Место имитационных моделей в структуре комплекса
Моделей гидроустройств
Расчеты характеристик гидроустройств проводятся последовательно, в несколько этапов, с использованием разнородных программ и моделей, образующих расчетный комплекс. Структура комплекса, применительно к гидроаппаратам, представлена на рисунке 1.1.
Система моделей комплекса основывается на конструкторской 3D -модели устройства. 3D-модель используется и непосредственно для подготовки производства и импортируется в программы гидродинамических и прочностных расчетов. Информация 3D-модели является базовой для разработки имитационных моделей устройств.
Рис. 1.1. Структура расчетного комплекса гидроустройств
Таким образом, комплекс, как видно из рисунка, предусматривает использование следующих расчетных методик, тесно связанных между собой:
а) для основного режима работы (или ряда основных режимов) гидроаппарата проводится его модельная «проливка», т.е. имитация гидравлических испытаний с подробным изучением структуры потока жидкости. Модельная «проливка» осуществляется с использованием трехмерной, максимально-подробной модели жидкости и трехмерной модели гидравлического канала, по которому протекает жидкость. В целом эти модели получаются весьма сложными, и расчет с их помощью каждой режимной точки требует больших затрат машинного времени. Поэтому назначение трехмерной модели целесообразно ограничить получением обобщенных гидравлических коэффициентов (коэффициента расхода m, коэффициента полной силы y, действующей со стороны жидкости на затвор гидроаппарата, коэффициента относительных потерь напора вдоль линии тока z) для основного режима работы гидроаппарата;
|
|
|
б) полученные в трехмерной модели значения коэффициентов используются для описания гидродинамических процессов в упрощенной одномерной гидравлической модели. При этом рассчитываются необходимые для следующего этапа проектирования параметры потока и серии коэффициентов m, y, z(L)для разных режимов. Например, для разных сочетаний таких параметров, как величины входного и выходного давлений, высоты подъема затвора, газосодержания в жидкости и др. Достоинство одномерной модели в том, что она позволяет оперативно выполнить большое количество расчетов: одномерные модели предназначены для проведения всесторонних модельных расчетов в широком диапазоне и при приемлемой точности;
в) на основе разработанной библиотеке имитационных моделей гидроаппаратов рассчитываются их статические и динамические характеристики. При этом используются зависимости для коэффициентов сил, коэффициентов расхода и п.т. полученные в одномерных моделях потока.
|
|
|
Роль эксперимента в данном комплексе состоит в обосновании применяемых методик и моделей. По результатам расчетов принимается конструкторское решение. Проектирование выполняется «в цикле».
По мере накопления данных по расчету потоков при выполнении конкретного проекта возможно сокращение расчетного цикла вплоть до использования одной динамической модели аппарата. К объемному моделированию собственно потоков целесообразно прибегать только в случаях проведения новых исследований, например, учета нового фактора.
Поясним исходную концепцию изложенной выше структуры комплекса.
При выполнении расчетов в принципе возможны два подхода. Первый подход разрабатывается в гидромеханике и состоит в подробном моделировании потока жидкости. В этом случае форма канала и затвора клапана описывает граничные условия для математической модели жидкости. Такой подход и используется в программах гидродинамических расчетов, в том числе и в программе FLOW-3D. Дополнительные достоинства этого подхода в его универсальности: после составления модели клапана и выбора модели жидкости расчет совершается автоматически. Методика работы одинакова для всех видов дросселей, клапанов, распределителей и т.п. Недостатки FLOW-3D: дороговизна, большие затраты машинного времени на один расчет. Кроме того, программа автоматически не обеспечивает правильного результата – необходима тщательная работа по выбору математической модели жидкости, ее идентификации. Моделирование потоков при наличии в жидкости газа, при кавитации, при больших скоростях и перепадах давлений затруднительны, но эти проблемы постепенно – по мере развития программных продуктов – снимаются.
|
|
|
Другой подход разрабатывается в гидравлике, где в основу описания течения жидкости через сопротивления кладутся экспериментальные данные в виде коэффициентов. Эти коэффициенты вводятся в базовые уравнения (энергии, импульса, расхода, сил, моментов) при имитационном моделировании гидроаппарата. Достоинства этого метода: относительная простота модели, малое время расчета и, соответственно, возможность реализации обширных программ по модельному эксперименту. Программу легко совершенствовать. Недостатки этого подхода в неуниверсальности как самой модели, так и экспериментальных коэффициентов, используемых в модели. Сложно определить и границы использования модели. Главная же проблема – в необходимости экспериментальных исследований, в удорожании и удлинении процесса проектирования.
|
|
|
Теоретический подход, используемый в гидромеханике, и экспериментальный, используемый в гидравлике, совмещены в предлагаемом комплексе. При этом роль эксперимента для одномерных моделей отводится расчету в трехмерной модели. Трехмерное моделирование опирается на оригинальный экспериментальный материал и на широко известный и опубликованный в печати. Именно на таком материале удобно идентифицировать модели жидкостей.
Например. Пусть требуется провести модельную проливку дроссельной шайбы с фасонной кромкой. Сначала проводится модельная проливка стандартной шайбы, для которой имеются справочные данные. Эта проливка позволяет идентифицировать модель жидкости. Затем уже проводится модельная проливка дроссельной шайбы с фасонной кромкой. Таким образом, использование этого комплекса позволяет обойтись практически без реального эксперимента и максимально использовать результаты прошлых экспериментов, проведенных по другим поводам. Результаты гидравлического и гидромеханического моделирования в виде коэффициентов и функций используются в имитационных моделях.
Система имитационных моделей
В связи с тем, что имитационная модель является наиболее универсальным, простым, оперативным, гибким и распространенным средством проектирования, в комплексе расчетных моделей она занимает центральное место по отношению к специальным моделям для гидродинамических и прочностных расчетов. Имитационное моделирование позволяет решить задачи управления, регулирования, кинематики и динамики гидравлических механизмов с единых методических позиций и составляет содержательное «ядро» расчетного комплекса. Рассмотрим элементы системы имитационных моделей гидроустройств.
А. Программа. Передовая практика имитационного моделирования в основном воплощена в ряде современных программных продуктов, например, в программе Matlab/Simulink. В настоящее время эта программа стала фактически общепризнанным стандартом для имитационного моделирования. Здесь, в частности, используются следующие принципы (подробнее см. рис.1.2):
– принцип графического набора модели в блочно-структурной форме;
– принцип набора структуры с использованием последовательного вложения одной структуры в другую;
– модульный принцип формирования моделей: модели устройств набираются из элементарных подмоделей, как из модулей.
Б. Конструктивный принцип. Конструктивным принципом системы имитационных моделей принято построение моделей конкретных устройств на моделях базовых элементов:
– базовые элементы гидроустройств классифицируются по энергетическому признаку: диссипаторы энергии, интеграторы потенциальных переменных и интеграторы потоковых переменных.
Рис. 1.2. Основные положения концепции имитационного моделирования элементов гидропривода
Имитационные модели базовых элементов положены в данной работе в основу системы имитационных моделей всех гидроустройств в целом. На рис. 1.3 приведена эта система.
Рис.1.3. Система имитационных моделей элементов гидропривода
Модели каждого гидроустройства в предлагаемой системе формируются, с одной стороны, в соответствии с собственной внутригрупповой классификацией, а с другой стороны, формируются, как из модулей, из базовых блоков (которые могут быть объединены в субблоки и т.д.). Далее модель гидросистемы формируется из моделей гидроустройств также по модульному принципу. Такой подход позволяет разработать устойчивые структуры моделей гидоустройств и гидросистем, не зависящих от конкретного описания, собственно, базовых элементов. С другой стороны, создается библиотека моделей базовых элементов, которая пополняется и видоизменяется по мере получения новых данных о свойствах жидкости и т.п. Предлагаемая система моделей хорошо поддерживает компьютерное моделирование на функционально-логическом уровне: принципы адекватности, экономичности, целенаправленности, целостности, членимости, иерархичности, многоаспектности моделирования, множественности моделирования. Принцип агрегатирования, принцип параметризации обеспечивает возможность структуризации процесса проектирования, широкое использование в процессе проектирования известных и вновь разрабатываемых процедур автоматизированного анализа и синтеза, его итерационный характер, типизацию и унификацию проектных решений. Разработанные таким образом модели позволяют моделировать функционирование гидроустройства, расчитывать его статические и динамические характеристики. Это моделирование позволяет в дополнительных расчетных блоках модели рассчитывать энергетические параметры процесса как производные от основных параметров. Появляется и возможность включить результаты расчета энергетических характеристик в цикл расчета основных характеристик, что повышает точность расчетов и др.
В. Библиотека моделей гидроустройств. Модели элементов гидропривода в библиотеке разделены на модели гидроаппаратов и модели гидромашин. К группе гидроаппаратов относятся все гидроаппараты, вспомогательные элементы, гидроарматура и т.п., то есть все устройства, на которых энергия преимущественно рассеивается, к гидромашинам – гидронасосы, моторы, гидроцилиндры, аккумуляторы и другиегидромеханические преобразователи энергии. Систематизация имитационных моделей внутри группы гидроустройств и группы гидромашин проводится на основе классификации гидромашин и гидроаппаратов с ориентацией на принятую систему базовых элементов.
На основе моделей гидроустройств и гидромашин формируются модели гидроприводов и систем в соответствии с их принципиальными схемами.
Все модели в библиотеке комплекса делятся на экспериментальные и теоретические (1-й и 2-й уровни). Экспериментальные построены на обобщении результатов экспериментов и используются как подмодели более крупных структур. Они обычно простые и быстродействующие. Теоретические модели подробно описывают «физику» процессов. Такие модели универсальны и используются для модельных экспериментов как на уровне отдельных устройств, так и в крупных структурах.
Модели, кроме того, делятся на ''шаблоны'', т.е. модели наибольшей степени обобщенности и подробные модели конкретных конструкций. Модели конкретных конструкций формируются на базе шаблонов. При этом их структура развивается за счет последовательных и параллельных ''вложений''. В результате получаются многослойные структуры требуемой степени подробности.
Модели конкретных устройств разрабатываются параллельно с разработкой устройств, могут быть эксклюзивными, отражающими опыт работы проектной организации, и выполняются на научном уровне по результатам исследований, в том числе и выполненных на предприятии.
Комплекс модельных методик строится на базе моделей комплекса. Назначение методик состоит в использовании моделей в процессе проектировании гидроустройств и систем, в обработке и в обобщении результатов натурных и модельных экспериментов (и в частности результатов, полученных с помощью 3D-моделей). Специальные методики включают формализованные процедуры автоматизированного анализа, синтеза, процедуры идентификации и др.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 203; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!