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。

篇1

巖石材料在動(dòng)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(shì)。

本文概述了作者近年來對(duì)花崗巖材料在動(dòng)態(tài)壓縮載荷作用下力學(xué)特性進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)的相關(guān)研究提供借鑒。

2實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備為RDT－1000型巖石高壓動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理以及性能指標(biāo)見文[5,6]。實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shì)，當(dāng)應(yīng)變速率從10－4s-1增加到100s-1時(shí)，花崗巖的抗壓強(qiáng)度約增加15％。

實(shí)驗(yàn)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(shì)，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(dòng)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(shì)，同時(shí)，強(qiáng)度的增加幅度隨圍壓的增加有明顯的減小趨勢(shì)。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?；谶@些認(rèn)識(shí)，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(diǎn)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(dòng)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展準(zhǔn)則模擬了花崗巖材料的動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)隨著工程爆破在巖礦開采、地下洞室的營建以及場(chǎng)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(dòng)安全等問題。另外，在新的戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)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(píng)估也是目前需要解決的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。上述問題的解決，在一定程度上要求對(duì)巖石材料的動(dòng)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(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究不僅是巖石動(dòng)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)

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Abriefintroductionfortheexperimentalandtheoreticalstudyondynamiccompressivemechanicalpropertiesofagranite

篇2

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(duì)于初學(xué)者會(huì)感到枯燥．如果結(jié)合工程的實(shí)例，使教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)，在理論應(yīng)用到實(shí)際的同時(shí)，理解知識(shí)，既有針對(duì)性又會(huì)大大提高教學(xué)效率．

2案例教學(xué)的教學(xué)特點(diǎn)

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(duì)教學(xué)案例中涉及到的問題進(jìn)行討論，對(duì)解決問題需要應(yīng)用的理論知識(shí)進(jìn)行引入解釋，讓學(xué)生主動(dòng)思維，接受新的理論內(nèi)容，并掌握在實(shí)際中引用知識(shí)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(diǎn)，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(duì)案例中的問題循序漸進(jìn)．例如：在某橋梁設(shè)計(jì)的工程問題案例教學(xué)中，可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，然后針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中的不同材料選擇進(jìn)行分析，同時(shí)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(duì)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(lì)學(xué)生針對(duì)不同方案和觀點(diǎn)進(jìn)行討論，在討論中產(chǎn)生創(chuàng)造性的觀點(diǎn)和方案．課堂討論之后，教師對(duì)案例討論中的不同觀點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)發(fā)言中存在的問題做點(diǎn)評(píng)，加深學(xué)生對(duì)案例的認(rèn)識(shí)．做好總結(jié)是案例教學(xué)關(guān)鍵的步驟，能讓學(xué)生對(duì)知識(shí)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

篇3

一、認(rèn)真審題、明確對(duì)象、聯(lián)想圖景、啟動(dòng)思維。

力學(xué)習(xí)題有的給出一個(gè)物體，有的給出兩個(gè)或多個(gè)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(shí)現(xiàn)幾個(gè)轉(zhuǎn)換：1．由個(gè)別向一般轉(zhuǎn)換。

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

2．研究對(duì)象的實(shí)體向物理圖景轉(zhuǎn)換。

宏觀物體（大到天體）；有做勻速運(yùn)動(dòng)的，也有做變速運(yùn)動(dòng)的；有個(gè)體，也否相關(guān)聯(lián)的群體。對(duì)題目給定的研究對(duì)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(dòng)。

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(yùn)動(dòng)狀態(tài)有平衡狀態(tài)（靜止、勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)）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(duì)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(duì)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(gè)力，也不能憑空增加力），物體在各個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)、位置、運(yùn)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(shí)刻或某一位置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也用符號(hào)標(biāo)出。學(xué)生通過畫圖對(duì)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(shí)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(shí)水平階段嚴(yán)密的程度不同。一些能力較差的學(xué)生對(duì)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(gè)問題，我引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化以下幾方面意識(shí)：1．增強(qiáng)物理概念的物質(zhì)意識(shí)。每引入一個(gè)力學(xué)概念，應(yīng)充分利用實(shí)驗(yàn)或?qū)W生生活積累的已有經(jīng)驗(yàn)，把物理概念建立在充實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)上。

2．強(qiáng)化物理概念的界定意識(shí)。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(gè)“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(yùn)動(dòng)快慢與運(yùn)動(dòng)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(dòng)能和動(dòng)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(shí)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(shí)。

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

三、運(yùn)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(yùn)動(dòng)三定律、萬有引力定律、機(jī)械能守恒定律、動(dòng)能定理、動(dòng)量定理、動(dòng)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(duì)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(yàn)物理規(guī)律選擇的合理性。

四、設(shè)疑開拓、點(diǎn)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(shí)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(diǎn)撥才能展開。通過設(shè)疑點(diǎn)撥探究解惑，學(xué)生思維進(jìn)入新的層次。

1．指導(dǎo)語點(diǎn)撥。

2．資料點(diǎn)撥。

3.情境點(diǎn)撥。

4．交流點(diǎn)撥。

篇4

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(shí)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(duì)學(xué)生進(jìn)行職業(yè)意識(shí)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(shí)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(shí)修訂教材及教學(xué)大綱，優(yōu)化課時(shí)分配。由于教學(xué)學(xué)時(shí)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(shí)，相關(guān)的新知識(shí)、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(jì)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(shí)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(jì)算等內(nèi)容實(shí)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(shí)用性、針對(duì)性、先進(jìn)性”的教育特點(diǎn)，需要打破土木工程專業(yè)力學(xué)課程之間的界限，對(duì)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(gè)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(diǎn)。

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(shí)都是經(jīng)過實(shí)踐總結(jié)出來的，而又為實(shí)踐所用，因此，教師在授課時(shí)盡量把抽象的概念、理論與工程實(shí)際聯(lián)系起來，擴(kuò)大教學(xué)信息量及知識(shí)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(shí)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(diǎn)從知識(shí)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(dòng)，缺點(diǎn)是推導(dǎo)過程和繪圖占用了大量時(shí)間。多媒體教學(xué)具有圖、文、聲并茂甚至有活動(dòng)影像這樣的特點(diǎn)，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(dòng)具體，能增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，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(shí)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(shí)踐教學(xué)實(shí)踐教學(xué)是鞏固理論知識(shí)的有效途徑，是理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動(dòng)手能力的重要手段。通過課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)或演示教學(xué)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)等使學(xué)生通過實(shí)際觀察獲得感性知識(shí)以說明和印證所傳授知識(shí)。實(shí)踐教學(xué)能使學(xué)生獲得生動(dòng)而直觀的感性知識(shí)，加深對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象的印象，把書本上理論知識(shí)和實(shí)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(duì)所學(xué)知識(shí)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(dú)立探索能力、實(shí)驗(yàn)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(duì)學(xué)生實(shí)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(shí)點(diǎn)覆蓋面上有一定的差異。隨著力學(xué)各課程習(xí)題冊(cè)的出版，節(jié)省了老師和學(xué)生的大量寶貴時(shí)間，使得學(xué)生有更多的時(shí)間理解教材中的內(nèi)容。但是由于習(xí)題冊(cè)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(cè)。一方面對(duì)要求學(xué)生掌握課程知識(shí)點(diǎn)和覆蓋面有個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)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(shí)，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(diǎn):考核既是為了檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握情況，幫助教師不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法;同時(shí)也是為了對(duì)學(xué)生就該課程的學(xué)習(xí)做出客觀公正的評(píng)價(jià)，并引導(dǎo)其學(xué)習(xí)方向，逐步適應(yīng)學(xué)科課程的特點(diǎn)，最終起到夯實(shí)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(shí)，而且錯(cuò)綜復(fù)雜的工程實(shí)際問題也不是簡單的力學(xué)理論就可以完成的。因此對(duì)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(dòng)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(duì)檢驗(yàn)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(shí)的教學(xué)活動(dòng)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(shí)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(shí)傳授給學(xué)生，最后通過考前復(fù)習(xí)和考試對(duì)其歸納提高。在此過程中，學(xué)生多數(shù)處于被動(dòng)、應(yīng)付狀態(tài)，難以擺脫從理論到理論，理論脫離實(shí)際模式的束縛。學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立分析問題、解決實(shí)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(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程設(shè)計(jì)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(jì)，吉林大學(xué)的材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)，湖南大學(xué)的振動(dòng)力學(xué)課程設(shè)計(jì)，美國的斯坦福大學(xué)在理論力學(xué)增設(shè)了實(shí)踐環(huán)節(jié)等，都取得了較好的效果。在增加課程設(shè)計(jì)數(shù)量的同時(shí)，一些高校更較重視課程設(shè)計(jì)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(jì)是針對(duì)實(shí)際的索拉橋進(jìn)行分析，在提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立分析問題與解決實(shí)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(jì)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)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(duì)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(huì)經(jīng)常遇到一些沒有見過的實(shí)際問題或力學(xué)模型，工程意識(shí)和分析、解決實(shí)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(shí)和分析、解決實(shí)際問題能力較強(qiáng)的人則往往能自如應(yīng)對(duì)一切難題。為了培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程意識(shí)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(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，如“有限元軟件應(yīng)用課程設(shè)計(jì)”和“工程力學(xué)課程設(shè)計(jì)”，2011年又增設(shè)了“結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)”和“CAM/FEM軟件應(yīng)用課程設(shè)計(jì)”。但總的來講，力學(xué)專業(yè)的課程設(shè)計(jì)綜合性較差，特色不明顯，課程設(shè)計(jì)題目的難度、涉及的知識(shí)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(jì)改革中存在的問題

目前我校課程設(shè)計(jì)改革中存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是課程設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)和興趣愛好，去選擇他們感興趣的題目進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是一味進(jìn)行強(qiáng)迫式學(xué)習(xí)，完成所謂的設(shè)計(jì)任務(wù)。學(xué)生目前經(jīng)過課程設(shè)計(jì)后并不能應(yīng)對(duì)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(jì)研究內(nèi)容與工程實(shí)際問題有偏差。課程設(shè)計(jì)都是承接基礎(chǔ)理論與工程實(shí)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(shí)際，在實(shí)際中檢驗(yàn)自己的知識(shí)，但由于學(xué)生體會(huì)不到理論與實(shí)際的聯(lián)系，課程設(shè)計(jì)并不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性。三是課程設(shè)計(jì)時(shí)間在安排上與課堂教學(xué)存在一定的時(shí)間間隔。在課程設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于理論知識(shí)不夠扎實(shí)的部分學(xué)生來說，會(huì)有一種懼怕且無從下手的感覺，很難投入足夠的精力和時(shí)間認(rèn)真完成課程設(shè)計(jì)。而課程設(shè)計(jì)形式基本上是以小組為單位，小組成員圍繞一個(gè)核心題目完成不同方面的設(shè)計(jì)任務(wù)。由于學(xué)生的理論基礎(chǔ)和解決實(shí)際問題的能力存在差異，“能者多勞”的現(xiàn)象就會(huì)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(gè)別學(xué)生不做或少做設(shè)計(jì)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(jì)改革的空間較大。

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

一方面，課程設(shè)計(jì)應(yīng)選取具有一定的工程或社會(huì)實(shí)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(duì)工程實(shí)際問題的復(fù)雜性有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)該課程理論基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握程度，培養(yǎng)學(xué)生通過綜合運(yùn)用該課程和相關(guān)課程的基本理論知識(shí)來分析和解決工程實(shí)際問題的能力。另一方面，能使學(xué)生樹立起正確的設(shè)計(jì)思想，養(yǎng)成實(shí)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(jì)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(shí)，還要注意理論聯(lián)系工程實(shí)際，通過列舉工程實(shí)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(shí)際應(yīng)用才是真正目的。隨著社會(huì)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(shì)和重點(diǎn)，更新補(bǔ)充專業(yè)知識(shí)，提高專業(yè)能力;了解該專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)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(jì)題目，并且真正做到理論與工程實(shí)際的聯(lián)系、對(duì)知識(shí)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(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和應(yīng)變思維能力。

2.課程設(shè)計(jì)應(yīng)與工程實(shí)際相結(jié)合，針對(duì)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(jì)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(duì)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(shí)很好懂，但自己動(dòng)手練習(xí)的時(shí)候卻無從下手，理論和實(shí)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(shí)例教學(xué)法，即選擇一些具有代表性、啟發(fā)性、時(shí)代性的實(shí)例，通過學(xué)習(xí)和討論，使學(xué)生對(duì)知識(shí)有更深層次的理解，從而激發(fā)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的熱情。教師可以通過布置相關(guān)知識(shí)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(shí)和工程實(shí)際問題間的聯(lián)系。《材料力學(xué)》課程除可設(shè)置實(shí)驗(yàn)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(jì)，從安全校核到經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等實(shí)際操作過程中，去體會(huì)理論和實(shí)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(duì)于那些需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，并且要有足夠的時(shí)間進(jìn)行實(shí)踐的課程設(shè)計(jì)，可以安排在下一學(xué)期進(jìn)行。由此實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的相互滲透、相輔相成，改變實(shí)踐活動(dòng)與教學(xué)內(nèi)容游離的狀況。

3.在課程設(shè)計(jì)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(shí)，暫不考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)每根連桿建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，使得連桿在其中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)很小。機(jī)械臂的整體運(yùn)動(dòng)則可由這兩個(gè)動(dòng)坐標(biāo)系的方位角來描述。于是，在動(dòng)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(diǎn)連線坐標(biāo)系，即將連桿兩端點(diǎn)的連線作為動(dòng)坐標(biāo)系的x軸（見圖1）。描述整體運(yùn)動(dòng)的是兩個(gè)角度和，而連桿相對(duì)于動(dòng)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)則可視為簡支梁的振動(dòng)。這樣，動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式（或數(shù)值解）：

(1)

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

對(duì)每個(gè)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(dòng)力學(xué)方程：

(2)

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

柔性臂系統(tǒng)的逆動(dòng)力學(xué)問題，是指在已知期望末端操作器運(yùn)動(dòng)軌跡的情況下，結(jié)合逆運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程對(duì)關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行求解。如果直接進(jìn)行逆動(dòng)力學(xué)求解，即把式(1)代入動(dòng)力學(xué)方程式(2)中，對(duì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的坐標(biāo)可以看成有兩部分組成：大范圍的相對(duì)緩慢的運(yùn)動(dòng)（慢變）部分和小范圍的振動(dòng)（快變）部分。本文試圖將這兩部分分離，分別討論它們的逆動(dòng)力學(xué)特性，并以此來分析整體系統(tǒng)的逆動(dòng)力學(xué)問題。

2快變部分的逆動(dòng)力學(xué)問題

首先，尋求兩個(gè)關(guān)節(jié)力矩使端點(diǎn)保持不動(dòng)，先不考慮大范圍的運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，重力只起了一個(gè)改變平衡點(diǎn)的作用，在方程中把與它相關(guān)的部分略去，在動(dòng)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(duì)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(shí)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(dòng)問題的精確逆動(dòng)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(duì)稱，必然會(huì)出現(xiàn)正實(shí)部，如選取更多階模態(tài)函數(shù)離散時(shí)，會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。因此，選取更多階模態(tài)函數(shù)離散時(shí)，其振動(dòng)問題的逆動(dòng)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(dòng)力學(xué)求解，當(dāng)積分步長很小時(shí)，其解是發(fā)散的；當(dāng)積分步長較大時(shí)，便可得到較好的結(jié)果。其原因是因?yàn)榭熳儾糠值哪鎰?dòng)力學(xué)解發(fā)散，當(dāng)步長較大時(shí)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(dòng)力學(xué)

在進(jìn)行慢變意義上的逆動(dòng)力學(xué)求解時(shí)，應(yīng)試圖將彈性坐標(biāo)中的振動(dòng)部分濾掉，彈性坐標(biāo)中不應(yīng)含有振動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡：機(jī)械臂端點(diǎn)繞以(0.8,0)為圓心，做半徑為0.5m,以每周1s作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

由機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可以看到，彈性坐標(biāo)的一階、二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)振動(dòng)幅值很大，但它們都在零值附近振動(dòng)，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(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，相當(dāng)于濾掉了彈性坐標(biāo)中的振動(dòng)部分，經(jīng)過整理得到如下形式：

(7)

式中，、、中含、及其一階時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。

將式(1)代入式(7)中，再對(duì)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(dòng)的曲線）。為了考察得到的力矩，將力矩代入動(dòng)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(dòng)的曲線），軌跡跟蹤曲線、端點(diǎn)坐標(biāo)與期望運(yùn)動(dòng)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(dòng)）與機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)仿真得到的彈性坐標(biāo)（含振動(dòng)）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(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)相當(dāng)于濾掉了彈性坐標(biāo)中的振動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程中，其彈性坐標(biāo)由兩方面組成，一方面是振動(dòng)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(dòng)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(duì)于柔性機(jī)械臂系統(tǒng)，振動(dòng)部分的精確逆動(dòng)力學(xué)解是發(fā)散的，進(jìn)行逆動(dòng)力學(xué)求解時(shí)，應(yīng)濾掉振動(dòng)部分，在慢變的意義上進(jìn)行，才能得到比較好的前饋力矩。

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篇7

因控制超溫的方式不同，目前主要分為高水氣比、低水氣比、中低水氣比變換工藝［3］。其中高水氣比變換工藝又分為全高水氣比、高水氣比分股變換工藝。對(duì)于SE－東方爐粉煤氣化制甲醇，經(jīng)計(jì)算，變換水氣比0．5左右即可滿足制甲醇的部分變換需求，其粗合成氣自身所帶水氣是過剩的。因此，試圖通過提高粗合成氣的水氣比來控制變換反應(yīng)溫度的工藝顯然非常不經(jīng)濟(jì)。目前運(yùn)行的高濃度CO高水氣變換流程存在如下問題：①初期開車由于負(fù)荷低，第一變換爐超溫到500℃，為降低床層溫度，水氣比要高于1．6，甚至達(dá)到1．8，造成了能量巨大的浪費(fèi)；②由于濕氣空速大，變換反應(yīng)深度增加，因此單爐催化劑用量多；③催化劑使用壽命短，目前運(yùn)行的Shell和GSP氣化高水氣比裝置，第一變換爐催化劑使用壽命都不超過1a。對(duì)于高濃度CO粗合成氣，現(xiàn)有高水氣比變換紛紛進(jìn)行技術(shù)改造，降低其水氣比，節(jié)約能耗。Shell粉煤氣化在國內(nèi)應(yīng)用較為成熟，與之相配套的變換工藝有全高水氣比、全低水氣比、低串中水氣比工藝［4］。全高水氣比工藝為預(yù)變換爐前一次性補(bǔ)足水蒸氣，如SE－東方爐粉煤氣化采用全高水氣比變換來控制爐溫，需要添加大量的高壓蒸汽，由于合成甲醇不需要過高的變換率，這些添加的蒸汽最終并未參與變換反應(yīng)，并且需要通過換熱將其冷凝成水，能耗較高。屬于改進(jìn)型的高水氣比分股變換工藝，仍需將一股配加蒸汽至高水氣比，雖然達(dá)到相對(duì)節(jié)省蒸汽的目的，但造成蒸汽和熱量浪費(fèi)的同時(shí)，仍然增加了后續(xù)工段管線設(shè)備的投資和冷凝液處理的負(fù)擔(dān)。而全低水氣比、低串中水氣比工藝則需先降低SE-東方爐粉煤氣化粗合成氣中的水氣比，后續(xù)又補(bǔ)充蒸汽或水。顯然以上與Shell粉煤氣化配套的變換工藝均不適用于SE－東方爐粉煤氣化制甲醇。因此，SE－東方爐粉煤氣化制甲醇變換工藝技術(shù)選擇思路為降低其水氣比控制變換反應(yīng)溫度，并且在后續(xù)變換爐前不補(bǔ)充蒸汽或水。目前有兩種與之配套且先進(jìn)的變換工藝：動(dòng)力學(xué)控制變換工藝和熱力學(xué)控制變換工藝。以某年產(chǎn)180萬噸甲醇裝置為例，該裝置生產(chǎn)規(guī)模日投煤量7500t，生產(chǎn)的粗合成氣有效氣量為516000m3／h，粗合成氣中CO（干基）體積含量70％，水氣比0．92，要求變換裝置出口變換氣中H2／CO為2．26±0．02。因裝置規(guī)模大，變換設(shè)置兩系列。以下針對(duì)單系列對(duì)兩種工藝進(jìn)行比較。

1．1動(dòng)力學(xué)控制變換工藝動(dòng)力學(xué)控制變換工藝流程見圖2。粗合成氣全量進(jìn)入1＃低壓蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)低壓蒸汽，同時(shí)調(diào)整水氣比至約0．55后，經(jīng)氣氣換熱器升溫進(jìn)入第一變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)，出口氣體經(jīng)換熱后，進(jìn)入1＃中壓蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)中壓蒸汽，降溫后進(jìn)入第二變換爐繼續(xù)變換反應(yīng)，出第二變換爐變換氣進(jìn)入2＃中壓蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)中壓蒸汽后，與第一變換爐出口跨線變換氣混合，調(diào)整出裝置工藝氣H2／CO，混合工藝氣依次進(jìn)入2＃低壓蒸汽發(fā)生器、鍋爐給水預(yù)熱器、脫鹽水預(yù)熱器回收熱量。動(dòng)力學(xué)控制變換工藝通過適當(dāng)減少第一變換爐中的催化劑，即控制催化劑裝填量的辦法，能達(dá)到控制床層熱點(diǎn)溫度從而達(dá)到控制反應(yīng)深度的目的［6］。但是，由于CO濃度和水氣比都高，反應(yīng)的推動(dòng)力太大，催化劑的裝填量只要有少量的變化，就會(huì)明顯影響床層的熱點(diǎn)溫度，因此催化劑的用量必須準(zhǔn)確，否則會(huì)因?yàn)榉磻?yīng)深度的增加而造成床層“飛溫”的不良結(jié)果。如果催化劑的裝填量固定不變，則在裝置開車初期，負(fù)荷小或氣量波動(dòng)時(shí)，催化劑裝填量勢(shì)必富余，導(dǎo)致粗合成氣反應(yīng)深度加大而超溫。運(yùn)用一種新開發(fā)的分層進(jìn)氣變換反應(yīng)器技術(shù)，當(dāng)生產(chǎn)裝置運(yùn)行負(fù)荷低時(shí)，氣體只經(jīng)過下層進(jìn)行變換反應(yīng)，可以避免因?yàn)榇呋瘎┭b填富余，CO過度反應(yīng)使床層超溫；當(dāng)生產(chǎn)裝置運(yùn)行正常時(shí)，氣體可以全部從上段進(jìn)入或者上段和下段同時(shí)進(jìn)入，以此來滿足生產(chǎn)要求。該工藝主要缺點(diǎn)是：變換反應(yīng)溫度控制的影響因素較多，催化劑的裝填量、原料氣負(fù)荷、水氣比的波動(dòng)均影響反應(yīng)溫度，操作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

1．2熱力學(xué)控制變換工藝熱力學(xué)控制變換工藝流程見圖3。粗合成氣首先分為兩路，一路進(jìn)入1＃低壓蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)低壓蒸汽，同時(shí)調(diào)整水氣比至約0．25后，經(jīng)氣氣換熱器升溫進(jìn)入第一變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)，出口氣體經(jīng)換熱后，進(jìn)入1＃中壓蒸汽發(fā)生器副產(chǎn)中壓蒸汽，降溫后與另一路粗合成氣匯合后經(jīng)脫毒槽進(jìn)入第二變換爐繼續(xù)變換反應(yīng)，出第二變換爐變換氣依次進(jìn)入中壓蒸汽過熱器、2＃中壓蒸汽發(fā)生器、2＃低壓蒸汽發(fā)生器、鍋爐給水預(yù)熱器、脫鹽水預(yù)熱器回收熱量。熱力學(xué)控制變換工藝在粗合成氣主路設(shè)置非變換旁路跨越第一變換爐，再與另一路經(jīng)第一變換爐的低含水量變換氣混合后進(jìn)入第二變換爐反應(yīng)，可穩(wěn)定調(diào)控水氣比，且無需補(bǔ)充蒸汽調(diào)整水氣比，節(jié)約能耗效果顯著。第一、二變換爐催化劑裝填量均為足量，都按照接近反應(yīng)平衡控制變換深度進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合粗合成氣旁路、主路流量比值控制及第一變換爐之前設(shè)置蒸汽發(fā)生器，運(yùn)行負(fù)荷變化時(shí)不需要調(diào)整；且由于反應(yīng)平衡控制的特點(diǎn)，在不同運(yùn)行負(fù)荷下第一變換爐發(fā)生甲烷化反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)很小。該流程應(yīng)注意的是，運(yùn)行過程特別是開工導(dǎo)氣初期，由于操作或調(diào)整不當(dāng)出現(xiàn)水氣比過低而容易導(dǎo)致甲烷化超溫發(fā)生。此時(shí)可根據(jù)床層溫度適當(dāng)調(diào)整第一變換爐水氣比，控制床層熱點(diǎn)溫度不高于380℃，避免甲烷化的發(fā)生。在運(yùn)行末期，可以通過適當(dāng)減小進(jìn)入第一變換爐的氣量或者適當(dāng)提高第一變換爐反應(yīng)器入口的水氣比，來維持較高的CO轉(zhuǎn)化率，使裝置仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行。此工藝操作過程簡單，兼顧了第一、二變換爐反應(yīng)器的溫度控制和水氣比要求，既很好地控制了第一變換爐反應(yīng)器的熱點(diǎn)溫度，又使第二變換爐反應(yīng)器入口氣體在降溫的同時(shí)提高了水氣比。

2分析比較

兩種工藝有相似之處，即均采用了降低原料粗合成氣中水氣比的方法。究其原因，一方面制甲醇其水氣比是過剩的，節(jié)能效果顯著；另一方面可以降低變換反應(yīng)的劇烈程度，增強(qiáng)了裝置的穩(wěn)定性和可操作性。不同的是第一變換爐變換反應(yīng)控溫方式的差異，動(dòng)力學(xué)控制變換工藝是減少催化劑裝填量，使變換未反應(yīng)完全即送出第一變換爐，而熱力學(xué)控制變換工藝是變換反應(yīng)達(dá)到平衡后送出第一變換爐。

2．1技術(shù)參數(shù)表1是兩種工藝的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比，從表1中可知，兩種工藝均能滿足生產(chǎn)要求。兩種工藝經(jīng)廢熱鍋爐后，降低第一變換爐進(jìn)口的水氣比，因各自控溫方式的不同而產(chǎn)生較大差異。且2個(gè)變換爐進(jìn)口溫度、床層熱點(diǎn)溫度呈現(xiàn)出不同的高低分布。動(dòng)力學(xué)控制變換工藝2個(gè)爐進(jìn)口溫度均較高，床層熱點(diǎn)溫度前高后低。熱力學(xué)控制變換工藝2個(gè)爐進(jìn)口溫度均較低，床層熱點(diǎn)溫度前低后高。比較而言，較低的進(jìn)口溫度有利于催化劑的升溫還原操作和使用壽命的延長，也便于換熱流程的組建，而且變換工藝的控溫關(guān)鍵是第一變換爐，第一變換爐較低的床層熱點(diǎn)溫度可以更有效避免甲烷化的發(fā)生。由于兩種工藝變換爐熱點(diǎn)溫度的差異，換熱流程從熱量有效利用的角度考慮，中壓蒸汽過熱器設(shè)置位置不同，動(dòng)力學(xué)控制變換工藝中，中壓蒸汽過熱器直接設(shè)置在了第一變換爐出口，而熱力學(xué)控制變換工藝則設(shè)置在了第二變換爐出口。

2．2能耗表2是兩種工藝的主要消耗對(duì)比。當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模一定時(shí)，不同變換工藝的能耗主要體現(xiàn)在蒸汽和工藝余熱上。由表2可知，兩種工藝副產(chǎn)的蒸汽基本相當(dāng)，低溫位工藝余熱、冷凝液總量、循環(huán)冷卻水水量，熱力學(xué)控制變換工藝略多，此結(jié)果是由于熱力學(xué)控制工藝進(jìn)入變換系統(tǒng)的總水氣比略高于動(dòng)力學(xué)控制工藝。兩種工藝均采用了前置廢熱鍋爐，并且后續(xù)不補(bǔ)充蒸汽或水，變換深度相當(dāng)，變換產(chǎn)生的整體熱量和冷凝液基本相同，只是熱量及冷凝液的分配有所不同，故由表2可看出兩方案能耗相當(dāng)。

2．3投資兩種工藝主要設(shè)備投資費(fèi)用見表3。可以看出，變換爐費(fèi)用因兩種工藝催化劑裝量的不同存在較大差異；各換熱設(shè)備因兩種工藝換熱流程、參與換熱工藝氣氣量、平均傳熱溫差等因素存在明顯差異。雖然熱力學(xué)控制變換工藝多設(shè)置一臺(tái)脫毒槽，但動(dòng)力學(xué)控制變換工藝主要設(shè)備投資費(fèi)用比熱力學(xué)控制變換工藝多。兩種變換工藝中，第一變換爐催化劑設(shè)計(jì)使用壽命均為2a，第二變換爐催化劑設(shè)計(jì)壽命為4a，脫毒槽吸附劑設(shè)計(jì)使用壽命為4a。綜合以上幾方面的分析比較，兩種變換工藝均能滿足生產(chǎn)要求，能耗相當(dāng)，在操作穩(wěn)定性和主要設(shè)備投資方面，熱力學(xué)控制變換工藝優(yōu)于動(dòng)力學(xué)控制變換工藝。

3結(jié)束語

篇8

工程熱力學(xué)課程的特點(diǎn)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(shí)例的基礎(chǔ)上，激勵(lì)學(xué)生去思考，及時(shí)地與學(xué)生就教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行討論，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)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(dòng)畫的簡單演示，而是把教學(xué)的核心放在啟迪學(xué)生對(duì)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(shí)，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(duì)熱力學(xué)的一種系統(tǒng)的總體的認(rèn)識(shí)和把握，而不是零散地去背誦記憶一些片段。通過這種激勵(lì)啟發(fā)式的教學(xué)，使學(xué)生做到理論和實(shí)際工程案例的結(jié)合，從而使熱力學(xué)知識(shí)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(lì)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(jì)課堂教學(xué)內(nèi)容的每個(gè)環(huán)節(jié)，圍繞章節(jié)內(nèi)容中的重點(diǎn)知識(shí)內(nèi)容，設(shè)計(jì)問題及啟發(fā)實(shí)例，并完成課堂互動(dòng)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(shí)。

二、改進(jìn)課堂教學(xué)PPT，增加工程實(shí)例

工程熱力學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，與工程實(shí)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(shí)，迫切需要在傳統(tǒng)課件中加入工程實(shí)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(huì)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(duì)熱力學(xué)知識(shí)的理解、分析、記憶、掌握和應(yīng)用。對(duì)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(shí)例，進(jìn)行詳細(xì)分析和講授。工程案例的引入，將實(shí)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(shí)來解釋工程問題，在講解中讓學(xué)生明白熱力學(xué)知識(shí)可以解決本專業(yè)涉及的實(shí)際專業(yè)問題，從而實(shí)現(xiàn)“從理論中來，到實(shí)踐中去”，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàng)目中

在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中，需要提升學(xué)生運(yùn)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(jì)的能力。大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施，有利于促進(jìn)高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和能力的新型人才，促進(jìn)高校探索并建立以科研活動(dòng)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(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)在項(xiàng)目實(shí)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(xiàng)目，結(jié)合建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程的專業(yè)特點(diǎn)，在指導(dǎo)學(xué)生大創(chuàng)項(xiàng)目時(shí)，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(shí)來解決實(shí)際問題的一種鍛煉。學(xué)生在科研項(xiàng)目中，深化了對(duì)熱力學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高了自己思考問題、解決問題的能力。同時(shí)，鼓勵(lì)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(jì)大賽等，通過這些競(jìng)賽活動(dòng)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(bào)告

工程熱力學(xué)課程是一門實(shí)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(duì)傳統(tǒng)布置練習(xí)題來檢驗(yàn)教學(xué)成果的方式進(jìn)行改進(jìn)，增加一些實(shí)際工業(yè)循環(huán)的實(shí)例，讓學(xué)生通過分析其所應(yīng)用的原理，提交分析報(bào)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(shí)際的能力。同時(shí)，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(shí)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(shí)現(xiàn)社會(huì)持續(xù)不斷向前發(fā)展的原動(dòng)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(huì)和具體的實(shí)踐操作。

本文從工程熱力學(xué)教學(xué)與工程實(shí)例結(jié)合，與科研活動(dòng)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(shí)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)：

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[2]譚羽非.突出專業(yè)特點(diǎn)改革工程熱力學(xué)課程教學(xué)的研究與實(shí)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(jì)18臺(tái)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(cuò)，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(duì)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(yùn)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(tái)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(cuò)動(dòng)帶一般不發(fā)育。層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶以P2β6下部及P2β4、P2β5層內(nèi)相對(duì)較發(fā)育，錯(cuò)動(dòng)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(jì)

經(jīng)過與設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)：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(shí)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(yàn)要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

本試驗(yàn)研究對(duì)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(shí)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(shí)際取為1.45倍～1.85倍，達(dá)到海拔200m；上方取到地面，實(shí)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(gè)機(jī)組段長度(自5號(hào)機(jī)組中心線至8號(hào)機(jī)組中心線)，為102m.因?yàn)槟Ｐ蛶缀伪瘸邽?/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(duì)模型試驗(yàn)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(cuò)動(dòng)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(chǎng)模擬三維原始地應(yīng)力的模擬是本試驗(yàn)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。經(jīng)過研究、論證和試驗(yàn)，本試驗(yàn)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(chǎng)，保證了試驗(yàn)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(yàn)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(chǎng)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(chǎng)，離散為有限多個(gè)微小的單元應(yīng)力場(chǎng)，并認(rèn)為此單元應(yīng)力場(chǎng)為一個(gè)等效的均勻應(yīng)力場(chǎng)。用一組垂直于該單元應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)的目的(如圖2).對(duì)各個(gè)離散的單元應(yīng)力場(chǎng)均進(jìn)行這樣的操作，就可以完成整個(gè)試驗(yàn)域復(fù)雜變化的應(yīng)力場(chǎng)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(cè)和報(bào)警輔助系統(tǒng)，以保證試驗(yàn)期間的壓力穩(wěn)定。

3.4開挖過程模擬按照數(shù)值計(jì)算優(yōu)選的開挖步序(如圖3所示)，對(duì)試驗(yàn)范圍內(nèi)地下洞室群的隱蔽開挖進(jìn)行了模擬。本試驗(yàn)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(jì)專門的鉆鑿機(jī)具。經(jīng)過反復(fù)研究試驗(yàn)，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(jì)

3.5支護(hù)方案模擬按照數(shù)值計(jì)算優(yōu)選的支護(hù)方案，對(duì)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(jì)支護(hù)方案，錨索按實(shí)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(cè)在主廠房、主變室、尾調(diào)室三個(gè)主要洞室中，采用預(yù)埋多點(diǎn)位移計(jì)方式進(jìn)行了內(nèi)部收斂以及洞周圍巖深度變形量測(cè)；采用光導(dǎo)纖維進(jìn)行了內(nèi)部變形的量測(cè)；采用超聲波測(cè)量方法進(jìn)行了洞周圍巖屈服松動(dòng)區(qū)的量測(cè)；采用內(nèi)部攝影方式進(jìn)行了內(nèi)部破壞形態(tài)的觀測(cè)。

3.7內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布量測(cè)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(jì)、應(yīng)變花，進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)分布量測(cè)。在重要位置，預(yù)埋光纖傳感器，與應(yīng)變片測(cè)量相比較，測(cè)量應(yīng)力場(chǎng)分布。

圖4隱蔽洞室開挖微型步進(jìn)TBM示意

4試驗(yàn)過程和結(jié)果

試驗(yàn)自2000年5月開始各項(xiàng)前期工作，包括場(chǎng)地準(zhǔn)備、試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和施工、模型材料設(shè)計(jì)和試驗(yàn)、模型制作和傳感器埋設(shè)、地應(yīng)力場(chǎng)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(yùn)行、測(cè)量儀器的研制和準(zhǔn)備等。2001年7月15日正式實(shí)施洞室開挖模擬，量測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行同步量測(cè)，采集數(shù)據(jù)，至2001年8月18日完成洞室群開挖。試驗(yàn)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(gè)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(shí)進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算相比頂拱位移偏大一些，這是由于模型試驗(yàn)中準(zhǔn)確地模擬了層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的影響，而計(jì)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(duì)這部分巖柱削弱較多引起的。試驗(yàn)中所揭示的各個(gè)方向的位移量均不大，分布合理。除三大洞室頂拱位移比計(jì)算值略大之外，其它與計(jì)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(jì)算結(jié)果接近。光纖傳感器量測(cè)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(shì)。

4.3超聲波測(cè)量試驗(yàn)中采用超聲波測(cè)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(dòng)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(cè)量和位移測(cè)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(yàn)，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(shì)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(cuò)動(dòng)帶，增加了頂拱的整體性，是很必要的。雖然本試驗(yàn)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(duì)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(jì)算中沒有反映出來的。通過對(duì)模型錨索應(yīng)力的測(cè)量，反映出對(duì)目前的開挖方案，錨索應(yīng)力有明顯增加。因?yàn)槲舱{(diào)室是上下先開挖然后中間再挖通，高邊墻有一個(gè)突然形成的過程。雖然這一情況因?yàn)橹虚g隔墻的存在而減弱，但對(duì)離隔墻遠(yuǎn)一些的部位仍有一定的沖擊作用?？紤]到這一點(diǎn)，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(gè)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(dòng)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(shí)，KACA<<1，此時(shí)ln(CAo/CA)-t為直線關(guān)系，表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)。

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

③如果濃度適中，反應(yīng)級(jí)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(jí)數(shù)將由一級(jí)經(jīng)過分?jǐn)?shù)級(jí)而下降為零級(jí)。

1實(shí)驗(yàn)裝置與方法

TiO2膜的制備及實(shí)驗(yàn)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(cè)定［2］。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1光催化動(dòng)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(jí)數(shù)將由零級(jí)逐漸過渡到一級(jí)的動(dòng)力學(xué)變化過程十分吻合。酚濃度與處理時(shí)間的關(guān)系見圖1。在較高起始濃度時(shí)，表現(xiàn)為零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，C-t為直線關(guān)系。而對(duì)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(shí)其ln(C0/C)-t之間服從直線關(guān)系，表明已轉(zhuǎn)變?yōu)橐患?jí)反應(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(shí)的零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程或一級(jí)反應(yīng)動(dòng)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。可見，表觀零級(jí)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(shí)，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(shí)驗(yàn)采用的相當(dāng)寬的起始濃度范圍內(nèi)均表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)驗(yàn)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(shí)，均相光解動(dòng)力學(xué)對(duì)總反應(yīng)動(dòng)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(dòng)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(shí)的反應(yīng)規(guī)律符合一級(jí)動(dòng)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(shí)相同的動(dòng)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(duì)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(shí)的表觀一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)和起始反應(yīng)速率?？梢?，對(duì)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(jí)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(duì)光的吸收導(dǎo)致TiO2膜接受的光子數(shù)量減少，此時(shí)的反應(yīng)以光解為主。而對(duì)起始濃度較低的苯酚水溶液，殺菌燈光催化的表觀一級(jí)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(duì)應(yīng)值，說明此時(shí)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(jí)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(shí)的對(duì)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(jí)反應(yīng)動(dòng)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(shí)的一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)值是黑光燈光催化礦化時(shí)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(jí)反應(yīng)速率常數(shù)是酚礦化反應(yīng)的表觀一級(jí)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(dòng)力學(xué)可以用LangmuirHinshelwood動(dòng)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(dòng)力學(xué)變化過程相吻合。在實(shí)驗(yàn)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(shí)相同的動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律，主要原因是此時(shí)短波紫外光的光解作用對(duì)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(jí)反應(yīng)動(dòng)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(jí)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(jí)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(shí)的對(duì)應(yīng)值。

參考文獻(xiàn)