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《機械設計與研究雜志》2014年第四期

1二元沖擊系統動力學建模

1．1二元沖擊系統動力學模型針對多元沖擊機械系統而言，無論其結構多么復雜，其動力學模型都可以看成是彈性桿、彈簧、剛體、活塞這些零部件組成的，只是其所包含的零部件數量及其位置不同而已。根據沖擊機械系統力學模型中所包含的獨立彈性桿件數可將常見的沖擊機械系統分為一元、二元和三元沖擊系統。本文中二元沖擊系統由彈性桿一、彈性桿二組成，其簡化力學模型如下:

1．2二元沖擊系統數值模擬目前，沖擊系統的波動方程定解求解方法主要有特征線法和透反射關系法［1］。特征線法的本質是將偏微分方程沿特征線轉變為常微分方程，對于波動方程，由特征線理論可知。前者稱之為特征線方程;后者為沿特征線上的特征相容關系。彈性桿上任一點在任一時刻的速度與合力稱之為狀態向量，其狀態向量可用矩陣表示為。透反射關系法是根據透反射規律由初始狀態的順波和逆波得到所考察截面各時刻的順、逆兩波。將彈性桿離散成等長度的若干單元，在每個單元中都存在順逆兩波，用矩陣形式表示為。本文運用透反射關系法編制相應的Matlab程序，求解二元沖擊系統的動力學特性參數數值解。

2可視化系統框架

2．1總體框架系統二元沖擊系統是以Matlab為基礎，實現Delphi和Matlab混合編程進行人機交互界面設計、沖擊系統二維模型設計和結果分析。整個系統總體框圖如圖2所示。

2．2可視化流程圖3所示為整個系統可視化流程圖。啟動Delphi應用程序，輸入沖擊系統模型參數，這些參數具體是指彈性桿一、二的長度L和直徑H，由這些長度和直徑能完全確定兩彈性桿的形狀。運行指定可視化程序，調用Matlab數值模擬程序，將這些參數調入Matlab中并保存到M文件中，之后Mat-lab沖擊程序開始計算，計算沖擊的每一步過程。完成計算得出結果數據，這些結果數據包括沖擊系統每個彈性桿在任意時刻的速度、加速度、位移、能量等動力學特性參數。結果數據保存成圖形曲線形式再輸入Delphi中，待用戶選擇將要顯示的結果，由Delphi顯示結果，整個過程結束。

3界面定制和流程控制

3．1Delphi對Matlab的調用方法Delphi是一種優秀的可視化應用軟件開發工具，但它在算法和數值處理分析方面其效率遠遠低于Matlab。因此，本文將兩者結合起來，Delphi應用程序作為整個系統界面定制工具，Matlab作為后臺數據處理支撐工具，實現兩者的優勢互補。ActiveX技術是一種獨立于編程語言的組件集成協議，本系統建立一個Delphi應用程序和Matlab之間的ActiveX的自動化連接，Delphi作為控制端，Matlab作為服務端，實現Delphi對Matlab調用，并可向Matlab傳輸或者從Matlab中接受數據。具體操作如下:首先建立ActiveX對象，在機器內安裝并注冊Matlab，注冊方法即以命令行的形式執行“Matlab/Regserver”命令。之后在Delphi中使用下列語句即完成調用:Matlab=Createoleobject(‘Matlab．Application’);這就創建了Matlab的ActiveX實例。完成調用后，Del-phi可以通過五個函數來調用Matlab。這些函數為:Execute(執行Matlab命令)，PutFullMatrix、GetFullMatrix(傳遞數據)，MinimizeCommandWindows、MaxnimizeCommandWin-dows(窗口操作)，這些函數極大地方便Delphi與Matlab之間功能開發。

3．2二元沖擊機械可視化系統設計以某型號鑿巖機的活塞－釬桿二元沖擊系統為例，彈性桿一視之為活塞，彈性桿二視之為釬桿。活塞以一定初始速度撞擊釬桿，釬桿固定。可視化系統主界面如圖4所示，其界面包括參數設置、模型顯示、程序載入、程序結果顯示、特殊點結果顯示和系統退出等控件。的對話框，從該對話框中可以自主設計二元沖擊系統原始模型尺寸，以變截面為界將彈性桿分成若干段，每一段需要輸入的尺寸是長度L和直徑H，將所有段組合起來就可以確定整個沖擊系統的具體尺寸。不同結構尺寸的彈性桿產生不同波形的應力波，不同波形的應力波作用于不同力學特性的工作介質時，沖擊系統的力學參數如擊入量、能量傳遞等存在相當大的差異。

圖6是顯示二元沖擊系統的Matlab中M程序的界面，在該界面中可以看到從參數設置中保存進來的模型數據，并且還可以使用戶在該Delphi界面中直接輸入或者修改Mat-lab命令，修改之后關閉自動保存。圖7和圖8是二元沖擊系統計算結果顯示的界面。圖7是M文件計算結束之后二元沖擊系統的動力學參數結果顯示，包括活塞和釬桿各自的受力圖、能量圖、速度圖和位移圖。紅色曲線代表活塞的情況，黑色曲線代表釬桿的情況。部分程序如下。在二元沖擊系統的動力學特性分析中，往往需要對彈性桿的某些特殊位置點(如變截面處、接觸面等)進行詳細的運動、受力分析，特殊提取點位置是從二元沖擊桿件的最左端起始，將特殊點與起始點之間的距離輸入進去，點擊需要得到結果圖按鈕就可以得出需要的結果圖，這些結果圖可以是應力圖、合力圖、速度圖和位移圖。

4結論

本文基于波動力學理論和面向對象軟件技術進行了的二元沖擊系統可視化研究。首先，運用透反射關系法建立了二元沖擊系統波動力學模型;其次，基于Matlab編制了二元沖擊系統的動力學特性分析數值模擬程序;然后，在Delphi環境下基于ActiveX技術實現了動力學參數的可視化;最后，以某型號鑿巖機的活塞～釬桿二元沖擊系統為例，進行了系統動力學特性數值仿真分析。本文的研究工作為二元沖擊機械系統結構設計、動力學特性研究提供新途徑，提高了研究效率。

作者：楊書儀李亮陳建文魏小娟單位：湖南科技大學江麓機電集團有限公司