虚拟试验系统

虚拟试验系统（精选十篇）

虚拟试验系统 篇1

1 测试系统的设计

活塞杆弯曲试验测试系统是在液压万能试验机的基础上开发而来。活塞杆弯曲试验测试系统的工作过程是弯曲力变化量的力传感器, 挠度的变化利用位移传感器逐步转化为电压信号;然后, 弯曲力电压信号再经过信号的调理模块放大、调理后, 最后和挠度电压一起输入信号数据采集卡。采集卡再将模拟量转变为数字量, 通过软件系统数据的分析、计算和处理。最后对结果进行打印、储存和显示。

2 测试系统的设计

2.1 软件结构框架

采用图形化语言的LabVIEW进行软件程序的设计。程序采用了while loop的循环结构, 在标定、自检、数据采集、传感器清零、读取、保存和打印的功能时选用了case的选择结构。在主程序中调用中也为子任务创建SubVI。系统的自检功能得到了自检模块上的实现。自检模块利用挠度-时间曲线和弯曲力-时间判断挠度信号和弯曲力的对错;利用4个标定参数显示判断传感器的在标定文件中的状态。

数据处理SubVI、数据采集子模块、子模块测试模块及数据计算显示是构成数据采集子模块的主要部位。通过利用位移传感器的电压信号和循环采集力传感器, 然后再还原为清零之后的挠度信和弯曲力号, 再利用滤波之后及时的弯曲力-挠度曲线进行显示。通常情况下, 我们都是利用SubVI实现对信号的滤波, 用它作为判断和辨别活塞杆的断裂依据, 进而去除了弯断之后所采集到的所有数据。显示子模块及数据计算要依照数据处理之后的计算结果, 通过显示其规定非比例弯曲极限、规定非比例弯曲力Fpb0.03、抗弯强度、最大弯曲力Fbb、输出弯曲力-挠度曲线、最大挠度fbb和确定Fpb0.03的斜线。值得一提的是显示子模块及数据计算还能让主程序直接去调用。如果测试的结果错误是淫威测试前的输入参数的误差所导致时, 就通过修改测试前的输入参数, 然后点击参数的修改按钮, 主程序就能直接地调用显示子模块及数据计算, 从而修正了测试结果。指定挠度处弯曲力模块实现了计算所指定挠度处的弯曲力的功能。

指定弯曲力处的永久变形模块能够实现计算指定弯曲力及FA处的永久变形fA的所有功能。永久变形fA就是通常所说的塑性变形, 操作时我们应该先计算出弯曲FA力处的挠度, 之后再根据确定Fpb0.03的斜线的计算弹性变形, 最后利用FA弯曲力处的挠度推出弹性变形的剩余变形就成了永久变形fA。

2.2 数据处理的关键问题

数据处理的最主要的问题就是弯曲力-挠度曲线弹性段截距和直线斜率的确定, 截距和直线斜率是计算指定弯曲力FA处的永久变形fA和非比例的弯曲力Fpb0.03的唯一的依据。通常情况下, 此曲线弹性段属于斜线段, 如果试件的直径越大, 那么斜线段就会越长, 然而一般情况下因为试验机的加载系统间隙以及加载抖动, 会使实际弹性段难以保持斜线段。所以说如果直接采用直线拟合线弹性段时, 就很难准确地判断弹性段的终点, 同事还要注意到拟合误差也是比较大。确定曲线的弹性段截距和直线斜率一般都是选用数据处理中最小均方差法。以1kN做起点, 在逐渐增加后续点数中, 起点与每一个后续点之间全部点拟合为直线, 这里面直线均方差最小者就是该曲线弹性段的拟合直线。

3 测试系统的硬件

3.1 数据采集系统

数据采集系统主要包括信号调理模块、力传感器、位移传感器、计算机组成和数据采集卡。活塞杆试样的直径通常是≤φ26的, 最大的弯曲力≤92kN, 所以力传感器的选用量程一般是10t左右的电阻应变片式力传感器;信号调理模块大多是采用ADAM-3016-AE型信号调理模块;活塞杆弯曲最大挠度不能≤45mm, 所以位移传感器选用量程就要保持在±25mm差动变压器式位移传感器。试验的过程中, 数据采集卡需要挠度两路信号和采集弯曲力, 采样的频率是50Hz~2000Hz;力传感器和位移传感器满量程输出电压一般情况下为5v。模拟输入的通道不能少于四条, 频率也不能不小于10KS/s, 还要保证输入电压信号的范围应该在5V以内。所以, 系统数据采集卡选用NI公司生产的PCI-6220数据采集卡。该卡一共有68个端子, 频率是250KS/s, 采用16位精度, 以及l6信道单端模拟输入, 2个24位定时/计数器, 24个数字I/O, 能够满足该系统的所有要求。

3.2 工装的设计

万能试验机再给活塞杆2加载的时候, 试验机移动臂6就会同时向下移动, 这就推动压头3、压头座4和力传感器5向下移动, 支辊1与压头3紧压在活塞杆3上, 从而形成了三点弯曲方式。力传感器5是用来检测活塞杆2所受的弯曲力。至于位移传感器8就安装在开槽的位移传感器线性区。定位套7的功用就是为了确保位移传感器在线性区正常的工作。位移传感器壳体大都是利用螺钉固定在定位套7上, 而位移传感器芯轴则是利用螺母固定在压头座4上, 通过压头座4的伸长臂在定位套7的槽内的上下移动, 就可以随时检测到活塞杆2挠度的变化。

4 结语

实验表明, 我们所开发出的测试系统, 他能实时显示出活塞杆从弯曲开始一直到弯断过程中的弯曲力-挠度曲线, 还能准确地显示出力学特征参数。虚拟仪器的活塞杆弯曲试验测试系统操作简单便捷、性能完善、界面友好、测试精度稳定, 能够完全满足活塞杆弯曲试验的需要。

参考文献

[1]王吉会, 郑俊萍, 等.材料力学性能[M].天津:天津大学出版社, 2010.

虚拟试验系统 篇2

基于有限元方法的液压强度试验设备虚拟试验研究

针对液压强度试验设备,以Pro/E和ANSYS软件为工具,建立了与物理试验等效的有限元力学模型;以该设备的设计为基础,提出了协调刚度的`设计方法,并基于简化的有限元模型,找到显著影响其刚度的因素,从而制定了结构改进方案,有效地提高了计算效率;并通过该设备有限元模型计算出密封垫预压缩量,分析出该密封垫存在断裂危险,进而设计了密封系统改进方案,保证了试验设备的可靠性,为液压强度试验设备的设计提供重要的参考依据.

作 者：李义鹏 赵婷 倪江涛 作者单位：首都航天机械公司刊 名：航天制造技术英文刊名：AEROSPACE MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(6)分类号：V4关键词：ANSYS 压力容器 有限元 协调刚度 密封

虚拟试验系统 篇3

关键词 虚拟技术 高电压 试验技术 研究 分析 设备诊断

一、引言

在信息和网络技术高速发展的今天，虚拟技术被广泛运用到社会的方方面面，同样在店里系统中，虚拟技术也发挥着日益重要的作用，可以说，在时至今日的电力系统中，虚拟技术已经普及到生产和服务的各个领域，在电力系统中，电力设备作为主要的电气配备是非常关键的，如果突发事故，在修理上要占用大量的时间，其影响是十分严重的。为此，我们必须对电气设备的绝缘状态加强监管，要在事故发生后，第一时间确定故障的属性和部位是至关重要的。互联网的发展和计算机技术的普及和快速进步，在故障的诊断中发挥了巨大的作用，这样一来，测试系统和计算机网络技术形成了一个完整的综合体。这使得电气设备故障诊断水平也得到了实质上的提高。为了及时且确切的判断出设备的故障的部位和性质，就要在实验室分析的前提下，尽量运用话联网等相关的网络信息。在这种态势下，实验室与电力系统的各种部分通过计算机系统进行联合，对电力系统故障的诊断，其准确度要利用自动化系统所提供的信息。

二、进行故障模拟要运用实验室的硬件

在通常情况下的电力系统，出现故障一般分为两类，一种是简单故障，其次是复合故障。简单故障说的是在电力系统正常工作模式下，设备的某一点，发生了断相或者短路的状况；复合故障是意思是两个或多个简单故障的叠加和组合。短路是供电系统中出现频率最高的重要事故。在短路的状况下，因为总阻抗的大幅度减少，所以短路电流估计会出现较大值。短路电流的强大力量可以产生热和电动力效应，这会造成电气设备遭到破坏的不良后果；在短路点附近，电压明显的降低，会导致供电被迫中断和其他严重的影响；短路点处的电弧有烧毁电气设备的潜在可能；假如是发电厂附近部分发生短路的故障，有可能致使整体电力系统的运行崩溃，后果不堪设想。不对称接地短路会产生零序电流，会在附近的线路通讯网络制造感应电势，对通讯产生极大干扰，对人身和设备的安全具有严重威胁。为了减少短路的带来的危害以及缩小事故波及的范围，必须要对短路电流加以计算，以解决如下相关问题：

（1）要确定主要的运行方法和适宜的主结线方案；

（2）正确地切除短路故障应该整定和选择继电保护装置；

（3）运用载流导体以及电气设备；

（4）机械强度和稳定性必须用短路电流进行校验。

三、基于虚拟技术的高压实验室自动测试系统

在虚拟高壓实验室中，运用最新的试验和诊断技术与互联网网络技术有机的结合，这在诊断和维护设备方面，为电力设备的维护人员大大的提供了方便，可以高效的运用远程维护进行细致的工作。可以为用户观测设备是否正常运行，并做出及时的维护方案。我们的用户可以轻松的连接互联网，既可以方便的享受相关的服务；其次，在诊断技术升级或者需要弥补之前的技术漏洞，通过技术人员对程序做出修系统更新之后，用户第一时间就能享受最好的技术服务。我在国，电力系统一直以来实行着预防性试验制度，其隶属于阈值诊断的范围内。变电设备在检修的过程中，一项非常重要的内容就是对绝缘电阻的测量；在系统中变电设备的添加中，也都设置了绝缘电阻测量的被容。

四、充分利用实验室相关软件对故障进行模拟和分析

电力系统在遭受干扰之后，系统中的各个电气的参数会出现变化，这是要运用电力系统暂态仿真，对其趋势做出相应的了解。故障暂态仿真用来对短路的故障线路和故障点的电流以及电压的运行情况进行模拟。以单相电路为分析目标进行操作暂态仿真，以显示在开关的闭合和打开时的电气参量的基本情况。电气开关是非常重要的一部分，它控制着系统的多数的重点部位，对电力系统的平稳运行起着非常重要的基本保障作用。在投入正常运行之前，要经过多种试验，对其的工作性能进行多种检验。电气开关的通断性能体现在两个方面，即接通和分断的质量，在接通的瞬间，动静触头之间会相互碰撞，这可以引起断续电弧，最后导致触头腐蚀。再分断的瞬间，基于电流的急剧作用变化，会发生持续燃弧以及产生过剩的热量，可以说分断瞬间的危害是相对来说十分严重的。操作暂态的意思的当断路器、负荷开关、熔断器以及隔离开关运行的同时，如果在电网中进行一次操作，那么电力系统的某些部件会出现彼此链接或相互背离的情况。操作对于一个切换设备而言，可以是开断和闭合两种操作。在闭合操作做完一次之后，暂态电流会流过系统；而在一次断开的操作之后，工频电流被遮断的状态下，会有一个暂态恢复电压，在遮断设备的端子上出现。从切换设备的端子角度来说，电流和电压振荡的振幅是由电脑的配置决定的。因为开关电弧是一个繁杂的化学和物理的过程，它设计到物性的变化、无知的组成以及电磁场的分布等等，所以说，运用MATLAB来分析电弧现象是具有广阔前景的。

五、结论

现代计算机技术和仪器设备技术的高速发展产生了如今的虚拟仪器，是一项非常重要的技术发明，虚拟仪器是由虚拟仪器软件资源、实验室硬件资源、计算机硬件资源三个部分结合组成的。再以电脑为核心构建起技术支持的平台，通过软件编程进行相关的测试功能。所以说，软件是非常重要的应用武器，这也表现出测试技术与计算机网络技术的邮寄结合的作用是非常良好的。在未来的电力技术发展中，我们要积极的区创新和发现，运用实践和探索来提高虚拟技术的高电压试验技术的水平，用以在社会电力服务中发挥更大的作用，促使其更好更快的发展和应用。

参考文献：

[1]周武仲.电力设备维修诊断与预防性试验[M].北京：中国电力出版社.2008（9）

[2]许允之、宗剑.变电设备的信息管理与决策支持系统[J].高电压技术.2009（11）

[3]苏鹏声、王欢.电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析[J].电力系统自动化.2008（2）

虚拟试验系统 篇4

随着测试技术与计算机技术的迅速发展, 这两门学科交叉结合产生了虚拟仪器技术, 从而信号测试与各种分析工作只需带上电脑和相应的传感器就可以进行。国内许多公司研制了基于虚拟仪器的实验系统, 如浙江高联科技开发有限公司开发的CSY-998 传感器实验仪、CSY-2000D型传感器与检测技术实验台等产品。文中的研究以测试技术理论为基础, 采用虚拟仪器技术, 配以调理电路、多功能数据采集卡, 构建了转子试验台的测控实验系统。在此系统上可完成多门专业课程综合实验, 并且能够引导使用者将课本所学知识应用到相关测控项目。

1 系统的硬件及软件介绍

系统使用的硬件主要由转子试验台、传感器、调理电路、数据采集卡、计算机组成, 它的主要功能是采集被测信号、信号调理和传输测量结果。硬件系统构成框图如图1所示。

基于本系统可以做很多测控实验, 例如速度传感器测量振动、加速度传感器测振动、光电传感器测转速、磁电传感器测转速、电涡流传感器测轴心轨迹、转子动平衡测量等实验项目。其中用到的传感器有:速度传感器、加速度传感器、电涡流传感器、光电传感器、电阻应变片式传感器等。图2 为光电传感器实物。这些传感器体积小, 方便配合转子试验台使用。

系统的信号采集及信号处理的模块是整个实验的关键环节, 涉及到的硬件是数据采集卡。系统是针对普遍性、实时性的教学设计的, 在体积、重量、价格等方面有一定的要求。结合上述要求, 系统选择的是USB接口的数据采集卡。 NI USB-6008 携带便捷、价格优势明显, 包括8 路模拟输入通道, 12 位分辨率, 12 条DIO线, 2 路模拟输出, 1 个计数器, 可用于Windows、 Mac OSX、 Linux和Pocket PC操作系统, 使用NI DAQmx驱动软件和NI Lab VIEW Signal Express交互式数据记录软件, 这些条件符合设计要求, 因此系统使用NI USB-6008 作为采集系统的核心。NI USB-6008多功能数据采集卡实物如图3所示。

系统的软件设计使用的是Lab VIEW软件。Lab VIEW是一种图形化编程软件, 它的每个程序是由前面板和方框图组成的, 其中前面板可以模拟传统仪器的操作, 方框图通过传递前面板指定的相关指令数据和参数到仪器来执行发生响应的操作[1]。Lab VIEW具有友好的用户界面和强大的分析的功能, 可以降低购买相关实验设施的成本, 能节省仪器设备的经费的投入[2]。同时该软件既可以与NI模块化的硬件相结合, 又能与单片机、PLC等各种工业处理器进行实时通信, 因此可以应用在许多不同种类的项目中[3]。由于其功能强大的特点, 利用Lab VIEW软件设计的系统具有较高的扩展性, 有利于实验系统信息化的发展。

2 系统的功能介绍

测控实验系统可做实验很多, 这些实验效果各有不同, 但是其中大部分实验功能相同, 具有通用性, 所以系统按主要功能进行模块划分设计, 主要包括三大模块:开始模块, 实验模块, 查询模块。系统结构总体功能图如图4所示。

(1) 开始模块的功能包括登陆查询和实验项目选择。使用者进入系统界面, 可以选择相关项目, 有需要的话可以选择帮助选项, 进行信息提示, 同时可以控制实验的运行, 比如暂停项目、退出实验项目。

(2) 实验模块属于功能最多, 设计最复杂的部分。该模块主要功能有:实验类型选择, 可以选择虚拟实验或者实测实验;信号采集, 把相应实验采集的信号进行初高级处理;获取和采集的数据进行实时的分析处理、生动直观地显示出运行数据;对保存的相关结果进行数据回放;生成报告, 报告的内容是从文件中选择出所需的数据, 完成相关的数据和图表填写。

(3) 查询模块的功能主要是在客户端电脑上通过网络浏览器就可以进行相关的实验, 只要使用者有合法权限就可以进行实验操作、观察实验结果并且可以直接获得实验报告等, 即使用者可以完成远程网络访问。

3 系统的功能设计

(1) 开始模块采用的是菜单设计, 设计过程中使用了菜单编辑器方式, 这样设计的软件可靠性好, 与普通软件、工具等界面的菜单格式相同, 对于使用者接受程度高。进入登录界面可以直接看到相关实验和辅助功能, 操作简单明了, 便于使用和后续扩展。

(2) 实验模块是整体设计的核心部分。进入实验系统首先选择的是实验方式, 实测实验或者虚拟实验, 这两者区别主要是信号源及信号处理方式不同。系统的根本来源是信号源, 实测方式的信息采集是使用试验台及传感器, 通过使用数据采集卡来实现。虚拟方式的信息采集不使用这些硬件, 只通过软件DAQ实现, 不需要人工获取就能为实验提供信号来源。信号处理时实测信号由于来源于数据采集卡采集的实时数据, 因此需要编辑程序并且进行DAQ设置。而虚拟信号源是仿真DAQ, 在电脑上进行软件模拟就可以, 采集的数据以chart的显示模式显示在界面上。图5 为信号采集程序。

系统的数据处理是对数据进行分析和加工的过程, 包括对各种原始数据的整理、计算等的加工和处理等。数据分为数值型和非数值型两大类, 对于数值型的进行数据分析、程序编译以及各种布尔、数值加减乘除等运算处理。对于非数值型的数据进行FFT变换、波形变换、XY波形合成图等相关功能处理。系统的数据保存能让使用者对数据进行分析, 提供了相关信息。数据回放是利用以前所得结果或其他的信息来源方便实现下一次的实验, 便于实验相关信息能够循环多次利用。实验报告的生成有助于教学模式, 方便察看实验情况及数据处理, 信息处理能力等。图6为生成报告程序。

(3) 查询模块的功能主要是实现远程网络访问, 利用Lab VIEW软件的强大的网络互连特性的优点, 可以把Lab VIEW的程序 (VI) 嵌入在HTML网页中, 并且实现在互联网上的发布功能[4]。这种功能的实现是使用Lab VIEW的远程前面板技术, 即VI运行在服务器端, 客户端通过网页浏览器与服务器上VI的前面板进行交互, 这种方式简单易用, 而且对客户端的要求普遍较低[5]。

4 测控实验系统的实际应用

现代企业制度中需随时对机器的运行状态进行监测及诊断, 对工作环境进行控制。这些都离不开振动测试。在振动测量时应合理选择测量参数, 而振动速度决定了噪声的高低, 因此通过速度测量振动是很有必要的[6]。因此通过实验系统设计的速度传感器测量振动实验来举例说明系统功能的实现。

具体实验步骤:打开实验主界面, 如图7 所示。在主界面上选择相应实验进入具体实验项目, 图8 是速度传感器测量振动实验界面。启动转子试验台, 调整转速。观察并记录得到的振动信号波形和频谱, 观察改变转子试验台转速后, 振动信号、频谱的变化规律。速度传感器振动测量实验界面功能主要包括采集信号、滤波选择、波形选择、FFT变换、报警信号、振动速度计算、数据保存与读取、实验报告生成。系统的实验都可以进行网络访问, 查看相关信息。图9 为这个实验的远程网络访问界面。

5 结论

基于虚拟仪器的转子试验台测控实验系统设计完成了整个实验过程。该系统实现了包括虚拟信号及实测信号的采集, 对获取的数据的实时分析处理, 并能显示出运行数据, 生成实验报告, 实现了简单的Lab VIEW网络连通。基于上述各项功能, 实现了一套较完整的综合性的实验系统, 比传统的实验系统功能更加强大和完善。经过检验, 系统实现的效果较好, 通用性强, 并且可以在此基础上集成更先进的传感器, 完善并开发更多的项目, 实现其良好的扩展性。

摘要：通过虚拟仪器技术设计了测控实验系统。该系统以转子试验台为基础, 进行了Lab IEW程序编译, 采用了三个模块的程序化设计。系统能够实现虚拟及实测信号的DAQ采集, 进行信号及数据的相关处理以及生成实验报告, 可以通过网络访问所有软件实验, 最终形成一个综合性的功能较全的系统。将系统应用于具体实验中取得了较好的效果, 具备较高的通用性、灵活性及扩展性。

关键词：虚拟仪器,转子试验台,LabVIEW,网络访问

参考文献

[1]姚素芬, 赵建强, 冯超琼.基于Lab VIEW传感器实验平台的开发[J].仪器仪表学报, 2005, 26 (8) :466-467.

[2]傅健, 满庆丰, 王钢.基于Lab VIEW的“测试技术基础”教学实验平台[J].实验室研究与探索, 2010, 29 (9) :119-121.

[3]许丽川, 唐凯飞, 梁永春, 等.基于Lab Vl EW的自助实验平台的构想与实践[J].实验技术与管理, 2014, 31 (5) :150-155.

[4]李国栋, 李智, 张凤生.基于虚拟仪器的测试技术课程远程综合实验平台研究[J].中国制造业信息化, 2011, 40 (11) :46-49.

[5]罗文秋, 赵四化.基于Lab VIEW的“信号与系统”实验平台设计[J].北京印刷学院学报, 2010, 18 (6) :51-54.

双系统共用虚拟内存 篇5

不相关的Windows系统共享的前提条件是：首先需要保证有相同的文件系统(Win9x/Me不识别NTFS分区)，其次这两个文件的大小必须设定一致，也就是说它们的最大值和最小值必须相同，最后这两个文件的位置应在同一个分区的同一个目录下。

我们可以有两种方法来共享虚拟内存文件：

1.共享WinNT的Pagefile.sys

启动Win98/Me系统，单击“开始→运行”，键入“systm.ini”，在[386enh]下做如下修改：“pagingDrive=c:pagefile.sys”(位置由自己设定)

“minpagingfilesize=x”(如果虚拟内存为192MB，则x=192×1024=196608，推荐设为物理内存的2.5倍)

接下来重新启动计算机，删掉“win386.swp”文件，不能删除表明设置失败，

2.共享Win98/Me的win386.swp

进入Win2000/XP，单击“开始→运行”，输入“regedit”，打开注册表，然后通过“查找”功能，查找关于“filepage.sys”的所有项，然后将所有的“filepage.sys”都更改为“win386.swp”。

相关键为：

[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMControlSet001ControlSessionManagerMemoryManagement]

[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMControlSet002ControlBackupRestoreFilesNotToBackup]

[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMControlSet002ControlSessionManagerMemoryManagement]

[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMControlSet003ControlBackupRestoreFilesNotToBackup]

[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetControlBackupRestoreFilesNotToBackup]

[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetControlSessionManagerMemoryManagement]

火炮虚拟随机试验技术研究 篇6

为此,本文以某型地面牵引火炮为研究对象,考虑火炮系统的结构参数及输入参数的随机性,将虚拟样机技术与随机模拟方法相结合,开发了某型火炮系统的虚拟随机试验平台,并对发射过程进行了动态仿真,实现了装备行为特征的有效模拟。

1火炮系统虚拟样机模型

根据对火炮动力学的分析,基于多体动力学理论,将火炮系统简化为后坐部分、摇架(包括防盾)高低机轴、高低机蜗杆、回转部分(包括方向机、上架和高低机外壳)、下架(包括支撑底盘和运动体)左大架和右大架共8个刚体。将火炮各部分Proe模型通过MECHANISM Pro接口导入MSC AD-AMS,在ADAMS中直接赋予实体模型质量和各体转动惯量,并根据火炮多体系统拓扑关系(如图1),添加各种约束、运动和力元。后坐部分与摇架以滑动铰连接,摇架与上架以转动铰进行连接,上架与下架、下架与两大架之间都以转动铰连接。大架与地面之间的作用定义为单边碰撞;驻锄与地面之间为点一一平面约束,考虑节点约束后,火炮系统共有13个自由度。炮膛合力通过编制P-T样条插值曲线施加,由于复进机力、驻退机力和平衡机力比较复杂,利用FORTRAN语言编译外挂子程序施加;高低机力和方向机力用扭转弹簧阻尼器代替,弹簧的刚度和阻尼分别等效高低机、方向机的刚度和阻尼;下架和大架之间的约束力等效为大架扭簧;两个驻锄与地面各存在2个线弹簧阻尼器;接触摩擦力由扭簧或线弹簧代替。

B0—下架;B1,B2—左、右大架; B3—上架;B4—摇架;B5—后坐部分

2 火炮系统结构参数随机化处理

2.1 火炮系统的力学(结构)参数及随机性

火炮虚拟样机仿真能否解决工程中的实际问题,既取决于简化的力学模型的准确性,同时又取决于模型中原始结构参数及物理参数的准确性。对火炮而言,总体结构参数包括:各部件的质量、转动惯量和质心空间的相对位置,起落部分的刚度阻尼,回转部分的刚度阻尼, 下架大架的刚度及连接刚度阻尼等。

在结构力学系统的模型建立过程中,可能遇到的随机性可大致归纳为以下几个方面:(1)材料特性的随机性。由于制造环境、技术条件、材料的多相特征等因素影响,使材料的弹性模量E、泊松比μ、质量密度ρ等具有随机性:(2)几何尺寸的随机性。由于制造的安装误差使结构物的几何尺寸如梁、柱的横截面面积、惯性矩、板的厚度等具有随机性;(3)结构物理性质的随机性。由于系统的复杂性而引起系统阻尼特性、摩擦系数、非线性特性等具有随机性[2]。

刚度是指金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。刚度的大小取决于零件的几何形状和材料特性,以及载荷的大小,由于载荷,材质和加工过程的离散性,同样设计同一型号的机械零件在实际工作中的变形量是不同的,应该视为随机变量。零件变形的分布一般服从或近似服从正态分布规律,其概率密度函数为:

undefined,

μ,σ分为均值和标准差。

由于几何参数的随机性、材料密度的不均匀性及装配误差等,也必然造成零部件质量偏心位置偏心。

2.2 随机模拟方法

在20世纪60年代,出现了随机结构研究的一个方向:随机模拟法。其思想是利用Monte Carlo模拟技术,对随机变量进行抽样,按照随机变量已知的概率分布根据实验要求的精度,通过在计算机上产生大量随机样本,并对每个样本进行确定性数值计算。对于每一组样本可以得到反映量的确定值,再对确定量的众多确定值进行统计分析,计算结构的随机反应和可靠度等。随机模拟的实质是用随机变量的抽样估计随机变量的总体,其模拟精度与试验次数有关。ADAMS/Insight是一个多参数、多目标的实验设计与分析模块,在综合考虑各种随机因素影响的情况下,提供多种实验方法对复杂多体系统进行动力学优化分析,并对所得结果进行回归分析,寻找多目标与多参数之间的映射关系。应用该模块,用户可以进行多种参数化设计,规划和完成一系列仿真试验,从而精确地预测所设计的复杂机械系统在各种工作条件下的性能。ADAMS/Insight提供蒙特卡罗试验方法,选择此方法,在输入设计变量的均值及方差数据后,系统将会自动产生服从要求分布的设计变量矩阵以供试验设计进行取值。

3 火炮虚拟随机试验

3.1 火炮虚拟随机试验平台建立

建立虚拟随机试验平台,主要有以下步骤:(1)定义设计变量,基于火炮虚拟样机,在ADAMS/View下将高低机刚度和阻尼、大架刚度和阻尼、方向机刚度和阻尼、后坐部分质量上下偏心和左右偏心、摇架耳轴位置偏心定义为设计变量;(2)定义设计目标,将影响射击精度的因素弹丸出炮口瞬间的炮口垂直速度、俯仰角速度、角位移、横向线速度和线加速度以及影响射击稳定性的火炮跳高定义为设计目标。(3)在ADAMS/Insight模块下,利用蒙特卡罗方法对各设计变量进行随机抽样,产生服从要求分布的随机数。(4)选择影响因素及定义研究目标,根据研究的需要,可以定义一个或多个研究目标,并从候选的设计变量中选择可能影响此研究目标的影响因素,以研究结构参数对研究目标的影响。

3.2 虚拟随机试验实例

在此平台上以炮口垂直位移为研究目标,从设计变量中选取高低机刚度和阻尼、大架刚度和阻尼、后作质量上下偏心为影响因素,并用蒙特卡罗方法产生服从各参数分布的随机数。假设各参数都服从正态分布[3],分布特性如表1所示。对火炮射击过程进行1 000次随机试验,得到的炮口垂直位移β随试验次数的变化曲线(弹丸出炮口瞬间)如图2所示。从图2中可以看出,由于考虑了结构参数的随机性,仿真结果呈现随机性变化,而传统的基于确定性虚拟样机的仿真只能得到确定的结果。因此,随机仿真更接近装备行为的实际特性。图3是炮口垂直位移β的直方分布图,从图中看出其近似服从正态分布,利用MATLAB工具对其进行假设检验:

[muhat,sigmahat] = normfit(β),

[H,P]=jbtest(β),

得: muhat=1.0395,sigmahat=0.052 4;

H=0, P=0.732 5>0.5;

从而验证了正态分布的成立,并得到了均值和均方差。因此,可以得到当结构参数服从正态分布随机变化时,炮口垂直位移变化也服从正态分布,这对于分析结构参数对火炮性能的影响规律有很大价值。

4 结论

在火炮动力学分析中,力学参数、结构参数的准确性很重要,由于制造误差及测试误差的存在,笔者在火炮虚拟样机建模中考虑了结构参数的随机性,实现了火炮虚拟随机试验,获得了炮口振动参量的特征。并对仿真结果进行了统计分析,为研究装备行为特征的统计评估及虚拟条件下预测装备质量有一定参考价值。火炮系统总体结构参数的合理匹配与优化问题一向是火炮设计人员关心的热点,然而由于火炮系统结构组成和发射原理的复杂性,设计人员很难直接找出一组合适的设计参量使其满足总体性能指标。基于笔者所建立的火炮虚拟试验平台,可以进行无限多次的虚拟试验来研究结构参数的优化问题,大大降低物理样机试验的成本。

摘要：为了实现装备的虚拟随机试验,运用虚拟样机技术和多刚体理论,建立了火炮系统动力学模型;基于模型考虑装备系统结构及参数的随机性、离散性,将随机模拟方法与虚拟试验技术结合,借助MSC=Insight模块开发了火炮虚拟随机试验平台。基于平台进行了火炮虚拟试验,并对实验结果进行了统计分析,实现了装备行为特征的有效模拟。

关键词：火炮,虚拟样机,蒙特卡罗方法,随机试验

参考文献

[1]狄长春,杜中华,马吉胜.虚拟随机试验技术及装备行为特征的统计评估.振动与冲击,2007,26(4):116—118

[2]何柏岩,冯屺,王树新.计及不确定性的多体系统动力学研究.河北工业大学学报,2005;34(4):7—14

虚拟试验系统 篇7

一、虚拟试验系统建设

1. 设计思想。

考虑到传统试验教学存在的问题, 故将虚拟现实技术引入到土力学试验教学环节, 构建一个网络虚拟试验系统。虚拟试验总体设计思想是通过虚拟现实技术、多媒体技术等实现的计算机辅助教学, 可向学生提供直观的、交互式体验的教学平台[1]。

2. 实现手段。

将虚拟试验系统的整体架构以图形图像、音效、文本信息、视频等多种表现形式, 展示或融合在灵活多变、可选择的交互的教学过程中。画面镜头采用快切、硬切、动态、柔化、模糊等处理手法。在空间、时间的转换上采用多维制作手段, 将试验的操作在计算机产生的三维虚拟空间中加以实现。

3. 技术路线。

(1) 基于B/S结构, 用户通过浏览器访问, 浏览器支持IE6.0以上; (2) 采用XLS文件和XML文档存储交换信息; (3) 基于JAVA程序语言进行系统编码; (4) 用户支持系统采用SQLServer数据库。

4. 基本构架。

虚拟试验系统是在一种在虚拟环境下进行试验, 学生可以通过交互式的操作完成试验内容, 进行试验数据处理, 达到试验要求。为了将虚拟技术应用到试验教学过程中, 我校建工试验中心开发了虚拟实验室平台, 虚拟试验系统整体构架包括试验室简介、试验设备、试验文件、试验项目、音像资料、名人礼堂等。通过这个虚拟系统学生可以了解试验室的规章制度、试验项目的基本原理、所需试验设备及其方法、试验流程等环节。试验项目模块中包括土力学各项常规或基础性试验项目;为了使学生尽快熟悉试验过程, 音像资料项目中包括试验实例演示、现场试验视频等资料;名人礼堂项目中包括对土力学发展具有重要促进作用的名人传记、经典试验等内容。

二、应用实例

本文仅以土力学试验中的土的直剪试验为例, 直剪试验的目的在于测定土的抗剪强度, 确定土内摩擦角度Φ和内聚力C, 从而作为计算地基强度和稳定性的基本指标。首先, 通过浏览器打开虚拟实验室网址:www.aeec.ncut.edu.cn, 如图1所示, 选择进入土力学实验室, 进入实验项目模块, 选择直剪试验。

本虚拟试验系统将直剪试验按照《土工试验方法标准》试验操作规程分解为如下6个步骤:

1. 拔下固定销钉, 先放入透水石, 再放入滤纸, 然后,

将带土样的环刀刀口向上对准剪切盒口, 在土样上部放一张滤纸, 再放一块透水石, 最后, 将土样小心地推入剪切盒内, 移去环刀, 并插入销钉固定上下盒。

2. 按顺时针方向徐徐转动手轮移动传动装置, 使上盒前端钢珠刚好与量力环内百分表接触时为止。

3. 依次放上传压板、加压框架, 安装垂直位移和水平位移装置, 并调至零位。

4. 分级施加垂直压力 (通常采用100KPa、200KPa、300KPa、400KPa) 。

5. 拔掉固定销, 开动秒表, 转动手轮以0.

8mm/min剪切速度 (固结快剪) , 使土样在3~5min内剪损 (如果是慢剪则剪切速率为0.02mm/min) 。

6. 剪切结束, 退去剪切力和垂直压力, 移动加压框架, 取出试样, 测定试样含水率。

虚拟试验系统与计算机终端用户有很强的交互性, 可以为学生提供生动、逼真的试验环境。学生随时通过网络进入试验室进行课前预习、模拟试验、多次重复试验, 且不受时间、场地限制。通过虚拟试验, 学生对仪器设备和试验过程有了更深刻的认识, 加深了对基本概念、基本技能的理解和掌握, 在进行真实试验时, 能够大大减少实际失误率。另外, 通过这种人机交互模式的训练, 能够激发了学生的学习热情, 有利于学生自学能力、分析和解决问题能力以及创新能力的提高。虚拟与现实、传统与现代相结合的试验教学模式的建立, 在提高试验教学质量方面做出了一定的贡献[2,3]。

摘要：随着虚拟现实技术的发展, 虚拟试验技术已在高校试验教学中广泛应用。虚拟试验可以为学生提供逼真的、生动的试验环境, 使试验教学过程具有较强的视觉冲击力和灵活的交互性, 使学习过程形象化、生动化, 能够激发学生参与试验的积极性。有利于提高学生的实践技能。文中主要介绍了虚拟试验技术在土木工程专业土力学试验教学中的应用。实践证明, 虚拟试验教学系统既能保证教学效果, 又能丰富试验手段、提升学生试验的自主性和创新能力。

关键词：虚拟试验,土力学,试验教学

参考文献

[1]宋小软, 赵俊兰, 王献云.土木工程专业网络虚拟试验室建设探讨[J].结构工程师, 2011, (01) :264-267.

[2]赵俊兰.基于网络技术虚拟试验的研究[J].试验技术与管理, 2011, (3) :220-223.

引信跌落安全性检验的虚拟试验技术 篇8

安全性是引信必须具备的战技术指标之一,它要求引信在贮存、运输、勤务处理过程中不解除保险。然而由于历史原因,我军早期设计的直线惯性保险型引信中相当一部分存在设计缺陷,给定的安全落高值经验成分较重,数次弹药事故表明,这类引信在勤务处理过程中一旦受到较大的冲击(如倒垛、摔箱、翻车等事故引起的冲击,本文统称为跌落冲击)很容易解除保险,甚至酿成重大的燃爆事故。现有条件下,通过大量的试验检验这些引信的安全性能既不经济,也不安全,而且试验需要的大量样品也无法获得。采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法实现引信跌落安全性检验的虚拟试验,是一条可行的重要技术途径。

1 虚拟试验数学模型的建立方法

基于Monte Carlo方法的虚拟试验技术关键在建立正确的数学模型,主要包括以下两个方面的内容[1]:

(1)建立一个能够准确描述引信保险机构在冲击条件下惯性元件的动力学响应模型;

(2)测试引起惯性元件位移响应散布的各种随机参数的统计数据,建立这些参数的概率模型。

1.1 惯性元件冲击响应的动力学模型

一般情况下,保险机构受到冲击时惯性筒(惯性元件)下沉的位移量超过其保险行程即可认为机构自动解除保险[2],建立模型时只需考虑惯性筒下沉阶段的响应情况。

以A型引信的曲折槽保险机构为例,其运动微分方程为[2,3,4]

式中:x为惯性筒下沉时的位移;t为惯性筒的下沉时间;E为惯性筒簧钢丝的弹性模量;d为惯性筒簧钢丝的直径;D为惯性筒簧中径;n为惯性筒簧的有效圈数;α为曲折槽的倾角;r为惯性筒壁的平均半径;r1为惯性筒壁下端的内半径;r2为惯性筒上端中心孔的内半径;h为惯性筒的高度;K为惯性筒簧的刚度;λ为惯性筒簧的预压量;m为惯性筒的等效质量;α为冲击加速度;μ为导向销与曲折槽壁的摩擦系数;μ1为击针杆与惯性筒的摩擦系数;μ2为导向销座与惯性筒的摩擦系数;i为导向销所在曲折槽的段数,i=1,2,3,4;M0为惯性筒簧的预压扭力矩。导向销在第一段曲折槽上运动时,没有预压扭力矩的作用,M0为零。导向销在第二段曲折槽上运动时,由于惯性筒簧已经发生扭转,将第一段末的扭转量看作惯性筒第二段下沉时的初始量,则此时M0为主动力矩。同理,在惯性筒第三段下沉时,此时为被动力矩,阻碍惯性筒的转动。l1、l2分别为第一段、第二段曲折槽的轴向长度。

1.2 影响惯性元件位移响应的随机参数的概率模型

影响惯性保险机构跌落冲击响应的因素来自三部分:安全机构零部件的物理参量、零部件内部运动的环境参量、跌落环境参量,如图1所示。

引信在生产定型时已经做了大量的验证试验,在一定程度上能够保证勤务处理安全性,也说明以上参数能够满足勤务处理要求,而且大多数参数都不会随时间发生明显的改变,只是由于制造工艺和材料性能等原因,使得这些参数具有一定的随机性。但是也有一些参数会随着储存时间的增长以及跌落条件的不同,发生明显的变化,为简化研究,本文将随储存时间或跌落条件的不同而表现出明显差异,以及由于随机性影响导致惯性保险元件在冲击条件下的位移响应发生明显变化的因素视为随机参数;将不随时间或跌落条件改变的因素,以及随机性对惯性元件在冲击条件下的位移响应影响不大的因素定义为确定参数,如图2所示。

1.3 随机参数的分布规律

保险行程在引信设计定型时已经确定,且不随储存时间的改变而改变,可视为服从正态分布的随机参数。A型引信保险行程S的均值μS=6.3mm,标准差σ=0.39[5]。

保险弹簧在长期储存过程中始终处于压缩状态,由于锈蚀、应力疲劳等因素会造成弹簧发生塑性变形、弹性系数降低。本文抽取12个储存30年的同一批A型引信的保险弹簧进行测试,测得的弹性系数如表1所示。经检验弹性系数在显著水平α=0.05时,服从正态分布,其均值μ=0.1648N/mm,标准差δ=0.0137。试验结果表明,经储存30年的保险弹簧的弹性系数均值较设计值减小了10.7%。

作用到引信上的冲击加速度与弹形、弹重、包装形式、地面类型、跌落姿态等因素相关,其分布规律十分复杂,本文以A型引信在包装状态下从3m高度以最容易解除保险的姿态跌落到水泥地面为条件,进行10组试验,测得作用到引信元件上的冲击加速度曲线的时域信号和频域信号,如图3、图4所示。

由图3、图4可知,冲击加速度的时域特性比较“混乱”,重复性较差,但是其频域信号的一致性较好,采用WilkShapiro的W检验法,在显著水平α=0.1时,冲击加速度信号的傅立叶谱的实部和虚部均服从正态分布,其参数估计值如图5所示。傅立叶谱经傅立叶逆变换后可得到随机分布的冲击加速度的时域信号。

2 蒙特卡罗法模拟次数的确定[6]

对于惯性保险机构解除保险概率的蒙特卡罗模拟试验,必须解决在满足所需精度要求下,如何确定最少模拟试验次数NA的问题。

将置信区间的半长度定义为置信区间的绝对精度,即:

式中,N为模拟试验次数,δ2为样本方差,tα/2为t分布的α/2分位数。若置信区间的绝对精度低于给定值γA0,则所需试验总数可近似写为:

式(2)的含义是在N次试验后再逐渐增加试验次数,并相应计算其置信区间的绝对精度,直到时为止,此时NA=j即为所求试验总数。显然,为满足给定置信区间绝对精度,须增NA-N次试验。

在式(2)中,可以将样本方差近似看为常数,直接采用N次试验的估值,还可以进一步将tα/2j-≥1≤也近似看为常数zα/2(标准正态分布的α/2分位数)。式(2)可近似为:

从而可简化计算工作量。

3 应用实例

模拟100组数据得到惯性筒位移最大值的样本方差δ2=0.1247,给定显著水平α=0.1,置信水平β=90%,惯性筒位移响应最大值置信区间的绝对精度≤0.02mm时,根据式(3)所需蒙特卡罗模拟次数为844次,本文取1 000次。将A引信的确定参数和随机参数代入式(1),得到惯性筒位移响应最大值的分布直方图如图6所示。

将惯性筒位移响应的最大值与保险机构保险行程值进行随机组合,两两比较,即可得到引信解除保险的概率值。由于程序每运行一次,计算机产生的随机数都不相同,选取数据对又是随机的,因此程序的结果是随机的,即得到引信解除保险的概率是不同的。运行程序10次,得到引信解除保险的概率如表2所示。

3 结论

本文从某公司2007年11月份到2008年12月份的实际库存数据出发,首先采用六西格玛的管理实施方法,分别进行定义、测量和分析,从而找到该公司库存长期持续高增长,库存周转率低下,企业实际效率平缓下滑等实际问题的症结———该公司库存不能与生产、订单、市场、决策等重要部门进行对等信息传递,从而致使公司盲目生产、原材料盲目订购,导致资金流通不善,消耗了大量的库存;另一方面也严重制约了公司的生产能力和市场竞争力。为此,有针对性地制定出对该公司的改进计划,并给出有效的控制方法。最后,检测2008年7月至12月份的数据,发现库存有了明显的变化,从库存量到库存资金,以及死库存、呆滞库存都得到了明显的改善,也使公司利润出现了上升的趋势。总的来说,通过六西格玛管理实施方法,有效地控制和降低了材料库存。

由表2可知,尽管解除保险的概率值不尽相同,但都在10-3这个数量级上。弹药爆炸事故统计资料表明,这一数量级是合理的。因此,置信水平为90%时,经过储存时间超过30年的A型引信在包装状态下,以最容易解除保险的姿态从3米高处落到水泥地面上,解除保险的概率值的数量级为10-3,超过规定的概率值的数量级10-6,在事故后续处理时要十分小心,并加强防爆措施。

摘要：采用蒙特卡罗方法模拟实现箱装引信跌落安全性检验的虚拟试验,代替危险引信的实验室跌落试验。以A型包装引信为计算实例,测得3m高度以最容易解除保险的姿态跌落到水泥地面上的冲击加速度分布规律,并对储存30年后的保险弹簧弹性系数的分布规律进行了测试,将所得数据和部分设计参数代入惯性元件动力学模型,1000次虚拟试验结果与弹药事故资料统计值吻合。

关键词：引信,跌落冲击,安全性检验,虚拟试验

参考文献

[1]谭惠民,牛兰杰,刘明杰,等.引信解除保险距离的虚拟试验技术[J].兵工学报,2005,26(3):409-411.

[2]李金明,安振涛,丁玉奎,等.箱装弹药冲击响应特性研究[J].包装工程,2006,27(4):137-139.

[3]檀永杰.引信曲折槽后作保险机构理论研究[D].南京:南京理工大学,2008.

[4]王晖,陈荷娟.复合式惯性制动保险机构及性能分析[J].探测与控制学报,2007,29(1):32-35.

[5]陈军.低膛压非旋转报废弹药运输安全性研究[D].石家庄:军械工程学院,2002.

[6]方再根.计算机模拟和蒙特卡洛方法[M].北京:北京工业学院出版社,1988.

虚拟试验系统 篇9

一、汽车综合性能试验在实践过程中存在的问题以南京林业大学车辆的汽车综合性能试验为例, 本文就实践环节存在的问题分析如下。

1.试验设备———一方面, 旧仪器操作简单、使用方便, 学生可在较短时间内掌握其原理和使用方法, 但存在精度较低、抗干扰能力弱的问题, 一次试验往往进行2~3次才能成功, 这影响了教学效率、试验数据的精度与准确度;另一方面, 新仪器精度高、功能全, 如VBOX (Velocity Box) 是一款基于GPS定位的综合仪器, 可完成车辆加速、制动、燃油消耗等性能的测试, 但这类综合功能的仪器存在功能多、原理复杂、使用相对不便等问题, 使学生在较短时间内难以掌握其原理和使用方法。

2.试验场地———受限于大学校园的面积, 一般无专用的试验场地, 只能借助校内道路开展试验, 在实践环节中存在较大的安全隐患。为了确保试验的安全开展, 试验过程中教师的参与度 (车辆驾驶、试验仪器的操作主要由教师负责) 远大于学生, 导致学生参与积极性不高、动手能力较弱, 继而影响了综合性能试验的教学效果。

3.外界干扰———现有的试验全部是用实车在外场完成, 这使得试验对外界因素的变化较为敏感, 如天气变化 (雨雪天气试验无法开展) 等。

4.学生考核———因受试验场地和外界干扰的影响, 现有试验多以小组的形式展开。小组之间的试验数据均不相同, 但各小组内部共用一份数据。学生在进行数据处理时, 存在相互抄袭的现象, 这影响了实习考核的公正性。

5.试验成本———采用实车进行试验增加了实习成本, 如车辆的维护成本、燃油消耗等。此外, 试验过程中车辆的尾气排放, 会造成大气污染等。

因此, 如何在保证安全的前提下, 高效、低成本、全天候的开展综合性能试验教学, 是影响车辆工程专业综合实习效率、质量的关键所在。

二、应对措施与方案

针对以上存在的问题, 本文提出基于试验室现有的汽车驾驶模拟器建立一套以软件为主的汽车综合性能试验虚拟平台。该平台主要包括汽车驾驶模拟器、数据采集与处理模块、核心计算模块、可视化模块和考核模块 (试验操作的规范性和数据处理的正确性) 四部分。

(一) 应对措施

以汽车驾驶模拟器代替实车、以动力学计算代替车辆状态参数采集, 将外场试验移至试验室, 可以克服试验设备、试验场地、外界干扰和试验成本等方面存在的问题。此外, 在克服试验场地和外界干扰问题的基础上, 可以实现一人一组的试验方案。这样学生之间的试验数据各不相同, 可以避免学生在数据处理过程中的抄袭现象。通过设计考核模块, 统一考核标准, 保证考核过程的公正性。

(二) 方案

1. 虚拟平台的工作原理。

图1为汽车综合性能试验虚拟平台的工作原理图, 其中驾驶模拟器替代实车, 成为虚拟平台的主要试验对象。根据驾驶员的操纵输入, 如方向盘转角、油门踏板行程等, 实时计算车辆的状态并呈现。数据采集与处理模块用于代替传统的车辆状态参数采集装置, 如光电式和雷达式车速传感器等, 完成车辆状态参数、时间参数以及车辆操纵装置位置与状态信息的采集与处理, 并将以上参数以数字量的形式传输给核心计算模块;可视化模块主要用于试验管理、数据管理以及车辆状态参数的实时呈现;考核模块负责录入学生处理后的数据、试验规范性评价以及数据处理正确性考核;核心计算模块是各模块信息交互的中枢, 可细分为车辆性能计算单元、数据管理单元以及通信单元三部分。其中车辆性能计算单元主要根据采集的车辆状态参数实时计算车辆的加速、滑行、制动等性能, 数据管理单元主要实现直接测量的状态参数、间接测量的性能数据、各操纵装置的位置与状态参数以及学生处理后数据的存取, 通信单元负责指令管理, 触发数据采集与处理模块。

2. 虚拟平台的构成与功能。

(1) 汽车驾驶模拟器。如图2所示, 汽车驾驶模拟器的驾驶室是实车驾驶室的简易版, 装有转向盘、油门踏板、制动踏板、档位拨杆以及离合器等实车等效操作装置, 可以真实模拟实车驾驶。模拟器的动力学模型根据操纵输入, 实时计算车辆的状态参数 (包括位置、速度、加速度等) , 并通过视景系统实时呈现。驾驶员通过视景系统的视觉反馈来驾驶车辆行驶。

(2) 数据采集与处理模块。虚拟平台是一种硬件在环的分布式仿真系统, 汽车驾驶模拟器的计算单元 (车辆动力学模型、视景模型等) 独立于其他四个模块, 单独运行于上位机, 其余模块在下位机上运行 (图1中的虚线框部分) 。上位机与下位机之间通过网络通信协议 (如Tcp-ip等) 进行数据交换。整个通信网络的开启与关闭均由数据采集与处理模块的触发子模块来控制, 其中触发子模块接收和解析核心计算模块发来的数据采集触发指令, 根据指令要求来决定通信网络的开启与关闭。

(3) 可视化模块。可视化模块是虚拟平台人———机交互的主要接口。试验时, 工作人员通过该模块来选择将要开展的试验类型 (如制动试验) , 向核心计算模块发送试验开始与结束的触发指令;试验结束时, 基于数据库技术对车辆运行状态、操纵装置位置等试验数据进行存储与管理。此外, 该模块基于计算机图像处理的方式 (如OPENGL等) 以图、表来呈现, 既可以实时、动态地呈现汽车驾驶模拟器的状态参数 (如车速等) , 又能对历史数据进行复现。

(4) 考核模块。培养学生的试验数据处理能力是汽车综合性能试验的其中一个目的。考核模块一方面提供交互界面, 实现学生计算结果的录入。另一方面, 基于数据库技术实现对学生实习考核结果的管理, 包括考核成绩的保存、查询、添加、删除以及修改, 历史数据的查看与打印等。

(5) 核心计算模块。核心计算模块是虚拟平台的数据管理、计算以及交换中枢。管理功能包括指令管理和试验数据管理, 其中前者根据可视化模块的指令来调用相应的性能试验子模块, 如加速性能试验子模块, 同时触发数据采集与处理模块, 同步记录试验数据和时间。后者主要负责试验数据 (包括时间) 的存储、查询、修改以及删除;计算功能主要是指性能参数的计算 (如根据采集的加速时间和距离计算相应的加速度等) 、数据比对以及操作评价。通过将学生的处理结果与性能参数计算结果进行比对, 完成对学生试验数据处理能力的考核。通过对比标准操作流程与学生实际操作流程和逻辑, 来对学生操作的规范性进行评价;交换功能是指核心计算模块与其他模块之间的数据交互, 如核心计算模块负责接收考核模块录入的数据处理结果, 在进行比对后, 给学生的实习打分, 并将成绩反馈给考核模块。具体数据交互参见图1。

三、结语

本文基于试验室现有的汽车驾驶模拟器建立了一套使用安全、数据采集与处理精度高、抗外界干扰能力强、能全天候开展汽车综合性能试验的虚拟平台方案。该平台不仅能服务于车辆工程专业的综合实习环节, 完成对汽车加速性能等试验相关设备的认知、试验过程与试验方法的熟悉, 还能作为《汽车试验学》、《汽车理论》等课程的教学工具来使用, 很好的将理论与实践相结合, 加深与巩固了学生的课堂所学, 提高了教学效率。

参考文献

[1]黄泽好, 李朝晖, 陈宝, 等.《汽车试验学》课程教学改革与实践[J].教育教学论坛, 2012, (15) :122-123.

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[3]张振东, 周萍, 卢曦, 等.车辆工程专业试验教学体系改革与实践[J].教育教学论坛, 2013, (4) :142-143.

[4]杨姝, 亓昌, 胡平, 等.仿真与试验结合的车辆工程专业案例教学探讨[J].试验室科学, 2012, (4) :131-133.

[5]赵树恩, 李玉玲, 张慧玲.车辆工程专业模块课试验教学整合与优化[J].实验科学与技术, 2012, 10 (4) :114-116.

虚拟试验系统 篇10

传统的工程结构分析通常采用确定性的力学模型进行,将模型参数作为确定量处理,其本质是用均值参数系统代替实际结构系统,这就忽略了系统内部的变异性。研究表明,只有系统的变异性较小或各部分变异比较均匀时,上述分析才能给出较为符合真实情况的结果;否则,传统的工程结构系统识别必然是一种有偏差的估计。实际工程结构的随机性表现在以下几个方面[1]:(1)结构元件材料特性的随机性,制造环境、材料等因素的影响使材料的屈服应力、弹性模量、泊松比、密度等具有随机性;(2)结构元件几何尺寸的随机性,制造和安装误差使结构几何尺寸具有随机性;(3)结构边界条件的随机性;(4)结构物理性质的随机性,如系统阻尼特性、摩擦因数等。

各类随机因素的影响使系统存在一定的随机特性,即使同一系统,随着使用地点、环境及使用时间的变化,其动态响应也是一个多元的随机变量。因此,考虑系统的随机因素,对系统开展虚拟可靠性试验具有十分重要的意义。

现今,滚动轴承已成为高速回转运动的重要机械支承件和军事、民用工业的重要基础件[2]。实践表明,轴承不可避免地存在制造和安装误差,这些随机误差将对轴承的振动、噪声产生重要影响。深沟球轴承的虚拟可靠性试验方法能有效分析各类随机误差对轴承动态特性的影响,为轴承减振降噪提供可靠的理论依据。

1 虚拟可靠性试验的技术路线

机械多体系统由于制造和装配误差,而存在随机性。设计中,设计者通常采用传统解析法和常规试验对系统进行动态特性分析。传统解析法计算相当复杂,特别是对于复杂多体随机系统的动力分析问题,常常难以建立解析数学模型。而且,模型计算存在误差,势必影响运算结果。常规试验借助真实物理样机对系统进行分析,要实现系统随机特性分析需建造大量的物理样机,必将大量增加试验的成本并浪费试验时间。

虚拟可靠性试验方法综合运用机构运动学、运动误差分析理论、虚拟样机技术,以ADAMS为平台,实现对复杂随机系统动态特性的分析。技术路线如图1所示。试验中,利用C语言编写产生伪随机数的用户自定义函数,模拟轴承系统的各类随机误差,建立参数化虚拟试验样机;经过多次动力学仿真试验,提取试验数据并以文本形式保存试验结果,利用VC++编程自动读取文本试验数据;最终将试验过程模块化,使虚拟试验自动完成,不受时间和次数的限制。

2 轴承参数化虚拟样机的创建与仿真

应用ADAMS/View图形库对基本几何实体进行布尔运算,可获得复杂几何形体[3]。本文以6408轴承为研究对象。6408轴承具体尺寸和公差如表1所示,根据轴承具体尺寸建立虚拟试验样机,如图2所示。利用ADAMS/View提供的参数化方法可实现轴承虚拟样机参数化操作,因考虑随机性误差的影响,编制产生服从正态分布的伪随机数用户自定义函数ZMYRAND(a)。修改与构件尺寸相关联的设计变量值,如:Length=A+ZMYRAND(a),其中Length为设计变量,A为符合正态分布的构件尺寸均值,a为ZMYRAND(·)函数的主参数,用来标识不同的伪随机数,实现对轴承样机的Monte Carlo参数化。

mm

轴承滚珠和内外圈材质为轴承钢,密度为7.801×10-6kg/mm3,弹性模量为207GPa,泊松比为0.29;保持架材质为黄铜,密度为8.545×10-6kg/mm3,弹性模量为106GPa,泊松比为0.324。为模拟轴承工作状态,将其外圈固定(与轴承座配合约束),内圈以一定角速度旋转,各滚珠与内外圈滚道之间添加接触碰撞约束,滚珠与保持架之间也添加接触碰撞约束,共定义30对接触。内圈在径向力Fr(Fr=50N)作用下,以nb=600r/min的转速旋转。对6408轴承进行0.05s100步的仿真计算,仿真结果如图3和图4所示。

图3所示为计算得到的轴承内圈位移,图4所示为轴承内圈径向跳动位移、速度和加速度曲线。内圈的径向跳动反映了轴承的振动状态,监测内圈径向跳动变化规律可有效了解轴承系统的振动特性,从而为研究轴承振动噪声和各种随机误差之间的影响关系提供有效途径。

3 轴承虚拟可靠性试验系统的开发

以VC++6.0为开发平台,结合ADMAS二次开发功能,根据前面的技术路线以及相关技术要点,开发了通用的轴承虚拟可靠性试验系统。利用该系统可实现深沟球轴承的虚拟可靠性试验,以定量的概率反映轴承各类随机误差对其振动特性的影响。系统分前处理模块、可靠性试验模块和后处理模块3个主要模块,如图5所示。

试验中,将根据实际仿真的次数,统计仿真结果文件,按照用户所指定的允许极限误差数值,计算任意时刻试验样机某方面特性的可靠度。仿真结果以文本形式保存,如果仿真100次,则会产生100个仿真结果文件。利用Visual C++6.0提供的API函数将仿真结果自动从文本文件中读取出来,根据误差的表达式[4,5,6,7]

计算误差值。得出输出运动(位移、速度和加速度)的分布参数:

式中,n为仿真次数;Δyi为第i次输出运动误差;y*为理想值;yi为第i次仿真测量值;μ为仿真结果均值;σ2为仿真结果方差。

再结合正态分布近似算法,编写可靠度的计算程序,实现对仿真结果数据的自动处理,可靠度计算窗口如图6所示。

4 算例分析

利用开发的轴承虚拟可靠性试验系统,分别对6408轴承进行10次、100次、1000次试验,轴承转速600r/min,径向力50N。位移极限误差特征值(μ0,σ0)=(0.15,0.05),允许速度极限误差特征值(μv0,σv0)=(0.45,0.05),允许加速度极限误差特征值(μa0,σa0)=(2,0.05),求取轴承内圈径向跳动在规定误差范围内的可靠度。求取可靠度之前,须对试验所获取的误差大样本数据的分布规律进行拟合检验,确定其分布类型。对1000次试验所得到的t=0.0001s的位移误差数据进行拟合检验,得到概率分布图和频率直方图,如图7所示。

经χ2检验,内圈径向跳动位移误差符合正态分布,据此可求得1000次试验中t=0.0001s的可靠度,同理对轴承任意时刻可靠度进行计算。通过对轴承进行多次试验,得出t=0.0001s时的可靠度如表2所示。

5 结论

(1)提出了一种虚拟可靠性试验方法,以定量概率反映了轴承各个尺寸参数、间隙等随机误差对轴承振动的影响程度。

(2)虚拟可靠性试验方法能代替真实试验,避免浪费大量的人力、物力、财力。

(3)为轴承动态优化设计提供可靠的理论依据。

参考文献

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