Устройство для моделирования упругого гистерезиса

(з 1)5 0 06 0 7/48 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ст(56) Авторское свидетельство СССРЬ 966708, кл. 8 06 6 7/48, 1.980,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯУПРУГОГО ГИСТЕРЕЗИСА(57) Изобретение относится к аналоговойвычислительной технике. Устройство позволяет моделировать петлю упругого гистереэиса и вычислять площадь моделируемойпетли, которая определяет величину потерьмеханической энергии эа цикл колебаний Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть применено при решении на аналоговых вычислительных машинах задач динамики и прочности конструкций,Цель изобретения - повышение точнои моделирования.На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для моделирования упругого гистерезиса; на фиг.2 - моделируемая петля гистерезиса; на фиг.3 - временная диаграмма работы цепей управления.Устройство для моделирования упругого гистерезиса содержит операционный усилитель (ОУ) 1, ключи 2 - 4, масштабный резистор 5, интегрирующий конденсатор 6, блок 7 нелинейности, сумматор 8 с запоминанием, аналоговый запоминающий блок 9, масштабные резисторы 10 и 11, блок 12 фикпри циклических деформациях. Цель изобретения - повышение точности моделирования. Для этого в устройство дополнительно введен блок оценки потерь механической энергии, который состоит из двух перемножителей, ключей, интегратора, сумматора с запоминанием, аналогового запоминающего блока, триггера и схемы сравнения, Для управления работой блока оценки используются информационные и управляющие сигналы, получаемые с выходов блоков, моделирующих петлю гистереэиса, а также управляющий сигнал, образующийся на выходе схемы сравнения, По значению площади петли для тестового сигнала может производиться подстройка блоков устройства, что позволяет повысить точность моделирования петли упругого гистереэиса, 1 з,п.ф-лы, 3 ил,сании нуля, управляемый источник 13 напряжения, цепь 14 управления сумматором с запоминанием и элемент 15 задержки. Сумматор 8 с запоминанием включает ОУ 16, конденсатор 17, масштабный резистор 18, ключ 19, два форсирующих звена 20 и 21, каждое из которых содержит параллельно включенные резистор 22 и конденсатор 23, Аналоговый запоминающий блок 9 выполнен на опеоационном усилителе 24, конденсаторе 25, масштабном резисторе 26, ключе 27 и форсирующем звене 28, состоящем из параллельно соединенных резистора 29 и конденсатора 30. Усилитель 1, резистор 5 и конденсатор 6 представляют собой интегратор 31. Кроме того, устройство содержит блок 32 вычислений потерь, включающий перемножители 33 и 34, ключи 35 - 38, интегратор 39, состоящий из операционногоусилителя 40, конденсатора 41 з цепи обратной связи и масштабного резистора 42 во входной цепи, сумматор 43 с запоминанием, аналоговый запоминающий блок 44 и цепь управления, состоящую иэ последовательно соединенных триггера 45 и схемы 46 сравнения, Сумматор 43 с запоминанием содержит операционный усилитель 47, конденсатор 48, масштабный резистор 49, ключ 50, три форсирующих звена 51 - 53, каждое из которых включает параллельно соединенные резистор 54 и кснденсатор 55, Аналоговый запоминающий блок 44 полностью аналогичен блоку 9 и содержит операционный усилитель 56, конденсатор 57, масштабный резистор 58, ключ 59 и форсирующее звено 60, состоящее из параллельно соединенных резистора 61 и конденсатора 62,В устройстве в полном объеме воспроизводится алгоритм моделирования петли упругого гистереэиса, Дополнительно реализуется алгоритм определения потерь механической энергии, рассеиваемой за цикл колебаний, Вычисление рассеиваемой механической энергии осуществляется в процессе моделирования петли упругого гистерезиса. Как известно, этот процесс состоит из трех основных этапов: моделирование начального участка, моделирование нисходящей ветви и моделирование восходящей ветви. Для определения рассеиваемой механической энеогии используются только два последних этапа, следующие один за другим в течение одного цикла колебаний.Алгоритм определения рассеиваемой механической энергли основан на последовательном определении площадей двух геометрических фигурсоставляющих петлю гистерезиса (фиг,2), каждая из которых образована воспроизводимой ветвью петли и прямой, соединяющей концы этой ветви. Рассеиваемая за цикл механическая энергия равна сумме двух вычисленных площадей.Алгоритм определения рассеиваемой за цикл механической энергии может быть представлен в виде%+1б;- 2 (,((В/2) е б 1-(Я/2)е) .атк - моменты времени, когда я= 0; 1, = 1, 2.Рассмотрим работу устройства. В час гимоделирования петли гистерезиса функци 15 20 25 30 35 40 45 Щ 55 онирование устройства полностью аналогично прототипу. Для реализации алгоритма определения рассеиваемой за цикл колебаний механическрй энергии используются информационные и управляющие сигналы, получаемые с блоков, моделирующих петлю гистерезиса.На диаграмме напряжений, приведенной на фиг.3, обозначены: Овх - напряжение, пропорциональное скорости деформации е; Оа, Оь, Ос, Од, Ое,В - напряжения в точках а, Ь, с, б, е, 1 (фиг.1). Исходное состояние схемы устройствасоответствует этапу моделирования начального участка петли. В исходном положении ключи 2, 3, 27, 35, 36, 37 и 59 разомкнуты, а ключи 4, 19, 38 и 50 замкнуты, Напряжение, соответствующее скорости деформации е, поступает на вход устройства, При движении из точки покоя воспроизводится начальный участок петли, описываемый уравнекием сг(т) = Це). Длительность этого этапа моделирования определяется промежутком времени ото=Ода е=т 1, при котором е =О. В течение всего этапа блок 32 никаких вычислений не производит, так как ключи 35 и 36 на протяжении всего этапа разомкнуты. В момент времени т = т 1 для перехода от моделирования начального участка петли к моделированию нисходящей ветви производится переключение коэФфициента передачи интегратора 31 и коэффициента передачи по первому входу сумматора 8, Управляющий сигнал с выхода управляемо-. го источника 13 напряжения, по которому производятся все эти переключения, используется для управления ключами 35 и 36. Ключ 35 замыкается, и сигнал с выхода блока нелинейности поступает на входы пере- множителей 33 и 34. Одновременно на другие входы этих блоков поступают сигнал с выхода интегратора 31 и входной сигнал Р соответственно. На выходах первого пере- множителя 33 и интегратора 39 формируются составляющие площади Яь В момент 1 = = И замыкается также ключ 36 и на вход триггера 45, включенного по схеме общего запуска, и второй вход схемы 46 сравнения поступает сигнал с выхода блока 12 фиксации нуля. При этом на выходе схемы 46 сравнения выоабатывается управляющий сигнал, поступающий на ключ 38. Ключ 38 размыкается. Наличие разрыва в цепи между сумматором 43 с запоминанием и аналоговым запоминающим блоком 44 позволяет очистить содержимое обоих этих блоков перед началом процесса вычисления рассеиваемой за цикл механической энергии, По окончании сигнала с выхода блока 12 фикса 1674178яние - режим суммирования - воз 40 45 50 55 ции нуля напряжение на выходе схемы сравнения исчезает и ключ 38 вновь замыкается, Начинается процесс суммирования составляющих площади Я 1. На выходе сумматора 43 с запоминанием получаем нарастающее значение 31. При 1 = 12 происходит переход от моделирования нисходящей ветви к моделированию восходящей ветви петли. Для перехода к новому этапу моделирования необходимо сохранить конечный результат предыдущего этапа на выходе сумматора 43, С этой целью в момент времени 1 = 12, когда я = О, сумматор 43 с запоминанием с помощью своего ключа 50 переводится в режим запоминания, для чего на управляющий вход ключа 50 подается сигнал с выхода цепи 14 управле;ия сумматором с запоминанием. После этого по сигналу с выхода элемента 15 задержки ключ 37 осуществляет сброс интегратора 39, а ключ 59 превращает аналоговый запоминающий блок 44 в масштабное звено, инвертирующее напряжение, поступающее на его вход через ключ 38 с выхода сумматора 43 с запоминанием. В момент времени 1т 2 по сигналу 10 производится возврат схемы .в рабочее состояние для моделирования восходящей ветви, Сначала в исходное соСтояние возвращаются интегратор 39 и блок 44 (АЗУ), на выходе которого теперь хранится максимальное значение площади 51 макс, полученной на предыдущем этапе моделирования. После этого в исходное состовращается сумматора 43 с запоминанием, В ходе этих переключений напряжение на выходе схемы 46 сравнения не изменяется и ключ 38 остается замкнутым. Начинается этап моделирования восходящей ветви до момента времени 1= тз, при котром е = О, На первый и второй входы сумматора 43 поступают составляющие площади Я 2, а на третий вход сумматора с выхода блока 44 подается 81 икс, На выходе сумматора 43 формируется нарастающее значение суммарной площади Я, определяющее рассеяние механической энергии за полный цикл колебаний. В момент 1 = тз на выходе сумматора 43 имеем Я=Яъс + 32 м,. Этот результат поступает на регистрирующее устройство (не показано), В момент 1 = тз снова появляется управляющий сигнал на выходе схемы 46 сравнения. Ключ 38 вновь размыкается, Теперь в процессе подготовки всего устройства к следующему этапу моделирования - воспроизведению нисходящей ветви петли - не происходит передачи сигнала с выхода сумматора 43 на вход. блока 44. В результате этого к началу нового цикла 5 10 15 20 25 30 колебаний напряжения на выходах обоих блоков 43 и 44 равны нулю. Процесс вычисления рассеиваемой механической энергии в новом цикле колебаний повторяется.Формула изобретения 1. Устройство для моделирования упругого гистерезиса по авт.св, М 966708, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, устройство содержит блок вычисления потерь, вход по деформации которого соединен с выходом интегратора, вход по механическому напряжению подключен к выходу блока нелинейности, вход по скорости деформации соединен с входом устройства, выход блока фиксации чуля подключен к информационному входу блока вычисления потерь, вход которого подключен к выходу управляемого источника напряжения, вход запоминания составляющей потерь гистерезиса по нисходящей ветви блока вычисления потерь соединен с выходом цепи управления сумматором с запоминанием, вход управления переходом к моделированию восходящей ветви гистерезиса блока вычисления потерь подключен к выходу элемента задержки.2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е. с я тем, что блок вычисления потерь состоит из первого и второго перемножителей, интегратора, сумматора с запоминанием, аналогового запоминающего блока, четырех ключей, последовательно соединенных триггера и схемы сравнения, вход по деформации блока соединен с первым входом первого перемножителя, второй вход которого объединен с первым входом второго перемножителя и подключен к выходу первого ключа, информационный вход которого является входом по механическому напряжению блока, вход по скорости деформации которого соединен с вторым входом второго перемножителя, информационный вход блока соединен с информационным входом второго ключа, управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого ключа и входом блокировки блока, вход запоминания составляющей потерь гистерезиса по нисходящей ветви которого подключен к входу разрешения суммирования сумматора с запоминанием, а вход управления переходом к моделированию восходящей ветви гистерезиса - к управляющим входам третьего ключа, подключенного в цепь обратной связи интегратора, и управляющему входу аналогового запоминающего блока, выход первого перемножителя соединен с первым входом сумматора с запоминанием, выход второго перемножителя подключен к входу интегратора, выход которого соединен с вторым входом сумма 1674178тора с запоминанием, выход второго ключа соединен с входом триггера и вторым входом схемы сравнения, выход которой подключен к управляющему входу четвертого ключа, информационный вход которого соединен с выходом сумматора с запоминанием, а выход подключен к информационному входу аналогового запоминающего блока, выход которого соединен с третьим входом 5 сумматора с запоминанием,1674178Фиг.дСоставитель В.Геча Редактор А.Лежнина Техред М,Моргентал Корректор М. Демч Заказ 2925 Тираж 368 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5роизводственно-издательский, комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1