二维模型

二维模型（精选十篇）

二维模型 篇1

关键词：波形钢板,ANSYS,平截面假设,刚度计算,刚度等效,内力计算

波形钢板由于横向波纹的存在,造成了这种结构的几何异性,从而给分析计算带来一定的麻烦。如果能将波形钢板等效成平钢板,那么在结构分析计算、建模方面将会带来很多简化。采用刚度等效是将波形钢板等效成平钢板的主要研究方法之一,目前主要是利用截面惯性矩、面积等效方法。而基于材料力学基本理论可知,截面应力计算与截面刚度、截面面积和计算点至中性轴的距离有关。因此,这种单纯的采取惯性矩等效的方法还不尽合理,存在一定的弊病。本文采用ANSYS有限元软件,通过对三维实体模型与平面应力模型对比分析,对将波形钢板等效成平面钢板的方法进行了探讨。

1计算模型的基本假设

平截面假设[1]是材料力学中的一个变形假设。垂直于构件中性轴的各平截面在构件受拉伸、压缩或纯弯曲而变形后仍然为平面,并且同变形后的构件平截面与中性轴垂直。若构件受拉伸或压缩,则各横截面只作平行移动;若杆件受纯弯曲,则各横截面只作转动,而且每个横截面的转动可由两个转角确定。根据板壳理论,波形钢板为薄壳结构,忽略剪切变形,那么可以采用平截面假设,后文中利用ANSYS进行验证。

在参考文献[2,3]中,介绍了波形钢板截面面积、截面惯性矩的计算方法,利用正弦波积分可以得到设计参数,但对于不同波形,需要计算等效的正弦波,这给计算上带来不便。E.B.Seydel推导的正弦波纹板X、Y方向的抗弯刚度Dx、Dy和抗扭刚度H,也是基于正弦波形得到的。基于材料力学[1]的截面特性计算方法,利用转轴定理,可推导得到如图1所示的截面抗弯刚度。

1.1惯性矩

$\begin{array}{l}{\rm I}{}_x=(R{}^{3}t\sin 2\theta +2R{}^{3}t\theta -8R{}^{2}td\sin \theta +4Rtd{}^2\theta )/l+\\ \{\frac{({\rm T}L){}^{3}t+t{}^3{\rm T}L}{12}+\frac{({\rm T}L){}^{3}t-t{}^3{\rm T}L}{12}\cos (\text{π}-2\theta )\}/l(1)\end{array}$

1.2面积

$A=(4R\theta +2{\rm T}L)t/l(2)$

1.3截面模量

$S{}_x={\rm I}{}_x/\left(\frac{h+t}{2}\right)(3)$

1.4回转半径

$i{}_x=\sqrt{\frac{{\rm I}{}_x}{A}}(4)$

其中:l表示波长;h表示波高;TL表示直线段长度;R表示波峰波谷半径(至板轴线距离,为所给参半径加上1/2板厚);θ表示圆弧角度(弧度);d表示圆心偏离x轴距离;板厚为t。

2三维模型内力计算

本文利用ANSYS有限元分析软件,建立波形钢板的三维实体模型。其中:土体尺寸为18×12 m,厚度取两个波形厚(波形380×140×5 mm),即0.76 m厚。波形钢管直径6 m,钢管单元选取SHELL93(8节点结构壳),土体选用SOLID95(20节点实体单元)。材料参数为:钢板,弹性模量2.1×1011,密度7 800 kg/m3,泊松比0.3;土体,弹性模量2.6×107,密度1 700 kg/m3,泊松比0.3。此处不考虑由于本构关系对结构受力的影响,只验证平截面及刚度问题,因此忽略了材料的本构关系[4]及接触分析。

ANSYS有限元分析的基本步骤:选取单元、材料参数、几何模型、有限元模型、载荷及边界条件、分析求解。具体步骤不再赘述,提取计算结果,选取管顶及两侧截面,下面将三个截面的轴向应力列于表1,单位Pa。

根据表1中数据绘制的截面应力图如图2所示,从图中可看出截面的应力与波形较相似。事实上,最大最小应力分别出现在波峰、波谷[5];中性轴位置对应图中应力平均值,也就是由轴向力引起的压应力;最大最小值由于弯矩引起。在管顶位置,管外侧波峰出现极大应力值、内侧波谷出现极小应力,这是由于管顶下挠引起的。管侧波纹的应力状态与管顶相反,因为管侧向两侧变形挤压土壤,使得管内侧波谷位置出现极大应力,外侧波峰出现极小应力。管顶与管侧截面的应力大小对应的波峰波谷位置正好相反,是由于管顶与管侧截面弯矩的正负号不同引起的。

说明:由ANSYS计算的管侧应力完全相同, 因此图中只有一条管侧应力曲线。

壳单元输出的应力有[6,7]:Sx、Sy、Sxy、TX、TY、Txy、Mx、My、Mxy等,需要注意的是,波纹的存在造成了壳单元的单元坐标系与总体坐标系不同。这里所关心的是波纹管的轴向应力,对应壳单元的拉力Ty。ANSYS中壳单元内力Ty是相对于单元坐标系,为该单元单位长度上的内力,因此提取内力时需要乘以单元的长度,可采用节点力求和法进行计算。为了验证平截面假设,此处利用材料力学中根据平截面假设推导出的弯矩计算公式反向计算,然后与平面模型计算出的内力进行对比,若数值接近,说明平截面假设可应用于波形钢板。应力计算如式(5)。

$\sigma =\frac{{\rm N}}{A}\pm \frac{{\rm M}}{{\rm I}}y(5)$

σ2——是壳单元最大应力与截面平均应力的差值。

3二维平面模型内力计算

二维模型的建立[7,8]相对于三维模型简化了许多,计算求解也比较容易。土体尺寸为18×12 m。由于是平面模型,厚度取为单位厚。波形钢管直径6 m,钢管单元选取BEAM3(2节点梁单元),土体选用PLANE82(8节点平面单元)。材料参数为:钢板,弹性模量2.1×1011,密度7 800 kg/m3,泊松比0.3;土体,弹性模量2.6×107,由于三维模型并未取单位厚度,而是0.76 m的厚度,因此在平面模型中应将土体的密度转换,为1 700×0.76 kg/m3,泊松比0.3。波形钢板的密度不需转换, 因为梁截面面积与三维模型截面面积相等,重力也相等。梁单元的面积、刚度等采用等效方式进行转换,转换如下:

$B{\rm H}=A;B{\rm H}{}^3=12{\rm I}{}_x。$

解出B=10.43 mm,H=235.53 mm,将数值代入梁单元实常数中。关于截面参数的计算可采取公式1、2、3、4,计算公式已通过验证,与国外参考手册[9]中所给数值吻合较好。

为与三维模型进行对比分析,有限元模型划分网格的尺寸应与三维模型对应,采取相同的划分数目。

边界条件为:底部施加ALLDOF,结构两侧施加UX,与三维模型对应。

分别选取管顶截面和管侧截面,列表3为显示结果。

弯矩图和内力如图4。

4计算分析

4.1误差分析

三维模型与二维模型的计算内力之间的误差主要由于单元特性[6]不同引起的,SHELL93单元的应力输出及单元属性要比BEAM3单元复杂得多,考虑因素也较多。BEAM3为2D梁元,承受拉压及弯矩;SHELL93具有弯曲和薄膜特性,考虑了截面上的切向应力,还包括应力强化及大变形能力,输出项目也较多。PLANE82为平面8节点单元,SOLID95空间20节点单元,两种单元均可模拟土体,但特性及内力输出却不相同。因此两种模型间存在误差也是在所难免。从表4数据中可以看出,弯矩较小,轴力对结构影响较大。轴力误差在6.7%、8%,因此,可以用平面模型代替波形钢板三维模型。而从国外的计算手册[9]中查找内力和应力的计算公式,也都是基于平面应力状态进行推导的,那么采用平面的有限元模型进行结构内力分析存在合理性。

4.2刚度等效

波形钢板截面参数可以采用本文叙述的计算方法,也可采用参考文献中[2]、[8]的计算方法。在进行建模分析时利用面积相等、抗弯惯性矩相等建立方程,求解矩形截面梁的H、B,算得截面内力,然而在截面应力计算时采用波形钢板的截面高度H0进行计算。若求得任意截面的弯矩及轴力,截面应力可采用材料力学中的应力计算公式:

$\sigma =\frac{{\rm N}}{A}\pm \frac{{\rm M}}{{\rm I}}y。$

此处,y取为H0/2。

4.3平截面假设

从波形钢板三维模型的截面应力图形可以看出,截面应力是随着波形变化的,中性轴位置对应平均应力,波峰波谷分别对应最大最小应力,应力的变化接近于直线,与公式的变化规律一致。因此,波形钢板在跨度方向上的受力类似于梁的受力状态,可以采用平截面假设进行内力计算。根据薄壳理论的基本假定,可以采用梁的应力计算公式对波形钢板截面应力进行计算。

4.4结论

本文探讨了波形钢板结构物的三维模型向平面应力模型的简化过程,提出了采用平面模型代替三维模型对波形钢板结构物进行分析计算的思路和方法,提出了刚度等效的基本原则,并对上述结论进行了验证。但并未论述波形钢板结构物的内力计算过程及作用结构上的土压力等问题,采用平面模型对波形钢板结构物进行分析计算,还需进一步考虑土体非线性问题及土体与波形钢板接触问题,研究控制截面的内力计算方法。

参考文献

[1]单辉祖.材料力学.第二版.北京:高等教育出版社,2004

[2]彭述权.波纹钢板桥涵试验研究与力学分析.武汉:武汉理工大学,2003

[3]冯芝茂.覆土波纹钢扳桥涵土与结构相互作用分析及设计方法研究.北京:北京交通大学,2009

[4]李围.ANSYS土木工程应用实例.北京:中国水利水电出版社,2007

[5]张峰.覆土波纹钢拱桥模型试验和有限元分析.北京:北京交通大学,2008

[6]王新敏.ANSYS工程结构数值分析.北京:人民交通出版社,2007.10

[7]李围.隧道及地下工程ANSYS实例分析.北京:中国水利水电出版社

[8]冯丽.考虑土——结相互作用的覆土波纹钢板圆管涵的力学性能分析.北京:北京交通大学,2010

[9] Corrugated Steel Pipe Institute.Modern Sewer Design(Canada Edi-tion).Canada Corrugated Steel Pipe Institute,1996

二维模型 篇2

一类特殊二维0-1规划的广义指派模型求解

二维0-1整数规划模型应用广泛,对广义指派问题的`研究,解决了一些二维0-1整数规划问题.但有些实际问题具有特殊上限约束,目前还没有对应的方法.针对该实际情形,本文建立了相应的数学模型,利用对指派模型的推广,求得问题最优解,从理论上解决了这一类特殊约束二维0-1整数规划的最优解求取问题.并通过算例说明了方法的使用.

作 者：方必和 刘雪梅 FANG Bi-he LIU Xue-mei  作者单位：合肥工业大学,管理学院,安徽,合肥,230009 刊 名：运筹与管理  ISTIC PKU英文刊名：OPERATIONS RESEARCH AND MANAGEMENT SCIENCE 年，卷(期)：2007 16(3) 分类号：O221.4 关键词：运筹学   指派问题   匈牙利算法   0-1规划  

二维模型 篇3

关键词 可修系统；多重休假；定期检测；预防维修；冲击模型

中图分类号 O224 文献标识码 A

1 引 言

冲击模型是可靠性研究中的一类重要模型，其在刹车制动和电网等系统中有着重要的作用.由冲击对系统运行所造成的影响，冲击模型大体上有5类^[1]：累积损害模型、对偶δ-冲击模型、费用增加模型、故障率增加模型及δ-冲击模型.文献[2]研究了累积损害模型，讨论了系统的退化是由内部磨损及外部冲击造成的.文献[3]分析了带有预防维修的冲击模型.文献[4]针对可修系统进行定期检修提出一类维修更换策略，文献[5-7]研究了预防性维修策略.

本章对带有多重休假且定期检测的冲击模型进行了探讨.以系统的检测周期T和故障次数N为二维维修策略，又考虑到为了延长该系统的运行时间，在检测后对其预防维修，并选择最优的策略，使得系统的期望费用取得最小.

2 模型假设

假设1 设t=0时，系统是新的，且正常运行，修理工首次休假，假定修理工休假和检测的周期都为T.该系统自然运行时间的分布函数是F（t），运行时受到参数为λ的Poisson冲击流的影响，系统每次受到冲击量的分布函数是φ，当累积的冲击量大于指定阈值δ时，该系统发生故障.休假结束后，对系统进行检测，如果该系统没有发生故障，但受到冲击，且累积的冲击量未超出指定阈值δ，那么对其预防维修，且预防维修可以修复如新；如果该系统故障，那么对其维修，且事后维修不可以修复如新；如果系统正常运行且未受到冲击，那么该系统继续运行.检修结束，继续休假.系统进行预防维修和事后维修后，系统所受冲击均置0.

5 结 论

本章对带有多重休假且定期检测的累积冲击模型进行了研究.为了延长该系统的运行时间，在检测后对其预防维修.该模型以系统的检测周期和故障次数为二维决策变量，建立了优化模型.最后通过数值实例，求出了最优策略，使得该系统的期望费用取得最小.该结果对指导企业合理使用及维护设备、降低生产成本、提高经济效益和系统安全性都具有一定的指导意义和参考价值.

参考文献

[1] M T LAI， W SHIH， K Y TANG. Economic discrete replacement policy subject to increasing failure rate shock model[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2006， 27（11/12）： 1242-1247.

[2] J Y CHEN， Z H LI. An extended extreme shock maintenance model for a deteriorating system [J]. Reliability Engineering and System Safety， 2008， 93（8）： 1123-1129.

[3] 李玲， 成国庆， 唐应辉. 带预防性维修的冲击模型最优检测更换策略[J]. 山东大学学报（理学版）， 2011， 46（9）： 122-126.

[4] 贾积身， 高建来， 刘思峰. 定期检修可修系统更换模型研究[J]. 数学的实践与认识， 2010， 40 （4）： 114-119.

[5] 李海霞， 孟宪云. 修理工可单重休假的预防维修更换策略[J].经济数学， 2012， 29 （2）： 40-44.

[6] Guanjun WANG， Yuanlin ZHANG. Optimal periodic preventive repair and replacement policy assuming geometric process repair[J]. IEEE Transactions on Reliability， 2006， 55（1）： 118-122.

[7] Guanjun WANG， Yuanlin ZHANG. A bivariate mixed policy for a simple repairable system based on preventive repair and failure repair[J]. Applied Mathematical Modeling， 2009， 33（8）： 3354- 3359.

车辆二维碰撞基本模型研究 篇4

1 二维碰撞

在各类交通事故中, 车辆碰撞交通事故高达90%[1], 其中多是车速过快导致的, 因此计算车辆碰撞前后的车速是处理交通事故的重要环节。多数情况下, 碰撞车辆的质心不在同一直线上, 车辆碰撞点也不固定, 这就要求我们在分析碰撞事故时既要考虑平面运动, 又要考虑回转运动, 即二维碰撞[2]。

1.1 二维碰撞的基本假设

车辆碰撞是瞬间发生, 在极短时间内发生了能量转移, 影响因素很多, 计算复杂。面对复杂问题要省略次要因素, 重点研究主要因素, 完成分析。所以在研究二维碰撞时假设以下条件成立[3,4]:

(1) 忽略外界其他作用力, 只研究碰撞力, 并遵守能量守恒定理;

(2) 车辆碰撞后的冲量作用在碰撞中心;

(3) 车辆的结构和质心在碰撞前后不变。

1.2 二维碰撞计算模型

车1、车2发生二维碰撞, 以碰撞中心为原点建立车辆二维碰撞坐标系, 如图1所示。

根据能量守恒定理, 分别在在法向和切向建立关系方程组:

根据角动量定理, Pn、Pt分别对坐标系原点取力矩[5], 可得:

车辆二维碰撞为弹塑性碰撞, 法向恢复系数为:

联立式 (1) - (9) , 得:

其中:

二维碰撞的碰撞能量损失EL可用下式计算:

碰撞冲量最大、最小值为:

2 结束语

文章引入了弹性恢复系数, 建立了车辆二维碰撞模型。通过对二维碰撞的研究, 可以有效地计算出碰撞前后的运动参数, 对道路交通事故的再现、定责有实际意义。

摘要：文章根据车辆碰撞事故特性, 以经典力学为基础, 建立了车辆二维碰撞基本模型, 主要分析了车辆二维碰撞机理, 利用能量守恒定理和恢复系数等推算两车发生碰撞前后的运动状态。

关键词：二维碰撞模型,能量守恒,恢复系数

参考文献

[1]许洪国.汽车事故工程[M].人民交通出版社, 2004.

[2]阳兆祥.交通事故力学鉴定教程[M].广西科学技术出版社, 2002.

[3]李江等.汽车碰撞事故计算机模拟的研究.中国公路学报, 1993 (3) .

[4]许洪国.道路交通事故分析与处理[M].北京:人民交通出版社, 2004.

二维模型 篇5

二维隐马氏模型的一种简化算法及其参数估计

针对现有的二维隐马氏模型算法给出了一种简化算法及参数估计方法.该算法与现有的算法相比非常简单.基于此方法给出了相应的.识别方法和参数估计,并且该估计与极大似然估计是等同的.

作 者：葛正坤 李兵 王春玲 作者单位：国防科技大学理学院,湖南,长沙,410073刊 名：国防科技大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF NATIONAL UNIVERSITY OF DEFENSE TECHNOLOGY年，卷(期)：24(6)分类号：O211.62关键词：隐马氏模型 Viterbi算法 EM算法 参数估计 充分统计量 高斯混合

二维模型 篇6

在船舶节能方式中,微气泡减阻越来越受到人们的青睐。目前,微气泡减阻船的研究吸引着国内外大量学者的目光。据俄罗斯克雷洛夫研究院报导[1]:高速滑行艇在功率相同的情况下,采用气层减阻可以提高航速10%~30%,另外,采用气层减阻的方法,并不会恶化船舶的其它性能(稳性、操纵性、适航性等)。国内外对微气泡减阻的规律影响也进行了大量的实验及理论研究,并给出了一系列的研究方法及结论,其中比较有代表性有苏联学者McCormick和BhattaCharya[2],他们对回转体进行了试验研究,试验发现低速时,边界层中的最大气泡体积浓度为30%,阻力降低50%,当增大气流量,减小流速时,还可以增大减阻率。研究结果得知:影响减阻率的因素有水流速度和喷气量。俄罗斯学者Migirenko[3]、Dunischev[4]和Bogdevich[5,6]等人采用多孔不锈钢平板喷气的方法进行了微气泡减阻试验,喷气孔直径为1~50 μm,将微气泡引入紊流边界层内达到减阻的目的,摩擦阻力减少的程度,随喷气流量率的增大而增大,直至饱和喷气流量率,此后增大喷气流量率,摩擦阻力的变化不大;在喷气出口处的紧后方,局部摩擦阻力的减少量最大,约为90%,沿着去流方向,局部摩擦阻力减少量下降,直到失去减阻效果。美国学者Madavan、Detuseh、Merkle等人[7,8]对不锈钢平板和回转体的微气泡降阻试验研究基本上证实了俄罗斯的研究结果,其试验结果表明:摩擦阻力可减少50%~80%。

船舶微气泡减阻的工作原理可以简单的认为是把空气(或废气)引入船底,在船底表面形成气水混合两相流,可降低船底表面附近流体密度,改变边界层内流动状态,从而降低船底表面摩擦阻力以达到节能的目的。对于微气泡减阻的原理分析及应用,不仅仅限制在试验和理论的研究上,需要借助其它研究手段加以辅助。随着计算机的不断发展,数值模拟计算作为一种辅助工具已成为一种趋势,因为它能够直观地显示出减阻现象并能做出合理的描述,还可对试验结果进行预测并提供改进的方案。

1 数值计算模型

1.1 理论分析

本文为了研究问题的方便将三维船底近似当作二维平面,这样做在本质上不会背离所研究的问题,相反却有一系列成熟的理论可以作为解决问题的方法和依据。如模型简化以后边界条件简单,所研究的问题易于理论求解。

对于光滑平板湍流边界层,按照普朗特的一个假设,平板边界层中的流速分布与圆管内的流速分布相同。从Karman动量积分关系式中,并借用管流中光滑管阻力公式。

$\frac{\tau }{\rho u{}^2}=0.0225Re{}^{-1/4}(1)$

式中 τ——剪切应力,N/m2;

ρ——流体的密度,kg/m3;

u——来流速度,m/s;

Re——来流雷诺数。

根据边界层动量厚度与边界层厚度之间的关系式,可以得到摩擦阻力系数为

$C{}_{\text{f}}=0.0921\left[\frac{n}{(n+1)(n+2)}\right]{}^{1/5}Re{}^{-1/5}(2)$

式中 Cf——摩擦阻力系数。

n的取值与Re有关

$Re=\{\begin{array}{cc}10{}^6~2\times 10{}^7& n=7\\ 3\times 10{}^7~3\times 10{}^8& n=8\\ 3\times 10{}^8~10{}^{10}& n=9\end{array}(3)$

本文中106<Re<107,则取n=7,这时平板湍流边界层的摩擦阻力系数为

Cf=0.057785Re-1/5 (4)

本文对二维平板数值模拟计算采用公式(4)。

含微气泡混合流体密度方程式为

ρm=(1-α)ρg (5)

式中 ρm——混合流的密度,kg/m3;

α——空隙率;

ρg——气体的密度,kg/m3。

含微气泡的混合流体的粘性系数有两个估算式,一个是Sibree的经验式[9]

μm=μl(1-1.09α1/3)-1 (6)

式中 μm——混合流体的粘性系数,Pa·s;

μl——液体的粘性系数,Pa·s。

另一个是Einstein的分析模型[10]

μm=μl(1+2.5α) (7)

由于公式(6)是在空隙率大约在0.3~0.6时导出的,给出的结果大于公式 (6),一般公式(6)可作为取值上限,公式(7)可作为下限。本文将采用公式(7)。

假设微气泡垂直喷入并未影响水平方向的流速,则混合流中模型所受摩擦阻力为

$R{}_{\text{f}\text{m}}=C{}_{\text{f}\text{m}}\frac{\rho {}_{\text{m}}u{}_{\text{l}}^2}{2}S(8)$

式中 Rfm——气液混合后的摩擦阻力,N;

Cfm——气液混合后的摩擦阻力系数;

S——船底的表面积,m2。

微气泡流引起摩擦阻力降低,因此基于摩擦阻力来定义的减阻率为

$\eta {}_{\text{f}}=\frac{R{}_{\text{f}}-R{}_{\text{f}\text{m}}}{R{}_{\text{f}}}=1-\frac{C{}_{\text{f}\text{m}}\rho {}_{\text{m}}}{C{}_{\text{f}}\rho {}_{\text{g}}}=1-(1-\alpha ){}^{4/5}(1+2.5\alpha ){}^{1/5}(9)$

式中 ηf——基于摩擦阻力计算的减阻率;

Rf——未喷气时的基本摩擦阻力,N。

从公式(5)、公式(7)可知:引入微气泡后,使模型壁面附近流体密度下降,但是也引起了混合流体粘度的增加。由于密度因素控制着阻力的减少,只有在空隙率较大时粘度才变得重要。微气泡在这种机制中扮演着非常重要的角色。它是以稳定的方式来减小介质密度的载体。由公式(9)可知空隙率是影响减阻率的一个重要因素,而空隙率的分布又与很多因素密切相关,如主流速度和喷气速度的大小、喷气角度的大小、不同的喷气形式及喷入微气泡的直径等,本文将通过数值模拟分析这些因素对空隙率分布的影响。

1.2 基本控制方程

本文将微气泡流动作为混合物的流动处理,同时考虑了气泡与水之间的相互作用。数学模型的控制方程包括:混合流体的连续性方程、混合流体的运动方程、气泡的体积分数(空隙率)方程,气泡与水之间滑移速度的方程,湍流模式采用k-ε模型。

混合流体的连续性方程为

$\frac{\partial \rho {}_{\text{m}}}{\partial t}+\nabla \cdot (\rho {}_{\text{m}}\overline{u}{}_{\text{m}})=0(10)$

式中$\overline{u}$m混合流质量平均速度,m/s;

t——时间,s;

∇——拉普拉斯算子。

混合流体的动量方程:

混合流体的动量方程可以由各相流体的运动方程叠加得到。

$\frac{\partial \rho {}_{\text{m}}\overline{u}{}_{\text{m}}}{\partial t}+\nabla \cdot (\rho {}_{\text{m}}\overline{u}{}_{\text{m}}\overline{u}{}_{\text{m}})=-\nabla p+\nabla [\mu {}_{\text{m}}(\nabla \overline{u}{}_{\text{m}}+\nabla \overline{u}{}_{\text{m}})]+\nabla \cdot [\alpha \rho {}_{\text{g}}\overline{u}{}_{\text{g}\text{m}}\overline{u}{}_{\text{g}\text{m}}+(1-\alpha )\overline{u}{}_{\text{g}\text{l}}\overline{u}{}_{\text{g}\text{l}}](11)$

式中 p——混合流压强,Pa;

$\overline{u}$gm——气相漂移速度,m/s;

$\overline{u}$gl——气-液两相间滑移速度,m/s。

微气泡的空隙率方程

$\frac{\partial \rho {}_{\text{g}}\alpha }{\partial t}+\nabla \cdot (\rho {}_{\text{g}}\alpha \overline{u}{}_{\text{m}})-\nabla (\rho {}_{\text{g}}\alpha \overline{u}{}_{\text{g}\text{m}})(12)$

气泡与水之间的滑移体现在两相之间的相互作用中;微气泡与水之间的相对速度定义为滑移速度,气泡和水之间的滑移速度(相对速度)方程

$\overline{u}{}_{\text{g}\text{l}}=\overline{u}{}_{\text{g}}-\overline{u}{}_{\text{l}}(13)$

气相漂移速度方程

$\overline{u}{}_{\text{g}\text{m}}=\overline{u}{}_{\text{m}}-\overline{u}{}_{\text{g}}(14)$

微气泡的漂移速度与滑移速度之间的关系[11]

$\overline{u}{}_{\text{g}\text{m}}=\left(1-\frac{\alpha \rho {}_{\text{g}}}{\rho {}_{\text{m}}}\overline{u}{}_{\text{g}\text{l}}\right)(15)$

Manninen等人[12]提出的气泡滑移速度$\overline{u}$gl与质量平均速度$\overline{u}$m之间关系的方程

$\overline{u}{}_{\text{g}\text{l}}=\frac{(\rho {}_{\text{g}}-\rho {}_{\text{m}})d{}_{\text{g}}^2}{18\mu {}_{\text{m}}F{}_{\text{d}\text{r}\text{a}\text{g}}}\alpha (16)$

式中 Fdrag——液相对微气泡的拖曳力,N。

Fdrag的函数表达式为

$\{\begin{array}{l}F{}_{\text{d}\text{r}\text{a}\text{g}}=1+0.15Re{}_{\text{g}}^{0.687}\cdots Re{}_{\text{g}}<1000\\ F{}_{\text{d}\text{r}\text{a}\text{g}}=0.0183Re{}_{\text{g}}\cdots Re{}_{\text{g}}>1000\end{array}(17)$

其中

$Re{}_{\text{g}}=\frac{\rho {}_{\text{m}}d{}_{\text{g}}u{}_{\text{g}\text{l}}}{\mu {}_{\text{m}}}(18)$

式中 dg——为微气泡直径,m;

Reg——为气泡雷诺数;

α——为混合流加速度,m/s2。

最简单的代数滑移公式是所谓的漂移流量模型,其中粒子的加速度由重力或离心力给出粒子的弛豫时间考虑其它粒子的存在而被修正。数学模型中假设气泡既不破裂也不合并,由于计算中使用的气泡大多足够小,数学模型中没有计及重力的影响,表面张力的影响也未考虑。

湍动能k和湍能耗散率ε的输运方程为

$\frac{\partial (\rho {}_{\text{m}}k)}{\partial t}+\frac{\partial (\rho {}_{\text{m}}ku{}_i)}{\partial x{}_j}=\frac{\partial }{\partial x{}_j}\left[\left(\mu {}_{\text{m}}+\frac{\mu {}_{\text{t}}}{\sigma {}_{\text{k}}}\right)\frac{\partial k}{\partial x{}_{\text{t}}}\right]+G{}_{\text{k}}-\rho \epsilon (19)$

$\frac{\partial (\rho {}_{\text{m}}\epsilon )}{\partial t}+\frac{\partial (\rho {}_{\text{m}}\epsilon u{}_i)}{\partial x{}_j}=\frac{\partial }{\partial x{}_j}\left[\left(\mu {}_{\text{m}}+\frac{\mu {}_{\text{t}}}{\sigma {}_{\text{ε}}}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial x{}_j}\right]+\frac{C{}_{1\text{ε}}}{k}G{}_{\text{k}}-C{}_{2\epsilon }\rho \frac{\epsilon {}^2}{k}(20)$

式中 k——湍动能;

ε——湍动能耗散率;

Gk——由于平均移动速度引起的湍动能的产生项;

σε——湍动能耗散率ε对应的Prandtl数;

σk——湍动能k对应的Prandtl数;

C1ε、C2ε——经验常数。

1.3 模拟对象

本文数值模拟中将微气泡视为刚性粒子,并作了以下几个基本假设:

(1)不考虑自由面的影响,对自由面采用刚盖条件进行简化;

(2)微气泡不溶于水,即微气泡和水之间不存在质量的转化;

(3)忽略微气泡的变形、聚并或破裂,并且,在微气泡运动过程中,微气泡的大小不变;

(4)忽略微气泡的湍动作用,认为湍流是连续相的,并且湍流为各向同性的,湍流扩散和输运也是各向同性的。

整个流场是定常、不可压缩流动,液面为自由面其计算模型见图1。

1.4 边界条件的设定

对计算区域的边界,主流入口为$\overline{u}=\overline{u}{}_{\text{t}}$、α=0、方向沿x轴正方向;微气泡喷入口,$\overline{u}=\overline{u}{}_{\text{g}}$、α=1,方向沿y轴负方向;出口边界距离模型足够远:p=p0、p0为参考压力;模型表面设为$\overline{u}=0$;对称面上为法向速度$\overline{u}{}_{\text{n}}=0$、切向速度的法向导数ut/n=0。

2 数值模拟结果分析

2.1 喷入速度对空隙率的影响

从图2中可知,越靠近模型上表面,空隙率越大,并且微气泡绝大部分都集中在紧贴模型上表面很薄的一层内。在主流速度为3 m/s时、不同喷入速度下,空隙率逐渐增大,喷入速度为0.9 m/s时,壁面空隙率达到最佳,在喷口附近可达95%,最低为85%;喷入速度为0.3 m/s时,壁面空隙率最低,由70%逐渐减低到55%;同时清晰可见,壁面空隙率的沿程分布情况,随喷入速度的增大而增大。同样,在主流速度为5 m/s、7 m/s、9 m/s时也获得了相似的结果。这也进一步说明了,不同喷入速度的情况下,减阻率随喷入速度的增大而增大。这主要是由于主流速度不变,当喷气流量增大时,增大了气泡层的覆盖面积,提高了减阻率;但是由于气泡量增加导致流体对气泡的附带效果减弱,气泡层浓度增大,加强了覆盖层的减阻效果;但是,气泡聚集成群,并在浮力作用下,加快了气泡的逃逸,从而影响减阻率的增大。故表现为随喷气量的增加,减阻率增大,但减阻率增加幅度减小。

2.2 主流速度对空隙率的影响

由以上分析可知,在气泡直径和主流速度一定下,喷入速度越高,减阻效果越好。因此,在模拟主流速度对空隙率和减阻率的影响时,设定喷入速度恒为0.9 m/s。不同主流速度下的空隙率分布如图3所示。可见,主流速度为3 m/s时壁面空隙率最大,近壁面在90%左右,而主流速度为9 m/s时只有60%左右。壁面空隙率随主流速度的增加而减少;并且壁面空隙率也在沿程减少,越往后减少的程度越小。主要是由于速度的增加,加大气泡向后的速度,加快了气泡向后的扩散,从而降低了船底面气泡层浓度;同时速度增加,加大了底部流场的湍流度,从而加大了对气泡层的扰动,降低了气泡层的稳定性,进而增加了气泡的逃逸,导致气泡层覆盖面积减小气泡直径对空隙率和减阻率的影响。

由以上分析可知,在气泡直径一定的情况下,减阻率随喷入速度的增加而增大,随主流速度的增大而减少,为了深入研究气泡直径对空隙率和减阻率的关系,本文取最佳工况即喷入速度为0.9 m/s,主流速度为3 m/s进行模拟,计算结果如图4所示。可以看出在气泡直径为10~100 μm范围内,随着直径的不断增大,空隙率增大且减阻率也增加;在直径在40~100 μm时,其减阻效果高达80%~90%。

2.3 不同喷入角度对空隙率和减阻率的影响

上述的所有数值模拟结果与分析都是在喷入角度为90°时的工况下获得的。不同的喷入角度在一定程度上也会影响壁面空隙率的分布情况。为了研究最佳的喷入角度,本文对喷入角度为30°、45°、60°和90°的工况进行模拟,如图5所示。

模拟结果表明:喷角为30°时,近壁面的空隙率分布虽然稳定,但是微气泡的分布最少只有30%左右,喷角为45°、60°、90°的效果比喷角为30°的要好,但总体来说喷角为90°时效果最好。这主要是因为空隙率随喷气量的增大而增大,采用斜喷时虽然能很快的形成稳定的气泡层,但是在相同的喷入速度下,斜喷的喷气量要比直喷的少,从而使得空隙率较低。

本文的模拟结果表明,在不同喷气速度下减阻率均沿喷气口向后逐渐下降,同时表明在一定条件下减阻效果随喷气速度的增大而增大,随主流速度的增大而减少。这与俄罗斯学者Migirenko[3]、Dunischev[4]、Bogdevich[5]等采用平板喷气的方法进行微气泡减阻试验的测量结果所得到的规律是一致的。

3 结论

本文主要针对气液两相流的流动特征,从二维近似船底模型入手,分析了在不同影响因素下的微气泡减阻规律,主要得出了以下几点结论:

(1)同一来流速度下,随着喷气流量的增大,减阻率增大,当喷气量达到一定程度后,此后增大喷气量,摩擦阻力变化不大;同一喷气流量下,随着来流速度的增大,减阻率减少;

(2)微气泡的直径为10~100 μm范围内,随着直径的不断增大,空隙率增大且减阻率也增加;

(3)不同的喷气角度下,直喷情况下减阻效果较好;采用不同喷气形式来控制壁面空隙率的分布是一个提高减阻率的有效的方法;

(4)喷入微气泡能够使得平板摩擦阻力大幅减小,最大减幅可达85%。

摘要：在船舶节能方式中,微气泡减阻越来越受到人们的青睐,船舶微气泡减阻的研究是一项非常复杂的课题,影响船舶微气泡减阻的因素也很多。本文试图从二维近似船底模型入手,模拟分析空隙率、主流速度、喷气速度、气泡直径和喷入角度对减阻率的影响。结果表明空隙率是影响减阻率的重要因素,喷入微气泡能够达到减阻效果,最大减幅可达85%左右。

关键词：微气泡减阻,船底模型,空隙率

参考文献

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二维码安全的综合保护模型研究 篇7

关键词：二维条码,安全,综合保护模型

信息传输的快速发展,促使信息识别的条码技术应运而生。一维条码将线条与空白按照一定的编码规则组合起来,用以代表字母、数字等信息,是对“物品”的标识而非描述。二维条码则不同,它具有高密度、高容量、纠错强和成本低等特点,不依赖网络和数据库,因此广泛应用于电子凭证、防伪溯源、平面杂志以及数字出版等方面。但近年来,在二维码使用中出现了各种安全问题,阻碍了它的应用和发展。基于此,本文针对二维码的安全隐患,提出一种系统化的二维码安全综合保护模型。

1 二维码应用中的安全隐患

1)手机病毒和恶意网址等攻击形式借助二维码快速传播。如果二维码链接的是恶意应用或恶意网址,当用户通过手机扫描这种二维码时,就会遭遇安全威胁。据报道,2012年上半年查杀到手机恶意软件共计17676款,比2011年下半年增长42%,感染手机1283万部,比2011年同期增长177%。

2)随手丢弃的火车票二维码信息成为个人信息泄露的主要来源之一。火车票二维码记录了乘车人身份证号码以及车次、车号和座位号等信息,一些不法分子通过破解火车票二维码盗取乘客个人信息,从事违法犯罪活动,给人们的生活带来不稳定因素。

3)伪造的二维码认证使消费者因无法确定商品真伪而利益受损。不法商贩通过复制合法商品的二维码制假,消费者很难识别。例如在购买珠宝首饰等贵重商品时,如果商家伪造二维码认证信息,很多消费者就无法分辨其真伪。

2 二维码安全的综合保护模型

二维码作为信息识别类的新兴领域,未来将会越来越普及,它的安全问题来自自然和人为两个方面。为实现二维码的安全应用,需要建立一个二维码安全的综合保护模型,即二维码的防护、检测、响应、恢复和安全管理,如图1所示,下面将从这五个方面进行逐一分析。

1)防护阶段:二维码标签已作为一种信息携带和身份识别工具使用,其应用过程要保证信息的安全,即其机密性,完整性,可用性,可控性以及不可抵赖性。运用数字加密技术建立起一套严密的身份认证系统,可以保证二维码信息不被它人窃取信息,在传输过程中不被篡改,接收方能够通过数字证书来确认发送方的身份,而且发送方对于自己已发的信息不能抵赖。

2)检测阶段:二维码已广泛应用于电子商务领域,由于用心不良者的破坏,很可能会出现伪造或篡改等现象,需要有相应的二维码产品的检测防伪程序。一个通过编解码及非对称加密算法实现第三方认证和识别的检测防伪程序,主要包括三个模块:(1)密钥管理模块:由具有公信力的机构承担,负责公钥和私钥的生成,分发和管理。(2)二维码生成模块:由生产厂家承担,在每个产品二维码的制作过程中,处理原始信息,生成数字签名。(3)二维码识别模块:由消费者使用公钥对数字签名进行判断,如果通过则确定是正品,否则就是伪劣产品。

3)恢复阶段:二维码的恢复是指对于差错信息或由于实物损毁造成的信息缺失而进行的纠错和还原。二维码的制作和保存环境多样,标签遭到破坏时,使用者便无法读取,因此不可避免的要解决二维码的恢复问题。二维码在实际制作时,用户可以根据实际情况选择不同的纠错等级,通过纠错码生成算法,再由数据码字生成纠错码字。当由于脱墨、污点等符号破损造成信息差错或缺失时,利用编码时引入的纠错码字,通过特定的纠错译码算法便可以正确议解和还原数据信息。

4)响应阶段:为了能够合理、有序地处理二维码信息安全事件,此阶段将安全响应分成准备、检测,抑制、根除、恢复和总结等六个阶段的工作:准备阶段:明确应急计划和响应策略;检测阶段:制定相应检测手段;抑制阶段:适时通知响应中的关键角色,以便履行职责;根除阶段:改变个人使用和管理行为模式,谨慎对待二维码;恢复阶段:备份恢复二维码信息数据并及时验证;总结阶段:进行事后分析总结,修订安全计划。

5)安全管理:在技术保障模型的前提下,综合的二维码安全保护模型还包括对二维码的安全管理。首先,政府相关部门应尽快出台二维码安全的法律法规,例如,铁道部门对于火车票上二维码可实施加密,从源头上遏制个人信息泄露的继续发生;其次,对于用户来说,需要注意:(1)使用前要鉴别二维码来源,并在手机中安装相应的防护程序;(2)不随意丢弃火车票;(3)顾客购买贵重商品时,可通过商家建立的网络监控管理系统查询二维码标识;(4)个人信息被非法获取,公民隐私权受到侵害时,可向公安机关报案,追究行为人的责任;(5)商家存在欺诈行为时,如索赔不成,可通过向消费者协会投诉、工商行政管理机关申诉、法院起诉等有效途径解决问题。

3 结束语

二维码在给人们带来方便快捷的同时,其安全风险也不可小觑。本文首先阐述了二维码的产生与基本应用,然后从其安全隐患的角度作出分析,并基于二维码的生命周期提出了二维码安全的综合保护模型。从五个阶段分别阐述二维码安全事件的准备与应对,并结合技术与人员的安全管理实现了立体化的二维码信息安全防护。

参考文献

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[4]陈珏.面向手机的二维条码技术的研究与应用[D].沈阳:东北大学,2005(11).

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[6]廖东方.二维码电子标签的安全技术研究[D]北京:北京邮电大学,2008(02).

二维投影变换模型的单应矩阵表示 篇8

关键词：图像变换模型,投影变换,单应矩阵

0 引言

随着科学技术的发展,图像配准技术在信息处理领域中的应用范围越来越广泛。例如:图像配准技术应用在光学和雷达的目标跟踪与识别、医疗诊断、图像拼接和图像融合、司法取证等领域。这些只是图像配准应用的一部分,但已经显示出在社会生产生活的很多方面都会涉及到图像配准的问题。图像的变换模型作为图像配准的基础知识在确定图像配准模型时至关重要。根据不同的实际应用应选用不同的图像变换模型。对于常用的平面图像的空间变换选用的是二维投影变换模型即单应变换。本文详细给出了其变换矩阵表示的推导。

1 二维投影变换

二维平面投影变换进行配准,其主要适应两种情况,一是,相机任意运动(旋转和平移)来拍摄同一平面图像;二是,相机绕其光心旋转或缩放来拍摄同一平面场景。两幅图像上的点U和U′对应同一场景点X,则两幅图像中的成像点U和U′满足关系U′=HU。单应矩阵H具体表示的含义如下文。

2 单应矩阵表示的推导

2.1 摄像机成像原理

本文取针孔模型为摄像机的几何模型。在此模型下,3D场景中的一点P经摄像机的光心投影到像平面的p点上,光轴是来自光心并垂直于像平面于点C的一条射线,f是摄像机的焦距,即光心到像平面间的距离。现在,以摄像机的光心Oc为原点,以经过光心且互相垂直的三条直线Xc,Yc,Zc为坐标轴,建立摄像机坐标系Oc-XcYcZc,其中Zc和光轴重合。取经过平面中心且相互垂直两条直线为坐标轴,建立像平面坐标系Oi-XiYi,如图1所示。

如果点C为像平面的中心,即和Oi点重合。令P点在摄像机坐标系下的坐标为X=(Xc,Yc,Zc)T,对应的图像点p在像平面坐标系下的坐标为m=(x,y)T,由图1可得:

将(x,y)用齐次坐标(x,y,1)表示,则(1)式可写成如下矩阵形式:

这是摄像机最理想的简单模型。

由于制造工艺的限制,摄像机光轴与像平面的交点C不可能在像平面的中心,有偏移量(x0,y0),因此,通常的透视模型应为:

2.2 图像坐标系与摄像机坐标系的关系

通常情况下,摄像机采集的图像在计算机内存储为M×N数组,即M行N列,其中数组中每个元素的数值即是图像点的亮度,例如320×240,表示该图像是由320×240个像素点构成的。如图2所示,在图像上定义直角坐标系u,ν,每一像素的坐标(u,ν)分别是该像素在数组中的列数与行数。

所以,(u,ν)是以像素为单位的图像坐标系的坐标。由于(u,ν)只表示像素位于数组中的列数与行数,并没有用物理单位表示出该像素在图像中的位置,因而,需要再建立以物理单位(例如毫米)表示的图像坐标系。该坐标系以图像内某一点O1为原点,x轴与y轴分别与u,ν轴平行。在x,y坐标系中,原点O1定义在摄像机光轴与图像平面的交点,该点一般位于图像中心处,但由于摄像机制作的原因,也会有些偏离,若O1在u,ν坐标系中的坐标为(u0,ν0),每一个像素在x轴与y轴方向上的物理尺寸为dx,dy,则图像中任意一个像素在两个坐标系下的坐标有如下关系:

为以后使用方便,本文用齐次坐标与矩阵形式将上式表示为:

逆关系可写成:

将(4)两边乘以Zc可得:

将(3)代入式(6)则得:

令等式(7)右边的第一个矩阵与第二个矩阵的乘积为K,矩阵K称为摄像机内参数阵。则(7)可写成:

2.3 摄像机坐标系与世界坐标系的关系

由于摄像机可安放在环境中的任何位置,我们在环境中选择一个基准坐标系来描述摄像机的位置,并用它描述环境中任何物体的位置,该坐标系称为世界坐标系。它由Xw,Yw,Zw轴组成。摄像机坐标系与世界坐标之间的关系可以用旋转矩阵R与平移向量t来描述。因此,空间中某一点P在世界坐标系与摄像机坐标系下的齐次坐标分别为(Xw,Yw,Zw,1)和(Xc,Yc,Zc,1)于是存在下面的关系:

为了将图像坐标系和世界坐标系联系起来,需要将式(9)代入式(8),所以本文要统一书写形式将式(9)改写成摄像机坐标不用齐次坐标表示的形式,即:

将式(10)代入式(8)得到图像坐标与世界的关系如(1)式所示。其中R为3×3的正交单位矩阵,t为三维平移向量。

2.4 单应矩阵的表示

令π是空间中的一平面场景,相机从两个不同视角拍摄的两幅图像分别为I1和I2,令U=(u,ν,1)T∈I1,U′=(u′,ν′,1)T∈I2,是任意一对对应点,对应于同一平面场景点x=(X,Y,Z)T,如果矩阵H使得下式成立:

则称H为图像对(I1,I2)关于平面场景π的单应矩阵。其中,w为非零常数因子。

设π的平面方程为:undefined为π上的任意一点,undefinedT为π的单位法向量,d为世界坐标系原点到π的距离。设x在各自摄像机坐标系下的坐标为,(Xci,Yci,Zci)T(i=1,2)。设两个摄像机坐标系相对于标准世界坐标系的旋转矩阵为3×3的Ri(i=1,2),三维平移向量为ti(i=1,2)。

设平面场景点x=(X,Y,Z)T对应的摄像机坐标系下的坐标为(Xc,Yc,Zc)T,由(11)式可知,平面场景点x=(X,Y,Z)T投影到图像上一点U=(u,ν,1)T,则有:

undefined

,即,

考虑平面场景点x=(X,Y,Z)T在图像I1和I2上的投影点U和U′,则由(13)式可得:undefined。因为平面场景中的所有点满足平面方程undefined,所以undefined,则(13)式可写成:

同理可得:

由(14)式可得undefined将其代入(15)式得:

undefined

undefined为一个非零常数因子,因此,单应矩阵可表示为:

undefined

当摄像机仅作平移运动,即R1=R2=I,可得:

undefined

当摄像机仅作旋转运动,即t1=t2=0,可得:

H=K(R2)(R1)-1K-1 (19)

至此,推导出了单应矩阵的表示公式。

3 结束语

本文概述了图像变换模型中常用的二维平面投影变换,并给出其单应矩阵表示的详细推导,由于很多图像处理的书籍,对单应矩阵的表示只是说明它是一个3×3的矩阵,并没有阐述它这种表示是如何得来的,本文用矩阵的知识对其表示进行了详细的推导。

参考文献

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[4][美]福赛思(Forsyth D A),等.计算机视觉:一种现代方法[M].林学,等译.北京:电子工业出版社,2004.

链斗输送机三维模型及二维工程图 篇9

链斗式运输机采用链传动机构, 它具有输送量大、提升高度大、运行平稳可靠、寿命长等显著优点。目前国内很多工矿企业, 对链斗式运输机的需求在数量和性能上都有很大的提高。为进一步满足工业生产的需求和缩小链斗式运输机领域与国外先进技术的差距, 研究设计了一种链斗式运输机, 其性能基本达到国际先进水平。

2 链斗式运输机设计计算与结构设计

2.1 驱动链轮和从动链轮的结构设计

上、下链轮的结构分布如图1所示, 上、下链轮的结构如图2所示。

2.2 链条与料斗组合的设计计算

链斗式运输提升机中链条必须要合理地组装到料斗上后才可以正常工作。所以链条与料斗的尺寸型号的匹配是很重要的步骤。根据设计题目的要求, 考虑链条与料斗组合工作的稳定性和安全性, 故选择两条链并列使用的机构, 设计链条与链斗的组合如图3所示。

根据设计数据计算料斗的质量

单个料斗的体积

单个料斗的质量:

式中, ρ铁-铁的密度系数, ρ铁=7.8×103kg/m3;δ-料斗的壁厚, 取δ=8mm。

3 利用Pro/E软件绘制三维图

在设计链斗输送机机型时, 利用三维制图软件来生成各种零件的三维图。将零件的形状、尺寸更直观地展现出来, Pro/E制图软件生成的链斗式运输机的整体造型三维图如图4和图5。

4 利用Pro/E软件制二维图

在Pro/E软件的制图模块中我们可以直接将下箱体和总装体的三维实体图转换成二维零件图 (图6和图7仅为示意图) 。

5 结语

研究链式传动原理基础上, 针对链斗式运输机的基本结构及传统运输机械存在的问题, 设计出更适应现代工业生产、更安全可靠、更经济耐用的改进型运输机, 链斗及连接件也做了相应的改进, 以达到更加合理。设计过程中应用了先进的工程软件Pro/E绘制三维图, 并转换出二维工程图, 为生产厂家提供齐全的技术文件。

摘要：链斗式运输机不但能在高温、多灰尘及有腐蚀性的环境下工作, 而且能在垂直面内循环运输货物。文中设计了一种应用在工矿、石灰等生产领域的链斗式输送机。利用Pro/E软件绘制三维模型, 并转化成二维工程图。

关键词：链斗式输送机,Pro/E,二维工程图

参考文献

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[2]李柱国.机械设计与理论[M].北京:科学出版社, 2003.

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[4]吉林工业大学链传动研究所.链传动设计与应用手册[M].北京:机械工业出版社, 1992.

二维模型 篇10

目前, 医学上通过观察人体的某一断层图像进行诊断。由于人体器官结构的复杂性以及病变或破损位置、形状的不可预知性, 仅仅由二维图像显示生物结构形态, 难以得到准确、完整的描述, 对进一步研究病情带来了困难, 通过二维图像, 利用三维重建技术可以将看不见的人体器官真实地显示出来, 改变了传统的放射诊断方法。

混凝土的力学性能一直都是科学界研究的课题。混凝土的宏观研究, 忽略了混凝土材料内部复杂的细观结构, 将混凝土视为均质连续体, 运用连续介质力学、损伤力学、断裂力学等理论, 对混凝土进行力学性能的研究, 难以揭示材料变形和破坏的物理机制, 特别是天然存在的大量的细、微观缺陷, 如骨料界面、空洞以及随机分布的微裂纹随载荷作用的扩展对混凝土力学性能的影响。自20世纪70年代末, 随着计算机水平的提高和图形处理软件的发展, 对混凝土的研究逐渐由宏观向细观及微观深入, 人们发展了混凝土细观力学研究方法。细观研究方法把混凝土看作多相非均质复合材料, 结合理论和试验研究, 认为混凝土宏观的力学性能和破坏过程与其内部的细观结构特点及裂缝发展有关, 混凝土的破坏正是由潜在的各种缺陷引起的, 其破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通, 直到产生宏观裂纹, 导致混凝土失稳破裂的过程。细观研究手段主要有两类, 一是基于随机抽样原理和统计学原理建立虚拟细观结构数值模型, 运用软件计算分析模型加载破坏过程中的力学特征;二是通过成像设备获取混凝土断面的真实数字图像, 进行图像处理后建立模型, 进行加载分析。或者获取实时加载破坏断面图, 分析图像变化, 探知细观破坏规律。本文介绍后者。

1 图像获取

采用连续切片方法获得二维数字图像。切割过程中要严格控制切片厚度, 每两个切片间距为集料粒径的四分之一。将混凝土截面修平后研磨, 使得其表面为平整平面, 采用普通数码相机拍摄获取混凝土截面的二维图像, 之后切去较薄一层材料, 研磨后拍摄, 如此循环。图像应能足够了解物体的立体结构信息要求, 最后用计算机软件将序列平面图像依次连接起来, 便可得到研究对象的立体结构图。切片后拍摄获得的混凝土二维图像如图1所示。

2 三维重建

2.1 图像处理

所摄取的图像中, 有很多使计算分析变得复杂的杂质等干扰因素, 有必要进行图像处理。

各相物质的增强、分割等处理是三维重建中必须的环节。图像处理内容包括图像剪切、灰度直方图均化、灰度变换、平滑和锐化处理、阈值分割等。

2.2 三维重建

利用软件MATLAB对混凝土的多幅经过图像处理后的连续切片图像进行三维重建。

(1) 三维体数据采集。依次读入由连续切片获得的断序列截面数字图像, 将图像的序列号作为第三维数据构造出三维体数据集D, 因此得到一个三维矩阵。

(2) 体数据集预处理。构造所得到的体数据集数据量大, 可根据实际情况利用reducevolume函数对体数据集D进行预处理, 以降低所处理的数据量。

(3) 面绘制及三维显示。利用is osurface函数计算体数据集D在显示平面的累计投影。再利用patch函数指定所有顶点的坐标和各小面片的顶点和颜色来创建面片。

(4) 建立视图, 添加phone光照模型。接近实际生活中物体在光源照射下产生特有的光泽, 因此生成的图像真实感较强。

(5) 设置透明度, 实现多层面显示为等值面设置Alpha值 (透明系数) , 给等值面添加透明度, 揭示试件内部结构。上述过程主要的Matlab命令流有:

1) i mage n=i mread (′二维图像地址′, ′bmp′) ;

2) D=cat (3, i mage1, ……i mage n) ;

3) [x, y, z, D]=reducevolume (D, [1, 1, 1]) ;

4) D=s mooth3 (D) ;

5) fv=is osurface (x, y, z, D, 4) ;

6) p=patch (fv, ′facecol or′, ′yell ow′, ′edgecol or′, ′none′) ;

7) das pect ([841]) ;

8) col or map (gray) ;

9) view (3) ;

10) camlight headlight。

结束语

基于真实混凝土内部结构的二维图像重构了接近实际的混凝土骨料分布模型, 弥补了传统的数值方法采用统计学原理建立三维细观模型的不足。该技术描述的非均质性能在表征上十分接近混凝土的真实非均匀性, 为进一步研究混凝土材料的力学性能与破坏机制提供了新的手段。可以研究混凝土的级配、骨料含量及其分布模型对混凝土的力学性能的影响, 可以验证混凝土数值模拟中一定级配下各种骨料随机投放模型的可靠性。

摘要：采集混凝土试件二维序列图像数据, 通过图像分割、提取、线性内插、三维重建技术获得试件的三维几何模型, 为有限元方法研究混凝土的受力性能提供了有效的模型。

关键词：三维重建,力学分析,数字图像

参考文献

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