導(dǎo)語：如何才能寫好一篇力學(xué)論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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巖石材料在動態(tài)壓縮載荷作用下的力學(xué)特性是研究巖石結(jié)構(gòu)如隧道、巖質(zhì)邊坡在爆炸荷載以及地震荷載作用下的響應(yīng)的重要參數(shù)。這一課題的研究始于20世紀(jì)中期，如文[1-6]的工作。這些研究結(jié)果表明，巖石材料的力學(xué)特性表現(xiàn)出較明顯的率相關(guān)特性，例如，巖石材料的抗壓強(qiáng)度一般地隨應(yīng)變速率的增加有增加趨勢。

本文概述了作者近年來對花崗巖材料在動態(tài)壓縮載荷作用下力學(xué)特性進(jìn)行的實驗以及基于細(xì)觀力學(xué)以及斷裂力學(xué)進(jìn)行的理論研究成果初步工作，力圖為巖石動力學(xué)的相關(guān)研究提供借鑒。

2實驗研究

實驗所用巖樣取自新加坡BukitTimah地區(qū)鉆孔取出的巖芯，在室內(nèi)用套鉆加工成f30´60mm的圓柱體試樣。實驗設(shè)備為RDT－1000型巖石高壓動三軸實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理以及性能指標(biāo)見文[5,6]。實驗中，應(yīng)變速率范圍為10-4～100s-1，圍壓范圍為0～170MPa。

圖1描述了花崗巖在動單軸壓縮載荷作用下強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律?？梢钥闯觯◢弾r的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加有較明顯的增加趨勢，當(dāng)應(yīng)變速率從10－4s-1增加到100s-1時，花崗巖的抗壓強(qiáng)度約增加15％。

實驗結(jié)果還表明，花崗巖的彈性模量和泊松比隨應(yīng)變速率的增加沒有明顯的變化趨勢，而且結(jié)果比較發(fā)散。

圖1花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律

Fig.1Changeofuniaxialcompressivestrengthwithstrainrateforgranite

圖2抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律

Fig.2Changeofcompressivestrengthwithstrainrate

圖2、3描述了花崗巖抗壓強(qiáng)度在動三軸壓應(yīng)力作用下隨應(yīng)變速率以及圍壓的變化規(guī)律，可以看出。不同圍壓下，花崗巖的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加有增加趨勢，同時，強(qiáng)度的增加幅度隨圍壓的增加有明顯的減小趨勢。在不同應(yīng)變速率下，巖石的抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加明顯地增加，而且，強(qiáng)度隨圍壓的增加幅度在不同應(yīng)變速率下基本上相同。

三、理論研究

巖石是一種較典型的非均質(zhì)材料，普遍包含著不同尺度的缺陷。在壓縮載荷作用下，微裂紋將在這些缺陷的周圍產(chǎn)生并且擴(kuò)展聚合，導(dǎo)致巖石材料的破壞，影響巖石材料的宏觀力學(xué)行為。基于這些認(rèn)識，一些裂紋模型被應(yīng)用于研究巖石材料在壓縮載荷作用下的強(qiáng)度以及變形特性。結(jié)合斷裂斷裂力學(xué)的相關(guān)理論，這些研究架起了巖石材料細(xì)觀和宏觀力學(xué)特性之間的橋梁，也成為目前巖石材料力學(xué)特性研究的熱點方向。在這些模型中，滑移型裂紋模型最廣泛地應(yīng)用于研究脆性材料在壓縮載荷作用下的力學(xué)特性。

圖3抗壓強(qiáng)度隨圍壓的變化規(guī)律

Fig.3Changeofcompressivestrengthwithconfiningpressure

圖4單軸情況下的裂紋模型

Fig.4Slidingcrackarrayunderuniaxialcompression

文[7,8]采用圖4、5所示的裂紋模型模擬花崗巖材料在動單軸壓縮載荷作用下的劈裂破壞模式以及三軸作用下的剪切破壞模式，并結(jié)合裂紋的動態(tài)擴(kuò)展準(zhǔn)則模擬了花崗巖材料的動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律，如圖6、7、8所示。圖7-8的結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較一致。

文[7,8]的結(jié)果還表明，裂紋的擴(kuò)展速率以及巖石材料的斷裂韌度的率相關(guān)特性是花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增加而增加的內(nèi)在原因，同時，由于圍壓阻止了拉伸裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致了巖石材料的抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加而增加。

圖6三軸情況下的裂紋模型

Fig.6Slidingcrackarrayundertriaxialcompression

圖7模擬強(qiáng)度與應(yīng)變速率關(guān)系(單軸)

Fig.7Changeofsimulatedstrengthwithstrainrate(uniaxialcompression)

圖8模擬強(qiáng)度與應(yīng)變速率關(guān)系(三軸)

Fig.8Changeofsimulatedstrengthwithstrainrate(triaxialcompression)

四、結(jié)語

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國將迎來新一輪的基礎(chǔ)建設(shè)，如青藏鐵路以及南水北調(diào)西線工程，在這些工程的實施中，普遍存在強(qiáng)烈地震作用下隧道以及邊坡巖體的穩(wěn)定性問題。同時隨著工程爆破在巖礦開采、地下洞室的營建以及場平開挖等工程中的廣泛應(yīng)用，也將存在諸如大型水利及能源工程基礎(chǔ)爆破開挖中基巖的保護(hù)、爆破荷載作用下巖石結(jié)構(gòu)振動安全等問題。另外，在新的戰(zhàn)爭態(tài)勢下與國防安全相關(guān)的巖石結(jié)構(gòu)防護(hù)工事防護(hù)性能評估也是目前需要解決的焦點和熱點問題。上述問題的解決，在一定程度上要求對巖石材料的動態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。因此，深入開展巖石材料動態(tài)力學(xué)特性研究不僅是巖石動力學(xué)科發(fā)展的需要，也是國家建設(shè)和國家安全的迫切需要。

圖9模擬強(qiáng)度與圍壓關(guān)系(三軸)

Fig.9Changeofsimulatedstrengthwithconfiningpressure(triaxialcompression)

參考文獻(xiàn)

(1)FriedmanM,PerkinsRDandGreenSJ.Observationofbrittle-deformationfeaturesatthemaximumstressofWestlygraniteandSolenhofenlimestone.IntJRockMechMinSci,1970,7:297-306.

(2)Grady,D.E.andKipp,M.E.Continuummodelingofexplosivefractureinoilshale.IntJRockMechMinSci,1980,17:147-157.

(3)吳綿拔,劉遠(yuǎn)惠.中等應(yīng)變速率對巖石力學(xué)特性的影響.巖土力學(xué),1980,(1):51-58.

(4)鞠慶海.不同加載速率不同圍壓條件下混凝土的破裂判據(jù)與動態(tài)性能研究.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所碩士學(xué)位論文,1993.

(5)ZhaoJ,LiHB,WuMBandLiTJ.Dynamicuniaxialcompressiontestsongranite.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1999;36(2):273-277.

(6)LiHB,ZhaoJandLiTJ.TriaxialCompressionTestsofagraniteatdifferentstrainratesandconfiningpressures.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1999;36(8):1057-1063.

(7)LiHB,ZhaoJandLiTJ.Micromechanicalmodellingofmechanicalpropertiesofgraniteunderdynamicuniaxialcompressiveloads.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2000;37:923-935.

(8)LiHB,ZhaoJ,LiTJandYuanJX.Anayliticalsimulationofthedynamiccompressivestrengthofagraniteusingtheslidingcrackmodel.InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodinGeomechanics.(2001,inpress)。

Abriefintroductionfortheexperimentalandtheoreticalstudyondynamiccompressivemechanicalpropertiesofagranite

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在理工科院校專業(yè)教育中，工程力學(xué)是一門公共基礎(chǔ)課程，與許多后續(xù)課程內(nèi)容息息相關(guān)，是關(guān)鍵性的課程．其理論課程偏重理論推導(dǎo)，通過很強(qiáng)的邏輯數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行公式證明和推導(dǎo)，對于初學(xué)者會感到枯燥．如果結(jié)合工程的實例，使教學(xué)內(nèi)容生動，在理論應(yīng)用到實際的同時，理解知識，既有針對性又會大大提高教學(xué)效率．

2案例教學(xué)的教學(xué)特點

在案例教學(xué)的授課中，并不是以教師傳授課程內(nèi)容為主，而是把主導(dǎo)權(quán)交給學(xué)生．通過學(xué)生之間對教學(xué)案例中涉及到的問題進(jìn)行討論，對解決問題需要應(yīng)用的理論知識進(jìn)行引入解釋，讓學(xué)生主動思維，接受新的理論內(nèi)容，并掌握在實際中引用知識的能力，做到學(xué)以致用．案例教學(xué)中，學(xué)生占主導(dǎo)地位，以學(xué)生為中心，教師引導(dǎo)學(xué)生積極思考、參與討論．教學(xué)過程中，教師的任務(wù)是制定本堂課的教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇案例，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，制定出課堂討論方案，課堂上組織學(xué)生討論，討論結(jié)束后進(jìn)行歸納總結(jié)．根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇的案例形式多樣，難度也大不相同，有些案例涉及內(nèi)容廣泛、難度較大，可以提前將案例材料發(fā)給學(xué)生，進(jìn)行提前預(yù)習(xí)．在課堂討論過程中，可以采取針對案例中的問題循序漸進(jìn)．例如：在某橋梁設(shè)計的工程問題案例教學(xué)中，可以對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，然后針對橋梁結(jié)構(gòu)中的不同材料選擇進(jìn)行分析，同時聯(lián)系結(jié)構(gòu)和選擇材料之間的關(guān)系．可以讓學(xué)生課前對工程材料做一些了解，在課堂上根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料選擇．教學(xué)中沒有所謂的標(biāo)準(zhǔn)答案，教師鼓勵學(xué)生針對不同方案和觀點進(jìn)行討論，在討論中產(chǎn)生創(chuàng)造性的觀點和方案．課堂討論之后，教師對案例討論中的不同觀點進(jìn)行總結(jié)，針對發(fā)言中存在的問題做點評，加深學(xué)生對案例的認(rèn)識．做好總結(jié)是案例教學(xué)關(guān)鍵的步驟，能讓學(xué)生對知識的理解得到深化．

3工程力學(xué)在案例選擇上應(yīng)遵循的原則

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一、認(rèn)真審題、明確對象、聯(lián)想圖景、啟動思維。

力學(xué)習(xí)題有的給出一個物體，有的給出兩個或多個相關(guān)聯(lián)的物體。從物理過程看，有的給出部分，有的給出全部。認(rèn)真審題就是要實現(xiàn)幾個轉(zhuǎn)換：1．由個別向一般轉(zhuǎn)換。

所有的力學(xué)解題開始應(yīng)對研究對象進(jìn)行受力分析，代入運算時統(tǒng)一用力學(xué)的國際單位制（SI制），解題結(jié)束應(yīng)對結(jié)果的合理性作出判斷。

2．研究對象的實體向物理圖景轉(zhuǎn)換。

宏觀物體（大到天體）；有做勻速運動的，也有做變速運動的；有個體，也否相關(guān)聯(lián)的群體。對題目給定的研究對象進(jìn)行抽象思維，形成一定條件下的清晰的物理圖景。有趣的物理圖景促進(jìn)學(xué)生的注意轉(zhuǎn)移，情感與圖景貼近，達(dá)到情景結(jié)合，有助于學(xué)生思維的正常啟動。

3．物理過程向物體的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。在力學(xué)范疇內(nèi)物體的運動狀態(tài)有平衡狀態(tài)（靜止、勻速直線運動、勻速轉(zhuǎn)動）和非平衡狀態(tài)。物體處于何種狀態(tài)由所受的合力和合力矩決定。學(xué)生對物理過程和物體所處狀態(tài)的了解，減少了解題的盲目性。

4．已知條件向解題目標(biāo)轉(zhuǎn)換。力學(xué)解題目標(biāo)一般包括：畫出研究對象的示意圖。在圖上進(jìn)行受力分析（不能遺漏所受到的每一個力，也不能憑空增加力），物體在各個時刻的狀態(tài)、位置、運用的物理規(guī)律、公式、要求的物理量等。

5．文字?jǐn)⑹鱿蚴疽鈭D形轉(zhuǎn)換。在根據(jù)題意畫出的圖上標(biāo)明受力情況（按重力、彈力、摩擦力順序思考）。某一時刻或某一位置的運動狀態(tài)，也用符號標(biāo)出。學(xué)生通過畫圖對物理圖景有了直觀了解，觸景生情，增強(qiáng)了解題的信心。

二、弄清概念，策略認(rèn)知，分配注意，發(fā)散思維。

物理概念是物理知識的重要組成部分。物理概念有嚴(yán)格的科學(xué)界定。同一物理概念在不同的物理學(xué)識水平階段嚴(yán)密的程度不同。一些能力較差的學(xué)生對物理概念的界定模糊不清，思維混亂，解題注意分配不合理。為了解決這個問題，我引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化以下幾方面意識：1．增強(qiáng)物理概念的物質(zhì)意識。每引入一個力學(xué)概念，應(yīng)充分利用實驗或?qū)W生生活積累的已有經(jīng)驗，把物理概念建立在充實的物質(zhì)基礎(chǔ)上。

2．強(qiáng)化物理概念的界定意識。速度與加速度二者僅一字之差，都是力學(xué)中的重要物理量。一些認(rèn)知策略較差的學(xué)生把速度與加速度歸結(jié)在一個“光環(huán)”上，認(rèn)為速度為零，加速度必為零。在這里描述物體運動快慢與運動狀態(tài)變化快慢是速度與加速度的界定。速度和速率、功和功率、動能和動量、重量和質(zhì)量等也是一字之差，它們的物理意義卻不相同。功和能的單位相同，前者是過程量，后者是狀態(tài)量，它們也有嚴(yán)格的界定。

學(xué)生樹立界定意識可養(yǎng)成良好的科學(xué)素質(zhì)，有利于增強(qiáng)解題思維的自我調(diào)控意識。

3．培養(yǎng)創(chuàng)造思維意識。力學(xué)解題時“雙向思維”的設(shè)計，給學(xué)生創(chuàng)造了發(fā)散思維的條件。

三、運用規(guī)律、感知范圍、網(wǎng)絡(luò)信息、邏輯思維

中學(xué)學(xué)習(xí)的力主要有：牛頓運動三定律、萬有引力定律、機(jī)械能守恒定律、動能定理、動量定理、動量守恒定律等。一些能力中下的學(xué)生把物理規(guī)律成立的條件及適用范圍置于思維盲區(qū)，需要對已建立的解題信息加以選擇。

1．根據(jù)物理過程選擇規(guī)律。

2．從已知條件選擇物理規(guī)律。

3．從解題結(jié)果檢驗物理規(guī)律選擇的合理性。

四、設(shè)疑開拓、點撥解惑、觸類旁通、深化思維

課本上的力學(xué)習(xí)題是教學(xué)大綱的最低要求，一些能力較強(qiáng)的學(xué)生從中獲取了探求知識的方法，思維敏捷。一些能力較差的學(xué)生解題一旦受阻，思維停滯，需要點撥才能展開。通過設(shè)疑點撥探究解惑，學(xué)生思維進(jìn)入新的層次。

1．指導(dǎo)語點撥。

2．資料點撥。

3.情境點撥。

4．交流點撥。

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力學(xué)是土木工程專業(yè)重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，既是基礎(chǔ)學(xué)科，又是技術(shù)學(xué)科。其重要作用是使學(xué)生掌握土木工程類專業(yè)必備的力學(xué)基礎(chǔ)知識和基本技能，初步具備分析和解決土木工程簡單結(jié)構(gòu)、基本構(gòu)件受力問題的能力，為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)技能課程打下基礎(chǔ);對學(xué)生進(jìn)行職業(yè)意識培養(yǎng)，使其形成嚴(yán)謹(jǐn)、敬業(yè)的工作作風(fēng)，為今后解決生產(chǎn)實際問題和職業(yè)生涯的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在力學(xué)課程體系方面，有些內(nèi)容在不同課程中表述形式不同，甚至存在沖突。應(yīng)加強(qiáng)各力學(xué)課程授課教師的交流與溝通，合理選擇教材，及時修訂教材及教學(xué)大綱，優(yōu)化課時分配。由于教學(xué)學(xué)時普遍壓縮，每門力學(xué)課程都不能把教材內(nèi)容系統(tǒng)完善地講完，造成部分內(nèi)容脫節(jié)。同時，相關(guān)的新知識、新技術(shù)介紹偏少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于科技發(fā)展。在現(xiàn)有的理論力學(xué)教材中，力學(xué)物理基礎(chǔ)與大學(xué)物理中的內(nèi)容重復(fù)出現(xiàn)。理論力學(xué)教材中的平面簡單桁架的內(nèi)力計算與結(jié)構(gòu)力學(xué)中的靜定平面桁架重復(fù)，而材料力學(xué)中的平面剛架和曲桿的內(nèi)力圖又和上述內(nèi)容有所重復(fù)。不同的是平面簡單桁架中的構(gòu)件都是二力桿，二力桿的內(nèi)力只有軸力，而材料力學(xué)中的靜定平面剛架的內(nèi)力除了軸力還有剪力和彎矩。材料力學(xué)中的簡單的超靜定問題在結(jié)構(gòu)力學(xué)中多有重復(fù)，同時在能量法和壓桿穩(wěn)定等內(nèi)容也有較多重復(fù)。在結(jié)構(gòu)力學(xué)教材中，漸進(jìn)法、無鉸拱的內(nèi)力計算等內(nèi)容實際應(yīng)用較少，但是內(nèi)容仍然占了一定的篇幅，而新型工程的新結(jié)構(gòu)、新理論卻在教材中很難找到。依據(jù)高校培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)和“實用性、針對性、先進(jìn)性”的教育特點，需要打破土木工程專業(yè)力學(xué)課程之間的界限，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合與優(yōu)化，重新組織課程結(jié)構(gòu)，摒棄陳舊內(nèi)容，加入新血液。將理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的研究，按其內(nèi)容重新劃分教學(xué)模塊。確保主要內(nèi)容不削減，避免重復(fù);相似內(nèi)容合并;新加內(nèi)容既要保持先進(jìn)性，又要保證整個力學(xué)體系的連貫性和整體性。通過力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，提高教學(xué)效率，強(qiáng)化基礎(chǔ)，突出重點。

二、教學(xué)方法改進(jìn)

1.啟發(fā)式教學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)課程目的之一就是為將來從事各種有關(guān)工程方面的工作打下良好基礎(chǔ)。力學(xué)教材中的理論知識都是經(jīng)過實踐總結(jié)出來的，而又為實踐所用，因此，教師在授課時盡量把抽象的概念、理論與工程實際聯(lián)系起來，擴(kuò)大教學(xué)信息量及知識面，給學(xué)生留出充分的思維空間，留一定的余地讓學(xué)生思考、反饋或提煉出若干問題，最大程度的激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)過教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，系統(tǒng)的力學(xué)知識體系又為學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)留下期待和想象的空間，將教學(xué)的重點從知識的傳授轉(zhuǎn)移到能力的培養(yǎng)上。

2.多媒體教學(xué)力學(xué)課程的公式推導(dǎo)較多，并且有大量的圖形，利用傳統(tǒng)的教學(xué)手段可以將復(fù)雜的力學(xué)問題分析的很透徹，并且有利于教與學(xué)的互動，缺點是推導(dǎo)過程和繪圖占用了大量時間。多媒體教學(xué)具有圖、文、聲并茂甚至有活動影像這樣的特點，合理利用多媒體教學(xué)可以使傳統(tǒng)教學(xué)中抽象枯燥的概念變得生動具體，能增加學(xué)生的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，大信息量、大容量性課堂教學(xué)節(jié)約了空間和時間，提高了教學(xué)效率。但是，多媒體教學(xué)只是一種輔助的教學(xué)手段，需要與傳統(tǒng)教學(xué)的手段有機(jī)結(jié)合，共同參與教學(xué)過程，才能達(dá)到良好的教學(xué)效果。

3.實踐教學(xué)實踐教學(xué)是鞏固理論知識的有效途徑，是理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動手能力的重要手段。通過課程實驗教學(xué)或演示教學(xué)、認(rèn)識實習(xí)等使學(xué)生通過實際觀察獲得感性知識以說明和印證所傳授知識。實踐教學(xué)能使學(xué)生獲得生動而直觀的感性知識，加深對學(xué)習(xí)對象的印象，把書本上理論知識和實際事物聯(lián)系起來，形成正確而深刻的概念;能提供一些形象的感性材料，引起學(xué)習(xí)的興趣，集中學(xué)生的注意力，有助于對所學(xué)知識的深入理解、記憶和鞏固;能使學(xué)生通過觀察和思考，培養(yǎng)他們的獨立探索能力、實驗操作能力和科學(xué)研究興趣。

三、考核方式

1.統(tǒng)一學(xué)生作業(yè)在對學(xué)生實施練習(xí)的過程中，不同的任課教師按照自己的理解，在難度和知識點覆蓋面上有一定的差異。隨著力學(xué)各課程習(xí)題冊的出版，節(jié)省了老師和學(xué)生的大量寶貴時間，使得學(xué)生有更多的時間理解教材中的內(nèi)容。但是由于習(xí)題冊與教材上的內(nèi)容和教師講授的內(nèi)容可能不符，甚至存在沖突。所以基于教學(xué)所選擇的教材和力學(xué)課程調(diào)整后的內(nèi)容，各力學(xué)課程的教師應(yīng)該加強(qiáng)交流和溝通，共同編制各力學(xué)課程的習(xí)題冊。一方面對要求學(xué)生掌握課程知識點和覆蓋面有個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為實行規(guī)范的教學(xué)質(zhì)量體系奠定了基礎(chǔ);另一方面，又為力學(xué)課程的最終考核增加新的參考。如在新章節(jié)內(nèi)容開始時，布置一些思考練習(xí)題，該章節(jié)結(jié)束后，通過課上提問、課外作業(yè)等形式進(jìn)行檢查。

2.考核方式考核的目的具有雙重性的特點:考核既是為了檢驗學(xué)生對課程知識的掌握情況，幫助教師不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法;同時也是為了對學(xué)生就該課程的學(xué)習(xí)做出客觀公正的評價，并引導(dǎo)其學(xué)習(xí)方向，逐步適應(yīng)學(xué)科課程的特點，最終起到夯實基礎(chǔ)、強(qiáng)化能力的作用。但是單一的試卷考試，很難全部反映力學(xué)課程的所有知識，而且錯綜復(fù)雜的工程實際問題也不是簡單的力學(xué)理論就可以完成的。因此對于力學(xué)課程的考核，選擇過程性和階段性相結(jié)合的方式。教學(xué)活動既有完整的過程性，又有鮮明的階段性。重視過程性考核和階段性考核，對檢驗教學(xué)質(zhì)量和促進(jìn)、引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)都非常必要。在平時的教學(xué)活動中適當(dāng)安排一些形式多樣的考核，如課堂討論、力學(xué)創(chuàng)新、應(yīng)用力學(xué)理論分析解決工程實際中的問題等。

四、結(jié)束語

篇5

力學(xué)系列課程現(xiàn)行的教學(xué)方法大多是通過各種手段將這些課程的知識傳授給學(xué)生，最后通過考前復(fù)習(xí)和考試對其歸納提高。在此過程中，學(xué)生多數(shù)處于被動、應(yīng)付狀態(tài)，難以擺脫從理論到理論，理論脫離實際模式的束縛。學(xué)生理論聯(lián)系實際、獨立分析問題、解決實際問題的能力差，這與培養(yǎng)2l世紀(jì)人才模式很不適應(yīng)，力學(xué)系列課程的教學(xué)改革已是當(dāng)務(wù)之急。目前國內(nèi)外許多大學(xué)的力學(xué)相關(guān)課程設(shè)置了課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，課程設(shè)計的數(shù)量有所增加。如中南大學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程設(shè)計，吉林大學(xué)的材料力學(xué)課程設(shè)計，湖南大學(xué)的振動力學(xué)課程設(shè)計，美國的斯坦福大學(xué)在理論力學(xué)增設(shè)了實踐環(huán)節(jié)等，都取得了較好的效果。在增加課程設(shè)計數(shù)量的同時，一些高校更較重視課程設(shè)計內(nèi)容的改革，如南京航空航天大學(xué)的有限元課程設(shè)計是針對實際的索拉橋進(jìn)行分析，在提高學(xué)生理論聯(lián)系實際、獨立分析問題與解決實際問題的能力方面作了有益的探索。我校工程力學(xué)專業(yè)所設(shè)課程主要有CAD/CAM軟件應(yīng)用、．net程序設(shè)計、理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、振動力學(xué)、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、有限元和工程分析軟件及應(yīng)用等課程，其邏輯性和系統(tǒng)性對于培養(yǎng)學(xué)生的分析問題的能力非常有利，但在力學(xué)學(xué)習(xí)過程中，教師和學(xué)生會經(jīng)常遇到一些沒有見過的實際問題或力學(xué)模型，工程意識和分析、解決實際問題能力較弱的人，往往思前想后不得其解，以至于束手無策;反之，工程意識和分析、解決實際問題能力較強(qiáng)的人則往往能自如應(yīng)對一切難題。為了培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程意識和分析解決問題的能力，2006年開始，我校力學(xué)專業(yè)開設(shè)了課程設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，如“有限元軟件應(yīng)用課程設(shè)計”和“工程力學(xué)課程設(shè)計”，2011年又增設(shè)了“結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計”和“CAM/FEM軟件應(yīng)用課程設(shè)計”。但總的來講，力學(xué)專業(yè)的課程設(shè)計綜合性較差，特色不明顯，課程設(shè)計題目的難度、涉及的知識面、能力的培養(yǎng)均有待改進(jìn)。

二、工程力學(xué)專業(yè)課程設(shè)計改革中存在的問題

目前我校課程設(shè)計改革中存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面:一是課程設(shè)計題目和任務(wù)書擬定方面，均由指導(dǎo)教師事先確定分派給學(xué)生，由于指導(dǎo)教師所掌握的工程資料有限，課程設(shè)計的內(nèi)容和范圍局限性較大，題目類型較少，研究方向也較集中，學(xué)生并不能根據(jù)自身的特點和興趣愛好，去選擇他們感興趣的題目進(jìn)行設(shè)計，而是一味進(jìn)行強(qiáng)迫式學(xué)習(xí)，完成所謂的設(shè)計任務(wù)。學(xué)生目前經(jīng)過課程設(shè)計后并不能應(yīng)對就業(yè)后工作過程中復(fù)雜多樣的技術(shù)難題。二是課程設(shè)計研究內(nèi)容與工程實際問題有偏差。課程設(shè)計都是承接基礎(chǔ)理論與工程實際的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生非常希望將自己所學(xué)的理論應(yīng)用于實際，在實際中檢驗自己的知識，但由于學(xué)生體會不到理論與實際的聯(lián)系，課程設(shè)計并不能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性。三是課程設(shè)計時間在安排上與課堂教學(xué)存在一定的時間間隔。在課程設(shè)計過程中，對于理論知識不夠扎實的部分學(xué)生來說，會有一種懼怕且無從下手的感覺，很難投入足夠的精力和時間認(rèn)真完成課程設(shè)計。而課程設(shè)計形式基本上是以小組為單位，小組成員圍繞一個核心題目完成不同方面的設(shè)計任務(wù)。由于學(xué)生的理論基礎(chǔ)和解決實際問題的能力存在差異，“能者多勞”的現(xiàn)象就會出現(xiàn)。如果指導(dǎo)教師指導(dǎo)不到位，檢查力度稍低，就很容易出現(xiàn)個別學(xué)生不做或少做設(shè)計內(nèi)容，甚至還出現(xiàn)抄襲他人成果的現(xiàn)象。由此可見，工程力學(xué)專業(yè)課程設(shè)計改革的空間較大。

三、工程力學(xué)專業(yè)課程設(shè)計改進(jìn)的思路與方法

一方面，課程設(shè)計應(yīng)選取具有一定的工程或社會實際背景，體現(xiàn)應(yīng)用性、先進(jìn)性、綜合性的題目，可以使學(xué)生對工程實際問題的復(fù)雜性有一個初步認(rèn)識，檢驗學(xué)生對該課程理論基礎(chǔ)知識的理解和掌握程度，培養(yǎng)學(xué)生通過綜合運用該課程和相關(guān)課程的基本理論知識來分析和解決工程實際問題的能力。另一方面，能使學(xué)生樹立起正確的設(shè)計思想，養(yǎng)成實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)、謙虛的科學(xué)學(xué)風(fēng)，更能使學(xué)生在自主性、探索性、創(chuàng)造性和合作性方面得到培養(yǎng)。

1.指導(dǎo)教師應(yīng)該重視課程設(shè)計題目和內(nèi)容的選擇。

斯滕豪斯明確指出:教師的身份是“和學(xué)生一起學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)者”，只有這樣，才能通過發(fā)現(xiàn)法和探究法而不通過傳授法進(jìn)行教學(xué)。在課堂教學(xué)過程中，教師不僅要教授理論知識，還要注意理論聯(lián)系工程實際，通過列舉工程實例、設(shè)置問題情境等多種方法，讓學(xué)生感受到理論學(xué)習(xí)是手段，實際應(yīng)用才是真正目的。隨著社會發(fā)展，各種資訊日新月異，教師不能仍保持傳統(tǒng)的觀念，而必須在教學(xué)生涯中通過不斷學(xué)習(xí)搜集和處理更多關(guān)于課程內(nèi)容的相關(guān)資訊，熟悉教育改革趨勢和重點，更新補(bǔ)充專業(yè)知識，提高專業(yè)能力;了解該專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和興趣愛好。這樣，教師才能根據(jù)課程內(nèi)容確定適合教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生感興趣的課程設(shè)計題目，并且真正做到理論與工程實際的聯(lián)系、對知識的綜合應(yīng)用、全方位的展開學(xué)生的思維和最大限度地解放學(xué)生的思想，才能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力和應(yīng)變思維能力。

2.課程設(shè)計應(yīng)與工程實際相結(jié)合，針對不同課程內(nèi)容及培養(yǎng)目標(biāo)采用多種形式的課程設(shè)計方法。

比如《理論力學(xué)》，它是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，教師在講解過程中多是針對抽象化理想的力學(xué)模型，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中通常感覺理論知識很好懂，但自己動手練習(xí)的時候卻無從下手，理論和實際總是聯(lián)系不到一起。為此，教師在講授過程中可采用工程實例教學(xué)法，即選擇一些具有代表性、啟發(fā)性、時代性的實例，通過學(xué)習(xí)和討論，使學(xué)生對知識有更深層次的理解，從而激發(fā)學(xué)生應(yīng)用知識的熱情。教師可以通過布置相關(guān)知識的小論文，學(xué)生通過查閱資料、撰寫小論文的形式，深刻理解力學(xué)知識和工程實際問題間的聯(lián)系?！恫牧狭W(xué)》課程除可設(shè)置實驗教學(xué)環(huán)節(jié)外，還可以確定一些簡單。的等值桿結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生從選擇材料到外形設(shè)計，從安全校核到經(jīng)濟(jì)評價等實際操作過程中，去體會理論和實際問題間的聯(lián)系。而這樣的任務(wù)可以安排在學(xué)生課堂學(xué)習(xí)過程中完成。對于那些需要扎實的理論基礎(chǔ)知識，并且要有足夠的時間進(jìn)行實踐的課程設(shè)計，可以安排在下一學(xué)期進(jìn)行。由此實現(xiàn)理論與實踐的相互滲透、相輔相成，改變實踐活動與教學(xué)內(nèi)容游離的狀況。

3.在課程設(shè)計中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生為主體，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用。

篇6

一般情況下，柔性機(jī)械臂的兩根連桿橫向彈性變形(彎曲)較小，則忽略機(jī)械臂的徑向變形；假定關(guān)節(jié)及臂端負(fù)載均為集中質(zhì)量，則忽略其大小。同時，暫不考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和電機(jī)的阻尼。

圖1是一雙連桿柔性機(jī)械臂，兩臂間關(guān)節(jié)電機(jī)質(zhì)量為，上臂端部集中質(zhì)量為，兩連桿質(zhì)量和抗彎剛度分別為和，和，兩連桿的長度分別為和，和為兩關(guān)節(jié)電機(jī)提供的力矩。

連桿變形很小，對每根連桿建立一個運動坐標(biāo)系，使得連桿在其中的相對運動很小。機(jī)械臂的整體運動則可由這兩個動坐標(biāo)系的方位角來描述。于是，在動力學(xué)模型中將有兩類變量，一類是幅值很小但變化迅速的彈性坐標(biāo)，另一類是變化范圍較大的方位角。本文采用端點連線坐標(biāo)系，即將連桿兩端點的連線作為動坐標(biāo)系的x軸（見圖1）。描述整體運動的是兩個角度和，而連桿相對于動坐標(biāo)系的運動則可視為簡支梁的振動。這樣，動力學(xué)模型剛度陣的彈性坐標(biāo)互相不耦合，臂端的位置可由和確定，其期望運動形式（或數(shù)值解）：

(1)

如采用其他形式的動坐標(biāo)系，兩桿的彈性坐標(biāo)將耦合在一起，而且在逆動力學(xué)求解時，將不得不處理微分方程與代數(shù)方程組合的方程組。

對每個機(jī)械臂取兩階模態(tài)坐標(biāo)來描述，應(yīng)用拉格朗日方法得到動力學(xué)方程：

(2)

式中。為6×6質(zhì)量陣；為速度的二次項；為6×6剛度陣；為重力的廣義力向量；為驅(qū)動力矩的廣義力向量；，其中和、和分別是兩個機(jī)械臂的一階和二階彈性坐標(biāo)。

柔性臂系統(tǒng)的逆動力學(xué)問題，是指在已知期望末端操作器運動軌跡的情況下，結(jié)合逆運動學(xué)與動力學(xué)方程對關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行求解。如果直接進(jìn)行逆動力學(xué)求解，即把式(1)代入動力學(xué)方程式(2)中，對方程中的彈性坐標(biāo)和力矩進(jìn)行求解，一般情況下，其數(shù)值解將很快發(fā)散。

表達(dá)系統(tǒng)運動狀態(tài)的坐標(biāo)可以看成有兩部分組成：大范圍的相對緩慢的運動（慢變）部分和小范圍的振動（快變）部分。本文試圖將這兩部分分離，分別討論它們的逆動力學(xué)特性，并以此來分析整體系統(tǒng)的逆動力學(xué)問題。

2快變部分的逆動力學(xué)問題

首先，尋求兩個關(guān)節(jié)力矩使端點保持不動，先不考慮大范圍的運動。此時，重力只起了一個改變平衡點的作用，在方程中把與它相關(guān)的部分略去，在動力學(xué)方程(2)中令，得：

(3)

式中

在方程(3)中消去和得：

(4)

式中：

，,

,,,

,,,

,,,

,

對式(4)降階：

(5)

式中

其中，

I是四階單位陣。方程(5)可化為下列形式：

(6)

式中。求出的特征值分別為

式中。

因的特征值存在正實部，則方程(3)所表示的系統(tǒng)不穩(wěn)定，其解發(fā)散，即雙連桿柔性臂在這種情況下，其振動問題的精確逆動力學(xué)解是發(fā)散的。

的各特征值在復(fù)空間分布關(guān)于虛軸對稱，必然會出現(xiàn)正實部，如選取更多階模態(tài)函數(shù)離散時，會出現(xiàn)同樣的情況。因此，選取更多階模態(tài)函數(shù)離散時，其振動問題的逆動力學(xué)解是發(fā)散的。

如應(yīng)用應(yīng)用文獻(xiàn)[10]中給出的迭代法進(jìn)行逆動力學(xué)求解，當(dāng)積分步長很小時，其解是發(fā)散的；當(dāng)積分步長較大時，便可得到較好的結(jié)果。其原因是因為快變部分的逆動力學(xué)解發(fā)散，當(dāng)步長較大時相當(dāng)濾掉了快變部分，便可得到較好的結(jié)果。

3慢變意義上的逆動力學(xué)

在進(jìn)行慢變意義上的逆動力學(xué)求解時，應(yīng)試圖將彈性坐標(biāo)中的振動部分濾掉，彈性坐標(biāo)中不應(yīng)含有振動部分，再結(jié)合期望的、求得力矩。

如圖1所示，機(jī)械臂的各參數(shù)：L1=0.87m,L2=0.77m,M1=1.9kg,M2=0.8kg,m1=12.75kg,m2=2.4kg,=602.5,=218。期望運動軌跡：機(jī)械臂端點繞以(0.8,0)為圓心，做半徑為0.5m,以每周1s作勻速圓周運動。

由機(jī)械臂的動力學(xué)仿真結(jié)果可以看到，彈性坐標(biāo)的一階、二階時間導(dǎo)數(shù)項振動幅值很大，但它們都在零值附近振動，即其慢變部分很小。因此，在式(2)中去掉彈性坐標(biāo)的一階、二階時間導(dǎo)數(shù)項，相當(dāng)于濾掉了彈性坐標(biāo)中的振動部分，經(jīng)過整理得到如下形式：

(7)

式中，、、中含、及其一階時間導(dǎo)數(shù)項。

將式(1)代入式(7)中，再對方程求解，可以得到彈性坐標(biāo)和力矩，彈性坐標(biāo)見圖2（圖中不含振動的曲線）。為了考察得到的力矩，將力矩代入動力學(xué)方程式(2)中，得到的各彈性坐標(biāo)見圖2（圖中含振動的曲線），軌跡跟蹤曲線、端點坐標(biāo)與期望運動相比較的誤差曲線分別見圖3和圖4。

Fig.4theerrorsofcoordinatesinxandyDirectionsfortheendmovement

由圖2中可以看出，由式(7)得到的彈性坐標(biāo)（不含振動）與機(jī)械臂的動力學(xué)仿真得到的彈性坐標(biāo)（含振動）的慢變部分十分相似，所以在式(2)中去掉彈性坐標(biāo)的一階、二階時間導(dǎo)數(shù)項相當(dāng)于濾掉了彈性坐標(biāo)中的振動部分，說明這種方法是合理的。

由圖3與圖4給出的仿真結(jié)果可以看出，軌跡跟蹤很好，由此可見，得到的力矩精度很高.

4結(jié)束語

由圖2可以看到，機(jī)械臂在運動過程中，其彈性坐標(biāo)由兩方面組成，一方面是振動部分（快變部分），另一方面是與載荷、慣性力有關(guān)的慢變部分。而彈性坐標(biāo)速度、加速度的慢變部分很小，在逆動力學(xué)求解中將其略去是合理的，由式(7)得到了比較準(zhǔn)確的彈性坐標(biāo)慢變部分并非偶然。

由以上分析可以看出，對于柔性機(jī)械臂系統(tǒng)，振動部分的精確逆動力學(xué)解是發(fā)散的，進(jìn)行逆動力學(xué)求解時，應(yīng)濾掉振動部分，在慢變的意義上進(jìn)行，才能得到比較好的前饋力矩。

參考文獻(xiàn)

[1]XiaJZ,ManqCH.Realtimeestimationofelasticdeformationforend-pointtrackingcontrolofflexibletwo-linkmanipulators[J].TheJournalofDynamicSystems,MeasurementandControl,1992,115(3):385-393.

[2]MatsunoF,SakawaY.,AsanoT,Quasi-statichybridposition/forcecontrolofaflexiblemanipulator[C].ProceedingoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Sacramento,PublbyIEEE,1991,3:2838-2843.

[3]MatsunoF,SakawaY.Dynamichybridposition/forcecontrolofatwodegree-of-freedomflexiblemanipulator[J].JournalofRoboticSystems,1994,11(5):355-366.

[4]YoshikawaT.Dynamichybridposition/forcecontrolofrobotmanipulators-descriptionofhandconstraintsandcalculationofjointdrivingforce[J].IEEEJRA,1987,(3):386-392.

[5]KwonDS,BookWJ.Aninversedynamicmethodyieldingflexiblemanipulatorstatetrajectories[C].ProceedingsoftheAmericanControlConference,SanDiego,PublbyAmericanAutomaticControlCouncil,1990,27-37.

[6]MatsunoF.Modelingandquasi-statichybridposition/forcecontrolofconstrainedplanartwo-linkflexiblemanipulators[J].IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1994,10(5):287-297.

[7]GofronM,ShabanaAA.Controlstructureinteractioninthenonlinearanalysisofflexiblemechanicalsystems[J].NonlinearDynamics,1993,(4):183-206.

[8]BayoE,MoulinH.Anefficientcomputationoftheinversedynamicsofflexiblemanipulatorsinthetimedomain[C].ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Scottsdale,PublbyIEEE,1989,710-715.

[9]BayoE,PadadopoulosP,StubbeJ,etal..Inversedynamicsandkinematicsofmulti-linkelasticrobots[J].Int.J.RoboticsResearch,1989,8(6):49-62.

[10]Asada,H.,Ma,Z.D.,Tokumaru,H..Inversedynamicsofflexiblerobotarms:modelingandcomputationfortrajectorycontrol.ASMEJournalofDynamicSystems,Measurement,andControl,1990,112:117-185.

篇7

關(guān)鍵詞:電磁型懸浮列車;動力學(xué);綜述;彈性軌道

在磁懸浮列車系統(tǒng)中,列車和軌道是互相作用的,穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)[1]。1939年,Braunbek對此作了物理懸浮氣隙的變化量由氣隙傳感器測出傳給控制系統(tǒng),剖析:唯有抗磁性材料才能依靠選擇恰當(dāng)?shù)挠谰么盆F控制系統(tǒng)調(diào)整磁鐵電壓,使電磁力相應(yīng)變化,實現(xiàn)懸浮結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的磁場分布實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮[2,3]。為使磁力氣隙調(diào)整。正常運行時,電磁型懸浮列車的懸浮高度能夠用于穩(wěn)定的自由懸浮,必須根據(jù)物體的懸浮狀態(tài)不超過1cm,對氣隙的波動非常敏感。然而,由于負(fù)連續(xù)不斷地調(diào)節(jié)磁場。利用受控的磁吸引力來進(jìn)行懸載變化、驅(qū)動加速度或減速力、空氣動力、軌道彎度、坡浮是由Graeminger首次提出的。電磁型懸浮列車是道和不平整等原因產(chǎn)生的外部擾動力,以及控制系統(tǒng)利用受控直流電磁鐵進(jìn)行懸浮,這一技術(shù)是目前世界本身固有的非線性及傳感器的測量誤差等原因產(chǎn)生的上最先進(jìn)的。它不僅用于磁懸浮列車系統(tǒng),還可用在內(nèi)部擾動力,都會引起氣隙的變化。因此,將磁懸浮列軸承、陀螺以及磁懸掛天平等磁懸浮裝置中。車和軌道作為一個整體來研究是十分必要的。下面就電磁型懸浮列車在車體內(nèi)裝有電磁鐵,軌道為導(dǎo)電磁力、轉(zhuǎn)向架、列車與軌道耦合動力及穩(wěn)定性方面的磁體,車輛和軌道構(gòu)成長定子同步電機(jī),車輛為轉(zhuǎn)子,問題闡述如下。電磁鐵繞組中的電流大小根據(jù)氣隙傳感器的信號進(jìn)行調(diào)節(jié),懸浮力的大小與車速無關(guān),任何速時均能保持穩(wěn)定的懸浮。車身前進(jìn)的動力由直線感1842年,Earnshow證明了僅僅用永久磁體是不應(yīng)電機(jī)(或直線同步電機(jī))提供。因此,電磁鐵的電磁能使一個鐵磁體在所有6個自由度上都保持在自由、力和力矩特性對列車的影響是基本的。

1磁場與承載能力

1.1波器的輸出電流;另外,熱損耗、漏磁通、磁心和導(dǎo)軌中的磁阻也會影響單鐵力的大小。文獻(xiàn)[4]針對軌道轉(zhuǎn)彎處或軌道不平處電磁鐵與導(dǎo)磁軌發(fā)生傾斜的情況,提出了小滾動下電磁鐵的計算公式。文獻(xiàn)[5],以保角變換和無窮級數(shù)理論為基礎(chǔ),在電磁鐵為無限大導(dǎo)磁率的非飽和磁性材料、電磁鐵與反應(yīng)板表面磁勢為常值的假設(shè)下,提出了在較大滾動條件下升力、側(cè)向力及滾動力矩計算的新方法。

2轉(zhuǎn)向架

磁懸浮列車進(jìn)入實用階段,不可避免的問題是轉(zhuǎn)向問題。日本關(guān)于HSST21001型磁懸浮列車進(jìn)展報告中[6],有近1/4的篇幅涉及轉(zhuǎn)向架機(jī)構(gòu),但目前幾乎看不到有關(guān)的理論分析和設(shè)計資料,僅有一些概述[7,8]。懸浮系統(tǒng)與車廂的支撐關(guān)系,經(jīng)歷了3個研究階“飛行器結(jié)構(gòu)”“磁輪結(jié)構(gòu)”及“轉(zhuǎn)向架模塊結(jié)段:、構(gòu)”[9]。早期的懸浮理論是建立在飛行器的運行原理上,把磁懸浮列車看作為剛體自由度運動,在車廂底板上直接固定4塊電磁鐵,用偏航、仰俯、滾動等概念來描述和控制磁浮列車運動。德國的TR201型、日本的HSST201型、我國的KDC2I型都采用了這種理論。這種結(jié)構(gòu)在低速時,矛盾并不突出,但速度稍有提高時,問題就很嚴(yán)重,如TR204型,原設(shè)計速度為250km/h,但速度臨近200km/h就發(fā)生嚴(yán)重的振動、搖擺,出現(xiàn)懸浮不穩(wěn)定的現(xiàn)象。“磁輪結(jié)構(gòu)”的磁浮列車,每個懸浮單元在懸掛方向上是自由的,可由懸浮控制系統(tǒng)獨立控制,能夠適應(yīng)不同的軌道平面,如德國的TR205型、TR206型磁浮列車?！按泡啞苯Y(jié)構(gòu)完全保證了電磁鐵之間的運動解耦,同時也保證了車輛的曲線通過能力。在一定程度上,

“磁輪”概念是在“飛行器結(jié)構(gòu)”概念碰壁以后從一個極端走到另一個極端?！稗D(zhuǎn)向架模塊結(jié)構(gòu)”是前二者的折衷,如HSST型的懸浮系統(tǒng),在懸浮方向和導(dǎo)向方向無機(jī)械的約束,日本HSST203型實現(xiàn)了5個自由度模塊懸掛。TR207型和TR208型也采用了這一概念。

H.Yoshioka等在文獻(xiàn)[10～13]中介紹了山梨磁懸浮試驗線MLX01型磁浮列車車輛結(jié)構(gòu)的有關(guān)細(xì)節(jié),給出了試驗車輛轉(zhuǎn)向架簡圖,并進(jìn)行了兩組車試驗,分析了車輛動力學(xué)性能,包括懸浮性能、橫向定位及穩(wěn)定性能。

趙志蘇等分析比較了磁懸浮列車3單元、4單元、5單元轉(zhuǎn)向架的幾何結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎時的運動關(guān)系[14],認(rèn)為:①在同一車廂長度的條件下,應(yīng)選用5單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架;②從簡化結(jié)構(gòu)和縮短導(dǎo)向滑槽長度角度,應(yīng)選用3單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架;③從減小進(jìn)入彎道時的沖擊角度應(yīng)選用4單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架。上海磁懸浮列車是德國TR208型的改進(jìn)型,每節(jié)車由4個完全相同的磁浮架連接而成,每個磁浮架由2個相同的模塊組成,每個模塊上由4個電磁鐵和一個推進(jìn)電機(jī)組成,具有獨立懸浮、導(dǎo)向與推進(jìn)功能[15～17]。

3磁懸浮列車2軌道動力學(xué)

在磁懸浮列車推進(jìn)技術(shù)研究中,人們發(fā)現(xiàn)許多磁懸浮列車特有的現(xiàn)象,例如:德國的TR204型及日本的HSST204型在實驗中發(fā)現(xiàn):①運行時車體發(fā)生結(jié)構(gòu)振動;②雙面直線電機(jī)引起側(cè)向不平衡;③在鋼架橋上懸浮時與橋架一起振動,而在混凝土橋上則無此現(xiàn)象[18,19]。上海磁懸浮試驗車在調(diào)試時,就發(fā)現(xiàn)了車輛與鋼梁共振的現(xiàn)象。

認(rèn)為軌道是剛體,列車懸浮系統(tǒng)與軌道之間沒有耦合關(guān)系,故不考慮軌道對車的影響,這在軌道剛度系數(shù)很大的實驗室內(nèi)模型車分析時具有足夠的精度。但實際線路中,軌道是有彈性的,軌道存在振動。引起振動的原因有:①當(dāng)磁浮車通過軌道時,引起軌道在垂直方向上的靜態(tài)彎曲;②由于軌道梁和懸浮系統(tǒng)間相互作用而引起的軌道動態(tài)彎曲;③由于軌道梁的連接和軌道表面引起的幾何不規(guī)則。因此,軌道的彈性振動和動態(tài)變形必須要考慮。

評定磁懸浮列車運行品質(zhì)的一個重要指標(biāo)是保證磁懸浮列車能夠在各種擾動作用下具有平衡穩(wěn)定的懸浮。由于磁浮列車的車廂是通過彈簧、阻尼系統(tǒng)與磁懸浮轉(zhuǎn)向架聯(lián)結(jié)的,分析測試懸浮體與二次懸掛體質(zhì)量、運行速度、軌道長度、磁輪長度、軌道阻尼等對磁懸浮系統(tǒng)的動力特性的影響,研究車廂、懸浮轉(zhuǎn)向架與彈性軌道之間的耦合動力特性是必要的。

軌道的彈性變形對列車的安全和動力特性的影響是目前磁浮列車研制中所關(guān)注的主要問題之一。懸浮力作用下的軌道動力學(xué)問題最初由Chiu等人[20]提出,Meisenholder及Wang[21]和Katz等人[22]做了初步研究,給出了軌道變形特性。Chu和Moon[23]提出考慮橫向2自由度(橫移和搖頭)的模型,理論和實驗證明出現(xiàn)了離散現(xiàn)象。Chiu等[24]和Katz等[25]研究了磁力作用下軌道梁的特性。Cai等人[26,27]又在Katz模型基礎(chǔ)上建立了多體、多載磁懸浮列車與彈性軌道耦合的動力學(xué)模型,定量揭示了車體垂向加速度、車體所裝磁體組數(shù)、列車車體個數(shù)及運動速度等對軌道動力變形和列車動力特性的影響規(guī)律。在這些研究中,懸浮磁力多數(shù)是通過等效線性懸浮剛度來描述的,彈性軌道對動力控制穩(wěn)定性及其動力特性的影響還不清楚,未能完整地反映出磁懸浮系統(tǒng)的動力特性。謝云德等在分析EMS列車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上,建立了鉛垂方向的動力學(xué)模型,仿真分析了彈性軌道、懸浮電磁鐵、彈簧及液壓阻尼對系統(tǒng)頻帶和剛度的影響[28]。

針對車廂、懸浮轉(zhuǎn)向架與軌道之間的耦合動力特性,武建軍等通過對彈性變形軌道上2自由度磁懸浮列車耦合系統(tǒng)動力特性的數(shù)值研究,討論了系統(tǒng)特征參數(shù)(懸浮體質(zhì)量、運行速度、軌道長度等)對磁懸浮系統(tǒng)的動力學(xué)特性的影響方式,并分析了彈性軌道變形特性[29]。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果,得出系統(tǒng)受控穩(wěn)定性情況下的控制參數(shù)。謝云德等建立了軌道梁有限單元的動力學(xué)方程組,對軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)與頻率、振型、極限速度之間的關(guān)系作了初步探討,分析了車軌耦合系統(tǒng)發(fā)生自激振蕩的原因,并對單鐵加載試驗過程中出現(xiàn)的自激振蕩現(xiàn)象作出解釋[30]。Y.Zhang等[31]根據(jù)機(jī)械懸浮車輛的實際參數(shù),用隨機(jī)振動理論對HTS型磁浮車進(jìn)行了動力學(xué)分析,建立了簡單的模型。這篇文獻(xiàn)同樣側(cè)重數(shù)值仿真。S.Ohashi等[32]計算了有3個車廂、4個轉(zhuǎn)向架的電磁式和電動式磁懸浮列車通過曲線時的位移和扭矩。

文獻(xiàn)[33]中,XiaoJingZheng等將車輛的運動、軌道振動和控制系統(tǒng)相結(jié)合,針對5個自由度的二次懸掛體系的動力特性做了數(shù)值分析,并具體分析了在系統(tǒng)穩(wěn)定時垂向和搖頭運動的干擾范圍和控制參數(shù)。分析表明,列車與軌道耦合系統(tǒng)的特性若忽略軌道變形,其結(jié)果是不同的。

4控制系統(tǒng)動力穩(wěn)定性分析

磁懸浮列車的穩(wěn)定性分為懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動3個方面。對電磁懸浮列車而言,由于電磁吸力與懸浮間隙的平方成反比關(guān)系,使得電磁懸浮系統(tǒng)本身存在固有的不穩(wěn)定性。同時,磁懸浮列車的負(fù)載變化大,工作環(huán)境復(fù)雜,要求有控制能力強(qiáng)并對模型和參數(shù)變化不敏感的非線性控制系統(tǒng)與之相匹配。磁懸浮列車系統(tǒng)是多磁系統(tǒng),它與單磁系統(tǒng)不同,當(dāng)電磁鐵提供最大升起力時,磁鐵處在“力-距離特性曲線”中非線性部分。控制系統(tǒng)的增益與特性曲線上工作點的斜率成正比。因此,工作條件的變化將大大降低系統(tǒng)的瞬時特性,甚至?xí)茐姆€(wěn)定性。多磁系統(tǒng)還存在機(jī)車底盤上的磁鐵多種機(jī)械解耦和各磁鐵控制系統(tǒng)的機(jī)械解耦。因此,電磁型磁懸浮列車的穩(wěn)定控制是很困難的。

在文獻(xiàn)[20～22,26]中,動力控制系統(tǒng)往往被簡化成等效彈簧,忽略了軌道變形對實際控制系統(tǒng)動力穩(wěn)定性的影響。Meisenholder和Wang[34]曾用Laplace變換方法研究了剛性軌道的磁浮體鉛直運動的穩(wěn)定性[35]。周又和等[36]研究了懸掛式電磁懸浮體在鉛垂方向運動的動力控制穩(wěn)定性問題,對剛性軌道上的磁浮控制問題給出了控制參數(shù)的穩(wěn)定區(qū)域。對于考慮了軌道彈性的磁懸浮動力系統(tǒng),在對彈性軌道采用了振動模態(tài)函數(shù)展開后,其動力系統(tǒng)可由周期變系數(shù)的線性常微分方程組所描述。目前,對周期變系數(shù)線性常微分方程的動力穩(wěn)定性分析多數(shù)是建立在Floquet理論基礎(chǔ)上的[37～39]。陳予恕等指出在動力系統(tǒng)中,Lia2punov特性指數(shù)作為相鄰軌線間的平均指數(shù)發(fā)散或收斂的指標(biāo),在研究系統(tǒng)混沌運動方面有重要作用[40]。

KruzerE發(fā)現(xiàn),Liapunov特征指數(shù)等于其系數(shù)矩陣特征值的實部,當(dāng)常系數(shù)線性常微分方程動力系統(tǒng)的所有Liapunov指數(shù)小于零時,動力系統(tǒng)是穩(wěn)定的,否則,動力系統(tǒng)是不穩(wěn)定的[41]。這一方法,避免了求解全部特征值后才能判別動力系統(tǒng)穩(wěn)定性的不便。但對于由周期變系數(shù)線性常微分方程組描述的動力系統(tǒng),沒有給出用Liapunov特性指數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的依據(jù)。周又和等針對這個問題,建立了特性指數(shù)與由理論得到的變換矩陣特征值之間的對應(yīng)關(guān)系,并給出了用特性指數(shù)判別磁浮列車控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法[42]。

5結(jié)論

在磁場與承載能力的研究方面,在諸多文獻(xiàn)中,單鐵力的計算多是簡化方法,忽略了漏磁通、磁心和導(dǎo)軌中的磁阻。然而,磁懸浮列車高速運行時產(chǎn)生的電磁阻力,將降低有效懸浮力,產(chǎn)生額外的磁勢要求,并影響控制系統(tǒng)。電磁阻力的大小還直接影響到直線電機(jī)的驅(qū)動功率,對整個系統(tǒng)的運行經(jīng)濟(jì)性也有一定的影響[43]。建議:①在單鐵力的計算中,考慮熱損耗、漏磁通的影響,分析磁阻對有效懸浮力的影響;②在此基礎(chǔ)上,建立在軌道平曲線和豎曲線處或軌道不平處,單鐵力在垂直方向以外的力和力矩的計算公式和方法。

在磁懸浮列車動力學(xué)研究方面,主要集中于分析測試控制參數(shù)和系統(tǒng)特征參數(shù)對磁懸浮系統(tǒng)的動力特性影響。彈性軌道對動力控制穩(wěn)定性及其動力特性有影響,這一點已為人們所接受。在研究磁力作用下軌道梁的特性基礎(chǔ)上,建立了磁懸浮列車與彈性軌道耦合的鉛垂方向的動力學(xué)模型。事實上,磁懸浮列車是一個復(fù)雜的多體系統(tǒng),運動規(guī)律很復(fù)雜,除側(cè)滾外(防側(cè)滾梁限制),還有伸縮、側(cè)移、升降及搖頭、點頭5個自由度,僅建立鉛垂方向的模型不足以反映列車的運動狀態(tài)。文獻(xiàn)[33]中XiaoJingZheng等雖然針對5個自由度的二次懸掛體系的動力特性做了數(shù)值分析,但主要側(cè)重于控制方面。

建議:①建立能反應(yīng)每節(jié)車廂由4個完全相同但又獨立控制的磁浮架的動力模型;②分別假設(shè)車廂為剛性和柔性,數(shù)值仿真模型列車通過平面曲線和豎曲線的情況;③分析懸浮列車啟動時,列車與軌道共振的力學(xué)原理。

控制系統(tǒng)動力穩(wěn)定性分析方面,主要根據(jù)系統(tǒng)動力特性的數(shù)值研究、數(shù)值仿真結(jié)果,得出系統(tǒng)受控穩(wěn)定情況下的控制參數(shù)。在上述文獻(xiàn)中,都沒有考慮磁阻力的情況,也沒有考慮諸如負(fù)載變化、強(qiáng)側(cè)風(fēng)、軌道附近有振(震)動源(諸如建筑工地打樁)、外界磁場波動等對磁浮系統(tǒng)的影響。在磁懸浮氣隙不超過1cm,氣隙波動控制在1mm的情況下,這些因素是否不予考慮,有待商討。

參考文獻(xiàn):

[1]EarnshowS.Onthenatureofthemolecularforceswhichreg2ulatetheconstitutionofthelumiferousether[R].TransactionCambridgePhilosophySociety.1842.7.97—112.

[2]BraunbekW.FreischwebendeK?rperimelectircschenundmagnetischenFeld[R].Z.Phys..112,1939.753—763.

[3]JungV.MagnetischesSchweben[M].Berlin:Spring2Berlag,1988.

[4]BrezezinaW,LangerholsJ.Liftandsideforcesonrectangularpolepiecesintwodimensions[J].JournalofAppliedphysics,1974,45(4):1868—1872.

[5]謝云德,常文森.電磁型磁浮列車單鐵力的計算及運動穩(wěn)定性和可控性研究[J].鐵道學(xué)報,1995,16(1).

[6]MasadaE.DevelopmentofMaglevTransportationinJapan:PresentStateandFUTUREProspects[A].Maglev’93[C].Argonne:ArgonneNationallaboratory,May1993.

[7]Seki,Tomohiro.TheDevelopmentofHSST21001.Engineer2ingDevelopment[A].Tokyo.Japan:HSSTDeveloopmentCorporation,Chiyoda2ku,1995.

[8]MatsumotoA,etal.VehicleDynamicsandRidingQualityofaMaglev2TypeUrbanTransportaionSystemCHSST2100[A].TheInternationalConferenceonSpeedUpRechnologyforTailwayandMaglevVehicels[C].Yokohama:JSME,Nov.1993.

[9]尹力明.磁懸浮轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)關(guān)系及部件強(qiáng)度的計算方法[J].機(jī)車電傳動,1997,(5).

[10]YoshiokaH,等.山梨磁懸浮試驗線車輛MLX01的動力學(xué)性能[J].國外鐵道車輛,2000,37(5).

[11]YoshiokaH,WatanabeK.Dynamiccharacteristicsofside2wallmagnetically2levitatedvehicles[A].ProceedingsoftheinternationalConferenceonSpeedupTechnologyforRailwayandMaglevVehicles[C].1993,103—108.

[12]YoshiokaH,SuzukiE,SeinoHE,AzakamiM,OshimaH,NakanishiT.ResultsofrunningtestsandcharacteristicsofthedynamicsoftheMLX01YamanashiMaglevTestLineve2hicles[A].Proceedingsofthe15thinternationalConferencesonMAGLEV’98[C].1998.25—230.

[13]HiroshiYoshioka,ErimitsuSuzuki,HiroshiSeinoetal.CharacteristicsoftheDynamicsoftheMLX01YamanashiMaglevTestLineVehicles[J].QuarterlyReportofRTRI,Jun.’98,39(2).

[14]趙志蘇,尹力明,羅昆.磁懸浮列車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運動分析與設(shè)計[J].機(jī)車電傳動,2000.

[15]MasadaE.PresentStatusofMaglevdevelopmentinJapanandHSST203Project[A].MaglevInternationalConferenceon1984[A].9—22.

[16]GottzionE.StatusofHighSpeedMaglevtraindevelopmentIntheFRG[A].InternationalConferenceonMaglev1984[C].23—36.

[17]MillerL.TRANSRAPID06IIperformanceandcharacteris2tics[A].Inter.ConferenceonMaglev1987[C].155—160.

[18]KortumW.SimulationoftheDynamicsofHighSpeedGroundTransportationVehicleswithMEDYNApotentialsandcaseStudies[A].IntConfonMaglevandLinearDrivers[C].May,1987.99—112.

[19]KortumW.ModellingandSimulationofActivityinEngi2neering[A].In:W.F.AmesetalIMAC(NTH2HOL2LAND)[C].PublishingCompany,1985.91—101.

[20]ChiuWS,SmithRG,WormleyDN.Influenceofvehicleanddistributedguidewayparametersonhighspeedvehicle2guidewaydynamicinteractions[J].J.ofDynamicSystem,MeasurementandControl,Trans.ASME.,1971,93:25—34.

[21]MeisenholderSG,WangTC.Dynamicanalysisofanelec2tromagneticsuspensionsystemforasuspendedvehiclesystem[A].U.S.FederalRailAdministrationReport[C],1972,No.FRA2RT27321.

[22]KatzRM,NeneVD,RaveraRJ,etal.Performanceofmagneticsuspensionsforhighspeedvehiclesoperatingoverflexibleguideways[J].J.ofDynamicSystems,MeasurementandControl,Trans.ASME.,1074,96:204—212.

[23]ChuD,MoonFC.Dynamicinstabilitiesinmaglevlevitationinthethintracklimit[J].JournalofAppliedPhysics,1983:1619—1625.

[24]ChiuWS,SmithRG,WormleyDN.InfluenceofVehicleandDistributedGuidewayParametersonHighSpeedVehicle2GuidewayDynamicInteraction[J].JournalofDynamicSys2tems,MeasurementandControl,TransactionoftheASME93,1971,25—34.

[25]KatzRM,NeneVD,RaveraRJ,SkalskiCA.Perfor2manceofMagneticSuspensionsforHighSpeedVehiclesOp2eratingoverFlexibleGuideways[J].JournalofDynamicSys2tems,MeasurementandControl,TransactionoftheASME106,1974,204—212.

[26]CaiY,ChenSS,RoteDM,etal.Vehicle/guidewayinter2actionforhighspeedvehiclesonaflexibleguideway[J].J.ofSoundandVibration,1994,175:625—646.

[27]CaiY,ChenSS,RoteDM.Vehicle/guidewaydynamicin2teractioninmaglevsystem[J].J.ofDynamicSystem,Mea2surementandControl,TransASME,1996,118:526—530.

[28]謝云德,常文森.電磁型(EMS)磁懸浮列車系統(tǒng)鉛垂方向的建模與仿真[J].鐵道學(xué)報,1996,17(4).

[29]武建軍,鄭曉靜,周又和.彈性軌道上二自由度磁懸浮列車的動力特性分析[J].振動工程學(xué)報,1999.

[30]謝云德,常文森,尹力明.磁懸浮列車系統(tǒng)軌道動力學(xué)分析與試驗研究[J].國防科技大學(xué)報,1997.

[31]ZhangY,XuSG.AnalysisofDynamicResponseforHTSMaglevVehicleModel[J].PhysicaC,2000,341—348:2603—2604.

[32]OhashiS,OhsakiH,MasadaE.RunningCharacteristicsoftheMagneticallyLevitatedTraininaCurvedTrackSection[J].IEEETransactionsonMagnetics,September1997,33(5).

[33]XiaoJingZheng,JianJunWuandYou2HeZhou.NumericalAnalysesonDynamicControlofFive2Degree2of2FreedomMa2glevVehicleMovingonFlexibelGuideways[J].JournalofSoundandVibration,2000,235(1):43—61.

[34]MeisenholderSG,WangTC.Dynamicanalysisofanelec2tromagneticsuspensionsystemforasuspendedvehiclesystem[A].USFederalRailAdministrationReport[C],No.FRA2RT27321.1972.

[35]MoonFC.Magneto2SolidMechanics[M].NewYork:JohnWeilyandSons,1984.272—274.

[36]周又和,鄭曉靜.具有反饋控制的電磁懸浮體的動力穩(wěn)定性[J].振動工程學(xué)報,1997.

[37]NayfehAH,MookDT.NonlinearOscillations[M].NewYork:JohnWiley,1979.

[38]武際可,蘇先樾.彈性系統(tǒng)的穩(wěn)定性[M].北京:科學(xué)出版社,1994.

[39]凌復(fù)華.周期系數(shù)線性常微分方程穩(wěn)定性區(qū)域的邊界的數(shù)值計算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,1983,17:57—68.

[40]陳予恕,唐云.非線性動力學(xué)中的現(xiàn)代分析方法[M].北京:科學(xué)出版社,1992.

[41]KruzerE.Numericalresearchesofnon2linearDynamics[M].TranslatedbyLingFuhua.Shanghai:PublishingHouseofShanghaiJiaotongUniversity,1989(inChinese).

篇8

工程熱力學(xué)課程的特點是理論性強(qiáng)、概念抽象，教學(xué)難度大。在缺少專業(yè)工程背景的情況下，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感覺較為困難，甚至茫然不知所云。如何使學(xué)生能夠較好地掌握教學(xué)內(nèi)容及熱力學(xué)基本內(nèi)容，是工程熱力學(xué)課程教學(xué)的根本所在。在多年的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)在課堂教學(xué)中，除了需要借助優(yōu)美的PPT多媒體課件來展示熱力學(xué)過程，更需要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)的興趣，在引入一些工程實例的基礎(chǔ)上，激勵學(xué)生去思考，及時地與學(xué)生就教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行討論，促進(jìn)學(xué)生對知識點的掌握和領(lǐng)悟。與常規(guī)教學(xué)方法相比，課堂教學(xué)不再是文字、公式的羅列，PPT動畫的簡單演示，而是把教學(xué)的核心放在啟迪學(xué)生對熱力學(xué)概念、原理的思考及把握上，使學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的同時，熟悉熱力學(xué)的系統(tǒng)內(nèi)容、章節(jié)間的邏輯關(guān)系、基本原理等，形成對熱力學(xué)的一種系統(tǒng)的總體的認(rèn)識和把握，而不是零散地去背誦記憶一些片段。通過這種激勵啟發(fā)式的教學(xué)，使學(xué)生做到理論和實際工程案例的結(jié)合，從而使熱力學(xué)知識很好地固化在學(xué)生的大腦中，并且達(dá)到靈活應(yīng)用的目的。激勵啟發(fā)式教學(xué)，需要教師在課堂教學(xué)前充分準(zhǔn)備，精心設(shè)計課堂教學(xué)內(nèi)容的每個環(huán)節(jié)，圍繞章節(jié)內(nèi)容中的重點知識內(nèi)容，設(shè)計問題及啟發(fā)實例，并完成課堂互動討論的教學(xué)組織，在此過程中需要教師飽含激情和較好的耐心，使學(xué)生在嚴(yán)肅活潑的氛圍中掌握熱力學(xué)的相關(guān)知識。

二、改進(jìn)課堂教學(xué)PPT，增加工程實例

工程熱力學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，與工程實際密切相關(guān)。在教學(xué)過程中，需要有很多的工程問題作為背景。以教科書為單一內(nèi)容的PPT演示，并不能滿足課堂學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)的興趣及深入掌握熱力學(xué)知識，迫切需要在傳統(tǒng)課件中加入工程實例，利用多媒體技術(shù)全面展示熱力學(xué)的工程應(yīng)用，使學(xué)生在工程案例的演示中發(fā)現(xiàn)并體會工程熱力學(xué)的重要性及美感。通過工程案例的學(xué)習(xí)，使課堂教學(xué)內(nèi)容圖文并茂，聲像結(jié)合，使學(xué)生在多方位、立體化地形成認(rèn)知并達(dá)到對熱力學(xué)知識的理解、分析、記憶、掌握和應(yīng)用。對于熱力學(xué)工程案例，我們選取了真空做功、制冷循環(huán)，內(nèi)燃機(jī)等工程機(jī)械作為實例，進(jìn)行詳細(xì)分析和講授。工程案例的引入，將實際生活中與熱力學(xué)相關(guān)的問題引入到教學(xué)中，用所學(xué)知識來解釋工程問題，在講解中讓學(xué)生明白熱力學(xué)知識可以解決本專業(yè)涉及的實際專業(yè)問題，從而實現(xiàn)“從理論中來，到實踐中去”，實現(xiàn)對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

三、將工程熱力學(xué)的學(xué)習(xí)融入大學(xué)生創(chuàng)新項目中

在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中，需要提升學(xué)生運用基礎(chǔ)理論進(jìn)行學(xué)術(shù)研究的能力和具有工程應(yīng)用背景的有關(guān)開發(fā)、設(shè)計的能力。大學(xué)生創(chuàng)新項目的實施，有利于促進(jìn)高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和能力的新型人才，促進(jìn)高校探索并建立以科研活動為中心的教學(xué)模式，倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的本科人才培養(yǎng)和研究性學(xué)習(xí)教學(xué)改革，充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，同時在項目實施中使學(xué)生逐漸掌握思考問題、解決問題的能力。結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項目，結(jié)合建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程的專業(yè)特點，在指導(dǎo)學(xué)生大創(chuàng)項目時，將熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和卡諾定律應(yīng)用其中，使學(xué)生明白能源利用的守恒性，以及如何提高熱力循環(huán)的效率，減少不可逆損失，這些都成為學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識來解決實際問題的一種鍛煉。學(xué)生在科研項目中，深化了對熱力學(xué)知識的認(rèn)識，同時提高了自己思考問題、解決問題的能力。同時，鼓勵學(xué)生積極參加各類挑戰(zhàn)杯、建筑節(jié)能比賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽等，通過這些競賽活動進(jìn)一步提升自己的創(chuàng)新能力。

四、改進(jìn)課后作業(yè)完成形式，增加分析報告

工程熱力學(xué)課程是一門實踐性很強(qiáng)的課程，其中很多理論已用于工業(yè)過程。因此，在課后作業(yè)中，需要對傳統(tǒng)布置練習(xí)題來檢驗教學(xué)成果的方式進(jìn)行改進(jìn)，增加一些實際工業(yè)循環(huán)的實例，讓學(xué)生通過分析其所應(yīng)用的原理，提交分析報告，并指出該工業(yè)過程效率提高的方式和途徑，以這樣的方式來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。同時，精選一些課后習(xí)題，通過詳解的方式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和解決問題的能力，進(jìn)一步促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。創(chuàng)新是實現(xiàn)社會持續(xù)不斷向前發(fā)展的原動力，也是培養(yǎng)和造就一大批素質(zhì)過硬、勇于創(chuàng)新的新世紀(jì)人才，保證國家高速發(fā)展的有力保障。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)來自于理論和課堂，更在于理論和課堂之外的親身體會和具體的實踐操作。

本文從工程熱力學(xué)教學(xué)與工程實例結(jié)合，與科研活動結(jié)合，改進(jìn)課堂教學(xué)組織模式和課后作業(yè)完成形式等方面，探討了以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)下的工程熱力學(xué)教學(xué)改革與實踐，希望能夠進(jìn)一步提高工程熱力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和效果。

作者:高蓬輝 張東海 王義江 黃 煒 單位:中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系

參考文獻(xiàn)：

[1]岳丹婷,呂欣榮,李青.深化熱工教學(xué)改革加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].2002,(4):86-88.

[2]譚羽非.突出專業(yè)特點改革工程熱力學(xué)課程教學(xué)的研究與實踐[J].高等建筑教育,2004,(13):39-43.

篇9

1工程簡介

溪洛渡水電站位于四川和云南視壤的金沙江峽谷中[13]。電站總裝機(jī)容量12600MW，共計18臺700MW的水輪發(fā)電機(jī)組。該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地下洞室群布置復(fù)雜、縱橫交錯，尤其是左岸地下廠房軸線與最大主應(yīng)力呈較大角度相交，對廠房洞室穩(wěn)定不利，而且廠房又位于高地震烈度區(qū)(高達(dá)Ⅷ度)，如此超大規(guī)模的地下洞室群在施工期和運行過程長期安全穩(wěn)定問題，都是前所未遇的。電站廠房采用全地下式，分左、右岸地下廠房，各布置9臺機(jī)組。左岸地下廠房布置在大壩上游山體內(nèi)，總裝機(jī)容量為6300MW.廠房軸線為N24°W，三大洞室平行。

圖1左岸地下廠房洞室群布置方案

主廠房尺寸為318.03m×31.9/28.40m×75.10m(長×寬×高)，廠房總長度426.0m.主變室長325.52m，寬19.8m，高26.5m.尾水調(diào)壓室長300.0m，寬26.5/25.0m，高95m，中間設(shè)兩條巖柱隔墻，厚18.0m。如圖1所示。

左岸廠房頂拱圍巖由P2β4、P2β5、P2β6層玄武巖組成。巖體新鮮較完整，無大的斷層切割，層間錯動帶一般不發(fā)育。層內(nèi)錯動帶以P2β6下部及P2β4、P2β5層內(nèi)相對較發(fā)育，錯動帶一般寬5～10cm，擠壓緊密，為巖塊巖屑型。裂隙以陡裂和緩裂為主，中傾角裂隙一般不發(fā)育。

2模型相似條件設(shè)計

經(jīng)過與設(shè)計單位協(xié)商，確定模型的幾何比尺為1/100，材料容重比尺為1.之所以這樣確定，主要是考慮到開挖模擬的可操作性，以及相似物理量之間換算關(guān)系的簡化。根據(jù)試驗相似理論和上述幾何比尺，進(jìn)行了如下的模型相似條件設(shè)計：用下標(biāo)p代表原型，下標(biāo)m代表模型，K代表相似比尺，L為長度，u為位稱，E為彈性模量，G為剪切模量，γ為容重，σ為應(yīng)力，σo為初始地應(yīng)力，ε為應(yīng)變，ν為泊松比，φ為摩擦角，C為粘聚力，Rc為抗壓強(qiáng)度，Rt為抗拉強(qiáng)度。如設(shè)實際巖體的容重為γp，模型材料的容重為γm，則容重相似比尺為：

與應(yīng)力有相同量綱的物理量均有與應(yīng)力相同的相似比尺，即材料彈性模量、剪切模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、粘聚力，初始地應(yīng)力和面力荷載的相似比尺均為100.

3試驗要點及關(guān)鍵技術(shù)

本試驗研究對象為左岸地下廠房洞室群，包括主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、母線道和尾水管。

3.1模擬范圍地下廠房順?biāo)鞣较虻纳舷掠胃魅∪蠖词易畲箝_挖跨度的1～1.5倍長度，實際各約為1.27倍，總長度為620m；沿高程方向的下方取到洞室高度的1～1.5倍，實際取為1.45倍～1.85倍，達(dá)到海拔200m；上方取到地面，實際模型作到海拔670m，其上部作為荷載加在模型頂面；沿主廠房的縱軸線方向取3個機(jī)組段長度(自5號機(jī)組中心線至8號機(jī)組中心線)，為102m.因為模型幾何比尺為1/100，所以巖體模型尺寸為長×高×寬＝6.20m×4.70m×1.02m.

3.2地形及地質(zhì)條件模擬對模型試驗范圍內(nèi)的地形、地貌、地質(zhì)材料和三維地質(zhì)構(gòu)造如層間和層內(nèi)錯動帶進(jìn)行了模擬，模型基本滿足幾何、物理、力學(xué)相似條件。

3.3初始地應(yīng)力場模擬三維原始地應(yīng)力的模擬是本試驗的關(guān)鍵和難點。經(jīng)過研究、論證和試驗，本試驗中首次提出并研制了“離散化多主應(yīng)力面加載及控制系統(tǒng)”，成功地模擬了三維地應(yīng)力場，保證了試驗的初始條件。離散型三維多主應(yīng)力面加載系統(tǒng)，是在地質(zhì)力學(xué)模型仿真試驗中，首次提出使用的一種能近似模擬復(fù)雜三維空間地應(yīng)力場的加載系統(tǒng)。

它的基本思路來源于有限元、邊界元、離散元等將研究域離散化進(jìn)行數(shù)值分析的原理，把需要模擬的復(fù)雜變化地應(yīng)力分布場，離散為有限多個微小的單元應(yīng)力場，并認(rèn)為此單元應(yīng)力場為一個等效的均勻應(yīng)力場。用一組垂直于該單元應(yīng)力場主應(yīng)力矢量的微小主應(yīng)力面，代替原來的斜截面，并在這一組主應(yīng)力面上按照等效主應(yīng)力的大小施加法向力，就達(dá)到了模擬這一單元應(yīng)力場的目的(如圖2).對各個離散的單元應(yīng)力場均進(jìn)行這樣的操作，就可以完成整個試驗域復(fù)雜變化的應(yīng)力場的模擬。

圖2離散化多主應(yīng)力面加載原理示意

這一加載系統(tǒng)由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、封閉式鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁、支撐鋼架和空氣壓縮機(jī)組成。此外還有壓力監(jiān)測和報警輔助系統(tǒng)，以保證試驗期間的壓力穩(wěn)定。

3.4開挖過程模擬按照數(shù)值計算優(yōu)選的開挖步序(如圖3所示)，對試驗范圍內(nèi)地下洞室群的隱蔽開挖進(jìn)行了模擬。本試驗中隱蔽性開挖的洞室包括尾水管和母線廊道，尾水管的隱蔽開挖長度為125m，而且為漸變的城門洞形斷面，母線道斷面也為城門洞形，但是靠近主變室一側(cè)13m一段斷面加大，造成母線道斷面突變。這些都給開挖模擬帶來極大困難。隱蔽開挖無法采用一般的手工鉆進(jìn)方法，需要設(shè)計專門的鉆鑿機(jī)具。經(jīng)過反復(fù)研究試驗，開發(fā)出隱蔽開挖機(jī)器臂和微型步進(jìn)式掘進(jìn)機(jī)，以及與之配合使用的隱蔽洞室內(nèi)窺系統(tǒng)，成功解決了這一技術(shù)難題。如圖4所示。

圖3地下廠房洞室群開挖分期設(shè)計

3.5支護(hù)方案模擬按照數(shù)值計算優(yōu)選的支護(hù)方案，對錨固支護(hù)(包括三大洞室的噴混凝土、錨索)進(jìn)行了模擬。按照設(shè)計支護(hù)方案，錨索按實際位置模擬并施加預(yù)應(yīng)力。系統(tǒng)錨桿與噴混凝土聯(lián)合模擬為掛金屬絲網(wǎng)涂漿。錨索模擬材料采用金屬鋁線或細(xì)銅絲束，用建筑膠漿固結(jié)，以螺旋加載方式施加預(yù)應(yīng)力。

3.6施工模擬過程中的多種方式洞室內(nèi)部收斂變形及破壞形態(tài)量測在主廠房、主變室、尾調(diào)室三個主要洞室中，采用預(yù)埋多點位移計方式進(jìn)行了內(nèi)部收斂以及洞周圍巖深度變形量測；采用光導(dǎo)纖維進(jìn)行了內(nèi)部變形的量測；采用超聲波測量方法進(jìn)行了洞周圍巖屈服松動區(qū)的量測；采用內(nèi)部攝影方式進(jìn)行了內(nèi)部破壞形態(tài)的觀測。

3.7內(nèi)部應(yīng)力場分布量測在主廠房、主變室、尾調(diào)室圍巖中的適當(dāng)位置，預(yù)埋三向應(yīng)變計、應(yīng)變花，進(jìn)行了應(yīng)力場分布量測。在重要位置，預(yù)埋光纖傳感器，與應(yīng)變片測量相比較，測量應(yīng)力場分布。

圖4隱蔽洞室開挖微型步進(jìn)TBM示意

4試驗過程和結(jié)果

試驗自2000年5月開始各項前期工作，包括場地準(zhǔn)備、試驗臺設(shè)計和施工、模型材料設(shè)計和試驗、模型制作和傳感器埋設(shè)、地應(yīng)力場生成和監(jiān)控系統(tǒng)研制、隱蔽洞室開挖系統(tǒng)研制和試運行、測量儀器的研制和準(zhǔn)備等。2001年7月15日正式實施洞室開挖模擬，量測系統(tǒng)進(jìn)行同步量測，采集數(shù)據(jù)，至2001年8月18日完成洞室群開挖。試驗得出的洞群圍巖變形、應(yīng)力應(yīng)變、屈服區(qū)分布等情況如下。

4.1位移主廠房頂拱最大下沉為37.5mm，主變室頂拱下沉為23mm，尾水調(diào)壓室頂拱為34mm.各個洞室頂拱的變形隨開挖量的增加均以下沉為主，開挖后期伴隨有少量的上抬。這與同時進(jìn)行的數(shù)值計算相比頂拱位移偏大一些，這是由于模型試驗中準(zhǔn)確地模擬了層內(nèi)錯動帶的影響，而計算中則有所簡化。尾水調(diào)壓室邊墻比主廠房邊墻高20多米，初估最大水平位移應(yīng)該更大些，但尾水調(diào)壓室中間隔墻起到了限制變形的作用，從而減少了水平位移值。主變室與尾水調(diào)壓室之間巖柱的上下游方向水平尺寸有所增大。

圖5地下廠房洞周圍巖位移分布

而主廠房與主變室之間的巖柱在上下游方向則有所壓縮，是由于母線道對這部分巖柱削弱較多引起的。試驗中所揭示的各個方向的位移量均不大，分布合理。除三大洞室頂拱位移比計算值略大之外，其它與計算值都很接近，洞周沒有發(fā)現(xiàn)明顯的開裂或位移突變。圖5給出了洞周圍巖位移分布。

4.2應(yīng)力主廠房上游拱肩和拱腳處、尾水調(diào)壓室上游拱肩和拱腳處均有拉應(yīng)力出現(xiàn)。尾水調(diào)壓室下游邊墻5m范圍內(nèi)的巖體大部分存在拉應(yīng)力，10m之外則呈現(xiàn)為壓應(yīng)力。隨開挖的進(jìn)行，洞室交叉部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，凡是壓應(yīng)力的則壓應(yīng)變值為原來的1.5～2.2倍。產(chǎn)生拉應(yīng)力的部位則給出了很大的拉應(yīng)變值，明顯不大合理，可能是粘貼應(yīng)變片的塊體發(fā)生破裂造成的。但是可以從中判斷是出現(xiàn)了拉應(yīng)力。拉、壓應(yīng)力分布范圍與計算結(jié)果接近。光纖傳感器量測的結(jié)果比較有規(guī)律，隨尾水調(diào)壓室高邊墻的逐漸形成，邊墻表面巖體應(yīng)力松馳，壓應(yīng)力降低甚至產(chǎn)生拉應(yīng)力，而壓應(yīng)力分布有向深部巖體傳遞的趨勢。

4.3超聲波測量試驗中采用超聲波測速與位移沿巖體深度分布規(guī)律相結(jié)合的方法判斷屈服松動區(qū)。洞周巖體波速最低處為尾水調(diào)壓室的底部和頂拱，波速比未開挖前降低了40%～50%.三大洞室頂拱的巖體波速，主變室頂拱最高，達(dá)900～1000m/s，主廠房頂拱次之，為800～900m/s，尾調(diào)室頂拱最低，為400～500m/s.與地質(zhì)剖面相比較可以看出，這一結(jié)果恰恰和這些洞室所在地層及地質(zhì)構(gòu)造相吻合。根據(jù)聲波測量和位移測量結(jié)果的綜合比較和分析，得到各洞室周圍屈服區(qū)的范圍(圖6).

圖6地下廠房洞周屈服區(qū)分布

4.4錨固支護(hù)系統(tǒng)根據(jù)地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的經(jīng)驗，洞室圍巖越穩(wěn)定，圍巖的整體性越好(早期噴錨支護(hù)可以增加這種整體性)，則在后期開挖過程中，洞室上抬的趨勢越明顯。XA-22支護(hù)方案在主廠房頂拱埋設(shè)的兩排錨索，穿過了層內(nèi)錯動帶，增加了頂拱的整體性，是很必要的。雖然本試驗中尚不能定量地比較這種錨固的作用，但定性上已經(jīng)可以說明模擬的錨固系統(tǒng)對增加洞室圍巖的完整性和整體性，起了明顯的作用，這是數(shù)值計算中沒有反映出來的。通過對模型錨索應(yīng)力的測量，反映出對目前的開挖方案，錨索應(yīng)力有明顯增加。因為尾調(diào)室是上下先開挖然后中間再挖通，高邊墻有一個突然形成的過程。雖然這一情況因為中間隔墻的存在而減弱，但對離隔墻遠(yuǎn)一些的部位仍有一定的沖擊作用?？紤]到這一點，尾調(diào)室上下游邊墻錨索的預(yù)應(yīng)力施加應(yīng)有所控制，而隔墻的加固應(yīng)適當(dāng)提前。

篇10

r=kθAθOH(1)

式中k--表面反應(yīng)速度常數(shù)

θA--有機(jī)物分子A在TiO2表面的覆蓋度

θOH--TiO2表面的·OH覆蓋度

在一個具體的恒定的體系中，θOH可以認(rèn)為不變，假定產(chǎn)物吸附很弱，則θA可由Langmuir公式求得，式(1)可最終變?yōu)?/p>

1/r=1/kKA·1/CA·1/k

式中KA--A在TiO2表面的吸附平衡常數(shù)

CA--A的濃度

上式即為LangmuirHinshelwood動力學(xué)方程，表明1/r與1/CA之間服從直線關(guān)系。分析(2)式可知：

①當(dāng)A的濃度很低時，KACA<<1，此時ln(CAo/CA)-t為直線關(guān)系，表現(xiàn)為一級反應(yīng)。

②當(dāng)A的濃度很高時，A在催化劑表面的吸附達(dá)飽和狀態(tài)，θA≈1，此時CA-t為直線關(guān)系，表現(xiàn)為零級反應(yīng)動力學(xué)。

③如果濃度適中，反應(yīng)級數(shù)介于0～1。

所以，L-H方程意味著隨反應(yīng)物濃度的增加，光催化氧化反應(yīng)的級數(shù)將由一級經(jīng)過分?jǐn)?shù)級而下降為零級。

1實驗裝置與方法

TiO2膜的制備及實驗裝置同文獻(xiàn)［1］。采用主波長253.7nm的紫外光殺菌燈或主波長365nm的黑光燈作光源。酚濃度采用4-氨基安替比林直接光度法測定［2］。

2實驗結(jié)果與討論

2.1光催化動力學(xué)規(guī)律

苯酚水溶液在黑光燈/TiO2膜處理方式下的降解規(guī)律與L-H方程揭示的隨反應(yīng)物濃度減少，反應(yīng)的級數(shù)將由零級逐漸過渡到一級的動力學(xué)變化過程十分吻合。酚濃度與處理時間的關(guān)系見圖1。在較高起始濃度時，表現(xiàn)為零級反應(yīng)動力學(xué)，C-t為直線關(guān)系。而對起始濃度3.60mg/L和2.40mg/L的苯酚水溶液，在60min以后，其C-t圖偏離了直線。但圖2反映出此時其ln(C0/C)-t之間服從直線關(guān)系，表明已轉(zhuǎn)變?yōu)橐患壏磻?yīng)。表1和表2分別給出了利用最小二乘法求得的黑光燈/TiO2膜光催化氧化不同濃度苯酚水溶液時的零級反應(yīng)動力學(xué)方程或一級反應(yīng)動力學(xué)方程和相關(guān)系數(shù)以及相應(yīng)的表觀速率常數(shù)和半衰期?？梢?，表觀零級速率常數(shù)在誤差范圍內(nèi)近似相等，表明在起始濃度較高時，光催化氧化的反應(yīng)速率與反應(yīng)物的濃度無關(guān)，而只與催化劑表面的狀態(tài)有關(guān)。隨起始濃度的增大，苯酚降解的半衰期增

殺菌燈/TiO2膜處理方式下，苯酚的光催化氧化在實驗采用的相當(dāng)寬的起始濃度范圍內(nèi)均表現(xiàn)為一級反應(yīng)動力學(xué)，實驗結(jié)果見圖3和表3。

殺菌燈/TiO2膜光催化氧化苯酚水溶液時，均相光解動力學(xué)對總反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律的影響是不容忽視的。為此，研究了殺菌燈光解苯酚水溶液的動力學(xué)規(guī)律。如圖4所示，殺菌燈光解不同起始濃度苯酚水溶液時的反應(yīng)規(guī)律符合一級動力學(xué)。

在起始濃度范圍基本相同的條件下(2.40～16.90mg/L)，殺菌燈/TiO2膜光催化氧化苯酚水溶液沒有表現(xiàn)出與黑光燈/TiO2膜光催化時相同的動力學(xué)變化過程。究其原因，除了殺菌燈光子能量高之外，短波紫外光的光解作用對純粹的光催化氧化反應(yīng)的干擾是顯而易見的。表4比較了殺菌燈光催化和殺菌燈光解苯酚水溶液時的表觀一級反應(yīng)速率常數(shù)和起始反應(yīng)速率?？梢?，對起始濃度較高的苯酚水溶液，殺菌燈光催化與殺菌燈光解的表觀一級反應(yīng)速率常數(shù)和起始降解速率相差不多，說明大量苯酚分子對光的吸收導(dǎo)致TiO2膜接受的光子數(shù)量減少，此時的反應(yīng)以光解為主。而對起始濃度較低的苯酚水溶液，殺菌燈光催化的表觀一級反應(yīng)速率常數(shù)與起始降解速率均遠(yuǎn)高于殺菌燈光解的對應(yīng)值，說明此時有足夠多的光子激發(fā)TiO2催化劑，光路距離未受影響，光催化作用表現(xiàn)突出。

另外，由圖1求出黑光燈/TiO2膜光催化氧化2.40mg/L苯酚水溶液的起始降解速率為0.0340mg/(L·min)，表觀一級反應(yīng)速率常數(shù)為0.0118/min，均遠(yuǎn)小于殺菌燈光催化同樣起始濃度苯酚水溶液時的對應(yīng)值(見表4)，表明殺菌燈光催化比黑光燈光催化的反應(yīng)速率大得多。

如L-H方程所描述，其反應(yīng)速率的倒數(shù)與起始濃度的倒數(shù)之間服從直線關(guān)系。但是，這一規(guī)律只是表面反應(yīng)的必要條件，并不充分。研究發(fā)現(xiàn)，苯酚在殺菌燈光催化和殺菌燈均相光解時的有關(guān)數(shù)據(jù)處理后均滿足L-H方程，如圖5、圖6所示。

2.2礦化動力學(xué)規(guī)律

這里提出的光催化礦化指有機(jī)物在光催化氧化時被最終礦化為CO2等簡單無機(jī)物的一連串反應(yīng)的總過程，以區(qū)別于只考慮有機(jī)物母體消失時的情況。d(TOC)/dt即代表了有機(jī)物在光催化氧化過程中的礦化速率。研究發(fā)現(xiàn)，不管哪種光源，TiO2膜光催化礦化起始濃度7.40mg/L苯酚水溶液的過程均服從一級反應(yīng)動力學(xué)，結(jié)果如圖7和表5所示。

可見，殺菌燈光催化礦化7.40mg/L苯酚水溶液時的一級反應(yīng)速率常數(shù)值是黑光燈光催化礦化時的3.5倍。另外，由表3與表5可見，殺菌燈/TiO2膜處理方式下，酚消失反應(yīng)的表觀一級反應(yīng)速率常數(shù)是酚礦化反應(yīng)的表觀一級反應(yīng)速率常數(shù)值的1.5倍，表明酚的礦化反應(yīng)滯后于酚的消失反應(yīng)，即在反應(yīng)過程中有中間產(chǎn)物生成，中間產(chǎn)物再進(jìn)一步降解為CO2。

3結(jié)論

①TiO2膜光催化氧化苯酚水溶液的動力學(xué)可以用LangmuirHinshelwood動力學(xué)方程描述，但L-H方程只是表面反應(yīng)的必要條件，并不充分。

②苯酚水溶液在黑光燈/TiO2膜處理方式下的降解規(guī)律與L-H方程揭示動力學(xué)變化過程相吻合。在實驗起始濃度范圍相同的情況下，殺菌燈光催化并沒有表現(xiàn)出黑光燈光催化時相同的動力學(xué)變化規(guī)律，主要原因是此時短波紫外光的光解作用對純粹的光催化氧化反應(yīng)的干擾。

③TiO2膜光催化礦化苯酚水溶液的過程服從一級反應(yīng)動力學(xué)方程。酚的礦化反應(yīng)滯后于酚的消失反應(yīng)。

④隨苯酚起始濃度的增大，苯酚光催化氧化的表觀一級反應(yīng)速率常數(shù)減小，半衰期延長。同樣反應(yīng)條件下，殺菌燈光催化氧化苯酚水溶液與殺菌燈光催化礦化苯酚水溶液的表觀一級反應(yīng)速率常數(shù)(或起始降解速率)均遠(yuǎn)大于黑光燈作光源時的對應(yīng)值。

參考文獻(xiàn)