1192-刀杆式手动压机设计
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毕业设计(论文)任务书I、毕业设计(论文) 题目:刀杆手动压力机设计II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求:已知条件:工作压力:1000kg 底座尺寸:150mm X 268mm压机高度:286mm 最大工作行程:121.5mm要求: 1.绘制总装图及零件图2.运动分析3.总体强度受力分析计算4.成本核算5.齿条工艺规程设计III、毕 业设计(论文)工作内容及完成 时间:1、开题报告 2 周2、总体设计 2 周3、常规设计 7 周4、成本核算 1 周5、齿条工艺规程设计 2 周6、编写毕业设计说明书 2 周7、外文资料翻译 1 周 、主 要参考资料:1.xiao Dong, ZHENG WANG Xing-song Solid Motion Analysis and Impact Force Measurement of Servo Press2.濮良贵,纪名刚主编.机械设计.第七版.北京:高等教育出版社,20013.吴宗泽主编.机械设计教程. 北京:机械工业出版社,20034.唐照民,李质芳.机械设计.西安:西安交通大学出版社,19955.徐锦康主编.机械设计. 北京:机械工业出版社,20016.邱宣怀主编.机械设计.第四版.北京:高等教育出版社,19977.金萍.先进机械制造技术势J.内蒙古林学院学报,1996,12(3):15168.严龙祥.车床夹具设计M.江苏人民出版社.1978.79.刘震.先进制造工艺技术的发展趋势J.呼仑贝尔学院学报,2002.5(3):310.闫志中.刘先梅.夹具设计方法及发展趋洪 . 机械加工工艺手册M . 北京出版社,199411.王砚军.杨丽颖.机械环保绿色制造业可持续发展模式绿色制造J.山东轻工业学院学报, 2004,03(43):3637.航空工程 系 机械设计制造及其自动化 专业类 0681053 班学生(签名): 日期: 自 2010 年 3 月 1 日至 2010 年 6 月 10 日指导教师(签名): 助理指导教师(并指出所负责的部分):系(室)主任(签名):附注:任 务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 毕业设计(论文)题目: 刀杆式手动压机设计系 别 航空工程系专业名称 机械设计制造及其自动化班级学号 068105330学生姓名 徐长久指导教师 袁 宁二 O 一 O 年 六 月 毕业设计(论文)开题报告题目 刀杆式手动压机设计专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 068105330学 生 姓 名 徐长久指 导 教 师 袁 宁填 表 日 期 2010 年 3 月 15 日说 明开题报告应结合自己课题而作,一般包括:课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势(含文献综述) 、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。以下填写内容 各专业 可根据具体情况适当 修改 。但每个专业填写内容应保持一致。一、选题的依据及意义:机械行业是典型的制造业,主要为国民经济发展提供所需的各种机械装备或设备。根据国家统计局口径,其包括六个一级子行业:金属制品业、通用设备制造业、专用设备制造业、仪器仪表业、交运设备制造业和电气机械制造业,典型的机械产品如汽车、船舶、发电机组、机床、工程机械、矿山机械、集装箱等。 我国机械行业门类齐全,规模大,2008 年整体销售收入接近 9 万亿元,仅次于日本居世界第二位,占到全球机械销售额的 15%左右;出口额达到 2,425 亿美元,跃居世界第四;工业增加值超过 2 万亿元,约占当年我国 GDP 的 8%;机械行业是对全国工业发展贡献最大的行业,经济总量占整个装备制造业 2/3 以上。因此机械行业是装备制造业的最重要组成部分,堪称中国工业的“脊梁” 。 总体而言,我们的投资思路是先根据下游需求的景气度、产品的发展空间和市场的进入壁垒确定适合投资的子行业,再选择行业内激励机制、研发实力、盈利水平和销售策略等方面表现出色的上市公司作为投资标的,以期获得超额收益。随着生活和工厂对压力机的需要,刀杆式手动压力机已成为日常生活中不可缺少的设备,它的需求量也随之增大。因此,机械行业的日益发展为大批量生产压力机提供了技术保证。作为一名在校大学生,我能有这一机会接触如何设计和制造装备,理应珍惜,并为此达到以下要求:1)能较好的培养自己理论联系实际的设计思想,训练自己综合运用机械和其他先修课程的基础理论并结合生产实际进行分析和解决工程实际问题的能力,巩固、深化和扩展自己有关机械设计方面的知识。2)通过对机械设计过程的理解,树立正确的设计思想,培养独立、全面、科学的工程设计的能力。3)在毕业设计的实践中对自己进行设计基本技能的训练,培养自己查阅和使用标准、规范、手册、图册及相关技术资料的能力以及计算、绘图、数据处理、计算机辅助设计等方面的能力。4)培养自己对一门机械设计软件的自学能力,并熟练掌握它。二、国内外研究概况及发展趋势(含文献综述):1、机械行业的国内外研究概况我国机械行业门类齐全,规模大,2008 年整体销售收入接近 9 万亿元,仅次于日本居世界第二位,占到全球机械销售额的 15%左右;出口额达到 2,425 亿美元,跃居世界第四;工业增加值超过 2 万亿元,约占当年我国 GDP 的 8%;机械行业是对全国工业发展贡献最大的行业,经济总量占整个装备制造业 2/3 以上。因此机械行业是装备制造业的最重要组成部分,堪称中国工业的“脊梁” 。 经济的重化工化和人口的城镇化是驱动我国机械行业发展的内在因素:2008 年我国工业增加值中重工业占比超过 60%,城镇化率达到 46%,已连续多年保持上升趋势。在此过程中,我国工业结构将由加工组装工业向技术密集型工业转变,从而拉动对机械产品的大量需求。 全球产业转移是驱动我国机械行业发展的外在因素:由于中国的机械行业拥有发展中国家中最完善的设计和制造产业链,具有综合的人力和原材料成本比较优势,因此近年来海外的机械制造纷纷向国内转移,体现在机械产品的进出口额快速增加,外贸顺差不断扩大。2、铸造业的发展趋势2005 年全国铸件总量达到 1800 万吨左右,球墨铸件在总产量中的比重提高到 20%-25%,即 320 万 400 万吨;随着轿车产量的增加,有色铸造件产量接近 200 万吨;今后国际市场需求也将保持高速增长态势,全球对中国铸件的年需求量约为 4000 万吨左右,其中球墨铸铁和有色合金铸件需求量增长迅速,铸造模具产值将超过百亿元人民币。一、国内外铸造模具企业比较全国铸造模具生产企业,大体可以分成以下几类:第一类为铸造模具专业厂(包括合资和独资企业),这些企业设备先进,技术优良,是铸造模具行业的主力;第二类是铸造专业厂的模具车间;第三类是近年来发展迅速的私营和民营模具厂,这类企业规模不大,数量众多,各有分工,协同作战,分布在江浙、广东一带,其中有些厂已经具备了一定的实力;第四类是兼做铸造模具的其他一些模具厂。总之,铸造模具生产企业呈多元化,并向高水平发展,这也是中国经济发展带来的必然趋势。国外发达国家的模具厂大体分为独立的模具厂和隶属于一些大的集团公司的模具厂,一般规模都不大,但专业化程度高,技术水平高,生产效率极高。国外模具企业一般不超过 100 人,多数在 50 人以下。在人员结构上,设计、质量控制、营销人员超过 30%,管理人员在 5%以下。年人均产值超过 100 万元人民币,最高能达到 200 多万元人民币。国内模具企业中一些私营、合资企业人员结构和国外差不多,但一些国企的人员结构还不尽合理,在年人均产值上差距还很大,多数在 1020 万元人民币,少数能达到 40 万元人民币。国外模具企业对人员素质要求较高,技术人员一专多能,一般能独立完成从工艺到工装的设计;操作人员具备多种操作技能;营销人员对模具的了解和掌握很深。国内模具企业分工较细,缺乏综合素质较高的人员。国外模具企业 CAD/CAM/CAE 技术的应用比较广泛,逆向工程、快速原型制造铸造模具使用也比较多。国内模具企业中一些骨干厂家在这方面和国外差距已经不大,有些已经达到国外水平,但一些中小型模具企业与国外的差距还是很大。不过在模具材料方面,随着国外技术的引进和中国自身研发能力的提高,差距在逐渐缩小。在模具的价格和制造周期上,国外模具价格一般是国内模具的 510 倍,制造周期是23 倍(一般把模具的调试时间也算在制造周期之内),在这两方面应该说国内模具企业还是具有一定竞争优势的。二、铸造模具的设计与制造技术中国虽然是铸造大国,但远非铸造强国,中国铸造工艺水平、铸件质量、技术经济指标等较之先进国家还有很大差距。铸造工艺方法以砂型铸造为主,其中手工、半机械化造型仍占很大比例,但近年来中国压铸工业发展迅速,每年保持 7%10%的增长速度。中国的汽车工业也正在成长过程中,为了减轻汽车重量,轿车的铝、镁轻金属用量将进一步增长,这就对压铸件提出了更高的质量要求。中国铸造工艺装备同先进国家相比还有一定差距。20 世纪 90 年代以前,铸造模具的设计使用计算机的很少,制造也主要以普通万能设备为主。进入 90 年代,巨大的市场需求,特别是汽车、摩托车业的快速发展,极大地推进了中国铸造模具业的发展。同时随着合资和独资企业的介入,国外先进的模具设备和制造技术的引进,促使国产铸造模具设计和制造技术水平逐步提高,一些企业经具备设计和制造大型精密模具的能力,如一汽铸造有限公司铸造模具厂设计制造的一套 3400t 压铸机用的压铸模具,总重达 33.5t,是目前国产压铸模中最大的模具。20 世纪 90 年代以来,铸造模具业在设计和制造方面的主要变化有:(1)模具企业的生产技术水平提高,高新技术在模具的设计和制造中的应用,已成为快速制造优质模具的有力保证。CAD/CAM/CAE 的应用,显示了用信息技术带动和提升模具工业的优性,CAD/CAM/CAE 已成为模具企业普遍应用的技术。CAD/CAM 一体化技术已在铸造模具业中广泛使用,目前二维设计使用的软件主要是 AutoCAD,三维设计使用的软件比较多,主要有 Pro/E、UG、Cima-tron 等。目前一汽铸造模具厂的 3D 设计已达到 95%以上,在三维设计后使用三维虚拟装配检测技术对装配干涉进行检查,保证了模具设计质量,确保了设计和工艺的合理性。三维数据经过 CAM 软件编辑,NC 代码直接传输到数控设备上进行模具加工。数控机床的普遍应用,保证了模具零件的加工精度和质量,大大提高了模具的准确率和生产效率。CAE 技术也在逐步运用到实际设计、生产中,运用CAE 技术模拟金属的充填过程、分析冷却过程、预测成形过程中可能发生的缺陷以及产品开发前期的凝固模拟,大大优化了工艺设计,缩短了试验时间。一汽铸造有限公司铸造模具厂在一些大型复杂模具,如发动机缸体、缸盖、变速箱壳体模具的设计中已经开始应用 CAE 技术对流场、温度场进行模拟分析,工艺成品率得到极大提高。(2)铣削加工是型腔模具加工的重要手段。高速加工(High Speed Machining,简称HSM)是以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特徵的加工技术,具有工件温升低、切削力小、加工平稳、加工质量好、加工效率高(为普通铣削加工的 510 倍)及可加工硬材料(可达 60HRC)等诸多优点,因而在模具加工中日益受到重视。高速加工技术引入模具工业,提高了模具精度,大大缩短了模具制造时间。研究表明,对于一般复杂程度的模具,HSM 加工时间可减少 30%以上。目前,模具企业为了缩短制模周期、提高市场竞争力,采用高速切削加工技术越来越多。HSM 一般主要用于大、中型模具加工,如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料模具等曲面加工,其曲面加工精度可达 0.01mm。在生产中采用数控高速铣削技术,可大大缩短制模时间。经高速铣削精加工后的模具型面,仅需略加抛光便可使用,节省了大量修磨、抛光时间。增加数控高速铣床,是模具企业设备投资的重点之一。(3)电火花加工在铸造模具制造中是不可缺少的工艺方法。电火花加工对于淬火后的深、小型腔的加工仍是有效的方案。日本沙迪克公司的直线电动机伺服驱动的数控电火花成型机床具有驱动反应快、传动及定位精度高、热变形小等优点。瑞士夏米尔公司的电火花成型机具有的 P-E3 自适应控制系统、PCE 能量控制系统及自动编程专家系统,在铸造模具制造中有其不可替代的作用。(4)精密、复杂、大型模具的发展,对检测设备的要求越来越高。现在精密模具的精度已达 23m,铸造模具的精度要求也达到 1020m。目前国内厂家使用较多的检测设备有意大利、美国、德国等具有数字化扫描功能的三坐标测量机。如一汽铸造有限公司铸造模具设备厂拥有德国生产的 1600mm1200mm 坐标测量机,具有数字化扫描功能,可以实现从测量实物到建立数学模型,输出NC 代码,最终实现模具制造的全过程,成功地实现逆向工程技术在模具制造中的开发和应用。这方面的设备还包括:英国雷尼绍公司的高速扫描仪(CYCLONSERIES2),该扫描仪可实现激光测头和接触式测头优势互补,激光扫描精度为 0.05mm,接触式测头扫描精度达 0.02mm。利用逆向工程制作模具,具有制作周期短、精度高、一致性好及价格低等许多优点。(5)快速原型制造铸造模具已进入实用阶段,LOM、SLS 等方法应用的可靠性和技术指标已经达到国外同类产品水平。(6)模具毛坯快速制造技术。主要有干砂实型铸造、负压实型铸造、树脂砂实型铸造等技术。(7)用户要求模具交付期越来越短、模具价格越来越低。为了保证按期交货,有效地管理和控制成本已成为模具企业生存和发展的主要因素。采用先进的管理信息系统,实现集成化管理,对于模具企业,特别是规模较大的模具企业,已是一项极待解决的任务。如一汽铸造模具厂基本上实现了计算机网络管理,从生产计划、工艺制定,到质检、库存、统计、核算等,普遍使了计算机管理系统,厂内各部门可通过计算机网络共享信息。利用信息技术等高新技术改造模具企业的传统生产已成为必然。三、铸造模具用材料铸造模具用材料可分别选用木材、可加工塑料、铝合金、铸铁、钢材等。木模目前仍广泛应用于手工造型或单件小批量生产中,但随着环境保护要求和木材加工性能差的限制,取而代之的将是实型铸造。实型铸造以泡沫塑料板材为材料,裁减粘贴成模样,然后浇注而成铸件,该方法较之用木模,周期短、费用低。塑料模的应用呈上升趋势,尤其是可加工塑料的应用日益广泛。铝合金模由于重量轻尺寸精度较高,因此应用较广泛。但近来应用有减少趋势,部分已被塑料模和铸铁模所取代。三、研究内容及实验方案: 1、研究内容:刀杆式手动压力机运动分析、总体强度受力分析设计、计算成本核算、复杂零件工艺规程设计。所有框架结构铸造成型,并法兰样式设计,增加压机强度使其坚固可靠. 手动压机的底座是经过机加工稳定性好并钻孔适于台式或基座安装.采用硬质钢, 独特方形设计和精确齿条加工,使用大轴承以增加接触面确保使用寿命.2、实验方案:本课题研究的是一个刀杆式手动压力机,关键是压力机的设计。利用 CAD 强大的模具设计功能可方便快捷地进行此项设计。先要在模具设计模块中构造出手机外壳模型,然后生成对应的型腔,通过铸造成型加工出成品,然后经过法兰式设计,增加压机强度使其坚固可靠。在设计前的准备工作也是及其重要和必不可少的。1) 、收集、分析、消化原始资料收集整理有关刀杆式手动压力机设计、成型工艺、成型设备、机械加工和特殊资料,以备设计模具是使用。2) 、消化制件图,分析制件的工艺性,尺寸精度等技术要求。例如塑料制件在外表形状、颜色透明度、使用性能方面的要求是什么,塑件的几何结构、斜度、嵌件等情况,熔接焊、缩孔等成型缺陷的允许程度,有无涂状、电镀、胶接、钻孔等后加工。选择塑件的尺寸精度最高的尺寸进行分析,看看估计成型公差是否低于塑料制件的公差,能否成型出合乎要求的塑料制件来。此外,还要了解塑料的塑化及工艺参数。3) 、选择成型材料。成型材料应当满足塑料制件的强度要求,具有好的流动性、均匀性和各向同性,热稳定性。成型材料应当满足染色、镀金属的条件、装饰性能、必要的弹性和塑性、透明性或者相反的反射性能、胶接性或者焊接性等要求。4) 、选择成型设备。必须熟知各种成型设备的性能、规格、特点。对于注射机来说应当了解它的各种参数。要初步估计模具外形尺寸,判断模具能否在所选择的注射机上使用。5) 、确定铸件类型的主要结构。A)型腔布置。 B)确定分型面。C) 、确定浇注系统。D) 、选择顶出方式。E) 、决定冷却、加热方式及加热冷却沟槽的形状、位置、加热元件的安装部位。F) 、根据模具材料、强度计算或者经验数据,确定模具零件厚度及外行尺寸,外形结构及所有连接、定位、导向件位置。G) 、确定主要成型零件、结构件的结构形式。H)考虑模具各部分的强度,计算成型零件工作尺寸.四、目标、主要特色及工作进度1、目标这次毕业设计,可以系统的把大学里的专业知识复习应用到实际设计和生产中去,提高自己的动手能力和创新能力,掌握造型软件,锻炼自己的自主能力和查阅资料的能力,以此提高自己的综合素质来适应社会发展的需求。2、主要特色本次零件的设计采用 MASTER CAM 软件来完成模具型面进行 CAD 造型,快速而精确。3、工作进度1、开题报告 2 周2、总体方案设计 2 周3、常规设计 7 周4、成本核算 1 周5、工艺规程设计 2 周6、编写毕业设计说明书 2 周7、外文资料翻译 1 周五、参考文献1.xiao Dong, ZHENG WANG Xing-song Solid Motion Analysis and Impact Force Measurement of Servo Press2.濮良贵,纪名刚主编.机械设计.第七版.北京:高等教育出版社,20013.吴宗泽主编.机械设计教程. 北京:机械工业出版社,20034.唐照民,李质芳.机械设计.西安:西安交通大学出版社,19955.徐锦康主编.机械设计. 北京:机械工业出版社,20016.邱宣怀主编.机械设计.第四版.北京:高等教育出版社,19977.金萍.先进机械制造技术势J.内蒙古林学院学报,1996,12(3):15168.严龙祥.车床夹具设计M.江苏人民出版社.1978.79.刘震.先进制造工艺技术的发展趋势J.呼仑贝尔学院学报,2002.5(3):310.闫志中.刘先梅.夹具设计方法及发展趋洪 . 机械加工工艺手册M . 北京出版社,199411.王砚军.杨丽颖.机械环保绿色制造业可持续发展模式绿色制造J.山东轻工业学院学报, 2004,03(43):3637.毕业设计(论文)外文翻译题目 模拟气体运动的快速压缩机专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 068105330学 生 姓 名 徐长久指 导 教 师 袁宁填 表 日 期 2010 年 3 月 10 日模拟气体运动的快速压缩机M.G. MEERE1, B. GLEESON1 and J.M. SIMMIE2Department of Mathematical Physics, NUI, Galway, Ireland2Department of Chemistry, NUI, Galway, IrelandReceived 25 July 2001; accepted in revised form 8 May 2002摘要:本文介 绍了一种模型,其描述了天然气等气体混合物在快速 压缩机器里压力,密度和温度的变化。该模型包括一个耦合系统的非线性偏微分方程,还有正式的渐进化数字的解决方案。使用 渐近技术,一个 简单的离散型算法表达了气体的压力,温度和 密度的演化,核心数据来源于记录室的记录。 结果表明,使用 实验数据该模型有有较好的计算和预测能力。关键词:快速压缩机,震动波,奇异 摄动理论1 导言 1.1 快速压缩机 一种快速压缩机器设备用来研究自燃的气体混合物在高压和高温条件下,尤其是在自动点火内燃机 中(见 1-3 )。一个典型的内燃机处于一个非常肮脏的和复杂的环境中, 这也促使压缩机器的科学研究朝更清洁和更简单的设置方向着快速发展。图 1 说明了两个活塞式快速压缩机器的基本情况。然而,单活塞机, 活塞在一头,另一端是结实的墙壁,更典型。在本篇论文中,对单活塞和双活塞压缩机均有详尽的阐述。快速压缩机器操作非常简单-活塞压缩处于封闭状态的气体混合物。封闭的压缩气体造成 气体压力,温度和密度迅速增加。图 1 (a ),1 (b)和 1(c)分别快速压缩机器之前,期间和之后的压缩情况。这台爱尔兰国立大学的体积压缩机器初步比例最后为 1:12 ,这个值也是其他机器的典型值。在 结束压缩时混合气体由于被压缩,温度升高,可能发生自燃现象。在图 2 中,我们描述了 H2/O2/N2/Ar 混合物气体的压力概况(来自于布雷特的有关压力的文献)。在这图,时间 t = 0 对应于压缩结束。我们注意到,在大部分的压缩时间内,容器内部的温度缓缓上升,但是压缩快要结束之前(t=0),压力急剧上升。压缩结束时,压力上升陡峭程度超出意料。 图 1 的示意图为我们简要的描述了快速压缩机的运动过程(a )为压缩前,(b)、(C)分别为压缩中和压缩后表格 2 中,说明了混合气体(H2/O2/N2/Ar=2/1/2/3)的压力变化概要,与哥尔韦的测量结果是一致的。它来源于文献(4),初步压力和初始温度分别为 0.05MP和 344 开尔文。曲线变化对应于气体混合物的点火。我们注意到,压缩时间和延迟点火的时间均是(10)毫秒。 压力是实验中衡量的唯一参数。然而,核心温度的大小是化学家最感兴趣的,因为所有的反应都主要由温度决定,尽管有时压力也可能影响着化学反应的速率。核心温度测量的准确性由于存在一个热边界层而出现较大误差;下面就可看到一个筒形漩涡。然而,只要有实验的压力数据,对应的温度可以用关系式:ln(p/pi) = sTdsi)1(进行估算。在上面的关系式中,和是初始值,和是一段时间后的值, (s)是绝热指数。在实验中,初始核心温度是开尔文,压缩后的是开尔文。在这篇论文中,我们讲讨论混合气体在压缩中的变化,后压缩变化不在考虑范围之内,但在后续的论文中我们将阐述。然而,这里提出的模型提供了纯净气体和惰性气体混合物的后续变化。参见.节1.2 模型 我们假设压缩室体积范围为,时,对应于左活塞的初始位置,X=2 对应于右活塞的初始位置。本篇论文中,我们假定气体的运动是一维空间,气体的流动仅与 X 有关,并且 T0。这一假设其实影响挺大。因为高维效应在实验中时常产生,筒状漩涡在活塞头和汽缸壁更加显著(参见文献 5 )。由于气缸壁的热边界层产生了这些漩涡,漩涡影响了气缸中受压气体的运动。然而,这里一维空间的研究包括两方面:1. 通过在活塞头引进缝隙,可以成功抑制活塞运动时产生的热边界层(文献 6),从而使结果更加接近真实值。2.一维空间活塞运动的研究为高维空间研究提供了基础。现在,我们给三维空间一个控制方程。在文献 7 中,提供了的完整的多气体反应的控制方程的演算;这些演算在这里就不赘述。模型中,我们研究了了许多简化假设,上述文件将明确规定它们的产生。该模型有质量守恒: 0)(vxt上式中, = (x, t) and v = v(x, t) a 分别是气体的密度和速度, X 位置和 T 代表时间 。应该强调的是,这些气体指的是混合气体,因此,如果有 N 种混合气体,则:Nii1,这里 i = i(x, t) 是混合气体的密度 。V 是混合气体的平均速度。iNivYv1其中,Yi = i/ , vi = vi(x, t) 分别是 i 不同气体成分的体积分数和速度。参见文献7。忽略驱动压力和粘性作用,可以用以下方程表达受力:xpvt其中 p = p(x, t) 表示压力。假定气体是理想的,可用以下方程表示:TMRp其中 T = T (x, t)温度, R 是常数(8314 JK1mol 1), M 是气体的摩尔质量 )(1mAWnMiNini 和 Wi 分别代表体积分数和气体摩尔质量,A=6022 2310molecules mol1,方程如下:)()( xvpqxuvt u = u(x, t) 是气体的内能,有以下方程:pMyhuNii1hi = hi(T ) 表示如下:sTpii dichT)()()(0, i = 1, 2, . . . ,N, T 是相关的温度, )(,cip是 N 中气体不变的比热,忽略不同的气体速度和热辐射,有 以 下 方 程 : q = (T) x, (T )是热扩散系数.。质量分数 i/ 是不要考虑的,因为化学反应会改变气体成分。但是,对许多系统,在分析压缩气体混合物时,化学效应可以忽略不计。只有核心温度上升到一定的水平,化学 反应可以产生重大的影响,但这段时间通常很短(通常是几毫秒)。然而,对某些不够迅速的化学反应它是可能大大影响 压缩的。但是,我们在这里并不试图演示该模型,而是采用易快速反应的气体。 把方程(4 )及(6 )代人( 3),并使用(5),我们得出最终形式方程: ),)()( xvpTxRTcMxvtTp ipNipcY,1平均的比热。1.3 .边界和初始条件 我们假定的左,右活塞移动速度分别 是 V0 和-V0 ,因此,它们的运动得到 X = tVx0和 X = 2L- tV0 。在现实中,活塞快速压缩机器将花费一些时间加速压缩 ,慢慢停止。这是不难分析的。然而,考虑变化的活塞速度使得问题复杂化了,我们将把活塞的运动速度简单化,因为总体模型的运动一旦完成,活塞的速度基本稳定;参见 3.4 节。我们假定活塞所在的温度恒定,即 T0.所以,对于左边的活塞:v = V0, T = T0 , x = V0t,对右活塞v = V0, T = T0 , x = 2L V0t .气缸中的气体初始速度为零.v = 0, T = T0, p = p0, = 0 , t = 0,P0 和 0 保持不变。很明显,由方程 2,我们得出:.MRpo但是,上式并没有考虑范围和初始条件。根据已知的条件我们列出:v(x, t) = v(2L x, t), T (x, t) = T (2L x, t), p(x, t) = p(2L x, t),(x, t) = (2L x, t).我们考虑气体的运动模型 V0t x L,速度和温度的变化对称。V=0, x=0 , x=L 单活塞的双活塞情况基本相同,仅有一点区别:V=0, T= 0T , x=L 代替方程(7),问题的分析过程也很相似。问题的关键差别在于热边界层,当 x=L时即 x=vtshi 时。然而,最主要的问题是一致的,并且 3.4 节提供的运算法则适合于两种情况。1.4. 无空间的变化我们定义无空间变化:,)(, 000pvVLtx,)(,)(, 00 TRTcTpp为了获得解决问题的便利,假定 ,T,0)(vxt,01,0,1 ),)()1()(,tpTvxt xvpTxTvtTp表格一中, 】 式】 和 【数 值 来 自 于 【 109;25.,6.,3,100 mLMpaKmsGAS 1)(0T Oxygen( 2O) 5.3 50 1.3 3 1.39Methame( 4CH) 6.8 1 41.6 1.30Carbon Dioxed( 2) 3.3 5 1.8 30 1.29Nitric Oxide(NO) . 2. 1.39.)(,02020 pLVTMRVTp对于大多数的气体或气体混合物, )( 是相近的或者是不变的,所以:,)(10T在 0和 1是常量。下文讨论的计算结果,我们使用恒定值 和 。根据典型的实验条件下, ,, )10(),10(35O,见表 1 。 显然,从表 1,我们仅仅考虑( 8)的 0 。然而,对非常轻的气体 如氢和氦,也有例外。我们有 ,而不是 。这是仅需要考虑的极限 0 ,以便获得有用结果; 尽管偶尔 很大,但考虑 没有必要。2.数值解析2.1 数值方法 方程(8)进行了数值综合的差分算法。我们用方程 432)8(,)( , 分别计算随时间变化的 , v 和 T。方程 1)8(被用来更新有差异的速度 v ,这一选择相对应于 v 0 。所有这些数值的计算都有 (T) 1, (T ) 1 9 , = 10 和 518。 表格三:数字运算 a t = 01, (T ) 19 ,(T ) 1, = 10 , = 8 510我们应该注意到,使用的值为 是明显小于常见的气体(见表 1) ,为了考虑 0 的渐近行为不同步性,同时考虑了 较大的情形,第 2.2 节将有详细的讨论。主要的的差别在于 2T /x2.在数值计算,250 个空间坐标点间距均匀沿 0 x 1 变化。 801xt, x是位移步距, t是时间步距。活塞一个行程为 80 时间段,40 时间段可以被认为是合适的的。更多的活塞运动模型,可以用 X= Xp(t),计算,不会有太大的难度。2.2 探讨数值结果 一些数值解(8 )中显示在 3-5 可求出。许多的解决方案在第三节有更详细的说明。提出材料的这项命令是为了使分析更清楚和详细。 当压缩开始,一个(声音)波迅速从活塞的头部到尾部。 结果表明在下一节中说,这一波的速度为 O( )当 大于 1 时。鉴于一个事实,即 = 0(103)一般情况下,波的速度通常是活塞的 30 倍。不包括达到终点线 x= 1,所花费的时间为 O(1/ ),图 3 显示了第一个波穿越中心线的相应数值。我们使 v = 0, 表格四: t = 025, (T ) = 19, (T ) =1, = 10 and = 8 105.p= = T = 1 。在波的前面,V 1, 0,。这也就是说,在波的后面,波的速度与活塞的速度相同。图 3 中,由于我们使得 = 10,事实上可能会增大,所以增加的(p, , T ) 是很重要的。我们选择不使用一个非常大的价值 ,以免掩盖了渐近行为 0 。应该强调的是,为使 接近真实值 ,波会略增加(p, , T ) 。 然而,由于波的速度为 O( ),波通常会由于压缩而经过一个特定点多次,导致压缩后(P, ,T )的大幅度增加。这些讨论通过下面的分析将更精确。有一个相同的波在活塞右边朝相反的方向发出。当两个接近波碰撞的中心线上它们反映了各自的位移,这些位移反应了它们各自的对应时间。图 5 数值解( 8)在 t = 0 40 与 (T)的 19 , (T)的 1 , = 10 , = 8 510 波再次从右往左运动是,这时的(p, , T )已增加了 O( )。主要的(P,T)的恒定值的在波发出是前已知的,我们可以用方程求解。当波到达活塞处是,它又反应了各自的距离,(P, ,T)又可以计算。在压缩中,同样的这种过程发生多次,而每次的(P, ,T)都可以计算得到。2.3 计算过程气缸中的(P , , T)的初始值为(p0,0,T0 ),在一维条件下,我们令p0 = 0 = T0=1,即 0t=0 时的值。当波第一次离开活塞顶端短时,即 1t时刻,(p1, 1, T1)可以计算得出。这段时间也就是波到达气缸中心线经历的时间。由于方程表达了波的速度,这段时间可以求出。(P, , T )的波所反映在中心线( P2, 2 ,)和,我们定义时间是 1t与波返回活塞的时间之和。继续这样,我们就能计算出一个序列的数值 ),(iiTp的= ,这模式的演变反应了压力,密度和温度。 3 渐近分析 ;算法 我们现在考虑的渐近行为(8)在限制 0.开始考虑特定情况下的波运行和第一次返回至中心线。波在气缸中来回的往返 N 次的情况是相近的,我们将简单地引用 N = 1 情况下相关的结果。 有关的条件与快速压缩事件的联系非常特别,因为时间短,以及最终实现的非常高的温度和压力。 先前还没有任何关于气体混合物在快速压缩机器中运行的珍贵研究。然而,计算跳转条件跨越正常振动波是非常明确的规定和讨论,例如, 11-13 。那个利用奇异摄动理论计算跳转条件匹配狭隘过渡层在 14 和 15 中讨论,包括其他教科书微扰方法。 下文有渐近解,但还没有进行严格的推理。严格的数学处理这些问题具有重要的价值,但这不是本文分析的目的。 3.1.1 热边界层的活塞 这边界层位于活塞和清晰可见的密度和温度剖面的数值解中显示在表格 3-5;这是因为活塞头在整个压缩过程中保持不变的假定初始温度,而气缸的核心温度的显著升高。固定的中心气缸壁的温升大于边界层。 该层位于在 x=O(1),第 0 ,其中 x=t + x21,并在控制方程432)8(,)(中这些变量成为 ).)(1()1( ,0)(221211 xxvpTvtTptvt 为了很好的解决 )(O时的问题,考虑一定的范围是很必要的。但是,我们也只需要考虑涉及主要秩序的范围。所以, )1(O时,我们得出:),(1),(0),(1),(0 , 22 10 ttTttv ttttp xxv 3.1.1.1. 方程式如下: .0)1(0)1(,)(,00, xvpTxvxpxTp 在 2)10(中,我们假定条件 ,0,在 3)0(中包含),(tPspx)(tPs视情况而定。在 4)10(中并不能完全确定 0T的值。所以应该考虑必要的修正。 3.1.1.2 2O的方程).10)()10()10( ,)1(,0)(0,1 xvpTxTxvpvxTttt 2)1(中的可以写成: ,0)(sdxtv这里我们用了边界条件 0,1xv,把(12)代入4)1(中,并且有: )0()0()10( )(0)( ,sssss dxtPdtPxttPTTx ,)(0,1xTtc时)(tTc随着条件而变化。(13),14)的解答过程在这里并没有详尽写出,因为主要问题的解决不需要外界条件,正是外部的问题提供了解决问题的可分离应算法则。3.1.2. 外部条件我们引入波阵面的方向为 );(stq,所以 qx时,我们得出 0v, 1Tp。而对qx,我们假定:p p0 (x, t), 0 (x, t), v v0 (x, t), T T 0 (x, t),得出主要的方程:.)1()(,0)(, 00000 xvpTxvtTtvxT这些方程对应于条件: t(参见上面 3.1.1 部分),在 q(下文的 3.1.3节。(15)可以简化为 ),(,10tPpvs还有0,T满足,0,00tTxt表格 3 中显示了两种数值的一致性。我们得出:这里, )(f是在是对应的。并且外部条件 qx符合方程(15),并在最终保持不变。 3.1.3 过渡区域区间在 )1(*Oz时, *);(ztqx。在表格 3 中很明显可看出,特别是从总体轮廓上,速度勉强从 v下降到 1ov。我们假定: ),(),(),(),(*0*0*00 tzTtztzptq获得主要方程式: ).)()1()*0(,0)(, *0*0*0.*0*0.*0*.0 zvpTzTzvpqvzTp 现在,我们联立(16)中的第二、三、四,并且令 ,获得波前双侧的主要方程(16)中的第二、三、四方程分别表达了质量守恒、动量守恒、和能量守恒。第二方程中,令 *0*0,1,zv。有方程,*0.*0q让 *z时,这个表达式变成 .0)(1.0qtf很明显,我们要求0.q0 但这个数值仅仅要求活塞的速度不超过声音在空气中的速度。活塞的最大速度是 )1(msO,而声音在一般空气中的速度是 )30(1msO.把(17)方程代入 3)6中,结合条件 *0*0,1,zpv得出:./*0.*0vq时*z,有 ,/01)(.tps所以 ),01)(01()./qtTc以上都是恒量,我们假设.q不变时。 ),(TP的预测值与表三所显示的结果一致。把(17)和(19 )带入(16)的第四个方程中,且 *0*0* ,1, zTv得出: ),2/0()(0*.*0*. vzTqq其中, *z,/1)/1)(/1( . )16)(1(40 0200. q ),1(10*0. Tnq.1,)(010. q3.1.4 小结带入以上个方程,并且 )(),(0),( 0tqtqtqx 时 ,可以得出以下式子: ),0/1)(01(,0/,/01 . /)Tvp 4 与实验数据比较如图 7 ,我们提供一些比较实验结果和预测模型。实验数据取自 Musch16 ,每三个实验曲线的初始温度为 295 K 和初始压力为 0.06 兆帕。结果显示在无量纲形式。近似为 XP (P)使用测量获得的活塞运动。活塞花费大约 30 的压缩时间加快从运动,不到 15的时间减速,而其余的时间在最大速度 。图7 比较模型预测与实验数据(一)氮,(二)氧和(c)氩。这些参数计算了使用数据的实验条件和已知数据的气体( 9 )。然而,该模型反映压缩室内的核心最后的压力。该算法预测,当活塞停止,核心温核心不断失去冷墙,虽它仍然可以产生重大影响的高峰压力,例如如氩,其中有相当大的度和压力的最终压缩值,因为这是领先分析方程预测。5 讨论 应该强调的是,本文我们只能模拟气体快速压缩阶段。压缩问题的特点通常是不同的。模拟快速压缩机器里气体运动的主要目的是拓展到封闭混合气体在高温高压下可能发生的自燃现象。第一次尝试是模型压缩后假设气体很快停止,活塞停止;该模型研究的文件预测,活塞停下后,天然气的议案塞特尔斯运动(有一个良好的的相似)的一个时间段,即 1)/(O。经过压缩,然后使用一个系统的常微分方程模型计算气体的反应温度和中间产物 。活塞停止,靠近气缸壁成为热边界层后,这种模式将不会有效。 为系统的这种做法被证明是不充分的代表权的行为, 这一问题将有分裂整齐地分为两个不同的部分可以单独研究。 在第一部分中,压缩(研究在这里) ,天然气占主导地位的议案和化学的影响微不足道的,因为压力和温度很低,但所有的最后几毫秒压缩。第二部分,后压缩行为,气体运动是可以忽略不计和化学效应占主导地位,我们有一个系统的常微分方程执政的浓度化学物质的反应,温度,初始条件是由国家提供的系统在年底压缩。 然而,那里的系统耦合关系具有重要意义的议案和化学气体压缩后的影响,这种做法会失败。这类系统,分析更加困难,因为每一种混合物然后有自己的偏微分方程和不同的质量分数。 致谢 :我们感谢高等教育管理局的 PRTLI 计划赞助资金,感谢他的帮助和提供的实验数据。最后,我们要感谢一些同仁的有益建议。参考文献:1. 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