模拟通道范文

模拟通道范文（精选7篇）

模拟通道 第1篇

CAN总线与一般的串行通信总线相比, 它的数据通信具有可靠性高, 实时性高, 灵活性强等优点, 不仅广泛应用于汽车行业, 而且扩展到了机械工业、机器人、数控机床等诸多领域。尤其在大量数据通信处理中, 高可靠性及实时响应的场合, 单通道CAN总线不能满足实际通信的要求。为此, 介绍一种基于多通道实时CAN模拟器的设计方案。

1 CAN总线技术介绍

1.1 CAN总线特性[1]

CAN (Controller Area Network) 总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通信可靠性和实时性, 并且简单实用, 网络成本低。它主要用于各种过程监测及控制的一种网络。CAN最初是由德国BOSCH公司为汽车的监测、控制系统而设计的。由于CAN总线具有卓越的特性和极高的可靠性, 特别适合于工业过程中监控设备的互连, 具体来说, CAN具有如下特性:

(1) CAN可以多主方式工作, 网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息, 而不分主从, 通信方式灵活;

(2) CAN可以点对点、点对多点 (成组) 及全局广播方式传送接收数据;

(3) CAN网络上的节点信息可分成不同的优先级, 可以满足不同的实时要求;

(4) CAN采用非破坏性总线仲载技术。当两个节点是向网络上发送数据时, 优先级低的节点主动停止数据发送, 而优先级高的节点可以不受影响地继续传输数据, 大大节省了总线仲载冲突时间, 在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪;

(5) CAN的直接通信距离最大可达10 km (速率小于5 Kb/s) , 最高通信速率可达1 Mb/s。

1.2 CAN通信协议[1]

在CAN 2.0B的版本协议中有两种不同的帧格式, 不同之处为标识符域的长度不同, 含有11位标识符的帧称为标准帧, 而含有29位标识符的帧称为扩展帧。扩展格式是CAN 2.0B协议新增加的特性。在报文传输时, 不同的帧具有不同的传输结构, 只有严格按照该结构进行帧的传输, 才能被节点正确接收和发送。下面将分别介绍四种传输帧的结构:

(1) 数据帧 (Data) :数据帧将数据从发送器传输到接收器。CAN协议有两种数据帧类型标准2.0A和标准2.0B。 两者本质的不同在于ID的长度不同。在2.0A类型中, ID的长度为11位;在2.0B类型中, ID的长度为29位。它由7个域组成:帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC校验码域、应答域、帧结束。

(2) 远程帧 (Remote) :总线单元发出远程帧, 请求发送具有同一标识符的数据帧。接收数据的节点可通过发远程帧请求源节点发送数据。它由6个域组成:帧起始、仲裁域、控制域、校验域、应答域、帧结束。

(3) 错误帧 (Error) :任何单元检测到总线错误就发出错误帧。由错误标志和错误分界两个域组成。接收节点发现总线上的报文有误时, 将自动发出“活动错误标志”, 其他节点检测到活动错误标志后发送“错误认可标志”。

(4) 过载帧 (Overload) :过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。由超载标志和超载分隔符组成。超载帧只能在一个帧结束后开始。当接收方在接收下一帧之前, 需要过多的时间处理当前的数据, 或在帧间空隙域检测到显性电平时, 则导致发送超载帧。

1.3 CAN协议控制器

目前主流的CAN协议控制器一般采用I/O总线 (SJA1000[2]等) 或SPI接口 (MCP2515等) 与处理器进行通信。该设计采用SJA1000控制器。

SJAl000是一款独立CAN控制器, 应用于移动目标和工业局域网控制领域。SJAl000具有两种工作模式:BasicCAN和PeliCAN。该设计采用PeliCAN工作模式。SJA1000用来完成CAN协议所规定的物理层和数据链路层的所有功能, 它可以支持多种处理器的时序特性, 如Intel模式或Motorola模式, 与微处理器的接口非常简单, 微处理器以访问外部存储器的方式来访问SJA1000。

SJA1000通过CAN控制器接口即PCA82C250[3]芯片接到CAN总线上。CAN收发器使用飞利浦公司的PCA82C250, 它是连接CAN控制器和物理总线之间的接口, 提供了对总线的差动发动和接收能力, 与ISO11898标准完全兼容, 有三种不同的工作方式即高速、斜率控制和待机, 可根据实际情况选择。硬件电路中使用PCA82C250是为了增加通信距离, 提高系统的瞬间抗干扰能力, 保护总线, 降低干扰等。

2 系统设计

2.1 系统方案设计

根据通用计算机的总线分类, 可采用基于ISA总线对多通道实时CAN总线模拟器进行研制, 根据CAN总线通信原理可以提出以下两种设计方案:

(1) ISA总线+CAN通信控制器;

(2) ISA总线+微处理器+CAN通信控制器。这两种设计方案的不同点在于是否采用处理器来加强控制。

由于CAN总线通信要求实时性高, 再加上多通道的设计满足实际的需要, 故采用单片机来负责CAN总线的通信功能。在这里主要介绍单片机与CAN控制器之间的设计部分, 其系统设计框图如图1所示。

单片机选用DALLAS公司的DS89C430[4], 它是当前8051兼容微控制器中性能最高的。具有重新设计的处理器内核, 在相同的晶振频率下, 执行指令的速度是最初8051微处理器的12倍。特性:高速8051架构, 每个机器周期一个时钟;片内存储器16 KB/32 KB/

64 KB闪存, 在应用可编程, 通过串口实现在系统可编程;与8051引脚和指令集兼容;四路双向、8位I/O端口;三个16位定时器/计数器;256 B暂存RAM等特点。可根据实际应用的需要选择其部分功能。随着可编程逻辑器件的飞速发展, 其应用领域不断扩大, 可用于译码、解码等方面, 使用CPLD[5]可以提高系统集成度, 降低噪声, 增强系统可靠性。因此, 单片机与CAN控制器之间的锁存、译码采用Xilinx公司 XC95144 CPLD芯片[6], 优化了系统资源, 降低了其功耗。

2.2 系统硬件设计

该部分由单片机、CAN 控制器、CAN收发器、SRAM存储器组成。单片机[7]主要用于系统计算及信息处理等功能;CAN控制器主要用于系统通信;CAN收发器主要用于增强系统的驱动能力;SRAM主要用于缓存数据。系统的发送过程是:单片机将外围设备传送过来的信息处理后, 按CAN规范规定的格式, 将其写入CAN控制器的发送缓冲区, 并启动发送命令, 把数据发送到CAN总线上;接收过程是:CAN控制器从CAN总线上自动接收数据, 并经过滤后存入CAN接收缓冲区, 且向单片机发出中断请求, 此时单片机可从CAN接收缓冲区读取要接收的数据。SJAl000提供的微处理器接口方式为典型INTEL或MOTOROLA地址数据多路复用总线模式。主要信号有地址数据信号AD7～AD0, 地址选通信号ALE, 片选信号CS, 读信号RD, 写信号WR, 模式选择信号MODE。当MODE=1时, 为INTEL模式;当MODE=0时, 为MOTOROLA模式。后面描述的总线模式均为INTEL模式。AD7～AD0引脚在ALE有效时, 传送的是地址信号, 在RD或WR有效时, 传输的是数据信号, 在这里分别与单片机的P0口相连, RD, WR信号线分别与单片机的读/写信号线相连。具体方案如图2所示。限于篇幅限制, 虚线内给出1路CAN的连接图, 2路CAN有同样的连接方法。

由于多I/O总线芯片访问单片机, 采用译码方式实现片选功能, 可采用二-四译码器74LS139实现SRAM和CAN控制器的片选信号。由于单片机可以查询或中断方式访问, 在此采用中断方式进行CAN多通道选择访问, 以满足不同通信速率下数据处理的需要。SRAM的地址线与数据线是分开的, 故采用74LS373锁存器实现锁存功能。可采用 XC95144 CPLD芯片以及VHDL硬件描述语言以[8]实现锁存、译码等功能。

2.3 CPLD设计部分

2.3.1 结构设计

CPLD的输入信号是单片机发送的信号, 由高位地址A[15..8]、ALE锁存信号、中断信号以及写/读信号组成。地址线A14和A15经译码后作为片选信号, ALE实现低8位地址线的锁存。实体和构造体部分代码如下所示:

2.3.2 仿真结果

该模块在Xilinx ISE 9.1工具下进行综合, 并在结合ModelSim环境下进行功能仿真。其仿真结果如图3所示。

3 软件设计

该系统软件设计的关键是通信程序设计。通信软件由三部分组成:单片机和CAN控制器的初始化程序、CAN发送程序、CAN接收程序。对于初始化程序, 采用MAX232芯片[9]对单片机进行在线编程, 可同时对多通道CAN控制器初始化。对于CAN控制器的初始化程序, 主要是通过对CAN控制器控制段中的寄存器写入控制字, 从而确定CAN控制器的工作方式等, 即通过上电复位、硬件复位或软件复位给CAN控制器发一个复位请求, 便可进入初始化。在复位期间, 对必需的寄存器进行设置。对于发送和接受程序, 只需把到来的信息帧送到CAN的发送或接受缓冲区, 同时启动命令即可。二者可采用查询方式或中断方式, 对于中断方式, 程序分为主程序和中断服务程序两部分设计。

在具体项目中, 需要软硬件结合调试才能保证各部分的设计准确无误, 到达实际应用的要求。

4 结 语

在对CAN通信协议进行分析的基础上, 构建了一种多通道实时CAN总线模拟器架构, 同时利用CPLD器件, 通过功能仿真, 验证了设计方案的正确性。经实际工程项目使用, 验证了该设计方案切实可行, 满足了实际应用中高可靠性、高实时性以及传输速率较高的需求。

摘要：为了满足CAN总线在实际通信应用中高实时性和高可靠性的要求, 通过对CAN总线通信协议的研究, 提出并设计一种由单片机负责控制的多通道实时CAN总线模拟器的设计方案。该方案在硬件设计上以可编程逻辑技术为基础, 采用复杂可编程逻辑器件 (CPLD) , 结合硬件描述语言VHDL, 实现了单片机与CAN控制器之间逻辑控制单元的设计。通过在Xilinx ISE平台下对该程序进行编译和综合, 在Modelsim环境下进行仿真测试, 证实了该方案的可行性。通过实际工程的验证和使用结果表明, 该设计方案满足实际通信的要求。着重阐述整个系统的设计过程, 并给出了关键技术的设计思路与重要部分代码。

关键词：CAN,实时性,单片机,CPLD,XilinxISE

参考文献

[1]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1996.

[2]Philips Semiconductor.Data Sheet SJA1000 CAN Stand-alone Control[Z].2000.

[3]Philips Datasheet.Philips 82C250 CAN Controller InterfaceData Sheet[Z].2000.

[4]Dallas公司.DS89C430/DS89C440/DS89C450超高速闪存微控制器′User′Guide[Z].2004.

[5]宋万杰.CPLD技术及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2001.

[6]Xilinx公司.XC9500′User′Guide[Z].2006.

[7]李建忠.单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.

[8]侯伯亨, 顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000.

模拟通道 第2篇

模拟试题

一、单项选择题（共25题，每题2分，每题的备选项中，只有 1 个事最符合题意）

1、管理跨度的大小直接取决于这一级管理人员__。A．职位的高低 B．职权的大小 C．所管辖的人数

D．所要协调的工作量

2、第一次工地会议，必须在__举行。A．合同签订后 B．监理进场前 C．工程开工前 D．工程开工后

3、《公路工程国内招标文件范本》规定的交工日期是指__。A．监理工程师审核承包人提交的交工验收申请的日期 B．通过交工验收的日期

C．监理工程师签认交工结账证书的日期 D．发给承包人的交工证书上写明的日期

4、以下__不是人工工资单价组成内容。A．流动施工津贴 B．取暖费

C．工人病假六个月以上工资 D．防暑降温费

5、第三者责任险是指__。

A．由于灾害或事故造成第三者受到伤害，被保险人获得赔偿的险种 B．被保险人受到第三者的伤害，被保险人获得赔偿的险种

C．被保险人有意或无意伤害到第三者，被保险人获得赔偿的险种 D．由于第三者的责任，造成工程损失，被保险人获得赔偿的险种

6、某建设项目的计算期为10年，基准收益率为10%，经计算静态投资回收期为7年，动态投资回收期为12年，则该项目的财务内部收益率__。A．FIRR＞10% B．FIRR＝10% C．0＜FIRR＜10% D．FIRR＝0

7、石油沥青的针入度值越大，沥青材料的黏滞性__。A．越好 B．越差 C．不变 D．无关

8、不安抗辩权是指按照合同法规定__享有的中止履行义务的权利。A．先履行义务方 B．后履行义务 C．合同担保人

D．合同当事人双方

9、承包人按合同规定实施和完成本合同工程及其缺陷的修复应得到的支付价款总额。

A．合同价格 B．交工结算价格 C．最终决算价格

D．期中支付的总款额

10、不属于要约的是__。A．自动售货机售卖商品 B．商店橱窗展示商品样品 C．悬赏广告

D．顾客在商店询问商品的价格

11、提前竣工奖金应不超过__。A．投标书附件中说明的限额 B．计日工形式计算出的数额 C．工程量清单中的单价 D．监理工程师认可数额

12、在小半径弯道且需要视线诱导的地方设置护栏的最好形式是（）。A．缆索 B．波形梁 C．混凝土 D．箱梁

13、在建设工程施工合同成立过程中，通过__订立的合同有效。A．无民事行为人 B．无效代理行为人 C．限制民事行为人 D．表见代理人

14、不同实施阶段，②分标段、分阶段；③按施工队伍多少，分阶段，④按施工队伍规模大小分阶段 A．①④ B．①③ C．②④ D．①②

15、各级质检站直接从事工程质量监督的工程技术人员不能少于该站人员总数的__。A．50% B．60% C．70% D．80%

16、建筑安装工程赞中的税金是指__。A．营业税、城乡建设维护税和教育费附加

B．营业税、固定资产投资方向调节税和城乡建设维护税 C．营业税、增值税和教育费附加

D．营业税、固定资产投资方向调节税和教育费附加

17、计量、支付办法；④投标人未对合同纠纷、事故处理办法提出异议；⑤投标人对合同条款没有重要保留 A．①②③⑤ B．①②③④ C．①②③⑤ D．①③④⑤

18、价值工程的核心是__。A．系统分析 B．方法分析 C．技术分析

D．功能与成本进行系统分析和不断创新

19、目标的动态控制是一个有限的循环过程，应贯穿于工程项目实施阶段的全过程，动态控制应该提倡__。A．负反馈控制 B．反馈控制 C．被动控制 D．主动控制

20、某采用FIDIC施工合同条件的工程，未经竣工检验，业主提前占用工程。工程师应及时颁发工程接收证书，但应当__。

A．以颁发工程接收证书日为竣工日，承包商不再对工程质量缺陷承担责任 B．以颁发工程接收证书日为竣工日，承包商对工程质量缺陷仍承担责任 C．以业主占用日为竣工日，承包商不再对工程质量缺陷承担责任 D．以业主占用日为竣工日，承包商对工程质量缺陷仍承担责任

21、定标签订合同，应以__作为中标的合同价。A．评标价 B．标底价 C．投标价

D．修正后的标底价

22、订购300t散装水泥的订货合同，到货检验后发现供货的量少于合同约定的数量，但缺少数额在合同约定的磅差范围内，到时应__。A．由于数量缺少，按卖方违约对待，要求其支付违约金 B．按实际到货数量支付价款

C．按合同约定的300t水泥支付价款 D．由于数量不足，拒绝支付全部价款

23、法规、标准、规范等，对公路工程施工过程中污染环境、破坏生态等行为进行监督管理，这称之为__。A．生态安全监理 B．环保工程监理 C．环保达标监理 D．污染防治监理

24、《公路工程国内招标文件范本》规定，承包人应在每月未向监理工程师提交月结账单一式6份，经审核后，确认该月应结算的款额大于投标书附录中列明的期中支付证书的最低金额，则监理工程师应在收到上述月结账单后__天内签发期中支付证书。A．14 B．21 C．28 D．35

25、具有合同撤销权的当事人自知道撤销事由之日起__内没有行使撤销权，撤销权消失。A．3个月 B．6个月 C．1年 D．2年

二、多项选择题（共25 题，每题2分，每题的备选项中，有 2 个或 2 个以上符合题意，至少有1 个错项。错选，本题不得分；少选，所选的每个选项得 0.5 分）

1、仲裁协议包括如下__内容。A．请求仲裁的意思表示 B．不向法院起诉的承诺 C．仲裁事项

D．双方争议的解决方式

E．所选定的仲裁委员会争议调解人

2、双代号网络计划中，某非关键工作持续时间延长2天，其他工作不变，总工期也不变。则该工作__。A．最早开始时间推后2天 B．最迟开始时间推后2天 C．最迟结束时间推后2天 D．最迟开始时间提前2天 E．总时差减少2天

3、主动控制措施包括__。A．下达停工整改令

B．制定目标控制的有关计划 C．制定防止目标偏离的备用方案 D．建立目标控制组织 E．目标控制风险分析

4、对投标人技术能力和履约信誉详细评审过程中，发现投标人的投标文件有下列__问题，则应按废标处理。

A．承诺的质量检验标准低于招标文件或国家强制性标准要求 B．关键工程技术方案不可行

C．施工业绩及履约信誉证明材料虚假

D．除强制标准规定之外，拟投入本合同段的施工、检测设备、人员不足 E．在招标人给定的工程量清单中多报了某个工程细目的单价和合价

5、粉喷桩如发现断桩，监理应指令承包人（）。A.在12小时以内按原喷粉量进行补喷，重叠孔段长度应大于100cm B.在12小时以上，则要求补桩 C.立即挖除断桩，回填后原位重喷 D.作好断桩与补桩的纪录

6、投标单位有下列情况的__，将被没收投标保证金。A．投标有效期内撤回其投标文件

B．中标单位未在规定期限内提交履约保证金 C．中标单位签订了投标合同后 D．领取招标文件，但未来投标

E．中标单位未在规定期限内签订合同

7、公路工程建设各阶段的主要内容包括__。A．项目决策

B．项目可行性研究 C．工程设计

D．工程施工和工程验收 E．以上都不是

8、在通常条件下，总监理工程师对__方面的权力一般不能委托给驻地监理工程师。

A．签发合同工程开工令 B．主持第一次工地会议 C．签发支付证书

D．签发分项工程暂停令

E．检验材料、设备的质量对已完成工程部位质量的确认或拒收

9、以下有关定额的作甩说法正确的是__。

A．定额是节约社会劳动和提高劳动生产率的工具

B．定额是国家对工程建设项目进行宏观调控和管理的手段 C．定额有利于推广先进的施工技术和施工工艺 D．定额有利于市场竞争，并对市场行为进行规范 E．预算定额是编制标底和企业投标报价的主要依据

10、水泥混凝土路面板横向缩缝的构造形式有__。A．原边型 B．假缝型 C．传力杆型 D．边缘钢筋型 E．垂直型

11、斜拉桥主梁施工时必须进行施工控制，即对梁体的每一施工阶段的结果进行详细的检测分析和验算，以确定下一施工阶段__，周而复始直至合龙成桥。A．拉索张拉量值 B．主梁线型、高程 C．索塔位移控制量值 D．施工气温20℃内

12、下列说法正确的有__。

A．材料或设备监理工程师签发预付款支付证书，即被视为监理工程师对该本材料或设备的批准 B．当工程竣工后，所有剩余材料设备的所有权应属建设单位，施工单位不得将其运走

C．如果施工单位在提交第一次付款申请或在这个时间前提交一份由建设单位认可的担保金额为合同价5%的银行保函，则中期支付证书中不再将扣留金退还施工单位

D．在监理工程师颁发全部工程的交工证书后，应当将全部保留金退还施工单位 E．施工阶段施工单位为能遵照监理工程师的指示对有缺陷的工程进行修补，则建设单位可以雇佣他人来完成有关工作，费用可从保留金支出

13、工程量清单中某一支付细目数量变更后，其单价调整的条件为__。A．该细目所列金额超过签约时合同价格的2% B．该细目实际变更数量超过或小于工程量清单中所列数量的15% C．该细目所列金额超过签约时合同价格的15% D．该细目实际变更数量超过或小于工程量清单中所列数量的25% E．该细目实际变更数量超过或小于工程量清单所列数量的15%，且金额超过或低于签约时合同价格的2%

14、以下对于分包的叙述，不正确的是__。

A．一般分包中，由分包人对分包出去的工程承担合同所规定的义务 B．指定分包是指业主或监理工程师根据工程需要而指定的分包 C．业主不能直接向指定分包人付款，必须经过承包人代付 D．承包人不能拒绝业主或监理工程师指定的分包人

E．监理工程师应禁止承包人把大部分工程分包出去或层层分包

15、如果承包人提出的费用索赔要求未能遵守合同条款的各项规定，其结果可能为__。

A．承包人无权得到索赔

B．承包人只限于索赔由监理工程师按当时纪录予以核实的那部分款额 C．由主业决定是否同意索赔

D．由监理工程师与承包人协商适当减少索赔额 E．承包人向监理工程师重新提交索赔申请

16、投标文件的技术性评审包括__。A．实质上响应程度 B．质量控制措施

C．方案可行性评估和关键工序评估 D．环境污染的保护措施评估 E．现场平面布置和进度计划

17、以下属于预备费计算基数的是__。A．建筑安装工程费

B．设备、工具、器具购置费 C．建设单位管理费 D．建设期贷款利息

E．大型专用机械设备购置费

18、公路建设项目后评价主要是对__进行评价。A．项目前期工作 B．项目实施阶段内容 C．项目建设方的工作业绩 D．项目营运状况 E．项目运作方式

19、施工中材料的消耗可分为必需的材料消耗和损失的材料两类性质，必须消耗的材料包括__。

A．直接用于建筑和安装工程的材料 B．不可避免的材料废料 C．不可避免的材料损耗 D．加工制作的合理损耗 E．施工操作失误的材料损耗

20、下列属于项目融资实施程序的是__。A．融资决策分析 B．投资决策分析 C．融资谈判 D．融资的执行 E．签订融资合同

21、下列情形经过批准后可以进行邀请招标的是__。

A．涉及国家安全、国家机密或者抢险救灾，适宜招标但不适宜公开招标的 B．受自然地域环境限制的

C．项目技术复杂或有特殊要求，只有少数几家投标人可供挑选的 D．拟公开招标的费用与项目的价值比较，不值得的 E．涉及商业秘密的

22、投标单位有以下行为时，__招标单位可视其为严重违约行为而没收投标保证金。

A．通过资格预审后不投标 B．不参加开标会议 C．中标后拒绝签订合同 D．开标后要求撤回投标书 E．不参加现场考察

23、要约与要约邀请的主要区别在于__。A．是否采用书面形式

B．在法律上是否须承担责任 C．内容是否具体确定 D．是否须送达对方

E．是否明示希望与他人订立合同

24、可索赔的损失索赔费用包括__。A．由索赔事项引起的直接和间接成本 B．由于合同延期而带来的利润损失

C．由于合同延期而带来的额外时间相关损失 D．合同延期引起的上级部门或公司管理费损失 E．由于干扰造成的生产率降低所引起的额外成本

模拟通道 第3篇

喷管在动力、航天等领域有着广泛应用,是许多动力装置的重要部件,尤其是燃气轮机的进气道和尾喷管,其性能的优劣对燃气轮机整体性能有重大影响。长期以来,人们对喷管这一类部件的研究局限于实验阶段,由于实验存在一定的局限性,如燃气轮机,其工作环境特殊,实验研究很难甚至根本不可行,而且存在实验代价过大等问题。另外,目前的解析方法求解还仅局限于几何形状和边界条件较简单的情形,因此,对喷管内部流场的细部状况尚不是十分清楚。缩放喷管在各工业领域气体流量计量中起重要作用,目前,高雷诺数大喉径喷管的研究已经相当多了,并且理论也十分成熟。但是,微喷管与低雷诺数喷管的气动状况十分复杂,研究尚有待进一步加深。在研究手段上,数值模拟方法越来越得到人们的重视。应用FI-UENT软件进行数值模拟分析[1,2],研究喷管在不同工况下完整的流场,对喷管这一类部件的设计、开发和优化起到了很好的指导作用。本文利用作者所在实验室内的喷管测量分析系统对缩放喷管内的气体流动特性进行了实验分析,并将实验结果和运用FLUENT软件模拟的结果进行了对比,得出了喷管通道内气体流场特性的数值模拟在实际工程应用中是可行的重要结论。

2 喷管性能分析系统

喷管设计与加工的质量如何,直接影响其设备的性能。为了检测喷管这一部件设计与加工的质量,常需要一台专用的喷管测量分析系统来检测它的性能参数,即测量喷管在不同背压条件下各截面的压力和流量以及相应的曲线。喷管测量分析系统有两个作用:一是验证喷管的理论设计是否符合预期的要求;二是检查喷管的加工是否满足工程或设计要求,就此,海军工程大学曾推出了PG-I型喷管测量分析系统[3]。这个喷管本体的测量分析系统构成如图1所示。

以上测量设备的过程若采用手工完成,则是一项十分繁杂的工作,不仅费时费事,而且精度不高,难以满足当前对喷管测试的要求,因此有必要对以上设备进行改造,以便实现测量过程的数字化与自动化。

1.入口段2.U型压差计3.孔板4.喷管5.真空表6.支撑架7.稳压罐8,9.调节阀10.真空泵11.辅助设备12.探针取压移动机构13.橡胶接管

2.1 测量系统的硬件

实现测量过程的数字化的具体步骤是:在孔板3和真空表5处分别并连接压差传感器和负压传感器;探针取压移动机构12上加装控制电机和位移传感器。其中位移传感器是由一个滑线变阻器构成两端的电阻为144Ω,加恒定电压;滑动端S由电机驱动。加装控制电机和位移传感器的目的是为了测量在不同背压条件下喷管各截面处的压力。压差传感器、负压传感器以及位移传感器需要进一步放大,即信号调理。调理后的信号经数据采集,送入计算机处理,其中信号调理、数据采集以及控制是基于计算机并行端口(采用EPP协议技术)来实现的。依据其功能系统硬件可由4部分组成,即:喷管本体、传感器、信号调理与数据采集、计算机。其组成框图如图2所示。

2.2 测量系统的软件

为了让用户更好地使用和操作,本测量系统采用了虚拟仪器技术。所谓虚拟仪器,就是在以通用计算机为核心的件平台上,由用户设计定义,具有虚拟仪器面板,测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板,就如同使用一台专用测量仪器。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板,以多种形式来表达输出检测结果,利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理,利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理,从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。本系统主要采用NI公司(National Instrument)的虚拟仪器设计软件Component Wor研制开发喷管测量分析仪的虚拟仪器面板,而考虑到成本、仪器的小型化,所有的硬件的驱动程序用VC+6.0编写,主程序用VB6.0编写;Component Works的各种函数以ACTIVEX控件的形式存在,供VC+6.0、VB5.0调用。本应用软件还应用VBA(Visual Basic for Application),实现与微软的Excel无缝连接,解决了大量的数据与图像需要进一步处理的问题。软件的菜单框图如图3所示。

2.3 喷管测量系统的实际测量

为了方便用户使用该系统,专门设计了“测量控制面板”界面,用来检测各个数据采集通道数据采样是否正常以及电机的工作情况,考虑到传感器更换时,其标定系数的改变,特设计了标定系数的输入框,允许改变传感器的标定系数。“测量控制面板”界面如图4所示。

3 数值模拟

3.1 计算机模型的建立及计算机网格的划分

在进行计算机模拟仿真计算时,首先要根据设计方案设计出实验设备,然后根据试验设备的结构尺寸建立计算机模型。GAMBIT是FLUENT专用前处理软件,是面向CFD几何建模的网格生成软件,具有强大的几何建模功能,既可以在GAMBIT中直接生成点、线、面、体,以及通过其强大的布尔运算能力组合成各种集合模型,也可以从Pro/E、CAD、ANSYS等通用系统中导入几何图形和网格。当从接口中导入几何图形时,GAMBIT在保证原始精度的同时,通过虚拟几何自动缝合小缝隙,这样既可以保证几何图形的精度,又可以满足网格划分的需要。

计算机网格的划分可以采取自动划分的方法,也可以根据需要设定节点进行划分,本文是通过设定节点的方式进行划分的。由于喷管是一个轴对称系统,根据对称性只要研究任何一个经过对称轴的截面就可以得到整个喷管的流动情况,从而将一个复杂的三维流场计算问题简化为二维流场计算问题,减少了计算量。在进行网格划分时,如果模型较复杂,网格数量较多,则要根据具体情况选择合适的网格。根据喷管的设计结构及具体尺寸,建立计算机模型,然后对计算机模型进行网格划分。根据边界层原理,喷管靠近壁面部分气体流动变化相对比较剧烈,而靠近轴心部分气体流动变化相对比较平缓。为保证数值模拟的精度,在划分计算模型网格时,靠近壁面部分的网格划分相对比较密,而靠近轴心部分的网格划分相对比较稀。网格数为6320(轴向径向),轴向采用等间隔划分,径向采用等比率划分,从壁面到轴心以1.1的比率逐渐加大间隔。网格划分如图5所示。

3.2 边界条件的设定[4,5]

在进行FLUENT模拟计算以前,首先要进行边界条件的处理,对于流体的出入口,FLUENT提供了速度入口、质量入口、压力入口、压力出口、质量出口、通风入口、通风出口、壁面、渗漏面等21种边界。在对渐缩喷管和缩放喷管两种模型进行模拟计算边界条件设定过程中,主要设定以下边界条件:

(1)左侧为pressure__inlet(压力__入口侧);

(2)右侧为pressure__outlet(压力__出口侧);

(3)上侧为wall(壁面);

(4)下侧为SYMMETR(对称线)。

3.3 FLUENT求解器的设置

本文以可以作为理想气体处理的常温空气作为流动介质[6,7],在气流入口处给定流体的进口气压,在气流出口处给定背压,以非定常流动显式非耦合作为求解模型,壁面按无滑移条件计算,运用FLUENT对缩放喷管数学计算模型进行了仿真计算。进口压力p1设定为1.0atm,喷管出口背压分别设定为0.1、0.2、0.3、,0.9atm等9个不同的背压pb。以进口压力参数对计算模型进行初始化,为了得到更高精度的计算结果,将残差收敛条件设定为10-6,迭代次数设定为10000次。在经过10000次的迭代运算后,计算模型的残差均小于10-5,以保证数值模拟的精度。

3.4 仿真结果

经仿真计算得到不同背压下的流场分布情况,如图6所示。图6是背压为0.5atm时,缩放喷管流动的速度场。

图7为背压逐渐降低时,缩放喷管速度场的变化情况。从图可以清楚的看到,在喷管进出口处,由于流体的滞止现象,贴近喷管壁面处速度最小,几乎为零,中间部分相对较大。当背压等于计算压力时,即为计算工况下的等熵流动[7](不计摩擦阻力的影响),此时,气流在喷管中能完全膨胀,在喷管喉部压力达到临界压力,流速达到音速,在扩大段转入超音速流动;当背压大于临界压力时,其喉部(临界截面)首先达到当地音速,如图7(a)所示,最大速度点最先软发生在喉部壁面的上下凸点处,而且随着压比(pb/p1)的不断下降,上下凸点附近逐渐形成两个局部超声速区,如图7(b)中凸点处内凸的三角形内部区域,这两个三角形的左侧边是声速线,右侧边就是尾激波。在喷管的渐扩部分产生的激波为非等熵流动,超音速气流经过激波变成亚音速流,压力突跃升高并在后面的渐扩部分(相当于扩压管)流速继续减小,压力随之逐渐增高,一直到出口处压力升高到背压为止。由于气流在喷管内膨胀过度,其压力低于背压,以至于气流在未达到出口截面处便被压缩,导致压力突然跃升(即产生激波),在出口截面处,其压力达到背压,由图7可知激波产生的位置随着背压的降低而向喷管出口方向移动。激波在未到达喉部之前,其喉部的压力仍保持临界压力,流量仍是最大流量,当背压升高到某一值时,喉部将脱离临界状态,缩放管的流量将低于最大流量。

4 数值模拟不同背压的截面压力分布情况

为验证本文所采用的数值模拟计算方法和结果的正确性,在上述仿真的基础之上,结合FLUENT和MATLAB软件,数值模拟了缩放喷管在不同背压下截面压力的分布情况,并将数值模拟计算结果与喷管性能分析实验平台的实验结果进行对比研究,如图8和图9所示。

对比图8与图9时,数值模拟的截面压力在正激波面存在跳跃区,而实验结果在这段区域是一条截面压力逐渐上升的曲线,这是因为实际测量工具的几何尺寸与相对较小的喷管通道几何尺寸相比,不可能做到非常之小而不影响气体流场,加上实际气体具有一定的黏度,这些因素必然造成一个结果,破坏正激波面的形状。所以,在实验测量中没有这样一个跳跃区,而是一个被破坏的正激波面截面压力逐渐上升的区域。这也从另一个侧面反映了本文数值模拟的方法和运用的工具是可行的、准确的。

5 结论

(1)运用FLUENT软件对缩放喷管通道内流体流动特性进行数值模拟,对其内部流场的细部状况分布特点进行了完整的分析,仿真的结果与实验室实验结果基本一致,表明数值模拟喷管通道内流体流动特性在工程上是有效的。

(2)在设计、制造喷管这一类部件时,必须充分考虑喷管在不同背压下通道内气体流动特性以及非设计工况下运行时流场的变化趋势,对喷管各区域的材质选择和制造工艺等予以重视和改进。

(3)本文采用的模型在细节上与经典模型略有不同,还需要更多算例的验证。

参考文献

[1]陈建强,邓翔.烟气干法净化系统吸附剂加料与烟气混合的数值模拟[M].贵阳:贵州大学出版社,2008.

[2]王瑞金.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3]宋智勇,孙丰瑞,沈良文,等.喷管性能数字化测量的实现[J].汽轮机技术,2003,45(5):288-289,291.

[4]曹亚裙,陈建,王灿星,等.油烟机用多叶离心通风机内部流动的数值模拟[J].机电工程,2009(6):38-40.

[5]余敏,胡卓焕.喷管通道内气体流动特性的数值模拟[M].上海:上海理工大学出版社,2005.

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[7]徐有恒.基础流体实验[M].上海:复旦大学出版社,1990.

模拟通道 第4篇

1 系统硬件组成

系统硬件组成如图1所示。系统以TMS320F2812最小系统为核心包含3.3V与5V的电平转换接口, 多通道模拟信号选用AD7501, 在TMS320F2812DSP的通用输入输出引脚GPIO的控制下对AD7501切换输入通道, 输入的单路模拟信号经AD774转换后, 由DSP数据总线采集, 再经串行口传输到PC微机进行显示。

AD7501为单端8通道单片集成CMOS多路模拟开关, 通过控制其A1、A2、A3三个控制脚, 根据电址编码每次选中8个输入端中的一路进行输出。AD774采样标准接法, 输入信号范围0~10V。模数转换部分如图2所示。

2 系统软件设计

系统软件包含两个部分。系统的控制核心DSP由嵌入式C语言编程, 上位机人机对话界面采用VC++编程

2.1 DSP软件设计

软件上电后首先进行变量初始化、系统初始化、GPIO设置等工作, 然后进循环采集模拟信号的部分和发送采样结果的部分。AD774B的工作分三步步骤, 首先启动转换、然后判断是否结束、最后进行采样。AD转换的部分如下:

2.2 人机对话软件设计

人机对话软件用于实时接收硬件通过串口传输的多同道数据, 经解析数据通道后进行处理和显示。字节长度为19, 第一个字节为同步头0x7e H, 以后依次是每个通道的高字节、低字节和平均后的小数部分。对接收的数据进行处理, 从十六进制转换为浮点型数据并显示。转换的部分代码如下:

3 测试结果

使用该系统对六通道模拟数据进行测试, 最终测量的效果如图2所示, 可将六路实测的数据以十六进制和十进制显示。通过使用高位数电压表测量比对, 系统精度可达5%, 采样速度快, 性能稳定, 系统集成度高。

4 结束语

本文设计了一套基于DSP的高速多通道模拟量采集系统。通过采用新型的模数转换器, 并借助DSP高速及总线接口方便得优势, 提升了模数转换系统的性能, 人机交互软件对下位机多次平均后的数据一并处理, 提高了数据精度。系统工作稳定可靠, 具有一定推广性, 适用于多个模拟量采集的使用场合。

摘要：设计了一套高速高精度多通采集系统, 采用TMS320F2812 DSP为核心, 控制模拟多路开关进行采集, 通过上微机进行通讯传输采样数据的方式直观显示数据, 结果表明, 系统工作工作正常, 可实现多路模拟信号量的获取。

关键词：DSP,模拟信号转换,多通道

参考文献

[1]苏奎峰, 吕强等.TMS320X281xDSP原理及C程序开发[M].北京航空航天大学出版社2008.

[2]刘和平, 邓力等.数字信号处理器原理、结构及应用基础-TMS320F28x[M].机械工业出版社, 2007.

[3]谭浩强.C语言程序设计[M].清华大学出版社, 1999.

模拟通道 第5篇

随着现代高新技术在汽车领域的不断发展和应用, 汽车电子化程度越来越高, 汽车电控系统、电器设备的故障成为了汽车的主要维修项目, 据资料显示, 占汽车维修的70%以上, 并呈上升趋势。汽车传感器是最重要的电控系统的组成部分之一, 虽然原件本身可靠性很强, 但是如果发生故障却不易检测。因此, 设计多通道传感器信号模拟器是很必要的。

2 应用范围

在汽车故障诊断过程中, 经常会遇到以下现象:通过对故障现象的分析, 我们怀疑可能是某一传感器有故障, 但是用解码器、万用表甚至是发动机综合分析仪进行检测, 却很难准确判断该传感器是好是坏。所以只有采取互换法, 即用一个新的传感器代替, 如果故障消失, 说明该故障是传感器引起的;如果故障现象依然存在, 说明该故障并不是因传感器而引起。这样不但浪费了时间, 同时也因盲目地更换配件而造成经济损失, 给客户带来不必要的支出。

另一方面, 学校在教授学生汽车检测与维修技术时, 对于电控发动机动态变化、故障机理、故障现象没有直观的展现, 使学生很难学习和掌握, 不利于学生能力的培养, 即使有整车作示范, 展现各个传感器故障也比较困难, 不能调节, 学生看不到动态数据的变化。

本文设计的模拟器可以再现各种传感器的真实故障, 可以根据需求随机设置传感器的信号状态, 使电控发动机能灵活、快速的根据信号特点展现不同的特征, 使人们掌握电控发动机故障的检测、诊断与排除。能数字显示信号变化, 使发动机在不同工况、负荷下输出不同的动态数据流, 对汽车的工程测试简化了程序, 提高了效率, 降低了经济成本。并且具有很好的通用性, 不仅可连接教学用实验台架, 也可以接入汽车4S店待维修的汽车, 模拟传感器信号、模拟故障现象并通过自身显示系统输出。

3 设计方案

本模拟器主要组成部分有:主机、10种汽车传感器信号模拟单元 (可根据需要扩展) 、输出模块、显示器、键盘等。具体方案如图1所示。

通过专用接口与汽车ECU建立通讯, 可以根据车型不同, 通过网络升级的方式更新最新、最准确的传感器信息。主机采用西门子PLC可编程控制器CPU314, 可配置内存卡。主机连接显示器, 显示器型号为西门子TP177B, 能够显示各通道设定的输出值或输出曲线。该模拟器有16个输出通道, 涵盖中档轿车的全部传感器, 各通道分别模拟一个传感器, 其输出可在常规工作范围内独立改变;所有通道皆可同时工作。在对汽车进行检修时, 可用该模拟器替代全部传感器, 根据需要设置模拟器的输出, 通过观察汽车控制器、发动机、底盘的状态快速确定汽车的故障。配有小键盘, 可对预存参数进行设定和编程。

本模拟器可以为汽车设计、维修人员、研究人员以及汽车专业学生提供研究学习的机会, 对研究电控发动机故障机理提供了良好的平台。

4 国内外的发展状况

经调研, 目前国内同类产品的研发还处于起步阶段, 技术不是很成熟和完善, 现有产品无法满足客户的使用要求, 且大多是单通道, 本文阐述的是多通道的信号模拟器的研制, 如果能批量生产将极大推动该项技术的发展, 在国内的汽车维修、制造等企业、高等院校等单位发挥重要作用, 具有较大的现实意义。

美、日本等发达国家在利用模拟技术方面进行了大量研究工作, 并将其应用于工业生产、科学研究乃至日常生活等诸多领域, 从而使产品的质量、科技含量以及企业的生产效率均有大幅度提高。基于虚拟仪器的测试模拟系统在汽车试验领域也已得到应用。如Alfautomazione Inc的ECU的模拟和检测系统;Motorola汽车电子的ECU也是用NI的相关产品进行编程检测的;美国圣地亚哥大学开发出的用于混合动力汽车燃油消耗和排放的模拟和优化系统;Honda公司研制的道路模拟器, 用于摩托车运行状况的检测。

参考文献

[1]王俊红.电控汽油发动机传感器信号模拟系统研究[J].汽车电器, 2010 (1) :51-56.

模拟通道 第6篇

微通道的尺寸非常小，其通道的宽度一般在之间，流量小[1]，借助微通道可以进行两相流体的混合、纳米粒子合成、蛋白质结晶等。在化工方面，要求能够控制微通道内化学物质输运的时间和物质空间的分布[2,3]。近年来，研究者对不同结构微通道内流动的控制产生了极大的兴趣，成为一个重要的研究方向[4]。雷诺数是惯性力和黏性力之比，微通道内雷诺数小，两相流动受到黏性力的影响，在通道壁面约束下，表面张力和挤压力对离散相的形成起到重要作用。微通道的制作工艺精度较高，监测通道内流动的设备需要极其微小，这些都使得采用实验研究微流动的难度和费用较大，而数值模拟能够克服这些缺点。两相流动问题常见的数值模拟方法有：标记网格方法（MAC），水平集方法（level set method），相场方法（phase field method）,VOF法，格子布尔兹曼方法（Lattice Boltzmann method）等，在这些的数值方法中，相场方法利用自由能量描述两相流体的界面，模拟中采用非结构化网格时容易实施，对流场的计算中不用重新初始化，物质的质量损失较小，控制方程中的变量具有一定物理意义，并能够模拟能量耗散的流动[5]。本文采用相场方法，数值模拟工程中常见的错流接触T型微通道内离散相的形成过程，研究微通道内压强和流场的变化特点。

1 控制方程

连续性方程和动量方程为：

其中是速度向量,p是压强,ρ是密度,μ是动力粘性系数,是表面张力,σ是表面张力系数。由相场理论知,两流体间的相互作用可用自由能量密度来表示,式中的第一项是两相流体界面内的能量密度,第二项是各个流体的块能量密度,λ是混合能量密度的参数,∈表示两流体界面的厚度,准是相场变量,微通道内离散相和连续相对应的准值分别是-1和1,准在-1和1之间变化对应的区域就是两相界面,自由能量密度反映了两相流体间的相互作用。对自由能量密度在计算区域内积分,得到自由能F,即F关于相场变量的变化率是化学势G,即由自由能的定义可得到,der Waals假定流场中自由能最小处就是平衡的两相界面，因此两相界面满足方程通过计算可得到平衡的一维两相界面的表达式是平衡两相界面单位长度的自由能理解成表面张力系数[6],即σ=结合前面的定义和公式,得到表面张力系数、两相界面厚度和混合能量密度的关系式

表面张力可用化学势表示:上面方程组结合Cahn-Hilliard对流方程就是计算微通道内两相流动的控制方程。

2 T型微通道内离散相的形成

研究的物理模型是T型微通道，通道宽度D=111μm，离散相通道和主通道垂直，两通道长度分别是3D和45D，离散相和连续相分别从垂直方向和水平方向同时注入通道，在一定条件下形成间距固定的离散相。微通道内可忽略重力作用，为简化计算，设置两相流体密度相同，表面张力系数设为0.0728N/m，离散相黏度系数0.001Pa.s，两流体黏度比是1/8，接触角是0°，通道入口设置成速度入口，出口压强设为0Pa。毛细数Ca=μcvc/σ表示黏性力和表面张力的比值，式中下标c表示连续相，毛细数的变化会影响微通道内离散相的形成，如图1所示。毛细数非常小（Ca=0.006）时，离散相在微通道的T型拐角处脱离，脱离的离散相前后两端收缩成对称形状，其余的离散相收缩回离散相通道的出口，这一毛细数下形成的离散相大小和长度最大，离散相几乎和主通道宽度相同，离散相的这种形成机理被称为挤压机理[1,7]；毛细数进一步增加（Ca=0.022），离散相的脱离点稍向T型拐角的下游移动，脱离的离散相尺寸和长度有所减小，形状不对称的离散相呈现前端尖后端圆，类似子弹状，这种形成机理被称为滴落机理[1]；毛细数取较大值时（Ca=0.1），离散相的脱离点远离T型拐角处，并随着离散相个数的增加，脱离点持续向主通道下游移动较长的距离，最后形成的离散相的后端出现明显的平行于主通道的分层流动，上层是离散相，下层是连续相，脱离的离散相的长度和宽度明显减小，离散相和主通道周围壁面的间距增大，说明离散相对主通道流动的阻塞变弱，这一形成机理被称为射流机理[1]。

3 微通道内压强和流场的变化

离散相通道出口的压强几乎不随时间变化[1]，此处仅考察连续相通道出口压强的变化。连续相通道出口中点压强变化幅度和毛细数有关，如图2所示，T0是离散相的形成周期，图中可见，毛细数越小，在离散相形成过程中压强变化幅度越大，这一现象也反映了挤压机制下连续相出口挤压力对离散相的形成起重要作用，滴落机制下，挤压力作用减弱，而在射流机制下，离散相的形成和连续相挤压力几乎无关，离散相表面的不稳定性是离散相脱离的主要原因。

离散相的脱离对微通道内流场产生影响，如图3所示。小毛细数下，脱离前颈部离散相的速度和其表面平行，离散相后端连续相的流速和离散相表面垂直，离散相在颈部断裂后，脱离点处形成方向相反的一对涡，并和离散相表面垂直；随着毛细数增加，离散相脱离前后流场的变化减弱，脱离点处的速度越接近主通道中轴线的方向。

4 结论

本文模拟T型微通道内两相流动，在不同毛细数下，得到三种类型的离散相，离散相形成的周期内，连续相出口压强变化幅度随毛细数增大而减小，小毛细数下，离散相脱离点处的流速在其脱离前后变化剧烈，并出现涡流，毛细数增大，离散相脱离对流场影响变弱。

摘要：借助相场方法数值模拟T型微通道内两相流动,通过改变毛细数大小,得到三种形成机理下的离散相。随着毛细数增大,离散相形成过程对微通道内压强和速度的影响减弱。

关键词：相场方法,数值模拟,微通道,毛细数

参考文献

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[6]J.S.Rowlinson,B.Widom.Molecular Theory of Capillarity[M].Clarendon Press,1989.

模拟通道 第7篇

由于对环境保护的要求越来越高,同时受周边建筑等的限制,目前越来越多的地下工程采用大跨或重叠隧道作为应对措施。使用合适的施工方法,能有效控制施工对既有建筑的影响。本文以某地铁修建为例,利用有限差分(FLAC)数值模拟方法说明采用双侧壁导坑法对控制既有建筑位移变化的有效性。

2 工程概况

某城市地铁修建时,要通过一条地下人行通道,为地面主干道下方的过街人行通道,人流量比较大。地道内宽约5.0m,高3.5m,隧道与其成约80°角相交通过,其平面位置关系见图1所示。

下穿隧道为双线大跨,跨度22.16m,埋深约18m,隧道顶部距人行通道底约5.6m。隧道结构设计及结构布置与地层分布情况如图2、图3所示。

为控制施工对人行通道底部位移影响,隧道施工采用双侧壁导坑分部开挖方法,分部开挖工序如下:

(1)围岩初始应力平衡计算;

(2)开挖土体1,施做1周围的初期支护,暂不考虑横撑①;

(3)开挖土体2,施做2周围的初支,施加横撑①;

(4)开挖土体3,施做3周围的初期支护,暂不考虑横撑②;

(5)开挖土体4,施做4周围的初期支护,施加横撑②;

(6)开挖土体5,施做5顶部的初期支护,暂不考虑横撑③;

(7)开挖土体6,暂不考虑横撑③、④;

(8)开挖土体7,施加横撑③、④。

施工措施如图4所示。

3 数值模拟情况

采用平面的围岩-结构模型有限差分方法计算,重点计算隧道在双侧壁导坑分部开挖过程中洞顶、地道基础的沉降值,以及初期支护自身的结构安全。

计算模型简化考虑,建立地下通道,其余段均以围岩代替,地面为自由面,隧道两侧及底部各取洞跨的3倍范围,边界为全约束。模型如图5所示。

地面荷载按20kPa,岩土及支护材料的物理力学参数见表1、表2。

4 计算结果及分析

利用有限差分方法模拟图4所示分布开挖施工措施,全部开挖后的结构如图6所示。

主要施工步开挖的主应力云图见图7所示。

4.1 人行通道底板位移结果

人行通道底板位移如图8所示。

由计算结果可以看出,由于是先从两侧开挖,所以底板位移两侧比中部大,但整体上位移较小,最大位移3.4mm,说明施工措施选择恰当,有效地控制了原有结构位移。

4.2 下穿隧道初期支护计算结果

下穿隧道初期支护位移见图9所示。从图中可以看出,周边位移总体不大,最大位移为16mm,发生在左侧拱肩处。

初期支护的轴力、弯矩及安全系数如图10～图12所示。由图12的安全系数图可以看出,施工后的初期支护总体上安全,最小安全系数为4,大于要求的1.2[5],最小安全系数发生在左侧拱腰及两侧拱脚处。

5 结论

通过对下穿人行通道的大跨隧道结构的数值模拟分析,说明采用双侧壁导坑分部开挖法可以保证隧道自身结构的安全性,同时能有效控制下部大跨隧道开挖施工对上部既有结构的影响。通过对本工程的数值模拟分析,为今后类似工程提供参考。

参考文献

[1]喻渝,赵东平,曾满元,王明年.客运专线超大断面隧道施工过程

三维力学分析[J].现代隧道技术,2005,(04).

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