Механические компоненты. Линейная механика 1D. Часть 1. Источники и начальные условия, Датчики, Упругие элементы

1. Библиотека «Линейная механика 1D»

Библиотека «Линейная механика 1D» предназначена для моделирования механических систем с одной степенью свободы движения. Компоненты библиотеки позволяют описывать инерционные, упругие, вязкие и контактные взаимодействия, внешние воздействия, начальные условия, измерительные устройства, преобразователи координат и специальные механические связи.

Библиотека применяется для моделирования:

  • колебательных систем;
  • механизмов и приводов;
  • систем с трением и зазорами;
  • динамики одномерных механических объектов;
  • задач кинематики и динамики поступательного движения.

В состав библиотеки входят следующие группы компонентов:

  • Источники и начальные условия;
  • Датчики;
  • Инерционные элементы;
  • Упругие элементы;
  • Вязкие элементы;
  • Элементы трения;
  • Контактные элементы;
  • Логические и коммутационные элементы;
  • Преобразователи координат и размерностей;
  • Специальные элементы.


Рисунок 1 — Состав библиотеки «Линейная механика 1D».


2. Общие сведения о портах

2.1. Сигнальный порт DOF1

Сигнальный порт предназначен для передачи одномерных кинематических сигналов.

С портом связаны следующие внутренние переменные:

Переменная Описание
V Значение сигнала
X Интеграл сигнала
A Производная сигнала

2.2. Механический порт DOF1

Механический порт предназначен для соединения компонентов линейной механики.

С портом связаны следующие физические величины:

Переменная Описание
V Линейная скорость
F Сила
A Линейное ускорение
X Линейное перемещение

Линейная скорость является физическим потенциалом узла.

Сила является потоковой величиной.

Линейное ускорение определяется как производная скорости.

Линейное перемещение определяется как интеграл скорости.


3. Источники и начальные условия

3.1. SV1D

Назначение

Источник сигнала скорости.

image
Рисунок 3.1 — Компонент SV1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент представляет собой источник постоянной скорости и предназначен для задания значения скорости в механической системе.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит один порт типа base.DOF1:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, положительный узел

Описание

Используется для задания постоянной линейной или угловой скорости в механической системе. Компонент может работать как идеальный или неидеальный источник скорости в зависимости от значения внутренней вязкости.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
Mu base.real Внутренняя вязкость источника, Н·с/м; Н·с/радиан 1.0e−6
V base.real Значение скорости, м/с 1,0

Физическая модель

Компонент поддерживает заданное значение скорости V на механическом порте. Параметр Mu определяет внутреннюю вязкость источника и позволяет учитывать отклонение поведения от идеального источника скорости.


3.2. SF1D

Назначение

Источник сигнала силы.

image
Рисунок 3.2 — Компонент SF1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент представляет собой источник постоянной силы или момента и предназначен для задания силового воздействия в механической системе.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит один порт:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, узел 1

Описание

Формирует сигнал силы для использования в расчетной схеме.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
FC base.real Значение силы/момента постоянной величины, Н 1,0

Физическая модель

Компонент создает постоянное силовое воздействие величиной FC, прикладываемое к подключенному механическому узлу.


3.3. SA1D

Назначение

Источник сигнала ускорения.


Рисунок 3.3 — Компонент SA1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент представляет собой источник постоянного ускорения (углового ускорения) и предназначен для задания ускорения в механической системе.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит один порт:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, произвольная степень свободы

Описание

Формирует сигнал ускорения.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
M base.real Коэффициент пропорциональности между отклонением ускорения и усилием, генерируемым элементом, кг 1e6
acceleration base.real Задаваемое ускорение, м/с² 1,0

Физическая модель

Компонент поддерживает заданное значение ускорения на механическом порте. Параметр M определяет интенсивность силового воздействия, необходимого для обеспечения требуемого ускорения.


3.4. FG

Назначение

Источник силы тяжести.

image
Рисунок 3.4 — Компонент FG в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Создает постоянную силу, соответствующую весу массы.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит один порт:

Обозначение порта Тип Наименование
Node1 base.DOF1 Механический порт приложения силы тяжести

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
M base.real Масса, кг 1,0

Физическая модель

Сила определяется выражением:

F = M \cdot g

где:

  • M — масса объекта;
  • g — ускорение свободного падения.

Сила направлена вдоль отрицательного направления оси движения.


3.5. SN

Назначение

Начальное перемещение степени свободы.


Рисунок 3.5 — Компонент SN в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для задания начального значения линейного или углового перемещения степени свободы.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит один порт:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, узел 1

Описание

Задает начальное значение линейного перемещения узла модели.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
S0 base.real Начальное смещение, м 1,0

Физическая модель

В момент начала моделирования компонент устанавливает для связанной степени свободы начальное значение перемещения, равное параметру S0.


3.6. VN

Назначение

Начальная скорость степени свободы.


Рисунок 3.6 — Компонент VN в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для задания начального значения линейной или угловой скорости степени свободы.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит один порт:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, степень свободы, по которой задается начальная скорость

Описание

Задает начальное значение линейной скорости узла модели.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
VN base.real Начальная скорость, м/с 1,0

Физическая модель

В момент начала моделирования компонент устанавливает для связанной степени свободы начальное значение скорости, равное параметру VN.


3.7. USDA1D

Назначение

Управляемый источник ускорения.


Рисунок 3.7 — Компонент USDA1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для формирования ускорения по управляющему сигналу, поступающему на сигнальный порт.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит три порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, 1-й узел (положительный)
Port2 base.DOF1 1D механический порт, 2-й узел (отрицательный)
Port3 base.DOF1 1D сигнальный порт, сигнал

Описание

Формирует ускорение по сигналу управления.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
C base.real Коэффициент смещения сигнала 0,0
M base.real Коэффициент пропорциональности сигнала, кг 1e6

Физическая модель

Компонент формирует ускорение на основе сигнала, поступающего на управляющий порт. Параметр C задает постоянное смещение сигнала, а параметр M определяет коэффициент пропорциональности между управляющим сигналом и создаваемым ускорением.


3.8. USDF1D

Назначение

Управляемый источник силы.


Рисунок 3.8 — Компонент USDF1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для формирования силы или момента по управляющему сигналу, поступающему на сигнальный порт.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит три порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, 1-й узел (положительный)
Port2 base.DOF1 1D механический порт, 2-й узел (отрицательный)
Port3 base.DOF1 1D сигнальный порт, сигнал

Описание

Формирует силу по входному сигналу.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
C base.real Коэффициент смещения сигнала 0,0
F base.real Коэффициент пропорциональности сигнала, Н; Н·м 1,0

Физическая модель

Компонент формирует силу или момент на основе сигнала, поступающего на управляющий порт. Параметр C задает постоянное смещение сигнала, а параметр F определяет коэффициент пропорциональности между управляющим сигналом и создаваемым силовым воздействием.


3.9. USDV1D

Назначение

Управляемый источник скорости.


Рисунок 3.9 — Компонент USDV1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для формирования скорости по управляющему сигналу, поступающему на сигнальный порт.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит три порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, 1-й узел (положительный)
Port2 base.DOF1 1D механический порт, 2-й узел (отрицательный)
Port3 base.DOF1 1D сигнальный порт, сигнал

Описание

Формирует скорость по входному сигналу.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
C base.real Коэффициент смещения сигнала 0,0
K base.real Коэффициент пропорциональности сигнала, м/с; радиан/с 1
MU base.real Внутренняя вязкость источника, Н·с/м; Н·с·м/радиан 1.0e−6

Физическая модель

Компонент формирует скорость на основе сигнала, поступающего на управляющий порт. Параметр C задает постоянное смещение сигнала, параметр K определяет коэффициент пропорциональности между управляющим сигналом и создаваемой скоростью, а параметр MU позволяет учитывать неидеальность источника за счет внутренней вязкости.


3.10. USDX1D

Назначение

Управляемый источник перемещения.


Рисунок 3.10 — Компонент USDX1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для формирования перемещения по управляющему сигналу, поступающему на сигнальный порт.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит три порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Node1 base.DOF1 1-й узел (положительный)
Node2 base.DOF1 2-й узел (отрицательный)
Signal base.DOF1 Сигнал

Описание

Формирует перемещение по входному сигналу.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
C base.real Коэффициент смещения сигнала 0,0
K base.real Коэффициент пропорциональности сигнала 1,0

Физическая модель

Компонент формирует перемещение на основе сигнала, поступающего на управляющий порт. Параметр C задает постоянное смещение сигнала, а параметр K определяет коэффициент пропорциональности между управляющим сигналом и создаваемым перемещением.


3.11. USF1D

Назначение

Управляемый источник силы.


Рисунок 3.11 — Компонент USF1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для создания механического воздействия в виде силы, величина которой определяется управляющим сигналом.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит два порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, выходной узел
Signal DOF1 Порт управления

Описание

Создает механическое воздействие в виде силы, определяемой входным сигналом.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
F0 base.real Постоянное значение силы, Н 0,0
Fk base.real Коэффициент пропорциональности сигнала, Н 1,0

Физическая модель

Создаваемая сила определяется суммой постоянной составляющей F0 и составляющей, пропорциональной входному сигналу с коэффициентом Fk.


3.12. USV1D

Назначение

Управляемый источник скорости.


Рисунок 3.12 — Компонент USV1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для создания кинематического воздействия в виде скорости, определяемой управляющим сигналом.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит два порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, 1-й узел (положительный)
Signal DOF1 Порт управления

Описание

Создает кинематическое воздействие в виде скорости, определяемой входным сигналом.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
C base.real Постоянная составляющая скорости, м/с 0,0
Mu base.real Внутренняя вязкость источника, Н·с/м 1.0e−9
Vk base.real Коэффициент пропорциональности сигнала, м/с 1,0

Физическая модель

Создаваемая скорость определяется суммой постоянной составляющей C и составляющей, пропорциональной входному сигналу с коэффициентом Vk. Параметр Mu позволяет учитывать неидеальность источника за счет внутренней вязкости.


4. Датчики

4.1. SNSRX1D

Назначение

Датчик перемещения.


Рисунок 4.1 — Компонент SNSRX1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для измерения относительного перемещения между двумя механическими узлами и преобразования его в выходной сигнал.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит три порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, 1-й узел (положительный)
Port2 base.DOF1 1D механический порт, 2-й узел (отрицательный)
Port3 base.DOF1 1D сигнальный порт, сигнал

Описание

Преобразует механическое перемещение в сигнальный выход.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
K base.real Коэффициент масштабирования выходного сигнала 1

Физическая модель

Компонент измеряет относительное перемещение между механическими портами Port1 и Port2 и формирует выходной сигнал на порту Port3. Значение выходного сигнала пропорционально измеренному перемещению и определяется коэффициентом масштабирования K.


4.2. SNSRV1D

Назначение

Датчик скорости.


Рисунок 4.2 — Компонент SNSRV1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для измерения относительной скорости между двумя механическими узлами и преобразования ее в выходной сигнал.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит три порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, 1-й узел (положительный)
Port2 base.DOF1 1D механический порт, 2-й узел (отрицательный)
Port3 base.DOF1 1D сигнальный порт, сигнал

Описание

Измеряет скорость механического узла и передает ее через сигнальный порт.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
K base.real Коэффициент масштабирования выходного сигнала 1

Физическая модель

Компонент измеряет относительную скорость между механическими портами Port1 и Port2 и формирует выходной сигнал на порту Port3. Значение выходного сигнала пропорционально измеренной скорости и определяется коэффициентом масштабирования K.


4.3. SNSRF1D

Назначение

Датчик силы.


Рисунок 4.3 — Компонент SNSRF1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для измерения силы, передаваемой через механическую связь между двумя узлами, и преобразования ее в выходной сигнал.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит три порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, входной узел
Port2 base.DOF1 1D механический порт, выходной узел
Port3 base.DOF1 1D сигнальный порт, сигнал

Описание

Измеряет силу в механической связи.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
K base.real Коэффициент масштабирования выходного сигнала 1
R base.real Внутреннее сопротивление датчика 1e-9

Физическая модель

Компонент измеряет силу, передаваемую между механическими портами Port1 и Port2, и формирует соответствующий выходной сигнал на порту Port3. Значение выходного сигнала пропорционально измеренной силе и определяется коэффициентом масштабирования K. Параметр R задает внутреннее сопротивление датчика.


4.4. SNSRA1D

Назначение

Датчик ускорения.


Рисунок 4.4 — Компонент SNSRA1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент предназначен для измерения относительного ускорения между двумя механическими узлами и преобразования его в выходной сигнал.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит три порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, 1-й узел (положительный)
Port2 base.DOF1 1D механический порт, 2-й узел (отрицательный)
Port3 base.DOF1 1D сигнальный порт, сигнал

Описание

Измеряет ускорение механического узла.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
K base.real Коэффициент масштабирования выходного сигнала 1

Физическая модель

Компонент измеряет относительное ускорение между механическими портами Port1 и Port2 и формирует выходной сигнал на порту Port3. Значение выходного сигнала пропорционально измеренному ускорению и определяется коэффициентом масштабирования K.


5. Инерционные элементы

5.1. M1D

Назначение

Точечная масса.

image
Рисунок 5.1 — Компонент M1D в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент моделирует инерционные свойства материальной точки.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит один порт:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт, узел 1

Описание

Компонент представляет материальную точку или твердое тело, обладающее массой и одной степенью свободы движения.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
M base.real Масса (момент инерции), кг 1,0

Физическая модель

Элемент реализует инерционные свойства объекта и определяет его реакцию на приложенные силы. Для поступательного движения поведение элемента описывается вторым законом Ньютона:

F = M \cdot g

где:

  • F — приложенная сила;
  • M — масса элемента;
  • a — ускорение.

В зависимости от типа подключенной степени свободы параметр M может интерпретироваться как масса или момент инерции.


6. Упругие элементы

6.1. K

Назначение

Линейная пружина.

image
Рисунок 6.1 — Компонент K в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент представляет собой упругую связь между двумя механическими узлами и моделирует линейную пружину.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит два порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт 1
Port2 base.DOF1 1D механический порт 2

Описание

Линейная пружина, соединяющая два механических узла.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
K base.real Коэффициент упругости, Н/м 1,0

Физическая модель

Передаваемое усилие пропорционально относительной деформации связи и определяется законом Гука:

F = K \cdot \Delta x

где:

  • F — сила упругости;
  • K — коэффициент упругости;
  • \Delta x — относительная деформация элемента.

Для вращательного движения аналогично используется момент, пропорциональный относительному углу поворота между портами.


6.2. KV

Назначение

Управляемая пружина с изменяемой жесткостью.


Рисунок 6.2 — Компонент KV в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент представляет собой упругую связь, жесткость которой изменяется в зависимости от управляющего сигнала.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит три порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт 1
Port2 base.DOF1 1D механический порт 2
Signal DOF1 Порт управления

Описание

Пружинный элемент с изменяемой жесткостью. Значение жесткости определяется управляющим воздействием, подаваемым на дополнительный порт компонента.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
C real Постоянная жесткость элемента, Н/м 0,0
K real Коэффициент масштабирования входного сигнала, Н/м 1,0

Физическая модель

Жесткость элемента формируется как сумма постоянной составляющей C и составляющей, пропорциональной входному управляющему сигналу с коэффициентом K. Усилие, создаваемое элементом, пропорционально текущей деформации связи и ее текущей жесткости.


6.3. BRK

Назначение

Упругая связь с разрушением.

image
Рисунок 6.3 — Компонент BRK в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент представляет собой упругую связь, которая разрушается при достижении заданного предельного усилия.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит два порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт 1
Port2 base.DOF1 1D механический порт 2

Описание

Компонент служит для задания упругой связи между двумя телами.

В тот момент, когда абсолютное значение усилия или момента достигает заданной величины, связь разрывается. После этого считается, что элемент разрушен.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
Fb base.real Разрушающее усилие, Н 1,0
K base.real Коэффициент жесткости, Н/м 1,0

Физическая модель

До момента разрушения элемент работает как линейная упругая связь и подчиняется закону Гука. Когда абсолютное значение силы или момента достигает значения Fb, связь мгновенно разрушается и перестает передавать механическое воздействие между соединенными узлами.

Компонент может использоваться для моделирования хрупких соединений, предохранительных элементов и разрушаемых механических связей.


6.4. KNL

Назначение

Нелинейная пружина.


Рисунок 6.4 — Компонент KNL в библиотеке «Линейная механика 1D».

Обозначение

Компонент представляет собой упругую связь с нелинейной зависимостью усилия от деформации.

Порты (степени свободы)

Компонент содержит два порта:

Обозначение порта Тип Наименование
Port1 base.DOF1 1D механический порт 1
Port2 base.DOF1 1D механический порт 2

Описание

Упругий элемент с нелинейной характеристикой «усилие–деформация».

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
C base.real Коэффициент пропорциональности между квадратом деформации и усилием, Н/м²; Н·м/радиан² 1,0

Физическая модель

Жесткость элемента зависит от текущей величины деформации и может изменяться в процессе движения системы. В отличие от линейной пружины, усилие определяется нелинейной зависимостью от деформации и возрастает пропорционально квадрату ее величины.

Компонент может использоваться для моделирования элементов с выраженными нелинейными упругими свойствами, когда применение линейного закона Гука недостаточно для описания поведения системы.


6.5. SV1KT

Назначение

Пружина с табличной характеристикой «деформация–сила».


Рисунок 6.5 — Компонент SV1KT в библиотеке «Линейная механика 1D».

место для рисунка компонента SV1KT

Обозначение

Компонент представляет собой упругую связь, в которой зависимость усилия от деформации задается пользователем в виде таблицы значений.

Описание

Элемент формирует упругое усилие на основании табличной характеристики «деформация–сила». Значение силы определяется интерполяцией между заданными точками таблицы, что позволяет моделировать произвольные нелинейные упругие характеристики без необходимости задания аналитической зависимости.

Пользовательские параметры модели

Параметр Тип Описание Значение по умолчанию
Table base.Diagram Табличная зависимость силы от деформации, (м, Н)… N точек; 0, 0, 1, 1
x0 base.real Предварительная деформация элемента, м 0,0

Физическая модель

Усилие в элементе определяется по заданной пользователем характеристике:

F = K \cdot (x + x_0)

где:

  • F — усилие в элементе;
  • x — текущая относительная деформация;
  • x_0​ — предварительная деформация.

Компонент применяется для моделирования упругих элементов со сложными нелинейными характеристиками, полученными экспериментально или заданными в виде набора дискретных точек.