面向水下运载平台的氢氧燃料电池建模与仿真分析

以Modelica为基础,面向某型深海运载平台使用的质子交换膜燃料电池构建模型,主要包含氢氧燃料电池电堆模型、供氢系统模型以及供氧系统模型。针对该燃料电池模型分别进行了稳态验证,研究了氢氧气体压力、工作温度以及质子交换膜厚度对电池性能的影响,分析了该模型的动态性能。结果表明:该模型与实际运行数据具有良好的拟合度,能较为真实地反映燃料电池运行的氢氧气体压力、工作温度、质子交换膜厚度等关键参数对电堆性能的影响,较好地反映燃料电池动态输出特性。

新工科背景下生产系统建模与仿真课程教学改革

为培养符合新工科建设要求的专业技术人才,针对工业工程专业核心课生产系统建模与仿真课程教学改革展开探索。从课程特点、教学内容以及考核形式等方面分析了课程教学现状,提出了优化课程教学环节,“线上+线下”的混合式教学;开展案例式启发教学,将理论与实践相结合;考核方式多元化,创新反馈机制等多维度的改革方案与措施,不断强化该课程在工业工程专业本科生培养过程中的核心作用。

质子交换膜燃料电池热管理系统建模及故障仿真

文章以质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)系统为研究对象,分析系统中各组成部件的工作机理,在MATLAB/Simulink软件中搭建了燃料电池电堆电压、阴极、质子交换膜、阳极以及温度的数学机理模型,同时使用Simulink/Simscape物理建模平台搭建热管理系统的物理模型,将两种模型集成为完整的PEMFC系统仿真模型。在所搭建的热管理系统模型中注入典型故障:散热器风扇故障和冷却液流量不足故障,对各故障模式下的燃料电池性能进行了分析。仿真结果表明:PEMFC系统模型结果与试验结果基本一致,验证了模型的合理性;通过对热管理系统故障进行仿真,可以清楚地了解故障发生的机理,为其故障诊断提供了参考依据。

非隔离型直流变压器的快速电磁暂态等效建模方法

电磁暂态仿真对于掌握直流变压器的运行特性具有重要意义,但目前的模块化变流器高速等效建模方法对非隔离型变压器较少提及。同时,现有非隔离型直流变压器电磁暂态仿真模型存在开关状态计算复杂、内部节点数多的问题,导致系统仿真效率低下。为此,提出一种基于开关状态预测和戴维南等效的非隔离型直流变压器快速电磁暂态等效建模方法。首先,提出一种非隔离型直流变压器中子模块的开关状态预测方法。其次,基于开关状态得到直流变压器桥臂的等效电路,并对其进行戴维南等效,得到桥臂的两节点等效电路模型。然后,建立自耦变压器的等效电路模型,综合桥臂和自耦变压器等效电路,获得直流变压器的等效电路,并据此建立直流变压器的节点电压方程。最后,基于高斯消元对方程进行降阶,实现非隔离型直流变压器仿真模型的内节点收缩。算例分析表明,所提非隔离型直流变压器的快速电磁暂态等效建模方法与传统详细建模方法精度接近,仿真效率显著提升。

基于虚拟现实的虚拟仿真建模及渲染技术

虚拟现实技术能够创造出逼真的虚拟环境,为能够更加快速地建立模型,该文结合相关工具和Unity3D平台开发仿真建模及渲染技术。通过工具收集真实地形的数据,然后进行相关的数据处理并生成数据集合。通过使用Unity3D中地形工具进行数据读取和快速制作三维场景模型,为提高模型的渲染逼真度使用高清渲染管线对场景模型进行光照等渲染处理。通过对该技术的研究,该技术能够使三维场景的逼真度提高及渲染程度非常好,模型细节也能观察,同时该技术也能被运用到毁伤评估仿真、虚拟训练等方面。

特定湍动激励-响应类型二次非线性系统双谱分析仿真建模

自然界存在一类特定湍动激励类型二次非线性系统,属于一种特殊的非高斯信号系统,其特征是输入信号谱由湍流波动产生,而且这种湍流波动信号功率谱分布接近高斯分布.本文从拓展Choi等(1985 J.Sound Vib.99309]和Kim等(1987 IEEE J.Ocean.Eng.OE-12568)的工作入手,对以海浪激励-系泊船舶响应和充分发展湍流为代表的特定湍动激励-响应类二次非线性系统,基于双谱分析技术进行系统仿真,并对仿真系统进行了扩展的、系统的建模分析,并首次应用完备迭代法(2020 Phys.Scr.95055202)进行模型求解,计算了线性传递函数与二次非线性传递函数.所得结果均符合预期.相干分析表明,随机海浪-船舶摇动系统二次相干性远大于线性相干性,但近高斯输入型充分发展湍流的线性相干性更大.反算验证或与真实系统的对比表明,本文的湍流仿真手段与系统建模方法准确性好,求解算法效率高,可以有效应用于与湍动激励相关的二次非线性系统的模型描述与系统分析.

超导钉扎高速磁浮车-轨耦合动力学建模与仿真

为探究超导钉扎磁浮车辆高速运行动态特性,建立车-轨耦合空间模型,开展不同车速下的动力学仿真。结合有限元方法获得磁轨关系数学模型;基于牛顿-欧拉法建立车辆模型,引入截短梁描述建立永磁轨道模型;以磁轨关系为纽带获得超导钉扎磁浮车-轨空间耦合动力学模型;利用Matlab对模型进行仿真,分析轨道振动、电机法向力和轨道不平顺等对超导钉扎磁浮车辆-轨道系统动态响应的影响。结果表明:磁浮车辆系统的振动受轨道不平顺和车速的影响较大,受轨道振动的影响可忽略不计;在速度为620 km/h时,车体、悬浮架的最大振动加速度分别保持在0.5、8 m/s^(2)以下,具有较好的乘坐舒适性。建立的模型可为超导钉扎磁浮交通线路设计与参数优化等研究提供帮助。

光热驱动的膜分离生物甲烷制氢过程建模与仿真分析

光热驱动的甲烷重整制氢技术,是将太阳能转化为燃料的主要技术路径之一。引入聚光集热技术,可实现太阳能的全光谱利用,有效提高太阳能到燃料化学能的转化效率,同时显著降低系统能耗及碳排放。将多孔碳化硅吸热体和La_(1-x)Sr_(x)Co_(1-y)Fe_(y)O_(3-δ)钙钛矿透氧膜结合,提出一种光热驱动的膜反应制氢的设计思路,实现了连续、高效的制氢过程。完成了该反应过程的概念设计,建立考虑辐射-传热-膜分离-反应的数值模型并进行仿真模拟;重点评估了膜表面的温度均匀性,并分析温度对膜内反应及出口产物的影响规律。结果表明,该模型可以有效精准描述概念设计过程。研究成果可为光热驱动的高温膜反应器设计和放大提供理论依据以及初步设计方法。

射频异构集成微系统多层级协同仿真建模与PDK技术综述

作为后摩尔技术的可选路径之一,基于异构集成工艺实现的集成微系统具有高集成度、低成本、高性能等优点,引起学术界和工业界的广泛关注。异构集成微系统设计是以系统为中心的多层级协同设计,对传统以晶体管为中心的设计方法和设计流程带来新的挑战,同时对设计环境的开发带来新的要求。本文对射频集成微系统设计中所需的基础器件/结构建模方法、多工艺混合工艺设计套件(Process Design Kit,PDK)技术、以及电路-模块-系统多层级协同仿真等技术最新进展进行综述。

晶闸管强迫换流虚拟仿真实验建模与分析

针对120°导电型逆变器中晶闸管的强迫换流过程复杂,传统硬件实验无法完成测试的现状,研究了晶闸管强迫换流虚拟仿真实验的建模方法。该方法利用Simulink工具箱搭建晶闸管三相桥式串联二极管式电流型逆变器实验模型,仿真分析了交流电动机反电动势和漏阻抗对换流过程产生的影响、换流二极管的临界导通条件和换流电容的充放电过程,测试了反电动势负载条件下三相全桥电流型逆变器的谐波影响。仿真结果表明,该模型能够直观和真实地反映逆变器中晶闸管的强迫换流过程,提供了有效的虚拟仿真实验教学资源。

数模—动模混合仿真系统的接口建模与稳定性分析

为满足现代电力系统实时仿真的发展需求,数模-动模混合仿真系统结合实时数字仿真和物理动态模拟仿真的优点,成为现代电力系统研究的重要仿真方法。接口系统是混合仿真系统设计中的核心与难点。为了深入分析混合仿真系统的稳定性,对接口系统各个组成环节进行建模得到系统开环传递函数,分别根据劳斯判据和奈奎斯特判据研究开环传递函数中不同参数对系统稳定性的影响。理论推导表明接口系统中滤波器截止频率、接口延时和阻抗模拟比对系统的稳定性影响较大,并通过所搭建的混合仿真系统进行实验,实验结果表明不同参数对系统的稳定性影响与理论推导一致。

适应并离网模式切换的DFIG电磁暂态仿真建模

目前,常用的商业仿真软件中的双馈式感应发电机(double-fed Induction Generator,DFIG)模型通常不支持离网运行模式,难以实现风力发电系统由离网到并网的全过程电磁暂态仿真,对电力系统仿真分析工作带来极大不便。研究适应并离网模式切换的DFIG电磁暂态仿真建模方法。基于模块化思想分别对风力机、异步电机、变流器以及断路器进行建模,在系统组装形成DFIG风力发电系统电磁暂态仿真模型。提出了适应并离网模式切换的DFIG受控源等效电路模型和离散时间域实现方法,通过设计状态变量矩阵元素的截取和扩充算法实现了模型在并离网模式下的无缝衔接。在MATLAB/Simulink中搭建DFIG发电系统模型对所提方法和模型进行验证,仿真结果表明,所提建模方法能够很好地支持DFIG离网运行模式,实现DFIG由离网到并网的全过程电磁暂态仿真。

船用柴油机均值模型建模及仿真研究

柴油机模型的研究是探究柴油机性能、实现虚拟仿真的基础,可缩短仿真计算时间、有效节约柴油机开发成本。本文以RK270柴油机为研究对象,使用GT-POWER软件建立稳态性能仿真模型,在此基础上,采用仿真精度高、计算速度快的平均值法,以C++语言建立柴油机平均值模型,并归纳通用的平均值模型建模标定校核流程;提出二元响应拟合的方法,解决了涡轮增压器特性参数处理困难的问题,并借助数学工具,获得了压气机主要工作区域内拟合精度较高的模型。完成模型开发后,分析了8组工况下的仿真结果,通过误差分析,验证了模型的准确性,丰富完善了柴油机建模理论和方法,可应用于实时控制模型的动态仿真或者实现与船舶动力系统的交互。

基于可控移相器合环装置的配电网建模与仿真研究

随着产业升级和人民生活水平的不断提高,电力用户对供电可靠性要求越来越高,配电网合环不停电转供成为研究热点。但随着负荷的增加,电网在实际运行中较难满足合环条件,有必要研究新的合环控制装置技术。提出了一种基于可控移相器(Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer,TCPST)的灵活控制装置,能满足合环线路两侧电压幅值、相位差较大时的合环转供需求。首先分析了可控移相器合环控制装置的拓扑的结构和工作原理。在此基础上,推导了幅相可控移相器的数学模型。最后基于10 kV配电网合环应用场景,在PSCAD环境中进行了仿真,验证了所提出的可控移相器合环控制装置的正确性和有效性。

高度重用行为资源的海战仿真行为建模

针对海战仿真行为建模需求,提出了一种多粒度组合行为建模方法。该方法构建了包括原子层、状态层、行动层和任务层行为模型的四层级行为建模框架,以组合与重用作为行为建模的主要操作。将海战仿真常见的作战行为按照作战职能、作战过程进行分解,细分为层次结构分明、功能边界清晰、支持组合重用的原子行为和原子条件模型。阐述了组合式状态建模、行动建模和任务建模的具体实现方法。示例性应用表明,该建模方法可显著提高行为建模的效率和质量。

基于多Agent的服装可持续消费行为建模与仿真

“双碳”目标下,随着服装消费引起的气候变化和环境污染等生态问题日益严重,迫切需要重新思考和重塑服装消费模式,推动服装消费向质量型、低碳化转变,从而实现服装产业的绿色转型。文章运用多Agent建模方法,构建服装可持续消费行为仿真模型,采用Netlogo平台进行仿真实验,探求服装可持续消费行为的影响机理。结果表明,消费者可持续消费认知、产品可持续性和设施供应条件均显著促进可持续消费行为;但不同强度下,产品可持续性和设施供应条件的推动作用存在差异。基于此,从可持续消费认知和供应条件两方面提出了引导中国消费者服装可持续消费行为的建议和对策。

氧化铝陶瓷磨削用砂轮形貌建模与表面粗糙度仿真

根据金刚石砂轮磨料的粒度、浓度以及磨粒位置随机分布特征,研究了金刚石砂轮表面形貌建模方法,建立了浓度为100%,粒度分别为80/100、170/200、325/400的3种金刚石砂轮表面形貌模型。采用JH-2模型描述氧化铝陶瓷材料的本构行为,利用3种砂轮地貌模型进行了不同工艺参数下的氧化铝陶瓷磨削有限元仿真分析。通过有限元模型网格节点分析氧化铝陶瓷有限元网格模型加工后表面形貌,根据仿真中氧化铝陶瓷的去除形式以及磨削后的表面形貌特征,分析了金刚石砂轮形貌和磨削深度对氧化铝陶瓷材料磨削表面粗糙度的影响,验证了此种氧化铝陶瓷磨削有限元仿真分析方法的可行性。

动物中毒病虚拟仿真实验教学建模路径与评价

动物中毒病的实验教学过程中,由于慢性中毒性疾病发病时间较长,体征表现不明显,加之外源性化学物质对人和动物产生的蓄积和损伤性等因素存在,使得学生在实验期间很难制造出临床模型和观察出临床症状。同时,动物中毒病实验学生生产实践时间长、跨度宽、生产管理受限等方面的制约,使动物慢性中毒病一直无法有效地开展和进行。虚拟仿真实验教学通过人机互作来建立三维立体模型、虚拟现实联合等智能化技术手段,可很好地弥补动物中毒病实验的局限性,特别是慢性蓄积性中毒病实验。它可以全方位、全过程、可持续解决教学实验目标,实现了虚实结合的实验教学模式。

基于AMESim的新型变排量机油泵建模与仿真研究

以一种新型叶片柱塞复合形式的二级变量叶片泵为研究对象,其主要特点是将叶片顶端嵌入到定子中,转子、叶片、定子同时转动,减小了高速时的叶片冲击。推导叶片柱塞复合作用下泵的瞬时流量特性公式。基于AMESim仿真平台搭建比例电磁阀、瞬时流量、变量机构模型,并对二级变量叶片泵特性进行仿真,并通过台架试验进行相关验证。实验结果表明:该泵在中低速下压力-流量曲线吻合较好,说明流量和变排量建模准确;加减速曲线说明泵在比例阀不同占空比时,压力调节具有稳定性。

面向体系建模工具的协同仿真技术及应用研究

为了更好地发挥体系建模工具在航天产品体系论证和设计中的作用,针对体系建模工具与领域仿真工具的融合运用问题,研究了面向体系建模工具的协同仿真方法及其特点,基于DoDAF框架进行了航天测控领域的体系建模,规划了体系建模工具与测控仿真工具软件的协同工作流程,设计了两者之间的数据交互接口,探索了体系建模与测控仿真相结合的航天测控方案设计和迭代优化模式。选取典型的航天测控任务场景,开展了协同仿真实验及数据分析工作。结果表明,采用将体系建模工具与领域仿真工具进行接口打通的方法,能够更好地发挥已有仿真系统的价值,同时提高体系建模的综合效率。