Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Программа ориентирована на инженеров-практиков, студентов и преподавателей вузов, всех, кто сталкивается с проблемами исследования динамического поведения машин и механизмов. Механизмы описываются как системы твердых тел, шарниров и силовых элементов. Для анализа доступны практически все необходимые величины: координаты, скорости, ускорения, силы реакций в шарнирах, усилия в пружинах и т.д.

Фактически, возможности комплекса распространяются на большую часть систем, являющихся объектом применения методов теоретической и прикладной механики. С использованием этого программного комплекса решаются прямые и обратные задачи кинематики, динамики и управления. Механическая система может быть как плоской, так и пространственной. Практически отсутствуют ограничения на число тел в системе.

Для сложных механических систем с большим числом тел серьезной проблемой является не только анализ уравнений, но и их вывод и даже описание структуры объекта. Комплекс «Универсальный механизм» позволяет полностью автоматизировать эти операции, что кардинальным образом повышает производительность труда исследователя. Если объект содержит более двух десятков тел, то даже ввод традиционных данных для описания его инерционных и кинематических свойств сопряжен со значительными затратами времени. Реализованный в комплексе метод подсистем в значительной степени упрощает эту процедуру, особенно в случаях, когда анализируется техническая система, содержащая несколько типовых подсистем. Если моделируется поезд, состоящий из локомотива и двадцати одинаковых вагонов, то ввод данных необходим лишь для локомотива и одного вагона. В свою очередь, локомотив можно разделить на отдельные подсистемы, некоторые из которых будут одинаковыми. Из одинаковых подсистем следует описать лишь одну, что позволяет экономить время и избежать значительного числа ошибок.

Программный комплекс широко использует современные методы компьютерной графики как для анимационного представления движения в процессе численного решения уравнения, так и при обработке результатов. При визуальном вводе объекта отдельные его элементы помещаются в окно конструирования и переносятся в нем с помощью мыши. В «Универсальном механизме» эти возможности отсутствуют, поскольку используется параметризация большинства элементов, в том числе их размеры и положения, то есть задание соответствующих значений не в численной форме, а выражениями. Параметризация данных является мощным инструментом, позволяющим упростить процесс изменения значений величин и выполнить их оптимизацию. Вместе с тем, параметризация препятствует визуальному вводу данных.

В процессе создания комплекса авторы, с одной стороны, опирались на знание известных современных методов численного моделирования механических систем, с другой стороны, разработали ряд новых методов и алгоритмов, значительно повышающих эффективность программы практически во всех ее разделах. К основным алгоритмам, авторский приоритетна которые защищен публикациями, можно отнести следующие:

• алгоритм оптимизационного анализа систем с замкнутыми кинематическими цепями;

• обобщенные модели кинематических связей;

• метод экономичного кодирования символьных выражений уравнений движения;

• метод подсистем и алгоритмы оптимального численного решения уравнений движения большой размерности;

• эффективные модификации многошаговых методов Адамса, BDF и Парка для прямого решения дифференциально-алгебраических уравнений движения.

Разработка и реализация в «Универсальном механизме» новых алгоритмов, повышающих эффективность процесса моделирования на всех его этапах: ввод и предварительная обработка данных, синтез уравнений движения, их численное решение и последующий анализ, позволили воплотить два основных принципа, лежащих в основе идеологии комплекса. Это – принципы универсальности и многоуровневой оптимизации. Реализация первого принципа определила широту области приложения комплекса: от моделирования задач классической динамики, например динамики твердого тела, до локомотивов и автомобилей. От кинематики плоских рычажных механизмов до динамики пространственных космических ферменных конструкций, содержащих сотни тел. От колебаний груза на пружине до ре-шения прямой и обратной задач управления манипулятором робота.

«Универсальный механизм» включает в себя две программы: программу ввода данных (UM Input) и программу моделирования (UM Simulation).

2.1 Программа ввода данных «UM Input»

Программа описания объекта (UM Input) предназначена для создания, корректировки моделей, а также для возможного синтеза уравнений движения в символьной форме и их компиляции.

Основными элементами программы являются:

• основное меню команд;

• панель инструментов с кнопками, дублирующими наиболее часто используемые команды основного меню;

• набор закладок с типовыми элементами (компонентами) для визуального конструирования простых объектов;

• конструктор объектов – средство ввода и корректировки параметров моделируемых объектов.

Общий вид программы ввода данных «UM Input» показан на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Общий вид программы ввода

Программа является многозадачной, то есть позволяет одновременно открывать несколько конструкторов с разными объектами. Активным является объект, окно конструктора которого расположено поверх конструкторов остальных объектов.

2.2 Программа моделирования «UM Simulation»

Программа моделирования представляет собой отдельное приложение «UM Simulation» и подгружает уравнения движения исследуемого объекта, используя предварительно подготовленную динамическую библиотеку, или синтезирует уравнения движения в численно-итерационной форме.

Численный анализ уравнений движения включает:

• численное интегрирование уравнений движения;

• расчет равновесия и анализ линеаризованных уравнений.

У каждого исследуемого объекта есть свои характеристики. Любая характеристика объекта, называется переменной. Каждая переменная может быть рассчитана в программном комплексе «Универсальный механизм», будь то модуль вектора скорости точки, величина силы или координаты любой произвольной точки. Переменные создаются при помощи «Мастера переменных» (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Мастер переменных

Мастер переменных – инструмент, с помощью которого можно создать переменные. Созданные переменные можно перетащить, в зависимости от типа, в графическое или анимационное окно или список переменных. Основными элементами окна являются вкладки, относящиеся к различным типам переменных (координаты, кинематические переменные тел, силы реакций и так далее), а также дерево элементов объекта, соответствующее каждой вкладке. Для каждой модели в мастере переменных появляются только вкладки с элементами, которые имеются в текущей модели. Таким образом, набор вкладок мастера переменных может меняться от модели к модели.

Переменные могут иметь размерность скаляра и размерность вектора. В зависимости от этого они отображаются либо в графическом либо в анимационном окне. В процессе моделирования значения переменных выводятся в графическом окне в виде графика, или в анимационном окне в виде вектора или траектории.

3 СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ЛОКОМОТИВА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ «УНИВЕРСАЛЬНЫ МЕХАНИЗМ»

Процессы создания моделей локомотивов описаны в различных руководствах пользования программным комплексом. Но создание локомотива 2ЭС5К нигде не описано, поэтому локомотив собирается по примерам создания иных локомотивов, с учетом размеров и характеристик реального электровоза «Ермак». Общий вид модели локомотива показан на рисунке 3.1.

3.1 Основные элементы модели локомотива

Модель локомотива 2ЭС5К включает в себя следующие элементы:

• восемь подсистем «колесная пара»;

• пять графических объектов (кузов, рама тележки, пружина, гаситель и тяговый поводок);

• восемнадцать тел (два кузова и шестнадцать букс);

• шарнир, вводящий координаты кузова и шестнадцать вращательных шарниров для описания кинематических пар букса/колесная пара, сорок специальных силовых элементов типа «пружина» для моделирования пружин подвески и опоры кузова на тележки.

Рисунок 3.1 – Общий вид готовой модели локомотива

3.2 Создание нового объекта в программе «UM Input»

Запускаем программу. Создаем новый объект, нажав на соответствующую кнопку на панели инструментов или сочетанием клавиш Ctrl+N.

На рисунке 3.2 показан пример изменения имени объекта при его сохранении.

Рисунок 3.2 – Создание имени объекта

Сохранить объект можно написав вручную путь, либо выбрать каталог из выпадающего списка. При необходимости программа сама создаст все каталоги на указанном пути, включая каталог с новым названием объекта, в котором и будут размещаться все генерируемые программным комплексом файлы.

В процессе сборки объекта можно переключать режимы анимационного окна используя соответствующую кнопку на панели в верхней части анимационного окна, для того чтобы видеть в одном случае отдельный элемент, который сейчас описывается (например, кузов вместе с колесной парой и пружиной, которая их соединяет), или полный объект в другом режиме.

3.3 Добавление колесных пар к объекту.

Добавить подсистему можно выделив, «Подсистемы» в списке элементов и нажав на соответствующую кнопку на панели инструментов подсистем. Пример добавления показан на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Пример добавления колесной пары к объекту

В нашем случае переименовываем подсистему в WheelSet1, выбираем тип подсистемы – колёсная пара (рисунок 3.3, справа) и изменяем идентификатор на WS1. Колёсная пара появится в анимационном окне, а инспектор данных покажет её текущие геометрические и инерционные параметры. При необходимости здесь можно изменить полубазу колесной пары и радиус круга катания.

Далее задаем положение колёсной пары относительно экипажа. Переходим на вкладку «положение», в поле «сдвиг/х» вводим Length1 (рисунок 3.4, справа). Таким образом, идентификатор Length1 задает сдвиг колёсной пары в продольном направлении. Нажимаем клавишу Enter и вводим численное значение идентификатора Length1=3,29 м, и идентификатор появится в списке идентификаторов. Мы можем в любой момент модифицировать значения идентификаторов в списке.

На этом этапе мы можем выбрать положение начала отсчёта инерциальной системы координат: на уровне головки рельса или на уровне осей колёсных пар. В нашем случае подсистему следует сдвинуть вверх на величину радиуса круга катания (0.525 м). Для этого указываем соответствующее значение проекции Z вектора сдвига на вкладке «положение» (рисунок 3.4, справа внизу).

Рисунок 3.4 – Корректировка параметров колесной пары

3.4 Добавление необходимых элементов к объекту.

Для изменения инерционных параметров колесной пары перейдем в режим редактирования подсистемы, щелкнув на соответствующую кнопку «редактировать» (рисунок 3.4). Появится новый конструктор с полным описанием колёсной пары.

Для изменения параметров выполняем следующие действия:

• выделяем тело WSet в списке элементов (рисунок 3.5, слева);

• телу уже назначены идентификаторы: mw – масса и iwx – моменты инерции относительно осей X и Z (рисунок 3.5, посередине). В списке идентификаторов задаем значения: для mw=3650 кгм , для iwx=1000 кгм ;

• выделяем тело WSetRotat. Ему так же уже назначен идентификатор,
  iwy – момент инерции тела относительно оси Y (рисунок 3.5, справа). В списке идентификаторов задаем значение для iwy=500 кгм ;

Рисунок 3.5 – Задание инерционных параметров

колесной пары

• в верхнем правом углу открыто окно «закрыть подсистему», нажимаем кнопку принять для выхода из режима редактирования подсистемы с автоматическим сохранением внесенных изменений.

Для добавления к нашему объекту второй колесной пары можно просто скопировать созданную ранее, что мы и делаем. Изменяем имя нашей второй колесной пары на WheelSet2, идентификатор WS2, положение –Length2.

Остальные шесть колесных пар создаем аналогично. После того как все колесные пары скопированы и полностью описаны, сохраняем введенные данные.

Характеристики

Список файлов ВКР