动态冲击（通用6篇）
动态冲击 篇1
一、引言
贫困作为一种复杂的社会问题, 具有广泛的内涵, 因此不同领域的专家学者从不同的角度对贫困的现象及其根源进行了深入探讨。早期的贫困概念强调收入的不足及物质的匮乏, 难以维持基本的生活需要。如1898年, 西勃海姆提出:“如果一个家庭的总收入不足以维持仅仅是物质生活所必备的需要, 那么该家庭就处于贫困状态。”1899年朗特里认为, 贫困是总收入水平不足以获得维持体能所需要的最低数量的生活必需品。随着贫困认识的深化, “基本生活需要”扩展为“人的基本需要”, 联合国开发署和国际劳工组织认为人的基本需要除了基本生理需要外, 还应包括基本文化需要, 如文化和教育。部分贫困研究者指出, 基本需要的内容会随着时间和空间的变化而发生变化, 随着范围的扩大和标准的提高, 维持基本需要所要求的收入也相应提高。从收入或物质的视角认识贫困是最为普遍的, 便于获得统计资料进行精确的度量。但其含义过于狭窄, 对贫困的本质认识不够, 没有触及贫困产生的深层次原因。
部分学者从能力视角探究贫困产生的原因, 认为贫困不仅仅是收入的剥夺, 收入或消费仅是贫困的一种结果, 能力的匮乏才是造成贫困的本质原因。世界银行在《1990年世界发展报告》中将贫困界定为“缺少达到最低生活水准的能力” (世界银行, 1990) 。《2000/2001世界发展报告》在能力贫困的基础上又加入了脆弱性的涵义, 贫困意味着“一个家庭和一个人在一段时间内将要经受的收入和健康贫困的风险”, 同时还意味着“面临许多风险的可能性” (世界银行, 2001) 。阿玛蒂亚·森 (2002) 强调, 贫困是基本可行能力的被剥夺, 而不仅仅是收入的低下。可行能力方面的缺陷, 会降低获取收入的能力, 同时使得将收入转化为可行能力更加困难。这就决定了可行能力剥夺产生的“真实贫困”可能比在收入空间表现出来的贫困更加严重。从这个角度考虑, 疾病意味着可行能力被剥夺, 是造成家庭收入能力丧失并陷入贫困的重要原因。疾病对家庭收入能力的影响主要体现在两个方面: (1) 直接影响。这种短期的影响主要体现在患病者治疗花费的损失、一段时间内劳动能力的丧失以及其他家庭成员因看护而导致的劳动时间的损失, 从而短期内家庭收入受到影响; (2) 间接影响。这种长期的影响主要体现在家庭在健康方面的大笔费用会挤出其在生产设备方面的支出, 从更长的时间来看, 甚至会影响子女的教育投资, 从而损害家庭的创收能力。这两种影响交织在一起使得疾病冲击使农户有陷入长期贫困的可能 (高梦滔、姚洋, 2005) 。
传统的贫困研究主要集中于静态角度, 侧重于衡量某个家庭或个体在特定时间段内的疾病对贫困的影响。这种静态的研究角度存在很多问题, 首先不能提供受疾病的影响, 家庭或个人处于贫困状态时间长短的信息。疾病风险将直接影响其当期收入, 当期收入水平的下降不仅意味着当年可能该农户陷入贫困, 而且如果农民缺少风险管理策略, 抵御风险的能力较弱, 在穷尽各种风险管理措施后仍不能应对负向的风险冲击, 那么其长期的生产能力或者收入能力就会受到影响, 从而加大了在以后遭遇贫困的可能性。甚至于长期处于贫困状态。静态的贫困研究并不能揭示这一动态的过程。同样, 静态的研究也不能区分观察到的总体贫困是相同的贫困户还是不同的贫困户, 即对于贫困水平的变化, 静态的分析并不能识别是由于单一的新的贫困户的增加或原有的贫困户减少, 还是由于新贫困户增加及原有贫困户减少两者相对交互作用的净结果, 因此也就不能提出具有针对性的反贫困政策措施。因此, 需要从动态的视角研究疾病冲击与贫困之间的关系, 以便为反贫困政策提供更精准的信息。
回顾以往研究, 我们发现关注健康对动态贫困影响的实证研究很少。Jalan and Ravallion (1998) 对我国农村的研究发现家庭成员的健康不良是长期贫困, 而不是暂时贫困的关键决定因素。Sen (2003) 利用孟加拉国的面板数据发现疾病是家庭陷入贫困的重要因素之一, 同时Dercon (2003) 对埃塞俄比亚的研究也得出贫困者不同程度地遭受过健康冲击的结论。在这些研究中, 健康并不是其关注重点, 而本文的目的在于以我国农村居民为研究对象, 探讨健康冲击与动态贫困的关系。另外, 与以往研究不同的是, 将动态贫困分为从不贫困、进入贫困、退出贫困以及保持贫困四个类型, 并同时考虑了短期与长期的贫困动态变化, 分析健康冲击对不同期限内贫困动态变化的影响。
二、数据来源
本文所用数据来自于中国健康与营养调查 (CHNS) 数据库。该调查自1989年开始, 由美国北卡罗来纳大学和中国预防科学医学院联合调查, 调查对象为城镇及农村地区的常住人口, 覆盖了中国不同地理和经济特点的九个省, 包括:辽宁 (1997年的调查换为黑龙江) 、江苏、山东、河南、湖北、湖南、甘肃、贵州。调查内容包括家庭的基本情况、家庭和个人的各项收入的具体状况, 同时涉及对个人健康情况以及医疗服务利用等方面的数据。除了家庭外, 还包括社区和村的基本信息, 基本涵盖了本研究所必需的相关信息。另外, 该调查到目前为止, 已经开展了9轮, 是一个追踪调查数据库, 有利于本文对于动态贫困的分析。
本研究立足于农村居民, 所以选取农村样本进行分析的主体。同时选取1989~1991年、2006~2009年及2009~2011年三个时间段, 通过样本匹配建立研究的基本数据库, 经过对样本的匹配, 1989~1991年的面板数据样本数为2, 434, 2006~2009年面板样本数为2, 615, 2009~2011年面板样本数为2, 671。
三、健康冲击与动态贫困描述
健康冲击, 具体指健康的负向冲击, 即在某一特定的时间段内, 受到疾病的严重影响, 因此一般的小病不能称之为健康冲击。本研究将大病视为健康冲击。高梦滔、姚洋 (2005) 将“大病”定义为住院治疗 (也许仅一天) 或者总共花费在5, 000元以上的疾病。但是, 鉴于农户收入水平相对较低, 即使医疗支出从绝对值上看并不是很多, 但也可能超出其承受范围, 以致不能满足基本的消费需求, 陷入贫困状态。另外, “小病拖, 大病扛, 重病就得见阎王”真实地反映出应对疾病的消极处理方式, 因此上述“大病”的定义会产生疾病报告的删失, 从而低估大病患病率。基于此, 我们在上述定义的基础上, 将健康冲击定义为家庭中有成员住院或医疗支出占家庭收入10%及以上 (即家庭发生灾难性支出) , 从而避免了低估低收入人群的大病患病情况。1989年农户遭受健康冲击的比例为1.8%, 2006年为3.6%, 2009年为4.8%, 说明目前农户家庭遭遇健康冲击的风险相对于过去来说更大。
注:所有结果都满足方差齐次性假设, ***, **, *分别表示1%、5%和10%的显著性水平
注:所有结果都满足方差齐次性假设, ***, **, *分别表示1%、5%和10%的显著性水平
某个时间段内贫困的动态变化过程, 可以分为从不贫困、进入贫困、摆脱贫困以及保持贫困四类。本文中, 我们首先根据CPI统一将家庭人均收入折算到2010年, 并采用2010年的低收入标准来衡量家庭的贫困状况。表1给出了1989~1991年、2006~2009年以及2009~2011年三个时间段内的贫困动态变化情况。1989~1991年间, 57.23%的农户从未经历过贫困, 也即42.77%的家庭至少经历过一次贫困, 其中退出贫困与进入贫困的比例分别为17.34%和13.89%, 保持贫困的农户比例为11.54%。这充分说明了我国农村普遍存在着退出贫困与进入贫困并存的现象, 贫困的流动性水平较高。由于农户较易受到偶然性因素的影响, 比如自然灾害、市场价格的波动、偶尔的疾病治疗, 造成某一年份收入的减少或消费支出的增多, 表现为在某一年份处于贫困状态。由于这些偶然性的因素不会持续太久, 从而使农户的收入或消费水平迅速恢复到原来的正常水平, 因此进入贫困与退出贫困的比例高于持续贫困的比例。
从较长的时间间隔2006~2009年来看, 一方面时间间隔的延长大大减小了农户两次均处于贫困状态的可能性, 持续贫困的比例下降为1.91%, 降幅高达83.4%。这表明农户在受到负向冲击陷入贫困后, 动用消费平滑机制, 通过动用储蓄、借贷等措施能有效地应对偶尔的风险冲击, 迅速恢复到原来的收入水平;另一方面上述贫困比例的下降也得益于我国农村总体贫困状况的缓解, 相对于20世纪80年代末90年代初, 农村经济发展水平不断提高, 农民生活水平普遍得到改善, 农村各项反贫困政策取得了实际的效果。
从最近的时间间隔2009~2011年来看, 相对于较早的时间段, 我们发现: (1) 贫困动态变化的流动性相对减小, 这从以下两个方面可以得到证实:第一, 从不贫困的农户比例相对提高, 与此对应, 至少经历过一次贫困的农户比例相对下降;第二, 农户进入贫困与退出贫困的比例也出现下降。至少经历过一次贫困的下降为13.25%, 下降了近70%。退出贫困和进入贫困的比例下降为5.65%和5.73%, 下降幅度分别为67.4%和58.7%。 (2) 持续贫困比例的下降进一步验证了农户贫困更多表现为暂时贫困。 (表1)
贫困意味着收入的低下, 而贫困的动态变化也直接表现为收入的上升与下降, 因此我们首先从收入角度, 通过绝对数量水平直观地认识健康冲击的负面影响。表2描述了健康冲击后家庭人均收入以及总净收入情况。数据显示, 受过健康冲击的家庭人均收入及总净收入均无一例外的小于未受过健康冲击的家庭。比较不同的时期, 可以发现2000~2004年受过健康冲击与未受过健康冲击家庭两者的家庭人均收入及总净收入通过了方差检验, 说明两者之间差异较显著, 而1989~1991年则没有通过显著性检验。而且, 2000~2004年健康冲击家庭与未受过健康冲击家庭收入差距相对较大。 (表2)
同时, 表3进一步比较了单个家庭在基期与末期收入的变化情况, 不同家庭末期的人均收入水平和总收入水平都有不同程度的增加, 但受过健康冲击家庭的收入增加水平明显小于未受过健康冲击家庭的增加水平。在剔除价格因素的影响后, 我们发现在1989~1991年, 受过健康冲击家庭的人均收入和总净收入都有所下降, 而在2006~2009年以及2009~2011年间, 虽然末期收入水平仍高于基期, 但是受过健康冲击家庭收入上升水平远远小于未受过健康冲击的家庭。 (表3)
表2和表3数据表明: (1) 相对于过去来说, 健康冲击给家庭造成的收入负效应更大。虽然我国经济持续高速增长, 但是收入差距的增大, 医疗资源供给的不平衡, 医疗价格的急速上涨以致医疗服务超过农村居民的购买能力, 以及医疗保障制度的缺失, 这些因素扩大了农村居民的健康脆弱性, 同时也加大了健康冲击给家庭收入带来的负面影响; (2) 健康冲击不仅在短期内造成家庭收入下降, 而且会影响家庭的长期收入水平。健康冲击首先意味着人力资本的下降, 从而对收入获取能力产生影响, 并可能产生“配对效应”, 即收入越低, 越容易遭受健康冲击, 健康冲击又致使收入水平的下降, 从而形成恶性循环。
进一步, 我们探讨健康冲击对家庭动态贫困的影响, 表4数据显示, 首先在三个不同的时间段内, 未受过健康冲击的家庭从不贫困的比例均高于受过健康冲击的家庭, 即遭受健康冲击的家庭至少经历过一次贫困的比例高于未受过健康冲击的家庭;其次在较近的2006~2009年以及2009~2011年两个时间段内, 虽然仍存在进入与退出贫困的动态变化, 但两者的比例相对于1989~1991年间均有所下降, 且农户遭遇持续贫困的比例也远远低于1989~1991年间。但是, 总体上看, 受过健康冲击的家庭进入贫困及持续贫困的比例要高于未受过健康冲击的家庭。由此可以看出, 受过健康冲击的农户家庭加大了其陷入贫困的概率。 (表4)
四、结论
本文利用中国健康营养调查数据库1989~1991年、2006~2009年以及2009~2011年三个时间段的匹配样本, 以我国农村居民为研究对象, 将动态贫困分为从不贫困、进入贫困、退出贫困以及保持贫困四个类型, 首先探讨了我国农村贫困动态变化的整体状况, 并比较分析了健康冲击对家庭收入的影响以及健康冲击前后家庭收入的变化情况, 以及健康冲击与贫困动态变化的关系。我们发现:1、我国农村普遍存在着退出贫困与进入贫困并存的现象, 短期内贫困的动态变化更明显, 但是农户贫困更多表现为暂时性的贫困, 保持贫困所占比例相对较小;2、健康冲击不仅在短期内造成家庭收入的下降, 而且会影响家庭的长期收入水平。医疗价格的急速上涨以及医疗保障制度的缺失扩大了农村居民的健康脆弱性;3、受过健康冲击的农户家庭加大了其陷入贫困的概率, 因此其进入贫困及持续贫困的比例要高于未受过健康冲击的家庭。
摘要：本文立足于动态视角, 利用CHNS农户匹配样本, 探讨家庭健康冲击与农户贫困动态变化的关系。研究发现: (1) 我国农村普遍存在着退出贫困与进入贫困并存的现象, 农户贫困更多表现为暂时性贫困, 保持贫困所占比例相对较小; (2) 健康冲击不仅在短期内造成家庭收入的下降, 而且会影响家庭的长期收入水平; (3) 健康冲击加大了非贫困户进入贫困的风险, 从而对家庭的长期贫困产生影响, 迫使家庭陷入贫病交加的恶性循环。
关键词：健康冲击,进入贫困,退出贫困,保持贫困
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动态冲击 篇2
美国次贷危机引发的全球金融危机对我国宏观经济的影响正变得日益严重。 (1) 美国经济减缓制约了中国对外贸易的增长。从1994年我国汇率开始重大改革以来, 我国对美国的货物贸易进入了长期大幅度顺差的时期, 从1994～2007年, 我国对美国的贸易顺差分别为75.6746, 85.9521, 105.2822, 164.1372, 210.645, 224.6863, 297.3607, 280.7957, 427.0815, 586.0068, 802.8548, 1142.6898, 1442.3737, 1632.859亿美元, 占当年我国外贸顺差的比例分别是141.3%, 51%, 86%, 40.6%, 48.5%, 76.8%, 123.4%, 124.6%, 140%, 231.8%, 249%, 111.8%, 80.9%, 57.5%①。由此可见, 出口是拉动我国经济增长很重要的因素。同时, 由于我国出口到美国的产品多为初级产品, 附加值低, 缺乏竞争力, 这使得美国经济的放缓直接减少了对我国产品的需求量, 进而影响了我国产品的出口, 美国经济状况的恶化对中国出口贸易的影响很大。次贷危机爆发以来, 美国经济增长率明显放缓, 2007年为2.2%, 其中第4季度经济增长率仅为0.6%, 2008年4个季度分别为0.6%, 2.8%, 7.2%, 1.5%②。从第4季度开始, 美国经济增长急剧下降, 与此同时, 美国消费者的消费意愿也持续下降, 使得我国2009年的宏观经济增长面临严峻的外部压力。
(2) 金融危机加剧了我国资本市场的动荡不安。金融危机使诸多国际金融巨头损失惨重, 从而拖累全球股市大幅下跌。受此影响, 中国股市上证A股指数在2007年10月16日创下6429的高位后, 至2008年10月28日跌至1664, 跌幅超过74%。中国股市暴跌固然有其内在的因素, 但金融危机引发的投资者信心下降也是重要的原因。资本逃离股市、房市, 资产市场价格爆跌, 美元急剧贬值;同时, 石油、粮食、矿产品等基础性商品期货爆涨, 并带动现货价格飙升, 通货膨胀日益全球化, 对我国构成了输入型通货膨胀和成本推动型的物价上涨。随着危机的深入与世界各国反通胀措施的出台, 世界经济进入了萧条期, 需求萎缩, 生产资料价格急剧下降。世界经济形势的大起大落与动荡不安, 对我国与世界各国的经济贸易关系与金融安全带来了极大的风险。
此外, 金融危机爆发过后, 世界各国为了挽救经济, 连续大幅度地降息, 这使得大量资金从美国市场撤离, 人民币汇率一路攀升。由于人民币不断升值和中美利差的扩大, 部分短期资本选择中国作为避难场所。截至2008年底, 中国外汇储备余额突破2万亿美元。国外热钱的不断涌入, 将进一步给宏观经济的调控带来困难, 同时, 不断攀升的汇率则更使得我国的对外贸易情况雪上加霜。
受全球金融危机的影响, 中国经济增长近期出现了明显放缓的现象, 加上成本上升、效益下滑等因素, 已影响到企业的投资意愿和能力, 进而对消费增长构成制约。针对国际国内的严峻经济形势, 如何保持我国宏观经济的持续增长, 这是我国政府必须急需解决的问题。2008年11月9日, 国家发改委鉴于“目前由于美国和西欧席卷全球的经济危机, 已经对我国经济造成严重影响, 在这种情况下, 为了保持我们整个经济增长的势头, 必须采取比较断然的措施, 给我们在外需不振的情况下, 来通过扩大内需使我们的经济找到新的带动和新的增长点。”决定:推出4万亿的经济刺激方案, 保证我国宏观经济的稳定增长, 向国际社会释放出“扩大内需, 保持增长”的强烈信号。4万亿投资计划的具体规划是:保障性安居工程是2800亿;农村民生工程和农村基础设施大体是3700亿;铁路、公路、机场、城乡电网是18000亿;医疗卫生、文化教育事业是400亿;生态环境这方面的投资是3500亿;自主创新结构调整是1600亿;灾后的恢复重建, 重灾区是1万亿③。
从经济理论可知, 宏观经济变量间长期内具有一定的内在联系与平衡关系, 从长期看来这些变量在数量上表现出一定形式的均衡关系。如果在短期内通过外部的因素, 打破这种均衡, 即给系统一个正的 (或者负的) 冲击, 这些变量有可能偏离均值。如果这种偏离是暂时的, 经过一定的时间, 系统会重新回到均衡的路径上。由于实际经济数据是由“非均衡过程”生成的, 因此它的短期经济效果, 我们可以通过运用数据的动态非均衡过程来逼近经济理论的长期均衡过程。
本文试图在现有的研究基础上, 就目前的刺激性投资方案, 尝试分析①刺激性投资对推动经济增长作用的程度进行计量;②刺激性投资对推动经济增长效果的持续时间进行测定。通过对4万亿投资方案的实证分析, 找出各行业投资对经济作用的特点与方式, 并就投资过程中应该注意的问题进行研究, 并提出相关的建议, 对完善投资计划, 达到预定宏观经济目标, 提供参考建议与对策。
1 计量模型、数据处理和实证结果的动态分析
根据国家发改委对4万亿刺激性投资的具体划分, 首先就这些行业的投资额与经济增长间的关系, 运用向量自回归 (Vector Auto-Regressive, 简称VAR) 理论及脉冲响应函数 (Impulse Response Function, 简称IRF) 设计相应的经济计量模型进行分析。VAR模型常用于预测相互联系的时间序列系统及分析随机扰动对变量系统的动态冲击, 从而解释各种经济冲击对经济变量形成的影响。模型中使用的时间序列向量Y由6个变量组成:国内生产总值 (gdp) ;农村民生工程和农村基础设施投资 (ari) ;铁路、公路、机场、城乡电网投资 (tran) ;医疗卫生、文化教育事业与生态环境这方面的投资 (sce) ;保障性安居工程投资 (es) ;灾后的恢复重建投资 (ex) 。
1.1 计量模型
1.1.1 VAR模型
VAR (p) 模型的数学表达式是:
其中:yt是k维内生变量向量, xt是d维外生变量向量, p是滞后阶数, T是样本个数, k×k维矩阵A1, …, Ap是待估的系数矩阵, εt是k维扰动向量。由于仅仅有内生变量的滞后值出现在等式右边, 所以不存在着同期相关的问题, 用普通最小二乘法 (OLS) 就得到VAR简化模型的一致且有效的估计量。由于任何序列相关都可以通过增加更多的yt的滞后而被消除, 所以对扰动项序列不相关的假设并不要求非常严格。
2.1.2 脉冲响应函数
脉冲响应函数计量的是, 在扰动项上外加一个标准差大小的冲击对于内生变量当前值和未来值所带来的影响。对于一个变量的冲击, 通过VAR模型的动态结构传导给其它的内生变量。由式 (1) 得到的向量移动平均模型 (VMA) 为:
其中ϕp= (ϕp, ij) 为系统矩阵, p=0, 1, 2, …。则对yi的脉冲引起对yi的响应函数为:ϕ0, ij, ϕ1, ij, ϕ2, ij, …。
1.2 数据处理
模型估计所采用的各变量数据为2003年2月～2008年10月间的月度数据。由于是月度数据, (1) 运用带通滤波 (band-pass filters, BP) 对gdp、ari、sce、tran、es、ex④月度数据进行处理, 分解出它们的长期趋势数据。 (2) 运用这6个变量建立相应的冲击反应模型, 就相关行业刺激性投资对经济增长的作用进行定量分析。
1.2.1 单位根检验
根据VAR模型理论, 本文首先对相关变量使用扩展的ADF方法进行单位根检验。检验结果如表1。
从表1可以观察到, 在给定显著性水平5%时的条件下, 时间序列lngdp、lnsce、lntran、lnes、lnex均为非平稳一阶单整序列I (1) , 而lnari水平序列则是平稳的。
1.2.2 Johansen协整检验
Johansen在1988年及在1990年与Juselius一起提出了以VAR模型为基础通过检验回归系数判断各变量间是否存在协整关系的方法, 这是一种进行多变量协整检验的简便方法。
注:加“*”表明在5%的显著水平下拒绝原假设。
从表2可知, 迹统计量表明存在2个协整向量, 而λ-max统计量表明只存在着1个协整向量。这是由于协整方差的定义产生的, 由于VAR模型的建立不涉及向量的选择, 而只需证明存在协整关系即可, 因此, 表2表明这6个变量之间确实存在着协整关系。
1.2.3 脉冲模型
6个方程的拟合优度分别为:
1.2.2 模型的稳定性检验
从图1可以看出, 被估计的VAR模型的所有根模的倒数小于1, 即位于单位圆内, 这说明模型是稳定的, 估计的VAR模型具有可靠的估计精度。
1.3 实证结果的动态分析
根据VAR (2) 模型得到的各行业投资变动对经济增长的脉冲函数图。图2～6中, 横轴表示冲击作用滞后期间数 (单位:月度) , 纵轴表示国内生产总值 (亿元) , 实线表示脉冲响应函数, 代表了国内生产总值对相应行业投资的冲击反应, 虚线表示正负两倍标准差偏离带。
从图2中可以看出, 当在本期给农村民生工程和农村基础设施投资一个正的冲击后, 经济增长在第3个月便达到最高点2.01 (即在第3个月gdp对ari的响应是2.01) ;经过9个月的上下波动后, 在第10个月开始稳定增长。这表明经济增长受ari的冲击后, 对经济增长具有一定的促进作用, 而且这一冲击具有显著的促进作用与较长的持续效应。
从图3可以看出, 当在本期给医疗卫生、文化教育事业与生态环境投资一个正的冲击后, 经济增长在第2个月便达到最高点2.14 (即在第2个月gdp对sce的响应是2.14) ;经过9个月的上下波动后, 在第10个月开始稳定增长。这表明经济增长受sce冲击后, 会在9个月后对经济增长产生稳定的拉动作用。
从图4可知, 铁路、公路、机场、城乡电网投资的正冲击会给经济增长带来正面的影响, 并且此影响具有较长的持续效应。从图5、图6也可以看出, 当在本期给保障性安居工程投资与灾后的恢复重建投资一个正的冲击后, 也会给经济增长带来正面的冲击, 冲击的幅度彼此相差不多。
2 刺激性投资对经济增长的贡献率分析
方差分解 (Variance Decomposition) 技术可以分析各行业投资变动对经济增长的贡献率。方差分解提供了另一种描述系统动态的方法。脉冲响应函数是追踪系统对一个变量的冲击效果, 相反, 方差分解则是将系统的均方误差分解成各变量的冲击所做的效果。通过将一个变量的均方误差分解成系统中各变量的随机冲击承做的贡献, 然后计算出每一个变量冲击的相对重要性, 即变量冲击的贡献占总贡献的比例。
2.1 方差分解理论
Sims⑤于1980年首先提出了方差分解方法, 从定量方面把握变量之间的相互影响关系。他提出的方差分解模型为:
其中, ϕq, ij是脉冲响应函数, σjj是白噪声序列第j个分量的标准差, yit是自回归向量的第i个分量, RVCij (S) 表示第j个分量的方差贡献率。其经济意义为如果RVCij (S) 较大时, 意味着第j个分量对经济增长的影响大;如果RVCij (S) 较小时, 意味着第j个分量对经济增长的影响小。
2.2 各变量变动对经济增长贡献率分析
从表3可以看出, 医疗卫生、文化教育事业与生态环境方面投资对经济增长的贡献率最大达到8.9%;其次是农村民生工程和农村基础设施投资及灾后的恢复重建投资, 分别达到6.12%与5.98%;铁路、公路、机场、城乡电网投资与保障性安居工程投资对经济增长的贡献率较小, 分别为3.4%与3.25%。这说明铁路、公路、机场、城乡电网投资与保障性安居工程投资对经济增长效果具有刚性, 边际弹性系数不大, 短期的刺激性投资作用有限;而投资相对滞后的医疗卫生、文化教育事业与生态环境投资, 农村民生工程和农村基础设施投资及地方经济建设投资对经济的拉动作用还有很大的提升空间。
3 实证结论
根据以上的实证结果可知, 由于外部环境的影响与经济内在运行机制的作用, 在扩大内需、促进增长的目标下, 我国4万亿的短期刺激性投资对经济增长带来了不同程度的影响, 其中铁路、公路、机场、城乡电网投资, 保障性安居工程投资与灾后的恢复重建投资对经济增长具有同向的影响且作用时间很长, 但是幅度相对有限;而农村民生工程和农村基础设施投资, 医疗卫生、文化教育事业与生态环境这方面投资对刺激经济增长效果有起伏, 但是后续的拉动作用很长, 应该着眼于长期的培养与扶持。政府可以利用这种现象, 对不同行业的投资进行有区别, 有重点的调整, 更好的服务于不同时期宏观经济管理的需要与目标。
摘要：利用行业投资变量与经济增长间的内在数量关系, 运用向量自回归理论的脉冲响应函数设计了相应的冲击反应模型, 定量分析了4万亿刺激性投资对经济增长的推动效果。同时, 利用方差分解技术, 分析了各行业投资对经济增长的影响及其贡献率大小。这些实证结果可为分析各行业投资与经济增长间的关系提供参考, 为制定灵活的宏观经济政策提供相应建议。
关键词：扩大内需,刺激性投资,脉冲响应函数,方差分解,经济增长
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动态冲击 篇3
Fowles,Williams等[5]于20世纪70年代提出了Lagrange分析理论,可以从一组应力、速度或应变的波形记录,利用三个守恒方程反解得到完整的流场信息,而不依赖于事先的本构假定。后来这一方法经Seamann[6]等人的改进和发展已能用于解决包括衰减波在内的实际问题。近年来,通过轻气炮加载,应用Lagrange分析方法由于在材料动态性能实验分析中具有重要的指导和实用价值已越来越受到重视。
本工作通过一级轻气炮加载的方式,测出钢筋混凝土材料的应力时间曲线,由拉氏分析方法反算得到材料的应变、粒子速度等其他的力学参量,由此得到该材料的动态力学性能:明显的率相关性、波形弥散效应等。并从细观力学的角度,提出了理想情况下钢筋混凝土本构关系可由混凝土材料黏弹性本构关系与一个依赖于增强钢筋材料特性的常量G的乘积来确定;同时假定损伤只发生在混凝土材料内部,给出其一般的损伤演化方程,基于以上两点得到了钢筋混凝土损伤型黏弹性动态本构方程。理论预测与实验曲线吻合良好。
1 实验
1.1 实验原理
本实验是在中科院非线性力学国家重点实验室的一级轻气炮上完成的,轻气炮口径为ϕ101mm,炮管长度17m,弹速范围为20～1400m/s,弹速误差<5%,碰撞斜角<10-3rad,真空度<1Pa。实验装置如图1所示。
实验时将飞片粘贴于弹丸上,高压气体的突然释放推动弹丸沿抽空的炮管运动。当高速运行的弹丸碰撞靶板时,产生一个较高的压力脉冲,由应力计记录一组压力信号,不同的撞击速度就会产生不同的压力峰值。根据这一系列的压力信号,就可进行材料动态特性的分析。
1.2 试件的制作
水泥选用新425#普通硅酸盐水泥;砂子选用天然河砂,洗去浮土,用2.5mm圆孔筛过滤得到;筋采用ϕ5mm的混凝土专用钢丝编织网,网格为5mm×5mm,配筋率为1.4%;浇注水泥砂浆后成为薄板状钢丝网水泥。混凝土中各组分的配比(按质量)为:水泥(普通硅酸盐水泥)∶粉煤灰(水泥增强组分)∶硅灰(水泥增强组分)∶砂∶水∶HSG(高效减水剂)∶AE(减水剂)=300∶50∶20∶540∶100∶2.5∶1.5。将各组分按一定的程序混合搅拌均匀,注入自行设计的模具,振动以排气(编织网采用一承插式套筒压入,以保证各个试件的同一性),在室温(20～25℃)凝固硬化1～2天后脱模,养护28天即得试件。
通过棱柱体测试块测得试件的基本性能为:静抗压强度72MPa;静抗折强度为12.8MPa;总孔隙度为0.041cm3/g;密度为2.35g/cm3。
1.3 靶板的设计
在预埋传感器的测量范围内要求[7]:冲击波是平面波并且是均匀的(波阵面后的参量不随时间及距离变化),因此在设计试件时,必须考虑试件的宽厚比和追赶比,以消除边侧稀疏效应和追赶稀疏波的影响。基于以上要求,本实验飞片采用与靶板同材质,飞片的直径为ϕ75mm,厚度约为5mm;试件也设计成圆柱形,直径为ϕ70mm,厚度为5～6mm。
靶板主要由基板、试件、传感器和探针等组成。传感器选用双螺旋型锰铜压阻传感器,电阻为50Ω,靶板设计成五层三压阻计式。测试系统包括飞片速度的测试和试件中压力-时间历程的测试。飞片速度的测试采用同轴探针法,触发信号采用外触发。压力信号经锰铜压阻计放大后由数字示波器TDS记录下来直接送入计算机分析处理。弹速设计成200～500m/s,应变率范围为104～105s-1。
2 结果及讨论
2.1 实验结果
钢筋混凝土实验设计了6炮,冲击速度为250～500m/s,步长为50m/s,有3炮比较成功,各炮的实验数据及测试结果如表1所示。
表1中,σ1,σ2,σ3分别是靶板中三个锰铜压阻计测得的应力峰值。
2.2 拉氏分析及结果
实验结果采用Lagrange分析(简称拉氏分析)方法进行处理,拉氏分析方法是通过埋入材料内部不同位置处的传感器(Lagrange量计)测量到该处某些力学信息(应力或粒子速度等)的变化,通过普适的质量、动量和能量三个守恒方程得到未知的力学量,它不依赖事先的本构假定,这样得到的曲线是实际过程的写照,反映了材料在实验过程中的动态响应行为历程。有关Lagrange分析方法的基本原理,Fowles于1973年作了较全面的阐述[8]。这里忽略热传导、体积力和内部能源等的影响,采用拉氏分析中的路径线法,由已知的应力时程曲线反推出速度、比内能、应变等参量的差分表达式,并自编程序[8],得到材料的相应曲线,图2为实测的σ-t曲线,图3为由拉氏分析反算得到的应力-应变曲线。
2.3 结果与讨论
分析上述结果,可知强冲击载荷作用下钢筋混凝土具有如下的力学特征:
(1)由表1可以看出,应力峰值随冲击速度的提高而明显提高,且加载速度增加以后,所配钢丝网散开。
(2)明显的应变率相关性。从实验记录波形及对实验数据的拉氏分析结果可以看到,在载荷作用下,钢筋混凝土中任一点的应力状态,不仅取决于该点的应变,而且还取决于该点曾经经历过的应变率,σ-ε具有明显的应变率相关效应。
(3)波形弥散效应。从图2和图3曲线上看,材料的加载曲线为上凸状,曲线斜率随应力的增加而逐渐变小,而上凸状响应行为决定了材料中冲击波的传播过程将逐渐展开。这是因为混凝土有一定的黏性,粘性弥散导致屈服强度降低,波阵面变得平坦,波形发散;同时,混凝土是一个多孔的较疏松的脆性介质,在应力波作用下,孔洞裂隙收缩变小,材料有一个压实过程,这也是弹性前驱波变缓与塑性主波逐渐拉宽的重要原因之一。由于这一过程及黏性弥散效应在力学性质上是非线性的,导致了本构关系的非线性。
(4)衰减规律。图3表明,随着波的传播,弹性波衰减并逐渐拉开,而塑性波在衰减的同时,由于追赶卸载的影响,波宽越来越窄,其它各参量随时间的变化亦有相似的规律。冲击波的衰减,实质上是压力脉冲的降低,同时伴随着能量耗散,它反映了冲击波与材料及其细观结构相互作用的过程与结果。进一步表明了钢筋混凝土的率相关性。
(5)应力-应变总体呈滞回特性。
(6)混凝土的流变特性。实验表明:试件在加载到强度极限(最大应力)后,存在一个应变软化过程。这一由“应变硬化为主”转化为“应变软化为主”的“本构失稳”(dσ/dε=0)现象是与材料固有的应变强化机制与损伤演化引起的弱化机制共存又相互竞争的过程密切相关。
3 钢筋混凝土动态本构关系
将钢筋混凝土看成一种钢筋强化混凝土材料,以混凝土本构特性为基础,而将钢筋的强化效应仅表观地定义为一强化因子G。研究表明[10],金属材料的应变率敏感性界限大约在10-3～103/s之间,本工作研究的应变率范围为104～105/s,且在强冲击载荷作用下,混凝土材料的应变率效应比一般金属材敏感得多,因此,这里把钢筋看作是与应变率无关的材料,取为线弹性体。同时,由于缺乏对混凝土材料变形机理的全面认识,至今仍未有一种大家普遍认可的本构模型,这里我们把混凝土看作是一种加入损伤的黏弹性材料。
基于上述假设,引入钢筋混凝土动态本构方程如下:
undefined
其中,损伤演化函数D的表示形式如下
undefined
钢筋的强化系数G的表示式为
undefined
上述各式中共包含11个材料参数,各有明确的物理意义。参数拟合时,Eundefined和θ0由应变率为104～105s-1下混凝土材料粘弹性响应来确定;Eundefined为参考模量,取初始侧限弹性模量undefined;ν为泊松比;Ef取一般的软钢材料弹性模量;undefined0为参考应变率,取1s-1 ;f1为加筋层的配筋率;f2为加筋层的体积百分比;η1和η2为影响因子;D0,a和b由损伤演化相对应的材料响应来确定。由实验结果回归拟合确定钢筋混凝土的本构参数,如表2所示。
图4即为由本构方程(1)-(3)拟合所得的钢筋混凝土材料理论加载曲线与实测曲线的比较,由图4可见,本工作得到的损伤型黏弹性本构方程能较好地描述钢筋混凝土在强冲击载荷作用下的应力-应变行为。
4 结论
(1)将钢筋混凝土看作是一种钢筋强化混凝土材料,提出了钢筋混凝土本构关系可以在考虑损伤等影响因素的基础上由混凝土材料黏弹性本构关系与一个依赖于增强钢筋材料特性的常数G的乘积来确定,理论预测与实验基本吻合。
(2)实验仅研究了一种配筋率、一种配筋方式下材料的动态特性,是对加筋混凝土的一个初步的探索,以后可以拓宽到不同配筋率和配筋方式,从而为建立一个适合工程使用的本构方程提供更可靠的数据。
参考文献
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[3]陈江瑛,黄旭升,王礼立.混凝土的动态损伤演化[J].宁波大学学报(理工版),2000,13:170-173.
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[6]SEAMANN L.Lagrange analysis for multiple stress or velocity gauges in attenuating waves[J].J Appl Phys,1974,45(10):4303-4314.
[7]经福谦.实验物态方程导引[M].第2版.北京:科学出版社,1999.211-219.
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[9]姜芳.钢筋混凝土材料动态力学性能的实验研究[D].北京:北京理工大学,2003.
动态冲击 篇4
一、货币政策与汇率波动的关联性
自改革开放以来, 我国处于长期的供不应求的状态之下, 而到了90年代中秋, 由于经济的快速发展, 又出现了市场需求供应不足的状态。从1998开始, 我国实行了新的积极的财政政策, 来解决市场上出现的这一现象, 这一货币政策在保证人民币币值稳定的前提下, 实行市场化的改革来支持经济的健康稳定发展。在传统的经济理论中, 货币政策的指标是通过利率或者汇率的关联性来体现。国内外一些经济学者的研究表明货币政策和汇率波动之间是存在着明显的关联, 而均值和波动方程的一些计量模型显示, 我国的货币政策与人民币汇率时间是存在着明显的均值与波动溢出效应。同时也有一部分学者尝试着从另外一种角度来研究货币政策对汇率波动的影响, 因为传统的货币政策的目标是以稳定物价为主, 虽然稳定物价是在其他条件不变的情况下来间接的达到稳定汇率的目的, 但是也没有明确的提出需要稳定汇率, 所以, 这些学者讨论的焦点就集中在是不是将汇率纳入到最优的货币政策的范围, 将其作为政策规则的解释变量之一。在很多的发展中国家, 虽然他们不公开, 但是汇率确实是货币政策的一个隐含的目标, 在货币贬值的情况下都是以提高利率来稳定国家的汇率。
在国外, 学者们分析的对象都是利率市场化程度较高, 汇率浮动自由的国家, 在分析货币政策对汇率的影响是基本不会考虑外汇干预的内生性问题, 而我们国内的学者才开始逐渐的关注到相关问题的研究。我们中国的汇率波动也确实存在着特殊性, 因为我们国内外汇干预对汇率波动的影响要大于国外的作用。因此我们不能仅考虑汇率与利率之间的关联性, 还应该更加深入的研究。
二、外汇干预与汇率波动的关联性
学者的研究一般只关注两个方面, 一是外汇干预对汇率波动的影响, 主要包括干预的渠道、方式和有效性的问题, 其中渠道和有效性是研究的重点, 央行对外汇的干预是通过对外币市场上的外币进行购买或是抛售来达到调节本国币率的目的, 而冲销式和非冲销式干预是央行的主要干预类型, 这两者干预的区别在于冲销式干预是不是会增加我国货币的供应量。非冲销式干预对汇率的影响和货币政策基本一致, 都是通过对基础货币的改变来改变广义的利率和货币供应量对汇率产生的影响。对于外汇干预对汇率的有效性是否有影响, 一些学者做了深入的探讨, 得出的结论是不明显的;又有一些学者认为外汇干预对汇率是有着显著的影响的, 并且证明了资产组合这一个传导渠道, 但是不久就被大量的文献证明资产组合的这个渠道其实对汇率的影响基本是微小到忽略不计的。不过大量的资料证明, 国际间的协调是对两国之间的汇率有着显著的影响的。由于我国货币政策的原因, 我国的外汇干预是主要通过资产组合渠道来影响汇率的。对于外汇干预和汇率波动关系的研究有很多, 货币政策的冲击和外汇干预关系是十分密切的, 外汇干预也会影响到传统的货币政策, 而货币政策的变化又会影响到汇率的波动, 所以货币政策是外汇干预的一个重要的中间渠道。
官方对汇率的适度干预可以暂时抵消货币的干扰;稳定的汇率也可让我国现存的大量剩余劳动力得到消化;还能有效的避免资本流动对我国的金融稳定造成的威胁。国家在市场完整的情况下是没有必要使用外汇干预的, 因为这个时候市场信息是对称的, 经济主体也存在着理性的预期, 但是世界各个国家的经济体不是完整的市场, 市场与官方给出的信息存在着不对称性, 劳动力市场和商品市场也存在不完全性, 就会导致汇率超调等不确定性, 随着大量国外资本的进入, 国外资金的流动会使我们国家符合非抛补率的评价条件, 在这样一个货币政策的冲击下, 我国很有可能发生汇率的超调, 人民币汇率的波动也就会随之增大, 给我们国家的金融稳定造成一系列的风险, 也反映出人民币外汇衍生市场发展需要加快的必要性。由于人民币国际化的水平在不断的提升, 保证我国汇率福利效应的增长还是需要一定的外汇干预, 发达的西方国家在汇率制度固定的前提下使本国的经济得到迅速的发展之后开始实施浮动的汇率制度, 却没有考虑发展中国家的实际情况, 以强权的形式来干预发展中国家的汇率制度, 这对发展中国家是不公平的, 在不对等的国际金融秩序下, 我国为了维护国家的金融稳定, 必须要选择适合我国经济社会发展的汇率制度。
三、货币政策与外汇干预的关联性
货币政策与外汇干预的关联性主要体现在两个方面, 一是外汇干预对货币政策的干预作用, 可能会对一国货币政策的独立性产生影响。市场中货币的供应量一般不会被冲销性的外汇干预, 但是汇率变化会不会被冲销干预就成了一个还没有被研究清楚的问题。虽然冲销行为不会干预到国内的货币供应量, 但是公众可能会从中得到货币紧张这一种信号, 通过种种方式使国内的货币出现升值的情况, 也就使汇率也发生了改变。有学者研究表明, 外汇干预就意味着货币政策将会朝着相反的方向转变。在中国, 外汇干预将会对中国货币政策的独立性产生影响, 主要是因为我国的外汇储备不断的增加使货币供给的内生性增强, 导致央行的执行政策变的被动。因为我国近年来外汇储备剧增导致通胀压严重, 所以外汇干预对货币政策的压力也就更加的明显。央行的冲销也只能对外汇储备剧增导致的通货膨胀产生一些缓解的效果。
四、结束语
汇率动态的研究作为国内外汇率研究的重点领域之一, 对完善汇率理论和了解汇率波动的规律都有着重要的意义。央行一直都将汇率稳定视为货币政策的重要目标之一, 外汇干预并不能真正稳定人民币的汇率稳定, 因为外汇干预会增加央行的负债, 也就增加了基础货币的供应, 使货币政策的独立性受到影响, 也在一定的程度上影响了货币政策的效果, 即便央行采取调整存款、发行央票等措施也不能完全抵消冲销的货币政策效果。但是就目前情况来看, 央行的官方干预还是很有必要的, 我国作为新的市场经济国家, 汇率干预和利率措施的配合使用可以使通货膨胀和汇率都得到稳定, 使经济的内外均衡得到实现。
参考文献
[1]赵文胜, 张屹山.货币政策冲击与人民币汇率动态[J].金融研究, 2012, 08:1-15.
动态冲击 篇5
在某轻型飞机座椅装机动态水平冲击试验中, 由于试验前座椅按要求已经取得CTSOA, 所以座椅本身的结构强度已经得到验证, 试验主要检验的是座椅与机身的连接强度, 以及座椅和周围结构组成的生存环境对乘员的保护能力。由于在该轻型飞机上安全带的定位点在机身结构上, 使得安全带的耐撞性能凸显出来。按照中国民航适航规章CCAR-23-R3中第23.562条的要求, 驾驶员座椅安全带与机身的连接要承受先前至少26g冲击载荷的考验。
某轻型飞机座椅装机动态水平冲击试验过程
试验设施
该水平冲击试验设施属于试验设施中的减速式滑车设备, 在试验中以减速度形式产生冲击脉冲, 模拟飞机在坠撞过程中的载荷施加方式。减速式滑车试验台示意图, 如图1所示。试验时, 将试验件、试验假人通过试验安装架固定在滑车安装平面上, 通过拖动装置将滑车沿轨道拉出一定距离, 这个过程中, 与滑车连接的弹性绳不断被拉紧, 然后电控装置释放滑车, 在弹性绳的牵引下, 使滑车达到预定的速度, 当滑车前端冲杆撞入液体缓冲器后, 产生预期的冲击脉冲, 通过调节缓冲器来满足试验的冲击脉冲要求。试验中通过光测系统记录整个试验过程;电测系统中测速装置用来测量加速度, 数据采集器用来测量及记录假人头部运动加速度曲线、肩带载荷曲线等测量结果。
试验件构型筛选
冲击时, 该轻型飞机约束系统将力传给周身结构, 因此需将座椅、约束系统和周身结构和设备一起作为试验件进行考虑。受试验条件限制和从经济性、安全性方面考虑, 不能拿整机及舱内全部安装设备来完成该试验, 因此要对试验件的构型进行筛选, 原则如下。
1) 应完整保留在冲击载荷作用下, 座椅、约束系统传力路径中的承力结构。
2) 应完整保留在冲击载荷作用下, 头部运动包线范围内的结构件和设备。
3) 应完整保留座舱段主要承力及加强件, 对座舱段试验件承力没有影响或影响很小的结构件可不安装。
4) 为模拟在应急着陆情况下, 驾驶员操纵飞机时的坐姿, 应提供相关支持设备, 包括驾驶盘和脚蹬等。
试验件安装
由于座椅在座舱内对称分布, 试验时每排只需安装一把座椅。该试验采用“左偏右座”方式, 即试验件处于水平状态且飞机垂直对称面相对撞击方向向左偏航10°无俯仰, 并在座舱右部安装座椅及约束系统。这是因为根据力的分解原理, 向左偏航的假人, 在冲击时受到一个向右的分力促使假人头部及躯干有向右倾斜趋势, 从而与右侧结构碰撞的概率较大。试验平台上待试座椅及约束系统固定件应与安装该座椅及约束系统的飞机固定件相同。
试验安装架与试验件的连接应能承受冲击载荷的作用, 并能将载荷真实准确地传递至试验件上。该试验试验件在滑车上的安装, 见图3。
试验方法
1) 在水平冲击试验设施上调试出满足如下要求的试验脉冲波形。
a) 最小碰撞速度:12.80 m/s;
b) 最大tr:50 ms;
c) 最小负加速度峰值gmin:26 g;
d) 脉冲波形见图2。
2) 按照已经批准的图纸要求, 将试验件 (包括座椅及约束系统) 通过试验安装架固定在试验滑车上, 如上图3;然后按照要求布置和定位假人坐姿, 并调试电测系统和光测系统。
3) 试验前、后从不同方向 (至少4个方向) 对试验件和假人状态进行拍照。
4) 试验后检查试验的全部数据记录, 判断试验是否合格。
试验结果与分析
(1) 试验时座椅、约束系统及假人的变形情况
从图4—图8可以看出在滑车碰到缓冲器后, 假人由于惯性继续向前运动。在0-18ms内, 假人由于惯性前移, 但坐姿并没发生明显改变。从18ms时刻起, 假人腹部开始受到安全带腰带显著的约束, 假人下体向前运动的趋势减弱。假人上体也开始受到安全带肩带的约束, 但仍继续向前作俯冲运动, 手臂向前飞出。由于偏航10度的影响, 假人上体有向右倾斜趋势。在34ms假人头部俯冲到达前方临界点后开始回弹。在50ms后, 假人上躯干回弹运动被座椅靠背阻止;头部由于没有头靠约束, 继续向后运动。
(2) 试验后座椅及约束系统检查结果
1) 座椅及约束系统无明显的变形、位移或撞损, 试验后仍可以约束住假人;
2) 座椅及约束系统与试验件结构的连接保持完好。图5为试验后照片。
(3) 试验后测量结果与分析
1) 关于冲击脉冲波形分析
本文试验讨论的冲击波形是一个理想的等腰三角形, 实际的试验波形与理想的波形是不一样的, 有必要对这些实际试验波形进行评估。经分析, 该试验脉冲波形 (见图6) 满足SAE 8049A附录A“评估冲击脉冲波形的方法”中全部五项要求。
2) 关于假人损伤分析
头部伤害指标 (HIC) 达到适航标准要求, 头部最大加速度为64.25g。
肩带载荷达到适航标准要求。
股骨轴向压缩载荷不是试验要求考核的目标, 对其测量仅作为参考。假人右腿在碰撞中与仪表板下缘发生了接触, 有受伤风险。
(4) 关于结构安全性评估
从试验录像和试验后检查结果发现:整个碰撞过程中, 座椅、安全带、机身结构及其连接都保持完好, 未发生明显的位移、脱落和破损, 结构强度设计合理;腰带一直保持在假人骨盆上;肩带也被及时拉出, 并始终保持在假人肩上;假人头部并未与舱内结构发生二次碰撞。
总结
动态冲击 篇6
反应堆安全分析中, 学者普遍采用“点堆模型”于中子学瞬态过程研究;并获得了点堆中子动力学方程组在不同条件下的解析解和数值解法[7—11]。这些研究为瞬态热应力研究提供了温度输入条件。在反应堆瞬态热应力研究中, 最直接的方式是根据“点堆模型”结果获得温度函数, 然后将温度函数带入弹性力学方程进行求解[12]。近年来, 学者们还发展了中子动力学与热力学耦合的计算模型, 采用点堆动力学方程组[13]或与空间相关的扩散方程[14]作为中子动力学方程。国外开发了一些专门用于反应堆中子学-热力学分析的计算程序[15,16], 其中包括采用拉格朗日坐标显示求解的DYNA3D和隐式求解的NIKE3D有限元程序;以及既可采用拉格朗日坐标系也可采用欧拉坐标系进行隐式法或显示法求解的ALE3D有限元程序[17]。其中, NIKE3D由美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室开发, 而ALE3D是“加速战略计算创制” (ASCI) 的一部分, 由劳伦斯·利弗莫尔国家实验 (LLNL) 开发。程序计算的准确性关系到核装置的安全设计和运行。为此, Canaan利用这些程序研究一个无约束厚壁球壳在热冲击下的动态响应, 并将计算结果与一维有限差分数值解进行了比较, 证实了这些程序在用于此类问题研究中的有效性[17]。ANSYS作为一款有限元软件商业软件, 具有更广的使用范围, 并同样支持隐式法或显示法求解, 具有操作简单、计算精度高等优点, 在工程设计、研究中被广泛应用[18,19]。有文献报道了AN-SYS用于温度场[18]或反应堆堆芯熔化事故[19]的研究, 尚没有文献报道该软件是否同样适用于高精度的仿真约100μs的瞬态热冲击过程。
本文的主要目的是以无约束铀钼合金厚壁球壳结构为例, 研究ANSYS用于分析燃料元件的热冲击动态响应的准确性。通过一个简单模型来验证程序有效性的思路已获得广泛共识, 这是进一步评价复杂模型计算结果的基础。为此, 本文选取了ANSYS四个典型的二维、三维单元类型进行建模, 分别计算了球壳的动态位移和动态应力。通过与理论参考值比较, 获得了采用不同单元模型计算时的准确性, 并分析了造成这些准确性差异的原因。
1 球壳结构的模型
1.1 物理模型
为了使仿真结果便于与数值理论解以及其他用于反应堆研究的程序结果进行比较, 采用了一个无约束铀钼合金厚壁球壳结构为研究对象, 球壳内径和外径分别为5.08 cm和7.62 cm。计算中涉及的材料属性对应于钼质量分数为10%的铀钼合金性能[17], 涉及的材料性能包括:密度ρ=17.2 g/cm3, 泊松比v=0.3, 杨氏模量E=9.032 45×104MPa, 线性热膨胀系数α=1.4×10-5/℃。
1.2 热弹性力学理论模型
由于所研究的对象为球壳结构, 因此采用球坐标下的热弹性力学方程。假设材料在研究过程中不发生塑性变形, 令u (r, t) 为球壳上r点在时间t时刻的位移, T为此时刻的温度, 方程可以表述为[12,14]:
式 (1) 中, c为材料中的声速。系统的径向应力σr和切向应力σt分别具有以下形式:
当快中子脉冲反应堆达到超瞬发临界状态时, 可以采用绝热近似。在这种情况下, 假设初始温度为零且均匀分布, 温度随时间变化的函数可以通过求解不考虑缓发中子的点堆中子动力学方程获得:
式 (4) 中, Tmax为系统达到的最高温升, tp为反应堆达到峰功率的时间, b为脉冲半高全宽度。
对于无约束的球壳结构, 由于球壳内径表面和外径表面均属于自由边界, 因此方程 (2) 在这两个表面上的径向应力σr为零。在这种边界条件下, 确定温度函数式 (4) 后, 便可以通过数值计算的方法获得方程式 (1) 的解。设最高温升Tmax=420℃, 脉冲半高全宽度b=41μs, 达到峰功率时间tp=100μs。
1.3 球壳结构的ANSYS有限元模型
由于在实际的反应堆瞬态过程分析中, 将要处理的对象一般为二维模型或三维模型。为了分别获得采用不同计算模型时的准确性, 本文考虑了四个典型的二维和三维单元模型:plane182四边形单元、plane183三角形单元、solid187四面体单元和solid45六面体单元。为统一比较, 所有边界的单元尺度固定为0.254 cm。
2 仿真结果与讨论
2.1 动态位移
在瞬变温度场作用下, 该铀钼合金球壳结构内表面和外表面处节点位移随时间的变化如图1 (a) 所示。随着温度的上升, 材料热膨胀导致内外节点位移逐渐增大, 在达到峰值后以正弦的形式振荡, 振荡周期均为102μs±2μs, 该周期为该元件的固有周期, 这与采用其他程序计算获得的结果是一致的[18]。采用二维plane182、二维plane183和三维solid187单元时获得的位移均在150μs时达到最大值, 这与采用一维差分方法求解方程 (1) 的数值结果是相同的;而采用三维solid45单元时的位移曲线整体滞后约2μs。这说明在相同条件下的瞬态计算中, 采用三维solid45单元时获得的时间响应特性稍差。
图1位移随时间的变化 (a) 和峰值位移随半径的分布 (b) Fig.1 The displacement as a function of time (a) and the maximum displacement as a function of the radius (b)
在150μs时的燃料元件动态峰值位移和静态热膨胀时的位移随半径的变化如图1 (b) 所示。采用四种ANSYS单元模型获得的位移分布都具有较好的一致性, 但是采用三维solid45单元时位移值稍偏大。图中静态热膨胀位移是指由于温度上升导致的元件尺寸增量, 等于线性膨胀系数、温升和元件尺寸的乘积。可以看出整个球壳的峰值位移均远大于静态热膨胀位移, 在内径处动态位移约为静态位移的1.725倍, 两者差异随着半径增大而减小, 在外径处两者之比约为1.345。而瞬态热作用下的动态位移分析对于快中子脉冲反应堆活动燃料部件预留间隙的设计是尤其重要。
2.2 动态应力
在不同网格模型下, 球壳内表面和外表面切向应力变化如图2 (a) 所示, 其中负应力为压应力, 而正应力则为拉应力。可以看出在峰值功率约100μs附近, 内外表面均出现了一个压应力, 这是由于此时温度上升的速度超过了材料热膨胀的速度, 因此元件处于压缩状态。随后由于膨胀作用压应力得以释放, 然后经过半个固有周期, 元件又处于拉伸状态, 且拉应力达到峰值。150μs时的峰值切向应力随半径的分布如图2 (b) 所示。该结果显示, 采用二维plane183和三维solid187单元模型时的结果具有高度的一致性, 而采用二维plane182和三维solid45单元模型时存在不同程度的偏差。这反应了采用不同单元模型计算结果的差异。
为分析不同模型下峰值切向应力差异的原因, 有必要对比不同模型的计算结果与理论模型的符合程度。边界条件是衡量的一个重要依据, 上文理论分析表明, 由于内外表面均属于自由边界, 因此在边界上应当满足径向应力为零的要求。采用不同模型计算时, 球壳在150μs时的径向应力分布如图3所示。采用二维plane183和三维solid187单元模型时在内外表面显然满足边界条件;采用二维plane182单元模型时仅在内表面处满足边界条件;而采用三维solid45单元在内外表面均不能满足径向应力为零的边界条件。这说明采用不同单元模型在计算应力时的偏差可能是由于部分模型不能严格满足边界条件引起的, 而采用二维plane183和三维solid187单元模型计算结果更可能接近实际。
2.3 误差比较
由于所关注的球壳结构具有球对称特性, 是可由方程 (1) 准确描述的一维问题。结合方程 (4) 的温度输入函数和零径向应力边界条件, 其真实的理论解可以通过数值求解的方式获得, 文献[17]给出了差分方式求解的程序代码和计算结果。其中, 外表面的峰值位移upeak、波谷处位移ubottom、峰值切应力σt, peak和谷值切应力σt, bottom分别为0.060 2 cm、0.029 21 cm、268.905 MPa和-264.08 MPa;而外表面的upeak、ubottom、σt, pedk和σt, bottom分别为0.051 56cm、0.008 382 cm、557.806 MPa和-548.15 MPa。以这些结果为参照, 将DYNA3D、NIKE3D和ALE3D这三个程序结果与ANSYS程序下本文考虑的四个典型单元模型的计算结果进行了比较, 计算误差如表1所示。在ANSYS程序下采用二维plane182或三维solid45单元模型时的内表面参数计算误差优于DYNA3D、NIKE3D和ALE3D三个程序, 其中采用plane182单元时内表面位移误差仅为0.02%, 但是其他参数结果整体上相近。而采用二维plane183或三维solid187单元模型在整体上显著最优, 除外表面峰值位移略差于ALE3D外, 其他参数误差均小于其他三个程序结果。在ANSYS不同模型之间比较, 在二维仿真中plane183三角形单元模型优于plane182四边形单元模型, 在三维仿真中solid187四面体单元模型则优于solid45六面体模型。
图2切向应力随时间的变化 (a) 和峰值切应力随半径的分布 (b) Fig.2 Thetangential stress as a function of time (a) and the maximum tangential stress as a function of the radius (b)
在反应堆瞬态问题研究中, 表面位移的准确仿真有利于反应堆活动燃料部件的安全设计, 峰值应力的准确分析有利于快中子脉冲反应堆的安全运行。对于具有简单结构的板状或轴对称结构的部件, 应优先考虑二维plane183三角单元模型进行计算;对于复杂三维结构部件, 则应优先考虑三维solid187四面体单元模型进行计算;在所有建模中, 应当尽可能避免尖锐顶角, 这些顶点附近的2~3个单元尺度范围的节点通常会由于计算本身的原因形成应力集中。采用合理的单元模型建模, 在动态位移和动态应力仿真中可以获得显著增强的准确性。
3 结论
采用ANSYS有限元程序对瞬态加热的铀钼合金厚壁球壳结构进行了动态仿真, 并以一维热弹性力学方程的数值解为基准分析了计算误差, 与专门用于核反应堆工程设计和研究的DYNA3D、NIKE3D和ALE3D程序进行了比较。计算中采用了典型的二维plane182和plane183单元模型以及三维solid187和solid45单元模型, 获得以下结论: (1) 四种ANSYS单元模型均能获得与其他程序基本一致的振动特性, 并且在二维和三维仿真中分别采用plane183三角形和solid187四面体单元模型计算具有最小的计算误差; (2) 讨论了ANSYS不同单元模型差异的原因, 结果表明二维plane183和三维solid187单元模型能更严格的满足理论边界条件, 因此与理论数值解差异最小。
以上结果证实了ANSYS软件在研究此类热冲击问题的适用性, 为进一步采用ANSYS有限元程序开展反应堆瞬态过程研究以及燃料元件设计提供了参考, 并且较高精度仿真手段的建立有利于相关自主程序的校验和开发。
摘要：燃料元件中裂变引起的热冲击应力是核临界安全研究的重要内容。采用ANSYS有限元程序中的二维plane182、plane183和三维solid187、solid45单元模型对脉冲加热的铀钼合金厚壁球壳进行了仿真, 以一维热弹性力学方程的数值解为基准获得了不同模型计算误差。与国外用于核反应堆工程设计和研究的程序相比, 采用plane183或solid187模型因能更严格地满足理论边界条件, 具有更小的计算误差。这些结果为进一步开展核反应堆瞬态过程研究以及燃料元件设计提供了参考。