jīng)濟(jì)的內(nèi)生增長(zhǎng)理論進(jìn)行了仿真研究。Sapienza（2000）③建立了人工勞動(dòng)力市場(chǎng)，模擬了不同類型的勞動(dòng)力在市場(chǎng)中的流動(dòng)，將經(jīng)濟(jì)仿真方法引入到了人力資源研究領(lǐng)域。Corazza（2000）④利用隨機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)研究了壟斷市場(chǎng)中供給方造假問(wèn)題，對(duì)特定市場(chǎng)結(jié)構(gòu)中的經(jīng)濟(jì)主體行為特征進(jìn)行了研究。Tout和Stender（2001）⑤建立了一個(gè)具有適應(yīng)性的經(jīng)濟(jì)仿真模型，研究指出了霍蘭提出的遺傳算法仿真模型的某些限制，及該模型與博弈論、控制論和進(jìn)化論之間關(guān)系的缺陷，探討了仿真模型在不同研究領(lǐng)域的適用性問(wèn)題。Luna和Perrone（2001）⑥在綜合了一系列學(xué)者在Swarm仿真平臺(tái)的研究成果基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地闡述了基于智能體的經(jīng)濟(jì)金融仿真模型在Swarm仿真平臺(tái)上的應(yīng)用，為Swarm仿真平臺(tái)的推廣和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。Francesco Luna 和Benedikt Stefannson（2001）⑦編著了一部系統(tǒng)全面的在Swarm仿真平臺(tái)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)仿真研究的專著，該著作系統(tǒng)論述了基于智能體建模和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)仿真中的運(yùn)用，同時(shí)也較為詳盡地在技術(shù)層面上探討了Swarm仿真平臺(tái)的應(yīng)用，并綜合了各個(gè)領(lǐng)域的Swarm仿真研究成果，成為日后經(jīng)濟(jì)仿真研究的重要參考。LeBaron（2002）⑧建立了人工股票市場(chǎng)，將基于智能體的建模運(yùn)用到了股票市場(chǎng)投資者行為的研究領(lǐng)域，使經(jīng)濟(jì)仿真方法的應(yīng)用逐漸從宏觀系統(tǒng)演化層面深入到微觀經(jīng)濟(jì)主體行為研究層面。Foster（2005）⑨對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行了深層次的探討，研究指出，對(duì)于經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的研究不能過(guò)于簡(jiǎn)單，要從系統(tǒng)的整體性和復(fù)雜性深入分析經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系。Jeffrey（2006）⑩指出目前的經(jīng)濟(jì)仿真研究中的經(jīng)濟(jì)變量大都具有排外性，如果要引入某些非經(jīng)濟(jì)類變量，通常要以效用函數(shù)的方式，基于此種情形，Jeffrey建立了一個(gè)用以引入非經(jīng)濟(jì)類變量的模型框架，擴(kuò)展了經(jīng)濟(jì)仿真模型中對(duì)于非經(jīng)濟(jì)類要素變量的應(yīng)用范圍。

三、國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)仿真研究綜述

篇10

【Abstract】The teaching statute and problems in materials preparation technology for metallurgical engineering are analyzed. The key measures in the reform of teaching contents and methods are introduced. Based on the virtual simulation， the modes in teaching and practice are innovated to meet the development of new engineering course.

【Key words】Metallic metallurgical engineering； Teaching reform； Virtual simulation； Innovation

全面深化教育改革向素質(zhì)教育推進(jìn)、發(fā)展，逐漸形成了以就業(yè)為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、以創(chuàng)新能力為本位的教學(xué)理念[1]。而教學(xué)理念和教學(xué)模式的新穎程度是目前眾多具有服務(wù)地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展特色的高等工科院校在專業(yè)課教學(xué)過(guò)程中需要加以重視的核心問(wèn)題，亟待探索解決傳統(tǒng)、單一教學(xué)模式和方法的新舉措。因此，針對(duì)金屬冶金工程方向材料制備技術(shù)的性質(zhì)、特點(diǎn)與重要地位，分析課程教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，結(jié)合我校新建立的虛擬仿真平臺(tái)，提出能夠切實(shí)改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段的關(guān)鍵措施。

1 教學(xué)與實(shí)習(xí)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

材料制備技術(shù)是金屬冶金工程方向的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是使學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論與專業(yè)技能，培養(yǎng)專門技術(shù)人才和創(chuàng)新型人才。該課程集理論、操作和應(yīng)用于一體，涉及材料制備原理、設(shè)備及工藝等方面[2]。目前主要是單一課堂講授為主的靜態(tài)教學(xué)，學(xué)生處于被動(dòng)接受狀態(tài)，創(chuàng)新思維和能力得不到訓(xùn)練、提高。

材料制備技術(shù)所涉及的加工工藝流程繁雜，充斥著諸如難聞氣味的污染物、高?；瘜W(xué)品等因素[3]。在工廠實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中為了學(xué)生安全考慮，原有的知識(shí)應(yīng)用與實(shí)踐純粹變成了走馬觀花式的觀摩過(guò)程，學(xué)生只能看到整個(gè)工藝的簡(jiǎn)單流程，無(wú)法近距離接觸到一些實(shí)際現(xiàn)象，也無(wú)法體會(huì)涉及的科學(xué)問(wèn)題，制約了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的提高。目前的教學(xué)方法與實(shí)習(xí)模式已不適應(yīng)新形勢(shì)下的要求，改革與創(chuàng)新勢(shì)在必行。

2 教學(xué)改革的關(guān)鍵措施

2.1 改革課程內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)

材料制備技術(shù)既涉及了物理和化學(xué)的知識(shí)，又涵蓋了冶金、鑄造、塑性變形、熱處理等材料科學(xué)知識(shí)，對(duì)授課教師的有效教學(xué)和學(xué)生的高效消化、吸收非常不利[2]。對(duì)于我校這類具有服務(wù)地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展特色的高等工科院校而言，應(yīng)該結(jié)合廣西有色金屬資源冶煉、加工和產(chǎn)業(yè)化的區(qū)域優(yōu)勢(shì)，課程改革要側(cè)重于有色金屬材料制備理論、方法和技術(shù)方面，突出鋁合金、鎂合金以及鋁基復(fù)合材料的冶煉、鑄造和深加工內(nèi)容。課程內(nèi)容核心要緊密圍繞在區(qū)內(nèi)具有行業(yè)特色的南南鋁等大型企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用周圍，應(yīng)切實(shí)結(jié)合廠實(shí)際應(yīng)用的工藝技術(shù)，講授一些新知識(shí)，解決一些新問(wèn)題，達(dá)到促進(jìn)行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的目的。

2.2 改革教學(xué)方法

材料制備技術(shù)應(yīng)適當(dāng)去理論化，突出實(shí)踐性，追求主動(dòng)性，開(kāi)拓獨(dú)立思考的空間，形成以提高學(xué)生創(chuàng)新能力為本位的教學(xué)理念與方法。將3D動(dòng)畫等多媒體技術(shù)融入傳統(tǒng)的授課方法中，交叉運(yùn)用案例式、互動(dòng)式、討論式等教學(xué)模式，著重解決教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)[3-4]。充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+材料制備技術(shù)”。針對(duì)相對(duì)復(fù)雜的鑄造、塑性加工和熱處理，通過(guò)建模仿真模擬金屬構(gòu)件的微觀組織演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)組織、宏觀尺寸、工藝參數(shù)的優(yōu)化，讓學(xué)生對(duì)課程知識(shí)加以深入理解、運(yùn)用。

2.3 加強(qiáng)交流合作

為了突出學(xué)生的應(yīng)用與實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，要形成以加強(qiáng)科研、學(xué)術(shù)交流改革教學(xué)的新思路。帶領(lǐng)學(xué)生參與有色金屬材料冶煉、鑄造、變形加工或熱處理等方面的科研項(xiàng)目，與授課教師或研究生交流合作，對(duì)涉及的知識(shí)運(yùn)用加以深化。在實(shí)踐中對(duì)項(xiàng)目的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行提煉，申報(bào)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”，對(duì)團(tuán)隊(duì)合作、科學(xué)問(wèn)題提煉、項(xiàng)目撰寫和答辯過(guò)程具有更深刻認(rèn)識(shí)，激發(fā)對(duì)材料制備技術(shù)的學(xué)術(shù)熱情[2]。

3 虛擬仿真型創(chuàng)新實(shí)習(xí)模式

虛擬仿真型實(shí)習(xí)模式是指充分利用信息化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以三維立體造型和數(shù)值編程建模模擬實(shí)際加工工序，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件達(dá)到數(shù)值模擬+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的實(shí)習(xí)目的。該模式應(yīng)該貫穿在材料制備技術(shù)中，指導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)使用Python編程語(yǔ)言、MatLab編程軟件、ProE三維造型軟件，在Procast、Deform等虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成課程中涉及的加工工藝，善于發(fā)掘、分析和解決問(wèn)題。

在虛擬仿真后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，以我校金屬冶金材料加工專業(yè)為例，集成了鋁、鎂等有色金屬冶煉、鑄造、軋制、退火處理等實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)所需的各類設(shè)備。在課程實(shí)習(xí)過(guò)程，讓6名學(xué)生為一組，對(duì)設(shè)備、工藝路線和工藝參數(shù)確定等完全交給學(xué)生自主完成。確立了大致的實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)方案：以5系A(chǔ)l-Mg鋁合金為例，經(jīng)730℃冶煉后，在620℃澆鑄板坯，待冷至室溫后截取鑄坯試樣、均勻化和軋制試樣，鑄態(tài)板坯厚為10.3mm，425℃均勻化，保溫1h，425℃熱軋，熱軋7道次試樣厚為6.5mm，冷軋一道次厚為6mm，軋制速度為17r/min，然后截取樣品，分別在350℃和180℃進(jìn)行退火處理，保溫1h。

通過(guò)學(xué)生虛擬仿真+自主型實(shí)習(xí)，對(duì)退火后的樣品進(jìn)行再結(jié)晶和回復(fù)的探究，體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用。結(jié)合鑄坯、均勻化及退火微觀組織結(jié)果，逆向探究設(shè)備選型和工藝參數(shù)的設(shè)?是否合理。