數(shù)值仿真范文

導語：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，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：近場聲全息；統(tǒng)計最優(yōu)；重建精度；頻率

1 概述

自Williams等提出近場聲全息（nearfield acoustic holography， NAH）方法以來，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，該方法已廣泛應用于汽車、船舶和航空等多個行業(yè)中[1，2，3]。其中，統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息（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方法等要求全息測量面大小至少大于整個噪聲源[4]?？梢允褂帽嚷曉疵娣e小的陣列進行測量，因而對于結構較大的聲源可大大地減少測量工作量。

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

2 統(tǒng)計最優(yōu)近場聲全息基本原理

聲場中任意一點的聲壓可以表示為全息面N測量點上復聲壓的線性疊加，設全息面H位于平面z=zH處，共有N個測量點，則可得

3 數(shù)值仿真

目標聲源為球心分別位于直角坐標系（0，0，0.15）和（0，0，-0.15）兩個相同脈動球源組成。脈動球的半徑為0.05m，表面振速為1m/s。全息測量面位于z=0.25m處，測量間隔為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，對目標聲源聲場進行了可視化重建。其中，目標聲源在重建面上的理論值如圖1所示，圖2為采用SONAH方法時的重建結果。從圖1和圖2的對比容易看出，SONAH方法可有效的重建出目標聲源聲場，只有在全息測量面邊緣附近誤差較大，而對于重建面的主要關心區(qū)域，即重建面中間部分，重建效果良好。

為進一步研究重建頻率對重建精度的影響，在100Hz～3000Hz范圍內(nèi)對SONAH方法進行了數(shù)值仿真研究。計算了其總體相對誤差，總體相對誤差定義為：

從總體上看，隨著頻率的增大，總體相對誤差呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。在100Hz～300Hz范圍內(nèi)，相對誤差最小，不超過3%；在400Hz～2500Hz范圍內(nèi)，總體相對誤差大多在5%處上下波動，且波動較小。但當頻率超過2500Hz后，總體相對誤差具有明顯上升的趨勢；當重建頻率到達3000Hz時，總體相對誤差已長升高到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行重建。

4 結束語

通過仿真驗證了SONAH方法能夠有效的重建目標聲源的聲場。重建頻率對重建結果有著重大的影響，總的來看，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2500Hz后，重建精度明顯惡化。因而，在實際應用中，應盡量選擇中低頻段內(nèi)進行重建，以保證重建精度。

參考文獻

[1]Maynard J D，Williams E G，Lee Y. Near field acoustic holography： I. theory of generalized holography and the development of NAH [J].Journal of the Acoustical Society of America，1985，78（4）：1395-1413.

[2]何元安，鄭四發(fā)，李兵，等. 基于平面聲全息的全空間場變換：水下大面積平面發(fā)射聲基陣的近場聲全息實驗[J].聲學學報，2003，18

（1）：45-51.

[3]李運志，高志鷹，汪建文，等.基于SONAH的水平軸風力機風輪噪聲源識別[J].工程熱物理學報，2014，35（7）：1334-1337.

[4]Steiner R， Hald， J. Near-field acoustical holography without the errors and limitations caused by the use of spatial DFT[J]. International Journal of Acoustics and Vibration[J]. 2001，6（2）：83-89.

篇2

關鍵詞：地下水運移 數(shù)值仿真 分析對比

本文以烏鞘嶺公路隧道的實體工程為依托，對涌水現(xiàn)象多發(fā)的F4斷層帶的隧道掘進施工過程中，地下水的滲流仿真與計算進行簡易對比探討。

一、數(shù)值模型的建立

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

隧道正常開挖輪廓邊界尺寸為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)進行模擬。由地表水位觀測得知，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，豎向從地下水位面開始向下延伸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，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），設置為直角三角形不均勻荷載，兩邊對稱設置（見圖一，圖二）

圖一 隧道開挖前ADINA模型 圖二 隧道開挖后ADINA模型

2模擬計算分析與結果

圖三 隧道開挖前、后總水頭等值線云圖

云圖中看到開挖前從1.40 MPa遞減至0.20 MPa，開挖后從1.30 MPa遞減至0.10 MPa。開挖前后，水頭壓力變化的總體趨勢不明顯，開挖后水頭壓力整體減少了0.10 MPa。距開挖區(qū)較遠的位置，水頭變化較小。開挖周邊區(qū)域，由于隧道開挖，致使地下水從已完成的開挖面流失，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)驗公式法： 來計算斷層帶的最大涌水，其中滲透系數(shù)為5.6x10-4 m/s，通過簡易提水試驗得到，含水層厚度取75m，洞身橫斷面換算成等價圓直徑為10.35m，求得最大涌水量為6566 m3/d，這與數(shù)值模擬結果略為相同。

三、結語

通過對比，我們發(fā)現(xiàn)adina軟件數(shù)值模擬結果與解析法估算涌水量較為接近。模擬結果顯示，隧道易發(fā)涌水部位在兩側(cè)、頂部三個方向，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測值為3504.05 m3/d，最大涌水量預測值為5034.59m3/d，在斷層破碎帶最大涌水量明顯增大，峰值達6566m3/d。

在富水地帶的隧道開挖過程中，短時間內(nèi)，結合隧道富水段勘察資料和現(xiàn)場實際統(tǒng)計，利用adina數(shù)值仿真，可較為準確的預測涌水和突泥不良地質(zhì)災害發(fā)生，有利于我們采取恰當措施，確保隧道安全施工。

參考文獻：

[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.秦嶺特長隧道涌水量的預測研究[J].煤天地質(zhì)與勘探.第33卷第1期.西安

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【關鍵詞】盾構隧道；管片開裂；原因；數(shù)值仿真

中圖分類號：U455文獻標識碼： A

一、前言

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

二、盾構隧道管片開裂概述

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

三、盾構管片開裂的一般性原因

1、盾構機千斤頂總推力較大：作用于管片上的力是造成管片開裂的最基本因素其中盾構推進過程中總推力過大是致使管片開裂的最直接原因。當總推力過大時，對于養(yǎng)護不好并且配筋小的管片則有可能開裂。

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貼片不平整；盾構機推進時各區(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)面不平整盾構機千斤項作用于管片上將產(chǎn)生較大的劈裂力矩造成管片開裂。

3、千斤頂撐靴損壞或重心偏位：盾構機通過千斤頂作用于管片上向前掘進.在千斤頂與管片接觸處設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。在盾構掘進過程中已拼裝的管片中心線與盾構機本身的中心線重合為理想狀態(tài)但在實際施工中兩條軸線存在偏差千斤頂?shù)闹行臎]有作用在管片環(huán)的中心上，造成管片偏心受壓。

4、盾構機姿態(tài)控制與線路曲線段不匹配：管片是在盾構機尾部內(nèi)進行拼裝，拼裝完成后隧道管片空隙為5cm，盾構機在曲線段掘進時盾構機的姿態(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裂。

5、管理不嚴格

掘進參數(shù)控制不當，千斤頂?shù)倪x擇未能兼顧管片走向，技術交底工作未能落實。管片拼裝管理不嚴格，造成錯臺、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

某市盾構地鐵在進行巡檢時，發(fā)現(xiàn)既有線(本文稱左線)長達95m區(qū)間的多節(jié)管片1點鐘位置內(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，最大寬度達1．5mm，多處深達100mm，并有個別貫通裂縫。而此時距其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)場照片

五、開裂原因及數(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營后發(fā)現(xiàn)的，無法準確確定管片是在施工還是在使用期間開裂的。本文重點從開裂段的地質(zhì)原因、管片接頭剛度、右線施工時對左線管片受力等方面分析其開裂原因，并對部分原因進行數(shù)值仿真分析。

圖3開裂區(qū)間地質(zhì)斷面

1、管片受損段地質(zhì)特點

的影響

分析管片開裂區(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，風化劇烈，遇水易軟化，洞底圍巖為＜6H＞花崗巖全風化帶。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號樓。建筑物的基礎為15～20m深的錘擊貫入樁，地面環(huán)境復雜。從地質(zhì)圖可以發(fā)現(xiàn)，開裂段隧道頂部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，相關研究也表明擾動后強度參數(shù)降低明顯。地面建筑物、施工時候土層的擾動可能會引起管片受力狀態(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，天然狀態(tài)下具有較好的力學性質(zhì)，但遇水后極易軟化，強度急劇降低，尤其在具有臨空面的浸水條件下，花崗巖殘積土會因軟化崩解而坍塌。同時隧道上方靠近地面分布有較大范圍的＜4-1＞沖-洪積土層，地層的特點決定了其對盾構掘進產(chǎn)生的擾動十分敏感。分析設計資料可知，盾構機在通過該段時，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129．6mm，地面沉降可能已經(jīng)引起隧道頂巖土體的擾動，應力發(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，當管片內(nèi)力超過其開裂荷載時，管片就會在拉應力最大位置出現(xiàn)裂縫。松弛土壓力的計算方法―般采用太沙基(Terzaghi)公式，換算土壓力計算高度h0的計算公式為:

式中，B1為根據(jù)太沙基公式計算的隧道拱頂松弛

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

開裂區(qū)間管片是錯縫安裝，開裂發(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。裂縫兩端對應管片的封頂塊接頭，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，所以連接塊分擔的荷載多些。

用ANSYS軟件，通過荷載-結構法建立了管片接頭實體模型，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，對模擬螺栓的單元施加初始應變，以模擬施工中對螺栓施加的300N?m預緊扭矩，地基反力也采用彈簧單元。建立的管片接頭實體模型見圖5和圖6。

圖5、6錯縫拼裝模型

考慮管片接頭剛度效應和錯縫拼裝的既有隧道整體變形如圖7，可見在一定圍壓作用下，管片在11點鐘方向連接塊的變形比封頂塊的大，進一步說明外荷載增加時，連接塊會承擔更多的荷載，如果超過其開裂荷載就會產(chǎn)生裂縫。

圖7整體管片11點鐘位置的位移放大

六、結論

隧道管片在使用過程中的開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；土體擾動引起隧道拱頂塌落拱高度增加；管片背后注漿密實程度；管片開裂位置的結構受力特點以及右線施工期間對左線巖土體的擾動。原有應力及相鄰線路盾構施工引起的附加應力的綜合結果見表1，可見1點處管片內(nèi)側(cè)的綜合拉應力最大，達2．72MPa，已超出C50混凝土的抗拉強度標準值2．65MPa。再加上后期線路施工產(chǎn)生的如圖15的效應，以及開裂段花崗巖全風化＜6H＞軟弱下臥層較厚(圖4)，這些因素作用在一起就直接導致裂縫隔片出現(xiàn)于連接塊上1點附近。

表1管片綜合內(nèi)力計算結果

計算分析發(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片最大內(nèi)側(cè)環(huán)向拉應力產(chǎn)生于靠近后施工線路的右上1點鐘位置，而11點鐘位置(即背向后施工線路一側(cè))所受影響較小。當?shù)叵驴臻g允許時，建議適當加大兩條線路的水平距離，使之相隔1．5倍隧道直徑以上，以避開對方的塌落拱拱腳。同時先施工的隧道應重點對靠近后施工線路一側(cè)的斜上方土體進行加固以應對未來的附加應力及相應的變位。錯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、結束語

綜上所述，盾構隧道管片開裂的原因多種多樣，因此，一定要考慮到原因的復雜性，針對本文分析的一些主要原因，今后要做好相關的預防和應對措施，確保盾構隧道管片的有效性。

【參考文獻】

[1]徐軍.盾構管片開裂原因分析及應對措旋[J].交通標準化，2009.12

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關鍵詞:巖石力學 教學 數(shù)值仿真技術

中圖分類號:G64 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0184-02

巖石力學是高等學校土木工程、水利工程、工程力學、采礦工程等諸多專業(yè)的必修課,是一門與生產(chǎn)實際緊密結合的課程。地下洞室是巖體工程中建造最多的地下構筑物,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所遇到的各種巖體力學問題,包括巖體的二次應力分布、圍巖壓力的計算等問題,將直接影響地下洞室的設計與施工工作[1]。

地下開挖之前,巖體中每個質(zhì)點均受到天然應力作用而處于相對平衡狀態(tài)。洞室開挖后,洞壁巖體因失去了原有巖體的支撐,破壞了原來的受力平衡狀態(tài),而向洞內(nèi)空間脹松變形,其結果又改變了相鄰質(zhì)點的相對平衡關系,引起應力、應變和能量的調(diào)整,以達到新的平衡,形成新的應力狀態(tài)。我們把地下開挖后圍巖中應力應變調(diào)整而引起圍巖中原有應力大小、方向和性質(zhì)改變的作用,稱為圍巖應力重分布作用或稱為圍巖二次應力狀態(tài)。圍巖的二次應力分布呈彈性與彈塑性兩種分布形式,《巖石力學》按照由易到難的順序?qū)υ搯栴}進行了講解。通過近幾學期的教學情況看,此部分內(nèi)容涉及大量的彈塑性力學知識及公式推導,大多學生感覺枯燥乏味,導致該部分內(nèi)容教學效果欠佳。下面以“深埋圓形洞室彈性分布的二次應力狀態(tài)”為例,分析數(shù)值仿真技術在《巖石力學》教學當中的應用。

1 數(shù)值仿真的實現(xiàn)

1.1 數(shù)值方法的選用[2]

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。軟件主要包括三個部分:前處理模塊,分析計算模塊和后處理模塊。軟件提供了100種以上的單元類型,用來模擬工程中的各種結構和材料。尤其在分析小變形等彈性力學問題時具有其他軟件無法具有的優(yōu)勢,針對“深埋圓形洞室彈性分布的二次應力狀態(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力狀態(tài)分析,當側(cè)壓力系數(shù)為λ=1時

計算模型的尺寸為14m×14m,中間開挖一半徑為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,同時在模型右側(cè)與上端施加1MPa的壓力。采用平面應變問題進行分析。

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

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

通過1.2節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn),采用ANSYS軟件對以上問題的分析是準確可靠的。所以,應用ANSYS可以分析當側(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,計算結果如(圖3、圖4)。從洞壁徑向與切向應力分布圖可以看出,此情況下的應力分布比側(cè)壓力系數(shù)為1的情況要復雜的多。即便如此,教師可以比較清晰的對圖中應力分布的特點進行分析與講解。學生也可以從繁瑣的計算公式中解放出來,對洞壁周邊圍巖的二次應力情況有比較深刻的感性認識。

2 結語

大多的《巖石力學》教材中還對橢圓孔以及其他不規(guī)則空洞問題的二次應力分布問題進行了講解,與以上分析的兩種情況相比更加復雜,計算公式更加的冗長。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力分布情況。在授課的過程中,還可以給學生講解有關有限元分析的原理,以及ANSYS軟件的具體操作,使得學生在學好《巖石力學》大綱規(guī)定相關內(nèi)容的同時,開闊了他們的視野,提高了學習《巖石力學》課程的興趣與積極性。同時,為以后學生進入更高層次階段的學習打下良好的基礎。

參考文獻

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關鍵詞:計算機輔助工程;ANSYS參數(shù)化設計語言;模塊開發(fā);齒輪

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號: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

計算機輔助設計(CAD)及計算機輔助工程(CAE)是現(xiàn)代機械、電子、航空等領域非常重要的技術手段。傳統(tǒng)的齒輪接觸強度計算公式均以Hertz公式為依據(jù),其結果會與實際有較大的出入,相比而言,利用有限元法對工業(yè)中關鍵的零部件齒輪的嚙合狀態(tài)進行數(shù)值仿真,不但可消除理論計算中的某些限制條件,還可以及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷,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語言編程,開發(fā)一個齒輪運動副參數(shù)化設計及有限元分析的專用模塊,方便工程技術人員快捷地完成齒輪傳動系列產(chǎn)品的參數(shù)化建模和有限元計算,為產(chǎn)品開發(fā)提供重要的技術保障。

1 CAE技術及APDL語言

隨著科學技術的進步,CAE技術在工程中的應用取得了迅猛的發(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,它融結構,流體,電場,磁場,聲場分析于一體。ANSYS按功能作用可以分為若干個處理器,主要包括前處理器 (Preprocessing)、求解器(Solution)、后處理(General postprocessing)。

ANSYS參數(shù)化設計語言(APDL)是一門可用來完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的語言,即程序的輸入可設定為根據(jù)指定的函數(shù)、變量以及選用的分析類型來做決定,是完成優(yōu)化設計和自適應網(wǎng)格劃分的最主要的基礎。APDL允許復雜的數(shù)據(jù)輸入,使用戶對任何設計或分析屬性都有控制權,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擴展了傳統(tǒng)有限元分析的范圍,并擴展了更高級的運算,包括靈敏度研究、零件庫參數(shù)化建模、設計修改和設計優(yōu)化等。APDL具有下列功能,對這些功能用戶可以根據(jù)需要進行組合使用或單獨使用,創(chuàng)建一個高度完善的分析方案。

?標量參數(shù) ?數(shù)組參數(shù) ?表達式和函數(shù) ?分支和循環(huán)

?重復功能和縮寫 ?宏 ?用戶程序

2 齒輪數(shù)值仿真系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 齒輪參數(shù)賦值對話框的創(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)兩個參數(shù)的輸入對話框。

*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)輸入對話框。

MULTIPRO,'start',5

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

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

運行該宏后,彈出圖3所示對話框。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、結果查詢等過程,本文分別通過建立GEAR_MODAL.MAC,GEAR_SOLVE.MAC,PLOT_STRESS.MAC三個宏程序文件來實現(xiàn)齒輪嚙合傳動的應力計算。限于篇幅,在此只列出部分程序代碼供學習參考。

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)) !漸開線方程

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

k,,x,y,0!開始生成關鍵點

*enddo

flst,3,101,3!連點成線

*do,t,2,102

fitem,3,t

*enddo

bsplin,,p51x!生成樣條曲線

KDELE, 3, 101, 1!刪多余點

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)的工程應用

為了驗證所開發(fā)的齒輪分析專用模塊的正確性,任意選取工程中的一對嚙合齒輪對其進行強度計算,各參數(shù)如下:齒頂高系數(shù)和間隙系數(shù)取標準值,z1=20,z2=40,m=10,alf=30°,b=50。進入ANSYS操作環(huán)境后,依次點擊所開發(fā)的模塊中的按鈕(如圖4所示),系統(tǒng)可以自動完成建立齒輪模型、劃分網(wǎng)格、施加邊界條件和載荷、求解計算及結果查詢等一系列工作,考慮其嚙合狀態(tài),在有限元計算時各取5個齒,計算結果分別見圖5~圖8。

4 結束語

本文利用ANSYS參數(shù)化設計語言(APDL)編程,開發(fā)了圓柱齒輪數(shù)值模擬仿真專用系統(tǒng)。該模塊將齒輪設計過程中的所有關系式融入所編寫的應用程序中,在程序的控制下,順序執(zhí)行這些關系式,通過與用戶交互的方式來完成齒輪的建模和有限元分析。

宏程序全部基于賦初值對話框中所給定的齒輪變量參數(shù),用戶只要按實際要求輸入齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等結構幾何參數(shù),便馬上可以完成齒輪嚙合的有限元計算過程,得到齒輪工作情況下的應力和變形分布規(guī)律,無需工程技術人員具備較高的繪圖能力、數(shù)學和力學相關知識,能有效地推廣CAE技術在企業(yè)的應用。

參考文獻:

[1] 祝效華, 余志祥. ANSYS高級工程有限元分析范例精選[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

[2] 匡建新, 汪新衡. 基于工程應用的直齒圓錐齒輪嚙合面的數(shù)學建模術[J]. 設計與研究, 2006, 9(7): 33-36.

[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

【關鍵詞】二階運動；動力學建模；數(shù)值仿真

隨著全球環(huán)境問題日益嚴重和能源的不斷枯竭，提高發(fā)動機的性能，研發(fā)新型高效率低能耗的發(fā)動機已經(jīng)成為必然趨勢。而作為發(fā)動機中主要的動力機構，曲軸連桿活塞系統(tǒng)在整機中占有極其重要的地位，其動力學學性能直接影響到了發(fā)動機工作的可靠性和耐久性。所以對于某一型號新型發(fā)動機，對其核心部件曲軸連桿系統(tǒng)做動力學分析就顯得極其重要了，本文就針對某一新型發(fā)動機，對其特殊的曲軸連桿活塞系統(tǒng)，做動力學建模并進行數(shù)值模擬，從而得到其動力學參數(shù)。

1系統(tǒng)動力學建模

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)動的轉(zhuǎn)動慣量，而為活塞繞活塞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量。 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：

對曲軸、連桿、活塞分別進行運動學、受力分析以后，通過彼此之間的幾何關系約束，作用力反作用力關系，可以消去中間量，將活塞的往復運動、連桿運動、曲軸運動均用曲軸處的表示，然后結合活塞的二階運動，從而得到整體系統(tǒng)動力學。

1.2 活塞缸套系統(tǒng)流體動壓建模

Patir Nadir和Cheng H.S在1978年提出的模型[4]，經(jīng)吳承偉教授改進，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)過必要的簡化和假設，結果具體模型，可以得到活塞-缸套系統(tǒng)的平均流量模型雷諾方程簡化為：

該方程中，所有粗糙度和接觸變形對動壓的影響都歸結于四個因素：，，，。，，分別為兩個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)無關。為活塞的半徑；θ為活塞周向角度；為油膜的厚度，可以通過活塞的二階運動參數(shù)來表示；為缸套軸向方向；η為油的粘度；為平均流體壓力；為時間；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)流體動壓建模

上式為適合于動載徑向軸承的雷諾定律，其中為油膜的厚度，可以通過曲軸的徑向運動參數(shù)來表示，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)動速度。

油膜反力在和方向的分量為：

其中，在曲柄連桿機構的動力學模型中，所以曲軸-主軸承系統(tǒng)動力學與曲柄連桿機構動力學相互耦合，互相影響。

在建立曲軸活塞連桿系統(tǒng)動力學模型、活塞缸套流體動壓模型、曲軸主軸承流體動壓模型之后，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，運用有限差分法進行差分，然后用SOR超松弛迭代法進行迭代求解，可以求得油膜壓力的分布，然后在活塞表面對壓力分布進行積分，得到油膜對活塞的側(cè)向壓力和摩擦阻力。

根據(jù)所建立的曲軸連桿活塞動力學模型、活塞缸套流體動壓模型、曲軸主軸承流體動壓模型，結合具體的發(fā)動機模型，按照所確定的算法和求解流程，進行編程求解，得到活塞二階運動以及活塞、曲軸受的油膜力。

3 計算結果分析

3.1活塞二階運動結果分析

通過對模型的編程求解，可以得到六組活塞的二階運動規(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，由于活塞的二階運動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動及受力情況變化規(guī)律基本類似，相差一定的相位角，而計算結果也說明這個趨勢，所以此處重點分析其中一組活塞的二階運動與所受油膜側(cè)向力、摩擦阻力的變化規(guī)律。

可以看出，在發(fā)動機的工作循環(huán)過程中，活塞不僅要在缸套內(nèi)做往復運動，而且要做橫向的微小平動和偏擺，即大部分的時候，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，在一個周期內(nèi)，活塞要經(jīng)過四次換向，在70°左右的時候，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°左右的時候，活塞靠近缸套的左壁，且偏擺角為負，所以活塞裙部的上端更接近與缸壁，在345°左右的時候，活塞的橫向位移和偏擺量均達到最大，活塞在此刻迅速靠近缸套的右壁，且在短時間內(nèi)快速大幅度的變向，因為此刻活塞正處于315°―495°做功沖程，活塞快速從缸套左側(cè)接近缸套的右壁，活塞的二階運動在此刻達到最大，橫向位移的最大值為0.05mm。在570°左右的時候，活塞靠近缸套的左壁。由以上的曲線變化可以知道，活塞在整個運行過程中，更接近于右壁。

4 結束語

本文對曲軸、六組連桿活塞、主軸承、缸套整體系統(tǒng)進行了動力學建模，并進行數(shù)值模擬，求解得到活塞二階運動的規(guī)律，得到對實際設計有指導意義的結果。在以后的研究中，作者將使用動力學仿真軟件adams對系統(tǒng)進行仿真，與數(shù)值模擬結果進行比較，驗證修正模型，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情況。

【參考文獻】

[1]劉延柱.高等動力學[M].北京：高等教育出版社，2000.

篇7

1 引言

復合材料自動鋪絲成型技術（Automated Fiber Placement）綜合了自動鋪帶（ALT）和纖維纏繞（FW）的優(yōu)點，適應了復雜曲面多變的要求，為復雜曲面成型制造提供了一種極佳的方法，屬于國際前沿技術，在航空、航天領域有著廣泛的應用。美國全球鷹無人機的發(fā)動機整流罩（圖1（a）所示）與X-47B艦載無人機的蛇形進氣道（圖1（c）所示）都采用了AFP成型技術。

下面將剖析環(huán)形復雜曲面鋪絲時的模具形變機理，并通過有限元法加以分析。

2 AFP成型時環(huán)形曲面模具形變的來源及其影響

2.1 AFP成型時環(huán)形曲面模具形變的來源

（a）所示的是S形進氣道成型模具，（b）所示的是蛇形進氣成型模具。那么對它們進行AFP成型時，旋轉(zhuǎn)軸放置在AFP系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)支架上，由AFP伺服電機驅(qū)動并進行AFP成型操作。根據(jù)AFP成型時的形變來源不同，模具形變分為三類；靜態(tài)形變、動態(tài)形變和載荷形變。

AFP成型時大多使用鋼模，即使采用空心結構，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)形類曲面進行回轉(zhuǎn)鋪絲成型時，模具在離心力的作用下發(fā)生的形變，稱為動態(tài)形變，例如，由于嚴重的不對稱性，同樣鋪放參數(shù)條件下，圖2所示的蛇形進氣道模具動態(tài)形變將會比S形進氣道模具大很多；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階段決定，控制成型時的形變是基礎，是本研究的重點，在此需要分析其對最終產(chǎn)品形變的影響。固化產(chǎn)生的形變則與鋪絲的路徑有關，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)形變的影響一直會伴隨著產(chǎn)品的整個成型、固化過程，不會解除。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）動態(tài)形變的影響。由于動態(tài)形變是在模具回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的，當AFP成型完成之后，理論上可以消失。但實際上，如果動態(tài)形變太大時，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對控制效果進行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，需要通過仿真來預測，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）所示的蛇形進氣的成型模具輸入ANSYS Workbench系統(tǒng)。選擇合理的單元劃分精度（0.5mm），采用的單元類型為Solid 186，對其進行單元網(wǎng)格劃分。再選擇在ANSYS Workbench的simulation模塊中，打開相關的對話框，按表1填入屬性值。在模具兩端加以支撐約束，整個模具受到體分布的重力作用。在上述條件下對蛇形進氣的成型模具進行FEM分析，得出靜態(tài)的豎向形變云圖如圖3（a）所示。

3.2 動態(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。設定其旋轉(zhuǎn)角速度為15r/min。選擇旋轉(zhuǎn)中心，對該模具的轉(zhuǎn)動時的動態(tài)形變進行有限元分析，得到動態(tài)豎向形變云圖如圖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）。得出相應的豎向形變云圖如圖3（c）所示。

4 仿真結果總結及形變控制策略

通過上面的有限元分析，總結如下：

（1）靜態(tài)形變最大，為主要形變來源，需要加以嚴格控制；

（2）動態(tài)形變在較低轉(zhuǎn)速時，可控制在理想范圍內(nèi)；

（3）正常的滾壓力帶來的載荷形變非常有限，可以忽略。

根據(jù)上面總結，相應的控制策略為：

（1）在模具設計、制造和安裝時，盡可能考慮模具的靜態(tài)剛度；

（2）對于轉(zhuǎn)軸非對稱性較大的環(huán)形曲面，AFP成型時的轉(zhuǎn)速，應適度加以控制。

5 結論

通過FEM分析，環(huán)形復雜曲面自動鋪絲成型時的形變，有三種來源。本研究通過FEM確定了它們的大小順序，分清它們主次關系，并提出了相應的控制策略。

參考文獻

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

[2]周D，安魯陵，周來水.復合材料自動鋪絲路徑生成技術研究[J].航空精密制造技術，2006，42（2）：39-41.

篇8

關鍵詞：船舶動力裝置系統(tǒng)；仿真應用；數(shù)據(jù)庫技術

引言

本文在對Visual C++6.0，Matlab以及SQL Server2000數(shù)據(jù)庫間接口的分析，提出了借助以上三者混合編程下的船舶動力裝置系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)管理平臺。在這個平臺內(nèi)，把各個動力裝置系統(tǒng)的參數(shù)預先儲存在數(shù)據(jù)表中，仿真時在船舶動力裝置系統(tǒng)的模型中實現(xiàn)動態(tài)仿真。本文在數(shù)據(jù)庫服務器內(nèi)存入相關結果數(shù)據(jù)，而且有關數(shù)據(jù)庫客戶端的計算機就可以接受該數(shù)據(jù)服務，并利用通信協(xié)議來促進數(shù)據(jù)傳輸，為分布形式的可視仿真打下良好基礎。

一、船舶動力裝置系統(tǒng)仿真模型的構建

本文在建模和仿真中以13000 DWT散貨船作為原始，對于建模仿真的設計，首先就是對各個部件的數(shù)學模型予以建立，然和對設備模型進行組合，并有機結合全部設備模型，進而對動力裝置系統(tǒng)的整體動態(tài)性進行研究。

1、增壓柴油機準穩(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)速的表達式則為：

在四沖程的柴油機中，掃氣流量和吸氣流量是進氣閥流過的空氣量的組成部分。其中，掃氣量在計算上比較復雜。不過，一旦得到掃氣系數(shù)Φs的話，就可以通過Gi=ΦsGij來計算得到；對于柴油機的轉(zhuǎn)速nd而言，可以用如下公式計算：

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

2、減速齒輪模型

可以用nd=npi來表示螺旋槳與柴油機之間的轉(zhuǎn)速關系，二者之間的扭轉(zhuǎn)關系則可以用Qe=Qp/i來表示。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

對于上述數(shù)學模型，在Simulink或者Matlab中構建各個相對的模塊，然后有機組合這些模塊，最后就可以完成動力裝置系統(tǒng)仿真模型的構建。

二、軟件之間的接口

1、數(shù)據(jù)庫訪問技術

Visual C++6.0提供了ODBC、DAO、RDO等多種數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具，以上工具中，ODBC無論是在關系數(shù)據(jù)連接上還是在開放性都相對最優(yōu)。除了本機驅(qū)動程序外，多數(shù)據(jù)庫還包含針對數(shù)據(jù)庫ODBC的驅(qū)動程序。

2、數(shù)據(jù)庫和Matlab的連接

對于數(shù)據(jù)庫和Matlab之間的連接，一般應借助于ODBC或者JDBC Bridge。它可以作為Matlab的組成部分而被自動設置，C語言可以把JDBC進行ODBC APIS的轉(zhuǎn)換，并且傳送到指定數(shù)據(jù)庫的驅(qū)動程序中。如圖1所示，為其實現(xiàn)過程。在Matlab針對數(shù)據(jù)庫的操作中，必須先取得了數(shù)據(jù)庫的句柄，其次才能進行相應的函數(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)，用戶通過該組函數(shù)能夠在應用程序中控制Matlab，也就是將Matlab視為一個計算引擎來運用。對于Visual C++6.0來說，為了連接Matlab，可以借助于engOpen（），engOutputBuffer（），engEvalString（），engPutVariable（）等函數(shù)來實現(xiàn)二者的連接。另外，Simulink能夠用框圖形式來表現(xiàn)模型，而且可以對各個模塊參數(shù)任意修改，并支持借助于Matlab指令形式構建的Simulink模型，在此基礎上運行Simulink模型，設定相應的系統(tǒng)參數(shù)。還可以在對Simulink模型進行操作過程中應用Matlab/Simulink和Visual C++6.0的接口。

三、動力裝置系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)庫管理平臺的開發(fā)

1、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)源配置

對于SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，開始“Enterprise Mangager”，并建立名稱是“fangzhen”的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫內(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、柴油機軸系轉(zhuǎn)動量、渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動量、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中儲存以上數(shù)據(jù)。應用Windows內(nèi)的開始按鈕并進入到管理工具中，選取并進入到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，在經(jīng)過SQL Server驗證之后，選取“fangzhen”數(shù)據(jù)庫設置成默認數(shù)據(jù)庫，對“測試數(shù)據(jù)源”進行點擊，并顯示出測試成功即可。

2、應用Visual C ++來建立用戶界面

借助于MFC向?qū)順嫿╲insitdatabase的應用程序，以sinmulink來當做數(shù)據(jù)源，在主對話框界面內(nèi)加載“開啟引擎”、“參數(shù)讀取”、“仿真運行”、“結果入庫”等按鈕，并關閉引擎。成員函數(shù)則需要對應OnGetParanmeter（）、OnStartEngine（）、OnInsertData、OnRunSimulink（）等，并在編譯之后運行。

3、功能的實現(xiàn)

在程序運行后，對“開啟程序”、“參數(shù)讀取”、“仿真運行”、等依次點擊，這樣該動力裝置系統(tǒng)模型就可以在參數(shù)讀取的基礎上實施仿真運算。仿真過程中，轉(zhuǎn)速指令在前10秒內(nèi)從500r/min增加到600r/min，仿真時間則在10min左右。之后對“結果入庫”電機，把各個仿真結果全部保存到數(shù)據(jù)庫表中。

結論

綜上所述，在數(shù)據(jù)管理平臺的構建和應用上，本文不僅實現(xiàn)船舶動力裝置系統(tǒng)仿真參數(shù)由數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)絊imulink模型的過程中，還在SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫服務器中保存了以上仿真結果。結果表明，本次設計的數(shù)據(jù)管理平臺可以醋精模型通用性的提高，達到向不同計算機上傳輸仿真結果的目的，基本上實現(xiàn)了公共虛擬平臺的應用需要。

參考文獻

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關鍵詞：復雜適應性系統(tǒng)；基于智能體建模；經(jīng)濟仿真；Swarm

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1001-828X（2012）10-0-03

一、引言

自二十世紀五十年代博弈論學科基礎和理論體系建立伊始，博弈論就被廣泛應用于社會、經(jīng)濟領域，并逐漸成為研究社會、經(jīng)濟主體行為與利益關系的有力工具。在博弈理論發(fā)展的同時，另一項加速人類歷史發(fā)展進程的技術誕生了，那就是計算機科學。隨著計算機技術的快速發(fā)展，計算機的體積越來越小，運算速度越來越快，功能越來越強，在計算機環(huán)境模擬經(jīng)濟系統(tǒng)運行的可能性大大增加。約翰·霍蘭于1994年提出了著名的復雜適應性系統(tǒng)理論（Complex Adaptive System，簡稱CAS），為人們研究經(jīng)濟系統(tǒng)提供了一種重要的思路與方法，該理論同時成為目前經(jīng)濟系統(tǒng)仿真研究的理論基礎。在具備了理論基礎與技術基礎之后，計算機環(huán)境下的虛擬經(jīng)濟系統(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展，用以驗證博弈理論的正確性，研究經(jīng)濟系統(tǒng)的演化過程，并推演新的結論?，F(xiàn)在，經(jīng)濟仿真方法作為實驗經(jīng)濟學的一種研究手段，廣泛應用于經(jīng)濟、金融各領域的研究，對于經(jīng)濟系統(tǒng)演化、經(jīng)濟主體特征和政策模擬等領域的研究做出了突出貢獻。

二、國外經(jīng)濟仿真研究綜述

基于智能體建模的經(jīng)濟仿真方法是隨著計算機技術的發(fā)展而產(chǎn)生的一種較為前沿的經(jīng)濟理論研究手段。由于國外計算機技術、系統(tǒng)科學等基礎理論發(fā)展較為成熟，因此對于經(jīng)濟仿真的應用研究成果非常豐富。

美國的ASPEN模型可以說是經(jīng)濟仿真方法應用最早、成就最大的經(jīng)濟系統(tǒng)仿真模型。ASPEN模型是美國Sandia國家實驗室開發(fā)的基于微觀經(jīng)濟主體的經(jīng)濟仿真模型，主體自學習與自適應特性的引入使得該模型對經(jīng)濟系統(tǒng)的模擬更加接近于真實情況。ASPEN模型作為一個政策模擬平臺，對美國的財政、金融領域政策的制定提供了重要的參考。

Strader、Lin和Shaw（1998）①對分散式裝配供應鏈的訂單執(zhí)行情況進行了仿真研究，對經(jīng)濟仿真方法在供應鏈管理領域的應用進行了嘗試。Bruun和Luna（1999）②利用開放性的Swarm仿真平臺建立了一個用以模擬宏觀經(jīng)濟系統(tǒng)運行的仿真模型，并通過該模型對經(jīng)濟的內(nèi)生增長理論進行了仿真研究。Sapienza（2000）③建立了人工勞動力市場，模擬了不同類型的勞動力在市場中的流動，將經(jīng)濟仿真方法引入到了人力資源研究領域。Corazza（2000）④利用隨機非線性動力學系統(tǒng)研究了壟斷市場中供給方造假問題，對特定市場結構中的經(jīng)濟主體行為特征進行了研究。Tout和Stender（2001）⑤建立了一個具有適應性的經(jīng)濟仿真模型，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、控制論和進化論之間關系的缺陷，探討了仿真模型在不同研究領域的適用性問題。Luna和Perrone（2001）⑥在綜合了一系列學者在Swarm仿真平臺的研究成果基礎上，系統(tǒng)地闡述了基于智能體的經(jīng)濟金融仿真模型在Swarm仿真平臺上的應用，為Swarm仿真平臺的推廣和發(fā)展奠定了基礎。Francesco Luna 和Benedikt Stefannson（2001）⑦編著了一部系統(tǒng)全面的在Swarm仿真平臺上進行經(jīng)濟仿真研究的專著，該著作系統(tǒng)論述了基于智能體建模和面向?qū)ο笤O計在經(jīng)濟仿真中的運用，同時也較為詳盡地在技術層面上探討了Swarm仿真平臺的應用，并綜合了各個領域的Swarm仿真研究成果，成為日后經(jīng)濟仿真研究的重要參考。LeBaron（2002）⑧建立了人工股票市場，將基于智能體的建模運用到了股票市場投資者行為的研究領域，使經(jīng)濟仿真方法的應用逐漸從宏觀系統(tǒng)演化層面深入到微觀經(jīng)濟主體行為研究層面。Foster（2005）⑨對經(jīng)濟系統(tǒng)的復雜性進行了深層次的探討，研究指出，對于經(jīng)濟現(xiàn)象的研究不能過于簡單，要從系統(tǒng)的整體性和復雜性深入分析經(jīng)濟現(xiàn)象的實質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系。Jeffrey（2006）⑩指出目前的經(jīng)濟仿真研究中的經(jīng)濟變量大都具有排外性，如果要引入某些非經(jīng)濟類變量，通常要以效用函數(shù)的方式，基于此種情形，Jeffrey建立了一個用以引入非經(jīng)濟類變量的模型框架，擴展了經(jīng)濟仿真模型中對于非經(jīng)濟類要素變量的應用范圍。

三、國內(nèi)經(jīng)濟仿真研究綜述

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【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、發(fā)展，逐漸形成了以就業(yè)為導向、以學生為中心、以創(chuàng)新能力為本位的教學理念[1]。而教學理念和教學模式的新穎程度是目前眾多具有服務地方區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展特色的高等工科院校在專業(yè)課教學過程中需要加以重視的核心問題，亟待探索解決傳統(tǒng)、單一教學模式和方法的新舉措。因此，針對金屬冶金工程方向材料制備技術的性質(zhì)、特點與重要地位，分析課程教學的現(xiàn)狀及存在的問題，結合我校新建立的虛擬仿真平臺，提出能夠切實改革教學內(nèi)容、教學方法和手段的關鍵措施。

1 教學與實習現(xiàn)狀及存在的問題

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

材料制備技術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、高危化學品等因素[3]。在工廠實習環(huán)節(jié)中為了學生安全考慮，原有的知識應用與實踐純粹變成了走馬觀花式的觀摩過程，學生只能看到整個工藝的簡單流程，無法近距離接觸到一些實際現(xiàn)象，也無法體會涉及的科學問題，制約了學生實踐能力和創(chuàng)新思維的提高。目前的教學方法與實習模式已不適應新形勢下的要求，改革與創(chuàng)新勢在必行。

2 教學改革的關鍵措施

2.1 改革課程內(nèi)容的側(cè)重點

材料制備技術既涉及了物理和化學的知識，又涵蓋了冶金、鑄造、塑性變形、熱處理等材料科學知識，對授課教師的有效教學和學生的高效消化、吸收非常不利[2]。對于我校這類具有服務地方區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展特色的高等工科院校而言，應該結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，課程改革要側(cè)重于有色金屬材料制備理論、方法和技術方面，突出鋁合金、鎂合金以及鋁基復合材料的冶煉、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)化應用周圍，應切實結合廠實際應用的工藝技術，講授一些新知識，解決一些新問題，達到促進行業(yè)長遠發(fā)展的目的。

2.2 改革教學方法

材料制備技術應適當去理論化，突出實踐性，追求主動性，開拓獨立思考的空間，形成以提高學生創(chuàng)新能力為本位的教學理念與方法。將3D動畫等多媒體技術融入傳統(tǒng)的授課方法中，交叉運用案例式、互動式、討論式等教學模式，著重解決教學重點、難點[3-4]。充分利用先進的計算機仿真技術，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+材料制備技術”。針對相對復雜的鑄造、塑性加工和熱處理，通過建模仿真模擬金屬構件的微觀組織演變規(guī)律，實現(xiàn)對組織、宏觀尺寸、工藝參數(shù)的優(yōu)化，讓學生對課程知識加以深入理解、運用。

2.3 加強交流合作

為了突出學生的應用與實踐能力和創(chuàng)新思維，要形成以加強科研、學術交流改革教學的新思路。帶領學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目，與授課教師或研究生交流合作，對涉及的知識運用加以深化。在實踐中對項目的知識內(nèi)容進行提煉，申報“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目”，對團隊合作、科學問題提煉、項目撰寫和答辯過程具有更深刻認識，激發(fā)對材料制備技術的學術熱情[2]。

3 虛擬仿真型創(chuàng)新實習模式

虛擬仿真型實習模式是指充分利用信息化的技術優(yōu)勢，以三維立體造型和數(shù)值編程建模模擬實際加工工序，結合現(xiàn)有實驗室條件達到數(shù)值模擬+實驗驗證的實習目的。該模式應該貫穿在材料制備技術中，指導學生主動使用Python編程語言、MatLab編程軟件、ProE三維造型軟件，在Procast、Deform等虛擬仿真平臺上進行二次開發(fā)，完成課程中涉及的加工工藝，善于發(fā)掘、分析和解決問題。

在虛擬仿真后的實驗驗證環(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、退火處理等實習環(huán)節(jié)所需的各類設備。在課程實習過程，讓6名學生為一組，對設備、工藝路線和工藝參數(shù)確定等完全交給學生自主完成。確立了大致的實習實驗方案：以5系Al-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℃進行退火處理，保溫1h。

通過學生虛擬仿真+自主型實習，對退火后的樣品進行再結晶和回復的探究，體現(xiàn)了學生對專業(yè)知識的運用。結合鑄坯、均勻化及退火微觀組織結果，逆向探究設備選型和工藝參數(shù)的設?是否合理。