计算机辅助分析与仿真

关键词： 建模 制造 软件 工程师

计算机辅助分析与仿真（精选五篇）

计算机辅助分析与仿真 篇1

CAXA制造工程师是由北航海尔软件有限公司研制开发的面向数控铣床和加工中心的计算机辅助设计与辅助制造 (C A D/CAM) 软件。CAXA制造工程师软件计算机辅助设计模块可以进行零件建模 (线框建模、实体建模、曲面建模) , 实体造型可进行拉伸、旋转、导动、放样、倒角、圆角、打孔、筋板、拔模、分模等特征造型, 可以将二维的草图轮廓快速生成三维实体模型。曲面造型包括直纹面、旋转面、扫描面、导动面、放样面和网格面等, 软件还可以进行实体与复杂曲面混合的造型。

计算机辅助加工:面向加工中心二至五轴, 生成刀具轨迹、仿真加工、生成加工程序、生成工艺单。数控加工方法可根据加工实际, 灵活选用。加工方法有多种粗、半精、精、补加工方式。例如:平面区域粗加工 (2D) 、区域粗加工、等高粗加工、扫描线粗加工。平面轮廓精加工、轮廓导动精加工、轮廓线精加工、等高线精加工、扫描线精加工。等高线补加工、笔式清根加工和区域补加工等。

系统提供轨迹仿真手段以检验数控代码的正确性。可以进行编辑修改达到刀具路径规划的目标。系统提供常见的数控系统后置格式, 用户自定义专用数控系统的后置处理格式, 直接输出G代码指令。

本文利用CAXA 2011制造工程师对典型零件转接盘进行了三维建模, 并在此基础上进行计算机辅助加工和虚拟仿真, 并自动生成数控加工G代码和相应工艺文件。

2 转接盘零件实体造型与CAM加工

CAXA制造工程师具有强大的计算机辅助设计功能, 软件能完成复杂的实体造型设计包括线框造型、实体造型、曲面造型和曲面实体混合造型等, 可方便的建立各种复杂结构的三维实体模型, 并运用CAM功能模块设置工艺参数, 自动生成用于加工的数控代码等。[1,2,3,4]

2.1 转接盘实体造型

(1) 建立底座实体。进入草图模式, 利用拉伸增料/固定深度建立底座实体。如图1所示。

(2) 应用打孔命令或拉伸除料/贯穿, 生成孔特性。如图2所示。

(3) 利用拉伸除料、贯穿、倒角等命令生成转接盘的实体特征造型, 如图3所示。

2.2 转接盘CAM加工

启动CAM加工模块 (如图4所示) , 选择合理加工方法, 设置相关加工参数, 进行CAM仿真加工。

根据加工实际, 转接盘零件的加工过程中选用区域粗加工、轮廓线精加工、啄式钻孔、区域式粗加工、等高线精加工和倒角等加工方法和操作命令, 实现转接盘零件的CAM加工, 如图5所示。

选择加工仿真命令, 如图6所示:在仿真加工中可以检查刀具规划路径是否合理, 是否参数加工干涉现象, 加工下刀方式是否合理等加工信息。如不合理可以及时修改和重新规划。

2.3 转接盘零件加工工艺分析

(1) 虎钳装夹90×90外形, 装夹深度5mm, 找正外形中心, 顶面对刀设Z值为正1mm (注:对Z值时深度不可太深, 由于毛坯厚度为25mm, 装夹5mm+找正值1mm+铣削深度17mm=23mm, 虎钳钳口只有2mm的安全距离) 。 (2) 调用程序加工零件外形与型腔。 (3) 翻面选择合适的垫铁加工, 虎钳钳口上面与垫铁顶面的高度不得大于14mm, 对Z值, 铣一刀上面见光即可, 测量一下毛坯厚度, 用测量值减15mm, 得出毛坯余量厚度。Z值直接输入余量厚度 (余量值为正值) , 调用程序加工即可。

3 结语

转接盘零件计算机辅助设计与制造数控加工的探讨, 充分运用CAXA软件的CAM功能, 并运用软件进行虚拟数控加工, 验证加工代码的正确性。进行了刀具路径的规划和优化, 阐述了实际加工过程的工艺分析, 软件的使用对数控零件的加工具有很好的效果。

参考文献

[1]杨伟群.数控工艺员培训教程 (数控铣部分) [M].北京:清华大学出版社, 2002.

[2]北京北航海尔软件有限公司.CAXA制造工程师XP用户手册[M].北京:北京北航海尔软件有限公司.

[3]吴为.CAXA制造工程师2008机械设计与加工教程[M].北京:人民邮电出版社, 2011.

机载天线隔离度的分析计算与仿真 篇2

机载天线隔离度的分析计算与仿真

机载天线间的隔离度是飞机系统电磁兼容性的主要参数之一,用来表征天线间的耦合强弱程度.在实际工程中,飞机上集中了大量天线,使得周围空间电磁环境很复杂.在研究机载天线电磁兼容性时,采用计算天线间的隔离度数值的方法来实现.本文先通过对配置在圆柱体模型上的两个天线的隔离度进行理论分析和计算,然后采用HFSS仿真软件对所需频带内的`两个天线隔离度进行了仿真,并将其两者的结果进行了比较,从而实现对整个频带内的天线的电磁兼容性的正确预测和评估.

作 者：安兆卫 王明皓 雷虹 洪铁山 AN Zhao-wei WANG Ming-hao LEI Hong HONG Tie-shan  作者单位：安兆卫,AN Zhao-wei(沈阳航空工业学院,电子信息工程学院,辽宁,沈阳,110136)

王明皓,雷虹,洪铁山,WANG Ming-hao,LEI Hong,HONG Tie-shan(沈阳飞机设计研究所,辽宁,沈阳,110035)

刊 名：飞机设计 英文刊名：AIRCRAFT DESIGN 年，卷(期)： 29(6) 分类号：V243.4 关键词：隔离度   电磁兼容   耦合   HFSS  

计算机辅助分析与仿真 篇3

整形外科是一门侧重于应用方法学手段解决形态学问题的专业学科, 目前仍停留在传统的手工测量、目测估计和拓制模型式手术设计方法上, 手术方案受医生个人经验、习惯等主观思维因素影响甚大, 不仅效果难以预见, 且具有较大的随意性与盲目性, 还容易引起医疗纠纷。术前医患交流困难, 缺乏直观量化的标准, 而且对于日渐增多的盲目整形患者, 缺乏直观有效的解释引导手段, 一旦手术, 效果难以更改, 更凸显术前预测的重要。本文通过对计算机辅助作用的案例分析和研究, 对外科手术通过计算机仿真应用做了市场评估和展望。

1 国内研究现状

目前国内计算机辅助整形外科手术与仿真研究主要集中在3个方面:①颅颌面修复;②口腔正畸;③力学仿真。

1.1 颅颌面修复

第一军医大学柳大烈教授对颅颌面修复重建的计算机辅助手术设计和模拟进行了临床应用研究。通过医学图象三维建模和三维测量的工程软件的API接口进行软件二次开发和编译, 设计开发了安琪尔数字图象处理分析系统软件, 系统集成了医学图像三维建模和测量功能, 可通过屏幕交互式设计完成颅领面修复重建的计算机辅助测量、设计和手术模拟。其在眶距增宽症、下颌角肥大、颜面不对称畸形等病例的临床应用中取得较好效果。第一军医大学钟世镇教授在国家自然科学基金 “成人面貌修复重建的三维仿真学基础研究” (30470908) 资助下, 根据东方人经典美学标准, 建立了一套适合东方人面部轮廓的数字化快速测量分析和诊断系统, 可以在3-6分钟得到一份容貌诊断分析报告, 为临床颅颌面先天、后天畸形的整形提供标准的下颌骨数据。利用3D Doctor, 3D MAX等三维建模软件建立颅面解剖的分层模型, 利用Freeform雕刻刀进行虚拟仿真的手术模拟尝试。吉林大学口腔医学院顾营 (导师) 徐勇忠教授对颌面部表皮及骨组织表面三维重建, 将重建后的颌面部三维数字化图像导入通用的3DsMax中进行处理, 可简便有效地解决一些临床应用的问题。中国协和医科大学乔群教授基于逆向工程技术对体表器官仿真修复重建进行研究, 应用数据转换软件和三维重建软件完成了基于DICOM标准的CT图像数据采集和三维重建, 获得了颅骨模型的三维数字化曲面模型。将三维数字化曲面模型转换为STL格式后输入到激光快速成型机, 制造出三维实体模型。研究通过对人体器官相应三维形貌信息进行传统方法测量和计算机辅助测量, 进行精度和误差分析。最后分别对颜面部软组织畸形、小耳畸形、颅骨缺损以及乳房整形进行了临床应用研究。西北大学信息科学与技术学院周明全教授、耿国华教授, 在国家自然科学基金“计算机辅助三维整形外科手术计划与预测关键技术研究” (基金编号:60573179) 资助下, 采用Marching Cubes算法, 实现对整形部位的三维重构, 手工标定特征点, 通过对网格的变形表现整形效果。对虚拟手术中与骨组织切割技术相关的几种关键技术进行了研究。第四军医大学赵铱民教授, 将反求工程和快速成型技术应用到颜面修复领域, 分别就单侧眼眶部缺损、单侧耳廓缺失、外鼻缺损等主要颜面缺损类型进行三维仿真修复设计和个体化快速制作研究, 实现了颜面部器官数字化印模的自动采集, 完成缺损器官修复的三维仿真设计, 并通过快速成型系统快捷地加工出器官修复体树脂模具。第四军医大学口腔医院正畸科段银钟教授, 研究开发了基于CT三维重建的正颌外科诊断分析、手术模拟及术后预测系统, 并将其临床实用化。该系统利用VC什6.0、VTK为工具进行开发。分为3个功能模块:基于CT影像数据的颅颌面硬软组织三维重建系统;颅颌面结构三维测量分析系统及颅颌面硬组织虚拟手术及术后软组织变化预测系统。系统在P4 3.0 GHz, 1 GM DDR RAM的PC上运行, 从读取CT数据进行颅领面三维结构重建到三维测量分析, 给出诊断结果, 然后定义切割骨块特征点, 完成手术模拟, 最后显示出颅颌面硬软组织术后预测结果三维图像, 总共需要运算时间3分钟左右。与其他的系统相比, 时间大大缩短, 使得临床实际的应用成为现实。

1.2 口腔修复与正畸

新疆大学的孙文磊教授, 以CT扫描数据建立牙颌整体轮廓模型, 利用UG以石膏模型光学扫描反求上下牙列模型, 并补充CT建模的牙齿咬合面数据, 建立了完整的牙列及颌骨的三维实体模型。应用有限元分析软件Ansys, 分析不同加载状态下, 正常人单个牙齿应力分布的情况和特点, 并可在此基础上选择几种修复方案。青岛大学潘振宽教授, 利用动态轮廓线分割中梯度矢量流变形模型方法对给定人体切片序列图像口腔部分进行分割, 采用三角形面片法建立口腔颌面颈部部分组织的三维模型, 并对下颌骨的三维模型进行了平面剖切处理来摸拟简单的切割。重庆大学的魏彪教授对口腔正畸模型进行了计算机辅助测量分析系统研究。南京航空航天大学廖文和教授对口腔修复体咬合调整的CAD关键技术进行了研究, 建立可直接用于临床上手术方案的选择及手术导航的系统。北京航空航天大学机器人研究所王党校博士在国家自然科学基金 “口腔临床培训的虚拟现实力觉显示技术"的资助下, 开发了集成力觉显示和视觉显示功能的仿真环境, 提出了保证力觉仿真计算实时性的方法, 通过采用不同的虚拟力模型来描述牙齿正常组织和龋齿的力觉感受差异, 模拟牙科医生利用探针对齿表面不同组织区域进行探查和利用探针去除牙面软沉积物的操作过程, 探索一条培训医生的新方法。

1.3 力学仿真

北京航空航天大学樊瑜波教授, 从生物力学角度对口腔正畸微植体支抗技术和颞下颌升支矢状劈开截骨术进行研究。对口腔正畸微植体支抗, 应用高精度螺旋CT扫描、Mimics和ABAQUES相结合的方法构建几何相似性好的牙颌三维有限元模型, 对微植体支抗技术的有关生物力学问题进行了系统的研究, 所建立的“微植体支抗一直丝弓一牙一牙槽骨一领骨”三维有限元模型可以有效地模拟微植体对正畸矫治力系统的影响。对正常的和病变的颞下颌关节建立了一系列生物力学模型, 并对下颌升支矢状劈开截骨术后各特征时期劈开骨段和颞下颌关节的应力分布和位移进行了分析。上海交通大学机械与动力工程学院王成焘教授, 在实现颌面“骨骼—肌肉”三维几何模型和力学模型的基础上, 结合临床病例, 将该模型应用于颌面外科手术领域, 对不同颌面骨缺损的修复方法进行了手术仿真设计和生物力学评价。

2 国外研究成果

长期以来国外计算机专家和颌面外科专家致力于正颌外科模拟和预测的研究。香港城市大学计算机系的J.Xia等人开发了计算机辅助三维虚拟截骨软件系统CASSOS。通过CT资料和真实照片, 采用纹理绘图方法建立个体化的三维逼真模拟彩色面部模型。作为一个虚拟系统, 它可以使医生沉浸在一个虚拟现实的环境中, 头戴立体眼镜, 手握虚拟的“手术刀”在生成的一个“真实”病人 (三维显示模型) 上实施手术操作, 进行手术方案的术前模拟。此系统除了可以模拟颌面手术操作外, 还利用纹理映射的方法预测软组织的变化。它可以有效地协助医护人员筹划口腔颌面外科手术, 使口腔及整形手术医生在病人进行手术之前, 利用计算机周详地进行手术计划, 包括事先模拟比较不同手术方案的过程和特点;预测手术的结果和分析各种数据, 比较病人在进行手术前和手术后的容貌, 预计手术的效果。台湾中原大学的Tsai等人开发的虚拟手术模拟系统是一个交互式的虚拟现实整形外科手术模拟器 (Virtual Reality Orthopedic Surgery Simulator) 。这个系统选择体数据作为组织的几何模型, 通过对体数据的操作、显示来模拟复杂的整形外科手术。医生可以利用各种各样的手术器械在虚拟的骨组织上模拟手术过程。它既可以作为一种学习工具帮助医生训练手术技巧, 又可以用来有效地验证手术方案。南加州大学James Mah等人的虚拟正颌病人 (Virtual Craniofacial Patient) 项目建立了一个数字化的平台使护士可以在上面进行颌面护理的模拟, 教学和研究等。哈佛医学院外科计划设计实验室 (Surgical Planning Laboratory) 的Peter C. Everett等人利用VTK开发的软件系统可以在三角面模型上进行交互的切割而且能显示出拓扑结构的变化。德国Free University of Berlin 的Patrick Neumann等人开发的MeVisTo-Jaw系统可以在三维场景中模拟颅面外科手术, 此系统也是利用体数据操作的方法来模拟骨组织的切割, 并利用立体眼镜和力反馈等装置来增加手术模拟的真实性。德国ZIB开发的Amira颅面外科计算机辅助手术系统通过建立颅面三维模型模拟各种颅面手术, 并且可以模拟骨组织变化对软组织产生的影响, 利用三维真实感绘制还可以生成比较真实的手术效果。Hassfeld等将一套三维定向导航系统成功地应用于40例颅颌面区域的手术, 准确性达到2mm以内。

3 研究展望

近年来, 在计算机辅助整形外科手术与仿真方面, 国外现有的系统不仅价格昂贵且硬件支持上不适合国内普及的PC系统。国内虽然有一些研究成果, 但尚未有一套完整的颅颌面手术模拟设计预测系统。第四军医大学口腔医院正畸科段银钟教授等所做系统相对实用, 但该系统基于几何模型利用曲面插值技术预测软组织形变, 没有考虑到人体组织的生物力学特性, 特别是对于软组织的复杂非线性变形行为。计算机辅助整形外科手术与仿真系统还没有大规模地进入临床应用, 没有形成成熟的市场。本人认为在计算机辅助整形外科手术与仿真方面尚有较大研究空间, 主要有以下几个方面:

(1) 骨骼移位对软组织影响的模拟。预测整容外科手术软组织三维变化是一个非常困难但又是非常关键的问题。骨块是刚性的, 骨骼的重新定位可通过直接的线性变换, 转换一些点或线来完成。同骨性结构相比, 软组织的模拟较为复杂, 它不仅取决于骨块的移动量和移动方向, 而且还要考虑到另外一些因素:软组织与骨之间的联结是否为坚固的骨性连结;软组织的厚度以及被移动骨表面的软组织是否会移动;软组织表面的张力效应;手术相邻区域软组织的厚度和类型;疤痕的存在以及其它软组织畸形是否会改变预测结果等。

(2) 三维真实感绘制。国内的整形外科手术与仿真研究多是从事颅颌面外科的研究人员, 其开发的系统在手术过程模拟的逼真性和手术效果的逼真性方面亟待提高。这给图学工作者留下了得以施展才艺的空间。

(3) 基于软组织的交互操作。在整形外科虚拟手术过程中, 为了达到真实的手术过程模拟, 基于软硬组织的交互操作是一个关键问题。目前国内在整形外科手术模拟中的常用交互操作如碰撞检测、切割等只适用于刚体模型, 而实际手术中会有大量的基于软组织的操作, 因此基于软组织的交互操作有待研究。利用有限元的方法建立面部的三维模型可以比较精确地模拟脸部软组织在交互过程中的弹性形变。

(4) 集成运动仿真和生物力学仿真。整形外科不仅要考虑美观因素, 也要考虑整形后的生理机能是否会受到影响。尤其在 颌面骨缺损修复手术和口腔正畸中, 如何精确的在理想的位置进行修复手术, 并达到良好的生物力学环境, 成为临床迫切需要解决的问题。因此在整形外科手术模拟中要集成运动仿真和生物力学仿真, 以帮助临床医生从多个视角对修复术的性能和效果进行分析比较研究, 使修复从美观和生理上获得最佳的结果, 为现代临床手术提供一条非常有价值的评价和协助设计的方法。

(5) 整形专家知识库的建立。目前的网格变形尺度依然由专家根据测量的特征数据人为的确定, 由于医生个人经验的差异及整形手术实施过程的主观性, 会直接导致整形结果千差万别。建立整形部位特征值与整形结果关联的专家知识库是确保整形效果质量的重要因素之一。

参考文献

[1]JAMES XIA, HORACE H.S.LP, NABIL SAMMAN, et al.Three-dimensional virtual-reality surgical planning and soft-tissue predic-tion for orthognathic surgery[J].IEEE Transactions on Informa-tion Technology in Biomedicine, 2001 (2) .

[2]JAMES XIA, HORACE H.S.1P, NABIL SAMMAN, et al.Com-puter-assisted three-dimensional surgical planning and simulation-3Dvirtual osteotomy[J].Int.J.Oral Maxillofacial Surgery, 2000 (29) .

[3] JAMES XIA, N.SAMMAN, R.W.K.YEUNG.Computer-assisted three-dimensional surgical planning and simulation-3D Soft tissue planning and prediction[J]. Int. J Oral Maxillofacial Surgery, 2000 (29) .

[4]XIA J, WANG D, SAMMAN R ET al.Computer-assisted three di-mensional surgical planning and simulation:3Dcolor facial modelgeneration[J].Int J Oral Maxillofac surg, 2000 (2) .

[5]MING-DAR TSAI, MING-SHIUM HSIEH, SHYAN-BIN JOU.Virtual reality orthopedic surgery simulator[J].Computer in Biolo-gy and Medicine, 2001 (31) .

[6]MING-SHIUM HSIEH, MING-DAR TSAI, WEN-CHIEN CHANG.Virtual reality simulator for osteotomy and fusion involving the muscu-loskeletal system[J].Computerized Medical Imaging and Graphics, 2002 (26) .

[7]JAMES MAH, REYES ENCISO.The virtual craniofacial pa-tient——A platform for the future of craniofacial healthcare[J].The 29th Annual Moyers Symposium, 2002 (28) .

[8]PETER C.EVERETT, EDWARD B.SELDIN, MARIA TROU-LIS, etc.A 3-D System for Planning and Simulating Minimally-In-vasive Distraction Osteogenesis of the Facial Skeleton[C].MedicalImage Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI2000, Pittsburgh, PA) .2000.

[9] P.NEUMANN, G.FAULKNER, M.KRAUSS, etc.MeVisTo-Jaw:A Visualization-based Maxillofacial Surgical Planning Tool[C].Proceedings of the SPIE Medical Imaging, 1998.

[10]PATRICK NEUMANN, DIRK SIEBERT, GABRIELE FAULK-NER.Virtual 3DCutting for Bone Segment Extraction in Maxillo-facial Surgery Planning[C].Proceedings of the 7th InternationalConference Medicine Meets Virtual Reality, 1999.

[11] [url]http://www.zib.de[/url].

计算机辅助设计与制造技术 篇4

2.CAD最基本的功能是定义设计的几何形状，可以是机械零件，建筑机构，电子电路和建筑平面布局等。

3.计算机辅助制造（CAM）技术是将计算机系统直接或间接应用于计划，管理和控制生产作业的有关技术。应用最广的领域是数字控制，简称NC。另一个重要作用是机器人编程，使机器人可以在加工单元内进行作业，为数控机床选择刀具，定位工件等。

4.产品集成设计开发过程：1，进行功能设计，选择合理的科学原理和构造原理；2，进行产品结构的初步设计，产品的造型和外观的初步设计；3，从总图派生出零件，对零件的造型，尺寸，色彩等进行详细设计，对零件进行有限元分析，使结构及尺寸与应力相适应；4，对零件进行加工模拟，如压铸，锻压或机械加工等过程进行模拟，从模拟过程中发现制造中的问题，进而提出对零件设计的修改方案；5，对产品实施运动模拟或功能模拟，对其性能做出评价，分析和优化，最终完成零件的结构设计。

5.应用CAD/CAM系统进行产品开发，分为3个阶段：1.利用CAD技术进行三维参数化建模；2.利用CAD技术进行设计方案的分析，检验是否满足设计要求；3.利用CAM技术进行数控编程和数控加工。

6.CAD/CAM系统下的工作站是以计算机硬件为基础，系统软件和支撑软件为主体，应用软件为核心组成的面相工程设计问题的信息处理系统。CAD/CAM系统总体上是由硬件和软件两大部分所组成的。硬件是CAD/CAM系统的物质基础，软件是信息处理的载体。

7.CAD/CAM系统硬件应具备的基本功能：1.计算功能；2.存储功能；3.输入输出功能；4.交互功能。

8.CAD/CAM系统的软件可分为系统软件，支撑软件和应用软件。

系统软件：1.UNIX；2.WINDOWS；3.macintosh;4.linux.支撑软件：1.图形核心系统；2.工程绘图系统；3.几何造型软件；4.有限元分析软件；5.优化方法软件；6.数据库系统软件；7.系统运动学/动力学模拟仿真软件。

应用软件:用户利用计算机所提供的各种系统软件，支撑软件编制的解决用户各种实际问题的程序。

9.总体选择原则：1.软件优于硬件；2.整体设计分步实施；3.加强技术人员培训；4.注重合作伙伴资质。

10.硬件设备选择原则：1.满足系统功能要求；2.硬件不要盲目追求高档。

11.软件选用原则：1.系统功能与集成；2.开放性；3.系统的扩展能力；4.可靠性和维护性；

5.软件公司的背景和销售商的技术能力。

12.从构成图形的要素来看，图形是由点，线，面，体等几何要素和明暗，灰度，色彩等非

几何要素构成的。

13.点阵法是由具有灰度或色彩的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。

14.参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。形状参数可以是描述图形形状的方程的系数，线段的起点和终点等；属性参数则包括灰度，色彩，线型等非几何要素。

15.通常把参数法描述的图形叫做参数图形，简称为图形；而把点阵法描述的图形叫做像素图形简称图像。

16.计算机图形学的研究任务就是利用计算机来处理图形的输入，生成，显示，输出，变换以及图形的组合，分解和运算。

17.一个计算机图形应用系统应该具有的最基本功能有：1.运算功能；2.数据交换功能；3.交互功能；4.输入功能；5.输出功能。

18.典型二维图形变换（旋转变换）；典型三维图形变换

19.几何信息是指形体在欧氏空间中的形状，位置和大小，其具有几何意义，包括点，线，面，体信息，这些信息可以用几何分量表示。

19.拓扑信息是表示形体各基本几何要素（包括点，线，面）之间的连接关系，邻近关系及边界关系。

20.欧拉提出的关于形体描述的几何要素与拓扑要素的检验公式，可作为检验形体描述正确的经验公式，公式：f+v-e=2+r-2h.式中，f为面数；e为边数；v为顶点数；r为面中的孔洞数；h为面中的空穴数。欧拉经验公式是正确生成几何形体边界表示数据结构的有效工具，也是检验形体描述正确与否的重要依据。

21.根据描述方法，存储的几何信息和拓扑信息的不同，将几何模拟分为线框模型，表面模型和实体模型。

22.线框模型是几何造型中最简单的一种方法，它用点，直线和曲线来描述产品的轮廓外形。线框模型的数据结构是表结构，它在计算机内部以点表和边表来表达与存储顶点及棱线等信息。包含两个表：一张是顶点表，描述每个顶点的编号和坐标；另一张是棱线表，记录每个棱边起点和终点的编号。

23.线框模型的特点：1.线框模型的描述方法所需的信息最少，数据结构简单，所占的存储空间少，运算速度快；2.容易生成三视图，绘图处理简单，速度快；3.对于曲面图，线框模型表示不准确；4.当形体比较复杂时，容易产生多义性；5.线框模型不能进行物体几何特征计算，不能满足特征的组合和存储及多坐标数控加工刀具轨迹的生成等方面的要求。

24.表面模型是以物体的各个表面为单位来表示形体特征的。表面模型中的几何形体表面可以由若干块面片组成，这些面片可以是平面，解析平面和参数平面。

25.表面模型的特点：1.表面模型以表面的信息为基础，能够比较完整的描述三维物体的表面，与线框模型相比，更能表达形体信息的完整性和严密性；2.表面模型所描述的仅是物体的外表面，并没有完整的表示三维实体及其内部结构，也无法表示零件的实体属性。

26.实体模型是指三维形体几何信息的计算机表示。实体模型可以转化为表面模型，表面模型可以转化为线框模型，但转化是不可逆转的。

27.几何模型可用来描述产品对象两方面的信息：几何尺寸和拓扑结构。前者是指具有几何意义的点线面等，具有确定的位置坐标和长度，面积等度量值，后者反应了形体的空间结构，包括点，边，环，面，实体等形成的层次结构。

28.几何建模中集合运算的理论依据是集合论中的交，并，差等运算，它是用简单形体（要素）组成复杂形体的工具。

29.产用的三维几何实体造型方法有：1.构造实体几何法；2.边界表示法；3.CSG与B-REP混合造型法；4.单元分解法；5.扫描表示法。

30.采用构造实体几何方法构建三维实体的过程可以用二叉树的数据结构来描述，也称为CSG树。CSG树的叶节点为基本体素或几何变换参数，中间点为集合运算符号或经集合运算生成的中间形体，树根为生成的最终几何形体。

31.参数化设计是指先用一组参数来定义几何图形（体素）尺寸数值并约定尺寸关系，然后提供给设计者进行几何造型使用。

32.参数化设计的主要技术特点：1.轮廓；2.约束；3.数据相关；4.相互制约。

33.特征是设计者对设计对象的功能，形状，结构，制造，装配，检验，管理和使用信息及其关系等具有确切的工程含义的高层次抽象描述。

34.特征的分类：1.管理特征；2.技术特征；3.材料热处理特征；4.精度特征；5.形状特征；6.装配特征。

计算机辅助分析与仿真 篇5

关键词：辅助捕获,捕获带,锁相环

0 引言

锁相环是一种常用的信号处理方法,是地面测控系统中的重要组成部分。地面测控系统主要用来探测卫星运行轨道参数,实现卫星定轨;接收卫星遥测数据,了解卫星工作状态;向卫星发送遥控指令,实现对卫星的各种控制,然而要实现对卫星的跟踪、测量和控制的先决条件就是捕获目标,由于卫星的运行速度非常快,因此必将产生较大的多普勒频移和频率变化率[1,2]。此外在地面测控系统接收到的信号中还将混有大量有害噪声,锁相环的带宽反映了环路对噪声的抑制能力,带宽愈窄,环路对噪声的抑制能力愈强。所以在工程实践中需要保证环路的带宽不能太宽,以更好地限制不利噪声的影响,但同时会导致环路的频率牵引速率变慢或不稳定。此时,需要借助外部辅助电压来控制压控振荡器,使环路快速降低闭环频差,而达到相位捕获[3,4]。本文权衡了环路带宽与噪声滤除和频率牵引的相互制约关系,建立了辅助环路的基本模型,并推导出环路的非线性动态微分方程。而PLL非线性捕获和非线性跟踪问题的彻底解决最终是要严格求解二阶或高阶非线性微分方程,这在目前尚不可能。传统的线性近似法或准线性近似法分析二阶及高阶PLL非线性捕获和跟踪会产生较大误差[5]。这种情况下必须借助计算机求解环路非线性微分方程,以分析锁相环非线性性能及电路参数与初始条件的关系[6]。与传统PLL及分析方法相比,本文建立了辅助捕获PLL,仿真出其非线性捕获的捕获带、捕获时间,以及非线性跟踪的同步带、同步时间怎样随初始相差的变化而变化的问题,目前国内尚无文献可见。

1 辅助环路的模型设计

传统PLL包含三个必不可少的子单元电路模块:鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO),如图1所示。PLL是一个相位反馈系统,鉴相器将输入信号与反馈信号的相位做比较,输出信号通过环路滤波器后控制压控振荡器(VCO)的输出频率,达到VCO的输出信号与环路输入信号同频[7]。

本文所采用的PLL与传统PLL的最大区别在于,采用了外部辅助电压来和环路滤波器的输出电压共同作用于VCO,以快速降低整个环路的闭环频率误差,通过频率的调整达到相位锁定。在PLL中鉴相器是整个环路中最灵活的部分,鉴相特性可以多种多样,如正弦形特性、三角形特性、锯齿形特性等;所以不同PLL的区别主要在于鉴相器的不同。在这里我们选用模拟乘法鉴相器,针对正弦形鉴相特性展开讨论,为了便于进行积化和差运算,我们假设环路输入信号为:

式中表示输入参考信号的振幅;为载波角频率。

VCO的输出反馈信号为:

式中表示反馈信号的振幅;表示反馈信号的相位。

环路滤波器决定着PLL的跟踪性能,是跟踪锁相系统实现锁相稳定的关键。PLL中常用环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器以及有源比例积分器。有源比例积分器也称为超前滞后滤波器,在控制理论中它代表"比例+积分"行为,由于存在极点s=0,所以表现得更像一个积分器[8]。本文采用一阶有源环路滤波器构建二阶理想PLL,产生修改VCO输出频率的控制信号,其传输函数可表示为:

式中α>0,输出控制电压用uc(t)来表示。

VCO是一个有线性控制特性的调频振荡器,其自由角振荡频率ω0在工作区间内随控制信号做线性变化,是控制电压信号的线性函数[9],增益可表示为外部辅助电压可采用三角波形,斜率为。由上述分析可建立辅助环路的基本模型如图2所示。

根据辅助环路的基本模型可知:

式(4)表示环路的闭环相位误差[10],鉴相器将输出误差信号加到环路滤波器的输入端,通过对环路滤波器的输出控制电压信号uc(t)进行微分可得:

环路滤波器输出控制电压信号与外部辅助电压相加后作用于VCO,由于角振荡频率ω0在工作区间内随控制信号做线性变化,所以可对VCO输出信号相位进行微分得:

式中,三角波形辅助电压的斜率,取决于VCO中心振荡角频率ω0与输入参考信号载波角频率ωi之间的大小关系,最终目的都是要达到输出信号与环路输入信号频率的一致。因此在辅助电压作用时间内,对式(4)进行求导可得:

由式(5)和式(7)可以求得:

式中,令K=KvUiUo表示辅助环路的环路总增益,表示环路的时间常数,则式(8)可以化简为:

在式(9)中移项且两边同除以K2整理可得:

通过观察式(10),如果定义则式(10)可表示为:

令式(11)中可得环路的稳定平衡点

不稳定平衡点

式(12)和式(13)中锁定点消失,环路不存在锁定的可能性。所以是环路存在锁定点,即能维持锁定的必要条件。

2 性能分析与仿真

本文采用MATLAB中基于runge-kutta算法的四阶五级功能函数ODE45,编写程序对微分方程,式(11)进行求解,在辅助环路的基本参数取不同值时,可以得到不同的环路相轨迹与时间响应图,在环路的初始相差取不同值的情况下,如图3、图4、图5所示:其中线I至VI分别为

由图3可知,在环路初始相位误差一定,固有频差取值为1.5~2.0时,辅助环路的6条相轨迹曲线都可以锁定,同时证实了式(12)的正确性。但可以看出时的相轨迹曲线与其他5条有明显差别,明显向相平面的鞍点靠近,局部不够平滑;与保持不变的情况下稍微增大环路的固有频差,如图6所示,在时的相轨迹曲线已不能锁定,同样与式(13)的结论相符。根据环路的相轨迹和时间响应曲线图3、图4、图5可知在初始相差与环路固有频差都不变时,随着的减小,环路的捕获范围也逐渐减小,频率和相位捕获时间明显增加。由式(10)和式(11)的相互关系可知,相位与频率的快速捕获,是建立在环路总增益取值比较低的基础之上的,或者通过增大辅助电压R与低通滤波器的参数来缩短捕获时间。但是需要保证,否则式(12)、式(13)无解,环路将永远不能锁定。从图6、图7、图8所显示的环路相轨迹曲线可知在环路参数与一定时,由于捕获带宽是保证环路进入锁定的最大固有频差,根据定义可知:即环路的捕获带随初始相差的增大而不断增大。

3 结论

文中采用MATLAB软件编程,实现了对辅助环路模型的性能仿真,通过对辅助环路的性能分析与仿真,可以看出辅助环路与传统环路相比具有很大的优越性和实用性,而且通过辅助电压大小的选择能更好地解决环路带宽所引起的噪声抑制和频率牵引之间的矛盾;在工程实践中对于辅助环路设计以及参数的选择,都具有一定的指导意义。因此,PLL中辅助捕获的研究必将会引起科研工作者的广泛关注。

参考文献

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