适用可再生能源不确定特性的合成氨多稳态柔性工艺技术

双碳背景下,风光可再生能源发电是能源发展的重要方向,“绿氢”由于其长周期存储和零碳特征,可以有效解决风光电力消纳的难题,有望与电能一同成为未来能源体系的两大支柱。但是由于氢气自身特性和氢脆造成的材料瓶颈,“绿氢”发展遇到制储运多环节安全性与经济性挑战。绿电制氢制氨的“电制绿氨”路径被认为是解决“绿电”“绿氢”技术经济困局的重要途径之一。针对风光资源的不确定性,分析了基于合成氨“哈-博”工艺多种解决方案的优劣,提出了多稳态柔性“电制绿氨”工艺模式以解决“源网氢氨”复杂技术特征耦合下的设计、装置和运行问题;研究了多稳态柔性“电制绿氨”工艺的系统性技术架构、整定经济运行负荷与运行周期的最优化方法;开发了电氢氨一体化数字仿真模型,计及电力约束、资源波动、氢氨需求、系统运行效率和可靠性等因素,对全场景、全流程下的“电制绿氨”进行协同优化,形成了一套面向动态运行的绿电耦合化工的设计方法;研究了催化剂结构性能调优与合成塔内件结构的优化方法,开发了复杂变工况条件的催化剂宏观动力学模型,以及电氢氨一体化协同调度与智能控制技术。多稳态柔性“电制绿氨”工艺实现了合成氨经济运行负荷在30%~110%,负荷调节速率在0.5~1.0%/min,支持日、班,及班内多时域负荷调节要求,30%~110%负荷运行下单位合成氨综合能耗均优于GB 21344—2015《合成氨单位产品能源消耗限额》的标杆值。

忆阻耦合异构忆阻细胞神经网络的多稳态与相位同步研究

忆阻具有天然的可塑性,可实现与生物神经元和突触所具有的相似或相同机制的硅基神经元和纳米突触。将忆阻用作突触耦合两个异构的忆阻细胞神经网络,该文构建了一个忆阻耦合异构忆阻细胞神经网络。该耦合网络含有一个与忆阻突触初值条件和子网初值条件相关的空间平衡点集,可呈现出复杂的动力学演化。利用数值仿真方法,揭示了耦合网络依赖于初值条件而存在的稳定点、周期、混沌、超混沌以及无界振荡等多稳态行为。此外,在忆阻突触的调控下,两个异构子网可达成相位同步。最后,基于STM32单片机硬件平台完成了电路实验验证。

基于改进多稳态系统随机共振的轴承微弱故障诊断

针对传统随机共振方法在强噪声背景下对轴承微弱故障诊断中存在严重的边频干扰问题,提出了一种应用改进多稳态随机共振模型进行轴承微弱故障诊断的方法.在高斯白噪声和周期性激励作用下,推导得到了改进多稳态系统的平均首次穿越时间和功率谱放大因子的解析表达式.研究发现,存在一组最优的参数使得改进多稳态系统的随机共振效应最大化.将改进的多稳态随机共振模型应用于轴承内外圈的微弱故障诊断,并利用量子粒子群优化算法对系统参数和阻尼系数进行优化.研究结果表明,所提方法能够在强噪声背景下有效识别出微弱故障特征频率,且与传统多稳态随机共振方法相比,该方法解决了严重的边频干扰问题,输出信号特征频率处的频谱峰值更高,大大提高了轴承微弱故障诊断的性能.

多稳态力学超构材料研究进展

通过人工设计的微结构,力学超构材料能实现天然材料不具备的超常力学性能,如负泊松比、负热膨胀、多稳态、可调刚度等等。其中,多稳态力学超构材料因具有可重复使用、能量存储与吸收、快速变形和放大输出力等优异性能,激发了研究人员的兴趣。多稳态力学超构材料通常是利用双稳态结构单元的串联和/或并联实现的,在外界载荷作用下展示出多个稳定构型且可以互逆切换,具有广阔的应用前景。该文综述了多稳态力学超构材料主要设计策略及最新的研究进展,阐述了双稳态的概念、稳态转换势垒及相应的力学响应特性,分析了双稳态单元的设计原则;根据研究对象的不同,对双稳态单元及其多稳态超构材料研究进展进行了分析;讨论了多稳态构成的力学超构材料在能量吸收、软驱动、机械计算和波调控等领域的应用前景。最后,对多稳态力学超构材料的研究进行了总结,并对未来可能遇到的挑战和机遇进行了展望。

多层级曲梁多稳态超材料的可重用性研究

多稳态超材料凭借其出色的力学性能而广受关注和应用.然而,现有研究主要集中在单曲梁结构,对于由多层级曲梁单胞构建的复杂拓扑结构的可重复吸能特性缺乏深入探讨.此外,与传统材料相比,多稳态超材料在循环加载下的疲劳性能也鲜有研究.文章以两端固支直梁一阶屈曲模态为初始构型构造曲梁单胞,并通过3D打印技术制备双材料双稳态单元.进而建立多层级曲梁结构,并给出预测多层级曲梁正则化的力和势能随位移变化的5次、6次多项式经验公式,相比于以往3次、4次多项式结果更为准确.以双曲梁单胞为基本单元,通过中心旋转的方式设计三维点状多稳态超材料,研究其稳态性能和力学特性.并通过参数化分析研究单元几何参数和模块化拓扑构型对结构力学响应的影响,最后通过疲劳实验验证了该类多稳态超材料的疲劳寿命.该结构能够在小变形和大变形范围内实现正负刚度的转变,同时变形是弹性稳定的,即杨氏模量基本保持不变,且具有多稳态和可重复吸能特性.随着双曲梁几何参数Q(高厚比)的增大,其有效压溃距离和能量吸收效率随之增加.提出的设计策略为制造多稳态多步可逆变形的力学超材料开辟了新路径,并为设计材料-结构-功能一体化的工程材料提供了一种新思路.

半导体量子点分子-腔光机械耦合系统中光学双稳及多稳态的形成及调控

本研究探讨了外部磁场对半导体量子点分子与腔光机械耦合系统中光学双稳态行为的影响.研究结果显示,外部磁场、量子点之间的隧穿耦合以及探测光单光子的失谐可以有效地调控系统的光学双稳态.在弱隧穿和弱磁场条件下,系统的光学双稳态阈值和磁滞回线宽度随着外部磁场和点间隧穿耦合强度的增加而增大.随着磁场强度和隧穿耦合强度的进一步增加,系统的双稳态将演变为多稳态.有趣的是,在强隧穿和强磁场作用下,系统的光学双稳态阈值和磁滞回线宽度随着外部磁场和点间隧穿耦合强度的增加而减小.这种对耦合腔光机械系统中光学双稳态的灵活调控将在可控光开关方面具有潜在的广泛应用前景.

吸引子共存的四维多稳态混沌系统及同步电路

文中设计了一种具有多翼吸引子的四维混沌系统,通过改变系统的多组参数,观察到吸引子结构由四翼变为双翼。采用相图、Lyapunov指数谱、分岔图和复杂度等方法,验证系统的动力学特性。结果表明,通过改变系统参数和选择不同的初始值,系统呈现出极性相反但结构相似的吸引子共存现象。使用Multisim仿真软件进行了电路仿真,发现数值分析和模拟仿真结果一致,验证了系统的可实现性。最后,采用线性反馈同步法对该系统进行了同步控制,并成功实现了同步电路仿真。所设计系统具有丰富的多稳态特性,主从系统在极短的时间内达到了同步,同步效果良好,可广泛应用于保密通信领域。

具有超级多稳态的忆阻混沌系统的分析与实现

近年来,具有超级多稳态的混沌系统受到人们的广泛关注,为了进一步探究超级多稳态现象,基于忆阻器提出了一个新的四维忆阻混沌系统。通过庞加莱映射、时域波形图、Lyapunov指数谱和相轨图等分析了系统的动力学行为。实验结果表明,该系统不仅具有暂态混沌、恒Lyapunov指数等复杂动力学行为,还具有依赖于系统初始条件变化的分岔图偏移现象以及超级多稳态现象。特别地,当系统参数取不同离散值时,系统能产生随初始条件变化的“气泡”现象。最后,基于FPGA硬件平台实现了该系统,硬件实现与数值仿真结果基本一致,验证了系统的正确性与可行性。该系统具有很强的初值敏感性,可以将其应用在图像加密或保密通信等领域中。

基于分数阶双忆阻器的多稳态混沌系统及其FPGA实现

将分数阶微积分和忆阻器引入混沌系统可以增加混沌系统的复杂性,从而拓宽混沌系统的应用范围。首先在三阶混沌系统中引入了两个分数阶磁控忆阻器构建新型四阶混沌系统,再采用平衡点稳定性分析、分岔图、相图、动力学地图等方法对其进行动力学行为分析。结果表明:分数阶系统产生了无穷多共存吸引子,具有超级多稳态,展现出丰富的动力学行为。阶次的改变会引起忆阻特性曲线不对称改变,系统状态发生改变。最后,搭建了FPGA实验平台,实验结果与数值仿真结果一致。

一种具有超级多稳态的忆阻混沌系统及其在电力图像加密中的应用

混沌系统的构造和图像加密是相互联系、相互独立的研究方向,同时也是当前混沌系统的研究热点。在Sprott-I混沌系统中引入绝对值忆阻器,构造了一个新的忆阻混沌系统。受忆阻器强非线性的影响,新系统的平衡点变为了一条线平衡点集,表现出了更丰富的动力学特性。通过MATLAB仿真分析了该系统的Lyapunov指数、耗散性、分岔图等动力学特征,结果表明新系统不但能产生依赖系统参数变化的混沌吸引子和周期极限环的常规现象,而且能够产生恒Lyapunov指数以及依赖于初始条件变化的分岔图偏移以及无限多吸引子共存的超级多稳态的特殊动力学现象。最后,考虑到系统在引入忆阻器后出现的超级多稳态现象,能够产生鲁棒性更好的伪随机序列,因此将该系统和DNA编码结合引入到电力图像加密中,在MATLAB平台上进行安全分析实验结果表明,该算法具有良好的加密效果。

多稳态动力系统中随机共振的研究进展

非线性随机动力学是力学、数学、工程等多个领域关注的热点,在航空航天、机械工程、生物生态等领域有广泛的应用.多稳态动力系统作为其最重要的研究对象,在随机扰动下具有丰富的动力学行为,如随机分岔、随机共振等,尤其是随机共振,已经被应用于机械故障诊断、微弱信号检测和振动能量俘获等工程实际问题中.本文主要综述了多稳态动力系统中的随机共振理论、方法及工程应用.首先,通过几类典型的非线性随机动力学系统,介绍了随机共振的经典理论和度量指标;其次,重点阐述了多稳态动力学系统,尤其是三稳态和周期势系统,在各类噪声激励下的随机共振现象,分析了其诱发机理、演化规律和研究方法;最后,介绍了多稳态动力系统中随机共振的几类应用实例,并进一步给出了随机共振当前面临的难题和未来的发展趋势等开放性问题.

多稳态力学超材料带隙特性及调控研究

多稳态力学超材料具有多重稳定状态和几何重构特性,在变形吸能和能带调控等方面有重要的研究价值.本研究提出了一种多稳态力学超材料.该超材料是由具有双稳态特性的曲杆和相关实体支撑结构组成.结合有限单元法和布洛赫定理,计算了结构的能带结构,分析了不同稳态条件下结构的带隙特性,得到了几何参数对结构带隙的影响规律,并研究了由5×5个单胞组成的阵列结构中部分单胞变形时,整体结构的传输率.研究发现,双稳态连杆的变形状态可显著改变结构的带隙,尤其是在低频范围内产生了更宽的带隙.整体结构中局部一行或一列单胞变形即可在该方向对应带隙频率范围内实现弹性波传播的衰减.

基于多稳态特性与灰度差异熵的图像背景Python扩充方法

图像应用范围逐渐扩大,相关技术发展迅速,其发展的主要支撑是大规模的图像数据集合。现有公开资源以图像目标数据集合为主,而背景数据集合较少,并且内部数据体量较小,制约了图像相关技术的发展与应用,故提出基于多稳态特性与灰度差异熵的图像背景数据Python扩充方法。基于图像背景与目标的灰度熵差异,选取灰度熵阈值分割原始图像,获取图像背景区域,采用k近邻(k-Nearest Neighbor,KNN)算法深度挖掘背景数据,应用多稳定特性构造混沌序列,加密处理图像背景数据,通过Python制定图像背景数据并行扩充程序,执行制定程序即可实现图像背景数据的扩充。实验数据显示:提出方法获得的图像背景区域分割效果更好,图像背景数据扩充量最大值为1800MB,充分证实了提出方法应用性能更好。

多稳态匹配随机共振在机械早期故障特征提取中的应用

传统单稳态或双稳态随机共振方法的势函数稳态结构单一,难以匹配复杂多变的输入信号;固定尺度因子忽略了与势结构、输入信号之间的协同增强作用;且一阶系统易遭受低频噪声干扰,依赖高通滤波器辅助。因此,提出自适应二阶多稳态匹配随机共振方法,并应用于机械早期故障的微弱特征提取。该方法的优势在于:①多稳态势结构的多样性可与不同的输入信号实现有效匹配;②能实现输入信号、势结构、尺度因子三者之间的协同作用;③二阶多稳态随机共振能够抑制低频噪声干扰。仿真分析和机车轴承故障诊断案例表明:提出的方法相比单稳态和双稳态随机共振方法具有更强的微弱特征增强与提取能力。

变截面多稳态梁结构减振吸能分析与优化设计

基于多稳态梁结构具有吸能且可重复使用的特点,本文研究包含变截面多稳态梁的单胞结构及其周期性排布的减振吸能效应及其优化设计方法。对多稳态结构进行考虑几何非线性的位移加载/卸载有限元仿真,根据其载荷-位移曲线分析多稳态结构的减振吸能原理,并研究串联与并联周期性排布形式对结构整体吸能特性的影响规律。研究基于多参数调控的变截面梁结构形状表征方法,根据多稳态结构储能特点建立变截面多稳态单胞结构的结构优化模型,通过求解优化问题获得总质量不变条件下最优变截面梁结构形状。进一步地通过对优化结果的有限元分析验证优化的有效性,并对结构进行瞬态冲击荷载下动响应分析,证明多稳态结构的冲击保护作用。

非线性车辆悬架系统的滞后分岔及多稳态控制

考虑一类单自由度1/4非线性车辆悬架系统,根据Floquet理论得到周期运动的Floquet乘子用于判定其稳定性;并得到Lyapunov指数用于刻画混沌运动的性质.揭示了系统中一种新的滞后分岔:滞后环由一条稳定的周期轨道、一条不稳定周期轨道和一条周期轨道的倍化序列构成.其中周期轨道的倍化序列在滞后环的边界已经形成混沌轨道;因此随参数改变在该滞后环边界将产生一条稳定周期轨道与一条混沌轨道之间的跳跃现象.并且,若周期倍化序列形成的混沌轨道在滞后环边界处与不稳定周期轨道接触,混沌轨道将产生边界激变而突然消失,并跳跃至另一条稳定的周期轨道.根据线性增益控制法,实现了滞后环内部的多稳态控制,包括从大振幅周期3轨道控制到小振幅周期1轨道,以及周期1轨道控制到混沌轨道.本文研究结果可为车辆悬架的动力学设计提供理论参考.

基于多稳态的智能可调表面设计及仿真分析

结合多稳态结构的跳变特性和形状记忆智能材料,提出了一种基于多稳态结构的智能可调表面设计。首先,研究了双稳态余弦梁单胞的机械驱动跳变行为;其次,将形状记忆聚合物材料引入余弦梁单胞,实现了智能驱动双稳态结构的跳变,并研究了余弦梁支座厚度对结构跳变行为的影响;基于余弦梁单胞设计了马鞍形余弦梁单胞,通过调控支座厚度,影响单胞的形状记忆跳变成功与否;基于“像素成像”思想,结合马鞍形余弦梁结构单胞的可调形状记忆跳变特性,实现了可定制表面的设计策略;最后,通过有限元仿真分析验证了“HIT”和“力”智能可调表面的设计有效性。

基于轮对系统的激变及多稳态动力学研究

以两自由度铁道机车轮对自治系统为研究对象,得到行进过程中随速度参数变化的横移分岔图进行数值模拟。基于Floquent乘子刻画周期解稳定性,利用Lyapunov指数刻画混沌运动。将滞后环与多稳态现象联系起来,在滞后环内部,系统存在多稳态共存;在滞后环外部,多稳态共存消失,滞后环边界处产生边界激变现象,边界激变是由于不稳定周期轨道与稳定周期轨道相接触导致分岔图产生的跳跃现象。基于吸引域图,对滞后环内外多稳态共存现象的出现和消失进一步解释并求解了边界处的Floquent乘子和混沌区域的最大Lyapunov指数。

磁性多稳态特区形象大使选拔赛

近年来,伴随着对磁性双稳态材料的深入研究,一类在温度变化下具有三种或更多种稳定状态的磁性多稳态材料被发现。本文借用拟人化手法,通过形象大使选拔的舞台,介绍了五种典型的磁性多稳态配合物,在故事中穿插磁性多稳态的产生机理,生动形象地让读者了解磁性多稳态的性质。

一个新的具有超级多稳态的五维忆阻超混沌系统

为了描述更加复杂的非线性动力学特性并且得到更适合工程应用的混沌信号,使用一个磁控忆阻器去替换改进的四维Lü混沌系统中的耦合参数,得到了一个新的五维忆阻超混沌系统。采用相图、分岔图、Lyapunov指数谱等常规的非线性分析手段研究新系统丰富的动力学特性。在新系统的基础上,通过引入一个绝对值函数使系统达到新的极性平衡,构建了一个新的条件对称的忆阻超混沌系统。结果表明:新的忆阻系统可以表现出依赖于忆阻器初始状态的超级多稳态特性、持续的混沌或超混沌动力学以及偏移增量控制行为;特别地,当改变系统参数并取适当的初始状态时,可以观察到独特的共存超级多稳态现象;新的条件对称忆阻系统可产生无限多对具有相反极性且吸引子结构相似的共存吸引子。利用Multisim进行电路仿真,验证了系统的存在性和可实现性,从而使超混沌系统能更好地应用在保密通信等实际工程领域。