二元冲击系统动力学特性研究范文

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《机械设计与研究杂志》2014年第四期

1二元冲击系统动力学建模

1．1二元冲击系统动力学模型针对多元冲击机械系统而言，无论其结构多么复杂，其动力学模型都可以看成是弹性杆、弹簧、刚体、活塞这些零部件组成的，只是其所包含的零部件数量及其位置不同而已。根据冲击机械系统力学模型中所包含的独立弹性杆件数可将常见的冲击机械系统分为一元、二元和三元冲击系统。本文中二元冲击系统由弹性杆一、弹性杆二组成，其简化力学模型如下:

1．2二元冲击系统数值模拟目前，冲击系统的波动方程定解求解方法主要有特征线法和透反射关系法［1］。特征线法的本质是将偏微分方程沿特征线转变为常微分方程，对于波动方程，由特征线理论可知。前者称之为特征线方程;后者为沿特征线上的特征相容关系。弹性杆上任一点在任一时刻的速度与合力称之为状态向量，其状态向量可用矩阵表示为。透反射关系法是根据透反射规律由初始状态的顺波和逆波得到所考察截面各时刻的顺、逆两波。将弹性杆离散成等长度的若干单元，在每个单元中都存在顺逆两波，用矩阵形式表示为。本文运用透反射关系法编制相应的Matlab程序，求解二元冲击系统的动力学特性参数数值解。

2可视化系统框架

2．1总体框架系统二元冲击系统是以Matlab为基础，实现Delphi和Matlab混合编程进行人机交互界面设计、冲击系统二维模型设计和结果分析。整个系统总体框图如图2所示。

2．2可视化流程图3所示为整个系统可视化流程图。启动Delphi应用程序，输入冲击系统模型参数，这些参数具体是指弹性杆一、二的长度L和直径H，由这些长度和直径能完全确定两弹性杆的形状。运行指定可视化程序，调用Matlab数值模拟程序，将这些参数调入Matlab中并保存到M文件中，之后Mat-lab冲击程序开始计算，计算冲击的每一步过程。完成计算得出结果数据，这些结果数据包括冲击系统每个弹性杆在任意时刻的速度、加速度、位移、能量等动力学特性参数。结果数据保存成图形曲线形式再输入Delphi中，待用户选择将要显示的结果，由Delphi显示结果，整个过程结束。

3界面定制和流程控制

3．1Delphi对Matlab的调用方法Delphi是一种优秀的可视化应用软件开发工具，但它在算法和数值处理分析方面其效率远远低于Matlab。因此，本文将两者结合起来，Delphi应用程序作为整个系统界面定制工具，Matlab作为后台数据处理支撑工具，实现两者的优势互补。ActiveX技术是一种独立于编程语言的组件集成协议，本系统建立一个Delphi应用程序和Matlab之间的ActiveX的自动化连接，Delphi作为控制端，Matlab作为服务端，实现Delphi对Matlab调用，并可向Matlab传输或者从Matlab中接受数据。具体操作如下:首先建立ActiveX对象，在机器内安装并注册Matlab，注册方法即以命令行的形式执行“Matlab/Regserver”命令。之后在Delphi中使用下列语句即完成调用:Matlab=Createoleobject(‘Matlab．Application’);这就创建了Matlab的ActiveX实例。完成调用后，Del-phi可以通过五个函数来调用Matlab。这些函数为:Execute(执行Matlab命令)，PutFullMatrix、GetFullMatrix(传递数据)，MinimizeCommandWindows、MaxnimizeCommandWin-dows(窗口操作)，这些函数极大地方便Delphi与Matlab之间功能开发。

3．2二元冲击机械可视化系统设计以某型号凿岩机的活塞－钎杆二元冲击系统为例，弹性杆一视之为活塞，弹性杆二视之为钎杆。活塞以一定初始速度撞击钎杆，钎杆固定。可视化系统主界面如图4所示，其界面包括参数设置、模型显示、程序载入、程序结果显示、特殊点结果显示和系统退出等控件。的对话框，从该对话框中可以自主设计二元冲击系统原始模型尺寸，以变截面为界将弹性杆分成若干段，每一段需要输入的尺寸是长度L和直径H，将所有段组合起来就可以确定整个冲击系统的具体尺寸。不同结构尺寸的弹性杆产生不同波形的应力波，不同波形的应力波作用于不同力学特性的工作介质时，冲击系统的力学参数如击入量、能量传递等存在相当大的差异。

图6是显示二元冲击系统的Matlab中M程序的界面，在该界面中可以看到从参数设置中保存进来的模型数据，并且还可以使用户在该Delphi界面中直接输入或者修改Mat-lab命令，修改之后关闭自动保存。图7和图8是二元冲击系统计算结果显示的界面。图7是M文件计算结束之后二元冲击系统的动力学参数结果显示，包括活塞和钎杆各自的受力图、能量图、速度图和位移图。红色曲线代表活塞的情况，黑色曲线代表钎杆的情况。部分程序如下。在二元冲击系统的动力学特性分析中，往往需要对弹性杆的某些特殊位置点(如变截面处、接触面等)进行详细的运动、受力分析，特殊提取点位置是从二元冲击杆件的最左端起始，将特殊点与起始点之间的距离输入进去，点击需要得到结果图按钮就可以得出需要的结果图，这些结果图可以是应力图、合力图、速度图和位移图。

4结论

本文基于波动力学理论和面向对象软件技术进行了的二元冲击系统可视化研究。首先，运用透反射关系法建立了二元冲击系统波动力学模型;其次，基于Matlab编制了二元冲击系统的动力学特性分析数值模拟程序;然后，在Delphi环境下基于ActiveX技术实现了动力学参数的可视化;最后，以某型号凿岩机的活塞～钎杆二元冲击系统为例，进行了系统动力学特性数值仿真分析。本文的研究工作为二元冲击机械系统结构设计、动力学特性研究提供新途径，提高了研究效率。

作者：杨书仪李亮陈建文魏小娟单位：湖南科技大学江麓机电集团有限公司