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摘要:江西高等教育自学考试工程力学(一)试卷 (以下简称省卷)中第一大题 单项选择题的其中一道小题的标准答案认为:二力平衡公理只适用于刚体。根据该公理的性质可见,二力平衡公理适用于刚体,也可有条件的用于非刚体。本文就此问题论述其标准答案的正确与否。
关键词: 二力平衡公理 只适用于刚体
1 引言
2007年江西省高等自学考试工程力学(一)试卷中第一大题单项选择题的第9小题是这样表述的:“在下列公理、法则、定理中,只适用于刚体的是()
A二力平衡公理B力的平行四边形法则
C 刚化公理 D作用与反作用定理
此道题是原版为2005年1 月全国高等教育自学考试工程力学(一)(课程代码02159)(以下简称国卷)第二大题的第1小题。原题为:在下列原理、法则、定理中,只适用于刚体的是()
A二力平衡原理B 力的平行四边形法则
C力的可传性原理D 作用与反作用定理
省卷的A、B、D三个选项答案与国卷相同,省卷的C选项用“刚化公理”取代了国卷的C选项的“力的可传性原理”。国卷的标准答案是非常清楚的:C选项答案是正确的,即力的可传性原理只适用于刚体。省卷提供的答案为“A”选项答案,即二力平衡公理只适用于刚体。孰是孰非,省卷有标准答案吗?下面是对每一选项答案所作的分析与研究。
2 思考与分析
2.1“国卷C选项答案”[力的可传性原理]
作用在刚体上的力,沿其作用线移到刚体内任一点,不会改变它对刚体的作用外效应(运动效应)”。
在外效应的讨论中,由实践人们有这样的体会,以等量的力在车后B点推和在车前A点拉车效果是一样的。如图1a)、b)示。即力沿作用线移动,不会改变力对物体的外效应。如图2a示的变形杆AB,沿杆的轴线受到两个等值、反向的拉力作用,杆AB被拉长了,若把这两个力沿作用线分别移到了杆的另一端,如图2b示,杆AB被压短了。这说明变形效应(内力效应)改变了。因此,力的可传性原理只适用于刚体,而不适用于变形体。
2.2“省卷D选项答案”[作用与反作用定理]
两物体的作用力与反作用力总是同时存在,且等值、反向、共线,分别作用在两个相互作用的物体上。
该定理是牛顿第三定律,它概括了自然界中物体间相互作用的关系。作用与反作用定理是一座桥梁,应用作用与反作用关系,可以将机械或结构中的一个零部件的受力分析顺利过渡到另一个另部件的受力分析。
因此,作用与反作用定理,不仅适用于刚体也适用变形体。
2.3“省卷B选项答案”[力的平行四边形法则]
作用在物体上同一点的两个力可以合成为一个合力,合力也作用在该点,合力的大小和方向由这两个力为边构成的平行四边形的对角线表示。
该法则说明力的合成是符合矢量加法,它只是一种力系简化时的矢量运算法则,是复杂力系简化的基础。由此可知,力的平行四边形法则既适用于刚体也适用变形体。
以上分析表明,“作用与反作用定理”和“力的平行四边形法则”的应用与研究的物体是刚体还是变形体无关。
2.4“省卷A选项答案”[两力平衡公理]
作用于刚体上的二个力,使刚体保持平衡状态的必要与充分条件是,此两力等值、反向、共线。
两力平衡公理是作用于刚体上最简单的力系平衡时所必须满足的条件。对于刚体,这个条件既必要又充分,但对非刚体(如柔索、链条、皮带等等),这个条件只是必要条件而不是充分条件。如图3、a)所示,柔性绳受两个等值、反向、共线的拉力作用可平衡;而图3、b)示,绳受两个等值、反向、共线的压力就不能平衡。
由二力平衡公理的内涵与外延说明二力平衡公理适用于刚体,也可有条件的运用到非刚体(变形体)中,如图3a所示,而不是只适用刚体。
2.5“省卷C选项答案”[ 刚化公理]
变形体在某一力系作用下处于平衡,如将此变形体刚化成刚体,则平衡状态保持不变。
这个公理阐明了把变形体抽象成刚体模型的条件。如柔性绳在等值、反向、共线的两个拉力作用下处于平衡状态(图3a 示),此时可将柔性绳刚化成刚体(图3c示), 而柔性绳在两个等值、反向、共线的压力作用下就不能平衡,这时就不能将其刚化成刚体。
刚化公理建立了刚体平衡条件和变形体平衡条件的联系,是把刚体平衡条件应用到变形体平衡问题的依据。因此,在刚体静力学的基础上,考虑变形体的特性,可以进一步研究变形体的平衡问题,从而扩大了刚体静力学的应用范围,这在弹性静力学和流体静力学中有着重要意义。由刚化公理进一步表明二力平衡公理可以有条件的应用于非刚体,而不是只适用于刚体。以上分析可见,省卷C选项答案不符合该题设要求。
3 结论
由国卷、省卷该题的每一选项答案的研究分析表明,省卷作者提供的“A”选项答案:二力平衡公理只适用刚体 是错误的,并且该题没有题设要求的正确答案,即此题出现了原则性的概念不清等问题。在二十一世纪的今天,对经典力学中的公理,定律以及其内涵与外延的理解还有如此严重的概念不清的问题的出现,作为一个力学基础课的教育工作者,有义务用公理、定律的本身性质分析作一回应,以澄清其错误概念,是对教育者的启示,更是对受教育者的负责。
参考文献:
[1]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].第四版.北京:哈尔滨工业大学出版社.1982.7.
上证指数上周末收于2977.81点,本周末收于2967.41点,下跌0.35%;股市动态30指数上周末报收931.54点,本周末收于915.98点,下跌1.67%;其中股票组合下跌2.13%。
股市动态30指数自2008年1月1日设立以来,下跌8.4%,同期上证指数下跌43.6%。本周股市动态30指数、股票组合均跑输大盘。
二、股市动态30指数
本周暂不调整30指数。
三、最新评论
统计3月份两市牛熊个股,矿业类股票最牛,核电类股票最熊。列夫・托尔斯泰说,“幸福的家庭都是一样的,不幸的家庭各有各的不幸。”在本月涨跌股票看来,最熊的股票都是一样的,最牛的股票各有各的上涨理由。
本月牛股中,来自矿业板块的股票最牛,尤其是小金属板块。以前我们说过中国有四种金属全球第一,分别是稀土、锡、钨、锑,从目前政府态度来看,明显是要限制这些我们有战略优势的资源的开采。3月31日,国土部公布了《关于下达2011年钨矿锑矿和稀土矿开采总量控制指标的通知》,对今年钨、锑、稀土三种矿产的开采总量进行了规定,开采总量指标同比分别上升了8.8%、5%和5.2%;并决定继续暂停受理新的钨矿、锑矿和稀土矿勘查开采登记申请直至2012年6月30日。限制开采总量的三种金属都在我们提到的中国占全球第一的金属行列。
这里我们再梳理一下我国一些常见小金属资源情况。稀土目前中国资源量1773万吨,占全球57%,主要上市公司是包钢稀土和广晟有色,3月涨幅前十的股票中,发展、包钢股份均是稀土概念;钨目前我国资源量235万吨,占全球的70%,主要上市公司是厦门钨业和ST中钨;锑目前我国资源量74万吨,全球占比33%,主要上市公司辰州矿业,3月涨幅前十的宁波联合属锑概念股;锡目前我国资源量146万吨,全球占比24%,主要上市公司是锡业股份;钼目前我国资源量436万吨,全球占比45%,主要上市公司金钼股份、万好万家;锗目前我国资源量0.372万吨,全球占比43%,主要上市公司云南锗业;铟我国资源量0.96万吨,全球占比60%,主要上市公司株冶集团,株冶集团3月份涨幅也位列两市前十名。
摘要:为了培养符合新时代要求的工程技术人才,需要我们更新教育理念,并以此引导和推动工程教育改革。本文分析了对于当前同时存在的毕业生求职难和用人企业招工荒的双向难题产生的原因,在此基础上,提出了基于工程认证及成果导向教育的环境工程专业体系构建的必要性,最后,对环境工程专业体系构建内容、目标及实施方案进行了详细阐述。
关键词:工程认证;成果导向教育;环境工程专业体系
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2017)26-0159-02
从总量来说,目前我国高等教育培养出来的工程技术类人员位居世界前列,但从质量来说,合格的工程类人才在世界的排名却并不靠前。以环境工程为例,现实中,环境工程类岗位是典型的“越老越值钱”。一方面,我们的学校用过时的教材,过时的教育理念,过时的培养方式“培养”了一批批学生;另一方面,企事业单位由于人们对环保意识的不断提高,社会经济和技术的不断发展而需要设计能力、动手能力和综合能力俱强的复合人才。因此,导致高校教育产出(毕业学生)与社会需求(就业岗位)符合度不高。学生实践能力薄弱、培养产出与社会需求相脱节等问题凸显。工程专业认证是工程教育质量保障体系的重要组成部分,对于推动和提高工程教育质量具有积极作用,对于改变当下的教育产出与社会需求不符的现状,具有突出的现实意义。
一、基于工程认证的专业体系构建的意义
1.以目标为导向,切实培养学生的实际工程能力。以工程专业认证教育理念为指引,以成果导向教育(OBE)为目标,建设具有符合学校定位的、学生的实际工程能力和创新能力与社会需求相符合的环境工程专业,明确环境工程专业人才培养目标、毕业要求及相应的课程体系,建立专业内部评价标准、相应的反馈及改进与发展方向,提高学校在环境领域及社会服务方面的教育质量信誉度,为在校学生实现对知识、能力和素质等需求提供保障,为即将毕业的学生就业并获得职业资格提供保障[1,2]。通过与国际接轨的专业认证建设,进一步明确和细化人才培养目标,全面整合教学资源和改革课程体系,优化师资配置,提升师资工程教育素质,促进本专业的良性发展,全面提升毕业生就业的国内外竞争力。
2.从反向设计入手,紧密对接产业链、创新链需求。反过来再说企业需求,由用人单位对环境工程毕业生所具备的要求看,强调学生具有现场工作能力、设计能力、工程项目实施能力以及新产品开发与技术改造能力。但我们的传统工程教育体系,却是试图以19世纪的大学教育、20世纪的课程体系来培养21世纪的工程师[3]!长期以来,工程教育由于技术上狭窄且又狭隘于技术,偏重通识基础课程与学科基础类课程,重视数理基础,理论学时偏多,科学教育导向明显强于工程教育,导致实践操作和经验不足,工程实践训练逐步边缘化,由软化、虚化、弱化而走向形式化。最终,工程教育沦为科学教育的附庸,背离了工程教育的应用性和实践性的本质特征。
反观企业需求,我们可以借助成果导向教育反向设计环境工程专业的人才培养目标、毕业要求、课程体系、实践训练方式、考核评价方法等一系列的专业体系建设工作。
在上述正向需求、反向设计背景下,环境工程专业必须在强化培养学生的工程能力和创新能力方面狠下功夫,因此,建设立足于学科发展、面向社会需要、体现区域特色的环境工程专业势在必行。无论是满足自身发展需要、提高工程专业竞争力需要还是保证和提高工程教育专业质量需要,都迫切要求对原有的环境工程专业体系进行系统的、与时俱进的、彻底的改革与实践,以适应国内外、行业产业对环境工程人才的需求。
二、环境工程专业课程体系构建内容
1.整体设计培养计划。对专业目标、培养方案、师资队伍、学生发展环节以及相应的管理制度及评价指标进行整体设计,并对专业人才培养规格、教学要求、教学条件、考核方法、考核标准、质量标准等给出定性描述和量化规定。
2.改革专业的课程体系。在环境工程学科知识结构体系下,重构本专业的课程体系。依托我校化学工程专业的显著优势,研究本专业与给水排水、土木建筑、机械制造三个领域交叉的课程内容和配置特点,合理配置本专业的工程基础类课程、专业基础类课程、专业类课程、工程实践和毕业设计(论文)等课程和教学环节以及数学与自然科学类课程、人文社会科学类通识教育课程的课程,分别形成通识、基础、专业、实践教学体系,满足工程教育专业认证通用标准要求和社会对环境类工程人才的需求标准。
3.构建校企合作实验实训平台。新建校内工程模拟和校外实战训练两大实验实践平台,以此为基础,改革实践教学内容、实验项目、改变教学方法与手段。通过教学组织、教学条件、教学方法的创新与变革,从根本上满足认证标准对学生在实践实训方面的教学要求,从而使学生的工程能力和创新能力有质的提高,符合以学生楦本、以教育产出为目标的成果导向教育模式。
4.建设新型师资队伍。专业教师大部分直接从博士阶段进入工作,与较强的学术研究能力相比,其参与企业的工程实践和工程教育经验明显偏弱,可能导致学生工程设计教育出现环节缺漏。因此,对师资队伍,特别是青年专业教师,建立持续改进工程能力的制度。如支持教师直接参与工程设计、鼓励其参加注册工程师考试、利用设计研究院等单位对教师进行工程能力培训和建立有工程经验教师传、帮、带指导年轻教师的机制。同时,强化人才引进工作,招聘资深环保工程师来校任教。
三、环境工程专业体系目标实施方案
1.制订并完善环境工程专业人才培养体系,建立具有引导性、导向性的专业培养计划。使学生具有雄厚知识基础、较强实践操作能力和综合素质过硬的复合人才。
2.根据本校环境工程专业发展特点,起源于化学,依托于化工,交叉于生物,联系于安全,综合考虑各相关领域与环境工程专业的融合及联系,确定环境工程专业教育模式课程改革的关键,建立合理的理论课程体系;设立相对独立的纵向联系的专业实验课程,形成纵横交叉的网状专业实验课体系,实现专业实验课程之间的纵向联系和贯通;设计接近工程实际、知识交叉的实验内容,使实验教学内容体现工程项目的系统性和全面性。
3.构建校企联合的实践和实训平台,充分利用校内外一切资源。通过校内工程模拟建立实验平台,进行专业实验的训练,让学生建立起初步的工程概念;同时,通过这个平台上,鼓励学生自主设计系列专题性或综合性的工程和研究模拟项目、自主研究活动,掌握科学研究的方法,建立起科研创新的概念。通过校外实战训练平台参与实际工程项目的设计、施工、管理和环境影响评价,在实战中全面提升学生解决复杂工程问题的能力和创新能力[4]。
4.打破常规师资培训方法,鼓励并支持专业教师与企业多方联系,增加专业教师工程实践锻炼和培训的经验;将企业界具有深厚工程背景知识的专业技术人员请进学校,对学生实践和教师实验项目设计进行实际指导,及时修正和改进,弥补教师工程经验的不足。
5.改革课程的授课方式,对某些专业性强,直接体现工程能力的课程,除聘用企业界资深技术人员授课外,可以使用嵌入式模型教学,将工艺中涉及到的构筑物、设备、管道、管网按照一定比例制作出实物模型,采用卡扣衔接及完整对接方式直观呈现给学生,让学生在概念上有清晰的认识及理解,对下一步的进入场地现场实习起到先期指导的作用[5]。
参考文献:
[1]姜理英,陈浚.工程教育专业认证背景下环境工程专业教学改革探析[J].浙江工业大学学报(社会科学版),2014,13(9).
[2]李志义,等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究,2014,(2).
关键词:OBE(Out-Based Education) 单片机原理课程 计算思维能力 教学改革
中图分类号:G64 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)10(c)-0093-02
OBE(Outcome-Based Education)教育理念起源于美国,并在20世纪的后20年在一些发达国家发展起来的一种新的教育模式。随着其理念的普及与深入发展,OBE教育模式逐步成为工程教育人才培养的基础。OBE教育理念的实质是把学生在学习过程中的主体表现作为教育质量考核的重要指标,在人才培养的过程中强调学生的学习结果,并以此作为反馈教学活动质量的重要因素。
单片机原理及应用是电气工程、电子工程、自动化、通信工程等专业的核心基础课程。该课程主要包括了单片机的硬件结构,汇编指令和汇编程序设计,接口技术以及C程序设计技术,是一门实践性很强的课程。在传统的教学过程中,通常以教师为教学活动的主体,学生被动的接受课程知识,因此在这门实践为主体的课程中,学生很难达到应有的教学目标。此外,在该课程所配套的实验教学过程中,多数以验证性实验为主,部分学生在实验过程中目的性不强,很多的时候也只是看到了实验最终的一个现象,并没有深刻体会到实验过程中所涉及到的分析流程,并且在课程的考核上很多的时候都是以卷面考核的方式来进行,在考试过程中很多学生也只是靠僵硬的记忆来答卷,在试卷考核的内容中有一些灵活应用的地方就容易大量丢分,究其原因,很多的学生在学习过程中其目的就是考试及格,学习并不是源于学习的兴趣。
1 课程理论内容讲授环节设计
从学生的学习效果反馈来看,单片机这门课程难点很大程度上在于很多同学没有建立起利用计算机进行解决问题的思维方式,换言之,就是很多同学觉得单片机难学在于他们碰到程序设计问题的时候,很多时候无从下手解决,因此可以分析出在教学过程中的汇编指令,汇编程序设计以及高级语言程序设计时单片机教学的重点和难点。根据OBE理论就需要从新反向设计这部分的教学内容和教学手段,在讲授方式上教师应当注意由浅入深,课堂上适当增加程序分析和设计的内容,同时注重理论和实践相结合,可以选择一个适当的综合性题目,在题目的完成过程逐步掌握基本程序设计的要领。
基于OBE教育理念的教学方式就是以预期的学习产出作为目标,并通过产出的结果反向设计和课程相关的教学活动。在单片机原理及应用的授课过程中,制定课程的预期学习产出和相应的教学策略是实现OBE工程教育的重要前提。针对单片机原理及应用这门课程需要较高实践性的特定,同时优化理论教学和实验教学,激发学生的学习兴趣和动力。建立起学生自主学习的积极性,提高教学效率和改善教学效果。
2 实验教学环节设计
实验教学是本科教育教学工作的重要组成部分,是人才培养过程十分关键重要步骤,实验教学和理论教学在单片机这门过程中二者的关系是相辅相成的。在单片机原理及应用教学中,强化学生在实践教学环节的学习效果,有利于提高实践教学质量,提升学生实践能力、合作精神和创新意识。从人才培养的根本目的看,实践环节的意义在于实践理论,实现学生专业知识外化的转化能力。
在实验教学环节,优化实践教学方案,制订实验教学大纲,设计实践教学的环节和相关子项目,突出学生实践能力培养、重视实践教学效果、明确技能考核要求,充分体现课程体系下实践教学改革的总体思路,从根源上优化各专业的实践教学方案,以便形成科学且合理的实践教学体系。在制定电子信息类专业教学计划时,教学大纲的制定重视课程与实验内容的合理优化配合,避免理论知识与实践的重复或脱节;另外,充分体系课程知识结构发展和教学安排的组织、内容及方法的映射关系,避免重复的验证性实验项目,增加具有创新性、设计性、综合性的实验项目的实践教学体系,使学生在实验教学环节能提升其实践主动性、创新能力、求实及合作精神的作用。因此,构建科学、合理的实践教学体系对此实践教学目标产生深远的影响。
3 课程评价的考核目标和学习产出的关系
课程评价的考核目标引导和决定预期学习产出的结果,具有重要的导向作用。在单片机原理课程上实行相应的多元考核评价方法,多元化的评价模式包括两个方面,理论环节和实验环节。其中理论环节包括识记能力、理解能力和表达能力;实验环节包括实践能力、小组合作能力和创新意识。通过理论环节和实践环节测评的设定,过程考核和结果考核有机地结合起来,学习结果可体现为过程和结果两个方面。
4 结语
对大学生计算思维能力的培养已经成为工程教育界的共识,其最终目的是培养大学生的实践与思维相结合的能力,培养大学生利用已有计算机和数学基础发现和解决问题的创新能力。该研究通过对计算思维基本概念的界定,介绍了以计算思维能力培养为导向的单片机原理课程的教学改革现状,探讨了其中存在的问题,提出了相应的教学模式与解决策略。
参考文献
[1] 高凤梅,刘艳,张文超.“以学生为本”的《单片机原理》课程教学模式改革[J].高教论坛,2010(6):35-36.
[2] 顾佩华,李N平,沈民奋,等.以设计为导向的EIP-CDIO创新型工程人才培养模式[J].中国高等教育,2009(Z1):47-49.
[3] 刘光蓉.以计算思维能力培养为导向的C程序设计实验教学[J].实验技术与管理,2013(1):154-156,191.
[4] 邓磊,姜学锋,刘君瑞.实施专业融合,提升理工科学生的计算思维能力[J].工业和信息化教育,2013(6):15,37-41.
[5] 马宝山,刘剑桥,金国华,等.单片机应用课程设计教学改革探讨[J].实验科学与技术,2015,13(2):103-104.
[6] 顾佩华,沈民奋,李升平,等.从CDIO到EIP-CDIO――汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究,2008(1):12-20.
关键词:优势结构面;岩质边坡;卸荷岩体
Abstract: based on the advantage of neutral-point earthing surface theory (including the geological advantages face, edge face and two types of the concept and method of determining the advantage) reviewed in detail, and then consider the slope excavation unloading effect, put forward the concept of engineering advantage that determine dominant surface engineering of the main factors is structure surface and slope direction Angle of the unloading, and deduced the three orientation of the corresponding relationship between structure surface and slope direction Angle of the unloading.
Keywords: advantage structure surface; Rock slope; Unloading rock mass
中图分类号:U416.1+4 文献标识码:A 文章编号:
1引言
对于岩质边坡,由于实际岩体中含有大量不同构造、产状和特性等不连续结构面,给岩质边坡的稳定分析带来了巨大的困难。而这些结构面中的一些结构面在时间、数量、性质和产状等方面具有优势,就成为控制边坡变形破坏的最危险的结构面,称为优势结构面。如何从这些错综复杂的结构面中找出控制边坡稳定性的优势面,对于边坡稳定性的研究和评价是至关重要的。
2岩坡优势面理论与方法
目前国内外常见的优势结构面有:
2.1 地质优势结构面
地质优势面是通过地质研究和分析所显示的优势面,尽管它数量少,但其影响和作用大,因而它实质上是一种性质优势面。
目前较成熟的地质优势面的确定方法是按照结构面的成因、时间以及结构面与边坡变形关系的密切程度进行判定。
2.2 统计优势结构面
英国岩石力学家E.Hoek和J.Bray[1]提出了统计优势面方法,即根据边坡详细线测量的结果统计出各点不连续面,然后反映在极点图及等密图上,大量分散的观测结果在复合图解中集中到一个单一的原点周围,由此可以看出不连续面的数量优势,并以这种数量占优势的结果作为控制边坡稳定的优势面,即统计优势结构面。但是,统计图解所得到的优势面是一种“平均”状况的反映,有时甚至不能反映出那些数量少但性质差的软弱结构面,而这类结构面往往对边坡稳定性有重要影响。
3工程优势结构面
3.1 工程优势面的概念
通过对不同结构面方向下的卸荷应力—应变关系进行研究,发现岩体中存在的各种地质结构面的方向对卸荷应力应变关系具有一定的影响[2]。这表明,岩体中的结构面不同方向,对岩体的卸荷作用有明显的影响[3]。
对于不同结构面方向的岩体试件,经相似关系转换后,得到岩体卸荷受拉破坏时的变形模量,如图1所示,图中E0为未设置裂缝试件的抗拉变形模量,Ei为各向异性变形量。
从图1中可以看出,卸荷岩体受拉变形模量随着结构面与卸荷方向的夹角的不同而出现显著变化,即随着α的加大而明显降低,其趋势与抗拉强度的趋势是一致的。可见,结构面与卸荷方向的夹角对卸荷岩体变形模量的影响是十分明显的。
图1 结构面方向与变形模量关系
由于卸荷作用相当于在岩体中施加了一种反向的拉应力,岩体的受拉破坏是在大致垂直于受拉方向上的断裂,因此,当结构面产状与岩体工程交角较小时,卸荷产生的拉应力在结构面法向的分力最大,结构面进一步拉裂扩展,导致岩体质量进一步恶化。
3.2工程优势结构面的确定方法
确定边坡的工程优势结构面时,主要考虑各组结构面与边坡的卸荷方向线的夹角。
求解各组结构面与边坡卸荷方向线的夹角时,分别考虑一下三种情况。
1)结构面与开挖面主卸荷方向倾向相反
如图2所示,结构面倾角为,主卸荷方向倾角为,由几何关系得出
(1)
2)结构面与开挖面主卸荷方向倾向相同,结构面视倾角
如图3所示,由几何关系得出
(2)
3)结构面与开挖面主卸荷方向倾向相同,结构面视倾角
如图4所示,由几何关系得出
(3)
图2结构面与主卸荷方向倾向相反时的结构面示意图
图3结构面与主卸荷方向倾向相同()时的结构面示意图
图4结构面与主卸荷方向倾向相同()时的结构面示意图
确定了各组结构面与边坡卸荷方向线夹角后,选择夹角接近90°的结构面,从而确定了边坡的工程优势结构面。
4结语
工程优势结构面的概念扩大和加深了对岩体边坡稳定性的研究广度和深度。这样的优势面具有时间优势、数量优势、性质优势和产状优势的特征,是控制边坡变形破坏的最危险的结构面。通过综合分析得到的边坡优势面,就是这种抵抗力最小而又有变形空间的结构面,优势面才可直接用于边坡稳定性的分析和评价。
参考文献(References):
Hoek E., Bray J.W. Rock Slope Engineering. 1977
李建林.卸荷岩体力学[M].北京:中国水利水电出版社, 2003
与单一化学实体药物的情形不同,传统药物的药理研究既要阐明其药理作用,又要确定其产生特定药理作用的药效物质;药理作用要通过确定产生它的药效物质来揭示其本质,而药效物质的确定又依赖于药物作用机理的阐明。
“这既是从药效物质和作用机理两者之间的相关性,来阐明传统药物临床疗效的科学依据的关键问题,也是按照反向药理学的研究模式,如何从传统药物获得能体现原药物良好性能的先导物的方法学问题。”刘向明认为,以往忽略了传统药物研究中应该给予充分关注的问题:原药物本身所具有的多种药理效应和其成分的效应可能并非完全一致。
着眼传统药物研发中这些基础性的关键问题,以确有多种疗效的傣药龙血竭的镇痛效应为生物学背景,刘向明提出了以传统药物本身的药理效应为参照,将其成分(组合)的效应与原药物本身的效应作比较,寻求能替代产生原药物本身效应的化学成分(组合)作为研发新药的先导物这一新的方法学的基本原则。
刘向明建立了传统药物药效物质的操作型概念,针对特定的药理效应,根据它便于通过传统药物和其成分(组合)的药理效应之间的比较来确定某一成分(组合)是否为原药物的药效物质。将其与反向药理学的研究理念相结合应用于传统药物的研发,由此形成了传统药物药理机制与物质基础研究的框架,它提供了传统药物研发中从随机地追踪偶然的发现到形成一条有组织的路线来寻求先导物的范式转变。
目前,关于龙血竭的镇痛效应研究已经取得了阶段性的成果。他们在龙血竭中找到了对新型镇痛靶点TTX-R钠通道和TRPV1受体具有调制作用的有效成分组合——剑叶龙血素A、剑叶龙血素B和龙血素B,并证实确实是这三种成分协同调制痛觉信息在初级感觉神经元和脊髓上传导使龙血竭产生了镇痛效应。
这一研究结果对多组分、多靶点新型镇痛药的研发具有启迪意义并提供了天然的范例。刘向明的全新成果,说明了挖掘以植物为本的各民族传统药物,是国际药品市场的巨大潜在资源。
关键词:冷水盘管;计算机模拟;湿球温度;干工况;湿工况;对数平均温差;效率―传递单元数法
Abstract: It is different from the traditional complex cold water coil computer forward simulation, this dissertation, the name of a single tube from the cold water tray conditions, do not need to know the cold water coil structure, reverse projections and predict disk tube operating conditions, new methods of computer simulation. Compared with the experimental results, the accuracy of the simulation results can be achieved in more than 95%. The reverse method also provides a new simulation method for the other air-conditioning equipment, computer-aided design.Key words: cold water coil; computer simulation; wet bulb temperature; dry conditions; wet conditions; logarithmic mean temperature difference; efficiency - transfer cell counting method
中图分类号:G623.58文献标识码: A 文章编号:
注释:
下标指在名义工况下
湿空气的单位热容量
饱和湿空气在冷水温度下的单位热容量
冷水的单位热容量
冷水盘管的最小热容量,一般来说指湿空气的热容量
冷水盘管的最大热容量,一般指冷水的热容量
冷水盘管的效率
湿空气入口焓值
湿空气出口焓值
与冷水入口温度等温的假想湿空气焓值
与冷水出口温度等温的假想湿空气焓值
与盘管入口表面温度等温的假想湿空气焓值
与盘管出口表面温度等温的假想湿空气焓值
与盘管外表面平均温度等温的假想湿空气焓值
湿空气在入口露点温度下的焓值
盘管的冷水质量流量
盘管的湿空气质量流量
盘管的传递单元数,
冷水盘管的湿空气入口温度
冷水盘管的冷水入口温度
冷水盘管入口表面温度
冷水盘管出口表面温度
冷水盘管的外表面平均温度
冷水盘管的热空气与冷水入口温差
冷水盘管的热空气与冷水出口温差
冷水盘管的总冷量
冷水盘管的显热冷量
冷水盘管的总传热系数
冷水盘管的管内传热系数
冷水盘管的管外传热系数
盘管的湿空气体积流量
1.引言
冷水盘管是现代空调工程中主要的除湿冷却设备,其运行工况的计算机模拟通常有两种方法。第一种方法是基于对盘管构造的详细描述, 比如,盘管的排数,管数,管距,管的内外径,翼片厚度和片距,以及管流方式和空气流动断面的尺寸,运用效率―传递单元数法来模拟。这种方法是由美国暖通工程师协会在ToolKit[1]中提出的, 其模拟效果非常准确可靠,但是它的使用十分繁琐. 如果盘管构造不可知,那么就不能使用这种方法来模拟。第二种方法是一种极其简单纯粹数学方法。它依据盘管制造商提供的产品工况数据进行曲线回归,从而预测其他运行工况。很明显这种方法只能使用在特定的数据范围内和特定的产品上。这一局限性使它不可能作为模型广泛应用于冷水盘管计算机模拟。鉴于这一现状,有必要寻求一种简单可靠通用的冷水盘管模拟模型来弥补前面两种模型的不足。在冷水盘管设计选型时,其名义工况总是可知。因此,如何从冷水盘管名义工况来反向推测盘管构造便成为构建新模拟模型的关键。
2. 冷水盘管的物理模型
冷水盘管实际上就是一种气水翼片壳管式换热器。所有换热器的研究方法和运算规律均应适用于冷水盘管。因此我们可以采用经典的对数平均温差法和效率―传递单元数法[2] 来描述冷水盘管的物理模型。不论冷水盘管的物理构造如何变化,它都应遵循对数平均温差法和效率―传递单元数法中的物理参数及规律。即,
(1)
(2)
这样我们只要能从冷水盘管简单的名义工况推算这些物理参数,就可以科学得模拟冷水盘管的任何运行工况。
一般来说,冷水盘管的名义工况总是给出运行点的名义总冷量和其名义显热冷量,湿空气名义流量和其名义入口干球温度,冷水名义流量和其名义入口温度。现在我们来看一下怎样来计算盘管构造的物理参数,总名义传热系数,管内名义传热系数和管外名义传热系数,以及盘管名义效率。
首先依据名义工况的参数,我们可以比较容易得出盘管出口的湿空气与冷水名义焓值和温度值,然后利用对数平均焓差的概念来求出(图1)。
同样用以焓差代替温差的方法,我们不难求出盘管名义效率
(4)
关于盘管外表面平均名义温度,我们可以使用如下经验公式[3] 来求算
(5)
这样管内名义传热系数 便可以用盘管名义效率 来表示,
(6)
最后我们便可计算出管外名义传热系数
(7)
通过对努谢尔数,雷诺数和普朗特数的关系式研究,我们不难发现冷水盘管的管内外传热系数主要受管内冷水流量和管外空气流量的影响。利用无因次量纲分析,我们便可修正取得在任意运行工况管内外传热系数值,
(9)
(10)
但是冷水盘管的总传热系数的计算需要了解盘管的干湿工况。
3. 冷水盘管的运行工况分析
当冷水盘管的表面温度低于湿空气入口的露点温度时,盘管表面就会产生结露现象并生成一层薄水膜。依据冷水盘管的表面温度与湿空气入口的露点温度的相对大小,我们可区分三种运行工况: 完全干工况,完全湿工况和干湿混合工况(图2)。
图2. 冷水盘管随露点温度变化的干湿工况示意图
第一种情形:完全干工况
这种情形发生在湿空气入口的露点温度低于盘管冷水入口温度时,这意味着盘管所有表面温度都高于湿空气入口的露点温度。冷水盘管此时可以简化为一个非常简单的常规换热器,其总传热系数可用如下的方法求算,
(11)
那么冷水盘管在任意的干工况的运行工况便可以利用效率―传递单元数法来进行模拟运算, 即
(12)
(13)
(14)
第二种情形: 完全湿工况
这是另一种极端情形,当湿空气入口的露点温度高于盘管冷水出口温度时,盘管所有表面温度都低于湿空气入口的露点温度。在完全湿工况下,整个盘管的表面都被认为结露。
第三种情形: 干湿混合工况
第三种情形是界于前面两种极端情形之间,即湿空气入口的露点温度界于盘管冷水入口温度和盘管冷水出口温度之间。这时候只有冷水盘管的局部表面产生结露现象。
在后面这两种情形下,由于盘管表面局部形成一层水膜从而影响盘管外部换热系数。因此盘管总换热系数要考虑饱和湿空气在冷水温度下的热容量,
(15)
然后冷水盘管在任意的湿工况的运行工况仍利用公式 (12)-(14)来计算,但是所有的温度值将用等温的焓值来表示,
(16)
(17)
(18)
接着我们可以计算出分别与冷水盘管表面入口温度,表面出口温度和表面平均温度对等的假想湿空气饱和焓值,
(19)
(20)
(21)
接下来利用湿空气的饱和曲线拟和函数,我们就比较容易的求出它们相对应的温度值。最后再次使用效率―传递单元数法便可得出冷水和湿空气的出口温度了。
4. 结果对比分析
为了便于评价和分析本文提出的冷水盘管的反向模型的模拟效果,我们用FORTRAN语言把此模型编译成美国太阳能实验室TRNSYS软件环境下的TYPE [4],并分别与实验数据和美国暖通工程师协会盘管模型的模拟结果进行了对比。
所实验的冷水盘管的名义工况如表1。在不改变冷水进水名义工况下,我们把湿空气的进口干球温度从12°C变化到32°C,同时不改变湿空气的进口90% 的相对湿度情况下,我们把稳定后实验结果与冷水盘管的反向模型模拟结果相比较,如图3所示。
我们不难发现反向模型的模拟结果相当准确,计算的冷水出口温度相对误差最大只有2.3%,湿空气出口温度相对误差最大只有1.8%,总冷量相对也只有5.8%。
我们又与美国暖通工程师协会盘管模型进行了不同运行工况下对比模拟。我们先是单独改变湿空气的进口干球温度,从30°C变化到15°C,然后同时改变湿空气进口干球温度和冷水进口温度,接下来再叠加湿空气进口流量和冷水进口流量的变化。其对比模拟结果如图4所示。同样我们可以观察到它们之间的平均相对误差在5%以内。
5. 结论
本文提出了一种全新的冷水盘管的反向计算机模拟方法。其模拟的准确性与美国暖通工程师协会盘管正向模型相媲美,但此反向模型的使用非常简便,它只需要提供冷水盘管的名义工况,无需描述冷水盘管的繁琐构造,就可模拟出盘管任意运行工况。因而这种模型也更适合于空调设计阶段的冷水盘管的选型和运行工况分析。同时这种反向模拟方式也为其他空调设备的计算机模拟开辟了一种性思路。
6.参考文献
[1] ASHRAE. A Toolkit for Secondary HVAC System Energy Calculations. ASHRAE Inc. 1791 Tullie Circle NE, Atlanta, GA 30329. 1993.
[2] Frank P. Incropera, David P. DeWitt, Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Sixth Edition. Wiley, New York. September 2006.Pp675-706.
[3] P.Dal Zotto, J.M.Larre, A.Merlet, L.Picau. Memotech. Genie Energétique. EducaLivre. 2e Edition. Paris. 2000. pp149-151.
关键词:电力电子技术;无线充电;电磁感应
中图分类号: F407.61文献标识码:A 文章编号:
1 引言
随着IT产业的快速发展,笔记本电脑、手机、MP3、PSP、DV等越来越多的电子产品深入到人们的日常生活中。带来众多新技术体验的同时亦逐渐显露出了隐含的弊端。几乎各款电子产品之间均有不同规格、不同类型的电源接口与电源充电器。彼此间的不兼容,使得新世纪的人们在成为信息技术的享用者的同时亦成为了不折不扣的“电奴”。因此,在继Wi-Fi、GPRS、Bluetooth之后将电力网络或者小范围内的电源连接网络利用无线充电设备摆脱电线的束缚,实现更深层次、更广意义上的无线生活是全世界科学家与工程师正在挑战的一个新的方向。
无线充电是利用电磁波,在一定空间范围内,向各种用电设备无连接传输电能的新型充电概念。由于电磁波的传输与设备的充电接口无关,因此无线技术在能去除插座与电源线的束缚,使得充电更为便利的同时解决充电器接口之争,实现不同品牌、不同类型的多个电子产品共享充电的乐趣。而且由于去除了电线的连接器,电子设备的尺寸可以做得更小,外观可以做得更加简洁。
无线充电技术因其独特而新颖的构想,广泛而现实的应用需求,一经提出便引起了国内外众多关注。在IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)美国电气及电子工程师协会其成立125周年的庆祝活动上,突出展示了七项能改变未来世界的技术,其中向普通消费电子设备无线传输电力的技术就位居榜首。除此之外,在《pc world China》等众多国内外期刊公布的对未来技术发展方向的预测中无线充电技术均位列其中。
2 无线电力传输的历史与现状
无线电力传输其实并不是什么最新的技术,早在1890年,物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就已经通过实验实现了无线输电。基于此,特斯拉构想出了利用电磁波,在环绕地球的表面来实现电能的传输。
1968年,美国工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)提出了空间太阳能发电(Space Solar Power,SSP)的概念,其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地,通过微波将电能传送回地球。欧盟则在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置,已于2003年实现向当地村庄送电。
英国SplashPower公司2005年初上市的无线充电器Splash pads和WildCharge公司推出的两款无线充电器产品WildCharger和WildCharger-Mini均是利用变压器原理商业化的无线充电产品。
3无线充电器简易电力电子实现
笔者在这里讨论感应式无线充电系统的工作原理。
感应式无线充电器利用了普通线圈绕组的可分离式变压器作为能量转换装置,不需要物理上的连接就能将电能以电磁感应方式传输给电子设备,并且这种用铁素体作为磁芯的可分离式变压器体积不大,方便携带。
无线充电系统由电源电路,高频振荡电路,功率放大电路,电磁发射、接受线圈,高频整流滤波电路五部分组成。最后可给充电电池充电。
下面介绍用电力电子技术解决无线充电的技术和方案:
3.1 高频振荡电路
(1) 频率的选择
无线电力传输的原理并不复杂,从原理上,电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播,要产生电磁波首先要有电磁振荡, 电磁波的频率越高其向空间辐射能量强度就越大, 电磁振荡的频率至少要高于100kHz,才有足够的电磁辐射。在简易无线充电器中,我们选用2MHz石英晶体振荡器,或在无振荡晶体时用300KHz的高频振荡电路来实现。
(2)电路的设计
石英晶体振荡器设计举例:用高速CMOS 四与非门74HC00的晶体振荡电路。
用高速CMOS做的晶体振荡电路广泛应用于各种电子电路中,它在高频段特别容易起振。
3.2 高频功率放大电路
由于放大后的振荡输出是用于能量功率,而不是信号,波形的失真并不重要,不但要有足够的振幅,电路还要简单。这里选用功率场效应管电路,仅一级功放就有一定的功率输出。高频功率放大电路的负载是初级发射线圈,接在漏极电路上。
3.3电源电路
整机的电源电路用副边输出电压为12V的交流电源变压器供电。也可用输出是12V的开关电源供电,但整流二级管必需选用快恢复二极管,普通整流二极管不能用。
3.4高频滤波整流电路
如果电源电路用副边为12V的50Hz交流电源变压器,可用普通整流二极管。但充电电路副边线圈接收的是高频电磁波,将高频交变电流整流为直流电流是不能用普通整流二极管的,将普通整流二极管用于高频电路,不但效率低下而且会迅速发热烧毁。影响高频整流效率的主要参数是二极管的反向恢复时间t (Reverse Recovery Time)和结电容(junction capacitance),特别是反向恢复时间影响最大。
从整流二极管的性能来看,肖特基二极管(Schottky Barrier Rectifiers)最显著的特点为反向恢复时间极短,正向导通压降仅0.4V左右,属一种低功耗、超高速半导体器件。但它的反向耐压值较低,一般不超过100V,因此适宜在低压、大电流情况下工作。正符合充电电路全桥整流电路设计的要求。
3.5 整体实现电路图
4 无线充电依然面临的挑战
前面从技术角度分析了无线充电的实现过程,但笔者认为无线充电器作为一个产品想要取得成功,在市场上实现普及,甚至带来一场真正意义上的充电革命,还急需解决如下问题:
4.1 电能的无线传输效率问题
我们知道,电磁波向空间各个方向以类似水面波纹状向四周扩散,若空间耗散的能量远与被充电电池接收的能量之比不能满足能量的高效率利用的条件,那么在当今能源紧张,能源危机凸显的时代,无线充电技术无疑是空想主义产物而没有实际的应用价值。
4.2 无线充电的距离问题
接触式无线充电,仅仅是一个过渡产品。只是通过电磁感应原理解决了各类电子产品之间充电器互不兼容的麻烦,提供了多种电子产品能够共享的一个充电平台。现有的射频无线充电技术,也仅能够为1m范围内的设备提供电能。但真正意义上的无线充电应该有更广阔的充电空间和更灵活的移动性能。比如在火车站、在百货商场或者在体育广场,只要你启动电子产品上的无线充电功能就能够为接受无线电能为电池充电。
4.3 对周围设备造成的电磁干扰问题
虽然电磁波对非磁的良导体的人是不会产生任何危害的,但是带有能量的电磁波对周围的电子设备必然会造成电磁干扰,影响设备的正常工作。为此最好能实现无线充电能点对点之间的定点传输,此方法既解决了电磁干扰问题,又能提升电能的传输效率。但这只是笔者大胆的猜想,还有待技术上的突破。
5 对无线充电技术未来的展望
随着移动电子产品被设计得越来越轻薄,功率也降低到了很低的程度,比如mp3可以用不到30mA的电流就能工作,这为无线充电产品提供了一个更广阔的应用空间。许多大公司都看好这一产品的发展前景,包括Apple、Motorola、LG以及NTT DoCoMo等消费电子公司都在发展自己的无线充电产品。一直走在移动产品科技前沿的Apple甚至表示很快会在iPod和iPhone两个产品中嵌入无线充电技术,更使无线充电产品成为最近的关注焦点。相信不久之后,带有“支持无线充电”字样的数码产品就将成为市场主流。
国际上已经成立了无线充电联盟(Wireless Power Consortium),目前已有9个成员:ConvenientPower Limited、Fulton Innovation LLC、罗技、美国国家半导体公司、荷兰皇家飞利浦电子公司、三洋电机株式会社、深圳桑菲消费通信有限公司、德州仪器公司以及奥林巴斯影像公司。致力于制定无线充电标准、促进无线充电技术的升级和无线充电产品的推广。
参考文献
[1]王兆安,黄俊.《电力电子技术》[M]。北京:机械工业出版社,2008年7月。
[2]徐德鸿,马皓,汪槱生.《电力电子技术》[M].北京:科学出版社,2007年8月。
[3] 洪乃刚.《电力电子技术基础》[M].北京:清华大学出版社,2008年月12月。
[4] 王锋,华胜,万浩平.《我国电力电子技术发展展望》[J].《 科技广场 》2008年 8期:35-37。