Симулация на кабели и маркучи - изисквания и влияния - PDF безплатно изтегляне
Симулация на кабели и маркучи - Изисквания и влияния - Катедрата по компютърни науки на Университета в Кобленц-Ландау за придобиване на академична степен на Dr. обратно нат. Дисертация представена от Christian Wienss от Кьолн Дата на подаване: 02 октомври 2008 г. Лектор: Съ-лектор: проф. Д-р Щефан Мюлер проф. Д-р Ден на устния изпит на Габриел Захман: 14 юли 2009 г.
С декларация заявявам вместо клетва, че настоящото произведение е написано независимо и че не са използвани други източници и ресурси освен посочените. Работата или части от нея не са представени като изпитна работа или дисертация за държавен или друг научен изпит. на. (Място, дата, подпис)
Съдържание 1 Въведение 1 1.1 Модел на задачата. 2 1.2 Структура на дипломната работа. 5 2 Основи 7 2.1 Обща теория на еластичността. 7 2.1.1 Законът на Хук. 7 2.1.2 Опростен закон на Хук. 8 2.1.3 Модул на Йънг. 9 2.1.4 Напречно свиване. 11 2.1.5 Модул на срязване. 13 2.1.6 Еластичност, пластичност. 14 2.1.7 Модул на пълзене. 14 2.1.8 Физически величини и техните взаимоотношения. 15 2.2 Поведение на лъчи и членове. 17 2.2.1 Обща теория на лъча. 17 2.2.2 Моделът Cosserat. 18 2.2.3 Рамката на Френет. 18 2.2.4 огъване. 19 2.2.5 Усукване. 22 2.2.6 Усукваща твърдост. 27 2.2.7 Еластична енергия. 30 2.2.8 Квазистатични и динамични. 32 2.3 Методи за моделиране. 32 2.3.1 Крайни елементи. 32 2.3.2 Модел с пружинна маса. 34 2.3.3 Сплайнове. 35 2.4 Кабели на практика. 35 2.4.1 Обозначение на типа кабел. 35 2.4.2 Структура на кабелите и кабелните снопове. 37 2.4.3 Външни влияния върху симулация. 37 2.4.4 Вътрешни влияния върху симулация. 39 i
3 Състояние на техниката 41 3.1 Измерване на оптичен кабел. 41 3.1.1 Измерване въз основа на изображение. 42 3.1.2 Тактилно измерване. 43 3.1.3 Измерване с помощта на лазер. 45 3.1.4 Други техники. 47 3.2 Кабелна симулация. 50 3.2.1 Сплайнове. 50 3.2.2 Модел с пружинна маса. 53 3.2.3 Импулсна система с пружина. 54 3.2.4 Модел на крайни елементи. 58 3.2.5 Числени подходи. 58 3.2.5.1 Гъвкавият двигател. 58 3.2.5.2 Linn et al. 61 3.3 Определяне на материала. 62 4 Анализ 63 4.1 Входни параметри на симулацията. 63 4.1.1 Дължина. 64 4.1.2 Диаметър. 65 4.1.3 Крайни позиции. 66 4.1.4 Крайни допирателни. 66 4.1.5 Крайни стандарти. 67 4.1.6 Усукване. 67 4.1.7 Фиксирани позиции (клипове). 68 4.1.8 Твърдост. 69 4.1.9 Плътност. 70 4.2 Допълнителни изисквания за симулация. 71 4.2.1 Вибрации. 71 4.2.2 Преформация. 71 4.2.3 Усукваща твърдост. 73 4.2.4 Налягане. 74 4.2.5 Температура. 74 4.2.6 Клонове. 74 4.2.7 Безплатни клонове. 75 4.2.8 Сблъсъци. 75 4.2.9 Възможности в реално време. 76 4.2.10 История. 77 4.2.11 Проверка на точността. 78 4.3 Ефективен материал. 78
7.1.1 Категоризация. 151 7.1.2 Подходи. 152 7.1.3 Сравнение. 156 7.2 Компонентни параметри от измерването. 157 7.2.1 Твърдост. 157 7.2.2 Плътност. 160 7.2.3 Числото на Поасон. 161 7.2.4 Общ изглед. 166 7.3 Сравнение на параметрите на компонентите. 167 7.3.1 Изчисляване на твърдостта с композитора. 169 7.3.2 Възстановяване на твърдостта от прогресирането на формата. 170 7.3.2.1 Влияние на посоката на огъване. 171 7.4 Ефекти върху симулацията. 175 7.4.1 Случайно предварително формиране. 175 7.5 Ефекти от геометричните влияния. 176 8 Резюме и Outlook 179 8.1 Резюме. 179 8.2 Outlook. 184 8.3 Резюме. 185 Списък на фигури 188 Библиография 191 Собствени публикации 199 A Приложение 201 A.1 flexengine - Интеграция. 201 A.2 Асистиран режим. 204 A.3 Епиполярна геометрия. 205 B CV 209
1.1. МОДЕЛ НА ЗАДАЧАТА Фигура 1.1: За да се премести дизайнерът от първоначалната употреба към използването на модела, изследванията анализират типовете симулация и граничните условия с цел подобряване на модела. Презентация (изглед) Презентационният слой е отговорен за показване на необходимите данни от модела и за получаване на потребителски взаимодействия. Той познава както своята система за контрол, така и модела, чиито данни представя, но не носи отговорност за по-нататъшна обработка на данните, прехвърлени от потребителя. По правило презентацията се информира за промени в данните в модела и след това извлича актуализираните данни. 3
1.1. МОДЕЛ НА ЗАДАЧАТА Контрол (контролер) Контролът управлява една или повече презентации, получава от тях действия на потребителя, оценява ги и действа по съответния начин. Има модел за всяка презентация. Не е работа на контролера да манипулира данни. Въз основа на действието на потребителя в презентацията контролата решава кои данни в модела трябва да бъдат променени. Той също така съдържа механизми за ограничаване на взаимодействието на потребителя с презентацията. Тази структура е прехвърлена на темата за симулирането на кабели и маркучи, както е показано на фиг. 1.2. Фигура 1.2: Принципът на модел-изглед-контролер, приложен към симулацията на кабела. При подобряване на модела се вземат предвид видът на симулация, параметрите на материала и други влияния. 4-ти
1.2. СТРУКТУРА НА РАБОТА Какво трябва да се промени? Как може да се промени? Подобрение ли е? Фигура 1.3: След настройка на модела са обяснени основите и състоянието на техниката заедно с трите ключови въпроса. Тази информация се използва за анализ на възможностите за подобрение. След това се извършват измервания и идеята се потвърждава спрямо реалността. Накрая резултатите са представени и обобщени. 6-то
2 Основни положения Който знае къде да намери това, което не знае, е образован. Георг Симел Тази глава обяснява термините, които ще бъдат използвани по-късно в работата. Първо се обясняват някои модули и тензори от общата теория на еластичността и се изяснява връзката им. Освен това се изследва поведението на прътите под напрежение. В контекста на тази работа се правят основни изчисления, които са представени в тази глава. Това е последвано от въведение в някои важни техники за моделиране. Накрая е даден поглед върху свойствата на реалните кабели. 2.1 Обща теория на еластичността 2.1.1 Закон на Хук Законът на Хук [Stö04] гласи, че еластичната деформация ε на тялото е пропорционална на приложеното напрежение σ. В общия случай законът на Хук се изразява чрез уравнението на линейния тензор σ = Cε, 7
2.1. ОБЩА ТЕОРИЯ ЗА ЕЛАСТИЧНОСТ Модулът на еластичност се определя като наклон на графиката в диаграмата напрежение-деформация: Единицата е тази на напрежение: E = dσ dε. [E] = N mm 2. При линеен ход на графика на напрежение-деформация (диапазон на пропорционалност) се прилага следното: E = σ ε По принцип това е различен начин за писане на закона на Хук (виж раздел 2.1.1), където модулът на еластичност съответства на пружинната константа. Модулът на еластичност зависи от различни условия на околната среда като Б. налягането или температурата, които оказват влияние върху свойствата на материала. В контекста на тази работа обаче тя се счита за постоянна поради малката промяна, която причинява. Примери: модул на еластичност на стомана приблизително: 190 000 до 210 000 N/mm2 (стайна температура) месинг: 78 000 до 123 000 N/mm2 бетон: 40 000 до 45 000 N/mm2 дърво, успоредно на зърното: 9 000 до 12 000 N/mm2 дърво, през зърното: 300 до 1000 N/mm2 силиконова гума: 10 до 100 N/mm2 2.1.4 Странично свиване Страничното свиване е специален случай на деформация. Той описва поведението на тяло под въздействието на сила на опън [Stö04]. По посока на силата 11
2.1. ОБЩА ТЕОРИЯ ЗА ЕЛАСТИЧНОСТ тялото реагира с промяна в дължината l, перпендикулярна на тази с намаляване на диаметъра му d с d. Промяната в дължината може да се определи, като се използва опростеният закон на Хук (виж раздел 2.1.2). Законът на Хук обаче в неговата опростена форма не дава изявления за промяната в дебелината. Независимо от това, по-сложното прилагане на общия закон на Хук често може да бъде отказано, тъй като в много случаи относителната промяна в диаметъра dd е пропорционална на относителната промяна в дължината ll, която може да се определи с помощта на опростения закон на Хук: ddl = ν l Коефициентът на пропорционалност ν е безразмерно количество и се нарича число на Поасон или съотношението на Поасон. В областта на валидност на пропорционалността между промяна в дължината и дебелината, числото на Поасон също позволява изчисляване на относителната промяна в обема VV, с която тялото реагира на разширение: VV = (1 2ν) ll Физически значимите стойности за ν са между -1 и 0,5 (- 1