考虑局部胶结破损热力学行为的结构性黄土二元介质本构模型

建立考虑局部胶结破损机制的本构模型是黄土力学核心任务之一,是解决黄土工程稳定性分析/评价的关键理论基础。基于热力学方法和岩土破损力学,建立了一个宏-细观热力学本构模型,它能够定量描述局部胶结破损的热力学行为及细观尺度应力-应变非均匀分布特征,提高了模型对变形的预测精度,其在数学形式上同剑桥模型类似。首先,通过热力学能量守恒定律,确定结构性黄土压缩变形过程中的结构破损功数学表达式,并发现结构性黄土局部损伤耗散的热力学行为主要来源:(1)破损集合体与未破损集合体之间的相互摩擦作用;(2)未破损集合体向破损集合体转换时,部分细观结构破损的不可逆热力学行为。基于此认识,建立了考虑胶结破损热力学行为的宏-细观本构模型框架,并通过分析结构性黄土变形机制(摩擦+胶结+破损共同作用),确定其自由能、耗散能和破损耗散能表达式;推导了一个考虑体积破损和剪切破损演化规律的损伤屈服函数及本构关系。通过所建立本构关系对已有试验数据进行预测,验证其合理性。

水动力学模型的实时组合校正方法研究

受降雨分布不均、地形复杂多变及模型结构等因素限制,水动力学模型的水位模拟精度难以进一步提升。为此,基于一维水动力学模型运行结果,建立了涵盖KNN、SVR、LSTM、GRU等多种智能算法的实时校正模型,并将KNN校正法与WF算法串联耦合,提出了具有降噪功效的KNN-WF校正方法,在此基础上,为充分挖掘各校正算法在不同水位区间的校正优势,提出了一种基于M分位数的水位分级组合校正方法,以均方根误差、决定系数和峰值相对误差综合比较分析各校正方法的校正效果。汉江流域应用结果表明,KNN-WF校正法能有效避免KNN校正结果中存在的噪声和锯齿状峰值,校正后的水位过程与实测水位过程更加吻合,分级组合校正方法能实现不同水位区间的精细化校正从而提升整体校正效果。

木-混凝土螺栓连接力学性能试验及承载力计算模型

连接节点的设计是保证木-混凝土混合结构中两种材料协同工作的基础.为研究常用工程木-混凝土螺栓连接节点的力学性能及破坏模式,分别选用正交胶合木(Crosslaminated timber,CLT)-混凝土螺栓连接和云杉-松木-冷杉(Spruce Pine Fir,SPF)规格材-混凝土螺栓连接作为试验对象,设计了27组单调加载试验和低周往复加载试验,归纳并对比了两类木-混凝土螺栓连接的典型破坏模式.结果表明:木-混凝土螺栓连接节点承载力大小与螺栓屈服模式相关,CLT-混凝土螺栓连接相较于SPF-混凝土螺栓连接更易发生双铰破坏,且CLT-混凝土螺栓连接具有更好的延性.基于对两类连接力学性能差异的影响机理分析,考虑钢垫板对承载力的影响,并引入CLT等效截面,提出了木-混凝土螺栓连接的承载力力学模型.计算结果与试验结果对比的平均误差为12.18%,表明计算值与试验值吻合良好,可为木-混凝土螺栓连接的设计与应用提供参考.

基于系统动力学模型的干旱区农业节水潜力计算

【目的】利用系统动力学方法评估干旱区农业节水潜力。【方法】考虑荒漠化、水土流失等因素对节水的影响,选取农业用水量、耕地灌溉面积、灌溉水有效利用系数、粮经比、水土保持率等30个要素,借助Vensim PLE软件绘制系统动力学流图,构建了干旱区农业节水潜力计算模型,以内蒙古地区(不含东四盟市)为例,对短期规划年(2035年)和长期规划年(2050年)的区域农业节水潜力进行预测。【结果】研究区短期规划年的节水潜力为25.18亿m3,长期规划年的节水潜力为29.58亿m3,其中巴彦淖尔市的节水潜力最大,乌海市最小。在节水潜力组成中,工程节水占比最大,约为52.83%,技术节水占比最小,约为16.91%,工程节水占比呈逐年增长趋势。【结论】本研究将系统动力学运用到农业节水潜力估算当中,可为干旱区制定农业节水发展政策提供技术支撑。

SINOALKY硫酸法烷基化反应动力学模型

硫酸法异丁烷与丁烯烷基化在石油化工领域中具有重要的地位,其生产的烷基化油中氧、苯、芳烃、烯烃含量极低,硫含量少,抗爆指数高,是汽油的理想调和组分。为了烷基化工业装置更好地优化生产,基于正碳离子反应机理,本研究建立了包含20个集总、37个反应的硫酸法异丁烷与丁烯反应动力学模型,基于SINOALKY烷基化工艺反应器的结构特征建立了反应器模型。采用工厂实际数据,利用非线性最小二乘法回归求解模型参数,验证结果为主产物C_(8)模拟计算值与实际值的平均相对偏差为1.56%,反应器出口温度计算值与实际值的平均温差为0.10℃,整体拟合效果良好。使用所建立的模型预测了不同操作条件对烷基化反应的影响,得到烷基化油辛烷值与酸浓度、酸/烃比、烷/烯比均成正比,与反应温度成反比,与硫酸法烷基化体系的反应规律相一致。

槟榔干燥动力学模型及微观结构、代谢物变化规律研究

干燥是槟榔加工的第1步,干燥过程直接影响槟榔的品质和货架期。为了明确槟榔热风干燥过程的水分变化、纤维微观结构及代谢物的变化规律,以期对槟榔干燥时间进行精准调控。本研究以槟榔鲜果和槟榔杀青果为研究对象,利用5种模型对不同温度下槟榔热风干燥曲线进行拟合,建立槟榔干燥动力学模型,同时利用扫描电子显微镜、LC-MS等探讨干燥过程中槟榔微观结构、代谢物的变化规律。结果表明:槟榔干燥曲线呈指数下降,干燥速率曲线分为加速和降速2个阶段,温度对干燥速率有显著影响;Page模型对槟榔热风干燥曲线拟合较好,模型决定系数(R^(2))在0.98以上,均方差(mean square deviation,RMSE)在0.02~0.06范围内,模型预测值和真实值差异不显著,可以较好地反映槟榔干燥过程中的水分变化规律。微观结构分析表明,随着干燥时间的增加槟榔纤维层变得致密、紧实,杀青处理导致槟榔纤维结构松散。质构结果表明,随着干燥时间的增加,槟榔硬度和咀嚼度增加,弹性降低。差异代谢物结果显示,干燥过程通过影响氨基酸代谢通路、中心碳代谢通路、亚油酸代谢通路、黄酮类生物合成、苯丙烷类生物合成进而影响有机酸、脂质和类脂分子等发生变化。研究结果为丰富槟榔加工基础研究,以及为槟榔热风干燥时间的选择提供理论依据。

嗜热链球菌JM108发酵动力学模型的建立

本研究以嗜热链球菌JM108的生长和代谢为研究对象,以建立随时间变化模型,模拟细菌的生长、产物合成以及底物消耗的动力学变化。在M17培养基中接种嗜热链球菌JM108,每隔2 h对发酵体系内的嗜热链球菌JM108活菌数、乳酸含量以及葡萄糖含量进行测定,采用3种经典模型Logistic模型、Boltzmann模型和SGompertz模型对实验值进行非线性拟合。非线性拟合结果表明,Logistic模型最适合用于描述细菌生长动力学、乳酸生成动力学和葡萄糖消耗动力学,其R2值分别为0.9974、0.9947和0.9964,均大于0.99,拟合值与实验值的误差均小于15%,拟合良好,表明所建立的动力学模型能够较好地预测发酵过程的动态变化。嗜热链球菌JM108生长量动力学方程为:y=8.59+-2:39/1+(x/2.32)^(0.02);乳酸生成量动力学方程为:y=1.05+-1:061+(x/3.67)^(3.23);葡萄糖消耗量动力学方程为:y=0.02+0.151+(x/3.47)^(3.90)。建立嗜热链球菌JM108的发酵动力学模型,为描述发酵的动力学特征提供了理论支持。

佛手叶粉微波干燥动力学模型的建立及品质特性分析

为优化佛手叶粉的干燥效率与品质,以干基含水率、失水速率及感官评分等评估指标,探讨了间歇干燥模式、微波功率、装载量对干燥特性和感官品质的影响,旨在确定最佳干燥条件,并比较了热风与微波干燥后佛手叶粉在微观结构、色泽、叶绿素含量、吸湿性、溶解性及茶多酚含量等方面的差异。结果显示,20、30 s的间歇模式下的佛手叶粉品质最佳,时间较短,确定为最优干燥模式。微波功率和装载量对干燥速率产生显著影响,提高微波功率可有效缩短干燥时间,特别是缩短恒速干燥阶段;而在减速阶段,装载量对干燥速率的影响较小。在微波功率385 W,装载量20 g时,感官综合评分达到最高(16.5)。通过对比3种数学模型模拟干燥动力学过程,发现佛手叶水分比与干燥时间均存在非线性关系。但Page和Wang-Singh模型拟合效果显著,且Wang-Singh模型预测准确性更高,最佳拟合函数为M_(R)=(0.0011+0.0058X_(1)+0.0037X_(2))t^(2)-(0.086+0.1544X_(1)+0.086X_(2))t+1。与热风干燥相比,佛手老叶在最优干燥条件下制备的佛手叶超微粉呈疏松细小颗粒结构,色泽亮绿,感官品质(16.9)更优,润湿性和溶解性有所提升,且茶多酚和叶绿素保留率偏高。以上结果能够为佛手叶的精深加工提供科学指导。

锈蚀Q345B钢力学特性试验及循环本构模型研究

钢材锈蚀后的力学性能会发生劣化,已有研究主要关注低碳钢锈蚀后的静力拉伸性能。为研究Q345B低合金钢锈蚀后的力学特性,对22组Q345B钢材试件开展了人工加速腐蚀、单调拉伸与循环加载试验,分析了锈蚀对其单调拉伸和滞回性能的影响,并根据试验数据标定与验证了基于Chaboche模型的混合强化参数。结果表明:钢材单拉应力-应变曲线受锈蚀影响明显,各力学指标均随锈蚀率增加呈线性或非线性退化;循环累积损伤与锈蚀耦合作用会进一步加剧钢材变形能力劣化,同时钢材的耗能能力与循环强化作用亦会受到锈蚀影响;基于循环加载试验数据标定的材料混合强化参数,可较好地模拟锈蚀Q345B钢在循环荷载下的滞回性能,为后续在役钢构件及结构的剩余抗震能力分析评估提供支撑。

基于地质力学模型试验的拱坝坝基地质缺陷处理效果评价

为了分析GX拱坝坝肩混凝土抗剪洞对断层结构面的加固效果,采用地质力学模型试验方法,分别建立天然地基与加固地基条件下,拱坝典型高程2410 m拱圈的二维地质力学模型,对比两次试验结果表明:在左坝肩断层f 124和右坝肩断层F 115设置抗剪洞后,坝体和坝肩变位值明显减小,变位对称性得到改善。正常工况下,坝体拱冠径向变位减少约25%。左坝肩变位减小幅度总体大于右坝肩,尤其是抗剪洞附近的岩体变位减小较明显。坝肩破坏情况改善较显著,坝与地基超载安全系数平均提高约29.1%,拱坝与坝肩的承载能力与变形稳定性得到显著提高。研究成果可为工程设计提供科学依据,可供类似工程参考。

基于多种机器学习模型的混凝土力学性能预测及对比研究

选择了BP神经网络模型、支持向量机、XGBoost模型这3种机器学习模型构建了混凝土原材料用量与28 d抗压强度之间的预测模型,比较了各模型的拟合度、泛化能力和预测误差。结果表明:XGBoost模型在拟合度和泛化能力方面表现较为优秀,是构建混凝土原材料用量与28 d抗压强度之间预测关系的最佳模型。

具有VCT意识及媒体报道影响的HIV/AIDS感染动力学模型

构建一类具有VCT(voluntary counseling and testing)意识及媒体报道影响的HIV/AIDS感染动力学模型.首先得到模型解的适定性,并给出模型的基本再生数.其次,借助Hurwitz判别法及Lyapunov函数分析模型的阈值动力学,当R_(0)<1时无病平衡点局部渐近稳定且当R_(0)≤1时全局渐近稳定;当R_(0)>1时,地方病平衡点局部渐近稳定.进一步,结合持续生存理论给出疾病的一致持续性.最后,数值模拟表明随着VCT意识比例的提高,艾滋病患者人数的峰值逐渐降低,而随着信息失效率的增大,艾滋病患者人数的峰值将有所提高.

激光熔覆Inconel 625合金高温高应变率下的力学行为及本构模型

为研究激光熔覆Inconel 625(IN625)合金在高温高应变率下的力学行为,制备激光熔覆IN625合金试样,获取了试样在四种温度(25℃,600℃,800℃,1 000℃)和三种应变率(1 000 s^(-1),2 000 s^(-1),3 000 s^(-1))下的压缩应力-应变曲线,并构建了适用的本构模型。结果表明:激光熔覆IN625合金在四种温度和三种应变率下的应力-应变曲线均存在弹性和塑性阶段。在各温度下,材料的屈服强度和流动应力均随着应变率的增加而增大,表现出明显的应变率强化效应。在各加载应变率下,材料的流动应力和屈服强度均随着温度的升高而降低,表现出显著的温度软化效应。基于应力-应变数据,以Johnson-Cook(J-C)本构模型为基础,通过温度软化指数和应变率敏感系数拟合对模型进行修正,结果表明,模型拟合值与实验结果吻合较好,可准确地描述材料的力学行为。

聚甲氧基二甲醚-2燃烧动力学模型及试验研究

采用试验研究与动力学建模相结合方法,对聚甲氧基二甲醚-2(polyoxymethylene dimethyl ethers-2,PODE_(2))的中低温燃烧特性进行了研究。基于二甲氧基甲烷(dimethoxymethane,DMM)详细反应机理,遵循基于反应类的速率准则构建了PODE_(2)详细化学反应动力学机理,并与文献试验数据进行了验证;在快速压缩机试验平台测量了PODE_(2)在温度范围为550~900 K,当量比为0.5、1.0、2.0时着火延迟时间,结合所构建的详细反应机理,对PODE_(2)中低温条件下自着火过程控制因素进行了分析。结果表明,所构建的PODE_(2)反应机理可以很好地再现试验测量的着火延迟时间,对文献中现有的试验数据均能给出合理的预测。PODE_(2)自着火过程呈现明显的两阶段着火现象,没有表现出负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)行为;PODE_(2)第一阶段着火延迟时间在低温段随温度呈线性变化,在720~820 K的中温范围内呈“平台”状,几乎不随温度变化。PODE_(2)低温反应活性来自于3个替代性通道,由氧加成反应开启的典型低温链分支反应序列作用被抑制。

基于细观解析模型的铁路有砟道床力学特性研究

有砟道床是由碎石道砟组成的一种散粒体结构,道砟颗粒之间的相互作用影响道床结构整体的力学特性。为研究道砟层内部的荷载传递和沉降规律,探明列车行驶过程中道床服役状态演变的机制,基于有限元ABAQUS平台软件,通过编制内部子程序对Chang-Hicher模型进行二次开发,开展道砟集料的常规三轴试验以及碎石道床动力特性试验的数值模拟,从静、动力学角度阐明利用细观解析本构模型模拟道砟力学特性的可行性。进一步利用该模型研究高速列车荷载下道床的动态力学行为,从宏观层面探讨道床不同区域的沉降特征,从细观层面运用玫瑰图来分析道砟间接触力的分布情况和变化规律,分析行车速度和轴重等控制因素对接触力和位移的影响。研究结果表明,列车行驶过程中,荷载作用下方道砟的接触力整体水平最高、枕盒中心处次之,轨枕中心处最小,而这些区域内道砟的竖向位移变化基本相同;行车速度和轴重对道砟间接触力和道床下沉量均呈现正相关关系。

基于特性的牵引车-半挂车刚柔组合车架动力学模型研究

商用车较大的车架柔性会影响到整车的操纵稳定性和乘坐舒适性,尤其是在共振时车架柔性会放大对车辆运动品质的影响。为实时模拟牵引车-半挂车的车架运动,采用基于总成特性的建模技术路线,根据运动响应频域将车架运动解耦为低频刚体运动和高频柔体运动,并将车架模型模块化划分为基于多体动力学的刚体车架模块、基于模态综合法的柔体车架模块,然后将两模块求解结果叠加形成刚柔组合车架模型。最后,将车架模型嵌入牵引车89DOF-半挂车73DOF整车模型中,针对某款商用车进行仿真,通过对比实车场地试验结果,验证了模型的有效性。

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最优厚度,并对垫层设计提出优化建议。结果表明:随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计算结果与实验数据吻合良好。

火卫二动力学模型与精密定轨研究

模型充分考虑了火卫二与火星的二体运动模型、火星重力场、太阳系主要天体的三体摄动、广义相对论效应、火星固体潮、火卫二天平动等影响火卫二运动的因素,建立了火卫二动力学模型,并将人造卫星精密定轨的方法扩展至自然天体火卫二,建立了针对动力学模型数据拟合的平差模型。分别利用轨道研究中主流的8阶RKF (Runge-Kutta-Fehlberg)、12阶ABM(Adams-Bashforth-Moulton)和Gauss-Radau三种积分算法求解火卫二轨道,比较计算效率,将轨道计算中使用的完整相对论模型与简化相对论模型的计算结果进行了对比。数值实验结果表明:建立的火卫二动力学模型以及平差模型稳定可靠;在同等实验条件下,三种积分算法计算结果精度相当,12阶ABM积分算法的计算效率最高;两种相对论模型计算结果相当。

阻尼模型的力学机制及对钻柱动力学特性的影响

钻柱动力学特性模拟中普遍采用Rayleigh阻尼模型来反映阻尼(包括钻井液阻尼)的作用,但很少关注选用该模型的合理依据,且其阻尼系数主要依赖经验确定.首先,在考虑非线性和钻井液阻尼作用的基础上建立了钻柱动力学有限元模型,实现钻柱动力学特性的模拟,然后,研究较为典型的Rayleigh阻尼模型、Caughey阻尼模型、Clough阻尼模型的力学机制及其内在联系,并基于实际算例研究3种阻尼模型对钻柱动力学特性的影响,比较不同阻尼模型下钻柱的横向位移、横向加速度、以及涡动轨迹和涡动速度.结果表明,l取−2∼1时的Caughey阻尼模型的阻尼值偏小,未能起到阻尼的黏滞作用,而l取其他数值时阻尼值又过大,可见取4项的Caughey阻尼模型并不适用于钻柱动力学模拟计算.Rayleigh阻尼模型和Clough阻尼模型可以有效反映钻井液的阻尼效应,所得钻柱动态特性比较贴合实际振动情况,但前者形式简洁,便于计算,更适用于目前钻井工程中的钻柱动力学模拟.

基于动力学模型的手术器械夹持力估计研究

手术器械夹持力估计问题一直是微创手术机器人手术器械研究的重点。在微创手术过程中,夹持力过大会造成组织损伤,夹持力过小会使缝合针等脱落,引发危险。因此,研究如何估计手术器械夹持力是非常有必要的。根据手术器械的结构特点,提出了一种基于动力学模型的夹持力估计方法。建立的模型考虑了手术器械动力学模型、丝传动系统力和位移传递特性和直流电动机特性,得到了手术器械电动机电流和夹持力之间的关系;通过Matlab对夹持力模型进行仿真验证,得到了手术器械末端执行器随电动机电流变化的夹持力变化曲线。仿真结果表明,基于动力学模型的手术器械夹持力估计模型与实际情况相符,为后续的手术器械夹持力安全保障研究提供了理论依据。