仿真实验分析

仿真实验分析（精选九篇）

仿真实验分析 篇1

随着计算机技术的发展和仿真技术不断扩大的功能需求, 仿真一体化支撑平台应运而生。仿真一体化支撑平台包括仿真建模功能、在线调试功能、平台管理功能、仿真运行管理功能及I/O和网络控制功能等。

目前国内已有不少单位具有仿真支撑平台的技术, 包括清华大学能源仿真公司开发的电站图形化仿真建模系统GNET和仿真支撑环境ISSE、清华大学热能系的可视化计算与仿真支撑平台VCS3与电站仿真图形化自动建模系统THAMS等;华北电力大学在引进美国原CE公司550MW原理型仿真机的同时, 在CETRAN的基础上进一步开发出了STAR-90模块化建模环境。[1]

本文采用的支撑平台是武汉大学仿真实验室STAR-90仿真系统。STAR-90仿真技术是在吸收国外先进技术的基础上, 推出的国内第一套仿真和工程模块化建模集成环境, 它已成功地应用于多台电厂仿真机的研究和开发。STAR-90实时仿真系统采用了工程模块化建模方式, 其基本设计思想是将待开发的系统分解成若干个功能独立、可分别设计、编码和调试的模块, 每个模块有其独立性, 并可完成一种特定的功能。STAR-90仿真支撑系统为用户提供了在线修改、调试模型的手段, 模型工程师可以根据需要在线地修改模型, 并可立即得到修改后的结果, 直到模型能够正确反映被仿真对象的物理过程, 从而完成调试模型的过程。

利用STAR-90仿真系统建立仿真数学模型, 一般要经历如下过程:

(1) 需求分析:熟悉实际系统及用户的需求;确定模型的仿真范围、仿真程度及边界条件。

(2) 设计:划分系统, 确定分系统间的接口变量;模块组态;计算模块系数。

(3) 模型调试:一般由分系统调试、分系统测试和模型整体连接与调试等过程组成。

(4) 仿真系统整体调试:连接盘台、监视控制台及其他的有关设备调试。

(5) 模型的整体检测:检测仿真范围、模型有效性、实时性、动态特性、动静态精度等。[2]

2 仿真系统的校核与验证

2.1 仿真对象

本文的仿真对象空气预热器是建立在某电厂600MW机组锅炉风烟系统之中的。该系统主要由2台送风机、2台引风机、2台三分仓回转式空气预热器、暖风器、一次风机等组成。

按照模块化建模方法, 应用武汉大学仿真电站实验室STAR-90仿真系统作为仿真支撑平台, 将本文所建立的三分仓回转式空气预热器的模型并入锅炉风烟系统, 进行组态, 建立风烟系统模型, 且应用此模型分别验证空气预热器算法的静态精度和动态特性。

2.2 仿真机的精度

仿真机的精度指仿真机仿真实际电站设备行为在静态与动态响应方面的精度。仿真机的精度又可分为稳态精度和暂态精度。仿真机的稳态精度是相对满负荷和几个中间负荷值而定的, 这些工况的数据可以在参考电站中获得。[3,4]

在测稳态精度过程中, 一般电站仿真机应遵循以下原则: (1) 仿真机计算值的精度应该在全负荷范围内至少取3个负荷点来进行检验。 (2) 应满足质量和能量平衡原理。 (3) 负荷大于25%B-MCR, 仿真机关键参数与参考电站测量值或设计值之间的误差应不大于±2%, 非关键参数的仿真值与参考机组的设计值的偏差应该在±10%范围内。根据以上要求, 本文取B-MCR、30%、50%、75%、100%T-MCR五个负荷点作为仿真稳态精度的考核点。

3 静态特性仿真

3.1 仿真实验及初始条件

针对已建立的LAP13494/3883空气预热器设计数据, 按数学模型, 本文基于仿真平台建立了锅炉的三分仓回转式空预器的一段集总参数数学模型, 将其并入锅炉风烟系统, 并将部分关键参数在特定工况仿真结果的比较情况列于表1中。根据表中仿真数据与设计值比较结果, 验证本文所建立的三分仓回转式空预器的数学模型与该电站的空气预热设计数据的偏差是否满足要求。

600MW机组三分仓回转式空气预热器数学模型的仿真验证一般从模型的仿真精度与其动态特性来考虑, 其中仿真精度常从以下几方面考虑和规定:

(1) 仿真精度的标准值应该参考电厂各负荷下的设计参数值, 而不是参考电厂的运行值, 运行值往往偏离机组参数设计值;

(2) 仿真测试过程所选定的负荷值应该与参考机组设计负荷值一致, 并尽量选择典型工况;

(3) 衡量仿真精度的参数是明确指定的那些与电厂质量和能量平衡有关的关键参数, 而不是随意指定的其他参数。

根据上述规定, 对所建的600MW机组三分仓回转式空气预热器的数学仿真模型进行论证, 最直接和最可靠的方法是将稳态仿真结果与回转式空气预热器的设计参数值相比较。

3.2 一段集总参数法模型仿真

参照国内某电厂600MW火电机组锅炉三分仓回转式空气预热器的相关资料, 用新编的回转式空预器算法进行模拟, 通过图形模块化仿真建模、仿真调试, 验证了系统在B-MCR、100%、75%、50%、30%T-MCR五个运行工况下部分关键试验参数和设计参数对比结果。并将试验结果与设计参数对照比较, 计算其误差, 见表1。

表1数据表明, 在30%~100%额定负荷工况变化过程中, 回转式空气预热器一段模型的仿真静态试验数据与额定工况设计数据相对误差在2%以上, 不能满足静态仿真精度的要求, 因此, 通过以上定量比较表明, 本文所建立的回转式空气预热器的仿真数学模型虽然正确, 但是达不到仿真精度要求;这是因为空气预热器的换热面积很大, 其传热高度达1900mm。另外, 回转式空气预热器的工质状态参数随时间和空间而变化, 具有典型的分布参数特征。所以要采用分段模型来解决以上问题。

3.3 多段数学模型的仿真

以上一段集总参数法模型仿真虽然能够满足仿真, 但其误差较大。为能够很好地满足仿真培训以及研究分析问题的要求, 分别采用二、三、四、五段模块建模法进行B-MCR工况仿真, 并将其数据与一段集总参数法模型仿真实验数据进行比较, 见表2。

表2所示的计算结果表明, 分段模型的计算结果与一段的模型精度有了较大的提高, 并随着分段数的增加, 仿真参数与设计值的误差值在减小。

经比较可知, 四段集总参数法模型仿真数据误差有明显的减小, 精度最高, 能够很好地满足仿真要求。经初步试验搭建五段集总参数法模型, 仿真后发现误差减小不明显, 但模型组态较复杂。所以此600MW锅炉三分仓回转式空预器的四段集总参数法模型仿真已能够满足仿真精度的要求。

根据本文研究结果, 对于某电厂600MW三分仓回转式空预器模型, 在保证计算精度, 又不增加模型计算量的前提下, 通过数据比较, 四段与五段模型仿真数值与精度基本一致, 由此可确定分为四段为宜。

确定采用四段模型后, 在仿真机上重新进行了四段模型的仿真调试, 共测试了四段模型在B-MCR、100%、75%、50%、30%T-MCR五个运行工况下相差仿真数据, 列于表3中。从表3可知, 四段模型在各个工况下静态仿真数据误差最大值为1.53, 均在允许的范围内, 达到仿真精度要求。

上述数据表明, 在30%~100%额定负荷工况变化过程中, 回转式空气预热器四段模型的仿真静态试验数据与额定工况设计数据相对误差在2%以内, 能满足静态仿真精度的要求, 因此通过以上定量比较表明本文所建立的回转式空气预热器的仿真数学模型是正确的。确定采用四段模型后, 各种静态工况以及所有的动态特性即故障仿真都是在组态好的四段模型下进行的。

4 冷态滑参数启动的动态仿真

图1是一次冷态滑参数启动全过程中空气预热器的几个主要参数的趋势图, 分别为空气预热器的烟气进、出口温度、一次风出口温度、二次风出口温度。如图所示, -30min至0min的时间取的是一段点火前的准备工作时的参数, 此时各个参数的值都在20℃至30℃的范围内;0min锅炉点火, 烟气、二次风温度都开始上升;由于锅炉制粉系统未投运, 因此一次风的温度始终是常温;230min左右, 负荷100MW, 第一台磨煤机开始投运, 一次风温度才从初始温度20℃上升至210℃, 此次启动时制粉系统投运时间较晚, 一般是在60MW甚至更早投运, 以节约燃油;随着机组冲转、升速、并网带负荷, 各个参数都在上升;大约360min左右, 机组带上满负荷, 四个主要参数也达到额定值并保持平稳状态, 烟气进口温度为375℃, 出口温度为130℃, 二次出口温度为341℃, 一次风出口温度为332℃。由图1可以看出, 其仿真趋势与电站锅炉实际启动的参数记录趋势基本一致。由此可得出结论, 本文采用的四段的仿真模型能够较好地反映真实空气预热器的运行状况, 达到了仿真的目的[5]。

5 结束语

本文采用图形化自动建模系统STAR-90作为仿真支撑平台, 建立了空气预热器静态数学模型, 并对某600MW锅炉三分仓回转式空气预热器进行了各段模型、各个工况的仿真, 通过对仿真结果的分析, 最终确定采用四段模型进行最终的动态仿真与以后的故障模拟。

参考文献

[1]韩璞, 刘长良, 李长青, 等.火电站仿真机原理及应用[M].天津:天津科学技术出版社, 1998.

[2]吕崇德, 任挺进, 姜学智, 等.大型火电机组系统仿真与建模[M].北京:清华大学出版社, 2000.

[3]张江红, 胡念苏.基于Simulink的电站凝结水系统仿真建模[J].电力科学工程, 2004 (2) .

[4]李长青, 刘长良.电站锅炉回转式空预器的动态数学模型[J].华北电力学院学报, 1993 (3) .

实验四 虚拟邮局仿真与分析 篇2

这是一个邮局内部信件处理系统的模拟。模拟邮局在处理各方送来的信件时内部的处理流程，由于邮局处理信件必须先将信件过滤分类，但是现实中邮件种类繁多，因此本模型仅将邮件分成国内信件与国外信件。信件到达后，依其类型给予2种不同类型(用不同颜色区分)，经由传送带到达处理器处理，此步骤主要是把信件按照其不同的类型分开来，再分别送到不同的货架上等待邮车运送出去。在此仅考虑内部分类处理部分，故外送部分在这个模型中不做讨论。

1.2系统数据

产品到达：随机产生两种类型的产品，分布呈正态分布，平均每15秒到达一个产品，标准差为2秒。

产品加工：平均加工时间1秒，分布呈正态分布，标准差为0.5秒 产品运送：使用两辆叉车，装载和卸载时间均为3秒 建立Flexsim模型 第1步：调整传送带的布局

将两条传送带各增加弯曲的一小段，并调整布局。

第2步：连接端口

第3步：给发生器指定临时实体的到达速率和到达种类

产品到达：随机产生两种类型的产品，分布呈正态分布，平均每15秒到达一个产品，标准差为2秒。

2种不同类型(用不同颜色区分)。

第4步：设置处理器处理时间及输出

产品加工：平均加工时间1秒，分布呈正态分布，标准差为0.5秒 输出：类型号为1的送第1个端口，类型号为2的送第2个端口

第5步：加入两台叉车将临时实体分别从暂存器送到货架。

注意两个步骤。

第6步：两辆叉车，装载和卸载时间均为3秒 3 模型运行 4 模型分析

ARP攻击实验仿真及防范技术分析 篇3

人们在尽情享用网络系统的同时,也面临各类安全威胁,如:隐私信息的泄露、网络个人口令信息的非法盗取、各类网络攻击的破坏等[1]。在常见的网络攻击行为中,欺骗技术应用极广,如:依靠IP地址欺骗实现的SYN洪水攻击和smurf攻击,利用ARP欺骗实现的ARP攻击。ARP攻击通过伪造ARP应答包并发送至目标主机,致使目标主机因受欺骗而导致通信内容的泄露或网络访问的受限[2]。

本文通过自主构建协议数据来呈现ARP攻击的原理,并在局域网环境下进行仿真,较为直观地呈现出该攻击的原理与方法,并据此给出防范ARP攻击的常用措施。

1 ARP攻击依赖的协议及原理分析

ARP攻击是通过向目标主机发送大量的ARP虚假信息来欺骗目标主机的,ARP虚假信息是以ARP应答包形式呈现的IP地址与ARP地址的映射关系。由于信息的海量,导致网络拥塞;又由于映射关系的不真实,导致目标主机被骗,进一步作为中间人,可非法获得双方的通信信息或实现信息的非法篡改。

由于ARP攻击是利用ARP协议实施的,使其仅可在局域网范围内传播与相互感染,所以,校园网、企业网极易遭受的网络攻击中,ARP占据较大份额。

1.1 攻击依赖的ARP协议

本文在图1给定的网络结构中介绍和分析ARP协议原理和攻击原理。主机A、B为内网主机,通过网关GW与因特网相连,主机C位于因特网中。设定各个主机及网关接口的IP及MAC信息如表1所列。

以所有主机和网络设备刚开始运行为前提,当主机向外发送信息时,先判断目的主机与自身是否为同一网段,同一网段时,直接取出目的主机的MAC地址构建数据帧并发送;不同网段时,取出网关MAC地址生成数据帧发送出去[3]。

MAC地址会记录在本地主机的ARP缓存中,若缓存中未找到记录信息,需要向本网段广播查询ARP,这一过程使用ARP协议实现。仅有匹配IP的主机回应ARP,该ARP成为响应包。询问主机收到ARP响应包后会立即更新本地ARP缓存。

1.2 ARP攻击原理分析

ARP协议一个致命缺陷是主机接收ARP响应包时,不会验证数据源的真实性,也不核查是否发送过相应的请求,这一漏洞被攻击方挖掘利用,以虚假身份发送IP地址与虚假MAC映射的ARP响应给目标主机,致使ARP攻击产生[4]。

ARP攻击的两个典型例子:因特网接入失效和中间人攻击。

(1)因特网接入失效攻击方法分析

以图1所示网络连接为例,设攻击方为主机A,攻击目标为主机B。导致主机B无法接入因特网,即无法主动与因特网主机通信,实现的关键是让主机B无法与网关GW/0接口通信。如果主机B本地的ARP缓存中,记录的网关GW/0接口的MAC错误,就可实现该要求。

如此,在攻击方主机上,产生网关GW/0接口IP和虚假MAC映射的ARP响应包,发送给主机B,主机B会更新本地ARP缓存,之后的因特网主机访问均会失效。

(2)中间人攻击方法分析

所谓中间人攻击,是指攻击方截获通信双方的数据,并进行篡改。过程示意图如图2所示。对通信数据的简单截获只能泄露,无法篡改。要篡改通信数据,必须改变数据的流向。图2所示的通信过程,B主机发往C主机的通信数据先流向攻击方A主机,再经攻击方发往C主机,另一方向通信也是这样进行的。

该过程中,攻击方需要分别对B主机和C主机进行攻击欺骗:告之B主机,自己是C主机;告之C主机,自己是B主机。在图1所示的网络环境中,B主机与C主机在两个网段,需要经过网关进行数据转发。“告之B主机,自己是C主机”应当设计为“告之B主机,自己是GW/0”,“告之C主机,自己是B主机”应当设计为“告之GW/0,自己是B主机”。

该处的设计与“断网”攻击有所区别,“告之B主机,自己是GW/0”,这样做是为了截获主机B发出的信息,应当让主机B具有GW/0接口IP与A主机MAC的映射信息,可以通过发送ARP响应包来实现。“告之GW/0,自己是B主机”,该欺骗的实现是向网关GW/0接口发送ARP响应包,包含B主机的IP与A主机的MAC。

当两个ARP响应包被海量发往相应主机时,主机A作为通信双方的中间人,可接收主机B发来的通信数据,篡改后以主机B身份转给网关接口GW/0,最终提交给主机C;来自主机C的数据,原本发往主机B,但经网关GW/0接口转发后,交给主机A,主机A进行篡改后再以网关GW/0身份发往主机B,完成了一次完整的双方数据通信,并成功实现了ARP欺骗。

2 ARP攻击实验仿真

2.1 实验仿真涉及的网络命令

在实验仿真过程中,为便于查看和操作本地ARP缓存信息,可以在命令符窗口使用arp命令,下面以三项操作为例:

(1)ARP缓存信息:>arp-a

(2)清空ARP缓存信息:>arp-d

(3)静态绑定IP与MAC映射:

>arp-s IP_address MAC_address

2.2 ARP攻击仿真

本文所述的两种攻击方式的仿真,是借助数据包发送软件(本文使用了Colasoft Packet Builder)来实现的,用户也可以自行开发ARP协议数据发送程序。

(1)因特网接入失效攻击仿真

“因特网接入失效攻击”的仿真极为简单,只需发送一条ARP欺骗数据给目标主机即可。图3以1.2部分的攻击为例,给出了攻击方A应当产生的ARP响应包的相关协议字段信息。

分析图3,为了很好的隐藏自身,主机A常以虚假身份出现,即发送数据帧的源端信息可为伪造(如:66-66-66-66-66-66),目的端信息为主机B的MAC。在ARP响应包的数据部分,将源IP与MAC映射分别写为网关GW/0的IP和虚假MAC。对虚假MAC,可以是根本不存在的值,若攻击方有意要截获目标主机的数据,可将虚假MAC写为自己的,但这样易导致身份暴露。

当目标主机B收到该ARP响应包后,会取出ARP中的源IP(192.168.1.1)和源MAC(66-66-66-66-66-66),并将该映射写入本地ARP缓存中。当该欺骗信息海量地发往目标主机,目标主机将无法再获得正确的映射信息,导致无法接入因特网。

(2)中间人攻击仿真

对于“中间人攻击”,按本文给出的表1和图1信息,以1.2部分的攻击为例,给出了攻击方A应当产生的“告之B主机,自己是GW/0”和“告之GW/0,自己是B主机”的ARP响应包,对应的协议字段信息依次见图4和图5。

主机A在发送欺骗数据前,应当先执行捕包操作,当海量欺骗数据发送出去后,主机B与主机C之间产生的通信数据可被主机A捕获,执行篡改后,以原来数据的身份发送给相应主机(目标主机信息需要修改)。

(3)仿真安全性分析

由于ARP缓存信息设有有效期,若仿真数据仅发送极少的量,仿真效果不明显。仿真期间,建议“循环发送”。另,缓存信息的有效期特点,可以保证仿真结束后,被攻击主机可以很快获得真实的映射信息,进而实现更新。该仿真过程不会对目标主机造成破坏,也不会影响原有配置的。若目标主机的ARP缓存更新不理想,或仍然延续仿真阶段的状况,可在目标主机上运行arp–d命令,以清空缓存并强制更新,但考虑到攻击仿真期间的影响,应尽量在实验室环境中进行。

3 防范ARP攻击技术分析

通过上述攻击原理分析,可以得出:防止ARP欺骗就是在有效防范ARP攻击[5,6]。

3.1 PC机防范ARP攻击常用方法

导致ARP攻击产生的主要原因是ARP协议设计上存在的漏洞,该漏洞无法避免,且系统的ARP缓存更新方法也无法直接改变。

对PC机而言,有效防范的方法包括:

(1)静态绑定关键主机的IP与MAC

可以在PC机上绑定本地网关、网段内服务器等关键主机的地址映射信息。静态绑定映射信息可通过命令arp来完成,现在主机B上执行绑定命令,如下:

>arp–s 192.168.1.1 11-11-11-11-11-11

(2)及时查看ARP缓存以发现ARP攻击

ARP攻击产生时,可通过实时监测本地ARP缓存信息的变化来及时察觉。使用arp–a可查看本地ARP缓存信息。

ARP缓存中,若网关IP映射的MAC发生变化,或者,当出现多个IP与同一个MAC相绑定时,都将预示存在ARP攻击。

(3)使用流量监测软件发现ARP攻击

ARP攻击常会发送大量欺骗响应包至目标主机,在流量监测软件上,若发现大量ARP响应数据,要提高警惕。

(4)使用专门的ARP防范软件

目前,因特网上可以免费获取众多用于防范ARP各类攻击的软件,对于个人用户而言,若不具备较为专业的计算机网络管理知识,可以借助专用软件轻松实现攻击的有效防范。

3.2 对网段有效管理以防范ARP攻击

对整个网段,为有效防范ARP攻击,应将网段关键设备“网关”加以保护,以防范ARP的“中间人攻击”等。

在网关上常用的方法包括:

(1)静态绑定

将网段合法IP与相应MAC静态绑定,可防范非授权的信息访问和中间人攻击等。静态绑定被视为是有效的防范方法,但当绑定主机更换网卡后,需要及时更新绑定信息,因而,人工管理参与较多。

(2)ARP异常流量实时监测

网关时常是ARP攻击的目标,因此,应当具有实时监测ARP异常流量的功能,以及时发现攻击源,并进行有效处理[7]。

网段内一旦有主机感染ARP,极易在局域网内传播,为有效管理网段安全,应当找出ARP攻击源头。通常,当主机被ARP攻击时,缓存地址映射中,多个IP均指向的那同一个MAC,即为攻击的源端。

(3)ARP流量限制

除本文所介绍的两种ARP攻击形式外,当大量ARP响应包(可以不含欺骗信息,但通常是人为构造出来的)发往网关时,也可因大量ARP映射信息的写入导致ARP缓存空间占满而无法再写入其他主机的映射信息,进而导致网关与主机通信失败,该攻击形式称为ARP洪水攻击。因此,可在网关上增加ARP流量限制功能,以有效防范。

(4)选用具备ARP防护技术的网络设备

在众多网络设备厂商中,不少已在相应的网络设备功能中加入了ARP防护功能,可为网络的安全管理提供有利条件。

4 小结

ARP攻击利用了ARP协议的设计漏洞,通过伪造ARP应答包并发送给目标主机,致使目标主机因受欺骗而导致通信内容的泄露或网络访问的受限等。

本文以“因特网接入失效”和“中间人攻击”两种形式,分别在给定的网络结构中,介绍和分析ARP攻击的原理。通过自主构建协议数据,结合局域网结构进行仿真,给出了ARP攻击的协议字段信息,直观呈现出攻击的实施过程,为初学者提供了实践指导。

依据ARP攻击的实施原理,罗列出PC机与网络核心设备上,各自应当采取的常用防范措施,可为企业及校园网等局域网环境下有效防范ARP攻击提供参考与帮助。

参考文献

[1]陈明奇,姜禾,张娟等.大数据时代的美国信息网络安全新战略分析[J].信息网络安全,2012.

[2]Ma H,Ding H,Yang Y,et al.Bayes-based ARP att ack detection algorithm for cloud centers[J].Tsinghua Science a nd Technology,2016.

[3]谢希仁.计算机网络[M].电子工业出版社,2008.

[4]Wei Y,Xiaoliang X.AN ARP ATTACK-RESISTAN CE IMPROVEMENT WITH PRIORITY AND AUTHEN TICATION[J].Computer Applications and Software,2014.

[5]王力,李禹生,胡乐炜.基于SNMP与Win Pcap的ARP攻击实时检测与恢复[J].科技通报,2012.

[6]姚玉开,卢翠荣,孙冠婴等.解析Windows环境中基于ARP的网络攻防技术[J].网络安全技术与应用,2014.

[7]宋若宁.海量数据环境下的网络流量异常检测的研究[D].北京邮电大学,2015.

仿真实验分析 篇4

实验报告（2）

四旋翼飞行器仿真

2012

1实验内容

基于Simulink建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制；

建立UI界面，能够输入参数并绘制运动轨迹；

基于VR

Toolbox建立3D动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹。

2实验目的通过在Matlab

环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，使掌握以下内容：

四旋翼飞行器的建模和控制方法

在Matlab下快速建立虚拟可视化环境的方法。

3实验器材

硬件：PC机。

工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。

4实验原理

4.1四旋翼飞行器

四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。

四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前，后，左，右四端，如图

所示。旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。

图1四旋翼飞行器旋转方向示意图

在图

中，前端旋翼

和后端旋翼

逆时针旋转，而左端旋翼

和右端的旋翼

顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。

由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。

4.2建模分析

四旋翼飞行器受力分析,如图

所示

图2四旋翼飞行器受力分析示意图

旋翼机体所受外力和力矩为：

重力mg,机体受到重力沿方向；

四个旋翼旋转所产生的升力

(i=

1,2,3,4)，旋翼升力沿方向；

旋翼旋转会产生扭转力矩

(i=

1,2,3,4)。垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。

力模型为：，旋翼通过螺旋桨产生升力。是电机转动力系数，可取，为电机转速。旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i=1,2,3,4)，力矩Mi的旋向依据右手定则确定。力矩模型为，其中是电机转动力系数，可取为电机转速。当给定期望转速后，电机的实际转速需要经过一段时间才能达到。实际转速与期望转速之间的关系为一阶延迟：响应延迟时间可取0.05s(即)。期望转速则需要限制在电机的最小转速和最大转速之间，范围可分取[1200rpm，7800rpm]。

飞行器受到外界力和力矩的作用，形成线运动和角运动。线运动由合外力引起，符合牛顿第二定律：

r为飞机的位置矢量。

角运动由合力矩引起。四旋翼飞行器所受力矩来源于两个方面：1）旋翼升力作用于质心产生的力矩；2）旋翼旋转产生的扭转力矩。角运动方程如下式所示。其中，L

为旋翼中心建立飞行器质心的距离，I

为惯量矩阵。

4.3控制回路设计

控制回路包括内外两层。外回路由Position

Control

模块实现。输入为位置误差，输出为期望的滚转、俯仰和偏航角。内回路由Attitude

Control

模块实现，输入为期望姿态角，输出为期望转速。Motor

Dynamics

模块模拟电机特性，输入为期望转速，输出为力和力矩。Rigid

Body

Dynamics

是被控对象，模拟四旋翼飞行器的运动特性。

图3包含内外两个控制回路的控制结构

（1）内回路：姿态控制回路

对四旋翼飞行器，我们唯一可用的控制手段就是四个旋翼的转速。因此，这里首先对转速产生的作用进行分析。假设我们希望旋翼1的转速达到，那么它的效果可分解成以下几个分量：

：使飞行器保持悬停的转速分量；

：除悬停所需之外，产生沿ZB轴的净力；

：使飞行器负向偏转的转速分量；

：使飞行器正向偏航的转速分量；

因此，可以将期望转速写成几个分量的线性组合：

其它几个旋翼也可进行类似分析，最终得到：

在悬浮状态下，四个旋翼共同的升力应抵消重力，因此：

此时，可以把旋翼角速度分成几个部分分别控制，通过“比例-微分”控制律建立如下公式：

综合以上三式可得到期望姿态角-期望转速之间的关系，即内回路。

外回路：位置控制回路

外回路采用以下控制方式：通过位置偏差计算控制信号（加速度）；建立控制信号与姿态角之间的几何关系；得到期望姿态角，作为内回路的输入。期望位置记为。可通过PID

控制器计算控制信号：

是目标悬停位置是我们的目标悬停位置(i=1,2,3)，是期望加速度，即控制信号。注意：悬停状态下线速度和加速度均为0，即。

通过俯仰角和滚转角控制飞行器在XW和YW平面上的运动，通过控制偏航角，通过控制飞行器在ZB轴上的运动。可得：

根据上式可按照以下原则进行线性化：

（1）将俯仰角、滚转角的变化作为小扰动分量，有，，（2）偏航角不变，有，其中初始偏航角，为期望偏航角（3）在悬停的稳态附近，有

根据以上原则线性化后，可得到控制信号（期望加速度）与期望姿态角之间的关系：

则内回路的输入为：

5实验步骤与结果

（1）

根据控制回路的结构建立simulink模型；

（2）

为了便于对控制回路进行参数调整，利用Matlab软件为四旋翼飞行器创建GUI参数界面；

（3）

利用Matlab的VR

Toolbox建立四旋翼飞行器的动画场景

（4）

根据系统的结构框图，搭建Simulink模块以实现模拟飞行器在指定位置的悬停。使用默认数据，此时xdes=3，ydes=4，zdes=5，开始仿真，可以得到运动轨迹x、y、z的响应函数，同时可以得到在xyz坐标中的空间运动轨迹。然后点击GUI中的VR按钮使simulink的工作空间中载入系统仿真所需的参数，把x、y、z的运动轨迹和Roll，Pitch，Yaw输入至VR中的模拟飞行器中，观察飞行器的运动轨迹和运动姿态，然后再使用一组新的参数xdes=-8，ydes=3，zdes=6进行四旋翼飞行器运动进行仿真模拟，可以看出仿真结果和动画场景相吻合。

6实验总结与心得

此次MATLAB实验综合了SIMULINK、GUI和VR场景等多个部分，对四旋翼飞行器运动进行了仿真模拟。由仿真结果可以看出，四旋翼飞行器最终位置达到了期望给定的位置，三个方向的响应曲线最终平稳，对应飞行器悬停在期望位置，达到了控制要求。

本次试验收获很多，学习到了很多知识，首先是熟悉了SIMULINK由简至繁搭建系统的过程，学习了利用VR建立虚拟模型，并在SIMULINK中连接。其次是熟悉了MATLAB

仿真实验分析 篇5

氮化镓(Ga N)基半导体是继硅单晶之后,人类目前所发现的最重要的新型光电子材料[1]随着发光二极管的问世,全球正在进行着一场新的产业革命——固体照明革命[2]。由于发光二极管是冷光源,在同样亮度下,固体照明灯耗电仅为普通白炽灯的十分之一,而寿命却是白炽灯的100多倍,同时它具有免维护﹑环保等优点。

目前氮化镓薄膜生长主要采用金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,简称MOCVD)工艺在蓝宝石(α-Al2O3)衬底基片上生长,该工艺要求衬底基片表面是超光滑﹑无损伤表面[3]。通常超光滑表面是指[4]:表面粗糙度小于1nm(RMS)的表面;无损伤表面是指[5]:加工表面不能有加工变质层,且表面晶格完整。如果衬底基片的质量稍差,会使制造出来的发光二极管发光性能低劣,甚至做不出管子来[6]。

由于蓝宝石衬底材料的脆性大﹑硬度高(是莫氏9.3级,仅次于莫氏10级的金刚石),对其进行机械加工已经十分困难,无损伤超光滑表面抛光技术更加复杂。目前为止,化学机械抛光是获得无损伤超光滑蓝宝石晶片表面的最好方法。

2 蓝宝石晶片化学机械抛光原理

蓝宝石晶片双面抛光的工作原理如图1所示。抛光垫固定在上抛光盘和下抛光盘的表面,被加工晶片放在由中心轮和内齿齿轮组成的差动轮系内。抛光压力则由气缸加压上抛光盘实现。为减少抛光时晶片所受的作用力,一般使上抛光盘和下抛光盘分别按照方向相反的角速度旋转。晶片的运动由行星轮带动,同时在上、下抛光盘抛光压力的作用下产生自转,因此晶片的运动是行星运动和自转运动的合成运动。

在蓝宝石晶片抛光过程中,主要发生如下的水解反应、酸与碱的中和反应及盐的复分解反应[7]。

化学机械抛光是一个复杂的多相反应,它存在着两个动力学过程:(1)抛光首先使吸附在抛光布上的抛光液中的化学物质与晶片表面进行化学反应,即化学反应过程。(2)抛光表面反应物脱离蓝宝石晶片表面,即解吸过程,使未反应的蓝宝石单晶重新裸露出来。

在整个化学机械抛光过程中,化学反应作用是影响蓝宝石表面的晶格完整和表面粗糙度的主要因素,而机械作用是影响表面粗糙度和平面度的主要因素。粗糙度和平面度与抛光的压力、抛光盘的运动轨迹有较大的关系,本文重点对蓝宝石晶片抛光运动状况进行分析、仿真和实验研究。

3 晶片抛光运动分析

3.1 抛光运动轨迹方程

在晶片抛光过程中,表面宏观形状的形成主要取决于工件盘和抛光盘之间的相对运动轨迹。在实际抛光过程中,我们可以简化抛光盘和工件盘为两个做相对平面运动的平面。可以用下列三个坐标系表示[8]:固结于抛光盘上的静坐标系σ;固结于抛光盘以(ωp-ωw)做匀速运动的旋转坐标系σ1;固结于工件盘中心以角速度ωa做匀速圆周运动的坐标系σ2。

先只对坐标系σ2上的运动进行分析,见图2。

工件盘上任意取一点A,A点相对于工件表面上的坐标系σ2做匀速圆周运动,其角速度为ωa,半径为r,则可得A点在σ2下的运动方程为:

根据奇次坐标变换原理,可先由σ2→σ进行平移变换,再由σ→σ1进行旋转变换,可得A点相对于抛光盘的相对运动轨迹方程如下:

(2)式中:θ为经过时间t后坐标系与之间的相对转角θ=(ωp-ωw)t;e为抛光盘中心o与工件盘中心o2之间的距离。

由双面抛光机的抛光原理分析得:抛光盘以一定的角速度(ωp)与内齿圈(ωt)以及工件盘组成一个周转轮系,运动原理如图3所示。

综合(1)式、(2)式、(3)式、(4)式,得:

(5)式中:z1为内齿圈齿数;z2为工件盘齿数;z3为抛光盘齿数;r为工件盘上任意一点到工件盘中心的距离;t为仿真运动时间。这就是A点相对于抛光盘的相对运动轨迹方程。

3.2 仿真结果及其轨迹线分析

从(5)式可以看出,影响抛光盘的相对运动轨迹的因素有:内齿轮齿数z1、工件盘齿数z2、抛光盘齿数z3、抛光盘角速度ωp、内齿轮角速度ωt。当抛光机的型号确定之后,能够调整的参数只有ωp和ωt,我们在计算机上VB语言对抛光盘的相对运动轨迹进行了计算机仿真,其结果如图4所示。

从图4的五幅图形对比中,我们可以看出:双面抛光轨迹线形状是由ωp/ωt的值决定的。当ωp/ωt值很小时,如ωp/ωt=0.074,轨迹形状如图4(a)所示,其轨迹线形状为平滑的圆弧线。轨迹线形状相对比较简单,此时轨迹容易重复,不利于抛光加工;随着ωp/ωt值的增加,如ωp/ωt=1.15时,轨迹线形状如图4(b)所示,相对于(a)图而言要复杂得多,在实际抛光过程中,希望轨迹线形状越复杂越好,轨迹不容易重复;随着ωp/ωt值的进一步增加,如ωp/ωt=12.6时,轨迹线形状又趋于简单,如图4(c)所示,也并不利于实际抛光加工过程。

可见,ωp/ωt取值的大小直接关系到双面抛光运动的轨迹线的形状。由上述5幅图比较可以得出:在其他参数不变的情况下,ωp/ωt的值不能取太小,但是也不能取太大,为了能获得最理想的抛光效果,经过仿真实验,ωp/ωt的值范围应该在0.8~1.4之间为宜。

4 晶片抛光实验分析

为了验证仿真结果,我们在YP640精密抛光机上(r=5、z1=46、z2=49、z3=144),以角速度ωp=66、ωt=60,即ωp/ωt=1.1。其他抛光条件是:以胶体Si O2为抛光液,抛光液的浓度为3%、粒子直径为7nm、p H=10时,在聚氨脂抛光布上,对蓝宝石晶片进行化学机械抛光,清洗后的晶片进行原子力显微镜(AFM)分析。

图5所示的是晶片抛光面的AFM检测结果,图5(a)是放大十万倍后的蓝宝石晶片表面三维形貌;图5(b)晶片表面微观粗糙度。可以看出:晶片表面光滑,表面粗糙度为RMS=0.462 nm。通过进一步宏观尺寸检测,平面度=4.5μm、翘曲度=2.6μm。

5 结论

在蓝宝石晶片双面抛光中,抛光盘角速度ωp、内齿轮角速度ωt之比ωp/ωt,直接关系到双面抛光运动的轨迹线的形状。ωp/ωt的值不宜太小,也不宜太大,为了能获得较理想的抛光效果,的值范围应该在0.8~1.4之间为宜。

在YP640精密抛光机上,取ωp/ωt=1.1,以胶体Si O2为抛光液,对蓝宝石晶片进行化学机械抛光,获得了晶片表面粗糙度为RMS为0.462 nm、平面度为4.5μm、翘曲度为2.6μm的超光滑蓝宝石晶片。

通过对蓝宝石晶片抛光过程的运动分析和计算机仿真,能够有效的指导蓝宝石晶片的化学机械抛光实验,优化蓝宝石晶片抛光工艺参数。

参考文献

[1]孙志君.向商用市场阔步迈进的GaN紫色和蓝色激光二极管器件[J].今日电子.2004,1:43-44.

[2]梁春广,张翼.GaN第三代半导体的曙光[J].半导体学报.2000,(2):89-99.

[3]杨力.先进光学制造技术[M].北京:科学出版社,2001.

[4]袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

[5]P.A.Mckeown,The Role of Precision Engineering in Manufacturingof the Future[J],Annals of the CIRP,2000(2):495-501.

[6]刘玉岭.超大规模集成电路衬底材料性能及加工测试技术工程.北京:电子工业出版社.2002.3

[7]王银珍,周圣明.蓝宝石衬底的化学机械抛光技术的研究.人工晶体学报.2004,33(3):441-447.

维氏压入压痕形貌仿真与实验分析 篇6

随着纳米技术的发展, 材料在微纳米尺度下的力学性能研究逐渐成为人们关注的热点。硬度作为材料多种力学特性的“显微探针”, 与材料其他力学性能, 如弹性模量、抗拉强度、剪切模量等存在一定的经验关系[1,2,3], 在对材料和工艺方法的研究中起着重要的作用[4]。通过硬度测量来检验材料、半成品和零件质量的这种方法, 在机械制造、航空航天等现代工业中得到广泛的应用。然而, 传统维氏硬度实验中需要肉眼对压痕形貌进行测量, 不可避免地会遇到因压痕不够清晰导致的压痕形貌测量困难的问题, 这在一定程度上影响了维氏硬度的测量准确性。此外, 压痕形貌的准确识别对陶瓷材料的断裂韧性仪器化压入测试也具有至关重要的作用[5,6]。

为此, 本文基于有限元数值分析模型对6061铝合金维氏压入压痕形貌进行仿真, 并与压痕实验测量结果进行比较。从而验证本文所提的有限元数值仿真方法对压痕形貌仿真识别结果的有效性, 为进一步探索基于压痕形貌识别材料弹塑性参数的可能性提供技术基础。

1 6061铝合金维氏压入有限元数值仿真

标准的四棱锥Vickers压头面角为136°, 其对材料进行的维氏压入产生的压痕形貌如图1所示, 其中d为压痕对角线半长C1O1, l为压痕中心与边沿距离A1O1。为了对维氏压入压痕形貌进行有限元数值仿真, 本文以6061铝合金为例, 应用商用有限元软件Abaqus[7]建立维氏压入三维有限元模型。为降低计算成本, 根据模型对称性可以取Vickers压头的1/8建立模型进行分析, 被压材料也定义为与压头对称性相适应的1/8模型。

对于网格划分, 靠近压头尖端的局部网格划分精细, 远离压头的区域划分较为稀疏。考虑到有限元模型主要针对压痕对角线和压痕中心与边沿距离进行计算, 特别对被压材料的压痕对角线和压痕中心与边沿区域网格进行精细划分, 如图2所示。通过网格收敛性分析和远场无关性分析, 最终确定压头划分为23 828个四面体单元, 被压材料划分为54 720个六面体单元和191 554个四面体单元。根据6061铝合金的标准单轴拉伸实验数据获得反映材料本构关系的真实应力—应变曲线, 作为有限元数值仿真的材料属性进行输入, 其中弹性模量为71 GPa, 泊松比为0.33。金刚石Vickers压头定义为弹性体, 其中弹性模量为1141 GPa, 泊松比为0.07。压头和被压材料的接触摩擦因数f分别取0、0.15、0.30、0.50。整个6061铝合金维氏压入仿真计算采用非线性大变形理论。

对于压痕对角线半长与压痕中心与边沿距离的仿真结果识别, 关键在于确定压头卸载后材料回弹完全恢复的压痕边缘有限元节点位置。本文确定压痕边缘有限元节点位置主要分为两步:第一步, 当压头以最大压入载荷Pm压入6061铝合金材料至最大压入深度hm时, 确定出此时1/8模型在AOE对称面和COE对称面上压头与材料表面的接触边缘节点a、b, 如图3所示;第二步, 当压头卸载后, 识别接触边缘节点a、b的坐标位置, 从而得到压痕对角线半长和压痕中心与边沿距离的有限元数值仿真结果。

基于上述有限元仿真方法, 对6061铝合金材料进行维氏压入压痕的有限元数值仿真, 固定压头最大压入深度hm1=5μm, 针对不同接触面摩擦因数对应的6061铝合金维氏压入压痕仿真计算值如表1所示, d1为有限元仿真的压痕对角线半长, l1为有限元仿真的压痕中心与边沿距离, σd1为有限元仿真的压痕对角线半长d1的变化范围, σl1为有限元仿真的压痕中心与边沿距离l1的变化范围。

由表1可以看出, 在有限元仿真模型中, 不同接触面摩擦因数 (f=0、0.15、0.30、0.50) 对6061铝合金压痕对角线半长d1的影响较小, 有限元仿真的压痕对角线半长d1变化范围σd1为4.556%;对压痕中心与边沿距离l1的影响较大, 有限元仿真的压痕中心与边沿距离l1变化范围σl1为8.891%。其主要原因在于:摩擦因数对压痕边缘鼓凸或沉陷有着较大影响, 而压痕边缘鼓凸或沉陷对压痕对角线半长d1测量的影响较小, 对压痕中心与边沿距离l1测量的影响比较大。

2 6061铝合金维氏压入实验

按照国际标准ISO14577[8]的要求制备6061铝合金压入标准试样块。采用自主研制的具有完全自主知识产权的“高精度宏观仪器化压入仪”[9]对6061铝合金进行维氏压入实验, 所用四棱锥Vickers压头的面角已经过标定。加载阶段的加载速率为0.5 N/s, 最大压入载荷为50 N;保载30 s;卸载阶段的卸载速率与加载速率保持一致, 为0.5 N/s。按照上述压入要求, 重复实验5次, 压痕之间保持适当距离, 避免实验结果相互干扰。利用光学显微镜, 对6061铝合金维氏压入实验获得的压痕形貌进行观测, 如图4所示。各压痕参数量取数据见表2, 其中hm2为实验材料最大压入深度的平均值, d2为压入实验真实压痕对角线半长的平均值, l2为压入实验真实压痕中心与边沿距离的平均值。

μm

3 6061铝合金维氏压入有限元仿真与实验对比

由于维氏压入过程中, 6061铝合金与金刚石压头的实际接触摩擦因数f难以确定, 本文取不同接触面摩擦因数对应的6061铝合金维氏压入有限元仿真获得的压痕形貌参数与实验真实压痕参数进行对比。维氏压头的对角线半长和深度之比为3.5, 底面边长半长与深度之比为2.475。考虑有限元模型的无量纲性和维氏压入的自相似性, 可以通过定义无量纲量对角线半长d与深度h之比δd和压痕中心与边沿距离l与深度h之比δl来反映有限元仿真压痕和实验压入压痕的一致性。其结果见表3, δd1为有限元仿真压痕对角线半长d1与最大压入深度hm1的比值, δl1为有限元仿真压痕中心与边沿距离l1与最大压入深度hm1的比值, δd2为实验真实压痕对角线半长d2与最大压入深度hm2的比值, δl2为实验真实压痕中心与边沿距离l2与最大压入深度hm2的比值。

由表3可知, 在不同接触面摩擦因数 (f=0、0.15、0.30、0.50) 情况下, 有限元仿真压痕对角线半长d1与最大压入深度hm1的比值δd1与实验真实压痕对角线半长d2与最大压入深度hm2的比值δd2的差别在0.52%~5.10%之间;有限元仿真压痕中心与边沿距离l1与最大压入深度hm1的比值δl1与实验真实压痕中心与边沿距离l2与最大压入深度hm2的比值δl2的差别在-3.62%~4.95%。当摩擦因数f从0到0.15后, δd1与δd2的差别由5.10%减小到0.99%;δl1与δl2的差别也由4.95%减小到-0.75%。而当摩擦因数f从0.15增加到0.5后, δd2与δd2的差别趋于稳定, δl1与δl2的差别又逐渐增大。而这主要在于实际压入的过程中, 金刚石压头与6061铝合金存在一定的摩擦, 并且通常认为这个摩擦因数在0.15左右。而摩擦因数对压痕边缘的鼓凸或沉陷影响较大, 因而随着摩擦因数增加, 压痕中心与边沿距离l1的测量准确性也受到了影响。因此本文认为上述有限元仿真模型中摩擦因数设置为0.15时, 仿真结果与实际维氏压入情况最为接近, 其有限元仿真压痕对角线半长d1与最大压入深度hm1的比值δd1与实验真实压痕对角线半长d2与最大压入深度hm2的比值δd2的差别为0.99%, 有限元仿真压痕中心与边沿距离l1与最大压入深度hm1的比值δl1与实验真实压痕中心与边沿距离l2与最大压入深度hm2的比值δl2的差别为-0.75%。

4 结论

本文采用有限元数值分析模型对维氏压入过程中产生的压痕形貌进行仿真。以6061铝合金为例, 对比其有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长和压痕中心与边沿距离。结果表明, 6061铝合金的有限元仿真压痕与实验测量压痕对角线半长和压痕中心与边沿距离差别分别为0.99%和-0.75%, 且随着压头与材料间的摩擦因数由0变化至0.5, 有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长和压痕中心与边沿距离差别分别变化为4.556%和8.891%。因此, 材料维氏压入压痕形貌可通过有限元数值仿真的方法获得, 从而解决了小载荷硬度测试情况下因压痕不够清晰导致的压痕形貌测量难题, 为探索基于压痕形貌识别材料弹塑性参数的可能性提供技术基础。

摘要：基于有限元数值分析模型对维氏压入过程中产生的压痕形貌进行仿真。以6061铝合金为例, 对其有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长和压痕中心与边沿距离进行对比, 结果表明, 6061铝合金的有限元仿真压痕与实验测量压痕对角线半长和压痕中心与边沿距离差别分别为0.99%和-0.75%, 且随着压头与材料间的摩擦因数由0变化至0.5, 有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长和压痕中心与边沿距离差别分别变化为4.556%和8.891%。据此可知, 材料维氏压入压痕形貌可由有限元数值仿真方法获得, 从而解决了小载荷硬度测试情况下因压痕不够清晰导致的压痕形貌测量难题, 为探索基于压痕形貌识别材料弹塑性参数的可能性提供技术基础。

关键词：维氏压入,有限元模型,压痕形貌,摩擦因数

参考文献

[1]ChungHY, WeinbergerMB, YangJM, etal.Correlationbetween hardness and elastic moduli of the ultrain-compressible transition metal diborides RuB2, OsB2, and ReB2[J].Applied Physics Letters, 2008, 92:261904.

[2]Ramamurty U, Jana S, Kawamura Y, et al.Hardness and plastic deformation in a bulk metallic glass[J].Acta Materialia, 2005, 53:705-717.

[3]Yang R, Zhang T H, Jiang P, et al.Experimental verification and theoretical analysis of the relationships between hardness, elastic modulus, and the work of indentation[J].Applied Physics Letters, 2008, 92:231906.

[4]周益春, 郑学军.材料的宏微观力学性能[M].北京:高等教育出版社, 2009:111-112.

[5]Evans A G, Charles E A.Fracture toughness determination by indentation[J].J.Am.Ceram.Soc., 1976, 59:371-376.

[6]Anstis G R, Chantikul P, Lawn B R, et al.A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness:I, direct crack measurements[J].J.Am Ceram.Soc., 1981, 64:533-538.

[7]ABAQUS Version 6.2[M].Hibbitt, Karlsson&Sorensen Inc., RI, 2001.

[8]ISO 14577-2002 Metallic Materials Instrumented Indentation Test for Hardness and Materials Parameter[S].

仿真实验分析 篇7

为此,本工作以Si３N４和ZrO２两种典型陶瓷材料为例,基于有限元数值分析模型对两种材料维氏压痕形貌进行仿真,并与压痕实验测量结果进行比较。从而验证陶瓷材料维氏压痕形貌仿真方法的有效性,解决陶瓷材料维氏硬度测试过程中因压痕不够清晰导致的测量数据不准问题,为下一步探索基于仪器化压入响应识别陶瓷材料维氏硬度以及其他各力学性能参数提供技术基础。

1 维氏压入压痕形貌仿真

标准的四棱锥Vickers压头面角为136°,其对Si３N４和ZrO２两种陶瓷材料进行的维氏压入产生的压痕形貌如图2所示。

应用商用有限元软件Abaqus［１６］建立维氏压入三维有限元模型,为降低计算成本,根据模型对称性可以取Vickers压头的八分之一建立模型进行分析(如图3所示),被压材料也定义为与压头对称性相符的八分之一模型。

对于有限元模型的网格划分,靠近压头尖端的局部网格划分精细,远离压头的区域划分较为稀疏。考虑到本工作建立的有限元模型主要针对压痕对角线进行计算,特别对被压材料的压痕对角线区域网格进行精细划分,如图4所示。通过网格收敛性分析和远场无关性分析,最终确定压头和被压材料共划分215382个四面体单元和54720个六面体单元。根据仪器化压入方法［１７，１８］获得的Si３N４和ZrO２两种陶瓷材料的弹塑性参数作为有限元数值仿真的材料属性进行输入,其中Si３N４的弹性模量E=304GPa,泊松比为v=0.2,屈服强度σｙ=7800MPa,硬化指数n=0;ZrO２的弹性模量E=228GPa,泊松比为v=0.2,屈服强度σｙ=5700MPa,硬化指数n=0。金刚石Vickers压头定义为弹性体,其中弹性模量E=1141GPa,泊松比v=0.07。压头和被压材料的接触摩擦因数分别取f=0,0.15,0.3,0.5。整个陶瓷材料维氏压入仿真计算采用非线性大变形理论。

对于压痕对角线半长的仿真结果识别,关键在于确定压头卸载、材料回弹完全恢复后的压痕边缘有限元节点位置,该位置必然为各节点连线的曲率最大点。因此,本工作确定压痕边缘有限元节点位置主要分为两步:第一步,当压头以最大压入载荷Pｍ压入陶瓷材料至最大压入深度hｍ时,确定出此时八分之一模型沿压痕对角线方向的对称面处压头与被压材料表面的接触节点A(此节点位置可由接触应力值确定),如图5所示;第二步,当压头完全卸载后,识别接触节点A的位置坐标,从而得到压痕对角线半长的有限元数值仿真结果。

基于上述有限元数值仿真方法,对两种陶瓷材料进行维氏压痕形貌的有限元数值仿真,固定压头最大压入深度hｍ=5μm,针对不同接触面摩擦因数对应的两种陶瓷材料维氏压痕对角线半长a和维氏硬度HV的仿真计算值如表1,2所示。

由表1,2可以看出,不同接触面摩擦因数(f=0,0.15,0.3,0.5)对两种陶瓷材料压痕对角线半长和维氏硬度的影响极小,其中,Si３N４和ZrO２的压痕对角线半长差别分别为0.28%和0.27%,维氏硬度差别分别为0.14%和0.21%。由此可知,本工作所采用的有限元数值仿真方法对陶瓷材料压痕对角线半长和维氏硬度的识别不受接触摩擦因数的影响,具有一定的可靠性,从而有望解决陶瓷材料维氏硬度测试过程中因压痕不够清晰导致的测量数据不准问题。

2 维氏压入实验

按照国家标准GB/T 21838.1—2008［１９］的要求委托中国建筑材料科学研究总院陶瓷科学研究院制备Si３N４和ZrO２两种陶瓷材料的压入标准试样块。其中,Si３N４和ZrO２试样均采用高纯(原料纯度≥99.9%)超细粉料通过等静压成型方法制得,其试样致密度分别大于99%和98%,密度分别为3.21g/cm３和6.02g/cm３。采用自主研制的具有完全自主知识产权的高精度宏观仪器化压入仪［２０］对两种材料进行维氏压入实验,所用四棱锥Vickers压头的面角已经过标定。加载阶段的加载速率为0.5N/s,在保证压痕形貌能够准确识别的情况下,本实验取最大压入载荷为100N;保载30s;卸载阶段的卸载速率与加载速率保持一致,为0.5N/s。按照上述压入要求,重复实验10次,压痕之间保持适当距离,避免实验结果相互干扰。利用光学显微镜,对两种陶瓷材料维氏压入实验获得的压痕形貌进行观测,各压痕参数量取数据分别见表3,4所示。

3 结果分析

由于维氏压入过程中,Si３N４和ZrO２两种陶瓷材料与金刚石压头的实际接触摩擦因数f难以确定,且考虑到前文所述摩擦因数对压痕对角线半长的影响极小,本研究取接触面摩擦因数f=0.15对应的两种陶瓷材料维氏压入有限元仿真获得的压痕对角线半长和维氏硬度与实验真实测量值进行对比,结果分别见表5,6所示。其中,a,hｍ,HV分别为有限元仿真获得的压痕对角线半长、最大压入深度和维氏硬度,a′,hｍ′,HV′分别为实验所测真实压痕对角线半长、最大压入深度和维氏硬度。

由表5,6可知,本工作所采用的有限元仿真方法识别的Si３N４和ZrO２压痕对角线半长与实验真实测量值分别相差0.39%和-0.53%,维氏硬度分别相差-2.7%和4.2%。鉴于两种材料的压痕仿真识别结果与真实测量值偏差较小,且维氏硬度偏差值与维氏硬度测量最大允许误差(±2%)［２１］相当,从而说明利用有限元数值方法对陶瓷材料压痕形貌的仿真计算具有一定的可靠性。

表7是应用本方法对其他几种典型陶瓷材料维氏压入有限元仿真计算值与实验真实测量值的对比结果。其中,Al２O３(原料纯度≥99.99%)、ZTA(原料纯度≥99.99%的25%ZrO２和75%的Al２O３)和SiC(原料纯度≥98%)由中国建筑材料科学研究总院陶瓷科学研究院提供,其密度分别为3.95,4.28,3.10g/cm３,Silica试样是由宝山钢铁股份有限公司提供的纳米压入仪用标准样品(国标编号:GSB03-2496—2008),原料纯度≥99.9%,密度为2.20g/cm３。在保证压痕形貌能够准确识别的情况下,本实验分别取Al２O３,ZTA,SiC,Silica的最大压入载荷为100,100,100,0.25N。

由表7中数据可知,Al２O３,ZTA,SiC,Silica的仿真最大压入深度hｍ分别为17.70,16.80,18.92,1.50μm时,仿真压痕对角线半长与实验真实测量值分别相差1.14%,-0.57%,-0.89%,0.41%,维氏硬度分别相差-2.24%,1.12%,1.85%,-0.86%。据此充分说明本方法对不同弹性模量、不同硬度的陶瓷材料均具有一定的有效性。

4 结论

(1)有限元数值方法对陶瓷材料压痕对角线半长和维氏硬度的识别不受接触摩擦因数的影响。随着压头与材料间的摩擦因数由0 变化至0.5,有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长差别分别为0.28%和0.27%,维氏硬度差别分别为0.14% 和0.21%。

(2)应用本方法所测材料的压痕仿真识别结果与真实测量值偏差较小。其中,Si３N４和ZrO２的有限元仿真压痕与实验测量压痕对角线半长差别分别为0.39%和-0.53%,维氏硬度差别分别为-2.7% 和4.2%。其他几种典型陶瓷材料(Al２O３,ZTA,SiC,Silica)维氏压入有限元仿真计算值与实验真实测量值进行了对比,其压痕对角线半长分别相差1.14%,-0.57%,-0.89%,0.41%,维氏硬度分别相差--22..2244%%,,11..1122%%,,11..8855%%,,--00..8866%%。。从从而而说说明明利利用用有限元数值方法对陶瓷材料压痕形貌的仿真计算具有一定的可靠性。

仿真实验分析 篇8

随着社会的快速发展, 工业生产中不仅对板带材的需求量在增加, 更对板带材的几何尺寸精度的要求更加严格[1]。厚度精度是其最重要的品质指标之一[2], 所以对板带材的厚度自动控制系统 (AGC) 的研究越发重要。本文对在变刚度压力AGC (BISRA-AGC) [3]、厚度计型AGC (GM-AGC) [4]和动态设定型AGC (DAGC) [5]三种压力AGC控制方式下的铝板带材冷轧机的AGC系统进行仿真对比, 综合考虑铝板带材冷轧机现有设施的实际情况, 对系统进行实验调试和研究, 使自动厚度控制系统的控制精度得到一定改善, 动态响应时间缩短。

1 系统组成

实验铝板带材冷轧机的AGC系统采用西门子S7-300PLC控制器, 实现冷轧机主要设备的动作控制。AGC系统的执行机构包括电液伺服阀、压下伺服液压缸、位移传感器、液压泵站等。电液伺服阀的型号为FF-102/30, 其额定压力为21 MPa, 额定流量为30L/min, 额定电流为10 mA;压下伺服液压缸外径为330mm, 活塞杆直径为160mm, 工作行程为30mm。

2 系统数学模型的建立

2.1 电液伺服阀的传递函数

设电液伺服阀的传递函数为G1 (s) , 则有:

其中:ωv为伺服阀固有频率, ωv=628rad/s;ξv为阻尼比, ξv=0.7;Ksv为伺服阀流量增益, Ksv=0.070 7m3/ (sA) 。将相关参数代入式 (1) , 得:

2.2 伺服放大器的传递函数

设伺服放大器的传递函数为G2 (s) , 则有:

其中:I为伺服放大器输出电流, I=0.01A;Us为输入电压, Us=10V。将相关参数代入式 (3) 得:

2.3 伺服阀控伺服液压缸的传递函数

设伺服阀控伺服液压缸的传递函数为G3 (s) , 在质量-弹簧-阻尼系统中, 由阀控液压缸的动态特征三大方程[6]得到其传递函数为:

其中:A为活塞有效作用面积, A=0.038 0m2;Kce为流量压力系数, Kce=8.15×10-12m5/ (Ns) ;M为冷轧机刚度值, M=1.006×109N/m;ω0为二阶环节固有频率, ω0=2 300rad/s;ξ0为阻尼比, ξ0=0.18;ψ为一阶环节转折频率, ψ=2.84rad/s。将所有数据代入式 (5) 中, 得到:

2.4 位移传感器的传递函数

设位移传感器的传递函数为G4 (s) , 则有:

其中:Uw为位移传感器输出电压, Uw=10V;Xp为位移传感器行程, Xp=5×10-2m。将相关参代入式 (7) 得:

2.5 PID控制器的传递函数

设PID调节器的传递函数为G5 (s) , 则有:

其中:Kp为比例系数, KI为积分系数。Kp和KI的值通过PID调节取得。

3 系统仿真与实验分析

3.1 系统仿真比较

根据AGC系统各元件的传递函数, 应用MAT-LAB/Simulink软件分别对BISRA-AGC, GM-AGC和DAGC模型下的系统控制过程进行仿真。图1、图2和图3分别为3种压力AGC的模拟控制模块图。

在开始仿真之前, 根据实验系统的现有情况, 设置相同的初始参数, 按照以上3种控制方式分别进行模拟仿真。仿真时间为30s, 入口厚度为10mm, 轧制力为30×104N, 通过前期调试确定PID参数Kp=70、KI=1, 铝板塑性系数Q=39.2×104N/mm。这样, 当给定铝板厚度控制系统一个阶跃信号, 得到了在BISRA-AGC控制、GM-AGC控制以及DAGC控制3种压力AGC控制模型下的系统仿真结果, 如图4所示。

由图4可以看出:在BISRA-AGC和GM-AGC模型控制下系统的动态响应时间均为0.065s左右, DAGC模型控制下系统的动态响应时间为0.045s左右;当系统趋于稳定时, 在三种压力AGC模型控制下, 仿真厚度值均在10 mm以上, 其中BISRA-AGC模型控制下的厚度正偏差约为0.6mm, GM-AGC和DAGC模型控制下的厚度正偏差约为0.25 mm。综合比较之后得出结论:DAGC模型控制下系统的仿真效果更好, 系统的动态响应时间更快, 系统更稳定。

3.2 轧制铝板的实验结果与分析

选取3块相同规格的铝板:长度为500mm, 宽度为200mm, 厚度大约为3.5mm。以2mm为间隔, 在相同的板厚波动状态下进行实验, 依次记录每块铝板的入口和出口厚度数据。设置相同的实验参数:初始辊缝值S0为2.00mm, 轧制力P0为4×105N, 轧机刚度值M为120×104N/mm, 铝板塑性系数Q为39.2×104N/mm。

分析处理在每个控制模型下测得的实验数据, 绘制出轧制3.5mm铝板的入口厚度波动曲线, 由于不同的控制模型下采用相同规格的铝板, 所以入口厚度波动曲线大致相同, 如图5所示。在BISRA-AGC、GM-AGC和DAGC三种控制模型下的铝板出口厚度波动对比曲线如图6所示。

由图6可知:在BISRA-AGC控制模型下, 铝板的出口厚度最大偏差为0.052mm;在GM-AGC控制模型下, 铝板的出口厚度最大偏差为0.043mm;在DAGC控制模型下, 铝板的出口厚度最大偏差为0.037mm。从3条曲线的波动趋势可知:DAGC控制模型下的铝板厚度波动更加趋于缓和、平稳。

4 结论

经过模拟仿真对比和实验分析得出结论:采用DAGC压力控制模型, 能够以较低的成本投入, 使得系统的动态响应时间得以提高, 系统的控制更加稳定, 控制精度大大提高, 从而有效改善冷轧机的厚度自动控制效果。

参考文献

[1]丁修堃.高精度板带钢厚度控制的理论与实践[M].北京:冶金工业出版社, 2009.

[2]王志霞, 黄庆学, 李玉贵.三种典型压力AGC的仿真研究[J].装备制造技术, 2007 (5) :21-22.

[3]E JM Geddes.Multivarable control of a high performance tandem cold rolling mill[C]//IEEE Control Conference.[s.n.]:IEEE, 1994:202-207.

[4]Luis E Zarate.Neural networks and fuzzy rules basesd control for cold rolling process via sensitivity factors[C]//27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.[s.n.]:IEEE, 2001:64-69.

[5]张进之.动态设定型变刚度厚控方法 (DAGC) 推广应用[J].冶金设备, 2007 (4) :1-5.

仿真实验分析 篇9

桥式直流PWM变流器仿真实验是对全控型器件的应用。实验电路中, 前端为不可控整流、后端为开关型逆变器, 此结构形式应用最为广泛。逆变器的控制采用PWM方式。对这个实验有所掌握的话, 对后续课程设计直流调速系统也会有很大启发。因为直流PWM-M调速系统近年来发展很快, 直流PWM-M调速系统采用全控型电力电子器件, 调制频率高, 与晶闸管直流调速系统相比动态响应速度快, 电动机转矩平稳脉动小, 有很大优越性, 因此在小功率调速系统和伺服系统中的应用越来越广泛。

2 桥式直流PWM变换电路的工作原理

本实验系统的主电路采用双极性PWM控制方式, 其中主电路由四个MOSFET (VT1 ~ VT4) 构成H桥。Ub1 ~ Ub4 分别由PWM调制电路产生后经过驱动电路放大, 再送到MOSFET相应的栅极, 用以控制MOSFET的通断。在双极性的控制方式中, VT1 和VT4 的栅极由一路信号驱动, VT2 和VT3 的栅极由另一路信号驱动, 它们成对导通。控制开关器件的通断时间可以调节输出电压的大小, 若VT1 和VT4 的导通时间大于VT2 和VT3 的导通时问, 输出电压的平均值为正, VT2 和VT3 的导通时间大于VT1 和VT4 的导通时间, 则输出电压的平均值为负, 所以可以用于直流电动机的可逆运行。

3 计算机仿真实验

(1) 桥式直流PWM变换电路仿真模型的建立。根据所要仿真的电路, 在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模型。打开SIMULINK窗口和模型浏览器, 将需要的典型环节模块提取到仿真平台上一一连接形成仿真框图。完成模块提取和组成仿真模型, 绘制桥式直流PWM变换电路的仿真模型如图1 所示:图中主电路部分不再赘述, 驱动电路由锯齿波发生器Repeating Sequence、延迟器Relay和倒向器Gain等模块组成。锯齿波与常数模块Constant给出的电压相比较, 当锯齿波信号大于比较电压信号时, 延迟模块Relay的输出为1, 触发VT2 和VT3 导通同时, 锯齿波与比较电压的差值信号在倒相后使延迟模块Relay 1 的输出为0, 使VT1 和VT4 关断;如果锯齿波信号小于比较电压信号, 则VT1 和VT4 导通, VT2 和VT3 关断, 从而实现对直流电源电压的调制, 并且VT1 、VT4 和VT2 、VT3 的工作状态是互补的。

(2) 桥式直流PWM变换电路仿真模型的参数设置。电源电压为200V, RL负载, 其中R的值为20Ω, L的值为lm H、E=50 V。较电压为0.6V时, 锯齿波周期分别为3e-4s和1e-4s, 幅值为1。。

(3) 仿真结果及分析。锯齿波周期分别为3e-4s和1e-4s, 幅值为1, 观察变流器的输出电流波形。仿真结果如图2 所示。

由图2 可以看出, 提高锯齿波的调制频率后, 如 (b) 所示, 负载电流波形的脉动显著减小。如果改变比较电压或负载, 可以观察各种不同条件下变流电路的工作情况。这个仿真结果是符合PWM调制原理的。

4 总结

通过仿真软件MATLAB /SIMULINK建立的电路动态仿真模型, 验证了模型的正确性、灵活性和直观性, 并克服了以往分析过程中系统接线复杂和改变接线困难等缺点。MATLAB / SIMULINK为电力电子系统引入了一个有效的学习和分析工具, 是学生深刻理解掌握该课程和老师生动形象教授该课程的有力工具。

参考文献

[1]梁新兰, 刘伟, 王莹.基于Matlab/Simulink的双闭环SPWM变频调速系统仿真[J].电关, 2008 (06) .

[2]李传奇.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京:电子工业出版社, 2006 (02) .

[3]张宝生, 王念春.MATLAB在电力电子教学中的应用[J].电气电子教学学报, 2004, 26 (03) :102-104.