数值仿真范文1
【关键词】值机 队列 窗口 生成 仿真
随着地方经济以及航空工业的发展，国际枢纽机场的乘客数量呈现逐年增长的态势。因此，乘客值机的时间长短就直接影响机场的服务满意度。值机时间除值机员操作过程所消耗的时间以外，值机柜台导入收集皮带的等待时间也是影响值机过程满意度的主要因素之一。
值机柜台行李导入等待时间主要受到收集皮带速度，系统处理量设计以及其他机械设计等因素约束，在本论文中主要是忽略行李物理滑移以及其他机械设施对行李运行的干扰的理想情况下，分析值机柜台导入的数学模型。
Automod是Brooks自动化公司提供的的仿真软件。采用3D实时动画的形式模拟大型以及复杂的工程生产，装配，仓储以及机场等离散事件模型。它为分系统控制逻辑、功能以及行李提供有效的仿真解决方案。
1 速度模型
在参数中，速度定义为V毫米/秒，而位移运算的时候，需要将速度进行离散化，因为计算机的扫描时间不是连续的，其最小时间单元为CPU的每一个扫描周期的执行时间，其为毫秒，在匀速运动的时候，当前扫描周期的速度为毫米/秒。
电机运行需要经过加速和减速的过程，对于需要经常启动和停止的输送机，运算得到的位移会因为加减速过程中的累加误差，使得运算得到的位移与实际值偏差很大。因此，输送机的位移运算也要有加速和减速的过程。
同样，将行李放置在输送机某一固定位置，并测得行李前端与PE之间的距离，并启动输送机，行李在输送机末端自动停止下来，并记录从输送机运转至光电开关检测到行李之间的时间间隔t。该过程中行李从加速到匀速以及停止的过程，但停止过程的时间已知，所以是行李加速过程所走过的距离，用表示。和减速过程一样，由可以得知输送机的加速度为。
因此，可以得知输送机的速度和位移模型。速度，加减速时间为速度模型的关键性参数，以确保参考模型与实际对象之间的偏差较小。
为了完成行李的导入，那就要在输送机上采用数据跟踪，也就是需要得知行李在收集输送线上的位置，并将相关的信息赋予相应的行李数据。因为收集输送线较长，且存在多个行李，就需要采用脉冲发生器来精确定位行李的位置。
脉冲发生器是紧贴在输送机皮带上，因此检测位置的皮带破损，编码器的安装是否标准，以及编码器表面是否存缺陷，都将影响测量的结果。
脉冲编码器的脉宽对应的输送机的位移为ncm，采样的周期为m，在每次采样的时候比较该采样周期中，由脉宽得到的位移n×mcm，与程序中运算得到的位移∑?s（k），如果误差在允许的范围内，则采用脉宽得到的位移作为基准，否则视为编码器存在故障。
2 窗口导入及排队模型
2.1 窗口的生成
窗口是用来存放行李数据的虚拟位置，前面已经得知输送机的位移，在输送机的头部，在系统的启动的时候，也就是时间等于0，在皮带的头部生成一个未被占用的窗口识别码，这里定义为-1；该虚拟窗口会随着输送机的位移，逐渐朝输送机的末端运行，当其位置大于一个窗口长度的时候，就会在皮带的头部再生成一个窗口，空窗口的识别号是一样，依次生成窗口。
2.2 窗口的依次生成
当窗口的位置达到光电开关的位置的时候，数据被清零，且位置复位。每一个值机柜台都有自己的编号cu，并且要保证其编号是沿输送机转动的方向递增。总共有C个柜台。
当有一个行李在导入口等待预约导入的时候，将向其上游的位置（输送机头部）查询，是否有空窗口，如果有空窗口，就将其柜台编号加上100，在乘以-1之后，为预约号码nu=-（100+cu），写入到查询到空窗口的位置。
窗口的数量为N= L?LW。柜台数减去窗口数量C-N，就是初始无法导的行李的数量。这些行李都会在一个队列中排队，先进入队列的预约号会先写入到收集皮带上，也就是窗口生成的时候，检查队列中是否存在数据，如果有的话就把预约号写入到生成窗口的位置。
2.3 排队模型
排队等待队列的长度小于等于值机柜台的数量，这样每一个柜台导入的等待时间就会因为其离窗口生成位置的距离、队列的位置以及窗口的大小等因素影响。在满负荷的情况，即需要排队等待的时候。
3 计算机仿真
整个仿真环境由仿真计算机以及底层控制其组成，主要包括：PLC控制器，Automod仿真计算机，SCADA工作站以及数据分析工作站组成。
其中：PLC控制器用于运行控制程序，并将控制指令发送给仿真计算机的仿真模型，仿真计算机模拟输送机以及行李的运行，并将传感器的信号反馈给PLC控制器。SCADA工作站监视输送机的状态，并发送控制指令，事件记录工作站主要记录系统运行过程中的程序事件以供问题分析。
仿真得到行李在每个柜台的等待时间如图2所示。
最大值为：1：28：50（11号柜台）；
最小值为：0：16：55（1号柜台）；
最大值与最小值时间的差值是：1：11：55。
平均每个行李的等待时间：
11号柜台每个行李导入需要的平均时间为：27s；
1号柜台每个行李导入需要的平均时间为：5s；
由此可知，第23号柜台处理行李的时长是13号柜台处理时间的5.25倍。
4 结论
由仿真结果可以看出，在忽略值机操作时间和安检结果等待时间等外界条件的情况下，系统满负荷运行，因为排队距离的远近会导致值机服务时间的不同。使得乘客满意度会因为柜台的分布而不同。因此，需要优化其控制算法模型，使得行李导入等待时间最优。
参考文献
[1]Brian Edwards：The Modern Airport Terminal，edited by Brian Edwards Taylor&Francise-Library Publishing， （London 2005）.
[2]YANG Fu-Qing，in：Thinking on the Development of Software Engineering Technology，Journal of Software Vol6，No.1.1-7（2005）.
数值仿真范文2
关键词： 发动机机匣； 包容性； 有限元； 数值模拟； ANSYS/LSDYNA
中图分类号： V232； V25； TB115.1文献标志码： B
引言
航空发动机转子非包容事件指发动机机匣发生破坏被击穿的事件.尽管非包容事件很少发生，但是一旦发生，就会导致严重的航空事故：高速高能的非包容碎片会击伤飞机的机舱、油箱、电器控制线路和液压管路等，引发机舱失压、油箱泄漏起火、电器失灵以及液压机构无法动作等二次破坏，最终导致机毁人亡.因此，在航空发动机的包容性研究中，对断裂叶片与机匣的撞击过程进行研究显得尤为重要.此外，在保证机匣包容性前提下合理设计机匣，使其耗材最少、质量最轻，也有十分重要的意义.
近年来，国内对发动机转子失效的包容性已经进行大量研究.郑劲松[1]通过高速旋转平板叶片撞击同心圆筒壳体试验，模拟航空发动机叶片飞断撞击机匣情况（即用矩形截面平板叶片模拟航空发动机中的叶片，用薄壁同心圆筒壳体模拟发动机中的机匣），利用冲击动力学基本理论，采用能量法对结构的塑性动力响应进行研究，得到撞击试验的物理模型，并利用该模型定量计算被撞击壳体的侵彻深度；吴旭明等[2]针对目前的包容性理论分析、计算模型无法充分考虑影响包容性的诸多不确定因素，其结果与实际情况偏差太大，以及因费用过高使得与实际情况相近的样机破损试验为数极少的情况，提出综合各种相关信息评价击穿率的动态方法；吴荣仁[3]、张晓峰等[4]、宣海军等[5]、于亚彬等[6]、范志强等[78]和黎飞龙等[9]在叶片包容的试验、数值分析方法等方面开展研究.上述研究主要以模型机匣和模型叶片为研究对象，而实际的机匣结构一般是锥筒形而非同心圆筒，发动机叶片也非普通的平面矩形叶片，因此，有必要对真实结构的机匣和叶片进行数值仿真，为设计人员提供更可靠的依据.
此外，随着发动机转子转速的不断提高，机匣结构的不断优化，多层结构机匣的研究正逐渐受到研究人员的关注.于连超等[10]对多层机匣的包容性进行数值仿真研究，对比分析在相同撞击条件下不同层数机匣的位移、塑性应变和能量等的变化，以及同层数机匣在有间隙与无间隙时的包容情况等.仿真结果表明，同厚度的不同层数机匣，层数越多包容效果越好；对于同层数机匣，层间无间隙机匣的包容效果优于有间隙机匣.然而对于多层机匣包容性的研究，目前还有很大空白，随着复合材料的不断推广，含复合材料的多层机匣结构的设计必将成为发动机技术发展的一个重大课题.
目前，一般采用ANSYS/LSDYNA和Dytran等模拟机匣包容性，其仿真结果可靠，与试验结果较符合.本文运用ANSYS/LSDYNA，采用JohnsonCook材料模型，模拟某压气机机匣中真实叶片与机匣的撞击过程.
数值仿真范文3
【关键词】沟槽减阻;速度;数值仿真
长期以来，科学家们通过对鲨鱼、海豚等水生物的研究发现，这些生物表面的非光滑结构使其具有优异的减阻能力。针对这一发现，NASA兰利中心的WALSH[1]首先通过实验发现V型沟槽面具有减阻效果，并对沟槽形状、顶角大小对减阻效果的影响进行了深入实验研究。之后，各国学者先后对沟槽减阻技术做出研究。沟槽减阻技术属于湍流减阻一种，湍流中大涡拟序结构的发现表明，湍流并不是完全不规则的随机运动，在表面看来不规则的运动中隐藏着某些可检测的有序结构，称为拟序结构。沟槽减阻技术正是利用这一特点，改变湍流拟序结构以达到减阻的效果。丛茜等学者利用有限体积法对三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算，分析了不同沟槽形状对减阻效果的影响，为最佳减阻沟槽设计提供了理论依据[2]。李恩田等学者从实验角度出发，验证了V形沟槽能增加黏性底层的厚度，减小壁面切应力，有减阻效果[3]。海军工程大学的董文才教授采用雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层流动和黏性阻力，通过改变来流速度大小和沟槽面布置位置，研究了雷诺数对沟槽减阻特性的影响规律[4]。王珂[5]、宫武旗[6]、傅惠萍[7]等学者也分别从实验和数值仿真角度对沟槽减阻进行了相关研究。虽然很多学者从沟槽的形状、深度、顶角等各项参数对沟槽减阻进行了研究，但并没有针对沟槽减阻的机理达到一致的认识，本文尝试从数值仿真角度对WALSH等人所做的沟槽减阻风洞试验进行模拟，从仿真分析角度对沟槽减阻进行研究。
1.模型建立
本文数值仿真采用雷诺时均方程法Spalart-Allmaras模型计算方法，其基本计算方程为：
式中：：湍流运动粘度;Gv：湍流粘度的增加项;Yv：湍流粘度的减少项;v：分子运动粘度;：用户自定义源项。
为了探究最好的减阻效果，本文选取了WALSH实验文献中减阻效果最好的模型，选取的沟槽s=0.051cm，h=0.051cm。模型长0.91m，高0.178m，为了减少网格数量宽度取了实验模型的1/3，即宽0.0306m。图1所示为模型示意图。沟槽减阻技术属于湍流减阻技术，为了完全模拟湍流流动，在实验模型之前加了1m的过渡区域，使得仿真模拟区域处于湍流流动区域。来流速度范围为7.6～40.1m/s，流体设置为空气，运动黏性系数为v=1.45×10-5m2/s。图2所示为沟槽表面附近流场网格划分，图3所示为光滑表面附近流场网格划分，图4所示为计算流域网格示意图。
2.计算结果分析
为了研究方便，本文将沟槽深度h进行了无因次化处理，无因次化公式为：
式中h为沟槽深度，u∞为来流速度，v为流体的运动黏性系数，Cf为沟槽壁面的阻力系数。
表1 仿真数据及其处理
u∞ m/s Re×10^6 h+ Cfs×10^-3 Cfg×10^-3 n%
7.6 1.003 11.5 3.996 3.672 8.11
10.1 1.333 14.6 3.526 3.372 4.40
12.6 1.663 17.6 3.252 3.166 2.66
15.1 1.993 20.7 3.052 3.050 0.05
17.6 2.323 23.5 2.818 2.883 -2.32
20.1 2.653 26.5 2.477 2.800 -13.06
22.6 2.983 29.4 2.486 2.734 -9.96
25.1 3.313 32.3 2.530 2.679 -5.87
27.6 3.643 35.2 2.630 2.634 -0.17
30.1 3.973 38.2 2.729 2.597 4.81
32.6 4.303 41.1 2.792 2.567 8.06
35.1 4.633 44.0 2.823 2.542 9.96
37.6 4.963 47.0 2.835 2.522 11.03
40.1 5.293 51.2 2.822 2.635 6.62
为了表示沟槽表面的减阻效果，本文在计算光滑表面和沟槽表面的阻力系数时，统一选用光滑表面的浸湿面积。
光滑表面的阻力系数为：，沟槽表面的阻力系数为：，则减阻率为：。
图1 模型示意图
图2 沟槽表面附近流场网格划分
图3 光滑表面附近流场网格划分
图4 计算流域网格示意图
图5 阻力系数曲线
从表1中数据看出，对于所选的实验模型s=0.051cm，h=0.051cm，当来流速度最小时，即u∞=7.6m/s时，减阻率达到8.11%。随着来流速度的增加，减阻率开始降低，在速度达到17.6m/s时，已经没有减阻效果。但是随着速度的继续增大，当速度增加到30.1m/s时，沟槽表面的阻力开始又一次小于光滑表面的阻力，并且最好的减阻率较之前来流速度为7.6时还要好，最大减阻率达到11.1%。
为了更直观的观察沟槽表面的阻力系数和光滑表面的阻力系数关系，本文以h+为横坐标，阻力系数为纵坐标绘制了如图5所示曲线，以反映阻力系数随速度的变化规律。
3.计算结果与实验结果对比
根据本文仿真实验结果，沟槽表面相对于光滑表面的阻力在来流速度7.6m/s～17.6m/s和30.1m/s～40.1m/s的范围内较小，在17.6m/s～30.1m/s的范围内，沟槽表面的阻力系数大于光滑表面的阻力系数，即没有减阻效果。但是根据WALSH的实验文献结果，随着速度的增加，沟槽表面的阻力系数先是小于光滑表面，但是当来流速度到达一定值时，开始大于光滑表面的阻力系数，并且随着来流速度的增加，沟槽表面的阻力系数和光滑表面的阻力系数的比值逐渐增大，即沟槽表面的阻力和光滑表面的阻力差值越来越大。本文仿真结果和WALSH等人的实验结果在速度7.6m/s～20.1m/s的范围内符合的很好。但是随着来流速度的增加，湍流强度的增加，仿真结果在来流速度大于30.1m/s之后，再一次表现为沟槽表面的阻力系数小于光滑表面的阻力系数。
4.结论
a.通过对WALSH等人实验文献中模型s=0.051cm，h=0.051cm进行仿真模拟发现，在一定速度范围内，沟槽表面的阻力系数小于光滑表面的阻力系数，且随着速度的增加减阻率也在降低，达到一定速度之后减阻效果消失。
b.在利用FLUENT专业流体软件进行沟槽减阻技术仿真，当速度很大时，与实验结果出入较大，说明在高速情况下，计算机在对微型结构内部流场情况模拟仍存在一定误差。仿真结果说明沟槽在一定的范围内可以减小表面阻力，对运输工具等表面结构的设计具有一定的辅助作用。
参考文献
[1]WALSH M.J.Riblets as A Viscous Drag Reduction Technique[J].AIAA JOURNAL1983，21（4）：485-486.
[2]丛茜，封云，任露泉.仿生非光滑沟槽形状对减阻效果的影响[J].水动力学研究与进展（A辑），2006（2）：232-238.
[3]李恩田，赵书华，王树立等.V型沟槽减阻的实验研究[J].管道技术与设备，2009（6）：7-10.
[4]，董文才，熊鹰.雷诺数对沟槽减阻特性影响的数值分析[J].海军工程大学学报，2007（2）：6-11.
[5]王柯，宋保维，潘光.条纹沟槽表面水下航行器减阻实验研究[J].力学与实践，2005（2）：18-21.
[6]宫武旗，李新宏，黄淑娟.沟槽壁面减阻机理实验研究[J].工程热物理学报，2002（5）：579-582.
[7]傅慧萍，石秀华，乔志德.条纹薄膜减阻特性的数值分析[J].西北工业大学学报，1999（1）：25-30.
作者简介：
王松波（1993―），河北邢台人，大学本科，现就读于武汉理工大学交通学院船舶与海洋工程专业，主要研究方向：流体力学与数值仿真。
数值仿真范文4
关键词：绿色建筑 数值仿真 应用
1 绿色建筑需要数值仿真技术
国务院《绿色建筑行动方案》提出在“十二五”期间要完成新绿色建筑10亿平方米，到2015年末，20%的城镇新建建筑达到绿色建筑标准要求[1]。这是一个雄心勃勃的目标。这个目标的实现必将对我国的绿色建筑事业，节能减排事业以及我国经济，社会等各方面的可持续发展做出重大的贡献。
绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节地、节材、节水和节能），保护环境和减少污染，为人们提供健康，适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑（摘自《绿色建筑评价标准》GB/T 50378[2]）。由此可见，绿色建筑设计是一项十分复杂的工作，需要综合考虑的因素很多。既要满足传统的建筑功能和要求，同时又要满足节地、节材、节水、节能、及环保的绿色新要求。一项成功的绿色建筑设计需要做到上述诸多方面，难度非常大。需要调动各方面的积极性。
如何做到绿色建筑中要求的“四节一环保”呢？我们都知道，节约首先要能做到“精打细算”，但如何在一个庞大而复杂的建筑系统中实现“精打细算”呢？仅靠手册中的经验公式和图表显然是不够的，绿色建筑还需要基于计算机数值仿真的精细化分析技术。
本文先对广泛应用于欧美发达国家建筑行业的数值仿真技术简要的介绍，然后分析影响数值仿真技术在我国推广的因素及解决方法。
2 适用于绿色建筑的数值仿真技术
在建筑设计行业中有一句名言“建筑设计是一项遗憾的艺术”，它的含义是建筑设计是一项非常复杂的工作，在设计的时候很难把所有问题都考虑到，但建筑建成以后再改变就很困难了。那么在设计过程中有没有办法把问题考虑得更周详一些，留下的遗憾更少一些呢？这个问题放在以前很难，但随着计算机与软件技术的发展，通过科学的预测和分析，这样的遗憾应该会变得越来越少。过去建筑设计中遇到的很多难以解决的结构、能源、环境与安全方面的设计难题，如：
· 复杂结构分析。
· 建筑的动态负荷分析及全年能耗计算。
· 建筑物所在地的风、光、声与热环境的分析与评价。
· 建筑物发生火灾时的烟雾扩散及人员疏散问题。
· 高层、超高层建筑的电梯流量分析问题等等。
现在都可以通过计算机分析的方法，使这些问题在设计阶段得到更充分的考虑，这是世界建筑设计行业在近十几年发生的巨大变化。目前在欧美国家建筑咨询设计行业常用的分析技术有：
· 有限元分析技术，主要解决结构的强度分析问题。可用于结构优化，以达到提高结构安全和节省建筑材料的目的。
· 建筑能源性能分析技术，预测与优化建筑物的全年能耗。
· 日光与阴影模拟，预测建筑内外的日光与阴影状况，充分利用日光，节约照明用电。
· CFD技术，预测与优化建筑物周围与内部的空气流动、颗粒物分布及温度分布状况。
· 建筑声环境与振动分析，预测建筑内外的声环境，研究降低噪音与振动的方法。
· 火灾与疏散分析，预测火灾发生时烟雾流动及人员疏散状况。
· CGI （Computer Generated Images），用于模拟装饰与灯光效果。
· 建筑电梯客流分析，等等。
上述分析内容中，建筑能耗、日光、室内外空气流动与声环境等都是国标《绿色建筑评价标准》要求的。有些分析内容如火灾与撤离分析，电梯流量分析虽然在绿色建标准中还没有明确要求，但这些分析对于大型建筑的安全性，经济性影响重大，也应该在绿色建筑设计中进行大力推广。
2.1 建筑动态能源性能分析技术
建筑物动态能源性能模拟用于计算建筑物与外部环境间的能量传递。它通过建立建筑物的三维模型，计算太阳辐射得热、围护结构传热及暖通空调设备发（吸）热等过程，计算建筑物的全年能耗及建筑物内部温度。Hansen[3]认为要想有效改善室内环境及节约建筑能源消耗水平，就必须把建筑物及相关系统作为一个整体考虑，而不是各分系统的简单相加来处理。建筑性能仿真就是把建筑物及相关系统作为一个整体考虑的有效工具。Thomas[4]认为建筑性能动态模拟是唯一能够整体比较不同设计方案节能效果的手段。可用于建筑性能分析的软件很多，Crawley[5]比较了20个主要分析软件的性能与特点，这些软件为BLAST、BSim、DeST、DOE-2.1E、ECOTECT、Ener-Win、Energy Express、Energy-10、EnergyPlus、eQUEST、ESP-r、IDA ICE、IES、HAP、HEED、PowerDomus、SUNREL、TAS、TRACE and TRANSYS。有兴趣的读者可以参考有关资料。
英国建筑设计行业应用非常广泛的两种建筑性能分析软件为IES（Integrated Environment Solutions）和 TAS（Thermal Analysis Software），它们能够对世界上各种建筑物进行快速的动态热模拟。并能够对建筑物的能耗、CO2散发量、运行费用及舒适性进行精确预测（图1）。
《绿色建筑评价标准》公共建筑优选项5.2.16（建筑设计总能耗低于国家批准或备案的节能标准规定值的80%的要求）应该通过建筑性能分析的方法来严格论证。住宅建筑的相关条款也可用同样方法分析。除此之外，建筑动态性能模拟技术可用于：
· 区域能源规划。
· 空调动态负荷计算，全年能耗分析。
· 建筑物立面优化。
· 自然通风分析。
· 建筑内部热环境等等。
2.2 日光与阴影模拟
日光与阴影模拟用于显示投射于建筑周围的阴影。通过对天空辐射的直射部分进行计算以确定某时间自然光对建筑的影响。该技术除可进行外部光计算外，还可对建筑物内光进行计算以确定建筑物接收到的室外光的量。前面提到的很多软件也可以用来进行日光与阴影模拟分析（图2）。
《绿色建筑评价标准》公共建筑控制项5.1.3 （要求不对周边建筑物带来光污染，不影响周围居住建筑的日照要求）及一般项5.5.11 （要求办公，宾馆75% 以上主要功能空间的采光系数满足现行国家标准《建筑采光设计标准》GB50033的要求）应由这种方法进行论证。住宅建筑的相关条款也可用同样方法分析。日光与阴影模拟技术还应用于：研究新建筑物对老建筑物的影响；优化建筑立面设计；阴影的可视化；优化室内照明质量。
2.3 建筑物内外空气流动与传热的分析
CFD（Computational Fluid Dynamics）是流体动力学的一个分支，它应用数值计算的方法解决复杂流体的计算问题。CFD被广泛应用于航空、航天、汽车、能源以及环保等行业。在建筑设计中应用CFD技术有其特殊的意义，那是因为在建筑设计中涉及的流动与传热问题往往都十分复杂，用传统的方法很难计算。应用CFD技术则可以对这些问题进行比较深入、全面的研究，图3为CFD在建筑物内外流场分析中的应用。这些分析结果对于建筑方案的确定与优化发挥了很大的作用。
《绿色建筑评价标准》公共建筑控制项5.1.7项（建筑物周围人行区风速低于5m/s，不影响室外活动的舒适性和建筑通风）、一般项5.2.6（建筑总平面设计有利于冬季日照并避开冬季主导风向，夏季有利于自然通风）及一般项5.5.7（建筑设计和构造设计有促进自然通风的措施）需要用CFD技术进行分析。住宅建筑的相关条款也可用同样方法分析。此外，CFD技术可在以下方面得到应用于以下分析：
· 外部流动建筑风环境， 雨水对建筑物的侵袭， 建筑风载荷， 小区污染控制， 城市热岛分析。
· 内部流动室内温湿度控制，制造舒适的室内环境，特别是高大空间研究新型室内环境制造方式的效果，如辐射供冷，置换送风，满足特定的设计需求，如云计算中心空气管理等排烟设计。
· 外部与内部结合的流动风力与浮力同时作用的自然通风，考虑风力作用的排烟设计，常用的CFD软件有FLUENT、CFX、STAR-CD和PHOENICS等。有意思的是这些主流CFD软件最初都源于英国，这充分说明了英国这个国家在工程软件开发方面的能力是很强的。
2.4 建筑声环境分析
声环境是建筑环境的重要组成部分。人们睡眠、休息、学习、工作和社会活动都需要安静的建筑环境。噪声的危害逐渐引起人们的重视，这充分体现了声环境控制的重要性。为此，《绿色建筑评价标准》对建筑场地及建筑内部的声环境都提出了具体要求。为了确保建筑场地及建筑内部声环境满足标准要求，需要进行相关的建筑声环境分析。模拟建筑声环境的方法有三种[6]，它们是：
· 数值法，通过求解描述声压在时间、空间变化的微分方程的方法求解场地的声学特性。
· 几何法，确定在现场声传播的方向以及到达聆听者的途径计算声学特性。
· 统计法，使用宏观场景属性（表面积，体积）来估算声学特性。
数值法对低频有效而几何法对高频更有效，所以模拟建筑声环境的软件一般采用这几种方法的组合。ODEON[7] 是一种模拟建筑内部声学特性的软件，根据建筑的几何与表面特性，对室内的声学特性进行预测。CADNA （Computer Aided Noise Abatement） [8]是国际流行的环境噪音预测软件，可用于包括工业厂房、市场、高速公路、铁路甚至整个城镇地区的声学环境评估。
绿色建筑评价标准》公共建筑控制项5.1.6（场地环境噪声符合现行现行国家标准《城市区域环境噪声标准》GB3096的规定）及5.5.5（宾馆和办公建筑室内背景噪声符合国家标准《民用建筑隔声设计规范》GBJ118的规定）可以由上述方法进行分析（图4、图5）。
2.5 火灾与疏散分析
虽然《绿色建筑评价标准》尚未对建筑物的火灾与疏散分析提出要求，但近年来我国火灾频发并造成严重人员损失的情况看，我们应该在这方面下更大的功夫。国外大型建筑都非常重视火灾与疏散分析工作，而我国的建筑规模更大，人员密度更高，因而发生火灾的危害更大，所以这项分析应该成为我国绿色建筑设计的一个重要组成部分。
火灾与疏散分析实际上涉及两个方面的模拟过程即：火灾模拟与疏散模拟。通常先由火灾模拟软件模拟火灾发生时烟雾和温度的扩散情况，这个结果首先可用于排烟系统，喷淋系统以及火灾分区的依据；这个结果还可以作为疏散软件的输入条件。疏散模拟人与人、人与火灾、人与构造物的相互作用。模型分析受到热、烟、有毒气体影响后，从室内逃出的每个人的避难路径和疏散所需时间等。
火灾可由一般的CFD软件进行模拟，也可以用专业的火灾模拟软件如FDS（Fire Dynamics Simulator）[9]来完成。FDS 由美国商业部NIST（National Institute of Standard and Technology）研发。 而疏散模拟可由FDS + Evac[10]软件完成， FDS + Evac软件由芬兰VTT技术研究中心研发， 完全嵌入在火灾动力学模拟模型（FDS）中。也就是说，FDS的计算结果可以直接传送给FDS + Evac以进行相应的疏散分析（图6-1）。
2.6 电梯流量分析技术
我国高层和超高层建筑的数量日益增多，因而对电梯设计的要求越来越高。但在建筑物突破了一定的高度与规模，甚至突破了固定的建筑类型后，建筑师在建筑设计中如何具体的将电梯应用技术与建筑设计相结合，同时能够实现预先设计的效果，并非易事[11]。应用先进的电梯流量分析技术可以比较有效地解决这个问题，既避免电梯数量不够引起的等待时间过长从而引起建筑品质下降问题，又能避免由于电梯数量过大引起的投资，建筑面积及能源的浪费问题。
一些大型电梯制造公司开发了电梯分析软件可进行电梯的流量分析，不过这些软件往往侧重于他们自己产品的分析，缺乏广泛的代表性。英国 Peters Research Ltd 开发的ELEVATE 是欧美国家广泛应用的电梯流量分析软件，可以满足设计要求（图6-2）。
图6为某超高层建筑办公区的电梯流量分析图。分析给出了该区采用6台1600kg，速度为3m/s电梯的平均等待时间，最长等待时间等重要数据。
3 如何推广数值仿真技术
我国在推广数值仿真技术方面还存在不少问题，首先是开发商、地产公司对这些技术的重要性理解不够。很少有开发商主动要求设计单位进行这方面的分析，也不愿意为这些附加的分析内容增加付费。而设计单位因为设计费用低，设计周期短，再加上缺乏这方面的人员也很少去进行这些分析工作。久而久之，基于数值仿真的精细化分析就成了我国绿色建筑技术的短板。
绿色建筑标准的制定为数值仿真技术推广带来了良好的契机，《绿色建筑评价标准》中有不少需要数值仿真分析的条文。问题是如何在设计与评价过程中真正发挥数值仿真分析的作用。为此，建议进行以下工作。
（1）探索如何使数值仿真分析更好地融入绿色建筑设计过程的方法，使之发挥更大的作用。
（2）组织相关人员对《标准》中涉及到的建筑能耗、采光、通风、声环境等模拟的边界条件、模拟过程及软件要求等进行研究，提出规范化的模拟方法。
（3）组织有关人员对《绿色建筑评价标准》涉及的风环境、日光、声环境及自然通风等数值分析结果的评价方法，提出一套指导评价分析结果的方法。
（4）对从事数值分析及评价的人员进行培训。
（5）对典型案例进行分析并与实测结果进行对比等。
参考文献
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[2]GB/T 50378-2006绿色建筑评价标准[S] .2006
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[6]T. Funkhouser， N. Tsingos， J-M. Jot， Survey of Methods for Modeling Sound Propagation in Interactive Virtual Environment Systems， Presence and Teleoperation 2003.
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[11]范一飞，高层建筑电梯应用技术设计研究，硕士学位论文，同济大学建筑与城市规划学院。
数值仿真范文5
关键词:计算机辅助工程;ANSYS参数化设计语言;模块开发;齿轮
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号: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
计算机辅助设计(CAD)及计算机辅助工程(CAE)是现代机械、电子、航空等领域非常重要的技术手段。传统的齿轮接触强度计算公式均以Hertz公式为依据,其结果会与实际有较大的出入,相比而言,利用有限元法对工业中关键的零部件齿轮的啮合状态进行数值仿真,不但可消除理论计算中的某些限制条件,还可以及早发现设计缺陷,并能保证其工作性能的可靠性,提高企业的生产效率。本文利用APDL语言编程,开发一个齿轮运动副参数化设计及有限元分析的专用模块,方便工程技术人员快捷地完成齿轮传动系列产品的参数化建模和有限元计算,为产品开发提供重要的技术保障。
1 CAE技术及APDL语言
随着科学技术的进步,CAE技术在工程中的应用取得了迅猛的发展,目前已经涌现了许多的大型有限元分析软件,诸如ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, MARC, ADINA等。本文主要选取ANSYS作为分析软件,它融结构,流体,电场,磁场,声场分析于一体。ANSYS按功能作用可以分为若干个处理器,主要包括前处理器 (Preprocessing)、求解器(Solution)、后处理(General postprocessing)。
ANSYS参数化设计语言(APDL)是一门可用来完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的语言,即程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来做决定,是完成优化设计和自适应网格划分的最主要的基础。APDL允许复杂的数据输入,使用户对任何设计或分析属性都有控制权,如分析模型的尺寸、材料的性能、载荷、边界条件施加的位置和网格密度等。APDL扩展了传统有限元分析的范围,并扩展了更高级的运算,包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改和设计优化等。APDL具有下列功能,对这些功能用户可以根据需要进行组合使用或单独使用,创建一个高度完善的分析方案。
・标量参数 ・数组参数 ・表达式和函数 ・分支和循环
・重复功能和缩写 ・宏 ・用户程序
2 齿轮数值仿真系统的开发
2.1 齿轮参数赋值对话框的创建
首先输入以下命令,创建齿顶高系数和间隙系数两个参数的输入对话框。
*ASK,ha,Input coefficient of hight with teeth,1! 输入齿顶高系数ha
*ASK,c,Input coefficient of clearance with teeth,0.25! 间隙系数c
编写下列宏文件,创建多参数输入对话框。
MULTIPRO,'start',5
*cset,1,3,z1,'The number teeth of smaller gear',28 !输入主动轮齿数z1
*cset,4,6,z2,'The number teeth of larger gear',36!输入从动轮齿数z2
*cset,7,9,m,'The module of larger end(mm)',5 !输入齿轮模数m
*cset,10,12,alf,'The pressure angle(deg)',25 !输入压力角alf
*cset,13,15,b,'The width of gear tooth(mm)',40 !输入齿宽b
MULTIPRO,'end'
运行该宏后,弹出图3所示对话框。在文本框中分别输入所需参数值,然后单击OK按钮,便完成了建模前的参数设置。
2.2 有限元分析宏程序文件的编写
有限元分析主要包括齿轮模型建立及网格划分、载荷施加及求解、结果查询等过程,本文分别通过建立GEAR_MODAL.MAC,GEAR_SOLVE.MAC,PLOT_STRESS.MAC三个宏程序文件来实现齿轮啮合传动的应力计算。限于篇幅,在此只列出部分程序代码供学习参考。
pi=3.14159265358979
angle1=alf*pi/180r1=m*z1/2!分度圆半径
RB1=r1*cos(angle1) !基圆半径
RA1=m*(z1+2*ha)/2!齿顶圆半径
RF1=m*(z1-2*ha-2*c)/2!齿根圆半径
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!镜像旋转角
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!激活工作坐标系
wprot,-angle3,0,0 !初始偏转角度
K,1,0,0
*do,t,0,1,0.01
*SET,x,rb1*(cos(t)+t*sin(t)) !渐开线方程
*SET,y,rb1*(sin(t)-t*cos(t))
k,,x,y,0!开始生成关键点
*enddo
flst,3,101,3!连点成线
*do,t,2,102
fitem,3,t
*enddo
bsplin,,p51x!生成样条曲线
KDELE, 3, 101, 1!删多余点
NUMCMP, KP
wprot,angle4,0,0
LSYMM,Y,1, , , ,0,0
circle,1,ra1!画齿顶圆
circle,1,rf1!画齿根圆
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 仿真系统的工程应用
为了验证所开发的齿轮分析专用模块的正确性,任意选取工程中的一对啮合齿轮对其进行强度计算,各参数如下:齿顶高系数和间隙系数取标准值,z1=20,z2=40,m=10,alf=30°,b=50。进入ANSYS操作环境后,依次点击所开发的模块中的按钮(如图4所示),系统可以自动完成建立齿轮模型、划分网格、施加边界条件和载荷、求解计算及结果查询等一系列工作,考虑其啮合状态,在有限元计算时各取5个齿,计算结果分别见图5~图8。
4 结束语
本文利用ANSYS参数化设计语言(APDL)编程,开发了圆柱齿轮数值模拟仿真专用系统。该模块将齿轮设计过程中的所有关系式融入所编写的应用程序中,在程序的控制下,顺序执行这些关系式,通过与用户交互的方式来完成齿轮的建模和有限元分析。
宏程序全部基于赋初值对话框中所给定的齿轮变量参数,用户只要按实际要求输入齿轮的齿数、模数、压力角等结构几何参数,便马上可以完成齿轮啮合的有限元计算过程,得到齿轮工作情况下的应力和变形分布规律,无需工程技术人员具备较高的绘图能力、数学和力学相关知识,能有效地推广CAE技术在企业的应用。
参考文献:
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数值仿真范文6
关键词：扇形铅粘弹性阻尼器；设计；仿真数值分析；原理；抗震
中图分类号：C35文献标识码： A
1.概述
自2008年以来，我国已经陆续发生了几次破坏力较强大地震，这些地震都有其不同的特点，有的地震震级强，有的地震波及范围广，尤其以此次云南鲁甸6.5级地震，虽然地震震级并不强，而且地震波及范围也并不广泛，但是破坏力却很强，给人民群众造成的严重的生命财产安全损失却是巨大的，究其原因，主要是以建筑物框架结构的抗震问题处理不当。利用耗能减震技术研发出来的阻尼器设备，是有效缓解地震波对框架结构造成的冲击的一个典型解决方案，经过数据分析显示，这种设备的实际可操作性已经很成熟。
2.扇形铅粘弹性阻尼器的设计
2.1 阻尼器的原理
扇形铅粘弹性阻尼器，其工作原理是将突发性的、冲击力较强的地震波，通过原本已经增强的结构的阻尼、耗散的结构能量，以达到减小结构地震冲击反应的目的。也就是说，目前的框架性结构建筑，在抗震上，已经跳出了“以增强建筑结构强度来抗震”的“以硬碰硬”原理，采用阻尼器等“以柔克刚”的方法，多措并举的对建筑结构自身的动力性能进行对地震冲击波的缓冲。这种工作原理充分地考虑到了地震波的瞬间作用力和余震造成的持续性作用力效果，对于剪力墙那种增加强度的抗震效果比起来，阻尼器在缓冲地震波冲击过程中的后续效果十分明显。
2.2 阻尼器的构造
扇形铅粘弹性阻尼器，其外观看起来虽然十分简单，但是其内部构造却极具专业性和技术性，铅粘弹性阻尼器目前已经获得了国家的相应专利，是一款完全拥有自主知识产权的建筑抗震辅助型设备。一般由缸筒、活塞、阻尼通道、阻尼介质（粘滞流体）和导杆等部分组成。当工程结构因振动而发生变形时，安装在结构中的粘滞阻尼器的活塞与缸筒之间发生相对运动，由于活塞前后的压力差使粘滞流体从阻尼通道中通过，从而产生阻尼力耗散外界输入结构的振动能量，达到减轻结构振动响应的目的。从目前已知的情况来看，阻尼器的这种构造基本上能满足建筑物的抗震需求。
2.3 阻尼器的特点
扇形铅粘弹性阻尼器，由于其独特的构造，使其具备了外形简洁，结构对称、紧凑，安装便捷，安装空间小的特点，而且在实际工作中，摩擦阻力小，一般低于额定载荷的1%~2%，在安装过程中，阻尼器两端可安装关节轴承，利于施工安装和工作时的摆动（允许工作摆角±5°），阻尼器的长度设计了±25mm的调节量，方便现场的安装，一旦出现强地震波，能大幅度消耗耗能效率，最大幅值甚至可以达到90%，在使用过程中液压介质使用稳定、抗燃、耐老化的硅油；密封件使用与介质相容性好的橡胶材料。
2.4 阻尼器的使用
虽然阻尼器的研究时间较短，但是其从其使用效果上来看，在抗震减灾过程中所起到的作用确实是很大，所以在实际应用过程中推广的速度也很快，尤其是现在随着经济发展的加速，城市化建设的不断推进和土地集约化使用的加强，高层和超高层建筑中，阻尼器的使用已经相对较为普及了。并且，在一些跨度较大、梁结构面较宽的一般性低层建筑中，阻尼器也正在发挥着其显著的效果，尤其是以火车站、飞机航站楼等一些建筑设计特点较为明显的建筑物中，阻尼器的使用显得尤为突出。
2.5 阻尼器在使用中注意的问题
扇形铅粘弹性阻尼器，其实是和剪力墙用两种完全不同的方式对建筑物采取减震抗灾的作用的，阻尼器的最大特点就是确保结构性质在地震冲击波作用下保持不变或者基本不变，这也就使得阻尼器在使用过程中需要有其独立的建筑面积，对建筑物自身的实际利用面积造成了一定的影响，所以，在论证其实际使用效果的时候，必须着重考虑建筑物的总建筑面积和实际使用空间比例，这是制约阻尼器在建筑物中实际利用的一个瓶颈问题。
3.扇形铅粘弹性阻尼器的数值仿真分析
3.1 阻尼器参数确定方法
阻尼器的参数包括最大移位、最大剪力和阻尼比等在地震波冲击下产生变化最大的几个实际数值，从建筑物实际效果来看，以最大位移的参数大小来确定阻尼器的实际使用效果是否最好是最为明显的，因为地震的冲击力在瞬间爆发的时候其地震波效果是十分剧烈的，虽然持续时间并不长，短的也就几十秒，长的也不过一两分钟，但是造成的实际损伤强度确实是很大的，尤其是在高层和超高层建筑物中，感觉较为明显，其实这就是位移造成的，如果能有效缓解这种位移的话，基本上就达到了阻尼器的效果了，也起到了建筑物抗震的作用了。
3.2 阻尼器的试验结果分析
Bouc-Wen模型是由Bouc在1967年提出来的，其后，Wen等学者改进了该模型，所以，就定义为Bouc-Wen模型 。该模型能体现各种阻尼器的 非线性滞回特性，阻尼器的恢复力和变形与一个具有不确定参数的非线性微分方程联系，通过合理地选择参数，可以得到大量不同形状的滞回曲线，以模拟不同类型、性能阻尼器的非线性特性。
为了检验Bouc-Wen模型模拟铅粘弹性阻尼器的效果，采用Matlab软件编制模拟复合型铅粘弹性阻尼器的Bouc-Wen模型程序，滞回曲线控制参数0.4α=、0.4β=−，A值采用线性回归的方法得出了与加载位移幅有关的指数函数，系数γ由实验数据分析得出，其值为0.253，模拟出的滞回曲线中可以看出，采用Bouc-Wen模型数值模拟的滞回曲线与试验滞回曲线在加载位移小于25mm时吻合得较好，当加载位移超过这个值时，卸载过程中模拟出的滞回曲线与试验所得的曲线有一定的误差，产生这一现象的原因是在试验加载位移过大时，压剪试验机输入大的水平推力时（试验时竖向压力为0)，试验机台座的水平巩针支撑的滑板会出现翘动(机器发出大的响声），从而导致试验输入的数据和输出采集的数值会有所波动。
粘弹性阻尼器采用双线性模型分析时，可分解为铅阻尼器和粘弹性阻尼器模型的叠加，如图 7所示。对于双线性模型在正向加载的骨架曲线用两折线代替，卸载刚度不退化。铅粘弹性阻尼器的阻尼力P是由铅的剪切或挤压力LP和粘弹性材料的剪切力VP构成。铅的剪切或挤压力LP与位移无关，而粘弹性材料的剪切力VP与位移近似成正比。
4.扇形铅粘弹性阻尼器的未来发展趋势
结合阻尼器的实际使用效果和特点，根据目前已知的实际效果来看，其发展的前景还是不错的，究其未来发展而言，主要以解决建筑物实际占地问题为核心环节。虽然阻尼器的建筑造价比剪力墙造价要低，但是在建筑物中的建筑占地要比剪力墙多，这就影响了建筑物的实际使用空间，这种隐性成本如果结合在一起的话，其实阻尼器的造价并不一定比剪力墙低多少，而且外观也不美观，如果能解决这一技术性问题的话，那么阻尼器在未来发展中所起到的作用是绝对不能小觑的。
5.结束语
建筑结构的抗震问题，从表面上来看属于建筑学角度问题，但是从实际使用范围来讲，它关乎于人民群众的生命财产安全问题，任何单位和个人都不能对其忽视，要利用一切可能的设备做好建筑物的抗震工作。
参考文献：
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