二元沖擊系統(tǒng)動力學特性研究范文
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《機械設(shè)計與研究雜志》2014年第四期
1．1二元沖擊系統(tǒng)動力學模型針對多元沖擊機械系統(tǒng)而言，無論其結(jié)構(gòu)多么復雜，其動力學模型都可以看成是彈性桿、彈簧、剛體、活塞這些零部件組成的，只是其所包含的零部件數(shù)量及其位置不同而已。根據(jù)沖擊機械系統(tǒng)力學模型中所包含的獨立彈性桿件數(shù)可將常見的沖擊機械系統(tǒng)分為一元、二元和三元沖擊系統(tǒng)。本文中二元沖擊系統(tǒng)由彈性桿一、彈性桿二組成，其簡化力學模型如下:
1．2二元沖擊系統(tǒng)數(shù)值模擬目前，沖擊系統(tǒng)的波動方程定解求解方法主要有特征線法和透反射關(guān)系法［1］。特征線法的本質(zhì)是將偏微分方程沿特征線轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｎ⒎址匠?，對于波動方程，由特征線理論可知。前者稱之為特征線方程;后者為沿特征線上的特征相容關(guān)系。彈性桿上任一點在任一時刻的速度與合力稱之為狀態(tài)向量，其狀態(tài)向量可用矩陣表示為。透反射關(guān)系法是根據(jù)透反射規(guī)律由初始狀態(tài)的順波和逆波得到所考察截面各時刻的順、逆兩波。將彈性桿離散成等長度的若干單元，在每個單元中都存在順逆兩波，用矩陣形式表示為。本文運用透反射關(guān)系法編制相應(yīng)的Matlab程序，求解二元沖擊系統(tǒng)的動力學特性參數(shù)數(shù)值解。
2可視化系統(tǒng)框架
2．1總體框架系統(tǒng)二元沖擊系統(tǒng)是以Matlab為基礎(chǔ)，實現(xiàn)Delphi和Matlab混合編程進行人機交互界面設(shè)計、沖擊系統(tǒng)二維模型設(shè)計和結(jié)果分析。整個系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。
2．2可視化流程圖3所示為整個系統(tǒng)可視化流程圖。啟動Delphi應(yīng)用程序，輸入沖擊系統(tǒng)模型參數(shù)，這些參數(shù)具體是指彈性桿一、二的長度L和直徑H，由這些長度和直徑能完全確定兩彈性桿的形狀。運行指定可視化程序，調(diào)用Matlab數(shù)值模擬程序，將這些參數(shù)調(diào)入Matlab中并保存到M文件中，之后Mat-lab沖擊程序開始計算，計算沖擊的每一步過程。完成計算得出結(jié)果數(shù)據(jù)，這些結(jié)果數(shù)據(jù)包括沖擊系統(tǒng)每個彈性桿在任意時刻的速度、加速度、位移、能量等動力學特性參數(shù)。結(jié)果數(shù)據(jù)保存成圖形曲線形式再輸入Delphi中，待用戶選擇將要顯示的結(jié)果，由Delphi顯示結(jié)果，整個過程結(jié)束。
3界面定制和流程控制
3．1Delphi對Matlab的調(diào)用方法Delphi是一種優(yōu)秀的可視化應(yīng)用軟件開發(fā)工具，但它在算法和數(shù)值處理分析方面其效率遠遠低于Matlab。因此，本文將兩者結(jié)合起來，Delphi應(yīng)用程序作為整個系統(tǒng)界面定制工具，Matlab作為后臺數(shù)據(jù)處理支撐工具，實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補。ActiveX技術(shù)是一種獨立于編程語言的組件集成協(xié)議，本系統(tǒng)建立一個Delphi應(yīng)用程序和Matlab之間的ActiveX的自動化連接，Delphi作為控制端，Matlab作為服務(wù)端，實現(xiàn)Delphi對Matlab調(diào)用，并可向Matlab傳輸或者從Matlab中接受數(shù)據(jù)。具體操作如下:首先建立ActiveX對象，在機器內(nèi)安裝并注冊Matlab，注冊方法即以命令行的形式執(zhí)行“Matlab/Regserver”命令。之后在Delphi中使用下列語句即完成調(diào)用:Matlab=Createoleobject(‘Matlab．Application’);這就創(chuàng)建了Matlab的ActiveX實例。完成調(diào)用后，Del-phi可以通過五個函數(shù)來調(diào)用Matlab。這些函數(shù)為:Execute(執(zhí)行Matlab命令)，PutFullMatrix、GetFullMatrix(傳遞數(shù)據(jù))，MinimizeCommandWindows、MaxnimizeCommandWin-dows(窗口操作)，這些函數(shù)極大地方便Delphi與Matlab之間功能開發(fā)。
3．2二元沖擊機械可視化系統(tǒng)設(shè)計以某型號鑿巖機的活塞－釬桿二元沖擊系統(tǒng)為例，彈性桿一視之為活塞，彈性桿二視之為釬桿?；钊砸欢ǔ跏妓俣茸矒翕F桿，釬桿固定?？梢暬到y(tǒng)主界面如圖4所示，其界面包括參數(shù)設(shè)置、模型顯示、程序載入、程序結(jié)果顯示、特殊點結(jié)果顯示和系統(tǒng)退出等控件。的對話框，從該對話框中可以自主設(shè)計二元沖擊系統(tǒng)原始模型尺寸，以變截面為界將彈性桿分成若干段，每一段需要輸入的尺寸是長度L和直徑H，將所有段組合起來就可以確定整個沖擊系統(tǒng)的具體尺寸。不同結(jié)構(gòu)尺寸的彈性桿產(chǎn)生不同波形的應(yīng)力波，不同波形的應(yīng)力波作用于不同力學特性的工作介質(zhì)時，沖擊系統(tǒng)的力學參數(shù)如擊入量、能量傳遞等存在相當大的差異。
圖6是顯示二元沖擊系統(tǒng)的Matlab中M程序的界面，在該界面中可以看到從參數(shù)設(shè)置中保存進來的模型數(shù)據(jù)，并且還可以使用戶在該Delphi界面中直接輸入或者修改Mat-lab命令，修改之后關(guān)閉自動保存。圖7和圖8是二元沖擊系統(tǒng)計算結(jié)果顯示的界面。圖7是M文件計算結(jié)束之后二元沖擊系統(tǒng)的動力學參數(shù)結(jié)果顯示，包括活塞和釬桿各自的受力圖、能量圖、速度圖和位移圖。紅色曲線代表活塞的情況，黑色曲線代表釬桿的情況。部分程序如下。在二元沖擊系統(tǒng)的動力學特性分析中，往往需要對彈性桿的某些特殊位置點(如變截面處、接觸面等)進行詳細的運動、受力分析，特殊提取點位置是從二元沖擊桿件的最左端起始，將特殊點與起始點之間的距離輸入進去，點擊需要得到結(jié)果圖按鈕就可以得出需要的結(jié)果圖，這些結(jié)果圖可以是應(yīng)力圖、合力圖、速度圖和位移圖。
4結(jié)論
本文基于波動力學理論和面向?qū)ο筌浖夹g(shù)進行了的二元沖擊系統(tǒng)可視化研究。首先，運用透反射關(guān)系法建立了二元沖擊系統(tǒng)波動力學模型;其次，基于Matlab編制了二元沖擊系統(tǒng)的動力學特性分析數(shù)值模擬程序;然后，在Delphi環(huán)境下基于ActiveX技術(shù)實現(xiàn)了動力學參數(shù)的可視化;最后，以某型號鑿巖機的活塞～釬桿二元沖擊系統(tǒng)為例，進行了系統(tǒng)動力學特性數(shù)值仿真分析。本文的研究工作為二元沖擊機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學特性研究提供新途徑，提高了研究效率。
作者：楊書儀李亮陳建文魏小娟單位：湖南科技大學江麓機電集團有限公司