理论与计算化学教学中的课程思政

理论与计算化学是本科生和研究生通选的专业课。以课程知识点为线索,深度挖掘了课程在价值塑造、能力培养、坚定信念、家国情怀四个方面的思政元素。通过分享课程思政案例与教学素材,提出思政内容的科学化和学科交叉融合思路,强调学术文献、学位论文在思政教育中的重要作用,为在计算化学相关课程中实现主动思政与三全育人目标提供参考。

基于VB-EKF的GPS/INS松组合导航定位算法

针对应用在无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)中的全球定位系统/惯性导航系统(GPS/INS)松组合导航非线性系统受到外界噪声干扰导致量测噪声在滤波时不断变化,从而造成滤波精度下降等问题,提出一种变分贝叶斯扩展卡尔曼滤波(VB-EKF)算法。该算法利用EKF(Extended Kalman Filter)将非线性系统中的状态函数和量测函数展开为线性方程,并将两个不同的导航系统数据进行融合,避免了单系统导航定位发散的问题。考虑到组合系统中量测噪声的时变特性,引入变分贝叶斯算法进行改进,有效解决了系统滤波精度下降问题。仿真结果表明,VB-EKF较EKF算法可有效提高滤波稳定性,进而提高系统导航定位精度。

基于改进的无迹卡尔曼滤波长基线定位算法研究

在复杂的水环境中,自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)运用声学导航系统实现自主导航并确保精确定位。针对水声环境中由于外部噪声带来的定位精度损失问题,提出一种改进的无迹卡尔曼滤波(Adapt Unscented Kalman Filter, AUKF)长基线定位算法。该算法在无迹卡尔曼算法(UKF)的基础上引入遗忘因子,充分利用新的测量数据动态调整测量协方差矩阵和过程协方差矩阵,有效避免因长期运行带来的累计误差。实验结果显示,当AUV沿两种不同轨迹运行时,AUKF算法的均方根误差最低,分别为2.901 1、19.221 5。该算法定位精度高,适用于长时间工作的高精度水下定位。

气体介质绝缘强度的化学键组合理论

寻找能够替代SF6的新型绝缘气体介质非常具有挑战性,采用构效关系模型进行虚拟筛选是发现目标替代气体的有效手段.受计算资源限制,亟需发展准确快速计算气体绝缘强度的理论方法.本文建立了基于化学键理论的气体绝缘强度计算方法,根据分子的价键结构确定化学键类型和数目,优化各化学键的特征绝缘强度,累加获得任意气体的绝缘强度.与63种气体的实验结果相比,理论值与实验值的相关系数和均方根误差分别为0.970和0.16,能够满足高通量虚拟筛选的计算需求.揭示了气体绝缘强度与化学键的内在关联,提出了若干具有应用潜力的新型绝缘气体分子结构.

高模量镁基材料实验和集成计算研究进展

镁合金由于低密度、高比强度、高阻尼以及良好的导热性等突出优点,广泛应用于航空航天领域,但其低弹性模量限制了其在大型薄壁构件中的可靠应用。本文针对如何提高镁基材料模量性能的问题,简介影响合金模量的主要因素,比较相关计算模型如等应力应变模型、混合定律、Halpin-Tsai模型以及两相复合材料模型的优缺点和适用范围,概括镁基材料模量性能研究的现状与进展,梳理镁基材料模量提升的两大途径以及性能提升机理。基于集成计算材料工程,提出了原子-晶格尺度类高模量铝合金开发和机器学习辅助优化实验设计的高强度高模量镁基材料集成开发策略。

化学“101计划”结构化学课程与教材的建设与改革——面向拔尖创新人才培养的深度探索

在全球科技竞争加剧的背景下,教育在培养创新人才中发挥关键作用。结构化学作为化学专业的核心基础课程,其课程定位为以量子力学和群论为科学语言,更深层次理解化学原理与现象。本文总结了化学“101计划”结构化学课程与教材的改革情况,探讨了在一流课程标准下的改革路径。通过重构课程知识模块、构建知识框架与脉络以及多元化教学资源的引入,推动了高等教育质量提升和化学学科的发展。

Ti-62222钛合金热变形行为及变形组织研究

以Ti-62222钛合金为研究对象,对该合金热压缩过程中的变形行为及显微组织演变规律进行了研究。结果表明,Ti-62222钛合金的真应力-真应变曲线总体呈应变软化型,曲线在应变较小时出现峰值。流动应力随着应变值的升高而下降,随应变速率的增大及变形温度的减小而增大。而对其热变形组织的研究发现,随着温度的升高,合金中α相含量减小,β相含量增加,同时α相球化率升高。在大变形量的情况下,α相含量与变形量呈负相关,即变形量越大,α相含量越少;α相球化率随着变形量增大而显著提高。当应变速率处于较高水平时,α相含量随应变速率升高而降低;应变速率对片层α相球化有抑制作用,球化率随应变速率增大而减小。

结合多重注意力与迭代优化的立体匹配算法

基于深度学习的立体匹配算法具有较高的精度,但存在速度慢、显存消耗大与视差搜索范围受限等问题。为此,提出一种多重注意力和迭代优化相结合的立体匹配算法。给出Transformer结构的交叉注意力模块,聚合左右图之间的全局和局部特征信息,获取左右图之间沿极线方向的长距离依赖关系,可更加有效地融合左右图全局特征信息,并生成无视差范围限制的视差图。通过设计迭代残差优化模块,在最小尺度上依据交叉注意力模块生成无视差范围限制的稠密视差图,依据迭代方式逐步恢复视差分辨率生成稀疏代价体,并经过视差回归后估计视差残差图,在保留稠密视差图优点的同时减少计算成本和显存消耗。在此基础上,设计上下文注意力模块,捕获动、静态上下文特征信息,减少浮点运算数量和参数量,为代价聚合提供丰富的显著特征。在SceneFlow、KITTI2012和KITTI2015数据集上的实验结果表明,与主流算法AANet相比,该算法精度分别提高了0.46%、0.47%和0.25%,同时推理速度平均降低了50%。

井下人员超宽带精确定位算法

针对恶劣的井下环境易对超宽带信号造成干扰导致现有井下人员定位算法误差较大的问题,提出基于超宽带的SDS-TWR优化算法与鲁棒卡尔曼滤波结合的改进算法。该算法在一次定位周期内可测得定位标签到相邻基站的两个测距值,随后将其作为鲁棒卡尔曼滤波的两个观测值,旨在提高算法定位精度及稳定性、抑制巷道随机NLOS时延误差。仿真实验表明,在同等条件下,本文算法较S-TDOA法误差降低35%,较异步测时法误差降低31%,且误差波动较小,同时抑制了巷道NLOS时延误差,有效提高了井下人员定位精度。

一种基于UWB/INS自适应抗差卡尔曼滤波算法

针对矿井环境下UWB定位精度受多径干扰和非视距误差影响的问题,提出了一种基于UWB/INS自适应抗差卡尔曼滤波算法。算法通过调节状态协方差矩阵的预测残差来建立统计参量,结合调节观测噪声协方差矩阵的抗差因子,自适应调整预测值和观测值所占的权重。实验结果表明,与UWB定位算法相比,所提算法最大定位误差减小了2.14m,最小定位误差减小了0.08m,平均定位误差减小了1.1m;与UWB/INS自适应卡尔曼滤波算法相比,所提算法最大定位误差减小了0.98m,最小定位误差减小了0.02m,平均定位误差减小了0.5m。

环保气体绝缘强度预测模型研究现状

为推进新型环保绝缘气体开发工作,对单一气体、混合气体的绝缘强度经验和半经验预测模型进行了分析。对于经验模型,分子微观参数的优选是关键。相互作用性质函数(general interaction properties function,GIPF)和基团贡献法的引入可提高模型准确性。在使用上述参数时需要从气体放电的角度出发,对参数适用性进行判断,并尝试寻找或定义出气体绝缘领域的特殊分子微观参数。此外,所用气体放电数据需要标准化处理,并在统一的测试条件下对各类气体的绝缘强度进行评估,进而减少样本质量对模型误差的影响。在气体放电理论研究尚不完备的前提下,经验、半经验模型仍需要配合使用。而对于混合气体预测模型,其主要难点在于协同效应的量化定义和预测,这可能与分子间相互作用等微观过程有关。而在完备气体放电理论指导下建立的预测模型可具有更高的准确性和通用性,并可进一步提高环保绝缘气体的开发效率。

电磁搅拌对连铸结晶器内钢液流动的影响

为了研究电磁搅拌对连铸结晶器内钢液流动的作用效果,利用有限元数值模拟方法研究并探讨了不同电流频率、电流强度作用下的奥氏体不锈钢S30432小方坯连铸结晶器内磁感应强度、电磁力、流场以及流速的分布和变化情况。研究结果表明:电磁场的主要作用范围集中在电磁搅拌器内部区域,磁感应强度和电磁力随着电流强度的增加而增大,随着电流频率的增加先增大后减小,磁感应强度和电磁力的最大值分别出现在铸坯表面和近表面靠近磁轭的位置;电磁搅拌能够显著增强结晶器内钢液的纵向回流效果,有利于促进夹杂物浮回钢液表面,便于除气除渣净化钢液;电磁搅拌作用的施加,能够降低水口流入钢液的冲击深度,增强钢液在水平方向的流动,扩大钢液高流速区域,有利于钢液内部及表面的换热,从而,提高晶粒细化效果。

SF_(6)替代绝缘气体的虚拟筛选与分子设计综述

采用新型环保绝缘气体替代SF_(6)是电力行业发展的必然趋势,也是助力碳达峰、碳中和的关键举措。该文综述了筛选与设计环保替代气体所面临的挑战及最新进展,从理论计算角度详细阐述了绝缘强度、液化温度、温室效应、安全性能(毒性、可燃性)、灭弧特性等构效关系模型,对比分析了各种理论模型的优缺点,指出现有理论模型所面临的主要问题,模型严重依赖于训练集实验数据且描述符的物理图像不明确,并提出了相应的改进方向,即开展多类型气体的系统性实验研究以及针对气体放电、液化、温室效应、致毒、燃烧、灭弧等过程的微观化学机理研究。同时探讨了多维度构效关系模型在SF_(6)替代气体的高通量虚拟筛选以及合理化分子设计方面所发挥的重要作用及其局限性。指出了各维度之间的相关性及相互制约关系仍不明确,这是导致至今仍未发现综合性能全面超越SF_(6)新气体的重要原因,提出了化学键杂化与官能团取代两种新型环保绝缘气体分子结构设计方法,获得了包含分子结构设计与性能评估、实验室合成与测试、工业制备与电气应用等关键步骤的新型环保绝缘气体创新技术路线,为加快电气设备中SF_(6)的完全替代提供理论依据。

挤压态低合金化Mg-0.5Bi-0.5Y-0.2Zn合金的腐蚀行为及力学性能

研发一种新型低合金化Mg-Bi-Y-Zn合金系,该合金系在673 K的挤压温度下成功成型。通过扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、电化学试验和拉伸试验研究挤压态合金的腐蚀行为和拉伸性能。挤压后,合金表现出几乎完全的动态再结晶组织和典型的挤压织构,在晶粒内可以观察到一些亚微米级析出相。在SBF溶液中,合金的腐蚀模式由最初的点蚀为主转变为中间过程的丝状腐蚀为主;最后经长时间浸泡后,腐蚀模式转变为丝状腐蚀和局部晶粒脱落。挤压态Mg-0.5Bi-0.5Y-0.2Zn合金的屈服强度为237 MPa,极限抗拉强度为304 MPa,伸长率为31%,平均腐蚀速率为0.14 mm/a。由此可见,该合金表现出良好的拉伸性能和耐腐蚀性能匹配度,这主要归因于其均匀的晶粒结构和亚微米级析出相。因此本文所研发的Mg-0.5Bi-0.5Y-0.2Zn合金具有在生物医药领域的广阔应用前景。

深过冷铜镍合金微观组织演化规律研究

利用深过冷快速凝固技术使Cu65Ni35合金获得了不同的过冷度,最大过冷度达到284 K。对快速凝固组织拍摄金相图片,系统研究了Cu65Ni35合金微观组织形貌特征及其演化规律。结果表明,Cu65Ni35合金在大过冷度范围和小过冷度范围内均出现了晶粒细化现象。对具有典型晶粒细化特征的Cu65Ni35合金组织进行电子背散射衍射(EBSD)检测,发现大过冷度组织和小过冷度组织具有完全不同的晶粒取向,小过冷度下的组织发生晶粒细化是由枝晶重熔碎断致使的,而大过冷度下的组织发生晶粒细化却是由应力诱导再结晶完成的。

Mg-3Zn-0.3Ca-0.1Al-0.2Mn镁合金的热变形行为

研究Mg-3Zn-0.3Ca-0.1Al-0.2Mn合金的热变形行为。在Gleeble-3800热压缩模拟试验机上进行热压缩试验,通过对不同热压缩试验参数下的真应力-真应变曲线进行分析,构建该合金的流变应力本构方程,并建立峰值应力下的热加工图;通过电子背散射衍射技术(EBSD)分析该合金热变形后再结晶及织构的演变规律。结果表明,该合金具有连续的动态再结晶特征,且流变应力随应变速率增大和变形温度减小而升高;通过双曲正弦函数修正的Arrhenius关系计算出其变形激活能Q=151.145 kJ/mol,应力指数n=4.149;通过Avrami方程计算出动态再结晶体积分数XDRX.通过热加工图分析确定其最适合热加工参数范围为:变形温度280℃~325℃,应变速率0.001 s^(-1)~1 s^(-1);EBSD检测结果表明在较高的变形温度以及较低的应变速率下变形时,再结晶更充分,合金的织构更弱。

相场法研究Al_(x)CuMnNiFe高熵合金富Cu相析出机理

BCC(体心立方)和FCC(面心立方)结构共存的高熵合金通常具有优异的综合力学性能,Al元素可以促进含Cu高熵合金由FCC向BCC结构转变.本文基于Chan-Hilliard方程和Allen-Cahn方程,建立Al_(x)CuMnNiFe高熵合金三维相场模型,模拟了Al_(x)CuMnNiFe高熵合金(x=0.4,0.5,0.6,0.7)在823 K等温时效时纳米富Cu相的微观演化过程.结果表明,Al_(x)CuMnNiFe高熵合金时效时会产生两种复杂核壳结构:富Cu核/B2_(s)壳以及B2_(c)核/FeMn壳,通过讨论分析发现形成的B2_(c)对纳米富Cu相的形成起到抑制作用,这种抑制作用随着Al元素的增加而变大;结合经验公式做出Al_(x)CuMnNiFe高熵合金富Cu相的屈服强度随时效时间的变化曲线,得到峰值屈服强度的时效时间和合金体系,可以为时效工艺提供参考.

绝缘气体介电强度的构效关系

提出了一种全新的构效关系模型,基于中性分子的静电势参数,包括总表面积、正负静电势的分离度、局域极性、分子密度及约化正静电势面积等具有明确物理意义的描述符,直接获得各种类型气体的介电强度.研究结果表明,理论值与实验值的平均绝对偏差仅为0. 06,且相关系数达到0. 993.基于构效关系模型,分析了气体的宏观介电强度受微观电子结构影响的规律,发现了提高气体介电强度的分子设计思路.

F+CH_2CO的反应机理和动力学研究

用 G3 (MP2 )方法对 F与 CH2 CO的反应进行研究 ,揭示了该反应的加成 -消除机理 .F原子首先与CH2 CO作用形成富能的中间体 CH2 FCO*,此加成反应为无势垒过程 .富能的 CH2 FCO*可进一步发生解离或异构化反应生成各种可能的产物 .其中 CO和 CH2 F可能为反应的主要产物 .根据从头算的结果 ,用RRKM-TST理论计算该反应的速率常数 .总包反应速率常数与温度存在弱的依赖关系 。

低压铸造缩孔缩松判据预测技术

本文考虑了压力对临界固相率的影响 ,提出了压力下的缩孔预测判据 ,及与压力、温度梯度和冷却速度相关的缩松预测判据 。