基于Armstrong能量模型的非线性动态维拉里磁滞行为建模与验证

磁致伸缩材料工作在应力激励条件下的输出特性在很大程度上取决于偏置条件(预应力、偏置磁场)和激励频率。为指导磁致伸缩材料在动态应力驱动下的应用,需要建立一个能够适应各种操作条件的动态磁滞模型。该文结合Armstrong能量模型和J-A磁滞模型,建立了磁致伸缩材料的静态维拉里磁滞模型,通过引入频率相关时间常数的一阶微分方程将静态模型拓展为考虑动态损耗的动态非线性维拉里磁滞模型。利用粒子群遗传优化算法通过三个递进步骤提取模型参数。实验数据与模型计算数据的对比结果表明,该模型不仅能够充分描述预应力和偏置磁场对准静态维拉里效应的影响,而且能够反映在不同频率动态应力下磁通密度-应力(B-σ)动态小环和主环的变化趋势,该模型可为磁致伸缩材料器件在应力条件下的应用提供理论指导。

砂土中能量桩单桩水平承载特性模型试验研究

为探究能量桩单桩水平承载特性,针对砂土中能量桩在水平荷载下的承载特性进行研究,基于模型试验,分析了水平荷载作用下能量桩在制冷和加热过程中的桩顶位移、桩前土压力以及桩身弯矩等的变化规律。研究结果表明:制冷会引起能量桩桩顶水平位移略微增大,增量为0.48%D(D为桩体直径),而加热会引起较大的桩顶水平位移,达到了2.38%D;制冷和加热在初始阶段会引起桩前土压力增大,初始增长阶段结束后,土压力变化较小,多为缓慢增长或基本不变。相较于初始土压力,制冷和加热结束时的土压力基本呈增长趋势,仅个别埋深处土压力减小。制冷过程中,埋深0%L~40%L(L为有效桩长)范围内的弯矩增大,埋深40%L~100%L位置处的弯矩变化较小;加热过程中,埋深0%L~60%L范围内的弯矩均有所增大,0%L~40%L位置处的弯矩增大最为明显。制冷和加热过程中均在20%L处产生了最大弯矩,最大弯矩的增加量分别为9.93%和10.32%。进一步基于圆孔扩张理论提出了弯矩计算的理论解,并与试验结果进行对比分析,理论计算值与实测值较为吻合。

煤矿井下金属结构等效储能模型耦合电磁波能量安全性分析

煤矿井下无线通信设备发射的电磁波能量可以被周围金属结构耦合吸收,这种现象存在点燃矿井内爆炸性气体的危险。现有针对井下金属结构耦合电磁波安全性研究只是对金属结构等效阻性模型耦合电磁波能量进行分析,缺乏对金属结构耦合电磁波能量在时间上积累的储能过程研究。针对上述问题,提出一种适用于金属结构耦合−积累−释放电磁波能量研究的等效储能结构模型,即金属结构等效容性储能模型与金属结构等效感性储能模型。首先通过低衰减度传输线模型,推导出发射天线输出功率、发射天线与金属结构之间距离与接收端感应电压之间的关系。然后建立金属结构等效储能模型,推导出接收端参数与放电火花能量之间的数学关系式,分析了接收端参数对放电火花能量的影响。最后通过接收端感应电压与感应电压有效值的关系,推导出发射天线输出功率、发射天线与金属结构之间距离与放电火花能量之间的数学关系式,分析了发射天线输出功率、发射天线与金属结构之间距离对放电火花能量的影响,并给出在其他参数确定情况下2种金属结构等效储能模型各自的理论参考安全点。仿真结果表明:①对于金属结构等效容性储能模型,放电火花能量随着等效储能电容、接收端感应电压有效值增大而增大,安全点向左偏移,对等效储能电容、接收端感应电压有效值的安全要求变得严苛。②放电火花能量随着发射天线功率增大而增大,随着发射天线与金属结构之间距离增大而减小,得到金属结构等效容性储能模型理论参考安全点。③对于金属结构等效感性储能模型,放电火花能量随着等效储能电感、接收端感应电压有效值增大而增大,安全点向左偏移,对等效储能电感、接收端感应电压有效值的安全要求变得严苛。④放电火花能量随着发射天线功率增大而增大,随着发射天线与金属结构之间距离增大而减小,得到金属结构等效感性储能模型理论参考安全点。⑤对比2种金属结构储能模型理论参考安全点,得到金属结构等效容性储能模型的危险性远大于金属结构等效感性储能模型的结论。

间歇式运行模式下黄土地基中能量桩热-力特性模型试验

能量桩是将传统桩基与地源热泵相结合的一种建筑节能新技术。为研究黄土地层中能量桩热交换效率及承载变形特性,了解黄土饱和状态对能量桩热交换效率、桩土温度、桩土沉降及桩身轴力、摩阻力的影响规律,开展间歇式运行模式下黄土处于天然湿密状态及饱和状态的能量桩模型试验。试验采用的黄土为人工配制黄土,模型桩为内置单U形换热管的现浇钢筋混凝土桩。试验结果表明:黄土中能量桩具有较高的热交换效率,黄土饱和时能量桩的热交换效率大于黄土处于天然湿密状态,随着无量纲直径D/L的增大,能量桩的热交换效率增加。不论黄土处于天然湿密状态还是饱和状态,桩顶沉降呈现出棘轮形式并随冷热循环次数增加逐渐增大。热循环、冷循环对能量桩的承载力影响不同,经过每一个完整的冷热循环后,桩的承载力均降低了。该文还建立了计算能量桩热交换效率的新公式,该公式考虑了桩身侧表面积及循环液与初始地温差的影响。

黄土地基中能量桩群桩承载变形性状模型试验

基于室内缩尺试验研究了含能量桩群桩在4次冷热循环过程中的桩身热力学特性及桩基承载变形特性变化规律,分析冷热循环对桩土温度、承台沉降、桩顶荷载及桩身摩阻力的影响。试验结果表明:冷热循环过程中能量桩较浅位置处桩身及桩侧土温度始终高于较深处,热循环过程中能量桩的传热效率高于冷循环过程。冷热循环会使承台顶面的工作荷载及群桩中各基桩的桩顶荷载发生往复变化,相应地引起承台发生往复倾斜,热循环引起的承台倾斜稍大于冷循环。热循环引起的能量桩桩身上部摩阻力为负,下部为正,冷循环时则相反。

基于能量模型的临界导通模式Boost变换器软开关方法

在变换器高频化发展的趋势中,功率器件的软开关实现对变换效率的影响更加突出。无辅助电路的临界导通工作模式下,Boost变换器主开关管在特定增益下无法实现软开关。为此,该文提出一种能量模型及相应的软开关实现方法。首先,建立死区前后储能元件能量变化的数学模型。然后,结合死区起止时刻的能量平衡方程,研究软开关无法实现的电路机理。在此基础上,考虑开关管输出电容非线性特征,提出软开关实现方法,避免了复杂谐振过程的时域精确建模,提高软开关实现的准确性。最后,搭建500W实验样机进行实验,结果表明,相较于对谐振过程建模的传统时域模型,所提方法将实际开通电压降低47%,使峰值变换效率提升0.4%,进而验证了其有效性。

基于模型预测控制的燃料电池汽车能量管理控制策略研究

为了提高燃料电池汽车的经济性和部件的耐久性,提出一种基于实时模型预测控制(MPC)和庞特里金极小值原理(PMP)的燃料电池混合动力汽车能量管理策略。该策略采用模型预测控制实现燃料电池和电池之间的能量分配,降低总等效氢消耗;通过反向传播神经网络(BPNN)获得预测速度序列,利用极小值原理求解每个预测区间的最优控制问题。与基于规则的策略(RB)相比,该策略可以在保持电池荷电状态稳定的同时减少10.97%的总等效氢消耗量。

基于AI算法的COPD患者能量代谢需求模型研究

基于AI算法研究慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者能量代谢影响因素,并建立需求模型。方法 回顾性分析三门峡市中心医院2022年6月-2023年8月196例COPD患者的临床资料,依据能量代谢是否失衡分组,即代谢失衡组(n=49)与代谢正常组(n=147)。经单因素、Logistic多因素、人工神经网络(ANN)模型分析影响COPD患者能量代谢的相关因素。结果 经单因素分析,职业因素暴露、呼吸道症状、SI、肺功能、生活质量会对COPD患者能量代谢产生影响(P<0.05),经Logistic多因素回归分析,上述因素均为影响COPD患者能量代谢的独立因素(P<0.05);利用Bootstrap法验证模型,AUC为0.782,95%CI为0.713~0.852。ANN模型训练样本总体百分比为79.7%,检验总体百分比为83.00%,验证模型AUC为0.838。结论 职业因素暴露、呼吸道症状、SI、肺功能、生活质量均会影响COPD患者能量代谢状况。

循环载荷作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征及能量-损伤本构模型

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号),分析了煤岩复合试样的损伤失效特征;基于能量耗散原理,构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量-损伤本构模型,最后结合试验实测数据进行验证。结果表明:加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关,当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时,恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下,试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%;高加(卸)载速率下,试样的内部裂纹扩展越快,煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧,分形维数随之增大,试样的内部裂纹扩展越快;随着加(卸)载速率的增大,煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递,为试样内部裂纹的发育提供了有利条件,导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量-损伤本构理论曲线具有较强的一致性,表明所建的能量-损伤本构模型能够很好地描述煤岩复合试样在循环加卸载过程中的变形行为。

双浮体直驱波浪发电装置建模分析与基于模型预测控制的能量提取算法研究

基于振荡浮体结构的直驱波浪发电装置具有损耗低、控制灵活等优点,近年来,逐渐成为波浪发电领域的研究热点。双浮体直驱波浪发电装置不需要海上固定平台,能够通过锚系结构在海水中工作,是一种工程可行的直驱波浪发电方案,但其动力学模型更为复杂,相关控制算法缺少实际装置测试。该文通过等效电路的方法对双浮体装置进行建模分析,指出采用张力锚结构可将双浮体装置等效为单浮体装置进行分析,简化控制器的分析与设计,从而建立基于模型预测控制的高效波浪能提取问题。提出一种结合波浪激励力辨识、预测与快速模型预测求解的控制算法,并且设计了双浮体直驱波浪发电装置,在不同波浪条件下进行了相关实验测试。实验结果表明,所提控制算法能够在有效降低运算复杂度的前提下提高装置的波浪能提取效率。

心率联合加速度计计数建立健身气功·五禽戏的能量消耗预测模型研究

目的:基于心率联合不同部位加速度计计数建立健身气功·五禽戏的能量消耗(energy expenditure,EE)预测模型,为五禽戏的EE监测提供参考依据。方法:选取74名18~30岁健康大学生作为研究对象,按习练水平分为熟练组(n=39,男21、女18)和初学组(n=35,男17、女18),其中55名为建模组,19名为验证组。佩戴Polar心率表、ActiGraph-GT3X+加速度计(9个部位:腰部、两侧上臂、两侧腕部、两侧大腿和两侧踝部)和CORTEX MetaMax3B-R2便携式气体代谢仪测试习练1套五禽戏的心率(heart rate,HR)、加速度计计数[X轴、Y轴、Z轴及三轴向量幅值(vector magnitude,VM)的计数值]和EE相关指标。以气体代谢仪所测精准EE为基准,建立HR、加速度计计数或HR联合加速度计计数的线性回归模型,并分析对比不同预测模型的准确性。结果:(1)五禽戏运动EE与性别、身高、体重、肌肉量、HR相关指标和不同部位加速度计计数(腰部X轴计数值,左大腿VM值及X轴、Y轴计数值,右大腿VM值及Y轴、Z轴计数值,左脚踝VM值及Y轴计数值,右脚踝VM值及Y轴、Z轴计数值)均显著相关(P<0.05);(2)五禽戏运动EE的HR、加速度计计数和HR联合加速度计数模型的调整后R2分别为0.582、0.508、0.678(P<0.05);预测值与实测值的相关性介于0.706~0.817之间,Bland-Altman分析中每种模型仅1个误差值落在了95%置信区间外,其余均落入95%置信区间内,即模型均具有较好的拟合效果,精确度较高;(3)在不同预测模型中,HR联合加速度计计数模型的预测效果最好:EE(kcal)=-20.089+0.279×体重(kg)+0.243×ΔHR(运动HR-安静HR,次/分)+0.001×右大腿Y轴计数值+0.181×运动HR(次/分)-4.202×性别(男=0,女=1)。结论:HR联合加速度计计数建立的五禽戏运动EE预测模型效果最好,可较为准确地推算1套五禽戏运动的EE。

浮球覆盖下水面能量平衡再建与蒸发模型研究

针对干旱区平原水库蒸发强烈导致水资源利用率低的问题,选用黑色高密度聚乙烯(HDPE)浮球作为干旱区平原水库节水材料。通过理论分析、建模与室外试验三者结合,对完整非冰冻期内浮球覆盖下水面蒸发、水体能量平衡组分变化分布的响应机理进行研究,并在此基础上建立相应的水面蒸发量计算模型。结果显示:相较于自由水面,73%的浮球覆盖率下的整体水面净辐射吸收率减小约12.6%,其月均蒸发所需潜热通量减少了61.8%,约为148.73 W/m^(2),水体的感热通量和蓄热通量也有较大的变化。通过对彭曼模型的能量项和空气动力项进行修正,建立的覆盖条件下的水面蒸发量计算模型具有较高的精度。

广义阈值表示的机加工自动线能量需求跨层模型

为了实现多层次分析的最优设置,提出了一种基于双机广义阈值表示的机加工自动线能量需求跨层模型。首先通过在优化阶段建立机器和系统组织层之间的交互消除了所描述的次优决策。并且将传统的序贯优化方法转化为递归优化方法。另外分析利用了最小能量时间函数,将具有可变功率和处理速率的机器级高分辨率模型与系统级状态模型联系起来。进一步利用一个马尔可夫广义阈值模型,通过指数分布的向下状态来模拟机器的随机行为,并在互操作缓冲区的实际水平上实现控制策略。最后通过一个工业案例验证了提出的方法能够有效降低成本,提升效率。

射频能量收集印刷天线仿真模型中长丝机织物结构简化方法及有效性

获得仿真精确度高且计算成本低的仿真模型是高效设计织物基丝网印刷射频能量收集天线的基础。本文构建了长丝机织物天线基底的几种不同简化结构特征的仿真模型,采用HFSS仿真软件模拟了织物仿真模型与电磁波的相互作用,且以孔隙率和粗糙度为变量参数化分析了具有不同仿真结构基底的天线性能差异,并实际制备了几种不同简化结构基底的天线。结果表明:通过对比反射率和透射率发现,细观交织结构可以等效为具有孔洞和/或凹凸结构模型,均匀结构模型基底的天线辐射性能、增益及效率都显著偏高。进一步以射频能量收集为场景的模型有效性及验证结果表明,仿真模拟结果与实际测试结果吻合良好,且不同简化结构基底的天线性能也无显著性差异。在超高频范围内,不同简化结构基底的天线最大传输距离达220 cm,在1 m处的单位面积接收信号强度在8.442 mW/cm^(2)以上,天线输出电压和能量转换效率可分别达135 mV、60%。因此,为节约计算成本,就孔隙率不超过30%且粗糙度在5.39μm以下的长丝平纹机织物基底,在丝网印刷超高频射频能量收集天线仿真模拟中可将其等效为均匀介质模型。

不同工作荷载下能量桩热-力耦合特性模型试验

本文通过黄土地基中能量桩在3种不同荷载工况下的温度循环荷载试验,以及在此基础上进行的能量桩竖向承载特性试验,对比分析了冷热循环过程中热交换效率、桩顶竖向荷载、桩土沉降、桩身轴力、桩侧摩阻力及桩端反力等变化规律。试验结果表明:桩顶竖向荷载随温度循环次数的增加而逐渐减小,桩顶沉降呈现出收敛特性;热循环时桩身受压,冷循环时受压区范围与工作荷载和冷循环次数成正比;桩顶工作荷载较小时,冷热循环对侧摩阻力的影响更大,冷循环时的侧摩阻力更大;工作荷载的大小是桩-土相对位移的控制因素;温度位移零点的位置与荷载大小无关,以此点为界冷热循环对侧摩阻力及桩-土相对位移有不同影响。

基于能量守恒原理的巷道混凝土损伤蠕变模型

为了更好地获取深部地下混凝土结构的长期变形特性,采用TAW-2000试验系统开展了混凝土的单轴力学特性和蠕变特性试验,分析了不同应力作用下混凝土的蠕变变形规律以及获得了混凝土的长期强度。在不考虑岩石内部热交换的情况下,由能量守恒定律重点研究岩石加速蠕变,建立了一维状态下基于能量守恒原理的混凝土损伤蠕变模型。在此基础上,假设深部地下工程中混凝土结构的力学参数和流变参数都是关于时间的函数,构建了基于能量守恒原理的非定常蠕变模型。结果表明:基于能量守恒原理的混凝土损伤蠕变模型可以较好地描述混凝土的蠕变全过程曲线,且模型曲线和试验曲线的相关性系数均在0.95以上,这说明了本文所建立蠕变损伤模型的正确性。该模型不仅准确地反映衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特性,也较好地描述了加速蠕变的缺点。

纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土损伤本构模型及能量演化特征

采用纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混合掺入混凝土中,对混掺纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土进行了受压性能试验,基于损伤力学理论和能量耗散原理分析了纳米SiO_(2)-CaCO_(3)增强混凝土的本构关系,建立了普通混凝土和纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土损伤本构模型。结果表明:混掺纳米材料比单掺纳米材料对提升混凝土强度效果更佳,强度最大增幅为31.46%;混掺纳米材料显著降低了混凝土的弹性应变能释放速率,增大了混凝土的总应变能和耗散能,从而提高了混凝土的延性和韧性。基于SEM微观测试结果揭示了纳米材料对混凝土增强效应的作用机理。

7075铝合金的能量耗散规律及动态损伤本构模型

为了研究7075铝合金的动态力学性能及断裂损伤规律,采用蠕变疲劳试验机和分离式霍普金森拉杆(Split Hopkinson Tension Bar,SHTB),对7075铝合金进行了准静态拉伸试验及冲击动态拉伸试验,得到了准静态及动态拉伸应力-应变曲线。由这些曲线可知,7075铝合金的应变率效应明显,随着应变率的增加,动态增长因子近似呈线性增长。为了进一步研究7075铝合金在高应变率下的力学行为及本构模型,根据能量耗散理论,分析了材料的能量-时程曲线与耗散能规律,结果表明,耗散能随着应变率的增大而增大。随后,采用Johnson-Cook本构模型,引入基于能量耗散理论的损伤因子建立动态拉伸本构模型,并对试验曲线与理论曲线进行对比发现,两项结果拟合良好,表明该模型具有很好的适用性。

基于三剪能量屈服准则的岩石弹塑性耦合模型

为建立能够准确描述岩石变形过程中能量演化规律的力学模型,提出利用三剪能量屈服准则和弹性剪应变能获取岩石黏聚力与内摩擦角,以及基于三剪能量塑性势函数获取剪胀角的方法,依据所提方法和岩石循环加卸载试验数据,得到了各级围压下不同塑性累积阶段岩石的弹性模量、黏聚力、内摩擦角及剪胀角等参数,发现随着塑性变形的增大,弹性模量呈负指数关系减小,黏聚力峰前线性增大而峰后呈负指数减小,内摩擦角满足比例参数为1、形状参数为1.5的Weibull函数,剪胀角线性减小;随着围压的增大,弹性模量和黏聚力均呈线性关系增大而剪胀角呈线性减小。建立岩石三剪能量弹塑性耦合力学模型,实现了模型在有限差分软件中的二次开发并编写了能量演化监测程序。模拟岩石室内试验,结果表明所建模型能较准确地描述岩石后继屈服过程中的硬化软化、剪胀、围压效应以及能量演化等力学行为。研究成果可为从能量角度研究岩体失稳提供理论支撑和现实手段。

基于能量转移理论的工程安全事故风险演化模型

为有效理解工程安全事故中风险因素复杂耦合及其演化特征,运用能量转移理论模型深入分析工程事故的风险能量演化过程,揭示安全事故的发生机制。首先,系统分析建设工程领域易发事故危害能量类型及特征;然后,基于事故过程构建安全事故风险因素与危害能量耦合模型,揭示工程事故中危害能量转移路径及风险积聚与释放过程规律等演化机制。研究结果表明:危害能量转移致险过程复杂,工程安全风险因素与危害能量相互耦合强化,工程行为、机械、环境等风险因素带来工程本体危害能量产生与积聚,呈现产生、释放、转移与耗散等变化;由于管理约束失效,危害能量通过能量载体路径无序释放作用于工程体,进而导致风险事故;基于耦合解耦思想提出的工程危害能量隔离体系方法,能有效支持危险能量动态隔离控制。研究结果可为工程安全事故分析与预防提供有益思路和决策支持。