毕业设计（论文）大流量安全阀设计（完整图纸）.doc

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1、目录全套CAD图纸，联系153893706前言（或引言）11安全阀41.1安全阀的基本特征41.1.1安全阀的定义41.2安全阀的工作原理及分类41.2.1安全阀的工作原理41.2.2安全阀分类及结构51.3安全阀的优缺点61.3.1安全阀的特点61.3.2柱塞式安全阀71.3.3平面式安全阀72.安全阀的设计72.1安全阀的结构设计82.2 参数计算82.2.1安全阀的的关闭压力，开启压力和排放压力82.2.2卡套尺寸82.2.3压力损失102.2.4弹簧的选择112.2.5阀芯的设计162.2.6密封的设计172.2.7螺纹的设计202.2.8 阻尼器的设计233.安全阀的建模293.1

2、安全阀的数学模型293.2 流过阻尼孔的流量方程313.3流过小阻尼孔的流量方程线313.4.阀腔及柱腔的流量连续方程313.5.立柱活塞的受力平衡方程324.安全阀的仿真334.1 仿真的概念334.2 计算机仿真334.3 仿真的作用334.4 仿真算法344.5计算机仿真的一般过程344.6 Simulink 简介354.7安全阀的Simulink仿真365 结论40附录A （左顶格，黑体二号、西文A等为Times New Roman）42前言（或引言）在地下煤炭的综合机械化开采中，常常由于顶板冲击使液压支架遭受破坏。尤其是在坚硬难冒顶板条件下，除了采取提高支架强度，顶板注水软化和强制放

3、顶等措施外，更为有效的办法是将液压支架设计成抗冲击型的，液压支架的抗冲击性能主要取决于立柱的抗冲击性能，对其进行特殊设计，并在其上面配置大流量安全阀，蓄能器以及其它一些元件，构成液压支架的抗冲击保护装置，其系统原理如图所示。图1 抗冲击保护装置系统原理Fig.1 shock resistance protecting device system principle有关液压支架抗冲击保护装置的研究，早在七十年代，国外象原西德和捷克等国都已取得许多成果，并已获得多项专利权。而我国只是近几年才开始研究，尽管在实际应用中也已取得许多问题，有待进一步加以解决。本文将对抗冲击保护装置的大流量安全阀进行设计

4、。在顶板塌落的条件下,液压支架往往受到冲击载荷的作用,液压支架必须具有与这种顶板相适应的工作阻力特性,这要求支架除了具有必要的高强度和高工作阻力外,还特别需要具有承受冲击载荷和快速卸载让压的动态性能。在这类顶板条件下的液压支架上配置以大流量安全阀为核心的抗冲击保护装置,是有效抑制顶板冲击对支架的破坏,提高煤炭生产安全可靠程度的有效途径。大流量安全阀工作状态表现为瞬变过程,其特点是反映灵敏、流量大。当出现冲击载荷时,大流量安全阀可以在几毫秒内开启并排走相当大的流量,把冲击载荷迅速降到支架可以承受的范围内,在冲击载荷过后,能够立即关闭,以限制降柱。因此大流量安全阀的动态性能是能否实现有效冲击过载保

5、护的关键所在。在设计抗冲击保护装置时应注意几个问题：1. 立柱应采用活柱充液式结构；2. 在立柱内靠近冲击源处应设置大流量安全阀；3. 普通安全阀应避免采用集中控制方式；4. 大流量安全阀与普通安全阀之间应闭锁5. 在活柱内装设蓄能器液压支架抗冲击保护装置从结构上看似简单，但其工作条件极其复杂和特殊，要想设计出适应各种条件，性能优良的装置十分困难，因此它不是简单的静态设计所能解决的，而需要整个装置连同相关部分作为一个整体系统，对其进行动态设计。以下是对大流量安全阀的设计：1安全阀本章重点在于对大流量安全阀的基本特征进行分析，研究不同类型各自的特点，进一步研究安全阀工作机理，最后分析各种安全阀的

6、优缺点。1.1安全阀的基本特征1.1.1安全阀的定义安全阀(safety valve)：安全阀类的作用是防止管路或装置中的介质压力超过规定数值，从而达到安全保护的目的。 安全阀是一种安全保护用阀，它的启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高，超过规定值时自动开启，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值。安全阀属于自动阀类，主要用于锅炉、压力容器和管道上，控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。1.2安全阀的工作原理及分类1.2.1安全阀的工作原理安全阀从开始开启到排放以及从全开又回到关闭的整个过程中,随阀瓣开启高度的变化,弹簧载荷的大小

7、亦在不断变化,也就是说,弹簧载荷力是随阀瓣开启高度的变化而变化。根据阀瓣所承受载荷力的变化,安全阀的整个动作过程可以分为四个阶段来描述。(1)密封状态安全阀在正常工作情况下,阀瓣上所承受的弹簧力等于或大于介质力与密封力之和。即Q2Q1+Q3,Q1为介质力,Q2为弹簧力,Q3为密封力,见图1所示。图1弹簧式安全阀受力示意图当弹簧力与介质力之差等于或大于阀瓣与阀座密封面之间的密封力时,这个力在密封面上所产生的比压力,保证了阀门的密封性,因而此时的安全阀处于密封状态。(2)泄漏状态当被保护系统中介质压力因某种原因升高而达到某一数值时,使弹簧力与介质力之差小于密封力。即Q2-Q1Q2时,安全阀的阀瓣开

8、始上升并达到某一可测的高度;介质开始呈连续的气流排出;此时阀的状态称为开启;阀前压力称为开启压力。当介质压力进一步增大到某一数值时,阀瓣完全打开,并达到额定的开启高度,这时阀的状态称为排放;阀前压力称为排放压力。(4)回座状态随着安全阀的排放,系统内多余的介质被排出,介质压力开始逐渐下降,介质力也随之减小。当弹簧力与介质力之差大于密封力即Q2-Q1Q3并达到某一规定值时,阀瓣在弹簧力推动下,自动关闭,介质停止排出。这时的状态称回座;阀前压力称为回座压力。随后,被保护系统又恢复正常工作压力,安全阀亦恢复到第一阶段的密封状态。1.2.2安全阀分类及结构安全阀分类有以下三种:(1)按工作原理分类(a

9、)直接作用式,是直接用机械载荷如重锤，杠杆加重锤或弹簧来克服由阀瓣下介质压力所产生作用力的安全阀。这种安全阀具有反应敏捷、结构简单、紧凑等优点。重锤式安全阀施加载荷力的重锤直接作用在阀瓣上。当介质力小于重锤力时,阀为关闭状态,当介质力大于重锤力时,阀呈开启状态,当介质力与重锤力平衡时,阀保持原状态。其特点是结构简单,制造方便,但对振动较敏感,不适用于运动系统,而且其载荷力不随开启高度而变化,因此回座性能差。(b)带动力辅助装置式,该安全阀借助一个动力辅助装置,可以在低于正常的开启压力下开启。(c)间接作用式,又称先导式,即依靠从导阀排出介质来驱动或控制的安全阀,见图9。这种安全阀通常是由主阀与

10、辅助装置组成,当系统超压时,先是辅助装置动作,而主安全阀则是在辅助装置所排出的介质力作用下而开启。其特点是主阀口径的大小不受弹簧加工的限制,而且又可依靠介质自身压力达到密封效果做成“自密封型”,故具有良好的密封性。但工作可靠性不如直接作用式,并有动作延迟现象以及结构复杂,加工成本高,安装尺寸大等缺点,因此,大都使用于高压流量或有变动背压等场合。(2)按阀瓣开启高度分类(a)全启式。这种安全阀其阀瓣开启高度等于或大于阀座喉部直径的 ,具有动作敏捷、排放量大等特点,因此被广泛应用于气体介质的系统上。(b)微启式。这种安全阀其阀瓣开启高度为阀座喉部直径的1/201/40,在开启与回座过程中阀瓣无突跳

11、和突关动作,系统中的压力不会由此而引起剧烈的波动,因而适用于液体介质的系统中。(3)按结构不同分类(a)封闭弹簧式安全阀,。一般易燃易爆或有毒介质应选用封闭式,而蒸汽或惰性气体等可选用不封闭式。(b)带扳手安全阀。扳手的作用主要是检查阀瓣的灵活程度,有时也可用作紧急泄压用。(c)带散热片的安全阀。这种安全阀在其阀体和弹簧盖之间设置若干散热片,有的结构还设有使弹簧腔与高温介质隔离的特制轴套,可以防止介质直接冲刷弹簧,并降低弹簧腔室的温度,以防止因弹簧温升过高而影响阀门的动作与密封性能,介质温度大于300时应选用带散热片的安全阀。(d)波纹管安全阀。这种安全阀的结构特点是在阀瓣与中法兰挡板之间焊有

12、金属波纹管。其主要作用有二种,一是用于平衡附加背压对阀门开启压力的影响,二是可使用在腐蚀性介质场合。波纹管的内外腔室是处于密封隔离状态,其外腔室与排放介质相通,而内腔室则与弹簧相通。因而,当安全阀排放时,能有效地防止腐蚀性介质冲刷弹簧与外溢。1.3安全阀的优缺点1.3.1安全阀的特点安全阀是受压设备或管路上作为超压保护的装置,当系统压力升高到超过允许值时,阀门开启,全量排放泄压,以防止压力继续升高,当压力降低到规定值时,阀门及时关闭,从而保护系统的安全运行。所以安全阀的选型及计算是否正确直接关系到设备乃至人身的安全。1.3.2柱塞式安全阀液压支架中超过额定压力的液体，推动柱塞移动，柱塞的溢流孔

13、通过“O”形圈以后，超高压的液体从孔中喷出卸压，卸到额定压力时，弹簧将柱塞推回原位。缺点：1.“O”形圈易被煤粒拉伤，导致密封渗漏，抗煤粒性差，寿命低。2.阀的开，闭灵敏度差3.要求精度高，加工困难，检修困难1.3.3平面式安全阀液压支架中超过额定压力的液体，推动密封件与导向体移动，因此密封件的表面与阀座的密封面离开，超高压的液体从离缝中喷出卸压， 卸到额定压力时，弹簧将密封件与导向体推回原位。 而且具有以下缺点：1.扯断强度低，不耐冲刷2.属于单级密封，阀的起落高度不能开大，开大后密封被冲刷变形或被冲走。2.安全阀的设计本章将在前一章研究安全阀的基础上，进行安全阀的结构设计及参数计算。 2.

14、1安全阀的结构设计 图2.1 阀的开启状态Fig.2.1 The valve opening state1.阀结构主要由卡套，阀芯，挡环，弹簧，阀壳，阀套，调压杆组成；2.阀芯采用差动式结构，可承受更大的开启压力；3.阀芯与调压杆形成阻尼结构，可减小自振频率，有效的吸收冲击能量；2.2 参数计算2.2.1安全阀的的关闭压力，开启压力和排放压力管路工作压力(P)：32MPa关闭压力(-0.3-0.1P):22.428.8MPa开启压力(+0.1+0.3P):35.242.6MPa排放压力(+0.25P):40MPa2.2.2卡套尺寸图2.2 卡套结构Fig.2.2 Card cover stru

15、cture采用标准系列，设计给定流通直径d0=20mm，流道面积A=314mm（图2.2）则公称通径DN=25mm;M为M422(mm);d的基本尺寸为;d1为37mm;d2为39mm;h的基本尺寸为;b为5mm;C为2mm; 2.2.3压力损失图2.3Fig.2.3图2.4Fig.2.4局部压力损失： （21）式中：v液体流动速度，一般指局部阻力下游处的速度；液体密度；g重力加速度； 局部阻力系数，该系数的值一般需通过实验来确定；局部压力损失；安全阀排量设计给定为320l/min局部压力损失可忽略不记2.2.4弹簧的选择图2.5 压缩弹簧Fig.2.5 Compress spring计算阀芯

16、所受力F;.选择材料和确定许用应力根据弹簧所受载荷特性及要求选择材料为60Si2MnWA，强度高，弹性好许用应力可根据标准取按II类载荷的弹簧考虑：其中许用应力;切变模量G=80000MPa;弹性模量E=200000MPa;硬度范围4752HRC;使用温度-40250.选择旋绕比根据表初步选取旋绕比C=6；.计算钢丝直径计算钢丝直径的公式为 （22）所受为动载荷，则则d=6.9根据表选取d=7mm;.确定弹簧有效圈数n图2.6 圆柱螺旋压缩弹簧特性曲线Fig.2.6 Column helix compression spring characteristic property curve最大变

17、形量，根据图2.6， （23）故弹簧的有效工作圈数n取两端支撑圈故总圈数(5).弹簧的几何尺寸计算中径 外径 内径 节距 圆整 轴向间隙 自由高度 螺旋升角 极限变形量 (6).弹簧的验算图2.7 圆柱螺旋压缩弹簧的应力分析Fig.2.7 Column helix compression spring strain analysis图2.8 圆柱螺旋压缩弹簧的受力（1）Fig.2.8 Column helix compression spring accepting strenuously(1)图2.9 圆柱螺旋压缩弹簧的受力（2）Fig.2.9 Column helix compressio

18、n spring accepting strenuously(2)1.弹簧的稳定性计算压缩弹簧的高径比比较大，当载荷F达到一定值，就会发生较大的侧向弯曲，丧失稳定。为了避免失稳现象，一般压缩弹簧的高径比b按下列情况选取；1.当两端固定时，取b5.3;2.当一端固定时，另一端自由转动时，取b3.7；3.当两端自由转动时，取b103时，应进一步做疲劳强度的验算。弹簧在变载荷作用下的最大和最小剪应力和分别为：弹簧的疲劳强度条件为安全系数S满足式中弹簧材料的脉动剪切疲劳极限S许用安全系数，当弹簧的设计计算和材料试验数据准确性高时，取1.31.7，当准确性低时。取1.82.2。经计算，达到疲劳强度的要求

19、。3.振动验算承受变载荷的圆柱螺旋弹簧常是在加载频率很高的情况下工作。为了避免引起弹簧的谐振而导致弹簧的破坏。需对弹簧进行振动验算，以保证其临界工作频率（即工作频率发许用值）远低于其基本自振频率。圆柱螺旋弹簧的基本自振频率为式中: 弹簧的刚度弹簧的质量2.2.5阀芯的设计1.阀芯的角度设计阀芯的角度只于比值有关，这里为阀芯和阀孔之间的径向间隙。根据理论分析得 (24)图2.10关系曲线Fig2.10 Concern a curve图中所示曲线为角和与之间的关系曲线，它表明在上式中存在一条的渐进线，当然也存在一条的渐进线。当阀芯角度取到时，可达到最理想的效果，使阀芯的振动减为最小。2.阀芯材料的

20、选择阀芯材料的选择为其力学性能在时为：抗拉强度极限屈服极限比例极限材料弹性系数其许用应力在时为：许用压应力许用拉应力许用扭应力许用剪应力许用合成应力所以可以满足设计的需要。2.2.6密封的设计设计中采用挤压式密封，挤压式密封靠密封圈安装在槽内预先被挤压，产生压紧力，工作时又靠介质压力挤压密封环，产生压紧力，封闭密封间隙，达到密封的目的。“O”圈密封结构紧凑。所占空间小，动摩擦阻力小，拆卸方便，成本低。用于往复及旋转运动。密封压力从的真空到的高压，温度达。线速度为。1.O型橡胶密封圈尺寸及公差图2.111）.，2）.，3）.，2.密封沟槽尺寸图2.12图2.13内径为，截面直径时，最小导向长度，

21、槽底圆角半径，槽棱圆角半径内径为，截面直径时，最小导向长度，槽底圆角半径，槽棱圆角半径内径为，截面直径时，最小导向长度，槽底圆角半径，槽棱圆角半径3.沟槽各表面的表面粗糙度表21沟槽各表面的表面粗糙度Tab.21 grooves every surface surface harshness表面应用情况表面粗糙度沟槽的底面和侧面动密封1.6（0.8）6.3（3.2）配合表面0.41.6倒角表面3.212.54.沟槽尺寸公差表22沟槽尺寸公差Tab.22 groove dimensions common differences沟槽尺寸O型圈截面直径3.555.30缸内径活塞密封沟槽槽底直径总公差

22、活塞杆直径活塞杆密封沟槽槽底直径总公差+0.0800-0.060.14-0.03-0.09+0.0800.14+0.0900-0.070.16-0.03-0.10+0.0900.165.O形橡胶密封圈用挡圈图2.14 O形橡胶密封圈用挡圈Fig.2.14 The O shape rubber sealing washer uses an antiextrusion ring表23 O形橡胶密封圈用挡圈Tab.23 The O shape rubber sealing washer uses an antiextrusion ring外径D2厚度T极限偏差使用范围材料TD2动密封静密封20521

23、.251.50.10.12-0.14-0.20+0.14+0.20时。可在O形圈承压面设置挡圈，单向受压设一个挡，双向受压，设置两个时，不设挡圈；时，可在承压面设置挡圈聚四氟乙烯，硬度 2.2.7螺纹的设计1.螺纹的选择图2.15 细牙普通螺纹计算参数Fig.2.15 Thin average tooth thread calculates a parameter表24 细牙普通螺纹计算参数Tab.24 Thin average tooth thread calculates a parameter 螺纹公称直径和螺距螺纹力臂单牙螺纹受挤压面积单牙螺纹受剪面积单牙螺纹断面系数螺杆螺母螺杆螺母0

24、.4870.651.7322.0042.7413.1812.8603.3000.07920.09250.08350.09612.许用应力表25 45号钢的许用应力Tab.25 45 numbers steel strain材料牌号连接螺纹在载荷下拧紧无载荷下拧紧45902401701023.螺纹强度的验算图2.16 连接螺纹Fig.2.16 linking thread表26 强度验算Tab. 26 intensity checking calculation序号名称符号式中符号公式单位1挤压应力2密封面上的密封力N3密封面内径52/62mm4密封面宽度3mm5密封面必须比压6计算螺纹圈数7计

25、算高度h10mm8螺距P2mm9单牙螺纹受挤压面积10螺纹直径52/62mm11螺纹内径50/60mm12螺纹间隙mm13剪应力MPa14单牙螺纹受剪面积mm15弯曲应力MPa16力臂0.325Pmm17单牙螺纹断面系数1.内径52处的验算结果2.内径62处的验算结果2.2.8 阻尼器的设计1微流体的滑流边界条件与粘度修正方法对于微尺度气流,稀薄气体效应的重要性通常用Kn表征:Kn=/Lc,其中:为气体分子平均自由程;Lc是流动特征长度.根据Kn数的大小将流动划分为4个区域:(1).Kn0.01,连续流区;(2).0.01Kn0.10,滑流区;(3).0.10Kn10.00,过渡区;(4).K

26、n10.00,自由分子流区.在滑流区中,气体会在固体壁面发生滑移现象,即气体流速不为零,引入了滑移边界条件.对于微尺度中的液体来说,当特征长度Lc在纳米尺度范围时,在固体壁面也会出现滑移现象.由于滑移现象的出现,使得微流体的流动特性不同于宏观尺度下的流动,主要表现在流速、流量和流阻3个方面.由压力梯度推动的管、缝隙中的不可压缩粘性流体的流动称为泊肃叶(Poiseuille)流动.图2.17微缝隙流动示意图Fig.2.17 Sketch map of micro-gap flow图2.18所示的微缝隙中的恒定流动,y方向为无穷长,流动为二维的,其流动控制方程为 (25)微缝隙流的滑流边界条件为

27、(26)其中:为流体动力粘度;L为微缝隙的长度;h为缝隙高度;为微缝隙中流体的滑移长度;u为流体流速;p流体压强;和分别为微缝隙入口、出口的流体压强;压强差=-图2.18微缝隙流动示意图Fig.2.18 Sketch map of micro-channel flow图2.19给出了圆柱坐标系下压力梯度推动下的微管道流动示意图,其流动控制方程为 (27)对于微流体来说,考虑速度滑移的边界条件 (28)其中:R为微管道半径;r为微管道外径;为微管道中流体的滑移长度.考虑到流动的对称性以及式(2)和式(4)的边界条件,分别对式(1)和式(3)积分,可以得到微缝隙和微管道流动的计算公式,如表1.表1

28、中b为微缝隙的宽度,和分别为微缝隙流和微管道流的等效粘度: （29） （210）表1中的流量、平均流速和压降的计算公式,分别与宏观尺度下流体在缝隙中和管道中流动的公式形式完全相同.不同之处在于在微流体情况下,采用等效粘度系数和替代了宏观尺度下的粘度.因此,通过修正流体的粘度,就可以采用宏观尺度(具有固壁边界条件)下的公式计算具有滑流边界条件的微缝隙和微管道的流量、平均流速和压降. 表27微缝隙流和微管道流的计算公式Tab.27 Fonnulas for m icro-gap flow and micro-channel flow通道类型流速分布u流量Q平均流速 u压降p微缝隙微管道2. 中心开

29、孔圆盘的挤压流动分析图2.19中心开孔圆盘示意图Fig.2.19 Sketch map of a perforated disk with a centre hole中心开孔圆盘平行于一固定平板，并沿轴向以速度向固定平板运动；圆盘内径为，外径为，厚度为圆盘与固定平板间夹有厚度为的流体薄膜，流体受到挤压，缝隙空间减少，迫使一部分流体由中心孔挤压流出，流体在中心孔中滑动，对圆盘运动产生滑膜阻尼力。 由于中心孔的出流量与流体薄膜边缘的出流量都不为零，流体薄膜中靠近中心孔的流速与靠近边缘的径向流速相反，从而存在一个流量为零的圆柱面，假定通过半径为的圆柱面流量为零，此圆柱面压强应该为最大，并假定其压强为

30、时，流体薄膜中的压强为时，流体薄膜的压强等于外界环境压强，将任意半径处的一个微圆环形缝隙，展开成长度为，宽度为，高度为的微缝隙，表1中中微缝隙流量公式中的压力下降率可换为,可得半径为r的圆柱面的流体挤压出流量为 （212）圆盘以v0运动排开的流量为.设流体不可压缩,挤出流量等于排开流量,压力梯度 （213）边界条件为r=r0,p=p0.对式(6)积分,得此时圆盘下表面的压强分布为 （214）假设中心孔的流体流动为泊肃叶流动.若存在滑移,根据表1,中心孔中流体的流量为 （215）当r与l相差不大时,中心孔等效长度为,又因为,因此 （216）式(7)和(9)联立可得 （217）圆盘受到的阻尼力为

31、（218）其中F为由上下环状面的压强差产生的压膜阻力, （219）压膜阻尼系数 （220）F为中心孔中流体产生的滑膜阻尼力, （221）滑膜阻尼系数 （222）式(11)(13)联立可得 （223）最后可以得到总的阻尼系数 （224）3.阻尼器的计算过程及结果水的动力黏度为由（29），（210）可得由（222）可得由（220）可得最后可以得到总的阻尼系数3.安全阀的建模3.1 安全阀的数学模型图3.1安全阀的数学模型Fig3.1 The relief valve mathematic model如图3.1由安全阀简化的机械谐振系统由质量，阻尼和弹性负载组成，根据牛顿定律，他它可用下述方程描述：

32、 （31）式中 M运动物体的质量C阻尼系数；K弹簧刚度；物体位移；外作用力。线性化后的拉普拉斯变换表达式 （32）带入前文计算所得数据可得：（33）流过阀口的流量方程线性化后的拉普拉斯变换表达式 （33）式中：流量增益, （34）式中阀口流量系数阀口的平均直径x阀口的开口量,mp1阀入口处的压力, Pa液体的密度,Kp流量压力系数, （35）式中,p10工作点上的数值。3.2阀芯的受力平衡方程线性化后的拉普拉斯变换表达式 (36)式中等效阻尼系数, Ns/m (37)等效弹簧刚度, N/m (38)等效作用面积, (39)阀芯的质量,kg阀芯运动时的阻尼系数, Ns/mK气体弹簧的等效刚度,

33、N/m阀入口面积,差动腔压力, Pa差动腔面积, Kv当量系数,m (310)Cv流速系数3.2 流过阻尼孔的流量方程线性化后的拉普拉斯变换表达式 (311)式中小阻尼孔的特征系数, (312)n小阻尼孔的个数小阻尼孔的直径,m小阻尼孔的长度, m液体的动力粘度, c入口层流修正系数3.3流过小阻尼孔的流量方程线性化后的拉普拉斯变换表达式 (313)式中差动腔的容积,液体的容积弹性模数,3.4.阀腔及柱腔的流量连续方程线性化后的拉普拉斯变换表达式 (314)式中立柱活塞的面积,柱腔的容积,y立柱的下降量,m3.5.立柱活塞的受力平衡方程线性化后的拉普拉斯变换表达式 (315)式中活柱及运动部件

34、的质量,kg当量粘性系数,Ns/mT顶板对支架立柱的冲击力,N考虑到为立柱的下降速度,式(5)与式(6)可变为 (316) (317)4.安全阀的仿真4.1 仿真的概念 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的系统仿真涉及相似论、控制论、计算机科学、系统工程理论、数值计算、概率论、数理统计、时间序列分析等多种学科。 相似性原理是仿真主要的理论依据。所谓

35、相似，是指各类事务或对象间存在的某些共性。相似性是客观世界的一种普遍现象，它反映了客观世界不同事物之间存在着某些共同的规律。采用相似性技术建立实际系统的相似模型就是仿真的本质过程。 4.2 计算机仿真 计算机仿真是在研究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模拟研究对象。研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的物理模型来进行研究的，即物理仿真。物理仿真的优点是直接、形象、可信，缺点是模型受限、易破坏、难以重用。 计算机作为一种最重要的仿真工具，已经推出了模拟机、模拟数字机、数字通用机、仿真专用机等各种机型并应用在不同的仿真领域。除了计算机这种

36、主要的仿真工具外还有两类专用仿真器：一类是专用物理仿真器，如在飞行仿真中得到广泛应用的转台，各种风洞、水洞等；另一类是用于培训目的的各种训练仿真器，如培训原子能电站、大型自动化工厂操作人员和训练飞行员、宇航员的培训仿真器、仿真工作台和仿真机舱等。 4.3 仿真的作用 仿真技术具有很高的科学研究价值和巨大的经济效益。由于仿真技术的特殊功效，特别是安全性和经济性，使得仿真技术得到广泛的应用。首先由于仿真技术在应用上的安全性，使得航空、航天、核电站等成为仿真技术最早的和最主要的应用领域。 归纳起来，仿真技术的主要用途有如下几点： (1) 优化系统设计。在实际系统建立以前，通过改变仿真模型结构和调整系

37、统参数来优化系统设计。如控制系统、数字信号处理系统的设计经常要靠仿真来优化系统性能。 (2) 系统故障再现，发现故障原因。实际系统故障的再现必然会带来某种危害性，这样做是不安全的和不经济的，利用仿真来再现系统故障则是安全的和经济的。(3) 验证系统设计的正确性。(4) 对系统或其子系统进行性能评价和分析。多为物理仿真，如飞机的疲劳试验。(5) 训练系统操作员。常见于各种模拟器，如飞行模拟器、坦克模拟器等。(6) 为管理决策和技术决策提供支持。4.4 仿真算法 在建立系统的数学模型后，需要将其转变成能够在计算机上运行的仿真模型。由于计算机只能进行离散的数值计算，因而必须推导出连续系统的递推数学公

38、式，如解微分方程的龙格库塔算法。这实际上属于数值计算的内容，其发展已经相当完善了。其实这就是计算机仿真算法的设计，即把数学模型转化为能在计算机上运行的仿真模型。 通常这些仿真算法并不需要仿真人员去编制，因为这些仿真算法往往已经内嵌于各种面向仿真用途的专用软件中了。但是对这些算法的了解无疑有助于用户更好地完成仿真任务。一般来说，系统仿真算法有如下几类： (1) 集中参数系统仿真算法。 (2) 分布参数系统仿真算法。 (3) 离散时间系统仿真算法4.5计算机仿真的一般过程 计算机仿真的一般过程可以表述如下： (1) 描述仿真问题，明确仿真目的。 (2) 项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确

39、定相应的仿真结构(实时仿真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿真等)，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。(3) 数学建模：根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。注意要确保模型的有效性和经济性。 (4) 仿真建模：根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或其它仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也即获得系统的仿真模型。 (5) 试验：设定实验环境/条件和记录数据，进行实验，并记录数据。 (6) 仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理(整理及文档化)。图4.1 计算机仿真流程图Fig4.1 Simulated flow