Основы физического моделирования в Engee

Введение в физическое моделирование

Принципы моделирования физических систем

Библиотека блоков Физическое моделирование

Библиотека блоков Физическое моделирование состоит из нескольких разделов, которые соответствуют разным предметным областям. В разделе Фундаментальные имеются блоки из следующих предметных областей:

• электричество
• газ
• изотермическая жидкость
• магнетизм
• механика (вращательная и поступательная)
• влажный воздух
• тепло
• теплопроводящая жидкость

В библиотеке Физическое моделирование также имеются разделы 1D Механика, Электричество и Жидкости и газы, в которых находятся дополнительные блоки, расширяющие возможности моделирования в указанных предметных областях. В этом курсе мы будем использовать только блоки из раздела Фундаментальные.

Для улучшения удобочитаемости блок-схем каждая предметная область в Engee использует отдельный цвет для соединительных линий и значков блоков.

Engee также позволяет разрабатывать мультидоменные модели, содержащие блоки из разных предметных областей.

Блоки представляют собой фундаментальные компоненты физических систем, такие как резисторы, массы, трубопроводы и т.д. Таким образом, создание физической модели напоминает создание инженерного чертежа. Разместив на холсте эти блоки и соединив их между собой, инженер описывает физическую структуру системы, а не лежащую в ее основе математическую модель. Engee предоставляет высокоуровневый графический язык проектирования систем.

Типы физических элементов, которые содержатся в библиотеке Физическое моделирование, можно разделить на две категории:

• Активные элементы — доставляют энергию в систему. Они должны быть ориентированы строго в соответствии с направлением действия или функцией, которую они должны выполнять в системе. Например, источники силы и скорости, источники расхода и давления и т.д.

• Пассивные элементы — рассеивают или накапливают энергию. Они могут быть ориентированы в любом направлении. Например, амортизаторы, резисторы, пружины, трубопроводы и т.д.

Порты

Порты физических блоков могут быть двух типов: направленные и ненаправленные.

• Ненаправленные порты блоков представляют собой физические связи между блоками. Эти порты обозначаются квадратами и соединяются линиями так, как они были бы связаны в реальной физической системе. В модели физическая связь выражается в обмене энергией через ненаправленные порты блоков.

Количество ненаправленных портов для каждого блока определяется количеством потоков энергии, которыми он обменивается с другими элементами в системе. Например, в отличие от обычного резистора, у терморезистора (блок Thermal Resistor) появляется дополнительный температурный порт, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры.

Если все порты блока принадлежат одной и той же предметной области, то весь значок блока имеет цвет этой области. Если блок имеет несколько типов портов, например Rotational Mechanical Converter (IL), то соответствующие части значка блока приобретают стили и цвета линий, зависящие от предметной области.

Блоки разных предметных областей можно использовать в одной модели, но соединить их можно только если порты принадлежат к одной предметной области (имеют одинаковый цвет).

• Направленные порты передают математическое значение величин в виде скаляра, вектора или матрицы между блоками. Эти порты обозначаются стрелкой, имеют направление, источник и приемник. Они используются в схемах как входные порты для задания показания источника или выходные порты для снятия показаний датчика. К ним могут быть подсоединены блоки базовой библиотеки.

Переменные

Переменные в физических моделях могут быть двух типов – потоковые и разностные.

• Потоковые — измеряются в одной точке (датчик подключен последовательно к элементу). Например, массовый расход, расход энергии, сила, тепловой поток, электрический ток.

• Разностные — выражаются как разности и измеряются в двух пространственно-различных точках (датчик подключен параллельно к элементу). Например, абсолютное давление, температура, скорость, электрическое напряжение.

Каждая переменная характеризуется своей величиной и знаком. Одна и та же переменная может быть положительной или отрицательной, в зависимости от полярности датчика.

В этом курсе вы будете строить простые электрические, механические и жидкостные модели. Затем вы построите модель, использующую все три эти предметные области – модель гидроэлектростанции. В конце курса вы используете полученные знания для построения модели электронного клапана.

Модель двойного пружинного демпфера

В качестве примера физической модели рассмотрим модель двойного пружинного демпфера:

Эта модель описывает двойной пружинный демпфер с начальным растяжением каждой пружины. Сравните модель с тем, как обычно изображается массовый пружинный демпфер на схеме:

В модели использованы физические блоки Engee из предметной области «Поступательная механика»: массы (Mass), пружины (Translational Spring) и демпферы (Translational Damper). Также в модели присутствует блок Absolute Translational Motion Sensor (датчик движения в механических поступательных системах), который позволяет измерять скорость элемента. Обязательными элементами физической модели являются блок, представляющий собой опорную точку (в данном случае это блок Mechanical Translational Reference – опорная точка для механических поступательных портов), а также блок Solver Configuration (настройки решателя).

✏️Задание 1

В этом задании вы измерите скорость на блоке Mass2.

1. Откройте модель Модель двойной пружины-демпфера.engee.
2. Запустите модель. Постройте график зависимости скорости от времени.

Решение

Физические блоки Engee имеют параметры, значения которых можно задавать для описания физической системы. Вы можете задать параметры блоков с помощью диалогового окна «Настройки».

✏️Задание 2

Модифицируйте модель:

1. Дважды щелкните по блоку с именем Mass1, чтобы открыть диалоговое окно параметров блока. Измените параметр Mass (масса) с 10 kg (кг) на 50 kg (кг).
2. Запустите модель. Постройте график зависимости скорости от времени. Посмотрите, как изменилась динамика системы с увеличением массы.

Решение

✏️Задание 3

При изменении значения параметра Mass вы, возможно, заметили, что для параметров физических блоков указаны единицы измерения. Ознакомьтесь с различными вариантами единиц измерения для блоков, используя выпадающее меню.

1. Измените значение и единицы измерения для параметра Mass блока Mass2 на 500 g (г).
2. Запустите модель. Постройте график зависимости скорости от времени. Убедитесь, что результаты такие же, как и для начального значения массы 0.5 кг.

Решение

Тест для получения сертификата

Если вы впервые проходите тестирование на платформе Этюд по ссылке из Engee, то, нажав на ссылку ниже, вы увидите следующее диалоговое окно:

Нажмите на кнопку Предоставить, чтобы авторизоваться на платформе Этюд с данными вашего профиля Engee ID.

Если вы раньше уже проходили тестирование по ссылке из Engee, то ваша авторизация выполнится автоматически и тестирование начнется сразу же после нажатия на ссылку.

Пройти тест по разделу >>