三维仿真分析

关键词: 机械 课程设计 原理 课程

三维仿真分析(精选十篇)

三维仿真分析 篇1

关键词:机械设计,三维模拟,仿真设计,分析

0 引言

传统机械设计的弊端相对比较明显, 总是会因为图纸的问题或者是意见的分歧造成设计的过程中相对滞后, 也会因为设计中存在的一些缺陷造成生产过程中的问题, 从而影响了整个流水线的发展。计算机模拟仿真技术, 是现代化技术中应用最为广泛的技术之一。尤其是在机械设计以及机械生产领域中, 有着举足轻重的位置。计算机模拟仿真技术, 利用强大的计算机技术平台, 实现了对机械设计中的仿真与模拟, 从而打破了传统机械设计的桎梏, 并成功的提高了设计的效率, 实现了高效的机械设计。

1 机械设计的三维模拟设计

计算机技术的发展, 带动了诸多行业的发展, 尤其是机械工程行业中, 计算机技术应用十分广泛。三维模拟是计算机平台开发的一种模拟技术, 基于立体几何原理, 通过对现实物体的模拟, 从而建立虚拟平台的模型。三维模拟可以模拟现实世界的立体物体, 从而保证了对于现实物体的真实还原。计算机三维模拟技术, 在一定程度上实现了对现实世界的还原, 并且能够将现实物体进行真实模拟, 实现对现实事物在虚拟世界中的改变和呈现。那么, 对于机械设计而言, 如何更好的利用计算机三维模拟技术呢?

首先, 机械设计中经常需要对设计方案以及设计产品进行构思与小样的设计, 传统的机械设计中最为重要的是图纸, 而设计工程师更多的也是采用传统的纸笔方式进行机械产品的设计, 这种方式不仅仅工作效率低, 而且非常容易因为一点的疏忽而造成返工, 极大的增加了设计工程量。因此, 采用计算机三维模拟技术, 就可以突破这样的瓶颈, 利用三维模拟平台, 就可以实现对于机械产品设计的图纸设计, 而且可以随时修改, 极大的提高了工作效率。

其次, 机械设计中, 需要进行一定的实物呈现。在市场调研中, 经常会遇到对于机械产品的实物样本考察的需求。但是, 在机械设计阶段, 并不能直接进行样本制作, 这样就造成了在生产环节中的滞后。而采用计算机三维模拟技术就可以很好的解决这样的问题。计算机三维模拟技术, 可以通过将机械产品的理念以及样本进行模拟展示, 从而在计算机平台中, 更加直观的展示给客户样本信息, 从而提高了机械设计的实用性。

最后, 计算机三维模拟技术, 可以根据相关性的原理, 进行高效的机械设计。例如, 在机械设计的过程中, 经常会遇到相似产品或者是理念类产品的设计。那么, 利用三维模拟技术, 就可以非常直观而形象的进行产品外观扫描, 利用计算机模拟技术平台, 将产品设计理念和设计的架构最高效的进行视觉展示, 并进行后期的处理与修改, 即可很快完成类比产品的设计方案

2 机械设计的仿真设计分析

计算机的模拟与仿真, 是非常紧密的。两者在一定程度可以认为是一个连贯的过程。以上对于计算机三维模拟的分析中, 阐述了其在机械设计中的优势和作用。那么, 仿真的优势则建立在模拟的基础上。在机械设计的过程中, 经常会遇到一些棘手的问题。比如, 一个机械产品的设计, 如何能够更加真实的展示呢?三维模拟给予了设计者最直观的视觉体验, 但是如何能够让机械设计的理念更加鲜活的动起来, 从而让设计者将自己的设计理念以最为直观的方式传达给审核部门。那么, 仿真技术就非常高效的完成了这样的操作。在仿真的过程中, 就是将机械设计的理念和产品模式进行真实再现的过程中。例如, 一件机械产品的设计, 其功能的实现, 后期的维护以及各项参数的体现, 都可以利用仿真设计技术来予以实现。因此, 机械设计中, 仿真设计就是将无法在设计阶段展示的内容予以展示。仿真设计, 甚至可以实现对于机械产品在使用过程中的操作予以展示, 从而让设计更加的高效和有效。总之, 机械设计过程中, 仿真设计极大的丰富了机械设计的内容, 也最大限度的提高了机械设计的效率, 从而保证了整体生产的流水线化。

总之, 充分合理利用计算机模拟仿真技术, 在一定程度上加快了机械设计的发展步伐, 也改变了传统行业中的一些固化模式。因此, 计算机三维模拟以及仿真设计, 对于机械设计而言, 是划时代的结合。

3 结语

本文通过对机械设计中遇到的问题以及弊端进行分析, 从而结合计算机三维模拟仿真设计技术进行了结合性的分析。从成功的案例以及技术理论层次分析, 计算机的三维模拟以及仿真技术, 都在一定程度上提高了传统机械设计中的效率问题。高效化是未来机械设计以及生产领域中最为直接也是最核心的要求。那么, 实现高效化, 实现机械设计的高效化就应充分的利用计算机的三维模拟以及仿真技术, 从而将机械设计的效率提升, 实现真正高效的机械设计。

参考文献

[1]高辉, 陈再良, 吴电礼, 张鑫.基于Pro/E的四连杆机构运动仿真设计[J].苏州大学学报 (工科版) , 2010 (03) :47-49.

[2]樊登焕, 方孟周.基于CAD/CAM技术的调压阀阀体虚拟加工仿真[J].煤矿机械, 2010 (06) :99-101.

油田钻井平台三维应急仿真培训系统 篇2

油田钻井平台三维应急仿真培训系统

油田钻井平台三维应急仿真培训系统是一套针对油田钻井安全生产以及应对突发状况,快速进行应急指挥救援以及模拟演练的综合培训教学系统。北京金视和凭借与国内多家大型油田合作经验,研发出以油田钻井生产过程中突发状况的应急指挥、快速救援、预案模拟以及安全培训等内容为重点,准确的将油田钻井等真实场景的以三维立体的形式展现,可预演模拟各种突发事故。做到快速、准确、高效处理突发事故,保障油田钻井正常的安全生产。

三维仿真分析 篇3

摘 要:从对比实验分析仿真人台与老式人台存在的差异,得出仿真人台的优越性和实用价值;通过应用实践分析总结仿真人台对服装造型技术产生的影响

关键词:仿真人台 三维扫描 服装造型

一、仿真人台——我们的需要

“工欲善其事,必先利其器”。为人体作包装的服装设计师、板师应以了解、熟悉人体的形态、体表结构为必先,但这在以前只能是个愿望,没有可供操作的仿真人台,现实中的人台与真人有较大出入,在上面裁剪的服装与人体结构不相匹配,即使是有经验的立体裁剪师,往往也要对板型做出较大的调整。成衣的设计、打板基本是在平面上凭感觉按经验行事,对人体的认知往往就局限在几个部位的尺寸上,服装造型技能欠缺,从而带来服装结构、形态上的偏差,尤其是高度贴体而又要求舒适的板型(如韩板)普遍存在着误区。至于定制时装,制板的难度就更大,客户群体型复杂,而测量工具仅是一根软尺,测量几个部位,这对于某些体型,尤其胖体是远远不够的。有些部位不是软尺所能测量的,定制时装市场的板型要高端化似乎也还只是个愿望。

不久前,因为工作的需要,我们有幸使用上了国外某公司的三维扫描女式仿真人台(图1),多年的愿望得以实现!

此类人台之所以能仿真人体型,是因为采用了三维式的毫米波扫描仪,能够穿透人身上的衣服而取得人体扫描数据。整个扫描过程只需1分钟,便能量取45个部位的尺寸。在对测量数据进行分析后,进行逼真的人体三维建模与电脑开发,最终制造出一个真人的“替身”般的人台。

这类数字化的三维人体测量方法以及仿真人台对于走高端定制时装之路的商家和客户,尤其是胖体客户无疑是个大福音。我们这些井底之蛙殊不知:由于三维测量的加入,在某些发达国家,个体定制服装已延伸为批量定制。法国从1995年来三维扫描仪测量了5万名海军,由系统自动计算出每个人的服装尺寸,综合、细分体型,自动生成服装系列组合,最后生产出适合每个人的“定制海军装”。

我们最关注的是为大众服装造型、设计、试衣所使用的仿真人台。毫米波扫描器锁定服装企业的目标市场群体,就能为公司提供该群体核心体型的数据,制造出这个群体的仿真标准人台。图1的仿真人台是某公司在我国三维扫描测量了4万个人体尺寸以后建成的,号型为163/84/70/92。在这个人台上操作的感觉与以往的老式人台大有不同,颇为得心应手,对于人体又有了新的认识,所以我们认为仿真人台对于服装行业具有划时代的意义,下面将其与老式人台作一对比。

二、仿真人台与老式人台的上半身长度和颈围比较

与仿真人台比较,我们常用的老式人台就相形见绌,在尺寸、结构上大相径庭(图2):

1.仿真人台与老式人台的上半身长度比较

将两人台的WL置于同一水平线上,老式人台在SNP处下了2.5cm,即腰节短了2.5cm;

将两人台的SNP置于同一水平线上,老式人台在HL处上了5cm,也就是说上半身短了5cm。

为什么都短了?

(1) GB《服装号型》的误导, 老式人台是照搬它的尺寸。

(2) 美学上的追求,缩短上部,拉大上、下身之比。

GB《服装号型》是根据手工测量的人体尺寸建立、1988年开始统一实施的国家标准服装号型,手工测量的精确度显然是不够的。再加上这20几年来,国人的体型发生了很大的变化,这个号型早已不合时令。至于美学上的追求,要根据款式需要来定,如贴体型上装的WL可上提2cm,下装的HL高度则必须按真人的尺寸定位。凡本人工作过的公司,人台都有增加一条下落5cm的HL,如图2的黑色人台所示。

但是清楚这些内因的人毕竟是少数。GB《服装号型》、削足适履式的老式人台误导了许多人。

2.仿真人台与老式人台的颈围比较

仿真人台与老式人台的颈脖形态、尺度有很大差异。仿真人台的颈围为34cm,比较适中;老式人台的颈围有36cm。我们将两种人台的颈围作一立体比较:用白纸贴着老式人台颈脖裁剪颈围线,然后再转贴到仿真人台上,颈围一圈就都显大,横领口宽出了0.8 cm,在后中落下了0.5 cm (图3)。领口是个关键部位,该部位尺寸、形态不对,必然会影响整个款式的结构平衡,对于领围尺寸要求严格的制服、职业装的领口尤其不能有毫厘之差。

据以上之对比,原有的某些定论、概念要重新界定。GB《服装号型》早就该重新修订了——首先是人体测量手段要现代化。作为服装造型用的人台的尺寸应追求正确、真实,仿真人台还了我们一个真实。至于美学上的追求,要在造型中去体现、表达。

三、建立科学的服装人体概念,促进造型技术的提升

现实中不乏这样的例子:服装规格没错,但是形态欠佳,前翘后吊,领、肩部位不服帖、不合体。合体性差了,就会导致成衣的压库或短缺,成为困扰商家与消费者的一大难题。合体,应该是服装的一个基本品质。然而板师们一而再,再而三的修板,结果还是知其然而难知其所以然。不少板师是从工厂流水线上的技术工或样衣工转型而来,经过短期培训班的简单技术培训便开始了制板工作,在专业上存在着较大的盲区,在人体与服装的内在联系上难以做到融会贯通。

仿真人台还原了人体的自然形态,使人们对人体的了解能落到实处,静下心来研究,弥补这方面的缺憾。许多逼真的细部形态给予我们很多启示,这对于造型技术入门、成败至关重要。为此理出几项以供参考(图4)。

立体裁剪,是横跨设计与技术领域的极其重要的造型手段。直观的操作也是让人知其然又知其所以然的上佳途径。掌握了立体裁剪技术,能把一块块布组成一个像样的款式,修正现成的样衣、样板又有何难!当然,还要有好的人台为前提! 仿真人台,它使用记忆棉作材料,不易变形;可以拆卸,方便操作;组件齐全,使立体裁剪从头到脚都有依据,都有比照对象,让操作者心中自然有数,在造型的同时又增加了对服装人体的认知。因此用仿真人台立体裁剪具有其他人台无可比拟的优势,下面就谈谈我们的体会:

裁剪领子时最好装上头模,那样有助于设计与定位。裁剪帽子则更离不开头模(图5)。

衣身裁剪: 长外套、连衣裙要在全人台上操作,一般上衣可只用其上部,搁在小矮柜或凳子上,因为人台的底座平整,重心稳定,操作也稳当。衣身是服装的主体,造型要讲究轮廓分明, 转折有方,合体舒适。仿真人台在锁骨、肩胛骨、腰下赘肉等处似乎都在提示操作,要美观得体,动静兼顾,结构平衡。在关键部位都有水平线标记(水平围度线就是按标记线连接而成),比老式人台多了下胸围、腹围、腿围等围度线。就是在下胸围至腿围这一段,仿真人台比老式人台要复杂、真实得多。所以对于设计师、板师而言,操作就像是与真人对话,感觉踏实,板型的可信度高(图6)。

手臂有长、短两套,非常逼真的长手臂,又能作360°旋转,也给各种袖子造型带来极大的便利(图7)。

裙子是在全人台上裁剪(图8)。因为有双腿作支撑与比照,空间塑型就比较方便,裙装的长度和摆围尺寸就容易设定。

任何新生事物都不是一开始就很完美的。从形态、规格着眼,仿真人台的腰、臀围偏大、偏中老年化。70cm的腰围再压缩掉4cm不成问题,还能增加卖相。还有一些细部需要商榷改进,如左腿断面缝可以上升至大腿根部,那样立体裁剪裤装就方便得多。

任何新、高科技产品如服装CAD、电脑在开创阶段都是价格不菲,这外来的仿真人台、还有那三维扫描仪亦如此。但是我们又是如此迫切的需要它们。它们能促进整个服装行业造型技术的提升,大大提高工作效率,增加行业发展的正能量,这是大势所趋。我A们殷切期待我们国家在这方面能加快开拓步伐,将有关大企业、大商家、科研院校、行业精英、有识之士们联合起来,同圆这个梦!

作者单位:福建泉州黎明职业大学轻纺工程学院

气流成网机流场三维仿真分析 篇4

气流成网是生产非织造布的一项重要技术, 多用于生产薄型非织造布, 产品广泛应用于各个领域中。随着非织造产业的飞速发展, 气流成网机向着高效、高速、宽幅、高适应性发展[1]。气流成网均匀度的关键技术是要处理好气流和纤维之间的关系。气流流场是气流成网机中的关键部分, 气流直接影响纤维在流场中的分布, 对成网质量有直接影响。目前, 国内外学者主要致力于成网工艺和机械结构的研究, 流场的仿真分析还处于探索阶段。

传统的梳理成网方式产量低, 成网不均匀、各向受力不均衡, 主要适用于长纤维的成网。和传统的成网方式不同的是, 气流成网方式制取的纤网, 纤维在纤网中呈三维分布, 结构上属于杂乱度较高的纤网, 物理机械性能上基本显示各向同性的特点, 在任意方向上都具有抗拉伸或抗剪切的强度和刚度。加工出来的产品纵、横向强度差异小, 一般约为1.5:1, 产品柔软、蓬松。气流成网机取代了传统的梳理机及交叉铺网机, 将适用的原料种类广泛的延伸到许多传统机械所不能操作的领域中, 同时也将生产成本大幅度降低[2]。

经广大研究者的多年努力, 解决成网均匀度问题的办法层出不穷, 但目前还没有学者在流场参数上进行研究。气流成网机流道参数直接影响非织造布的生产效率和产品质量。如果流道参数取得不当, 产品会出现云斑, 裂口, 孔眼等[3]。本文对气流成网机的流道适当简化, 利用GAMBIT软件建立了流道的CFD三维模型;流道内部空气动力学分析;参数正交试验和流场分析。从复杂的流体运动状态中考察影响因素, 探索改进的方法, 来考察不同参数对流道中的剥离纤维气流速度V的影响, 分析实验结果和模拟结果。利用参数正交试验找到最优参数组合, 使成网质量最优。

1 气流成网机的结构及流道参数

1.1 气流成网机结构

本论文研究的气流成网机以工业上广泛应用的K12型组合式杂乱梳理型气流成网机为对象。其机械结构如图1所示, 纤维原料从纤维输入网帘进来, 梳理部分由四个工作罗拉2和一个高速旋转的锡林1组成, 对纤维进行分梳和剥取, 梳理后的纤维呈单纤维状态。气流成网区包括两个风机3和6、挡风板4和风罩外壳。成网方式采用压入、抽吸结合形式, 离心风机3产生的是“压入风”, 轴流风机6产生的是“抽吸风”, 挡风板4可以左右移动, 调节板面和风罩之间的风量大小。单纤维状态的纤维束在锡林产生的离心力作用下脱离针布, 同时在吹入气流和抽吸气流的联合作用下落到纤维输出网帘上。为保证成网后的纤维平整, 输出部分有压棉棍5。

1.锡林;2.工作罗拉;3.离心风机;4.挡风板;5.压棉辊;6.轴流风机

1.2 气流成网机流道参数

根据生产经验发现流道内有四个重要参数与成网质量有关, 这四个参数分别是:离心风机入口速度V0、轴流风机出口压力P、挡板和流道之间的板距S、锡林嵌入流道内的距离D, 如图2所示。

本文对流道的四个重要参数进行了一系列的模拟分析, 考察它们对剥离纤维气流速度V的影响。高速旋转的锡林在离心力作用下使纤维从锡林针尖脱落, 剥离纤维气流速度V应接近锡林表面线速度, 剥离气流的运动方向应为锡林的切线方向, 此时气流有助于纤维伸直, 成网效果最佳。

2 气流成网机的流场模拟仿真

2.1 空气动力学分析

气流成网机流道内是空气气流, 满足流体的连续方程。空气为可压流体, 可压流体的连续方程中含密度ρ, 因而可把密度ρ视为连续方程中的独立变量进行求解。连续方程又称质量守恒方程:

式中:X、Y、Z分别代表空间坐标系三轴的正方向;U、V、W分别代表X、Y、Z方向的速度。ρ为密度, t为时间。

气流成网机的流体是牛顿粘性稳态湍流流体, 流体是各向同性且u, ρ为常数, 其动量守恒方程 (N-S方程) 在直角坐标中为[4]:

式中:Fx、Fy和Fz分别表示单位体积的体积力F在X、Y和Z方向的分量;μ为动力粘度;p为静压力。

湍流出现在速度变动的地方, 绝大多数的流动现象都属于湍流。这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化, 而且引起了数量的波动。k–ε双方程模型被广泛应用已经超过二十年, 它是基于漩涡粘度各向同性的假设基础上的经验模型。与零方程湍流模型和单方程湍流模型相比, k–ε模型具有更经济、更准确、使用范围更广泛等优点。

本研究采用标准k-ε湍流模型方程, 其中湍动能k方程和湍流耗散率ε方程分别为[5]:

式中:Cμ、σk、σε、C1、C2为常数。

2.2 气流流道的简化模型

本研究以工业上广泛应用的K12型组合式杂乱梳理型气流成网机为对象进行分析。由于气流成网机中流道的实际形态比较复杂, 为了建模的方便, 在仿真分析时需要在不影响分析结果的前提下对模型进行一定的简化, 这样可使网格划分变得相对简单。在对气流流道进行建模时, 以离心风机下方与挡风板上方做截面, 轴流风机的吸风口做截面, 锡林外圆和流道外壳近似封闭当做封闭处理。其结构尺寸如图3所示。

2.3 网格划分与边界条件

FLUENT作为时下最先进、最流行的CFD商用软件, 对模拟二维、三维粘性流体流动、传热传质方面有着独特的优势。结合气流成网机风道流体流动的特点, 本文选择FLUENT 6.3作为本研究的CFD数值分析工具软件。

利用软件Pro/E建立气流成网机气流流道的三维模型, 将模型以ACIS格式导出。再将ACIS文件导入FLUENT的前处理软件GAMBIT, 物理模型划分区域将生成混合网格。最后, 将GAMBIT输出的Mesh文件导入求解器FLUENT6.3.26, 检查网格, 选定三维单精度求解器, 选择物理模型, 设置边界条件。湍流模型选择标准k-ε模型下的k-epsilon[2 eqn], 其他保留默认值, 不考虑传热因此不用设置能量方程。求解器的控制设置为非耦合隐式求解 (Segregated Implicit) , 因子采用默认值, 压力插值Second Order格式, 其他变量离散化均为二阶迎风格式。

根据流道中气流流动特性以及流道结构复杂性, 本例采用非结构化网格方式进行网格划分。在流道网格划分中, 主要采用四面体网格, 个别位置采用楔形体网格和椎体网格进行混合网格划分, 变量梯度大的局部区域进行网格加密处理。最终得到网格模型如图所示, 总共生成网格526504个, 1084867个面、103719个网格节点, 生成的网格模型如图4所示。

3 结果分析

3.1 流场仿真分析

利用FLUENT提供的可视化图形工具可以很方便地观察求解结果, 并得到满意的数据和图形, 用来定性或者定量研究整个计算。本文研究了气流成网机流道内流体动力学特性, 分析了空气流道内压力分布、速度分布情况和不同参数下的剥离气流速度大小。为了更清晰地观察到流道内部的流场信息, 建立了沿出流场口方向的中心截面, 明显看到流道内部流体的速度分布不均、压力分布不均的现象。由速度矢量图5可知, 流道内较大流速主要分布在挡风板顶端、锡林外壁和吸风口上端;流道内挡风板右侧流速很小, 因为右侧不封闭, 与大气相连, 气流大部分流经挡风板左侧, 剥离锡林上的纤维束。由压力云图6所示, 最小压力集中在底部, 因为风道出口的轴流风机产生的是负压力;压力较大的部位集中在挡风板顶部和挡风板左侧而右侧的压力较小, 因为入口离心风机产生的气流流经挡板右侧后进入大气中, 仿真结果与实际情况相符。

以入口速V0=4 m/s, 挡板和流道之间板距S=15mm, 锡林嵌入流道距离D=54mm为前提条件, 分别给出四个不同的出口压力-500pa、-700pa、-900pa、-1100pa、-1300pa进行模拟仿真。随着出口负压P不断增强, 气流剥离速度V不断增大, 如图7所示。

在入口速度V0=4 m/s, 挡板和流道之间板距S=1 5 m m的前提下, 分别设定锡林嵌入流道距离D=45mm、50mm、52mm、54mm、59mm进行模拟仿真。得到锡林嵌入流道距离——剥离气流速度图呈开口向下的曲线, 剥离气流速度V随着锡林嵌入距离D的增大先增大后减小, 当D=50mm时锡林嵌入距离对增加剥离气流速度的影响最显著, 如图8所示。

在出口压力P=-900pa, 挡板和流道之间板距S=15mm, 锡林嵌入流道距离D=54mm的前提下, 分别设定入口速度为3m/s、3.5m/s、4m/s、4.5m/s、

5m/s进行模拟仿真。入口速度与剥离气流速度基本呈线性关系, 剥离气流速度随着入口速度的增大而增大, 如图9所示。

在出口压力P=-9 0 0 p a, 锡林嵌入流道距离D=54mm, 入口速度为4m/s的前提下, 分别设定挡板与流道板间板距S=10mm、13mm、15mm、20mm进行模拟仿真。剥离气流速度随着板距的增大而减小, 如图10所示。

3.2 正交试验分析

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法, 它根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验, 这些有代表性的点具备了“均匀分散, 齐整可比”的特点。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。正交试验的基本特点是用部分实验代替全面试验, 通过部分试验结果的分析了解全面试验的情况。

对于多个因素变化制约一个事件的变化, 为了弄清楚哪些因素重要, 哪些因素不重要, 因素之间怎样搭配会产生理想值, 必须通过做实验验证。单因素或者两个因素的试验, 试验的设计与分析都比较简单。但在实际工作中, 通常需要考察3个或3个以上的试验因素, 若因素较多, 每种因素又有很多变化值, 全面试验规模会非常大, 难以实施。正交试验设计就是安排多因素试验, 寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法[6]。

根据上面对流场参数曲线分析, 四个因素对成网质量都有较大的影响, 因此将它们确定为正交实验的实验因子。确定完正交实验的实验因子后, 各因子的水平选取也很重要, 它也会直接影响到实验的效果, 本正交实验的水平数经考虑选定为三。挑选出具有代表性的水平参数点:入口速度分别取3m/s、4m/s、5m/s;出口压力分别取-900pa、-1100pa、-1300pa;锡林嵌入距离分别取45mm、50mm、54mm;板距分别取10mm、13mm、15mm进行四因素三水平的正交试验。根据因子数和水平数来选择合适的正交表, 正交表L9 (34) 符合选择的标准, 表示需作9次实验, 可观察4个试验因素, 每个因素均为3水平。试验指标是剥离纤维的气流速度V, 剥离气流速度与锡林的线速度越接近成网质量越好。根据表1所示气流成网机的主要技术指标, 可以知道锡林的线速度为2470m/min≈41m/s, 也就是说试验指标越接近41m/s, 成网效果越好。利用FLUENT流体仿真软件, 更改模型结构和参数设置, 考察剥离气流速度, 得到9个试验组的数据, 其中第7号试验数据最佳。

3.3 仿真结果验证

对比结果如图11所示, CFD计算出的剥离气流速度的最大绝对误差为3.47m/s, 最大相对误差为17%, 平均相对误差为5.7%, 且分布趋势与实验结果基本相符。

4 结论

本文提出用计算流体动力学软件FLUENT对气流成网机的空气流道仿真分析, 找到了提高剥离纤维气流速度的方法, 得到流场参数最佳组合。

提高剥离纤维气流速度的办法:一方面可以增加轴流风机的负压、增加离心风机的风速;另一方面可以调整锡林和挡风板在流道中的位置, 锡林嵌入流道距离为50mm时能最大提高剥离气流速度;减小挡风板和流道板距也能提高剥离气流速度。

利用FLUENT软件模拟流场可以模拟多参数多水平的正交试验, 经过求解计算可以有效分析多参数组合下的剥离纤维气流速度。通过正交试验可以得出, 当离心风机入口速度为5m/s、轴流风机出口压力为-900pa、锡林嵌入流道距离为54mm、挡板与流道板距为13mm时, 成网的均匀度最佳。本文的实验和研究对实际生产中气流成网机参数设置具有一定参考价值, 能有效提高成网产品的均匀性。

参考文献

[1]徐祥.浅谈气流成网机的技术改进[J].产业用纺织品, 2008, 10:19-21.

[2]钟刚, 王敏.气流成网机的技术研究和改进[J].产业用纺织品, 2008, 03:15-18.

[3]孙晓俊.改善气流成网均匀度的途径[J].产业用纺织品, 2002, 05:28-29.

[4]丁徐亮.酸再生系统喷嘴数值模拟及结构参数优化[D].华东理工大学, 2014:39-40.

[5]张师帅.计算流体动力学及其应用—CFD软件的原理与应用[M].华中科技大学出版社, 2011.1:8-9.

三维仿真分析 篇5

三维气流数值仿真中悬浮边界面处理技术的研究

气流组织是空调房间内空气的分布、流动形式,主要反映在气流的温度、湿度、气流速度和清洁度等指标,是否符合行业标准规定的空调房间的要求.气流组织可以通过数值计算理论、计算机仿真技术给予实现.以一个典型的变风量中央空调房间为研究基础,以该房间内的送、回风口边界面为研究实例,通过分析、研究悬浮在房间立体内的送、回风口的`数值仿真方法,运用实体造型技术,设计出在房间立体与悬浮边界面之间的拓扑关系,使两者成为一体.然后该处理技术经过数值仿真实例的验证证明是合理的、可行的.

作 者:LUAN Ru  作者单位: 刊 名:系统仿真学报  ISTIC PKU英文刊名:JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION 年,卷(期): 20(13) 分类号:O1TP 关键词:气流组织   悬浮   边界面   数值仿真  

三维仿真分析 篇6

关键词:VB;仿真软件;三维对象

中图分类号:TP311.52 文献标识码:A 文章编号:1007-9599 (2012) 10-0000-02

当前CAD开发工具一般可分为两种,其中一种是基于OLE Automation,这是一种第三方运用工具,例如在Solid Edge开发的VB模块,另外一种就是仿真软件自身所拥有的平台,例如Pro/E自身的开发工具,UG自身的API。通过对这些软件进行开发和运用,可以提高仿真软件的应用率,在设计和开发的过程中的兼容性是非常重要的,因为开发的新版本和新功能要是在原始版本上进行分析和运用,由此,可以肯定的说将来求变求创新是仿真软件的亮点和难点[1]。

一、Solid Edge软件特点

(一)友好的用戶界面

Solid Edge采用SrnartRibbon界面技术,用户操作时,可得到命令的具体内容、详细步骤及下一步工作内容等信息。同时Solid Edge自带了制作精良的教程(Tutorial,引导用户由浅入深地学习。

(二)二次开发

Solid Edge在OLE2的一些标准上保持对VB开发软件的应用提供一定的便利性,这样可以更好地运用VB进行二次开发,编写具有自己企业特点的应用程序。

(三)参数设计技术和特征技术

Solid Edge是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统,是专门为设计人员开发的、易于理解和操作的实体造型系统,它完全执行设计工程师的意图。专业设计人员完全可以利用参数技术,完成几乎任何机械零件或装配件的造型。

(四)先进的基于特征的造型技术

Solid Edge采用特征造型技术,记录了设计的全部过程,工程师可在特征管理器(Feature Path Finder)中方便地浏览、修改特征,甚至改变特征的次序。

二、VB与仿真软件

来自EDS公司的Solid Edge仿真软件是一个功能非常强大的三维CAD软件,Solid Edge是为机械设计量身定制的一款设计软件,装配体设计到工程制图,各种功能无所不在,装配造型无与伦比,通用零件造型功能强大,它可以使机械产品、加工产品以及机电产品等设计者方便快捷地创建、记录和共享产品知识,这一功能是管理实现的。Solid Edge由于其创新功能和使用快捷方便性,成为世界上成千上万的公司首选应用软件。

根据多年来的研究,Solid Edge仿真软件系统一般应具有以下特点:(1)模块化的体系结构。系统应该按照一定规则划分为若干个子模块,各模块相互独立,实现自己的功能,模块之间通过简单的接口联系起来。模块化是开放式Solid Edge仿真软件系统实现开放的基础。(2)统一的接口标准。系统各个构成要素之间应该有完善的,统一的接口标准。来自不同厂商的产品,只要遵循这个标准,就可以方便地集成到系统当中。接口标准是实现系统集成的关键。(3)动态的系统配置。用户可以根据自己的需要定义系统的功能,决定系统的复杂程度,并且可以选用不同厂商的产品,配置出具有个性化特征的Solid Edge仿真软件系统。(4)方便的升级与维护。当系统中的某一个模块出现问题时,可以很方便地选用新的模块替换它;当某一模块的功能需要增强时,只要保证原有接口不变,添加新的接口即可;当系统需要添加新的功能时,只需保证原有模块不变,增加新的功能模块即可。(5)良好的外部接口。能与其它的Solid Edge仿真软件系统甚至是企业的其它软件如CAD, CAPP等实现互操作。

总之,通过以上分析可以看出VB开发仍然是Solid Edge的基本开发手段,它适合一般开发者用于较为简单交互性程序的开发。ASS将逐步被更为完善的AR.所取代。VB则成为Solid Edge用户二次开发的另一支生力军。Solid Edge提供的开发手段让各类开发者都能有适合于自己的开发工具。

三、VB在仿真软件中操控三维对象的实现

与成熟的软件开发,软件为用户提供二次开发平台,使用户需要设计和开发新的模块,以满足用户的多方面需求。开发完成后,使用不可避免地希望用户设计一个模块加载到软件。模块的二次开发使用更加频繁,可以考虑进入菜单,使[3]。

适用于机械零件,部件和公用部分的系列的设计方法,申请表格驱动器几何。通过分析夹具零件数据,每个组的部分,以建立一个数据库,每个数据库有一个相应的数据表。各种设计相关的数据是约40余种规格表的形式存储在数据库ACCES,建立,每个表都有一个独立的名字,相同的表结构的数据库及其数据之间。创建联系人记录表中的设计模型,通过在不同的表的记录,以改变几何形状的目的之间的访问。

程序下载一般使用USB、UART数据口,也可以使用前面介绍的JATG进行程序下载。USB口为通用标准的数据口,计算机的UART一般为RS232的,和终端处理器的UART不能直接连接,需要作电平转换或转USB口进行。

如果VB工具运用不当,仿真软件开发失误,很难保证系统的实时性。为提高实时性能,可采用双CPU主板提高运算速度与多任务管理能力。采用WINDOWS平台软件进行实时任务分配和调度,可充分发挥系统性能,同时对WINDOWS进行实时扩展,就能完全在简单可靠的硬件平台下完成高性能的实时任务,这也是今后实时控制发展的一种趋势。

在Solid Edge以上的版本中,3D多义线如果你不使用PEDIT命令曲线拟合处理产生长波折线。在图形数据库中的一个长波折线作为一个单一的图形实体的定义,标准线被定义为一组子实体。半径与程序表达式的成功,很明显,双表点落在主题的弧段,有没有必要需要落在主题的弧段,因为这点的作用是唯一确定的半径尺寸线的方向,这本手册互操作的不同。在实际工作和技术交流。经常会遇到的幻灯片放映功能,将需要在轻量级的图片(方便传输)和图像(保护显卡不被修改),除了图形可以保存网上的格式,提供的Solid Edge是一个不错的选择解决这个问题:Solid Edge的系统脚本文件可以自动执行一批一系列的命令,以自动绘图为Solid Edge成为现实。非圆齿轮节曲线和极角变量编程计算加工刀具的位置。极角截面曲线均匀分布,通过编程计算,每到一个统一的增量极角,相应的加工刀具沿滚动螺距曲线和旋转数据产生的新位置的工具模型。部分程序代码如下:

在struts-config.xml文件中,与"save.do"对应的代码为

name="courseForm"

parameter="SAVE"

path="/Course/save"

scope="request"

type="com.lixin.graduate.controller.CourseAction"

validate="true">

……

Context ctx=null;

DataSource ds=nul

SysLog log=null;

//構造函数

public UserMan()

{

//从连接池中获取数据库连接

try(

ctx=new InitialContext();

ds=(DataSource)ctx.lookup("documents");

}

catch(NamingException e) {

e.printStackTrace();

}

综上所述,以上通过以VB作为一种一切工具,对零部件加工中的三维建模参数和仿真进行开发与应用,这样不仅能够对此零部件有了大体上的认识,而且通过利用VB对一些软件例如UG、ANSYS等大型的有限元分析软件进行开发,有利于仿真软件的多功能化,应用性增强。

参考文献:

[1]王洪欣,李木,刘秉忠.机械设计工程学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001:105-106

[2]张艳,等.Visual Basic程序设计教程[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001:98-102

三维仿真分析 篇7

关键词:机械原理课程,教学改革,基于项目

一、前言

随着计算机技术的飞速发展和各类机械设计分析应用软件的不断进步, 机械工程师越来越离不开各种应用软件的辅助。而机械原理作为机械技术基础课, 面对中国制造2025的强国目标, 也迎来了与时俱进的挑战。如何将机械原理的教学与实践相结合, 建立“服务制造”的教学理念, 已成为应用型本科一线教师重要的研究课题。课程组全体教师在全局规划、分段攻克、宽严结合的原则指导下, 对机械原理课程进行了整合和改革。

二、改革授课内容, 与课程设计并轨

随着多媒体教学手段的应用, 大幅的文字板书, 受学时压缩的限制, 学生无暇去记录, 渐渐失去对学习的兴趣。如何调动学生的积极性, 充分利用课余时间, 变被动教学模式为自主学习模式, 显得尤为重要。

1.调整教学内容顺序。课程组在充分调研的基础上, 根据课程设计所需, 调节教学内容和授课重点, 向解析法倾斜。制作生动的案例进行讲授, 提高学生的学习兴趣。

2.改革大作业, 承接课程设计。将课程设计的内容分解, 融于大作业题目, 解决课设的设计难点。如讲解连杆机构的综合时, 给出课程设计原始设计数据, 按要求对杆机构进行设计;讲齿轮机构和凸轮机构时, 布置机构尺寸计算、零件图绘制、齿轮啮合图的绘制等任务。这一举措, 不仅解决了课设学时不足的问题, 而且提升了学生的成就感。

三、课后训练与建模、分析软件有机结合

课后作业要求学生采用解析法编程实现。因此, 学生需要课外自学或选修一种三维建模软件和一种分析软件, 教师对其进行编程指导。结合授课内容, 布置各种常见机构三维建模训。教师负责讲授机构装配时在三维软件中所需连接的类型和模拟适用条件, 并与原理教材中的运动一一对应, 为机构的运动分析和仿真奠定基础。对有能力的学生额外增加零件静力有限元分析的任务。

四、借助课程设计契机, 转换自主学习模式

传统的课程设计题目为某种六杆机构的运动分析电算程序编制, 而这些程序在网上可以方便的获取, 难以达到挑战的目的。为此, 以最常用的三维建模软件Creo作为建模平台, 将机械原理课程设计与具体机械系统的设计有效结合, 对机械原理课程设计进行改革。采取双向选择, 对机械非常感兴趣的学生和能够熟练使用应用软件的学生, 自主确定适合的机械系统设计题目, 并进行尝试性设计, 充分发挥主观能动性。

课设题目多样、更贴近实际需要, 给了学生更多选择的空间。采取小组打分的策略, 激励团队合作意识, 结合自身特点选择不同类型和难易程度的题目。鼓励自主学习模式, 勇于承担设计任务。要求学生充分发挥创新意识, 采用机械系统创新设计方法, 独立完成系统多种设计方案的设计。如在“卧式下肢康复机器人执行机构的设计分析”中, 学生自行提出的运动方案分析和报告如图1所示。对各运动方案进行运动分析模拟, 并制作成运动仿真动画在答辩会上进行演示, 作为评价课设成绩的判据之一。该项改革强化了自主学习能力的训练, 培养学生独立解决工程问题的能力和创新能力。

五、工程案例教学, 培养创新创业型人才

教师结合实际课题, 进行机构简图与实物转换训练, 同时布置学生进行零部件有限元分析训练, 以期达到与现场相结合、综合提高工程素质的目的。如图2所示专用汽车部件托圈的强度分析。学生既了解了实际工程结构, 又对工程分析模型结构和受载等问题的简化方法有了初步认知。学生以课后现场题目训练为契机, 在课程设计和毕业设计中优先选择该类题目, 既可以节省调研的时间, 顺利切入, 又可以借助课后实训的研究成果, 深入探索, 获得高质量的毕业设计, 提高解决工程问题的能力。将学生所做的课设或毕业设计整理成工程案例, 说明设计的背景、现场应用等情况, 挂在校园网上供学生学习和借鉴, 让更多人受益, 为应用型本科院校培养创新创业型人才奠定了工程基础。

六、结论

以机械原理课程为平台, 以Cro/E软件为工具, 以方案设计、零部件设计、装配、运动和有限元分析为终极目标的课程教学改革与一系列探索, 使学生对现场工程问题有了切身的了解, 初步拥有了机械工程设计与研究能力, 为应用型本科学生适应社会实际需求, 尽快与社会接轨奠定了坚实的理论基础和工程基础。

参考文献

[1]闫茹, 郑甲红, 王宁侠, 等.机械基础课程改革与创新型工程人才培养探究[J].中国电力教育, 2014, (8) :132-133.

[2]冯立艳, 李建功, 张雪雁.基于学生创新能力培养的机械基础课程群的课程教学改革[J].教师, 2008, (6) :47-48.

三维仿真分析 篇8

双螺杆压缩机具有工作可靠、使用寿命长、结构简单和工艺性好等优点, 被广泛应用于工业生产中, 国内外学者对双螺杆压缩机的研究也越来越深入。Wu等[1]建立了双螺杆压缩机的新颖数学模型, 通过实验研究验证了其合理性。Kovacevic等[2,3]将数值模拟的方法运用到螺杆机械的研究之中。Cao等[4]对双螺杆压缩机的内部压力分布进行了实验研究, 阐述了进气口与排气口处压力的分布规律。张小军等[5]结合试验研究了双螺杆压缩机排气压力的脉动, 发现产生脉动的原因是因为实际排气压力与设计值偏离。本文对双螺杆压缩机建立了合理有效的流体模型, 运用动网格技术和Fluent软件对双螺杆压缩机的性能进行动态模拟, 并结合实验测试验证了动态模拟仿真的结果的正确性, 为双螺杆压缩机的改进设计提供一种有效的手段。

1 结构与工作原理

双螺杆压缩机的结构如图1所示, 在双螺杆压缩机的机体中, 平行放置着一对相互啮合的螺旋形转子。通常把节圆外具有凸齿的转子称为阳转子或阳螺杆, 把节圆内具有凹齿的转子称为阴转子或阴螺杆。一般来说, 阳转子与原动机相连接, 由阳转子与阴转子之间的同步齿轮实现阳转子带动阴转子转动。在双螺杆压缩机机体的两端, 分别开设一定形状和大小的孔口。一个供吸气用, 称为进气口;另一个供排气用, 称为排气口。

双螺杆压缩机的工作循环可分为进气、压缩和排气三个过程。随着转子旋转, 每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。具体的工作过程如下:转子转到某一角度后, 两个孤立的齿间基元容积由于阳转子的凸齿侵入阴转子的凹齿, 基元容积同时开始缩小, 实现气体的压缩过程, 直到一对基元容积与排气孔口相连通的瞬间停止;基元容积和排气孔口相连通后, 排气过程开始, 排气过程一直持续到两个齿完全啮合, 即两个基元容积因两个转子完全啮合而等于零时。

2 数学模型的建立

本文中双螺杆压缩机动态数学模型的建立基于以下假设: (1) 压缩气体为理想气体; (2) 工作介质没有向外界环境发生泄漏; (3) 润滑油对工作介质的性质没有改变; (4) 通过进气口、排气口的气体为等熵流动; (5) 双螺杆压缩机的工作循环为一个理论循环过程。

2.1 计算域模型

双螺杆压缩机的工作过程比较复杂, 为了表现每一次工作循环中的进气、压缩和排气过程, 必须实现基元容积与进气口和排气口之间的连通和关闭, 需要对螺杆压缩机的流体模型分割成三个部分:进气口的流体、基元容积内的流体、排气口的流体。通过设置边界条件使其控制基元容积与进气口与排气口之间的流通与封闭。在建立基元容积内的流体时, 根据动网格计算要求运动部件之间要留有一定的间隙, 设置阴阳转子与腔壁之间的距离为0.5mm, 两转子之间的中心距增加0.5mm。本文的计算域模型如图2所示。

2.2 控制方程

双螺杆压缩机内部流体是一种高度复杂的三维非稳态、旋转的不规则流动, 是典型的湍流[6,7]。修正的RNG/ (k-ε) 模型在强流线弯曲、漩涡和旋转流模型中有很好的效果, 利用经压缩性修正的RNG/ (k-ε) 模型对腔体内流动的模拟可以避免标准的k-ε模型在用于强旋流或带有弯曲壁面流动时出现的失真, 更接近于实际状况。因此, 本文采用RNG/ (k-ε) 模型来模拟双螺杆压缩机的流体流动。

RNG/ (k-ε) 模型中, 通过在大尺度运动和修正后的黏度项体现小尺度的影响, 而使这些小尺度运动系统地从控制方程中去除。由此, 湍流脉动动能方程 (k方程) 和湍流耗散率方程 (ε方程) 分别为

式中, p为该场压力;μ为动力黏性系数;μi、μj分别为气流速度在i、j方向上的分量;μt为湍流黏性系数;ρ为密度;Cμ为常数;δε为湍流脉动动能耗散率ε的湍流Prandtl数;δk湍流脉动动能k的湍流Prandtl数;sij、sil均为流体变形率;gi为i方向的重力加速度。

式 (2) 中Cμ、δk、δε、Cε1、Cε2、Cε3、Cε4、η0、β等均为经验系数, 其取值如表1所示。

2.3 边界条件和初始条件

采用Fluent软件对双螺杆压缩机的流场分布规律进行动态仿真, 需要首先确定模型的边界条件[8]及相关的设置。在双螺杆压缩机的流体模型中, 对基元容积处的流体与进气口和排气口处的流体的边界设置影响模拟进气、压缩、排气过程与实际工况是否符合的关键。

流体边界条件类型设置见表2。在Fluent软件中通过Grid Interface设置交界面1-1与1-2、2-1与-2-2、3-1与3-2-1和3-2-2使其配对, 保证重合边界的属性为Interior, 实现流体从进口到出口的连通。进气口、排气口的初始边界条件设置见表3。

2.4 动网格技术

双螺杆压缩机的流体模型的原始网格利用Gambit软件生成, 三维流体模型的网格可以使用四面体和六面体网格来划分。选用动网格[9,10]进行模拟分析时, 网格会被光顺和重新划分, 部分区域的网格畸变非常严重, 由于非结构性四面体网格的适应性更好, 因此在基元容积部分流体网格划分时, 采用非结构性四面体网格单元, 将其模型划分为510 338个四面体网格单元。进气口与排气口处的流体网格由于静止不动, 结构性与非结构性网格均可选择, 此处为了与基元容积的流体网格类型一致, 也采用非结构性四面体网格单元, 将进气口处流体模型划分为243 372个四面体网格单元;将排气口处流体模型划分为15 177个四面体网格单元。流体模型的网格划分如图3所示。

网格的更新过程由Fluent根据每个迭代步中边界的变化情况自动完成。双螺杆压缩机内部的两个转子的运动为匀速圆周运动, 位移变化很大, 采用弹簧近似光滑模型 (spring-based smoothing) 和局部重划模型 (local remeshing) 相组合的方法实现网格的更新变化。即当阴阳转子转动角度很小时, 转子周围网格的每一个边都看作是一个弹簧, 随着转子转动作微小变形;当转动角度变形较大时, 转子周围网格的变形超过一定限度时, 开始进行局部重新划分, 使网格单元尺寸达到要求。

在计算动网格问题时, 必须定义动网格区的运动方式[11]。在动网格区为刚体运动时, 可以用型函数和UDF来定义其运动;在动网格区为变形区域时, 则需要定义其几何特征及局部网格重划参数;如果动网格区既做刚体运动又有变形发生, 则只能用UDF来定义其几何形状的变化和运动过程。在双螺杆压缩机的动态模拟仿真中, 由于阴阳转子在旋转过程中没有发生变形, 可视为刚体运动。在此通过型函数定义阴阳转子的运动方式。

阴转子的型函数方程:

( (rotating_left 3 point)

(time 0 1 60)

(omega z-309.813-309.813-309.813) )

阳转子的型函数方程:

( (rotating_right 3 point)

(time 0 1 60)

(omega z 258.1775 258.1775 258.1775) )

3 模型正确性验证与仿真结果分析

本文所进行仿真的双螺杆压缩机基本参数如表4所示。仿真结果如图4~图7所示。

图4为双螺杆压缩机流场模型的压力分布云图。可知, 整个流场的最高压力位于排气口为0.707MPa, 最低压力为位于进气口与阴阳转子啮合处为-0.0922MPa, 从图4a可以看出, 流场的压力分布从进气口到出气口呈现上升趋势, 从图4b可以看出, 以阴阳转子轴线所在平面为分界, 与进气口相连上半部分流场的压力较低, 与出气口相连的下半部分的流场的压力较高。

图5为双螺杆压缩机流场模型的流场速度分布图。可以看出, 整个流场的速度相对平稳, 在进气口、近壁面和阴阳啮合处速度比较大。进气口处于负压状态气体被快速吸进压缩腔内, 造成速度较快, 在进排气口的死角位置流体的速度较小;近壁面与阴阳转子啮合处由于模型建立时留有间隙, 气体从高压区向低压区产生泄漏造成很大的流速。

图6为双螺杆压缩机流场模型的湍流强度分布云图。可以看出, 在阴阳转子啮合前后由于阴阳转子高速的旋转带动流体从不同方向汇交形成强旋流, 因此附近的湍流强度比较大, 而在进排气口的位置流体流体的流动相对规律, 因此此处的湍流强度较小。

图7为基于压力分布规律的双螺杆压缩机的流场流线图。可以看出, 从吸气口到排气口的每一个基元容积内气体在做涡旋运动, 随着阴阳转子的转动最终在啮合处相遇, 朝着排气口压缩, 可以完整的体现从吸气到压缩再到排气的整个工作循环。

4 实验研究分析

为了验证运用CFD理论对双螺杆压缩机的工作过程动态模拟的正确性, 本文对与流体动力学仿真具有相同参数的双螺杆压缩机进行了p-V指示图的实验研究。假设双螺杆压缩机的每一个基元容积在一个工作循环里压力的变化规律是相同的, 由于双螺杆压缩机的每一个基元容积在吸气结束时进行封闭、缩小体积直到气体从排气口排出, 因此将一个高灵敏度的小型压力传感器安装在排气口处的阴转子的一个齿槽的底部就可以完整的记录双螺杆压缩机的压力变化规律。

在阴转子的齿槽中嵌入压力传感器的位置及实验中的数据采集系统分别如图8和图9所示。所用的传感器的型号为XTL-193-190 (M) , 其综合非线性、迟滞、重复性值不超过±0.5%, 固有频率700Hz, 分辨率无限小, 最大工作压力3.5MPa, 工作温度范围是-55~204℃。穿过阴转子中心孔的压力传感器的导线通过联轴器连到滑环上, 再连接到信号放大器上, 将信号放大处理, 传到信号采集仪, 最后将采集的数据进行处理分析。

压缩机的压力值是非常重要的参数, 如果用来建立双螺杆压缩机内部p-V指示图的动态模拟仿真数据和测量数据吻合, 那么所有的性能参数都能够通过动态模拟仿真预测得到。用于动态模拟仿真和实验测量的双螺杆压缩机的p-V指示图的记录结果如图10所示 (其中V-Vo为压缩体积与总体积之比) 。可以看出:动态模拟仿真数据与测量数据之间吻合得很好, 特别在压缩过程中, 二者的数据基本一致;在吸气过程由于在动态模拟仿真中没有滑阀固定件结构, 所以压力没有表现出先上升再下降, 而是一直缓慢上升;在排气过程中仿真模型能较为准确地反应了双螺杆压缩机的真实排气过程。综上所述, 在以同一双螺杆压缩机作为动态模拟仿真和实验对象时, 动态模拟仿真数据与测量数据吻合得较好, 从而证实了动态模拟仿真方法的正确性和有效性。

5 结束语

通过动态模拟仿真研究了双螺杆内部流场的分布规律, 其中压力场从进口到出口沿轴向呈现递增分布, 表明每一个基元容积内压力是相同的且从进口到出口递增;速度场中阴阳转子和腔体壁面两两之间的间隙处速度值较大说明在间隙处存在严重的泄露;湍流强度分布规律和流线图体现了双螺杆压缩机内部流体的流动的复杂性。同时, 利用实验测试出双螺杆压缩机在一个基元容积在一个工作循环内p-V的变化规律与仿真结果吻合得较好, 验证了所构模型与动态模拟仿真方法的正确性与有效性。以上结果表明, 通过建立有效可靠的数值计算模型, 并选择合理的初始条件、边界条件以及参数设置, 采用CFD软件Fluent可以有效地对双螺杆压缩机等相关流体机械进行较为准确的模拟仿真, 为流体机械的优化与设计提供了重要的方法。

摘要:为了研究双螺杆压缩机的流场动力学特性, 提出基于双螺杆压缩机的工作循环为一个理论循环的假设, 建立其工作过程的数值计算模型, 采用计算流体力学软件Fluent中的动网格技术对双螺杆压缩机的工作过程和流场动力学特性进行了动态模拟仿真。搭建了实验平台并研究分析了双螺杆压缩机的p-V变化规律, 结果表明, 仿真结果较好地吻合实验数据, 验证了模型的正确性和模拟方法的有效性。

关键词:双螺杆压缩机,计算流体力学,Fluent,动网格

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[6]张宏飞, 曹红松, 赵捍东, 等.数值仿真中湍流模型的选择[J].弹箭与制导学报, 2006, 26 (4) :242-244.Zhang Hongfei, Cao Hongsong, Zhao Handong, et al.The Choice of Turbulence Model in Numerical Simulation[J].Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2006, 26 (4) :242-244.

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三维仿真分析 篇9

宁波市澄浪桥及接线工程属永达路连接线过奉化江段, 其主桥一跨跨越奉化江, 水中不设墩。主桥结构为中承式无风撑钢箱拱肋拱桥, 主拱横桥向布置为2 片拱肋, 拱肋布置在人行道外侧, 沿道路中心线方向错开10.320 m, 形成斜桥布置。主拱向内倾斜10°, 2 片主拱间不设风撑。主桥效果图见图1。

主拱肋竖直方向矢高25 m, 跨径为175 m, 矢跨比1/7, 拱轴线为多段圆弧线拟合而成。主拱拱肋采用矩形封闭钢箱形拱肋, 在主拱跨径1/4 处附近由1 个封闭钢箱分叉为2 个封闭钢箱, 2 个钢箱拱肋之间设置钢桁架支撑连接。主梁采用双箱布置、横向通过横梁连接, 双箱外侧伸出悬臂横梁用于锚固吊杆, 主梁通过吊杆和拱肋联系。主拱水平力通过系杆进行平衡。

拱脚至水平拉索锚固区拱肋节段采用钢- 混凝土组合结构。在钢箱内填筑微膨胀混凝土并设置预应力钢束, 抵抗拱脚处的弯矩, 钢与混凝土间通过剪力钉、PBL键及加劲板挖孔的方式进行连接, 预应力束伸入承台, 混凝土灌注范围为钢混结合段预应力钢束锚固端承压板处向下至拱脚。钢混凝土组合拱肋节段的立剖面示意图见图2。

由于澄浪桥主桥拱肋截面尺寸较大, 特别是拱脚处的上、下肢截面宽度均> 6 m、高度均为2.5 m, 局部混凝土几何尺寸较大, 属于大体积混凝土结构, 而且大体积混凝土灌注在密闭的钢拱肋中, 结构受力复杂, 应对混凝土进行水化热分析。

1) 分析水化热对混凝土造成的影响, 避免施工过程中混凝土出现温度裂缝。

2) 水化热产生温度场导致混凝土膨胀, 计算混凝土膨胀对钢拱肋产生的应力与变形, 确保安全。

此外, 还应分析拱肋内预应力钢束的张拉对钢混凝土结合段的受力影响

2 仿真模型及计算参数

钢混凝土结合段拱肋的水化热分析采用大型通用有限元程序ANSYS, 先对结合段混凝土拱肋结构进行热分析, 将热分析得到的温度场作为体荷载施加到结构单元的节点上进行热- 结构耦合场分析, 最终得到结构的应力分布。三维热分析模型中, 拱肋中混凝土模拟选用ANSYS实体solid70 单元, 该单元有8 个节点, 每个节点只有1 个温度自由度, 具有3 个方向热传导能力, 并能实现匀速热流的传递[1]。结构分析模型中, 拱肋内混凝土及承台模拟选用solid45 单元 (ANSYS默认solid70 等效结构单元) , 钢拱肋模拟采用shell63 单元, 模型共分solid单元128 491 个, shell单元137 883 个。钢混凝土组合拱肋节段的三维仿真模型见图3, 承台及节段内灌注的混凝土模型见图4。

在水化热分析中, 水泥的水化热并不是一次性全部释放, 而是随时间逐步释放的, 水泥的水化热随时间而变化的公式为[2]

式中:Q (t) 为龄期t时的累计水化热, k J/kg ;Q0为t→∞时的最终水化热, k J/kg ;t为龄期;m为水化系数。

混凝土弹性模量随浇筑时间变化取指数式公式为[2]

式中:Et为龄期t时的弹性模量, MPa ;E0为t→∞时的最终弹性模量, MPa。

C50 混凝土热分析的其他参数参考各类规范选定, 计算模型中主要热分析参数取值见表1。

ANSYS温度场分析环境温度取宁波地区年平均温度16℃, 混凝土入模温度根据经验取20℃。

3 水化热温度场分析

对于钢混凝土结合段拱肋模型的水化热温度场分析, 承台及拱肋嵌固段为非研究对象, 在此不做水化热分析, 默认其已浇筑养护完成, 并在模型中将其设为环境平均温度。承台与拱肋交界面灌注的混凝土分2 次完成, 分别以拱肋内预应力束分2 批锚固为基准, 这2 个混凝土浇筑段需设置入模温度及边界散热条件。

由于文章篇幅所限, 本文只列出混凝土浇筑后出现温度最大值的第2 天与预应力钢束张拉 (浇筑后第9 天) 的节段温度场变化图。钢拱肋内第一段混凝土浇筑完成第2 天与第9 天, 节段混凝土温度场分布分别见图5、图6。

由混凝土水化热仿真分析结果[5]可知, 钢拱肋内第二段混凝土浇筑完成后, 混凝土体内温度随着水化热的产生不断增加。在第2 天体内温度达最大值49.6℃, 之后随着热量的散发不断降低, 第9 天混凝土体内温度最大值为34.3℃, 下降约15.3℃。

钢拱肋内第二段混凝土浇筑完成第2 天与第9天, 节段混凝土温度场分布分别见图7、图8。

在第2 天时体内温度达到最大值49.6℃, 之后随着热量的散发温度不断降低, 第9 天混凝土体内温度最大值为33.4℃, 下降约16.2℃。温度分布规律同第一段混凝土。

4 节段应力与变形分析

4.1 钢混凝土拱肋节段应力分析

在温度场荷载的作用下, 混凝土结构由于不能自由变形而产生应力, 混凝土结构的应力与温度荷载及自身弹性模量成正比, 由于浇筑初期混凝土弹性模量处于不停增长, 而混凝土温度随着水化热的生成和散发也处于先增大后减小的变化过程。因此, 混凝土应力峰值出现在温度荷载与弹性模量乘积较大的时间点, 经初步计算, 出现在节段浇筑后的第6 天。

由于篇幅所限, 本文只图示出第一段混凝土浇筑后第6 天与第9 天 (预应力钢束张拉) 的混凝土应力云图, 分别见图9~ 图12。

表2 中列出每一段混凝土浇筑完成后第3 天、第6 天, 以及预应力钢束张拉时的混凝土与钢拱肋的应力值。

表2 中, 混凝土应力“压”表示压应力、“拉”表示拉应力, 没有列出拉应力的表示该阶段混凝土基本处于受压状态;钢拱肋应力为Mises应力。表2 中前5 个施工阶段列出的是混凝土与钢拱肋的应力最大值, 而第6 个施工阶段列出应力的主要分布范围。

由以上三维仿真计算结果得到, 除在第一批预应力张拉之前钢拱肋内灌注的混凝土在截面中心区域有最大1.33 MPa的拉应力外, 其他阶段均处于受压状态, 最大压应力出现在第二批预应力钢束张拉后下肢拱肋与承台交界处, 最大值为18.4 MPa。钢拱肋的最大Mises应力出现的施工部位与混凝土相同, 最大Mises应力值为120 MPa。

综上所述, 钢混凝土组合拱肋节段在混凝土水化热效应与预应力作用下的应力满足施工阶段要求。

4.2 钢混凝土拱肋节段截面变形分析

混凝土结构在施工过程中, 由于水泥水化作用将产生大量的水化热, 水化热造成混凝土内部温度升高而膨胀, 导致外侧钢拱肋变形。根据仿真分析结果, 图13 所选取的钢拱肋截面在水化热等作用下截面变形相对较大。

根据前面的水化热混凝土温度场计算结果可知, 混凝土浇筑完成后2 d时的水化热最为剧烈, 钢拱肋截面的变形也相对较大。图14、图15 分别为第一段混凝土浇筑完成后2 d钢拱肋1 号截面变形图, 其他截面的变形图不再一一图示。

图14、图15 中, 截面开口处为上、下肢拱肋水平系杆锚槽处。局部坐标x轴垂直于截面指向拱顶, y轴垂直于顶底板并指向顶板, z轴指向拱肋内腹板。

表3 列出钢拱肋1 号~4 号截面在水化热作用下的截面变形。

由表3 可见, 钢拱肋在水化热作用下截面变形是能够满足施工阶段的刚度要求的。

5 结语

通过对宁波市澄浪桥大跨度主桥坦拱的主拱钢混凝土组合节段施工过程水化热效应的有效分析, 为实际施工起到积极的理论指导作用。

根据仿真分析结果, 在实际施工过程中省去为降低组合段混凝土水化热效应的冷凝管设置, 以及优化为防止施工过程水化热引起拱肋过大截面变形的临时截面加劲设计, 从而降低施工难度, 节省施工时间, 减少施工措施费, 可为其他类似工程提供有价值的参考。

至今, 澄浪桥主桥结构已经成功合龙。

摘要:宁波市澄浪桥主桥是一大跨度坦拱桥, 其主拱拱脚至水平拉索锚固区的节段为钢混凝土组合结构;该节段截面尺寸较大, 拱肋结构施工时会受到混凝土水化热作用的影响。利用大型结构分析软件ANSYS分析钢混凝土拱肋节段的水化热效应、内预应力的作用效应。分析结果显示, 在水化热效应和预应力作用下, 钢拱肋和混凝土的应力是可控的, 水化热作用下的钢拱截面变形很小, 结构能够满足施工时的受力要求。

关键词:大跨度坦拱,钢混凝土拱肋节段,施工阶段,水化热效应,三维仿真分析

参考文献

[1]张朝辉.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M].2版.北京:机械工业出版社, 2008.

[2]杨嗣信.高层建筑施工技术[M].2版.北京:中国建筑工业出版社, 2001.

[3]混凝土结构设计规范:GB50010-2011[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

[4]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG D62—2004[S].北京:人民交通出版社, 2004.

三维海底地形仿真的研究 篇10

计算机三维仿真技术可模拟真实场景并跟踪漫游,在海洋各军事领域如潜艇、海洋工作站、水下无人潜器的导航以及模拟真实战场环境、进行虚拟作战演习和民用领域如海洋堪探、开采等方面具有很大的应用潜力,已经成近今年来的研究热点之一。由于三维地形模型的数据量庞大,要在每一帧场景显示的瞬间处理所有的数据,实现实时绘制几乎是不可能的,为了得到逼真的场景显示效果,就必需对建模和实时显示提出较高的要求。为了降低计算机的硬件负担,提高海底地形的绘制速度,很有必要对地形进行简化。目前能用于大规模地形快速绘制的算法已有很多,例如采用视截体[1]对不可见地形区块进行裁剪、基于多细节层次(LOD)[2]的模型等,所有这些技术都是为了减少绘制时的三角形的数目,以加快绘制的速度。传统的LOD算法在剔除渲染顶点的过程中占用了太多CPU资源,出现GPU等待CPU的情况,那么即使算法在剔除多余顶点方面做的很好,但总体绘制效率也不是高效的。几何多重映射[3,4]等算法由此产生。本文在Geo MipMap(Geometrical Mipmapping)算法和分形方法相结合的基础上,提出了改进裂缝处理方法以及三角形的连接方式,使得在提高绘制效率的同时,保证了绘制图形的质量。通过位置索引方式组织存储顶点数据,使得CPU的工作进一步减轻。最后利用上述方法进行地形生成实验,给出地形生成的结果。

1 海底地形建模

获得海洋数据,需要投入大量的人力、物力、财力。很多海洋数据都不是公开的,为了对海底地形进行仿真,需要先构建仿真数据。因为分形几何关注的是物体的随机性、奇异性和复杂性,所以分形理论能准确地描述真实地形。因此,本文用分形的方法产生地形绘制所需的数据。

地形建模的主要任务是生成地形的数字高程模型(DEM),即应用中点位移算法生成二维平面上各个点的高程数据。分形几何算法中的中点位移法是最基础,也是应用最广泛的算法之一。该算法在地形生成的过程中,通过不同点之间的插值方法来进行地形建模,因此可以产生真正的分形地表。鉴于该算法具有效率高、分形层次简单、实现方式容易等优点,是地形建模中最常用的分形方法[5,6]。根据细分方式的不同,又可以分为三角细分和正方形细分。分形理论在近年来得到了广泛的应用,在此不作详细介绍,见参考文献[5,6]。

分形方法能够逼真地展现地形场景,然而如果只用分形的方法生成高程数据而直接把采样点连接起来,生成地形的速率就不高。因此,本文先用分形的方法生成地形的高程数据,再用Geo MipMap算法对地形模型进行构网。

2 GeoMipMap算法基本思想

Geo MipMap算法是Willem根据纹理多重映射的概念提出的,他把整个地形场景在xz平面上进行分块(block),比如用33×33的block把1 025×1 025的地形表示为32×32个block。Geo MipMap算法要求地形块的大小满足(2n+1)((2n+1)(n为自然数)。每个地形块可以用不同分辨率的地形模型表示,同一地形块内的分辨率是相同的。采用隔行采样的方式生成不同分辨率的地形模型。

当相邻两个block具有不同分辨率层次时,具有较高分辨率层次的block具有更多的高程点,当二者共享边界时,就会出现T连接。T连接是指一个三角形或多个三角形共享另外一个三角形的一条边的一部分,图2的高程点处就产生了T连接(先忽略掉小三角形三角形为后来改进后补上去的)。T连接会引起的“裂缝”,这是任何地形绘制应用都不能接受,必须避免的。Geo MipMap算法采用了改变较高分辨率层次block的高程点之间的连接方法,来消除裂缝,如图1所示。Geo MipMap算法通过改变高程点之间的连接方式,在较高分辨率的block内忽略高程点,边界上的高程点直接相连,从而避免了T连接。

分别对每个子块进行绘制,再拼接起来就组成了整个场景。然而不同分辨率的地形块拼接在一起时会产生裂缝,为了消除裂缝,在较高分辨路地形块的边界上舍去一些点(没连斜线的那些点),如图1所示。

3 视截体裁剪技术

地形场景的数据量是庞大的,在绘制地形场景时一次性读入整个模型数据是不可能的,而且也没必要。在实时显示中,有些场景是看不到的,就可以把它裁减掉而不需要绘制出来,只绘制看得见的部分,这可大大提高绘制速率。

首先,视截体由上、下、左、右、前、后六个面组成。然后为每一个地形块创建一个包围盒。可见性的判断通过计算包围盒的每一个顶点到视截体六个平面的距离判别,因为所有的平面都是面向视截体内部的。根据公式(A、B、C、D为平面系数):

当d>0时,说明顶点在平面的前面,认为定点是见的;反之当d<0时,说明定点在平面的后面,认为视点是不可见的;当d=0时,说明顶点在平面上,一般来说是可见的。当包围盒的所有顶点都不在视截体内时则该地形块不参与场景绘制。

4 多分辨率地形高效绘制算法

4.1 基本思想

本文先用分形算法生成高程数据,再用Geo MipMap算法对地形模型进行构网,采用视截体技术,将不在视域范围内的地形块剔除掉。首先将地形分成大小相等的几个地形块,根据视距算出每一个地形块的等级存放在查找表中,然后根据地形块的可见性,根据地形块四叉树的中心以及地形块的等级就可取出相应的数据进行绘制,大大减少了进入进入渲染管道的顶点数。对裂缝的消除改进了图像的质量。

Geo MipMap算法将block作为简化的基本对象,与传统LOD算法相比,CPU负担轻,GPU吞吐量大,但存在着两个明显的缺点。首先,每一个block内高程点的连接方式受到了相邻block的限制:其次,这种在接边裂缝处将高分辨率顶点强行拉向底边以达到闭合的方法,会给接边处造成地形损失,而且这个损失不能控制在阈值允许的范围内。

针对Geo MipMap算法的缺点,笔者借鉴文献[8]介绍的消除裂缝的方法,提出自己的改进算法,见下文介绍。

4.2 视相关的层次选择算法

4.2.1 屏幕空间误差

在视点相关的多分辨率地形模型算法中,误差是选择分辨率层次的依据。在地形可视化中,地形数据在三维模型空间中以三角形网格来表示,将其投影到二维的屏幕空间形成最终的输出图像。屏幕误差是近似网格与原始网格间的模型空间误差在屏幕空间上的投影,可以用来评价输出图像的质量。在地形可视化的算法中,通常都采用屏幕误差作为评价准则。

屏幕误差的计算公式[8]为:

其中,ε为物空间产生的几何误差,p为该误差投影在屏幕空间产生的屏幕误差(单位是像素),H为视域范围内垂直方向的高度值,y为视域范围在投影面上的宽度(单位是像素),D为视距,θ为垂直方向的视角

对于给定一个误差阈值为τ(单位像素),则有p≤τ,即(ε×y)/(2D×tgθ)≤τ,得到:

即临界视距的计算公式

4.2.2 数据的预处理

分块方式的地形渲染算法对地形数据的组织有很强的依赖性,好的数据组织可以加快地形的绘制,通常需要对地形数据进行一定的数据处理,以满足算法的需要。因为在分块方式的地形渲染算法中,地形数据是按照地形块进行组织的,每当要渲染一个地形块区域时,需要将该区域内的所有三角形的顶点数据作为一个整体一次性提交给显卡,让显卡完成对这批顶点的计算以及绘制工作。预先算好绘制每一等级的地形块所需要的顶点,在实时绘制阶段相当重要。

算法在地形分块时将原始地形划分成等级不同的16个正方形地形块,每个正方形地形块代表一个独立地形区域。在数据预处理阶段,计算每一地形块的不同等级到视点的距离Dn(即临界视距),把这些临界视距存放在一个查找表中。在渲染阶段计算当前视点到该地形块中心的距离L,用该距离和临界视距进行比较,伪代码如下:

4.2.3 实时绘制阶段

在实时绘制阶段计算每个需要绘制的block到视点的距离,然后在查找中按照从低分辨率到高分辨率的顺序,查找满足条件的分辨率层次。

4.3 地形数据的总体组织与表示

Geo MipMap算法用的是规则格网数据,高程信息用一个二维数组表示,由于是等间隔采样,x、z的信息可由初始值、行列数以及间隔计算得到。因为二维数组在传递时比较困难,所以把二维数组写成一维的形式但我们还是把它当成二维的形式,相应的读取的时候a[i][j]可变为a[i*with+j],with为二维数组的行宽度。一棵最小单元四叉树由中心点、四个角点、四个边中点组成,用三角扇的方式绘制。整个场景用一棵完全四叉树把这些blocks组织起来,每一个block又可以用一棵四叉树表示。实时渲染时完全四叉树负责场景的裁剪,决定哪些blocks应该绘制,然后计算可见block的网格分辨率,从而得到四叉树的分裂次数。

在实时构网时能快速地访问数据,可以通过有效地计算顶点的索引,以便在剖分过程中能迅速地获取所需要的顶点信息。在仿真数据生成阶段把高程信息、x、z轴的信息分别存在三个数组中。先找出四叉树的中心点的索引cx、cz,通过中心索引cx、cz就可找出四个边中点和四个角点的索引,通过点的索引就可读出顶点数据,就可以读出要绘制的四叉树了。我们按需要的分辨率分裂四叉树,直至达到要求,然后再将每一个最小单元的四叉树读出来进行绘制即可。我们不需要重新组织和存储数据,既方便又省时,比如三角形定点索引,需要的工作量还是蛮多的。

4.4 裂缝的消除

地形块之间由于三角形地形块分辨率不同会产生裂缝。Willem是通过在细节等级高的地形块的边界上去掉一些点,这样使得在用四叉树绘制过程中变得不规律。本文则用剖分三角形的方法。将绘制的地形块的等级跟与其相邻的上、下、左、右的地形块的等级进行比较,如果该地形块的等级比相邻的地形块低,则在边界处绘制三角形。对每一个边界进行修补,直到不再有等级差,即不再产生裂缝。修补过程如图2所示,三角形为补上去的三角形

左下地形块与右下邻地形块相差了一个等级,所以在左下地形块中多绘制了两个三角形。左上地形块与右上地形块相差了两个等级,先把左上地形块的右边分解为两个三角形,再对分解的三角形进行分解,直到没有裂缝产生。分解是对低等级的地形块进行。

5 实验结果及结论

为了便于观察到有无裂缝,将地形表面以黑色填充。由图3可看出,未消除裂缝前,在不同等级的地形块的连接处会产生裂缝,严重影响了视觉效果。用本文裂缝修补方法后的地形看起来就没有了裂缝,这就符合我们平时看到的地形场景效果,如图4所示。

我们使用大小257×257的高程图作为实验数据,以Duo T2370,DDR 1024M,Intel(R)965显存作为硬件环境对上述算法进行测试。程序用VC+Open GL在Windows XP平台上完成。图5、图6是场景绘制的网格形式截图。表1是测试结果。

由图5、图6及表1可知该方法相比于全细节显示的方法,在不丢失必要细节的情况下大幅度的提高了地形绘制速率,减少了CPU的负担。简化后的地形与原始地形基本一致,在视觉上还是可以接受的。电影的帧速率为24 fps,本文算法绘制地形的帧速率为41 fps,能够满足生成流畅连贯的动画。实验结果表明,该算法能够快速有效地绘制地形场景。

6 结语

本文先通过分形的方法生成模拟地形所需的高程数据,然后再用Geo MipMap算法对地形模型进行构网。用基于顶点索引的四叉树的方法来组织地形数据,从而不用重新组织数据而且也能快速的查找到需要绘制的顶点。本文提出的用三角形剖分消除裂缝的方法不限制相邻地形块的等级差。

参考文献

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