二维金属切削过程计算机仿真
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（ee）
指导老师：ee
[摘要]早在一百多年前人们就已经开始了对金属切削过程的研究。
金属切削是机械制造行业中的一类重要的加工手段。
金由于金属切削本身具有非常复杂的机理，用传统的研究方法研究非常困难。本文应用有限元分析方法，利用材料变形的弹塑性理论及金属切削基本原理，建立工件材料的模型，借助大型商业有限元分析软件ANSYS，通过输入材料性能参数、建立有限元模型、施加约束及载荷、计算，对正交金属切削的受力情况进行了模拟。最后得出应力云图，进行切削加工中工件和刀具的受力情况分析。
属切削过程实际上是工件材料在刀具的剪切挤压作用下，首先发生弹性变形，进而发生塑性变形、产生应变硬化，最后撕裂，沿着前刀面流出形成切屑。
[关键字]:有限元分析，ANSYS，二维金属切削
Computer Simulation Of Two-dimensional
Metal-cutting Process
ee
(ee)
Tutor: ee
【Abstract】Because of the metal cutting itself has very complex mechanism, with the conventional method, research is very difficult.In this paper, finite element analysis, material deformation elastic-plastic theory and the basic principles of metal cutting, the workpiece material model, with large commercial finite element analysis software ANSYS finite element model through the input material properties, impose constraints and load , computing, simulation of orthogonal metal cutting. The conclusion that the stress cloud, the forces of machining the workpiece and tool.Metal-cutting machinery manufacturing industry, an important class of processing means.As early as one hundred years ago people have started to metal cutting process of research.Metal cutting process is actually the workpiece material under shear extrusion tool elastic deformation, and thus the occurrence of plastic deformation, resulting in strain hardening, and finally tear outflow along the rake face of the formation of the chip.
【Keywords】: finite element, analysis, ANSYS, Two-dimensional metal-cutting
目录
1 绪论 (1)
1.1研究的目的和意义 (1)
1.2有限元模拟金属切削过程的国内外现状 (2)
1.2.1 国外研究现状 (2)
1.2.2国内研究现状 (3)
1.3二维金属切削过程有限元分析的发展现状 (4)
1.3有限元研究的意义 (6)
1.4金属切削存在的技术问题 (7)
1.5 ANSYS 简介 (8)
1.6本文研究的内容 (8)
1.7本文研究路线 (9)
2 基本理论................................... 错误！未定义书签。
2.1.金属切削的相关历史................................. 错误！未定义书签。
2.2金属切削的基本理论................................. 错误！未定义书签。
2.2.1金属的晶格结构 ................................. 错误！未定义书签。
2.2.2塑性变形机理 ................................... 错误！未定义书签。
2.2.3金属切削过程的实质 ............................. 错误！未定义书签。
2.2.4金属切削一些相关知识 ........................... 错误！未定义书签。
2.3有限元的基本理论................................... 错误！未定义书签。
2.4本文中用到的有限元理论............................. 错误！未定义书签。
2.5切屑-基体分离处理.................................. 错误！未定义书签。
2.6接触分析........................................... 错误！未定义书签。
3 二维金属切削计算机模拟过程................. 错误！未定义书签。
3.1有限元模型的建立................................... 错误！未定义书签。
3.1.1设定作业名和标题 ............................... 错误！未定义书签。
3.1.2定义分析类型 ................................... 错误！未定义书签。
3.1.3定义单元类型 ................................... 错误！未定义书签。
3.1.4定义实常数 ..................................... 错误！未定义书签。
3.1.5定义刀具和工件的材料属性 ....................... 错误！未定义书签。
3.1.6建立有限元并划分网格 ........................... 错误！未定义书签。
3.1.7定义节点耦合 ................................... 错误！未定义书签。
3.2定义接触........................................... 错误！未定义书签。
3.3施加约束和载荷..................................... 错误！未定义书签。
3.4求解............................................... 错误！未定义书签。
4 结果分析................................... 错误！未定义书签。
4.1应力场分析......................................... 错误！未定义书签。
4.2应变场分析......................................... 错误！未定义书签。致谢.......................................... 错误！未定义书签。参考文献...................................... 错误！未定义书签。
1 绪论
1.1研究的目的和意义
在机械制造的研究领域中，对金属切削过程的研究一直是国内外研究的热点和难点，因为在零件的切削加工过程中，刀具的磨损及机床的受力、受热均与金属切削过程的参数有关，同时金属切削过程中的切屑形成和剪切区应力场的变化也是一个非常复杂的过程，因此金属切削过程的研究在机械制造的研究领域中占有重要的地位[1]。
金属切削的科学研究是为揭示切削过程中的物理变化本质和规律，并有效地使用这些规律，提高切削效率和改善加工表面质量。研究方法主要包括实验研究、理论分析和有限儿仿真等。由于金属切削是一个十分复杂的非线性热力藕合过程，切削过程中的各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及加工表面变质层等都以不同形式、不同程度影响加工过程，并且又相互交叉影响，利用理论分析和有限元仿真研究时必须作大量的简化假设，很难准确、全面地研究切削过程，而且，理论分析和有限儿仿真的最终结果都要依靠实验来验证。因此，到目前为止，实验仍是研究金属切削机理的土要方法，现代金属切削研究相当大程度上仍是以实验研究为基础。
但是，随着新材料、新工艺的不断涌现，利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析与研究。企业切削加下操作人员往往都是利用试错法( Trial-and-error Method)来获得经验值，既费时费力，又增加了生产成本，阻碍了切削技术的发展。同时山于实验方法本身固有的缺陷，很难得到切削过程中切削区的应变率分布、加工工件表面的温度场分布和加工工件表面的残余应力分布情况等。
计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。它使用数学物理模型，利用相关理论，对所需功率、切削力、切削温度、应变、应变率、残余应力和切屑成形进行仿真。在刀具设计、工艺选择、加工表面质量分析、可加工性估计和断屑研究中，这些计算模型一可以有效减少甚至消除反复实验次数，克服传统实验方法的费时、费力、费用昂贵等缺点，还可以从模拟结果中得出许多实验难以得到的材料力学特性和物理特性，如:加工工件和切屑的温度场分布、应力分布、应变率分布和残余应力分布等，能较好地从理论上澄清金属切削过程的难点，对实际加工也具有很大的参考价值。近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削
工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量是很有帮助的，这种数值模拟方法具有实际应用价值，并且有很大的发展空间。
1.2有限元模拟金属切削过程的国内外现状
1.2.1 国外研究现状
二十世纪七十年代初，美国伊利诺伊大学的Klameck[2]最早使用有限元模拟技术对金属切屑成形过程进行研究分析，通过实验验证了其模拟结果的正确性。Doyle等人建立了一种新的有限元分析模型一粘弹性有限元分析模型，并把前刀面和切屑之间的摩擦以及刀背面和己加工表面间的摩擦都考虑到该新模型中。到八十年代，Iwata等人利用刚塑性有限元法对金属切削过程进行了正交切削模拟分析，模拟结果得到了切屑、工件内部应力、应变的分布，由于模型中没有考虑到弹性变形，所以没有得到工件表面的残余应力.Strenkowski和Carroll[3]建立了新的切削分析模型一弹塑性有限元分析模型，采用物理准则(等效塑性应变)作为切屑分离准则。并在分析中把刀具、工件和切屑之间的摩擦关系考虑到分析模型中，模拟得到了连续切屑成形过程和内部各变量的分布云图，模拟结果表明该物理准则在金属切削模拟分析中是有效的.进入九十年代，Moon和StrenkoWSki用Eular有限元法模拟分析金属切削过程，得到了连续带状切屑成形过程。模拟得到了工件和刀具中的各种场变量分布云图(应力场、应变场和温度场分布等)。Kamvopolns使用有限元分析软件ABAQUS建立了新的金属正交切削材料模型，通过在工件和切屑上预设分离线来实现切屑分离过程.模拟结果得到了切屑和刀具之间的摩擦应力以及刀具的磨损、积屑瘤情况，用弹塑性有限元模型模拟研究了摩擦系数对切屑厚度、刀一屑接触长度和各种场变量的影响变化规律.Sasahara和Obikawa等人在没有考虑切削温度和应变速率的情况下模拟了切削加工过程，用弹塑性有限元法模拟得到已加工表面的残余应力和应变分布，通过与实验结果比较，证明其模拟分析结果是比较可靠的。Lays Olovssan等人采用任意的Lagrange-Euler方法建立了金属切削有限元模型，该方法能够有效的处理金属切削过程中的一些关键性问题，特别是对于网格畸变方面的处理。进入二十一世纪以后，随着计算机软硬件技术的飞速发展和有限元理论的日趋完善，借助计算机进行有限元模拟分析的应用范围也是越来越广泛。台湾科技大学的Zone-Ching Lin'等人使用更新的Lagrange法来处理金属切削分析过程中的大变形问题。对切削过程中的一些关键间题进行了分析和处理，把材料内部的流动应力看成是应变、应变率和温度的函数来反应真实的材料模型，并采用了几何准则和物理准则结合的判断准则来判断
切屑分离。通过数值模拟分析研究了切削过程的刀具、摩擦系数和温度等因素对已加工表面质量的影响.随后，Zone-Ching Lin等人又建立另一种新的模型一弹塑性有限元分析模型，通过模拟分析结果讨论了工件、切屑和刀具中切削力和残余应力的分布规律，并对金属切削过程中的切屑成形机理进行深入的研究。L. J. Xie等人对刀具的前、后刀面的磨损进行有限元模拟分析，并通过实验验证了模拟结果正确性。Yung-Chang Yen和Anurag Jain等基于Lagran$ian有限元模型研究了刀尖半径对切能过程中的应力、应变和温度等变量的影响，并通过实验验证了模拟分析结果的正确性。Martin Baker研究了平面正交切削模型中切屑形状，切削力与切削速度之间的关系，结果表面随着切削速度的增大，产生的切削热使材料软化，致使切削力会逐步减小;进入到高速切削时，就会产生锯齿状切屑.伊朗Amirkabir科技大学的R.Jalili Saffar等人基于Johnson-Cook原理建立了切削有限元分析模型，对切削力和刀具磨损等情况进行了深入的研究，并通过实验验证了模拟分析结果的正确性以及所建分析模型的合理性。
1.2.2国内研究现状
随着国外的有限元分析软件的引进以及国内专家学者对有限元理论和应用软件的研究，国内在金属切削理论和有限元模拟技术方面都有了快速地发展。大连理工大学吴学松、刘培德[4]在Merchant力学模型的基础上，提出了一种新的金属切削模型，并给出了刀刃前区滑移线上正应力的计算方法和切屑弯曲半径计算公式，通过实验结果证明新切削模型的正确性，为实现模拟连续切削过程提供重要的理论基础。合肥工业大学李德宝侧对金属平面正交切削过程进行了有限元模拟分析，并对加工过程中的工件表面硬化问题进行深入的研究和探讨，模拟分析得到加工表面硬化与切削速度、摩擦系数和刀具几何参数之间的关系.华南理工大学的唐春文使用Deform软件对金属切削过程进行了模拟分析，对切削过程中的切屑成形原理、材料非线性和几何非线等问题进行了深入的研究和讨论，模拟得到了切屑成形过程和切屑应力、应变分布场量图。山东大学的赵军、孟辉等人选用物理准则Cockcroft & Latham断裂准则作为切屑分离准则，使用大型通用有限元分析软件模拟和研究了锯齿状切屑成形机理，应力、应变、和温度的分布情况。唐志涛刘战强[5]等人Lxsl在有限元分析软件DEFORM--ZD中建立了Johnson-Cook切削模型，使用等效塑性应变作为切屑分离判断准则，模拟得到了工件和刀具内部各物理场量的分布情况。通过对比分析，模拟结果与试验结果较为符合。哈尔滨理工大学的盆洪民，刘献礼等人使用ABAQUS软件模拟分析了轴承钢}Cr15材料的金属切削过程。北
京航空航天大学的董兆伟、张以都等人通过对切削过程中的网格畸变重划分和切屑分离准则等关键性问题进行分析和处理，使用MSC. Marc非线性有限元分析软件对平面应变金属切削过程进行了数值模拟分析，有限元模拟分析得到了刀具进给量对工件表面残余应力影响规律。浙江大学的成群林，柯映林等人采用Johnson-Caok(JC)材料模型对AISI5I4340材料的切削加工过程中切屑形成过程进行了有限元数值模拟分析，模拟分析得到了连续切屑和不连续切屑成形过程以及刀具几何参数对切削过程中应力、应力和切削力等场变量的影响。吴加荣、徐佳奇基于ALE方法建立了切削分析模型，在通用有限元软件中模拟分析了不同的刀具进给量对切削力的影响规律，并通过试验验证了模拟结果的正确性。昆明理工大学庞新福，杜茂华侧在有限元分析软件ABAQUS中结合材料的失效准则和单元网格死亡等理论对金属切削加工进行了弹塑性有限元模拟分析，在分析模型中建立了材料的剪切失效准则后使用单元删除技术来模拟切屑分离，数值模拟分析得到的金属内部变置(应力、应变、切削力)的分布情况符合切削理论中的结论。
1.3二维金属切削过程有限元分析的发展现状
1940 年，最早研究金属切削机理的是Merchant, Piispanen, Lee and Shaffer 等人，他们建立了金属切削的剪切角模型，并确定了剪切角与前角之间的对应关系[6]。从1960 年以后, 大量的学者开始将切削过程中的摩擦、高应变率、加工硬化和切削温度对工件加工精度的影响考虑到金属切削的模型进去，这样使得对金属切削仿真计算的结果与实际的测量数据更加接近，增进人们对金属切削机理的认识[7]。
近年来，有限元方法现已成为金属切削过程模拟的主要工具，与其他传统方法相比，它大大提高了金属切削仿真结果的准确性。1980 年，Lajczok 建立了一个简化的正交切削模型，在不考虑切屑生成的条件下从实验中得到了切屑的几何形状和切削力. 1982 年,Usui, Shirakashi 为了建立稳态的正交切削模型，第一次提出了刀面角、切屑几何形状和流动应力等，并且预测了工件中应力、应变和温度的分布[8]。1984 年，Iwata 等人将工件的材料假定为刚塑性体，利用刚塑性有限元法模拟了在低切削速度、低应变率时的稳定正交切削过程。但是，由于他们没有考虑到材料的弹塑性变形，所以没有计算出工件中残余应力的大小。Strenkowski 和Carroll等人则把工件材料假定为弹塑性体，刀具和切屑的接触面为绝热面，以等效塑性应变为切屑的分离准则分析了刀具、工件和切屑中温度、应力和应变的变化[9]。他们发现切屑的分离准则临界值是随着切削深度的改变而改变的。1990 年，Strenkowski 和Moon 等人，用欧拉有限元法建立了
金属的正交切削模型，忽略了工件的弹性变形，模拟了切屑形成,得到了工件、切屑和刀具中的温度场分布。Usui等人首次将低碳钢的流动应力假设为应变、应变率和温度的函数，用有限元法模拟了连续切削中产生的积屑瘤，而且在刀具和切屑的接触面上采用库仑摩擦模型，利用正应力、摩擦应力和摩擦系数的关系模拟了整个切削过程。Hashemi 等人采用弹塑性材料的本构关系和应用临界等效塑性应变准则，模拟了金属切削的连续切屑和不连续切屑的形成过程。Komvopoulos 和Erpenbeck 通过金属切削的正交解析法并在刀-屑的接触面上应用库仑摩擦定律，得到了刀具和切屑之间的法向力和摩擦力。他们还建立了弹塑性金属切削模型，研究了刚质材料正交切削中刀具磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。
在超精密切削加工方面，有限元方法的引入也使得人们对微切削机理有了更深入的了解与认识。1987 年，Iwata 等人使用超精密切削设备和金刚石刀具切削了无氧铜( OFHC) ，测量了切削力和工件中的温度值。1989 年，Moriwaki 等人通过理论和实验分析了超精密切削中切削热对刀具和工件变形的影响，也分析了已加工表面的完整性，但是他们没有考虑工件已加工表面中的残余应力。1991年，Lucca 等人做了一系列切削实验，切削深度从0. 025mm 到15mm，他们采用无氧铜作为切削对象，研究了切屑形成，刀- 屑间的滑动，刀具对工件的耕梨作用。研究发现只有当切削深度在2 m m 以下时才应该考虑切削刃钝圆半径对耕梨力的影响作用。1993年，Moriwaki 等人利用刚- 塑性有限元方法模拟了无氧铜的微切削过程，研究了刀具与工件中温度的分布情况。近年来，台湾科技大学的Zone- Chin Lin, Ship- Peng Lo 等人研究了超精密切削过程中产生的切削热对切削力和工件变形的影响以及切削速度对切削力和残余应力的影响。通过研究发现, 在工件材料受力变形过程中，应变、应变率和温度对其材料流动应力的影响中，温度的影响是最大的。切削过程中产生的大量的切削热可以使工件中的残余应力减小、工件已加工表面变形减小。如果不考虑切削热的影响，则切削速度对工件的残余应力有较大的影响。切削速度越大，则残余应力和工件表面的变形都增大。KugWeon Kim,Woo Young Lee, Hyo- Chol Sin 等人以无氧铜作为研究对象，采用有限元方法研究了超精密切削加工过程中刀具切削刃钝圆半径对切削热、工件残余应力和切削力的影响规律。由于考虑了切削刃钝圆半径的影响，因而可以分析切削深度和切削刃钝圆半径尺寸在同一个数量级时的微量切削过程，这时就会产生尺寸效应( Size effect) ，即此时会出现径向切削力大于主切削力的情况，这一点与普通切削不同。
1.3有限元研究的意义
计算机科学的飞速发展给金属塑性成形下业的发展一与进步提供了极好的机遇，工业生产对金属塑性成形过程仿真技术的需求越米越迫切;金属塑性成形过程的仿真技术目前己成为模具CAD、CAM、CAE技术的重要核心技术之一。基于塑性有限元方法的数值模拟技术在工业生产中得到越来越广泛的应用。仿真技术不仅能够及时地描述金属塑性成形过程，给出金属的塑性流动模式、各种物理场量的分布规律、详尽的塑性变形过程的力能参数，而且还能预测塑性成型过程的缺陷，优化塑性成型过程。相比之下，其中的许多结果通过传统的近似方法是难以获得的。进入20世纪90年代后，大量的高性能超级计算机投入下程应用，带来了计算机图形处理技术的飞速发展，使得CAD、CAM、CAE技术在各类工程问题中的应用中取得了巨大的成功。尤其是计算机图形学与有限元法及成形工艺学的有机结合，开创了金属塑性成形过程仿真的新途径。所谓成形过程仿真就是:在计算机上对金属塑性过程进行实时跟踪描述，并应用计算机图形系统演示整个成形过程，从而揭示金属的流动规律、各种因素对变形行为的影响及成形过程中变形体各种力学场的分布。目前，有限元仿真已成为虚拟制造技术的核心之一，也是新产品开发短周期、高质量、低成木日标的重要手段。随着软件技术及硬件技术的发展，通用有限元软件的飞速发展，有限元方法在一切削加工模拟中得到了越来越广泛的应用，在研究金属切削工艺及切削机理等方面有着不可替代的地位。近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺和切屑成形的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量非常有帮助，有限元法在切削加工领域已经有了不可替代的地位，且将有着很好的发展前景。
有限元法应用于切削加工领域己经有三十多年的历史了，发展到今人己经取得了一系列成就，由开始的简单二维直角切削模拟分析发展到了今天的三维直角切削、斜角切削，以及二维钻削有限元模拟计算等，简单的参数设置发展到多参数设置。随着有限元技术的发展，有限儿模拟结果与实际加工情况越来越接近，误差越来越小，许多以前不能解决的问题通过有限元法得到了解决。
金属切削工艺是制造业中的关键技术，随着电子、光学、微细产品的不断发展，在生产率和加工精度方面对切削工艺提出了更高的要求，虚拟制造将是解决这一系列问题的重要手段，在虚拟制造中，基于弹性力学、塑性力学、断裂力学、摩擦学、热力学和材料学的切削过程数值模拟将是一种强有力的下具。目前，这项技术已经在学术研究上取得了一些进展，但与其它加工技术(例如金属塑性加工)相比，切削模拟还没有大量应
用到实际生产中，还需要对实际生产中影响切削加工的各个因素作进一步研究。在实际切削过程中，例如车削、磨削和钻削等，是在三维变形域内进行的。刀具和工件具有三维的几何形状，工件材料和刀具的相对移动也不总是正交的，另外，工件材料也是各向异性的，由于这些因素，切屑是在三维状态下成形的，然后获得具有三维几何形状的产品。另外有些工艺，例如钻削的模拟是小能用一维模拟来实现的，必须建立三维模型，所以为了揭示切削机理，对切削加工进行二维模拟是很必要的。目前大多切削模拟都停留在二维模拟上，随着计算机硬件性能的提高，切削的二维模拟将是今后发展的主要方向。相对于切屑的形成，对于成形工件加工质量的研究较少，今后将会成为重点的研究方向。其中包括:与工件几何尺寸和精度密切相关的残余应力和残余应变的模拟、与工件表面粗糙度有关的毛刺形成的模拟、考虑工件加工中火具的模拟等。工件切削加工中的毛刺形成和消除的模拟技术还不成熟，因为它涉及的因素较多，对成形工件的表面质量起着至关重要的作用。目前关于这方面的研究刚刚起步，还没有详细的结果，今后需要加大这方面的研究力度。切削加工是使工件不断分离出切屑的过程，目前关于切屑断裂和分离准则还不太成熟，每种分离准则都有不足的地方，形成后的切屑断裂准则也需要进一步研究，目前的模拟结果与实际情况还是有一定的差别。今后需要加深这方面的研究力度，找出一种相对完善的断裂准则。对于成形工件加工质量的研究较少，今后将成为重点的研究力一向。
1.4金属切削存在的技术问题
1.切屑一基体分离的问题。切屑一基体能否正确分离关系到切削模拟分析过程切屑的成形机理，对于目前所使用的分离判断准则有几何准则和物理准则，几何准则模型虽然简单，但是很难找到一个统一的判断值，人们在使用过程中也只能凭借实践经验来选取;物理准则与实际切削加工过程相符合，但是在有限元模拟分析时，发现刀尖到达应该分离点时该点并没有分离。
2.缺乏专用的切削有限元分析软件。目前求解金属切削问题的方法主要包括:
a.利用现有的大型有限元分析软件求解，其局限性在于受制于软件本身没有提供专门的切削分析模块，二次开发过程以及研究的内容依赖于具体的有限元软件，难度也是比较大的;
b.开发专业切削分析软件，主要问题是要建立金属切削过程的有限元分析模型，软件开发工作量很大.
1.5 ansys 简介
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件口由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如ProEngineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD 等。是现代产品设计中的高级GAE工具之一[10-12]。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域:航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等口ANSYS 软件提供的分析类型有结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等9类，软件主要包括三个部分:前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS的前处理模块主要有两部分内容:实体建模和网格划分;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的祸合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
1.6 本文研究的内容
在虚拟设计思想的指导下，将自由直角切削的切削过程(从刀具与工件刚刚接触到剪切角形成)，通过数值仿真技术，基于国际通用大型有限元软件ANSYS平台之上的，精确而生动地模拟出来。并在此基础上分析金属切削过程中剪切区的形成过程，应力和应变场的变化过程，从而得出刀具本身在切削过程中所受接触载荷的分布情况，并依此对刀具的应力分布进行研究。
具体设计任务如下:
1.在熟练掌握金属切削原理、有限元法基本理论、弹塑性变形理论、及能熟练操作ANSYS软件的前提下对整个切削过程进行理论分析。
2.在理论分析的基础上，应用ANSYS的前处理建立金属切削的有限元模型，通过控制刀具运动模拟切削过程，计算分析，完成对金属切削过程的动态数值模拟。
3.应用ANSYS后处理器提取计算结果，对切削过程中应力场和应变场的变化进行分析。
1.7本文研究路线
图1.1研究路线
2.电机选择
2.1电动机选择（倒数第三页里有东东）
2.1.1选择电动机类型
2.1.2选择电动机容量
电动机所需工作功率为：
ηw
d P P =；
工作机所需功率w P 为：
1000Fv
P w =；
传动装置的总效率为：
4321ηηηηη=；
传动滚筒 96.01=η
滚动轴承效率 96.02=η
闭式齿轮传动效率 97.03=η
联轴器效率 99.04=η
代入数值得：
8.099.097.099.096.02244321=???==ηηηηη
所需电动机功率为：
kW kW Fv P d 52.106010008.040
100001000=???
==η
d P ε略大于d P 即可。
选用同步转速1460r/min ；4级 ；型号 Y160M-4.功率为11kW
2.1.3确定电动机转速
取滚筒直径mm D 500=
min /6.125500100060r v
n w =?=π
1.分配传动比
（1）总传动比
62.116
.1251460
===w m n n i
(2)分配动装置各级传动比
取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比 03.44.101==i i
则低速级的传动比
88.203.462
.1101
12===i i i
2.1.4 电机端盖组装CAD 截图
图2.1.4电机端盖
2.2 运动和动力参数计算
2.2.1电动机轴
m
N r kW
n P T n n p p m d ?======81.689550min /146052.100
000
2.2.2高速轴
计算机仿真技术的应用与发展趋势 摘要 在制造企业产品设计和制造的过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。从发展的历程来看，仿真技术应用的领域空前的扩大，已从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）扩展到产品设计开发和销售领域。而与网络技术结合所带来的仿真的分布性、与图形和传感器技术相结合所带来的仿真的交互性、以及仿真技术应用的集成化，是仿真技术在制造业中应用的新趋势。按照仿真技术应用的对象不同，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真；面向制造工艺和装备的仿真；面向生产管理的仿真；面向企业其它环节的仿真。本文将从以上四个方面，介绍计算机仿真在制造业中的具体应用。本文最后说明了虚拟现实和拟实制造的概念，作为计算机仿真在制造业中应用的展望。 绪论 计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－
数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。 1. 制造技术的发展历程 制造业（包括机械制造、电子制造、非金属制品制造、成衣制造以及各种型材制造等部类）是国民经济的支柱产业，其生产总值一般占各国国内生产总值的 20%~55% 。在各国的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占 60% 左右。所以有的专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，各国政府都非常重视对制造业的研究。 为了改进以 T （开发周期）、 Q （产品质量）、 C （开发成本）、 S （售后服务）、 E （环境污染程度）为主要衡量指标的产品及产品开发过程，美国在 80 年代末提出了包括系统总体技术、管理技术、设计制造一体化技术、制造工艺与装备技术、支撑技术五大技术群在内的先进制造技术（ AMT ： Advanced Manufacturing
、 北京理工大学珠海学院 课程设计任务书 2010 ～2011 学年第 2学期 学生姓名：林泽佳专业班级：08自动化1班指导教师：钟秋海工作部门：信息学院一、课程设计题目 ： 《控制系统建模、分析、设计和仿真》 本课程设计共列出10个同等难度的设计题目，编号为：[0号题]、[1号题]、[2号题]、[3号题]、[4号题]、[5号题]、[6号题]、[7号题]、[8号题]、[9号题]。 学生必须选择与学号尾数相同的题目完成课程设计。例如，学号为8xxxxxxxxx2的学生必须选做[2号题]。 二、课程设计内容 （一）《控制系统建模、分析、设计和仿真》课题设计内容|
！ " [2 有波纹控制器Dy(z)和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw(z)。具体要求见（二）。 （二）《控制系统建模、分析、设计和仿真》课题设计要求及评分标准【共100分】 , 1、求被控对象传递函数G(s)的MATLAB描述。（2分） 2、求被控对象脉冲传递函数G(z)。（4分） 3、转换G(z)为零极点增益模型并按z-1形式排列。（2分） 4、确定误差脉冲传递函数Ge(z)形式,满足单位加速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际 闭环系统稳定的要求。（6分） 5、确定闭环脉冲传递函数Gc(z)形式，满足控制器Dy(z)可实现、最少拍和实际闭环系统稳 定的要求。（8分）
6、根据4、5、列写方程组，求解Gc(z)和Ge(z)中的待定系数并最终求解Gc(z)和Ge(z) 。 （12分） 7、求针对单位加速度信号输入的最少拍有波纹控制器Dy(z)并说明Dy(z)的可实现性。 （3分） ！ 8、用程序仿真方法分析加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。（7分） 9、用图形仿真方法(Simulink)分析单位加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。 （8分） 10、确定误差脉冲传递函数Ge(z)形式,满足单位速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际 闭环系统稳定的要求。（6分） 11、确定闭环脉冲传递函数Gc(z)形式，满足控制器Dw(z)可实现、无波纹、最少拍和实际 闭环系统稳定的要求。（8分） 12、根据10、11、列写方程组，求解Gc(z)和Ge(z)中的待定系数并最终求解Gc(z)和Ge(z) 。 （12分） 13、求针对单位速度信号输入的最少拍无波纹控制器Dw(z)并说明Dw(z)的可实现性。（3分） 14、用程序仿真方法分析单位速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。（7分） 15、用图形仿真方法(Simulink)分析单位速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。 & （8分） 16、根据8、9、14、15、的分析，说明有波纹和无波纹的差别和物理意义。（4分） 三、进度安排 6月13至6月14：下达课程设计任务书；复习控制理论和计算机仿真知识，收集资料、熟悉仿真工具；确定设计方案和步骤。 6月14至6月16：编程练习，程序设计；仿真调试，图形仿真参数整定；总结整理设计、 仿真结果，撰写课程设计说明书。 6月16至6月17：完成程序仿真调试和图形仿真调试；完成课程设计说明书；课程设计答 辩总结。 [ 四、基本要求
通信对抗原理仿真大作业题目 基本要求：仿真大作业分组完成，每个组3~5人，至少选择4个题目，并且在每一类中至少选择一个题目。利用MATLAB完成计算机仿真，并且撰写仿真实验报告。大作业完成情况将作为评价平时成绩的依据。 第一类：测频方法仿真 1.FFT法数字测频技术仿真。仿真模拟通信信号或者数字通信信号三种以上， 基于FFT法进行载波频率测量。画出信号的时域、频域波形，给出FFT法测量的结果。进一步在0-20dB信噪比条件给出不同信噪比下的测量曲线，分析信噪比与测量误差的关系。 2.互相关法数字测频技术仿真。仿真模拟通信信号或者数字通信信号三种以上， 基于互相关法进行载波频率测量。画出信号的时域、频域波形，给出测量结果。进一步在0-20dB信噪比条件给出不同信噪比下的测量曲线，分析信噪比与测量误差的关系。 3.相位差分法数字测频技术仿真。仿真模拟通信信号或者数字通信信号三种以 上，基于相位差分法法进行载波频率测量。画出信号的时域、频域波形，给出测量结果。进一步在0-20dB信噪比条件给出不同信噪比下的测量曲线，分析信噪比与测量误差的关系。 第二类：测向方法仿真 4.相位干涉仪测向方法仿真。仿真模拟通信信号或者数字通信信号两种以上， 基于相位干涉仪测向方法，对不同方向到达的通信信号进行测向。画出信号的时域、频域波形，给出到达方向测量结果。进一步在0-20dB信噪比条件给出不同信噪比下的测量曲线，分析信噪比、到达角与测量误差的关系。 5.到达时差测向方法仿真。仿真模拟通信信号或者数字通信信号两种以上，基 于到达时差测向方法，对不同方向到达的通信信号进行测向。画出信号的时域、频域波形，观察相关函数，给出测量结果。进一步在0-20dB信噪比条件给出不同信噪比下的测量曲线，分析信噪比、到达角与测量误差的关系。6.多普勒测向方法仿真。仿真模拟通信信号或者数字通信信号两种以上，基于 多普勒测向方法，对不同方向到达的通信信号进行测向。画出信号的时域、频域波形，给出测量结果。进一步在0-20dB信噪比条件给出不同信噪比下的测量曲线，分析信噪比、到达角与测量误差的关系。 7.沃森-瓦特测向方法仿真。仿真模拟通信信号或者数字通信信号两种以上，基 于沃森-瓦特测向方法，对不同方向到达的通信信号进行测向。画出信号的时域、频域波形，给出测量结果。进一步在0-20dB信噪比条件给出不同信噪比下的测量曲线，分析信噪比、到达角与测量误差的关系。 第三类：信号处理技术仿真 8.信号带宽和幅度测量方法仿真。仿真模拟通信信号或者数字通信信号三种以 上，基于FFT法进行信号带宽、信号相对幅度测量。画出信号的时域、频域
计算机仿真技术的发展概述及认识 摘要：随着经济的发展和社会的进步，计算机技术高速发展，使人类社会进入了信息时代，计算机作为后期新秀渗入到人们生活中的每一个领域，给人们的生活带来了前所未有的变化。作为新兴的技术，计算机技术在人类研究的各个领域起到了只管至关重要的作用，帮助人类解决了许多技术难题。在科研领域，计算机技术与仿真技术相结合，形成了计算机仿真技术，作为人们科学研究的一种新型方法，被人们应用到各个领域，用来解决人们用纯数学方法或者现实实验无法解决的问题，对科研领域技术成果的形成有着积极地促进作用。 本文在计算机仿真技术的理论思想基础上，分析了计算机仿真技术产生的基本原因，也就是人们用计算机模拟解决问题的优点所在，讨论了模拟、仿真、实验、计算机仿真之间的联系和区别，介绍了计算机仿真技术的发展历程，并查阅相关资料介绍了计算机仿真技术在不同领域的应用，分析并预测了计算机仿真的未来发展趋势。经过查阅大量数据资料并加以分析对比，这对于初步认识计算机仿真技术具有重要意义。 关键词：计算机仿真；模拟；仿真技术；发展 一、引言 计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。 二、基本概念 模拟：（Simulation）应用模型和计算机开展地理过程数值和非数值分析。不是去求系统方程的解析解，而是从系统某初始状态出发，去计算短暂时间之后接着发生的状态，再以此为初始状态不断的重复，就能展示系统的行为模式。模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。 仿真：（Emulation）利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目
中南大学 计算机仿真与建模 实验报告 题目：理发店的服务过程仿真 姓名：XXXX 班级：计科XXXX班 学号：0909XXXX 日期：2013XXXX
理发店的服务过程仿真 1 实验案例 (2) 1.1 案例：理发店系统研究 (2) 1.1.1 问题分析 (3) 1.1.2 模型假设 (3) 1.1.3 变量说明 (3) 1.1.4 模型建立 (3) 1.1.5 系统模拟 (4) 1.1.6 计算机模拟算法设计 (5) 1.1.7 计算机模拟程序 (6) 1实验案例 1.1 案例：理发店模拟 一个理发店有两位服务员A和B顾客随机地到达该理发店,每分钟有一个顾客到达和没有顾客到达的概率均是1/2 , 其中60%的顾客理发仅用5分钟,另外40%的顾客用8分钟. 试对前10分钟的情况进行仿真。 （“排队论”，“系统模拟”，“离散系统模拟”，“事件调度法”）
1.1.1 问题分析 理发店系统包含诸多随机因素，为了对其进行评判就是要研究其运行效率， 从理发店自身利益来说，要看服务员工作负荷是否合理，是否需要增加员工等考 虑。从顾客角度讲，还要看顾客的等待时间，顾客的等待队长，如等待时间过长 或者等待的人过多，则顾客会离开。理发店系统是一个典型的排队系统，可以用 排队论有关知识来研究。 1.1.2 模型假设 1． 60％的顾客只需剪发，40％的顾客既要剪发，又要洗发； 2． 每个服务员剪发需要的时间均为5分钟，既剪发又洗发则花8分钟； 3． 顾客的到达间隔时间服从指数分布； 4． 服务中服务员不休息。 1.1.3 变量说明 u ：剪发时间（单位：分钟），u=5m ； v: 既剪发又理发花的时间（单位：分钟），v=8m ； T ： 顾客到达的间隔时间，是随机变量，服从参数为λ的指数分布，（单位： 分钟） T 0：顾客到达的平均间隔时间（单位：秒），T 0＝λ 1； 1.1.4 模型建立 由于该系统包含诸多随机因素，很难给出解析的结果，因此可以借助计算机 模拟对该系统进行模拟。 考虑一般理发店的工作模式，一般是上午9：00开始营业，晚上10：00左 右结束，且一般是连续工作的，因此一般营业时间为13小时左右。 这里以每天运行12小时为例，进行模拟。 这里假定顾客到达的平均间隔时间T 0服从均值3分钟的指数分布， 则有 3小时到达人数约为603 603=?人， 6小时到达人数约为1203 606=?人， 10小时到达人数约为2003 6010=?人， 这里模拟顾客到达数为60人的情况。 （如何选择模拟的总人数或模拟总时间）
4．机电系统动态性能的计算机仿真 4．1 概述 机电系统计算机仿真是目前对复杂机电系统进行分析的重要手段与方法。在进行机电系统分析综合与设计工作过程中，除了需要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研究。系统性能指标与参数是否达到预期的要求？它的经济性能如何？这些都需要在系统设计中给出明确的结论。对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验，然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产实际中去的，因此就必须对其进行模拟实验研究。当然在有些情况下可以构造一套物理模拟装置来进行实验，但这种方法十分费时而且费用又高，而在有的情况下物理模拟几乎是不可能的。近年来随着计算机的迅速发展，采用计算机对机电系统进行数学仿真的方法已被人们采纳。所谓机电系统计算机仿真就是以机电系统的数学模型为基础，借助计算机对机电系统的动静态过程进行实验研究。这里讲的机电系统计算机仿真是指借助数字计算机实现对机电系统的仿真分析。这种实验研究的特点是：将实际系统的运动规律用数学表达式加以描述，它通常是一组常微分方程或差分方程，然后利用计算机来求解这一数学模型，以达到对系统进行分析研究的目的。 对机电系统进行计算机仿真的基本过程包括：首先建立系统的数学模型，因为数学模型是系统仿真的基本依据，所以数学模型极为重要。然后根据系统的数学模型建立相应的仿真模型，一般需要通过一定的算法或数值积分方法对原系统的数学模型进行离散化处理，从而建立起相应的仿真模型，这是进行机电系统仿真分析的关键步骤；最后根据系统的仿真模型编制相应的仿真程序，在计算机上进行仿真实验研究并对仿真结果加以分析。 机电系统计算机仿真的应用与发展已经过了近40年的历程，进入20世纪80
《信息系统仿真课程设计》 课程设计报告 题目信息系统课程设计仿真 院（系）: 信息科学与技术工程学院 专业班级：通信工程1003 学生姓名： 学号: 指导教师：吴莉朱忠敏 2012年1 月14 日至2012年1 月25 日 华朴中科技大学武昌分校制 信息系统仿真课程设计任务书
20 年月日 目录 摘要 (5)
一、Simulink 仿真设计 (6) 1.1 低通抽样定理 (6) 1.2 抽样量化编码 (9) 二、MATLA仿真设计 (12) 2.1 、自编程序实现动态卷积 (12) 2.1.1 编程分析 (12) 2.1.2 自编matlab 程序： (13) 2.1.3 仿真图形 (13) 2.1.4 仿真结果分析 (15) 2.2 用双线性变换法设计IIR 数字滤波器 (15) 2.2.1 双线性变换法的基本知识 (15) 2.2.2 采用双线性变换法设计一个巴特沃斯数字低通滤波器 (16) 2.2.3 自编matlab 程序 (16) 2.2.4 仿真波形 (17) 2.2.5 仿真结果分析 (17) 三、总结 (19) 四、参考文献 (19) 五、课程设计成绩 (20) 摘要 Matlab 是一种广泛应用于工程设计及数值分析领域的高级仿真平台。它功能
强大、简单易学、编程效率高，目前已发展成为由MATLAB 语言、MATLAB 工作环境、MATLAB 图形处理系统、MATLAB 数学函数库和MATLAB 应用程序接口五大部分组成的集数值计算、图形处理、程序开发为一体的功能强大的系统。本次课程设计主要包括MATLAB 和SIMULINKL 两个部分。首先利用SIMULINKL 实现了连续信号的采样及重构，通过改变抽样频率来实现过采样、等采样、欠采样三种情况来验证低通抽样定理，绘出原始信号、采样信号、重构信号的时域波形图。然后利用SIMULINKL 实现抽样量化编码，首先用一连续信号通过一个抽样量化编码器按照A 律13折线进量化行，观察其产生的量化误差，其次利用折线近似的PCM 编码器对一连续信号进行编码。最后利用MATLAB 进行仿真设计，通过编程，在编程环境中对程序进行调试，实现动态卷积以及双线性变换法设计IIR 数字滤波器。 本次课程设计加深理解和巩固通信原理、数字信号处理课上所学的有关基本概念、基本理论和基本方法，并锻炼分析问题和解决问题的能力。
Mersenne Twister随机数发生器及随机性测试 一、实验目的 用MATLAB实现Mersenne Twister随机数发生器,并对其随机性进行测试。二、实验原理 伪随机数的产生，首先是选取种子，然后是在此种子基础上根据具体的生成算法计算得到一个伪随机数，然后利用此伪随机数再根据生成算法递归计算出下二个伪随机数，直到将所有不重复出现的伪随机数全部计算出来。这个伪随机数序列就是以后要用到的伪随机数序列。上面的计算过程可以一次性计算完毕，也可以使用一次递归计算一次，每次生成的伪随机数就是这个伪随机数序列中的一个，不过不管怎么样，只要确定了种子，确定了生成算法，这个序列就是确定的了。所谓种子，就是一个对伪随机数计算的初始值。 Mersenne Twister算法是一种随机数产生方法，它是移位寄存器法的变种。该算法的原理：Mersenne Twister算法是利用线性反馈移位寄存器(LFSR)产生随机数的，LFSR的反馈函数是寄存器中某些位的简单异或，这些位也称之为抽头序列。一个n位的LFSR能够在重复之前产生2^n-1位长的伪随机序列。只有具有一定抽头序列的LFSR才能通过所有2^n-1个内部状态，产生2^n - 1位长的伪随机序列，这个输出的序列就称之为m序列。为了使LFSR成为最大周期的LFSR，由抽头序列加上常数1形成的多项式必须是本原多项式。一个n阶本原多项式是不可约多项式，它能整除x^(2*n-1)+1而不能整除x^d+1，其中d能整除2^n-1。例如(32,7,5,3,2,1,0)是指本原多项式x^32+x^7+x^5+x^3+x^2+x+1，把它转化为最大周期LFSR就是在LFSR小邓第32，7，5，2，1位抽头。利用上述两种方法产生周期为m的伪随机序列后，只需要将产生的伪随机序列除以序列的周期，就可以得到(0，1)上均匀分布的伪随机序列了。 伪代码如下： // 建立624位随机序列数组 int[0..623] MT int index = 0 //初始化随机序列数组 function initializeGenerator(int seed) { MT[0] := seed for i from 1 to 623 { MT[i] := last 32 bits of(1812433253 * (MT[i-1] xor(right shift by 30 bits(MT[i-1]))) + i) // 0x6c078965 } }
电路计算机仿真分析 实验报告
实验一直流电路工作点分析和直流扫描分析 一、实验目的 1、学习使用Pspice软件，熟悉它的工作流程，即绘制电路图、元件类别的选择及其参数的赋值、分析类型的建立及其参数的设置、Probe窗口的设置和分析的运行过程等。 2、学习使用Pspice进行直流工作点分析和直流扫描分析的操作步骤。 二、原理与说明 对于电阻电路，可以用直观法（支路电流法、节点电压法、回路电流法）列写电路方程，求解电路中各个电压和电流。PSPICE软件是采用节点电压法对电路进行分析的。 使用PSPICE软件进行电路的计算机辅助分析时，首先在capture环境下编辑电路，用PSPICE 的元件符号库绘制电路图并进行编辑、存盘。然后调用分析模块、选择分析类型，就可以“自 动”进行电路分析了。需要强调的是，PSPICE软件是采用节点电压法“自动”列写节点电 压方程的，因此，在绘制电路图时，一定要有参考节点（即接地点）。此外，一个元件为一 条“支路”（branch）,要注意支路（也就是元件）的参考方向。对于二端元件的参考方向定 义为正端子指向负端子。 三、示例实验 应用PSPICE求解图1-1所示电路个节点电压和各支路电流。 图1-1 直流电路分析电路图
4.000V R2 1 2.000A 0V Idc2 4Adc 4.000A 6.000V R1 1 4.000A Idc1 2Adc 2.000A R3 3 2.000A 图1-2 仿真结果 四、选做实验 1、实验电路图 （1）直流工作点分析，即求各节点电压和各元件电压和电流。 （2）直流扫描分析，即当电压源Us1的电压在0-12V之间变化时，求负载电阻R L中电流I RL随电压源Us1的变化曲线。 R4 3 Is3 2Adc 0Vs2 10Vdc RL 1 Is1 1Adc Is2 1Adc R1 4 I Is5 3Adc R2 2 12Vdc IPRINT Vs3 5Vdc Vs4 7Vdc 图1-3 选做实验电路图 2、仿真结果
实验七 基于Simulink 的简单电力系统仿真实验 一． 实验目的 1) 熟悉Simulink 的工作环境及SimPowerSystems 功能模块库； 2) 掌握Simulink 的的powergui 模块的应用； 3) 掌握发电机的工作原理及稳态电力系统的计算方法； 4）掌握开关电源的工作原理及其工作特点； 5）掌握PID 控制对系统输出特性的影响。 二．实验内容与要求 单机无穷大电力系统如图7-1所示。平衡节点电压0 44030 V V =∠? 。负荷功率10L P kW =。线路参数：电阻1l R =Ω；电感0.01l L H =。发电机额定参数：额定功率100n P kW =；额定电压440 3 n V V =；额定励磁电流 70 fn i A =；额定频率50n f Hz =。发电机定子侧参数：0.26s R =Ω， 1 1.14 L mH =，13.7 md L mH =，11 mq L mH =。发电机转子侧参数：0.13f R =Ω，1 2.1 fd L mH =。发电机阻尼绕组参数：0.0224kd R =Ω， 1 1.4 kd L mH =，10.02kq R =Ω，11 1 kq L mH =。发电机转动惯量和极对数分别 为224.9 J kgm =和2p =。发电机输出功率050 e P kW =时，系统运行达到稳态状态。在发电机输出电磁功率分别为170 e P kW =和2100 e P kW =时，分析发电机、平衡节点电源和负载的电流、电磁功率变化曲线，以及发电机转速和功率角的变化曲线。
G 发电机节点 V 负 荷 l R l L L P 图 7.1 单机无穷大系统结构图 输电线路 三．实验步骤 1. 建立系统仿真模型 同步电机模块有2个输入端子、1个输出端子和3个电气连接端子。模块的第1个输入端子（Pm）为电机的机械功率。当机械功率为正时，表示同步电机运行方式为发电机模式；当机械功率为负时，表示同步电机运行方式为电动机模式。在发电机模式下，输入可以是一个正的常数，也可以是一个函数或者是原动机模块的输出；在电动机模式下，输入通常是一个负的常数或者是函数。模块的第2个输入端子（Vf）是励磁电压，在发电机模式下可以由励磁模块提供，在电动机模式下为一个常数。 在Simulink仿真环境中打开Simulink库，找出相应的单元部件模型，构造仿真模型，三相电压源幅值为4403，频率为50Hz。按图连接好线路，设置参数，建立其仿真模型，仿真时间为5s，仿真方法为ode23tb，并对各个单元部件模型的参数进行修改，如图所示。
《计算机仿真及应用》课程设计报告书 学号：08057102，08057127 班级：自动化081 姓名陈婷，万嘉
目录 一、设计思想 二、设计步骤 三、调试过程 四、结果分析 五、心得体会 六、参考文献
选题一、 考虑如下图所示的电机拖动控制系统模型，该系统有双输入，给定输入)(t R 和负载输入)(t M 。 1、 编制MATLAB 程序推导出该系统的传递函数矩阵。 2、 若常系数增益为：C 1＝Ka ＝Km ＝1，Kr ＝3，C2＝0.8，Kb ＝1.5，时间常数T 1＝5， T 2＝0.5，绘制该系统的根轨迹、求出闭环零极点，分析系统的稳定性。若)(t R 和)(t M 分别为单位阶跃输入，绘制出该系统的阶跃响应图。（要求C 1，Ka ，Km ，Kr ，C2，Kb ， T 1，T 2所有参数都是可调的） 一．设计思想 题目分析： 系统为双输入单输出系统，采用分开计算，再叠加。 要求参数均为可调，而matlb 中不能计算未赋值的函数，那么我们可以把参数设置为可输入变量，运行期间根据要求赋值。 设计思路： 使用append 命令连接系统框图。 选择‘参数=input('inputanumber:')’实现参数可调。 采用的方案： 将结构框图每条支路稍作简化，建立各条支路连接关系构造函数，运行得出相应的传递函数。 在得出传递函数的基础上，使用相应的指令求出系统闭环零极点、画出其根轨迹。 通过判断极点是否在左半平面来编程判断其系统是否稳定。 二．设计步骤 （1）将各模块的通路排序编号
（2）使用append命令实现各模块未连接的系统矩阵 （3）指定连接关系 （4）使用connect命令构造整个系统的模型 三．调试过程 出现问题分析及解决办法： 在调试过程出现很多平时不注意且不易寻找的问题，例如输入的逗号和分号在系统运行时不支持中文格式，这时需要将其全部换成英文格式，此类的程序错误需要细心。 在实现参数可调时初始是将其设为常量，再将其赋值进行系统运行，这样参数可调性差，后用‘参数=input('inputanumber:')’实现。 最后是在建立通路连接关系时需要细心。 四．结果分析 源代码： Syms C1 C2 Ka Kr Km Kb T1 T2 C1=input('inputanumber:') C2=input('inputanumber:') Ka=input('inputanumber:') Kr=input('inputanumber:') Km=input('inputanumber:') Kb=input('inputanumber:') T1=input('inputanumber:') T2=input('inputanumber:') G1=tf(C1,[0 1]); G2=tf(Ka*Kr,[0 1]); G3=tf(Km,[T1 1]); G4=tf(1,[T2 1]); G5=tf(1,[1 0]); G6=tf(-C2,1); G7=tf(-Kb,1); G8=tf(-1,1); Sys=append(G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7,G8) Q=[1 0 0;2 1 6;3 2 7;4 3 8;5 4 0;6 5 0;7 4 0;8 0 0;]; INPUTS1=1; OUTPUTS=5; Ga=connect(Sys,Q,INPUTS1,OUTPUTS) INPUTS2=8; OUTPUTS=5; Gb=connect(Sys,Q,INPUTS2,OUTPUTS) rlocus(Ga)
《控制系统数字仿真》课程 大作业 姓名： 学号： 班级： 日期： 同组人员：
目录 一、引言 (2) 二、设计方法 (2) 1、系统数学模型 (2) 2、系统性能指标 (4) 2.1 绘制系统阶跃响应曲线、根轨迹图、频率特性 (4) 2.2 稳定性分析 (6) 2.3 性能指标分析 (6) 3、控制器设计 (6) 三、深入探讨 (9) 1、比例-微分控制器(PD) (9) 2、比例-积分控制（PI） (12) 3、比例-微分-积分控制器（PID） (14) 四、设计总结 (17) 五、心得体会 (18) 六、参考文献 (18)
一、引言 MATLAB语言是当今国际控制界最为流行的控制系统计算机辅助设计语言，它的出现为控制系统的计算机辅助分析和设计带来了全新的手段。其中图形交互式的模型输入计算机仿真环境SIMULINK，为MATLAB应用的进一步推广起到了积极的推动作用。现在，MATLAB语言已经风靡全世界，成为控制系统CAD领域最普及、也是最受欢迎的软件环境。 随着计算机技术的发展和应用，自动控制理论和技术在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中的应用也愈来愈深入广泛。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已发展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会领域中，成为现代社会生活中不可或缺的一部分。随着时代进步和人们生活水平的提高，在人类探知未来，认识和改造自然，建设高度文明和发达社会的活动中，控制理论和技术必将进一步发挥更加重要的作用。作为一个自动化专业的学生，了解和掌握自动控制的有关知识是十分必要的。 利用MATLAB软件及其SIMULINK仿真工具来实现对自动控制系统建模、分析与设计、仿真，能够直观、快速地分析系统的动态性能和稳态性能，并且能够灵活的改变系统的结构和参数，通过快速、直观的仿真达到系统的优化设计，以满足特定的设计指标。 二、设计方法 1、系统数学模型 美国卡耐尔基-梅隆大学机器人研究所开发研制了一套用于星际探索的系统，其目标机器人是一个六足步行机器人，如图(a)所示。该机器人单足控制系统结构图如图(b)所示。 要求： （1）建立系统数学模型； （2）绘制系统阶跃响应曲线、根轨迹图、频率特性； （3）分析系统的稳定性，及性能指标； （4）设计控制器Gc(s)，使系统指标满足：ts<10s,ess=0,，超调量小于5%。
计算机仿真实验报告 专业：电气工程及其自动化班级：09电牵一班学号：22 姓名：饶坚指导老师：叶满园实验日期：2012年4月30日 一、实验名称 三相桥式SPWM逆变电路仿真 二、目的及要求 1.了解并掌握三相逆变电路的工作原理； 2.进一步熟悉MA TLAB中对Simulink的使用及构建模块； 3.掌握SPWM原理及构建调制电路模块； 4.复习在Figure中显示图形的程序编写和对图形的修改。 三、实验原理与步骤、电路图 1、实验原理图
2、电路原理（采用双极性控制方式） U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波Uc，三相的调制信号Uru、Urv和Urw依次相差120°。 电路工作过程（U相为例）：当Uru>Uc时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压Uun’=Ud/2。当Uru 对电路模型进行封装如下图示： 其中Subsystem1为主电路，Subsystem2为负载，Subsystem3为检测电路，Subsystem4为输入信号，Subsystem5为调制电路，Scope 为示波器，Repeating Sequence为三角载波。 各子系统电路分别如下所示： Subsystem1 Subsystem2 Subsystem3 《电力电子系统的计算机仿真》题目：方波逆变电路的计算机仿真 电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。 我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。 【关键字】电力电子，MATLAB，仿真。 第一章电力电子与MATLAB软件的介绍 一、电力电子概况 二、MATLAB软件介绍 第二章电力电子器件介绍 一、电力二极管特性介绍 二、晶闸管特性介绍 三、IGBT特性介绍 第三章主电路工作原理 一、单相桥式逆变电路 二、三相桥式逆变电路 三、PWM控制基本原理 第四章仿真模型的建立 一、单极性SPWM触发脉冲波形的产生 二、双极性SPWM触发脉冲波形的产生 三、单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路 四、双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路第五章仿真结果分析 第六章心得体会 第七章参考文献 为系统的仿真提供了极大便利。在Simulink平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在Simulink平台上仿真模型的可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量M函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。现在的MATLAB都同时捆绑了Simulink，Simulink的版本也在不断地升级，从1993年的MATLAB4.0／Simulink1.0版到2001年的MATLAB6.1／Simulink4.1版2002年即推出了MATLAB6.5／Simulink5.0版。MATLAB已经不再是单纯的"矩阵实验室"了，它已经成为一个高级计算和仿真平台。 Simulink原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)系统的仿真，也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人Simulink中，形成了模块库。Simulink的模块库实际上就是用MATLAB基本语句编写的子程序集。现在Simulink模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了Simulink最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱(DSP Blocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏览器(Simulink Library Browser)的目录，就可以看到这些模块。 Simulink创建模型、仿真的过程方法介绍如下： 1、Simulink建模 一个典型的Simulink模型由信号源模块、被模拟的系统模块和输出显示 模块三个类型模块构成。其基本特点有： 通信原理大作业 1、说明 在通信原理课程中，介绍了通信系统的基本理论，主要包括信道、基带传输、调制 / 解调方法等。为了进一步提高和改善学生对课程基本内容的掌握，进行课程作业方法的改革的试点，设立计算机仿真大作业。成绩将计入平时成绩。 2、要求 参加的同学3~5人一组，选择1?2个题目，协作和共同完成计算机编程和仿真，写出计算机仿真报告。推荐的计算机仿真环境为MATLAB也可以 选择其它环境。 3、大作业选题 (1) 信道噪声特性仿真产生信道高斯白噪声，设计信道带通滤波器对高斯白噪 声进行滤波， 得到窄带高斯噪声。对信道带通滤波器的输入输出的噪声的时域、频域特性进行统计和分析，画出其时域和频域的图形。 (2) 基带传输特性仿真利用理想低通滤波器作为信道，产生基带信号，仿真验证奈氏第一准则的给出的关系。改变低通滤波器的特性，再次进行仿真，验证存在码间干扰时的基带系统输出，画出眼图进行观察。加入信道噪声后再观 察眼图。 (3) 2ASK言号传输仿真 按照2ASK产生模型和解调模型分别产生2ASK言号和高斯白噪声，经过信道传 输后进行解调。对调制解调过程中的波形进行时域和频域观察，并且对解调结果进行误码率测量。2ASK信号的解调可以选用包络解调或者相干解调法。(4) 2FSK信号传输仿真 按照2FSK产生模型和解调模型分别产生2FSK信号和高斯白噪声，经过信道传输后进行解调。对调制解调过程中的波形进行时域和频域观察，并且对解调结果进行误码率测量。2FSK信号的解调可以选用包络解调或者相干解调法。(5) 2PSK信号传输仿真 按照2PSK产生模型和解调模型分别产生2PSK言号和高斯白噪声，经过信道传输后进行解调。对调制解调过程中的波形进行时域和频域观察，并且对解调结果进行误码率测量。2PSK信号的解调选用相干解调法。 ⑹2DPSK言号传输仿真 按照2DPSK产生模型和解调模型分别产生2DPSK言号和高斯白噪声，经过信道传输后进行解调。对调制解调过程中的波形进行时域和频域观察，并且对解调结果进行误码率测量。2DPSK信号的解调可以选用非相干解调或者相干解调法。 (7) 模拟信号的数字传输 产生模拟语音信号，进行PCM编码过程的计算机仿真。仿真发送端采样、 量化编码的过程、仿真接收端恢复语音信号的过程。按照有或者无信道噪 声两种情况分别进行仿真。 、数值计算，编程完成以下各题(共20分，每小题5 分) 1、脉冲宽度为d，周期为T的矩形脉冲的傅里叶级数如下式描述: d［i.^= sin(^d/T)cos(^：n.) T n」n rd /T 当n =150，d..「T =1；4，- 1/2 ：：：.：：： 1/2，绘制出函数f(.)的图形。 解： syms n t; f=((si n(n *pi/4))/( n*pi/4))*cos(2*pi* n*t); s=symsum(f, n,1,150); y=(1+2*s)/4; x=-0.5:0.01:0.5; Y=subs(y,'t',x); plot(x,Y) 2 0 05x2 5 ■ 5 2、画出函数f (x)二(sin 5x) e .- 5x cos1.5x 1.5x 5.5 x 在区间［3, 5］的图形，求出该函数在区间［3, 5］中的最小值点X min和函数的最小值f min . 解：程序如下 x=3:0.05:5; y=(si n(5*x).A2).*exp(0.05*x.A2)-5*(x.A5).*cos(1.5*x)+1.5*abs(x+5.5)+x.A2.5; mix_where=fi nd(y==mi n(y)); xmin=x(mix_where); hold on; plot(x,y); plot(xmi n,min (y),'go','li newidth',5); str=strcat('(' ,nu m2str(xmi n),',' ,nu m2str(mi n(y)),')'); text(xmi n,min (y),str); Ylabel('f(x)') 经过运行后得到的图像截图如下： 运行后的最小值点X min =4.6 , f m in = -8337.8625 3、画出函数f (x) = cos2x「e^'x — 2.5 X在口，3]区间的图形, 解该非线 并用编程求性方程 f (x) = 0的一个根，设初始点为X o = 2 . 解： x=1:0.02:3; x0=2; y=@(x)(cos(x).A2).*exp(-0.3*x)-2.5*abs(x); fplot(y,[1,3]); Xlabel('x') Ylabel('f(x)') X仁fzero('(cos(x).A2).*exp(-0.3*x)-2.5*abs(x)',x0) 运行后求得该方程的一个根为z=0.3256 。 4、已知非线性方程组如下，编程求方程组的解，设初始点为[1 0.5 -1]. 山东工商学院计算机仿真及应用实验报告 实验七 MATLAB的基本应用(二)及Simulink仿真 （验证性实验） 学院： 专业班级： 实验时间： 学号： 姓名： 一、实验目的 1、掌握连续信号的仿真和傅里叶分析方法 2、掌握连续系统的分析方法（时域分析法，拉氏变换法和傅里叶分析法）； 3、掌握离散信号的仿真和分析运算方法 4、掌握离散系统的分析方法（时域分析法）； 5、掌握符号运算方法； 6、掌握Simulink仿真工具； 二、实验原理 1、连续信号的仿真和分析法，参考教材第6.1节，重点： 单位冲激信号的仿真方法；单位阶跃信号的仿真方法；复指数信号的仿真方法 2、连续系统的分析方法，参考教材第6.1节，重点： 例6.2，LTI系统的零输入响应的求解方法； 例6.3，LTI系统的冲激响应的求解方法 例6.5，LTI系统的零状态响应的求解方法 例6.6，系统中有重极点时的计算 3、系统的频域分析方法，参考教材第6.2节，重点： 例6.7，方波分解为多次正弦波之和 例6.8：全波整流电压的频谱 例6.10：调幅信号通过带通滤波器 例6.12：用傅里叶变换计算滤波器的响应和输出 4、离散信号的仿真和分析法，参考教材第6.3节，7.1节，重点： 单位脉冲序列impseq，单位阶跃序列stepseq 例7.1：序列的相加和相乘 例7.2：序列的合成与截取 例7.3：序列的移位和周期延拓运算 三、实验内容（包括内容，程序，结果） 以自我编程练习实验为主，熟悉各种方法和设计，结合课堂讲授，实验练习程序代码。 1、根据教材第6.1节的内容，练习连续信号和系统的时域分析和拉氏变换方法。 q602 clear,clc a=input('输入分母系数向量a=[a1,a2,...]= '); n=length(a)-1; Y0=input('输入初始条件向量Y0=[y0,Dy0,D2y0,...]= '); p=roots(a);V=rot90(vander(p));c=V\Y0'; dt=input('dt= ');tf=input('tf= '); t=0:dt:tf;y=zeros(1,length(t));电力电子系统的计算机仿真
通信原理大作业
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