原理结构及应用

2024-05-12

原理结构及应用（精选十篇）

原理结构及应用篇1

结构优化设计就是在满足各种规范或某些特定要求的条件下使结构的某些广义性能指标(如体积、刚度或频率)为最佳。也就是在所有可行性方案中,按某种标准找到最优方案。

结构优化的求解有经典解析方法和结构优化数值方法两类。采用经典解析法,也就是利用变分法或者微分法[1]求得问题的精确解。虽然解析方法可以解决一些简单构件或桁架的优化问题,但其所涉及的复杂数学推导阻碍了它在实际工作中的应用。数学规划法(Mathematical Programming,简称MP)和优化准则法(Optimality Criteria,简称OC)是广泛采用的两种数值方法[1]。最近,关于连续体的拓扑优化,又发展了均质材料法(Homogenization Method)[2]。上述三种方法可解决各类结构的尺寸、形状及拓扑优化问题,但计算效率和通用性并不理想。

渐进结构优化法(The Evolutionary Structural Optimization method,简称ESO)是近年来兴起的一种解决各类结构优化问题的数值方法。它基于这样一个简单概念:将结构中无效或低效的材料逐步去掉使剩下的结构渐渐趋于优化[3]。其特点在于概念简单,通用性好,计算效率高。

双向渐进结构优化法(The Bi-directional Evolutionary Structural Optimization method,简称BESO)是对ESO的改进和延伸,其同时可以删除和添加材料。早在1999年Yang等[4]采用BESO进行了连续体的刚度优化研究。2000年Querin等[5]采用BESO利用Von Mises应力准则对“满应力设计”进行了研究。在他们的研究中都采用两个独立的参数(单元删除率RR和单元添加率IR)来控制所删除的和添加的单元数量。但是Rozvany(2009年)等[6]研究发现采用两个独立的参数RR和IR是不合理的,因为如果没有选择好这两个参数就将得不到最优的结果。此外,传统的BESO无法解决网格依赖性、棋盘效应、以及解的不收敛等数值问题。笔者介绍了一种改进的应用于刚度优化的双向渐进结构优化法,可以很好地解决以上所述的数值问题。

2 问题的陈述和灵敏度分析

连续体刚度问题通常是在给定一定材料体积下寻求刚度最大的结构。由于ESO/BESO是通过删除和添加单元来实现结构的优化,因此本文以单元本身作为设计变量,以结构平均柔顺度为目标函数,建立体积约束下的数学优化模型如下:

式中,C为结构平均柔顺度;f为外荷载向量;u为位移向量;V*为假定的最终结构的体积;N为单元的总数目;Vi为第i个单元的体积;xi为设计变量(可以取0和1两个值,0代表虚单元,1代表实单元)。

任意删除单元i而引起的结构平均柔顺度的改变量,被定义为“单元灵敏度”,且记为。经简单的推导可得:

式中,ui为单元的节点位移向量(与结构节点位移向量同型);Ki为单元i的刚度矩阵(与结构刚度矩阵同型)。

如果划分网格时采用的是不规则网格,那么“单元灵敏度”应该考虑单元体积的影响,如下所示:

此外,虚单元的“单元灵敏度”最初假定为零,然后通过过滤策略和平均策略得到它们的灵敏度,并根据灵敏度的大小来决定其是否要转变为实单元。

3 过滤策略和修正的单元灵敏度

1996年Jog及Harber等在其论文[7]中指出“棋盘效应”的存在,即当采用低阶的二维或三维有限元网格离散连续体结构时会导致单元灵敏度在单元边界上不连续,从而导致最后的拓扑结构存在棋盘一样的子结构。此外,有些学者发现,传统ESO/BESO存在“网格依赖性”的问题,即采用不同的网格划分结构,最终将产生不同的拓扑结构。为了克服“网格依赖性”和“棋盘效应”这两个问题,本文采用过滤策略对传统BESO进行改进。

在介绍过滤策略之前,先引入“节点灵敏度”(没有任何物理意义)这个概念,并用ain来表示,其值通过平均周围的单元灵敏度来得到:

式中,M代表与节点j相连接的单元数目;Wi代表单元i的重量因子,并且的表达式如下:

式中,rij表示单元的中心和节点j之间的距离。

通过上式可以看出,离节点越近的单元的重量因子越大,则表示对“节点灵敏度”的影响越大。

接下来引入一个尺寸参数rmin(其不随有限元网格的变化而变化),用来识别参与计算修正的单元灵敏度的节点。如图1所示,以单元i的中心为圆心,以rmin为半径画圆所包围的区域为Ωi,在此区域内的所有节点都将参与单元i灵敏度的计算。注意rij不能取得太小,要保证Ωi区域内至少包含一个单元。以上的做法被称为“过滤策略”,计算修正的单元灵敏度的表达式如下所示:

(其中,wij=rmin-rij)

式中,k表示Ωi区域内所包含的节点数目;wij为“线性重量因子”。

采用过滤策略可以有效地解决“网格依赖性”的问题,但是有学者发现目标函数和拓扑形式有可能不收敛。2007年,Huang及Xie在论文[8]中指出,通过平均单元灵敏度现阶段的值和其历史值可以很好地解决这个问题,此称为“平均策略”,如下式所示:

(其中,k为迭代次数)

然后将令a k i=ai,用于下次迭代过程中。

4 单元的删除和添加及收敛准则

由于BESO允许同时删除和添加单元,那么初始设计域可以是满设计域,也可以是任意假想的设计域,所以结构目标体积可能大于或小于,甚至等于初始的设计体积。为此,第k+1次迭代的目标体积为:

Vk+1=Vk(1±ER)(ER为体积进化率)

根据上节所述内容计算所有单元(包括实单元和虚单元)的灵敏度,然后按其值从大到小排序。如果有实单元满足ai≤athdel(athdel表示删除单元灵敏度门槛值),则删除此单元,将其设计变量由1变为0;如果有虚单元满足ai>athadd(athadd表示添加单元灵敏度门槛值),则添加此单元,将其设计变量由0变为1。athdel和athadd的值由以下三个步骤确定:

1)假定根据Vk+1可以很容易确定ath的值。

2)利用添加单元的数目除以设计域单元总数求得体积添加率AR。如果AR≤ARmas(ARmas为预先设定的最大体积添加率)成立,则第一步的假定成立;否则第一步的假定不成立,利用以下步骤计算athdel和athadd的值。

3)利用ARmas乘以设计域单元总数求得添加单元的数目,将虚单元的灵敏度从大到小进行排序,可以确定athadd的值等于最后被添加单元的下一个单元的灵敏度。然后利用Vdel=Vk-Vk+1+Vadd(Vdel为删除单元的总体积,Vadd为添加单元的总体积)来确定athdel的值。

当结构进化达到目标体积时,所得到的拓扑形式未必是收敛的,还需要满足以下的收敛准则:

式中,k表示迭代次数;N表示一个正整数(通常取为5),τ表示相对误差限。

5 BESO基本步骤

将BESO应用于刚度优化的基本步骤如下所示:

1)定义设计区域,用有限元网格离散该区域;

2)进行有限元分析,并利用过滤策略和平均策略计算每个单元的灵敏度;

3)利用Vk+1=Vk(1±ER)确定下一轮的目标体积;

4)根据第四节所示的内容删除和添加单元;

5)重复第2步～第4步,直到结构达到目标体积以及满足收敛准则为止。

6 算例———短悬臂梁的拓扑优化设计

如图2所示的矩形尺寸为800mm×50mm,板地厚度为1mm,左边边界固定,将该设计区域离散成160mm×100mm四节点平面应力单元。弹性模量E=100GPa和泊松比υ=0.3,作用在自由端中点的垂直荷载P=100N,目标体积为初始设计域的50%。与BESO相关的参数为:ER=1%ARmas=5%,rmin=3mm,τ=0.01%。

图3是结构平均柔顺度(Mean compliance)及体积比(Volnme fraction)的进化曲线。随着材料逐渐删除,平均柔顺度逐渐增加,结构渐渐趋于优化。注意到平均柔顺度的曲线中有若干个跳跃点,那是因为在一次迭代过程中可能删除了一根或者几根杆件而引起拓扑形式的明显改变,观察图4中可以发现。从图3中可以看出:当结构体积达到目标体积时,平均柔顺度也几乎趋于一个常数(1.87N·mm)。图4是短悬臂梁结构的进化历程,经过79次迭代进化到最终结构,如图4f)所示。

为了证明本文所述的BESO具有网格独立性,分别采用32×20,80×50,160×100,240×150这四种网格对设计域进行离散,其他参数相同,可以得到其最终的优化结构如图5所示。从图5中可以看出结构大致相同,只是采用越细的网格所得到的最终的优化结构的边界越平滑。

7 结论

本文阐述了一种改进的应用于刚度优化的双向渐进结构法。单元的灵敏度的计算是基于其应变能或者应变能密度,通过引入“过滤策略”来平滑整个设计域的灵敏度,可以克服传统的ESO/BESO的“网格依赖性”和“棋盘效应”等数值问题。通过平均此轮迭代中单元灵敏度和其进化历程中的值可以使结构的平均柔顺度及其拓扑结构形式很好地收敛。

本文给出的算例也很好地证明了应用这种新的BESO进行刚度优化可以得到收敛的解,并且克服了“网格依赖性”和“棋盘效应”这两个数值问题。BESO的初始设计域除了本文给出的“满设计域”外,也可以使用任意假想的设计域,只要选择恰当,将会大大提高计算概率。

本文介绍的BESO是将灵敏度低的单元完全删除,其正确性在理论方面还没有得到完全的证明。此外,“过滤策略”和“平均策略”是采用试探性的方法得出的,也缺乏理论上的依据,因此关于BESO理论证明的研究应该得到重视。

摘要：利用传统的渐进结构法(ESO)和双向渐进结构法(BESO)进行结构优化设计,可能会出现"网格依赖性""棋盘效应"以及解的不收敛等数值问题。论文阐述了一种改进的应用于刚度优化的双向渐进结构法,通过在计算单元灵敏度时引入"过滤策略"和"平均策略"可以很好地解决以上数值问题。阐述了其基本原理和具体步骤,并给出了一些算例来验证其正确性。

关键词：结构优化,刚度优化,双向渐进结构法,过滤策略

参考文献

[1]Haftka R T and Gurdal Z.Elements of Structural Optimization.3rdrevised edition[M].Kluwer Academic Publishers,Dordrecht,1992.

[2]BendsoeMP,KikuchiN.Generatingoptimaltopologiesinstructuraldesign using a homogenization method[J].Comput Methods Appl.Mech.Eng,1988(71)197-224.

[3]Y M Xie and G P Steven.Evolutionary Structural Optimization[M].Springer-Verlag,Berlin,1997.

[4]Yang,X.Y.,Xie,Y.M.,Steven,G.P.and Querin,O.M..Bidirectional evolutionary method for stiffness optimization[J].ALAA,1999(37):1483-1488.

[5]Querin,O.M.,Young,V.,Steven,G.P.and Xie,Y.M..Computational efficiency and validation of bi-directionalevolutionary structural optimization[J].Comput.Meth.Appl.Engng,2000(189):559-573.

[6]Rozvany,G.I.N..A critical review of established methods ofstructural topology optimization[J].Struct.Multidisc.Optim,2009,37(3):217-237.

[7]Jog,C.S.and Harber,R.B..Stability of finite element models fordistributed-parameter optimization and topology design[J].Comput.Meth.Appl.Engng,1996(130):1951-1965.

曲柄冲床的结构及工作原理篇2

曲柄冲床的结构及工作原理

曲柄压力机是机械式压力机的一种，也可以称为曲柄冲床。它的工作原理是曲柄滑块机构。现通过国产JB23-63型曲柄冲床来说明它的工作原理及结构。

1,工作原理和结构组成

图2-1为其外形图,图2-2为运动简图。

其工作原理如下:电动机

1通过三角皮带把运动传给大皮带轮

2,再经过小齿轮

3、大齿轮

冲床一网技术学院

4传给离合器

5(离合器5控制曲轴与齿轮4运动的开与合),离合器5把运动传给曲轴。

6连杆上端装在曲轴上,下端与滑块

7连接,把曲轴的旋转运动变为滑块的直线往复运动。模具的上模装在滑块上,下模装在工作台上,因此,当材料放在上下模之间时,即能进行冲裁及其他冲压成形工艺。由于生产工艺的需要,滑块有时运动,有时停止,所以除离合器外,在曲轴末端还装有制动器,压力机在整个工作周期内进行工艺操作的时间很短,也就是说,有负荷的工作时间很短,大部分时间为无负荷的空闲时间。为了使电动机的负荷均匀,有效地利用能量,装有飞轮。大皮带轮2即起飞轮作用。

从上述的工作原理可看出,曲柄压力机由以下几个部分组成:

(1)工作机构:由曲轴、连杆、滑块等零件组成的曲柄滑块机构。

冲床一网技术学院

(2)传动系统:包括齿轮传动、皮带传动等机构。

(3)操作系统:如离合器、制动器。

(4)能源系统:如电动机、飞轮。.(5)支承部件:如机身。

2.曲柄滑块上的常用结构

(1)模高度调节装置

为了适应不同闭合高度的模具安装,在压力机曲柄滑块中,有调节压力机装模高度的装置。如图2-3所示为压力机曲柄滑块机构图。在调节时,先松开顶丝15, 再松开锁紧螺钉10,然后旋转调节螺杆6,使连接螺杆长度伸长或缩短,从而使装模高度减少或增加。当模具安装调试好以后,应先后锁紧螺钉10和顶丝15, 防止连杆回松。对于大、中型压力机,则由一个单独的电动机通过齿轮或蜗轮机构旋转调节螺杆。

(2)顶件装置

压力机一般在滑块部件上设置顶件装置,供上模顶料用。顶件装置有刚性和气动两种,下面仅介绍刚性顶件装置。

冲床一网技术学院

如图2-4所示,顶件装置由一根穿过滑块的打料横杆4及固定于机身上的挡头螺钉3等组成。当滑块下行冲压时,由于工件的作用,通过上模的顶杆7使打料横杆在滑块中升起。当滑块回程上行接近上止点时,打料横杆两端被机身的挡头螺钉挡住,滑块继续上升,打料横杆便相对于滑块向下移动,推动上模中的顶杆将工件顶出。

打料横杆的最大工作行程为H-h(见图2-4),如果过早与挡头螺钉相碰,就会发生设备事故。所以,在更换模具、调节压力机装模高度时,必须相应地调节挡头螺钉位置。特别注意,调节挡头螺钉时,应使滑块处于上止点。

刚性顶件装置结构简单,动作可靠,应用广泛。但是顶料力及顶料位置不能任意调节。

原理结构及应用篇3

关键词教学改革DSP 教考分离

中图分类号:G423文献标识码:A

《TMS320C54x DSP结构、原理及应用》是一门难度系数高、实践性强的课程,通常在研究生阶段或本科高年级阶段作为通信、电子信息类的专业课来开设。随着DSP技术的不断发展,DSP芯片的开发套件价格不断下降,以及研究DSP芯片开发的高校教师人数的不断增多,近几年该门课程在高职专科高年级阶段也得以广泛开设,这对进一步完善电子信息类专业高职学生的知识体系很有帮助。作为通信、信息类专业核心课程之一,《TMS320C54x DSP结构、原理及应用》课程在培养高素质复合技能型人才的知识体系中占据着相当重要的地位。本课程以前只为本科高年级或研究生阶段的学生开设,针对该层次的教学方式方法并不一定适合于高职高专层次的学生,而且传统的DSP教材编制与教学方法均建立在本科或研究生层次学生专业基础比较完善的基础之上,如果生搬硬套研究生或本科教学的模式,高职院校学生在学习的时候就普遍感觉有难度。本人通过两学期DSP教学的实践经历,对DSP教学过程中出现的问题有了一定了解,结合几年单片机教学的经验提出自己一些关于DSP教学方面的认识。

1普及DSP技术常识,培养学习兴趣

DSP器件的应用主要是在数据通信、海量存储、汽车电子及消费类的音频和视频产品上,因此DSP器件的主要优势就在语音、图像等高数据量信息的算法处理与计算上,这对专业基础比较薄弱的高职学生的逻辑能力和思维灵活性提出了相对较高的要求。但在初高中、甚至是高校现行的相关教材中能体现DSP芯片相关知识的章节与篇幅又比较少,学生在未接触本门课程前关于DSP的概念也知之甚少,同时很多学生对DSP这门技术的学习需求及该技术的市场前景认识不足。因此必须在讲解这门课之前普及DSP技术常识,提高学习兴趣,因为学生学习兴趣的高低直接影响后续的学习效果。鉴于此,有条件的学校可以让教师带学生参观通信类、消费类电子产品的研发部门,来提高学生对产品开发的兴趣,或者也可在课堂上拆解具有DSP芯片的手机或硬盘来使学生获得关于DSP芯片的感性认识,也可以通过播放科技短片的形式来普及DSP的应用领域,这比纯粹照本宣科的介绍要深刻得多,更具感召力。

2调整DSP教学内容,化烦为简

DSP教学内容主要建立在计算机体系结构、信号处理、汇编语言与C语言基础之上。虽然DSP芯片的应用领域跟单片机有所不同,但它们之间也有很多必然的联系,如果学生学习过《单片机原理与应用》课程,那学习DSP技术就更能得心应手。在传统的DSP教学中,均是以DSP内核结构为主线,先讲DSP芯片的硬件结构,接着介绍指令和软件编程,然后介绍开发环境的使用,各种外围器件的应用和DSP系统的扩展,最后再讲一些系统应用的实例。按照此种教学结构,高职学生普遍感到难以接受。因此,对DSP芯片的教学内容必须进行必要的调整与更新。鉴于学生已经学习过计算机体系结构、单片机原理等课程,学生对微处理器结构与芯片开发的大致过程已有所认识,因此调整后的DSP课程内容可采用以课题驱动的模式来进行,而并不拘泥于DSP本科教材中所涉及的每个知识点的讲解。学生可以通过多个不同侧重点的课题的练习来不断完善对DSP芯片硬件结构与指令系统的理解。

3调整教学组织方式,提倡比较式教学

由于学生已经学习过《单片机原理与应用》,当再次学习DSP芯片技术时,难免会将单片机的内部结构与DSP芯片的内部结构,单片机的程序架构与DSP芯片的软件架构,以及各自的汇编语言相混淆起来。因此当教师讲解DSP芯片知识点的时候,可将单片机的相关知识点与其作比较,加深学生对知识点的理解。例如在讲解DSP芯片堆栈的使用时,由于DSP 系统堆栈与单片机系统堆栈既有联系,又有区别,如果教师在讲解时能详细分析两者的相同点与不同点,并在实验室演示堆栈压栈与出栈的指针变化,这对学生理解堆栈的使用是很有帮助的。

4压缩理论教学学时,增加实践性教学学时

以课题驱动为导向学习DSP技术,并不是完全放弃DSP的理论学习,而是不以理论教学为纲。对学生来讲,理论教学的目的是最终的实践应用,压缩理论学时,增加实践学时也顺应了高职高专教育所要求的强化学生实践动手能力的培养思路。由于DSP课程所涉及的内部结构图、电原理图、寄存器内部配置、程序内容多而复杂,通过黑板绘制电路图、板书程序的方式并不合适,既浪费时间,也难以分析清楚。通过PPT与黑板板书相结合是比较理想的方式,这样既(下转第18页)(上接第14页)提高了讲解的效率,也压缩了理论讲解的时间。对于实践环节主要分几个部分:学生接到课题以后,以小组的形式对课题内容进行分析,分析课题中所涉及的硬件原理图的组成,例如电源电路、晶振电路、复位电路、抗干扰电路、外围接口电路等设计方法。所涉及的各个知识点,每组同学都可通过讨论一起解决。同时要求学生用所学的Protel99se软件绘制出电路原理图,生成PCB板。由于课堂时间有限,可让学生在课余时间完成原理图和PCB板的绘制,可作为课题考核的一部分。软件的实现通常先由教师提供实验例程的书面材料,学生在DSP芯片集成开发环境CCS软件中完成实验例程的录入与调试。课题完成的时间可限定在1至2周,在这期间教师对学生实验过程中的重点、难点、关键点、及学生操作过程中存在的问题进行实时讲解,特别是学生在调试过程中碰到的问题,教师必须要为其提供解决思路。通过若干个课题的实践以后,可增加学生练习的难度,要求学生在实验任务电路和程序的基础上,进行适当修改,培养其独立进行电路和程序的设计能力。课程中所有的课题可在实验室的硬件开发板上实现。有条件的话可买芯片焊接,并将任务程序下载到芯片中,实现程序功能,这一部分可作为课程的后续环节,即课程设计来完成。这样会给学生一种成就感,从而进一步提高学生的自信心与学习兴趣。

5改革考核方式,以实践为主

工科类专业课程的考核形式通常是以理论考试为主,形式相对单一,考题侧重于记忆,例如分析指令执行的结果、回答芯片内部某个结构模块的作用、编写一段简单的程序,有的学生考试成绩比较高,但却不会熟练调试一个程序,高分低能的现象由此出现。《TMS320C54x DSP结构、原理及应用》课程的考核主要是对课程理论知识、软硬件分析能力、编程能力、软硬件调试能力的考核。因此, DSP课程的考核方式的改革必然要促使教学内容与教学方式的改变。考核的方式方法和考核的内容将直接影响教学过程的实施,关系到教师如何教和学生如何学。比如在平时课题练习时就要加强对学生进行考核, 考核时可以以小组为单位,根据小组内成员分工的不同,对每位成员的考核的内容有所侧重,考核内容可包括原理图分析、原理图绘制、CCS软件使用、现场调试实验结果等,教师根据课题完成的先后顺序,学生回答的准确性和操作的熟练程度给每位学生现场评分。通过一次次课题考核可增强学生被考核的意识,增加学生的学习压力,培养学生在压力下学习并解决问题的能力,进而提高自身的实践和应用能力。在课程考核体系中,考核可包括三个方面:理论知识的考核,考核可采取开卷的形式,占总成绩的30%,理论知识的考核可采用“试题库”的形式,由多位任课教师根据教学大纲集体编制出“DSP试题库”,实现教考分离;平时课题完成情况的考核,占总成绩的50%;课后作业、课题研究时表现积极性的考核,占总成绩的20%。最终的考核成绩将综合反映出该学生掌握DSP技术的效果。

DSP技术的发展日新月异,教师教授学生的过程同样也是自己发现新问题,解决新问题的过程。教学的方式方法也在教师教授的过程中得以改进,以进一步适应高职高专学生的学习心理,从而提高学生对DSP课程的学习兴趣,调动学生学习积极性,最终提高教学效果。

参考文献

[1] 戴明桢,周建江.TMS320C54X DSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[2] 刑素霞,陈媛媛,孙梅,吴静珠.DSP原理与应用课程教学改革与实践[J].中国现代教育装备,2009(3).

原理结构及应用篇4

在生物、医药等发酵行业中, 压缩空气中含有大量的尘埃粒子, 发酵企业的空气管道多为碳钢管, 其含有锈粉粒子等, 这些都是产生固体粒子的主要来源。对无菌空气净化系统来说, 如何去除气体中含有的固体粒子, 保证膜过滤器正常运行是非常重要的。在空气压缩气体净化系统中, 固体粒子通常作为细菌的载体, 随压缩空气进入发酵罐, 导致产生染菌的现象。虽然进入过滤器前端的混合气体, 已经处于无油、无水、干燥的状态, 但若不能有效去除游离其中的固体粒子, 就会导致过滤器非正常运行, 缩短使用寿命, 进而影响发酵生产的稳定性, 这既增加了染菌的机会, 又造成经济上的损失。

1 研发背景

在发酵行业中, 如何通过压缩气体中的气固分离有效去除固体粒子, 延长空气过滤器使用寿命, 维持生产稳定, 是必须解决的问题。碳钢管道中的锈粉粒子, 是产生固体粒子的主要来源, 为解决这个难题, 迫切需要高效、可靠、经济的气固分离设备。为满足市场需求, 在参考国内外同类先进产品和专利查询的基础上, 我院研发了国内先进的气固分离装置WF新型高效涡旋管分离器。含这种设备的空气净化系统流程示意如图1所示。

气固分离装置的工业应用按其目的要求可分为三大类:

(1) 回收有用的物料;

(2) 获得洁净的气体;

(3) 净化废气, 保护环境。

上述三类目的不是截然分开的, 对于某一工业应用可能三者兼而有之。

目前, 气固分离装置的结构有多种形式, 通常使用的有:旋风分离器、过滤分离器、电除尘装置等。

但是, 上述装置基本都存在如下缺点:

(1) 除尘效率低, 阻力大;

(2) 结构复杂, 维修费用高;

(3) 易损耗, 寿命短等。

气固分离装置的分离机理主要是机械力分离, 其分离方法主要有3种:重力沉降、惯性分离、旋风分离。

(1) 重力沉降器:是一种只依靠颗粒在重力场中发生的沉降作用而将粒子从气流中分离出来的设备。

(2) 惯性分离器:是在惯性分离器内, 使气流急速转向, 或冲击在挡板上再急速转向, 其中粒子由于惯性效应, 其运动轨迹便会偏离气流轨迹, 从而使两者分离的设备。这种惯性效应大, 可捕集到30~40μm的粒子。

(3) 旋风分离器:它的基本原理是, 含有粒子的气体在做高速旋转运动时, 其中的粒子受到的离心力比重力大几百到几千倍, 可大大提高其分离效率, 旋风分离器能分离最小的粒子直径达5μm左右。

在实际应用中, 机械力分离是工业上应用最广泛的方法。传统的应用分离技术的各种旋风分离器, 因处理风量的范围较小, 不适应发酵行业风量变化大的特点, 总体分离效率较低, 目前已逐步被淘汰。

气固分离设备性能比较如表1所示, 对每台分离设备而言, 分离效率的计算公式为:

式中η——分离效率, %;

W1———单位时间内捕集的粉料重量, kg;

W———单位时间内进入该分离器的粉料重量, kg。

2 气固分离设备的结构特点与工作原理

2.1 传统旋风分离器

2.1.1 传统旋风分离器的结构

传统的旋风分离器结构、旋流简图如图2所示。

2.1.2 传统旋风分离器的工作原理

混合气体由进气口切向进入分离器, 气体由直线运动转为圆周旋转, 在离心力的作用下, 将密度较大的固体颗粒甩向圆筒体内壁, 颗粒与筒壁碰撞后, 在重力的作用下, 进入收集口。旋转下降的外旋气流在到达圆锥体时, 因锥形的收缩向分离器下部靠拢。气体到达圆锥体下端的某一位置时, 以同样的旋转方向从分离器的中部, 由下而上继续做螺旋运动, 即内旋流。最后净化气体经排气口排出分离器外, 一部分未被收集的固体颗粒也由此逃逸。

1—进气口2—排气口3—圆筒体4—圆锥体5—收集口6—内旋流7—外旋流

影响旋风分离器分离效率的主要原因是其壳体内部存在二次涡流。

(1) 短路流:旋风分离器顶盖、排气口外面与筒壁间, 由于径向速度与轴向速度的存在, 将形成局部涡流, 夹带着相当数量的颗粒向中心流动, 并沿排气口外表面下降, 最后随着中心上升气流逸出排气口。

(2) 纵向旋涡流:纵向旋涡流是以分离器内、外旋流分界面为中心的在器内再循环而形成的纵向流动旋涡流。

(3) 外层旋流中的局部涡流:由于分离器壁面不光滑, 可以产生与主流相垂直的涡流。这种流动会使壁面附近, 或者已被分离到器壁的粒子重新甩到内层流, 使液体微粒在分离后的气体中出现。

(4) 底部夹带:外层旋流在锥体底部向上返转时, 可产生局部涡流, 将颗粒重新卷起, 被上升气流带走。

2.2 新型高效涡旋管分离器

新型高效涡旋管分离器是在传统的旋风分离器的基础上, 利用涡旋、喷发、重力分离原理而发展起来的一种经济、高效的新型气固分离设备。由于采用的是轴流式结构, 并且整个通道内部都很光滑, 无扰动, 避免了二次涡流的产生, 这就保证了涡旋管分离器的低压降和高效率。

涡旋管分离器可在极低的压降下产生极强的离心场, 使其具有很高的分离效率, 即使在流量大幅度变化的情况下仍可保持效率不变, 尤其是在含有高浓度粒子的混合气体净化或分离处理中, 更显示出很高的性能。

涡旋管分离器内部结构如图3所示。

1—进口法兰2—进气端稳流板3—涡旋管分离单元4—壳体5—出口法兰6—排尘口

2.2.1 高效涡旋管分离器的结构

与国内传统的旋风分离器相比, 高效涡旋管分离器在结构上有很大的改进。新型高效涡旋管分离器的结构, 主要由设备外壳和安装在外壳内的分离组件两部分组成。其特征在于外壳的前、后端分别设有进气端稳流板及管板、出气端稳流板及管板, 外壳的下端设有排尘口, 分离组件是由一组涡旋管分离单元组成, 其结构形式为列管式均匀布局排列。

每一个涡旋管分离单元均由一个锥管、一个位于锥管内与锥管做成一体的涡旋叶片、一个与涡旋叶片同轴布置并于锥管前部过盈装配的导流管组成。锥管前部为直管, 其侧壁开有排尘口, 与外壳下端的排尘口对应, 导流管呈扩散状, 其前部设有一装配定位凸台, 涡旋管分离单元的前装配端与外壳的出气端管板过渡配合连接, 由涡旋管分离单元的装配定位凸台定位, 涡旋管分离单元的后装配端与外壳的进气端管板过盈配合连接。排尘口处安装有阀门, 可根据需求定时或不定时收集或排放固体颗粒。涡旋管分离器主剖视图如图4所示。

涡旋管分离器的核心部件是涡旋管分离单元。该涡旋管分离单元可分为进气口、涡旋发生区、分离区、加速区、排尘区及出气口共6个区域, 涡旋管分离单元结构如图5所示。

对单支涡旋管分离单元进行实验时, 取入口管径20 mm、涡旋发生区长度25 mm、涡旋叶片从入口至出口的扭转角180°、导流管入口处管径13 mm、质量流量为7 g/s时, 总压降为750 Pa, 用325目的细粉磨料做实验, 搜集全部料尘的效率为98%。

1—壳体2—涡旋管分离单元3—进口法兰4—进气端稳流板5—进气端管板6—出气端管板7—出气端稳流板8—出口法兰9—排尘口

1—涡旋发生区2—分离区3—加速区4—导流管5—排尘区6—外管7—涡旋叶片

该装置的另一个显著特征是, 可以在排尘口流量从0%~15%升高的情况下, 都可以很好地工作, 其效率几乎不变。

2.2.2 高效涡旋管分离器的工作原理

新型高效涡旋管分离器在工作状态时, 含有固体粒子的气体从进气口进入涡旋管分离单元, 在涡旋发生区形成较强烈的涡旋场, 使气流产生旋转后进入分离区。由于固体粒子远重于气体, 所以在离心力的作用下, 导致固体粒子向分离区的外侧运动, 使分离区外侧的粒子浓度显著提高, 形成浓缩气流流向加速区, 在加速区加速后从排尘区排出。相对地, 分离区中心的主气流便得到了净化, 净化后的主气流沿着导流管方向从出气口排出。

高效涡旋管分离器的显著特点是:

(1) 分离效率高;

(2) 工作压力降小;

(3) 结构简单、紧凑;

(4) 使用寿命长;

(5) 操作、维修方便。

该装置中没有可更换运动部件, 运行中处于免维护状态, 只需一次性投资。对于发酵行业中使用碳钢做空气管道的企业, 该产品更具独特的排尘效果, 可以收到很好的经济效益。高效涡旋管分离器的主要技术参数如表2所示。

2.2.3涡旋管分离器的安装注意事项

高效涡旋管分离器的安装注意事项有:

(1) 安装时只需把本装置连接到管路中即可, 排出口应垂直向下, 并注意进、出口方向。

(2) 进入涡旋管分离器的气体必须是干燥的气体, 以保证最好的分离效率。

(3) 排尘口通过阀门与收集部分连接, 通过阀门直接向大气中排放。

(4) 使用时, 可以采取定时排放方式, 也可以采取连续排放方式。

(5) 使用定时排放方式或采取连续排放方式时的排气量, 视空气中的含尘量而定, 只要不堵塞排尘口即可。

3应用情况

新型高效涡旋管分离器可用于空压机的引风口, 以去除大气中的尘埃粒子, 降低系统能耗和运行费用。在使用碳钢管道输送压缩空气的场合, 涡旋管分离器可以将碳钢管道的锈粉连续排除管道之外。在总空过滤器前面使用涡旋管分离器, 可以保持总空过滤器长时间经济运行。

高效涡旋管分离器获得了国家实用新型专利证书, 投入市场后, 得到了广大用户的肯定, 用户对使用效果给予了积极的评价。先后有数十家发酵企业和其他行业使用了高效涡旋管分离器, 收到了很好的经济效益。

郑州拓洋实业有限公司VC发酵车间规模较大, 年产量在万吨以上, 由于空气管道材质为碳钢, 产生的锈粉浓度较高, 空气压降的上升时间较快。空气流量相应减小, 给正常生产带来了隐患, 既缩短了滤芯的正常使用寿命, 又给企业造成了经济上的损失。

通过在空气主管道使用了两台每分钟流量达1 000 m3的新型高效涡旋管分离器后, 经涡旋管分离器排放的锈粉非常可观, 碳钢管道中的锈粉得到了有效的控制, 总空过滤器的使用寿命也提高了3~4倍, 有效地减缓了空气压降的升高, 降低了染菌率和工人的劳动强度, 给企业带来了很好的经济效益。该产品在发酵车间空气净化管道中的应用如图6所示。

新型高效涡旋管分离器投入市场后, 在通辽梅花生物科技有限公司、金正大生态工程集团股份有限公司、郑州福源生物科技有限公司、济南明鑫药业股份有限公司、广东台山化学制药有限公司、山东雪花啤酒有限公司等数十家发酵企业, 都得到了较好的应用, 并取得了良好的经济效益。每分钟流量达200 m3的涡旋管分离器在金正大生态工程有限公司发酵车间中的应用如图7所示。

4 结语

新型高效涡旋管分离器没有传动部件, 运行中处于免维护状态, 使用中不会有故障发生。涡旋管分离单元可以制成不同材料和不同直径的系列产品, 以适应不同场合的应用需求。

该产品可应用于制药行业、食品行业及精密机械加工行业等的净化除尘处理, 以及水泥厂的水泥回收和排放控制、炼油厂细颗粒催化剂的回收、面粉厂及糖厂的物料回收及相关行业物料的排放、回收等。

该产品在气固分离领域涉及范围广阔, 销售市场潜力很大, 一定会给相关企业带来很好的经济效益和社会效益。

参考文献

电容器的工作原理及结构篇5

电容

diànróng

1.[capacitance；electric capacity]：电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量，非导电体的下述性质:当非导电体的两个相对表面保持某一电位差时（如在电容器中），由于电荷移动的结果，能量便贮存在该非导电体之中

2.[capacitor；condenser]：电容器的俗称

[编辑本段]概述

定义：

电容（或称电容量[4]）是表征电容器容纳电荷的本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。电容从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，刨除介质漏电自放电效应/电解电容比较明显，可能电荷会永久存在，这是它的特征），它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。

电容的符号是C。

在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F,常用的电容单位有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)(皮法又称微微法)等，换算关系是：

1法拉(F)= 1000毫法(mF)＝1000000微法(μF)

1微法(μF)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF)。

原理结构及应用篇6

混合动力汽车，是目前最具有使用价值并且已经被广泛推广的一种以节约能源、保护环境为目的而制造的汽车。随着全球对生态环境问题的重视不断提高，各国不断的对汽车的能源使用方面进行呼吁，要求从替换能源的角度对汽车进行改革，混合动力汽车因此而生，也确实从一定程度上减缓了汽车对于环境所造成的恶劣影响。

【关键词】混合动力结构原理发展前景

引言

传统汽车的能源主要是燃油和柴油，这两种能源具有明显的不可再生性，是世界较为紧缺的能源，电力汽车等使用新兴能源的汽车也并未普及，其需要的技术成本相对较高，导致市场还不能广泛的接受。

而动力汽车的技术明显更加成熟，并且已经投入到了大规模生产当中，在市场的反响上也有着不错的表现，而且也能够在一定程度上起到对环境恶化的遏制，使之成为当下热门的汽车技术之一，本文因此为线索，通过对混合动力汽车结构、原理及发展前景等方面进行试论，希望能够给广大的汽车厂商以及消费者带来一些正确的认识。

1.混合动力汽车的概念和产生背景

1.1什么是混合动力汽车

混合动力汽车又称之为符合动力汽车，以最通俗的语言来讲，就是指拥有至少两种动力源，使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部动力的汽车。

以上是混合动气汽车被提出时所产生的概念，但由于目前汽车动力技术和工业技术的限制，在市场上生产的混合动力汽车，多半是采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统为汽车提供动力。

1.2混合动力汽车产生的背景

近年来，随着经济和社会的发展，私家车已经被极大的普及到了各个家庭中，更加上各种大型工业的开设，使得能源变成了更加稀缺的资源，特别是针对于石油资源。

汽车作为一种对石油资源主要的消耗产品，自然而然的受到了世界的重视，加上石油燃烧所带来的对生态环境的恶劣影响，要求汽车工业在能源的替代上做出改革。

混合动气汽车正是在这种强烈的呼声中应运而生，其目的是逐步的替代传统的单纯以燃油为能源的汽车，在一定程度上缓解能源供应紧张和汽车对大气环境造成剧烈污染的现状。

2.混合动力汽车的结构

目前，混合动力汽车根据结构的不同，可大致分为三类，串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车以及混联式混合动力汽车。

串联式混合动气车的结构相对比较简单，其采用发动机、发电机和驱动电动机组成，并且这三种装置是按照串联的方式组成的驱动系统，故称为串联式混合动力汽车。

并联式混合动力汽车石油发动机和发电机组成，其中发电机又被普遍分为电动发电机和驱动电动机，这两种驱动装置则采用并联的方式组成驱动系统。

混联式混合动力汽车是之前两种混合动力汽车的近一步发展，其结合了上述两种混合动力汽车的驱动结构特点，由发动机、驱动电动机和电动发电机三大装置组成，并且采用混联的方式进行安装。

3.混合动力汽车的原理

混合动力汽车采用的是两种以上的动力源对汽车进行驱动，其主要的工作原理就是在根据驱动装置的调节，在不同的能源动力上进行自我调节，在此主要针对串联式的混合动力汽车做出讲解。

以当前主流的混合动力汽车装置为例，其基本采用电力和燃油两种能源，在汽车行驶之初，其速度较慢并且蓄电池电量充足，此时混合动力汽车依靠电力进行行驶已经能够满足车辆需求。

随着蓄电池的电量降低，在低于一定程度后，混合动力汽车的辅助动力系统自动启动，在这里通常指的就是燃油系统，此时的汽车则主要依靠燃油进行驱动。

当汽车能量需求较大，例如车速较快或者上坡行驶时，混合动力汽车自身所带的两种或者两种以上的动力装置将一起为汽车提供充足的动力。

当汽车行驶平缓对于能量需求不大时，汽车自身的辅助动力系统在对汽车提供动力的同时，能够对蓄电池进行充电。

混合动力汽车工作的基本原理就是运用多种动力系统间的转换，以蓄电池为核心，最大程度的节约其他能源，在保证汽车能够正常工作的同时节省能量。

4.混合动气车的发展前景

4.1降低成本更加大众化

目前来看，混合动力汽车虽然已经进入到了商业化量产阶段，但其本身的价格属于偏高，特别是在我国，人们对于汽车的选择更加偏向于经济型，混合动力汽车在同等级的汽车中价格较高，随意，大多数的民众还是选择传统的燃油动力汽车。

这是因为当前混合动力汽车的技术还未达到一定的程度，其生产成本和技术成本都还较高，在未来的发展过程中，其成本必定会降低，带来混合动力汽车的价格降低，才能够实现其大众化，真正的在市场当中普及。

4.2提高技术

目前的混合动力汽车，大多数是以蓄电池为核心动力系统，电力的清洁高效和可再生性，是其最大的优势和特点，但困扰当前混合动力汽车的推广的主要因素也存在于蓄电池组上。

蓄电池组的技术不够成熟，达不到相应的水平，使得混合动力汽车在行驶过程中，对于其他能源的依赖性较大，虽然从一定程度上降低了对燃油类能源的消耗，但其比例依旧不低。

这就需要汽车工业不断的发展，提高自身的技术，提高混合动力汽车的蓄电池技术，从其产生的能量强度和存储量等方面入手，真正的做到以电力为核心的混合动力汽车。

4.3政府的扶持力度加大

未来的能源供应将会更加的紧张，这就对新能源汽车的发展带来了一个极大的促进作用，在混合动力汽车努力降低生产成本的同时，各国政府必定会加强对混合动力汽车的扶持力度，以此来推动混合动力汽车的普及，从而降低能源的供给紧张。

以我国的现状来看，政府主要针对于对混合动力汽车购买的补贴，但其力度并不大，以同等的汽车来看，即使减去政府的补贴其价格依旧过高，消费者很难做到以两倍的价格购买相同规格的混合动力汽车，从经济方面考虑，传统的燃油汽车依旧是首选，即使在能源方面上会节省也依旧无法弥补其间的差价。

所以，未来的发展中，政府必定会加大对混合动力汽车的扶持力度，使更多的人愿意购买混合动力汽车，从而缓解能源的问题。

5.结束语

混合动力汽车是一种相对先进的汽车，比之传统的燃油类汽车从能源和清洁的角度上有着不可比拟的优势，但其价格的高昂成为了目前对其发展的主要制约因素，在未来的发展过程中，应该首先考虑提高技术降低成本，并且提高人民的有关意识，站在能源供应和生态保护的角度对新能源汽车的支持做出贡献。

参考文献：

原理结构及应用篇7

粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面, 使两者共同工作, 提高结构构件的 (抗弯、抗剪) 承载能力, 由此而达到对建筑物进行加固、补强的目的。

碳纤维加固技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补, 如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构, 要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可;另外, 砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固。

1 碳纤维材料的基本特性

碳纤维增强复合材料补强加固所采用的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维, 单向排列成束, 用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布, 统称碳纤维片材。将片材用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面, 树脂固化后与原构件形成新的受力复合体, 共同工作。

1.1 碳纤维片材

片材碳纤维材料的拉伸强度在 (2400~3400) MPa之间, 与普通碳素钢板拉伸强度为240MPa相比, 片材的拉伸强度很高。

片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能不同, 碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。高模量碳纤维片材的弹性模量较高, 但其伸长率较低。

相比之下, 碳纤维片材的单位重比钢材低许多, 说明碳纤维片材较轻。碳纤维的化学结构稳定, 本身不会受酸碱盐及各类化学介质的腐蚀, 有良好的耐寒和耐热性。

1.2 配套树脂类粘结材料

混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料, 用于渗透过混凝土表面, 促进粘结并形成长期持久界面的基础;油灰, 用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳纤维片材;浸渍树脂或粘结树脂, 前者用于碳纤维布粘贴, 后者用于碳纤维板粘贴。

2 碳纤维布加固的原理

用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能, 其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几倍;但是, 碳纤维材料织成碳纤维布后, 其中的各碳纤维丝很难完全共同工作, 在承受较低的荷载时, 一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态, 以此类推, 各碳纤维丝逐渐断裂, 直至整体破坏。而使用粘结剂后, 各碳纤维丝能很好地共同工作, 大大提高碳纤维布的抗拉强度, 故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作, 因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用, 它既要确保各碳纤维丝共同工作, 同时又确保碳纤维布与结构共同工作, 从而达到加固的目的。

3 碳纤维布加固的依据及前提

3.1 碳纤维布加固的依据

3.1.1 某制药厂提供的保太松车间图纸。

3.1.2 屋架的腐蚀情况。

3.1.3 薄腹梁的实际检测强度。

3.1.4《混凝土结构加固技术规程》。

3.2 碳纤维布加固的前提:利用回弹法对薄腹梁混凝土进行检测, 以供加固参考。

4 碳纤维布加固的施工工艺

4.1 把屋架下弦被腐蚀部位的疏松混凝土凿掉, 把锈蚀的钢筋用钢丝刷刷掉被锈蚀层。

4.2 补粉凿除的混凝土梁:

用SJ-601防腐砂浆补粉凿除的混凝土梁 (对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复) , 并养护三天。

4.3 用压缩空气将表面浮尘清除干净[未

凿部位 (需加固处) 用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质, 构件基面的混凝土要打磨平整, 尤其是表面的凸起部位要磨平, 用丙酮将需粘贴处清洗干净。

4.4 涂底胶:

将JGN-P胶甲乙组分按需按3:1的重量称好, 放在洁净的容器中调和均匀, 用刮板将它均匀地涂在屋架底面 (两侧刮150mm) , 待胶固化后 (固化时间视现场气温而定, 以指触干燥为准) 再进行下一工序施工。注意:调好的底胶须在规定的时间内用完, 一般情况下40min内用完。

4.5 找平:

混凝土表面凹陷部位用修补胶 (JGN-C胶掺入两倍粉料) 填平, 模板接头等出现高度差的部位应用修补胶填补, 尽量减少高度差。

4.6 粘贴碳纤维布:

将JGN-C胶甲乙组分按3:1的重量称好, 放在洁净的容器中调和均匀, 用刮板将胶均匀地涂刮在底胶上需粘贴碳纤维布处, 随即把按设计要求已裁剪好的碳纤维布粘贴在设计部位, 然后用专用滚子沿碳纤维布的受力方向来回滚压, 挤出汽泡。待指触干燥后, 即可以进行第二道碳纤维布的粘贴, 方法同第一道。注意:碳纤维布的搭接长度一般为100mm, 端部用横向碳纤维布固定。

4.7 两道碳纤维布粘贴完, 待指压干燥后,

再刮涂一层JGN-C面胶, 来回滚压, 使胶充分渗入到碳纤维布中去。

4.8 待面胶指触干燥后, 表面做一层保护层 (防火涂料或水泥砂浆) 。

5 施工中应注意的要点

5.1 混凝土与碳纤维布之间界面处理和好坏直接影响到混凝土梁的加固效果。

因此梁底面及U型箍处必须反复打磨平整, 去除混凝土劣化部位, 凹陷、缺陷处用修补胶找平。

5.2 粘贴碳纤维布时必须两人密切配合,

一人拉紧碳纤维布, 一人用刮板从一侧边刮边贴, 保证不留气泡, 粘贴紧密。实践证明, 刮板粘贴碳纤维布效果很好, 碳纤维布空鼓率基本为零。

5.3 注意搭接区粘贴, 做好标记, 保证搭接长度≥150mm。

根据加固原理可知, 在施工前必须选择合适的粘结剂, 认真查看材料的质保书及使用说明, 掌握材料的各有关参数, 以确保它有足够的强度, 能保证碳纤维丝共同工作, 同时又确保碳纤维布与结构共同工作;在施工过程中, 参照使用说明, 每道胶都必须处理好, 特别是粘贴碳纤维布的JGN-C胶, 应尽可能让胶充分地渗入到碳纤维丝之间 (细部空鼓处, 可用针筒注射胶) , 确保相互共同工作。

粘贴碳纤维结构加固技术是一种新型的加固技术, 已经得到较为广泛的应用, 并已产生较大的经济效益;在混凝土结构的加固中, 碳纤维布主要是分担钢筋的受力, 即碳纤维布的主要作用是提高结构构件的抗拉强度, 那么在其它的结构中, 碳纤维布比较优良的起到了加强抗拉强度的作用。

参考文献

[1]叶列平, 赵树红, 李全旺等.碳纤维布加固混凝土柱受剪承载力计算[J].建筑结构学报, 2000 (2) :69-70.

[2]岳清瑞.我国碳纤维增强材料 (CFRP) 加固修复土木建筑结构技术研究应用现状与展望[A].混凝土结构学术交流会, 2000.

原理结构及应用篇8

大量的工程实践表明, 巷道失稳破坏是支护—围岩承载结构的结构性破坏。要发挥和提高支护—围岩结构的承载能力, 就必须掌握支护—围岩结构的承载特点, 并采取相应的技术措施, 达到有效控制巷道围岩变形的目的[4]。

笔者通过补偿原理来提高U型钢支护—围岩承载能力, 达到稳定围岩效果。

1 载荷对U型钢支架内力及承载能力的影响规律

在高应力软岩巷道中, 由于围岩强度低、巷道围岩松动范围大、流变性显著, 煤矿井下大量使用U型钢棚式支护。U型钢棚式支护体承受的载荷主要决定于围岩岩性、原岩应力场、支护体的力学特性以及支护与围岩的相互作用关系。前三个因素对于特定的地质采矿条件来说是确定的, 唯有支护与围岩的相互作用关系变化较大。目前采用的巷道掘进和支护工艺不可避免地在架后形成不规则的空间, 下面以直腿半圆拱形U型钢支架为例, 分析U型钢支护的承载特点及支护承载性能。

1.1 不均匀载荷作用下内力的计算

如图1所示, 将支架抽象为二铰拱模型进行分析。半圆拱的半径为r, 直腿高为h, 从一侧帮到另一侧帮的载荷分别为q1, q2, q3, q4, q5。考虑最一般的情况, q1≠q2≠q3≠q4≠q5。由图1可知, 支架属一次超静定, 可采用力法求解。为了简化模型, 将拱部均分为3段, 然后考虑各段载荷不相同对支护体内力的影响。

1.1.1 支座反力

对f点求弯矩, 由求水平反力。对于支座f, 由变形协调条件建立力法方程:

式中:X1是将固定铰支座a改为可动铰支座后加上去的多余未知力, 方向向右;Δ1p是载荷q1, q2, q3, q4, q5单独作用在基本结构上时, a支座产生的水平位移, 方向向左;δ11是当X1=1作用在基本结构上, a支座产生的水平位移, 方向向右。由于支架位移以弯曲变形为主, 轴力和剪力的影响很小, 在此忽略不计, 采用结构力学中的方法分段计算珚M1, Mp。

将δ11和Δ1p代入式 (3) 即可求得求支座反力X1。

1.1.2 支架内力

求出多余未知力X1后, 计算各段的弯矩, 由dM/ds=0求出各段弯矩最大值的位置及其最大值, 然后求出整个支护的最大弯矩。

考虑到支护体内应力主要是由弯曲应力引起, 因此可不考虑轴力和剪力的影响。这样就可以求出最大弯矩截面上的最大弯曲应力:

式中:Wz是支架轴向抗弯截面模量, 对于某一选定的支架, Mmax只是q1, q2, q3, q4, q5的函数, 即:

而σmax≤[σ], [σ]是支架抗弯许用应力。根据上述关系, 可以分析不同组合载荷对支护体内力和承载能力的影响关系。

1.2 空顶对支护体内力及承载能力的影响规律

如图2所示, q1=q2=q4=q5=q, q3=0, q2, q4的作用范围为φ。φ的变化范围从40°~90°, 按照上述方法, 确定支护体内力的计算公式。φ的大小反映了空顶范围的大小, φ大则空顶范围小, φ小则空顶范围大。与前面的区别是此处Mmax=f (q, θ) , 对选定的支架, Mmax是定值, qmax实际上是φ的函数, 由此可以分析φ对支护体内力及承载能力的影响关系。图3给出了空顶范围变化时支护体内各段极限弯矩和承载能力的变化规律。

○—不同θ角时碹体极限弯矩之比, 即Mmax (θ) /Mmax (90°) ◆—不同θ角时碹体极限承载能力之比, 即q (θ) /q (90°)

由图3 (a) 可以看出, 空顶较大, 肩部的弯矩最大, 肩部首先破坏。减小空顶的范围, 则支护体上受到的最大弯矩出现在拱顶, 拱顶首先破坏。随着空顶范围的进一步减小, 支护体帮部受到的弯矩最大, 破坏主要发生在帮部。随着φ的增大, 空顶的范围减小, 作用相同大小的载荷在支护体内引起的弯矩减小, 支护的承载能力增大。

比较图3 (a) 和图3 (b) 可见, 虽然二者总的变化趋势相同, 但可以看出支护体的内力和承载能力明显与结构尺寸有关。后者直腿高2.5 m, 作用相同大小的载荷时, 支护体内引起的弯曲应力大, 而且最大弯矩总是出现在帮部, 帮部总是首先破坏。也就是说较高的直腿对支护承载不利, 支护的整体承载能力小, 发挥不了拱的高承载特性, 与前者相比, 空顶的影响减小。

1.3 偏载对支护体内力及承载能力的影响

载荷分布见图4, 偏载对支护体内力及承载能力的影响, 主要考虑3种情况: (1) 两肩偏载, 即q2≠q4; (2) 两帮偏载, 即q1≠q5; (3) 肩部和帮部都偏载, 即q2≠q4, q1≠q5。理论分析计算结果见图5。

图5 (a) 为两肩偏载对支护体内力及承载能力的影响关系, 可以看出, 随着两肩偏载的增大, 支护体内产生的弯曲应力增加很大, 承载能力急剧下降。如q1=q3=q5=q, q2/q=q4/q=0时, 支护体内产生的弯矩很小, 为均布载荷时的0.7倍;承载能力为均布载荷时的0.83倍。当q1/q=0, q4/q=1时, 支护体内产生的弯矩为均布载荷时的4.12倍, 承载能力仅为均布载荷时的0.19倍。当两肩的载荷相等时, 随着载荷的增大, 承载能力逐渐增大。这表明拱部均匀承载对发挥拱的承载能力较为有利。

图5 (b) 为两帮偏载对支护体内力和承载能力的影响关系, 可以看出, 当拱部均匀承载, 帮部载荷较小时, 即使有小的偏载, 支护体的承载能力高于均布载荷的承载能力。如q2=q3=q4=q, 也就是拱部均匀承载, q1/q=q5/q=0时, 支护体的承载能力是均布载荷时的5.34倍;q1/q=0, q5/q=0.25时, 支护的承载能力是均布载荷的1.9倍。这说明帮部载荷较小, 拱部均匀承载时, 易发挥整个支护的承载能力。由此说明支护时拱部均匀承载尤为重要。两帮载荷无论是对称还是偏载, 随着载荷的增大, 其承载能力都急剧下降。同时可以看出, 两肩偏载对支护体内力及承载能力的影响比两帮偏载的影响大。因此, 保证支护体拱部与围岩均匀接触, 使之均匀承载对发挥支护的承载能力至关重要。

肩部和帮部同时受偏载作用时, 其影响规律与前相同, 即当帮部或肩部偏载一定时, 肩部或帮部偏载对支护体内力或承载能力的影响规律相同。但肩部和帮部同时受偏心载荷作用时, 支护体内产生的弯矩更大。如q1=q3=q4=q, q2/q=q5/q=0时, 支护体内产生的弯矩是均布载荷时的4.12倍;承载能力是均布载荷时的0.14倍。

综合上述分析, 可以看出, 偏载的影响大于空顶的影响, 帮部载荷较小, 拱部均匀承载时较能发挥支护的整体承载能力。偏载增大, 支护体内产生的内力增大, 承载能力急剧下降。按支护体所能承受的载荷考虑, 最不利载荷下的承载能力是均布载荷下的0.14倍, 帮部载荷较小、拱部均匀承载时支护体的承载能力是均布载荷下的5.34倍。三者的比为1∶7∶38。若按支护体所能承受的最大载荷考虑, 三者的比为1∶8.7∶36。

2 支护—围岩结构补偿原理

已有研究结果表明, 控制高应力软岩巷道围岩强烈变形的主要技术措施是支护结构应具备高阻可缩特性, 而要具备高阻可缩特性, 首先要保证支护体或浅部围岩加固圈形成的承载结构本身是稳定的。

前面在分析直腿半圆拱形支架时, 将其抽象为固定铰支座的二铰拱模型。实际情况是原有U型钢支架根本达不到二铰拱结构的承载性能。这与软岩巷道的变形特点有关。软岩巷道围岩松动破裂较大, 两帮严重内移、底板强烈鼓起, 造成支架两腿或两帮随底鼓而强烈内移。原有U型钢支架实际应为可动铰支座二铰拱模型。

支护—围岩结构补偿原理就是针对支护—围岩结构承载的薄弱环节, 采取措施减小支护—围岩结构受到的内力, 提高支护—围岩结构的承载能力。

根据支护结构稳定性分析, 要使支护结构具备高阻可缩特性, 首先应采取措施, 提高支护结构本身的稳定性。对直腿半圆拱形巷道, 提高支护结构本身的稳定固定铰支座二铰拱承载特性的分析结果表明, 帮部载荷较小, 拱部均匀承载时, 较能充分发挥支护结构的承载能力。因此在支护技术措施方面除了要求支护结构具备高阻可缩特性外, 就要尽可能采取措施减小帮部载荷或提高帮的稳定性, 防止帮部或架腿柱脚严重内移, 而高应力软岩巷道的变形特点是围岩松动破裂范围大, 两帮内移严重。因此, 必须采取措施控制帮的变形, 减小支护结构帮部承受的载荷, 充分发挥支护结构的整体承载能力, 有效地控制高应力软岩巷道围岩强烈变形。

3 补偿原理应用实例

淮北矿业集团芦岭煤矿Ⅱ8210轨道上山, 设计断面3.4 m×2.9 m, 经多次维护, 围岩十分破碎。围岩岩性主要为泥岩, 底板围岩松动圈3.5~4 m, 左帮3.5~9.5 m, 拱部3.5~8 m, 右帮3~6 m。根据轨道上山的变形特征及支架失稳机理, 巷道帮部应施工耦合装置, 实现结构补偿, 并提高支架的整体承载能力, 考虑到施工便利, 采用外置式耦合装置, 结合轨道上山围岩条件, 提出合理支护方案。通过现场工业实验, 采用新型支护技术后, 轨道上山经受采动影响后, 围岩移动变形总量不大, 围岩移动变形得到有效控制, 见图6。

参考文献

[1]吕爱钟, 蒋斌松.岩石力学反问题[M].北京:煤炭工业出版社, 1998.

[2]陈子荫.围岩力学分析中的解析方法[M].北京:煤炭工业出版社, 1994.

[3]靳晓光.深埋隧道围岩—支护结构稳定性研究[J].岩土力学, 2005 (9) :1473-1476.

原理结构及应用篇9

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 是一套由美国农业部 (USDA) 开发历经30多年的具有很强的物理机制的适用于复杂大流域的水文模型。早在20世纪70年代中期, 美国农业部农业研究局 (USDA-ARS) 开发出了具有物理基础的田间尺度非点源污染模型CREAMS[1], 用来模拟土地利用措施对田间水分、泥沙、农业化学物质流失的影响;随后, ARS的研究人员致力于修改CREAMS模型, 使之能模拟多种土壤、多种地面覆盖、多种管理措施的复杂流域[2];1985年修改CREAMS模型的日降雨水文模块, 合并CREAMS模型的杀虫剂模块和EPIC模型的作物生长模块, 开发出来时间步长为d的SWRRB模型 (Simulator for Water Resources in Rural Basin) [3,4,5], 该模型可以把流域分为10个亚流域, 增加了气象发生器和作物生长模块, 对径流过程考虑更加详细。后来又陆续开发了重点描述地下水中化学物质、农药对农业生态系统影响的GLEAMS[6]模型;基于DEM的将流域划分为栅格单元的单次暴雨型非点源污染模型AGNPS[7,8,9]。20世纪90年代初, 在SWRRB模型中加入估计洪峰流速的SCS曲线和产沙公式, 并融合了河道演算ROTO模型成为SWAT模型[10]。历经SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.1、SWAT99.2、SWAT2000和SWAT2003等6个版本的不断发展和完善, 形成了Windows (Visual Basic) 、GRASS (Geographical Resources Analysis Support System) 和ArcView 3种操作界面。94版引入了多个水文响应单元 (HRUs) ; 96版加入了营养物质、杀虫剂、自动施肥与灌溉、彭曼公式等模块; 98版修正了融雪模块、水质模拟、营养物质的循环, 增加了放牧、施肥等模块, 并扩大了模型在南半球的适应性; 99版改进了水量平衡并增加了城市径流的模拟;2000版改善了“气象因子发生器”, 增加了Green &Ampt渗流方程和Muskingum演算方法。目前最新版本的SWAT 2003除了拥有2000版的所有功能外, 还增加了模块的敏感性分析、模型的自动校核和不确定性分析[11]。

SWAT模型具有很强的物理基础, 适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域, 并能在资料缺乏的地区建模, 在加拿大和北美寒区具有广泛的应用[12]。SWAT模型的功能十分强大, 还能够用来模拟和分析水土流失、非点源污染、农业管理等问题。本文旨在总结出模型的原理、应用情况以及模型本身的缺陷和应用中需要注意的问题, 以供使用者具体应用中借鉴。

1 模拟原理介绍

SWAT模型由701个方程、1 013个中间变量组成, 可以模拟流域内多种不同的水循环物理过程。为提高精度, 模型通常会离散成若干个具有独特的土壤类型和土地利用属性的亚流域[11]。模拟过程可以分成两个部分:亚流域模块 (负责产流和坡面汇流) 和汇流演算模块 (负责河道汇流) 。前者控制着每个亚流域主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量;后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动[13]。

1.1 亚流域模块

模型应用一开始流域勾绘时, 按不同的土地利用方式和土壤类型将研究区域分成若干不同的亚流域, 以便比较各小流域水量和污染物流失的时空变化规律。在此基础上, 再在每个亚流域内进一步划分水文响应单元 (HRUs) , HRU以非空间方式模拟, 即以在某一亚流域中土地利用和土壤协同变化特征的概率分布来表征。模型在各个HRU上独立运行, 结果在亚流域出口汇总。为方便输入参数, 亚流域模块可分成8个组件:水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物、农药/杀虫剂和农业管理。

(1) 水文组件:

SWAT模型可模拟每个HRU的地表径流量和洪峰流量。通常, 用SCS曲线 (CN number) 方法或Green&Ampt方法计算地表径流量, 用修正的Rations Formula方法和SCS TR-55方法来模拟径流峰值[14]。同时, 模型还考虑到冻土上地表径流量的计算。模型中关于下渗的部分, 采用土壤蓄水演算技术 (Storage Routing Technology) 来计算植物根部带每层土壤之间的水的流动。蒸腾蒸发分为水面蒸发、裸地蒸发和植被蒸发, 潜在蒸发量计算有Hargreaves[15]、Priestley-Taylor[16]、Penman-Monteith[17]等三种计算方法。

(2) 气象组件:

流域气候控制着水量平衡, 模型需要输入的气象因素变量有:降雨量、气温、太阳辐射、相对湿度和风速。这些变量的数值可实测, 若缺失可利用模型中的气象生成器WXGEN (Sharpley和Williams, 1990) 来自动生成。该生成器会先独立生成日降雨, 并以此为基础判断某日是否降雨来生成最高最低气温、太阳辐射和相对湿度, 而风速则会被最后单独生成[12]。

(3) 泥沙组件:

在SWAT模型中, 土壤侵蚀情况由MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation) 方程来推算。MUSLE方程用径流系数代替原有的降雨能量系数, 这不仅能提高产沙预报精度, 而且可以减低泥沙传输速度。此外, 该方程还能模拟单个暴雨事件。涉及参数有:地表径流量、洪峰流量、土壤侵蚀因子、植被管理因子 (C) 、地形参数等等。

(4) 土壤温度组件:

用利用改进的Carslaw和Jaeger (1959年) 等式计算土壤温度的季节变化, 其中地表温度是植被覆盖、积雪/裸地温度以及前日地表温度的函数, 而土层温度是地表温度、平均年气温和衰减深度的函数。需要土壤密度、土层厚度、土壤含水量等参数作为输入数据。

(5) 作物生长组件:

利用温度作为控制条件, 按照能量理论 (Boswell, 1926年;Magoon和Culpepper, 1932年) 划分植被生长周期, 作物生长基于日累积热量, 日平均气温超过植被的最低生长温度时开始计算, 超过1℃计为一个热量单位。该模块通常会把多年生和一年生植被区分开, 被用来判定根系区的水和营养物的移动、蒸腾量和作物产量。参数有:植被名称、辐射利用率、收获指数、最大叶面积指数、冠层高、根系深度、适宜生长温度、各生长季碳氮摄取量、气孔导度等。

(6) 营养物组件:

SWAT模型采用EPIC (Williams, 1995年) 在每个HRU中对N、P两种营养元素独立模拟, 研究出两者的迁移路径和循环规律。氮分为矿物氮和有机氮两大类, 包含在径流、测流和入渗中的硝酸盐通过水量和平均聚集度来计算;磷分为溶解态和沉淀态两大类, 用Leonard和Wanchop (1987年) [6]的研究方法来进行模拟。

(7) 杀虫剂组件:

通过引入GLEAMS (Leonard et al., 1987年) , SWAT模型可以模拟杀虫剂在地表径流、挥发、渗漏、过滤、泥沙携带等中的运移损耗情况。主要参数有:杀虫剂的可溶性、半衰期、富集率、渗透系数和土壤的容重、有机碳吸收系数。

(8) 农业管理组件:

SWAT模型可以模拟出作物轮作中的各种管理措施, 要求用户输入灌溉、施肥、使用杀虫剂的日期和量, 以及耕作和收割等措施, 同时考虑了放牧、自动化施肥等因素。应获得的信息还有作物成熟累计的能量单元总数目、特定的土地覆盖等。

1.2 汇流演算模块

该模块属于水循环的水面部分, 主要考虑水、沙、营养物 (N, P等) 和杀虫剂在河网中的输移, 包括河道汇流演算和蓄水体 (水库、池塘/湿地) 汇流演算两大部分。

(1) 河道汇流演算:

模型用变动存储系数法 (Williams, 1969) 或Muskingum法来进行河道水流演算, 具体可参看动力波洪水演算模型 (Chow et al., 1988) 。流量和流速用Manning公式来计算, 且考虑了传输损失、蒸发损耗、分流、回归流等情况。泥沙运移演算由沉积和降解两过程同时组成, 降解部分可通过修正后的Bagnold水流动力方程[18]计算。

(2) 蓄水体汇流演算:

蓄水体水量平衡方程主要涉及到入流量、出流量、降雨量、蒸发量和渗漏量。其中, 计算出流量的方法有4种以供选择:①实测日出流数据;②观测每月总出流数据取平均值;③对不加控制的小型蓄水体, 在平均年释放率基础上分情况讨论;④对于有专门管理的大型蓄水体, 需要制定一个月调控目标值。

2 模型的结构与基础数据库

2.1 模型的结构

SWAT计算涉及到:地表径流、土壤水、地下水、河道和蓄水体汇流。模型结构框图见图1。

2.2 模型的基础数据库

SWAT模型参数繁多, 主要输入数据为:DEM、水文和气象测站的空间分布信息、土壤类型与土地利用/覆盖的空间分布数据、降水系列数据、蒸发系列数据等等, 具体见表1。

3 模型应用研究进展

SWAT模型自开发以来, 在美国、加拿大、北美寒区、欧洲和澳洲地区有了许多应用实例, 并在应用中得到不断的发展。国内引进模型较晚, 经验还不太丰富, 主要应用在产流/产沙模拟、非点源污染及输入参数对模拟结果的影响方面。下面就这几方面介绍SWAT模型的应用研究进展。

3.1 产流模拟

Chanasyk等[19]在加拿大的Alberta南部应用SWAT模型模拟了1998～2000年间无放牧、放牧和过度放牧3种不同情况对水文和土壤湿度的影响, 并评价了模型在降雨量少、包含融雪过程的流域中的适用性。结果表明:径流量和洪峰流量在过度放牧的情况下最大, 无放牧的情况下最小;由于输入模型资料时间的限制, 3年的径流量都偏小。在突尼斯北部的Medjerda流域, Bouraoui等[20]应用SWAT模型模拟了日、月径流量, 结果与几个水文测站的实测值较为吻合。同时, 为突出总径流量的不同路径分配的季节性变化, 研究把地表径流同测流和基流分开。Fontaine等[21]改进融雪过程的算法, 将模型的应用范围从农业区扩展到非农业高海拔的山区, 分别在原模型和模型更正后两种情况下对区域进行了月径流量模拟。Stone等[22]修正SWAT模型后对Missouri河流域研究了CO2浓度的提高对植物生长效率的影响。结果表明:气候的变化导致了Missouri河流域的产流量在中北部增加200%以上, 在东南部和西北部却减少了50%甚至更多。

国内张蕾娜等[23]以云州水库流域为例, 模拟了土地覆被情况下的1985年的流量过程。从结果来看, 日径流量模拟值与实测值曲线拟合度较好, 其模拟结果的确定性系数为0.79。这为该流域不同土地利用变化和土地覆被变化 (LUCC) 下的水文效用研究奠定了较好的基础。刘昌明等[24]借助于SWAT模型研究了黄河源区气候变化的水文响应。结果表明, 气候变化是引起黄河河源区径流变化的主要原因。在20世纪80～90年代的20年间, 黄河河源区由气候变化引起径流减少62.11 亿m3, 占径流变化总量的108.72%。

3.2 产沙模拟

Tripathi等[25]对印度东部的一个小流域Nagwan在不同的农业管理措施下进行日、月的产沙模拟, 为重要亚流域的水资源管理及规划的发展提供参考。从结果来看, 与常规耕地机、保护耕种和零耕种相比, 模子板耕犁产沙量最高, 日产沙模拟的相关系数 (r2) 为0.89。Lenhart等[26]应用了SWAT-G定量的分析了土地利用变化对水量平衡和营养物质平衡情况。研究表明:土地利用的变化对产沙量几乎没什么影响。Schomberg等[27]在Minnesota州和Michigan州应用了SWAT模型模拟了在不同土地形式和土地利用下产流量、产沙量的季节性和年际的变化。张雪松等[28]在卢氏流域 (4 623 km2) 应用SWAT模型进行中尺度流域的产流产沙模拟试验。在模型校准过程采用自动数字滤波技术将径流分为直接径流和基流, 并且用相对误差 (RE) 、决定系数 (R2) 和Nash-Suttcliffe效率系数 (Ens) 作为模型适应性的评价系数。结果表明, 模型在长期连续径流和泥沙负荷模拟中具有较好的适用性的结论。

3.3 营养物质模拟

Saleh等[29]用SWAT模型对Texas州中北部的Upper North Bosque River流域 (93 250 hm2) 进行了水质模拟。针对区域含有大量酪农场对水质带来较大的污染, 模型模拟了月径流、泥沙量和营养物的变化情况。为评价酪农场的影响, 把肥料废物施用领域替换为草地, 替换后污染物负荷情况大致为:总N (有机氮和硝酸氮) 可减少33%, 总P (有机磷和矿物磷) 可减少79%。这对该流域减少营养物质负荷提供了重要的参考价值。在印度West Bengal州, Behera和Panda[30]应用SWAT模型证实了模型用于次湿润的亚热带区域农业非点源污染的适用性。模型模拟了整个雨季的日产流量、产沙量和营养物的浓度变化情况, 结果与统计值均接近。研究表明, 为减少泥沙和营养物的损失, 传统式耕地管理方式应被保守式所替代。同时, 为减小硝态氮和磷对区域地表带来的污染, 推荐施用的肥料氮与磷的含量的比例分别是80 kg/hm2和60 kg/hm2。考虑到SWAT模型自身的缺陷, Salvett等[31]针对Po River流域特定的情况把模型与河流水质紧密联系起来, 结合了QUAL2E算法模拟了营养物质在河流中的产生、运移和转化。

国内研究成果有:焦锋等[32]使用SWAT模型对以面源输出为主的宜兴市湖滏流域进行模拟, 应用一个完整的降雨过程中的总输出对模型的输出结果进行了验证, 结果表明, 水量模拟值与实测误差平均为5.01%, 总磷模拟值与实测误差为13%, 悬浮物模拟值与实测误差为7.3%。张运生等[33]应用模型分析出土地利用方式对有机氮、有机磷、硝态氮、可溶性磷和矿化磷的迁移量的明显影响, 万超等[34]则利用模型分析出不同施肥制度对于面源污染负荷的影响。这为农业的可持续发展和流域的综合治理与规划可提供一定的技术支持和依据。

3.4 输入参数对模拟结果的影响

Lenhart等[35]和Kannan等[36]从理论上阐述了模型参数的不确定性, 并且对模型参数进行了敏感性分析。前者采用两种方法对比分析, 结果表明:水文和水质的最敏感参数是土壤属性, 诸如土壤容重、含水量、传导率等。而植物属性参数 (如最大叶面积指数) 和坡长、坡度和CN值一样也有较高的敏感性。后者则重点研究了CN值在蒸发、径流中的重要地位。Eileen Chen和Mackay[37]指出了参数对空间分布式非点源污染模型的影响, 重点分析了SWAT模型中的MUSLE和HRU两个特定组件对模拟结果的影响。研究区域被分成5个、25个、95个和179个亚流域4种情况, 模拟了1979～1981年月径流量和产沙量。Arabi等[38]的研究也发现, 亚流域的划分会影响到径流量、产沙量和营养物的预测情况。模型被应用到美国的印地安那州的Dreisbach (623 hm2) 和Smith Fry (730 hm2) 两个流域, 通过不同的亚流域的划分、是否在最佳管理措施 (BMPs) 下情况下自由组合、对比分析。结果表明, 划分的流域的平均面积在流域总面积4%左右时, 最佳农业管理措施的作用比较明显。FitzHugh和Mackay[39]在Dane County的Pheasant Branch流域应用SWAT模型研究了划分的亚流域数目变化对模型模拟精度的影响。模型选择1990～1996年对8种不同流域勾绘下产流产沙情况模拟, 通过比较以确定一个最佳的亚流域划分方案。Chaplot[40]指出减少空间输入参数的精度影响到整个流域的产流、产沙量的模拟结果, 并用模型在不同DEM (栅格20 m～500 m) 和比例尺 (1∶2.5万、1∶25万和1∶50万) 下对Lower Walnut Creek流域 (21.8 km2) 的径流量、产沙量和硝态氮进行模拟。研究发现, DEM栅格大小对径流模拟没影响, 但当超过50 m时, 泥沙模拟结果影响较显著。

在国内, 朱新军等[41]在漳卫河流域应用SWAT模型, 并对模型的CN、SOL_AWC、ESCO、ALPHA-BF、GW_REVAP、OV_N等重要参数进行敏感性分析, 同时总结出其取值变化对模拟结果的影响规律。结果显示模拟相对误差在10%以内, 能够为水资源管理提供重要参考。黄清华等[42]用SWAT模型对黑河干流山区流域出山径流进行了模拟。通过模拟结果比较, 表明浅层蓄水层回归因子 (基流回归因子) 、海拔高度带的划分分别对黑河干流山区流域地下径流和融雪径流过程有重要的影响, 是该模型模拟精度高低的关键。通过参数的调整, 1990～2000年的月平均径流模拟结果显示, 莺落峡站出山径流模型效率系数和相关系数分别达到0.88和0.91。

4 存在的问题与不足

鉴于 SWAT模型在水资源管理、流域规划、气候变化的水文效应以及非点源污染方面的研究是比较成功的, 而且适用于实测资料相对缺乏的地区。因此, 它被全国各地广泛应用。但是, 国内引进SWAT模型只是近年的事情, 而且研究主要侧重于水文模拟方面。它在我国的使用过程中还存在许多问题, 主要体现在:①模型备用的土地利用类型和土壤类型都是基于美国本土的统计, 应用时难以找到对应的类型, 在土地利用和土壤资料不完整的流域应用就比较困难。用户要建立自己的土壤属性数据库, 同时转换土地利用的编码。此外, 我国现有的土壤数据属性达不到模型要求的精度:模型中要求土壤剖面有10层, 我国土壤数据只做到5层 (100 cm深度左右) [43]。②由于降雨空间分布的不均匀性对模拟结果影响很大, 而通常模型在降雨空间处理上不大理想, 建议采用“泰森多边形法”或“距离倒数插值法”生成亚流域的降雨数据, 再将数据输入模型之中[44]。③模型没有考虑不同子流域之间的地下水流动, 处理地下水的方式是一维的, 概念性的, 对浅层地下水和地下水的模拟缺乏动态性, 不适用于超采区地下水模拟[45]。

此外, 作者在模型应用时也发现模型的一些局限性, 主要有:模型对降雨较少、产流产沙量小以及短期径流量的情景模拟结果较差, 更不适合单一事件的洪水过程的模拟;作物生长组件是EPIC作物模型的简化, 用一个单一的植物生长模型模拟所有类型的植被, 对植物生长过程的模拟十分简化;因HRU和亚流域的划分以及DEM栅格的大小对产沙和水质模拟较为敏感, 故实际用模型模拟时选择适当的划分以便更好的客观模拟存在很大困难。克服以上几个问题, 做出相应的改进, 提高模型的广适性应是我国SWAT模型研究的一个重要的方向。

结构优化设计原理及发展趋势篇10

一、结构优化设计概念

一个结构的设计通常有很多种可能方案, 传统的结构设计方法是根据设计要求和同类型结构的已有经验, 加上设计者的判断, 假定一个初步设计方案, 随后用力学理论对给定的设计方案进行分析、校核。这种方法所得的最终方案实际上是受设计者的经验和判断力影响较大的较优方案。因此, 传统的结构设计实际上指的是结构分析, 其过程可简述为“假设一分析一校核一重新设计”[1]。

结构优化设计是相对于传统的结构设计而言的。结构优化设计与传统的结构设计采用的是相同的基本理论, 使用的是同样的计算公式, 遵守的是同样的设计规范、规程和构造规定, 因而与传统结构设计具有同样的安全度[2]。结构优化设计则把力学概念和优化技术有机地结合起来, 根据设计要求, 使所有参与计算的结构的参数都以变量的形式出现, 形成全部可能的结构方案域, 利用数学手段, 按设计者规定的要求, 从域中选出一个可行且最好的设计方案。可以说结构分析方法、电子计算机和优化算法是进行结构优化设计的三个重要条件。结构的优化设计, 其过程可简述为“假设一分析一搜索一最优设计”[3]。

二、结构优化设计算法

结构优化技术产生于20 世纪60 年代, 是伴随着运筹学、数学规划法及计算机等多学科的不断发展而发展的。结构优化技术付诸实践, 除了建立一个可靠的优化模型, 还需要选择快的收敛速度和计算不是很复杂的优化算法。

在实际工程优化问题中, 约束条件和目标函数不仅是非线性主要, 隐函数, 所以优化算法的选择是至关重要的, 根据具体工程实际问题使用适当的优化方法, 不仅可以提高优化效率, 优化是决定成功的关键。按优化算法的理论基础划分, 大致可以归纳为三类:最优准则法、数学规划法和仿生学方法[4]。

三、结构优化应用及发展趋势

结构优化设计可以分为不同的级别根据设计变量的类型:在一个给定的结构类型、材料、布局的拓扑和几何形状的情况下, 优化组成组件的断面尺寸, 使光或最经济结构, 通常被称为尺寸优化, 在结构优化设计的最低水平。改变结构的几何参数, 如改变桁架和框架节点的位置或连续边界形状, 优化和提升到一个更高的水平, 结构形状优化;如果进一步桁架节点耦合关系或布局优化的连续体结构优化来达到一个更高的水平, 拓扑优化。

(一) 尺寸优化

尺寸优化中的设计变量一般为杆的横截面积、惯性矩、板的厚度, 或是复合材料的分层厚度和材料方向角度, 使用有限元结构位移和应力时, 尺寸优化过程不需要重新划分网格结构, 可以直接用于敏感性分析和适当的数学规划方法可以完成尺寸优化。对于某些几何, 如固定节点位置和单元连接桁架结构, 有限元分析在杆的截面特征变化需要重复;连续性结构的板或外壳, 是每个单元厚度作为设计变量, 优化结果是阶梯形分布的板厚度或壳厚度。

(二) 形状优化

待求设计变量的控制微分方程的定义研究问题领域, 是一个移动边界的问题, 这是结构形状优化的主要特征。确定结构的边界形状如双曲拱坝形状在水工建筑物设计中, 其目的是满足需求的前提下寻求材料最省大坝的形状;确定内部几何, 形状优化设计相对尺寸优化设计, 研究起步较晚, 已取得的研究成果较少。主要有两方面的原因:一是形状优化必然导致分析模型变化, 因而需不断重生成有限元网格并进行自适应分析, 工作量较大。二是形状优化过程中, 元素刚度矩阵、结构形式和设计变量之间的非线性关系, 使得形状优化的灵敏度分析计算比尺寸优化, 难度很大。用自然设计变量作为优化参数的形状优化方法[5], 添加控制点的虚拟结构的荷载作为设计变量, 网格节点位移响应的虚拟负载和相应的线性关系, 和位移相应的节点坐标构成新的有限元网格, 然后确定了新的虚拟负载通过灵敏度分析。

(三) 拓扑优化

在形状优化过程中, 初始的结构和最终的结构是同一拓扑结构。如原来有2 孔板优化后, 改变孔的边界形状, 孔数没有增加或减少。事实上, 也可以满足设计约束, 打开的孔的数量变化比开形状的变化降低板的重量更有效, 这是拓扑优化研究的目的。所以, 在设计区域要自动产生开孔是很困难的。

(四) 布局优化

到目前为止, 对于布局优化还没有行之有效的解决方法。控制微分方程的定义问题的领域, 是一个移动边界的问题, 这是结构形状优化的主要特征。确定结构的边界形状如双曲拱坝形状在水工建筑物设计中, 其目的是满足要求的前提下寻求材料坝的形状;确定内部几何, 如内部孔隙结构尺寸和形状的选择, 我们的目标是减少应力集中, 改善应力分布[6]。目前, 利用全局随机搜索类算法能够克服传统优化算法在求解拓扑布局优化时的困难, 是极具活力的研究方向。

四、结论和展望

1) 尺寸优化的结构优化设计是相对完美, 逐渐成熟, 形状优化和拓扑优化仍处于理论探索阶段。2) 是至关重要的优化数学模型, 但是在实际工程需要考虑更多细节, 优化问题和复杂的结构分析和数值方法优化初始不必包罗万象, 抓住主要矛盾, 建立一个数学模型是合理和实用的。3) 任何优化问题可以被抽象为一个线性或非线性、连续或不连续的设计变量的数学规划问题, 优化算法的选择是非常重要的。需要根据具体的优化问题的特点, 建立一个有效的解决方案的策略和优化算法, 即使对一些现有算法需要改进, 重组, 或推出一个新的有效的优化算法。4) 以结构动态响应为约束的动力优化设计具有十分现实的工程背景, 它将成为今后广为关注的一个前沿性课题。

摘要：笔者阐述了结构优化设计理论基本概念, 优化设计算法, 说明了结构优化设计从最初的截面优化发展到形状优化、拓扑优化的基本历程及其相关特点, 对优化设计选用的各种算法进行归类, 并简述结构优化设计的发展趋势。

关键词：尺寸优化,形状优化,拓扑优化,优化算法

参考文献

[1]蔡新等.工程结构优化设计[M].北京:中园水利水电出版社, 2003.

[2]江爱川.结构优化设计[M].北京:清华大学出版社, 1986.

[3]许秋艳.斜拉立体桁架结构优化设计[D].西安:西安建筑科技大学, 2008.

[4]汪树玉, 刘国华, 包志仁.结构优化设计的现状与进展[J].基建优化, 1999.

[5]Belegundu A D.RAJAN S D.A shape optimization approach based on natural design variables and shape functions 1988.

本文来自 360文秘网(www.360wenmi.com)，转载请保留网址和出处

【原理结构及应用】相关文章：

实物模型及图像在《结构与物性-化学原理的应用》教学中的运用09-11

选粉机结构及工作原理04-25