力学设计

力学设计（通用12篇）

力学设计 篇1

工程力学是我校一门受众面广的学科通识教育平台课程,它兼有基础理论和工程应用的双重性质,既可直接用于解决工程实际中的一些力学问题,又是其它许多学科领域的理论基础,且对某些后续课程的教学具有重要的影响.作为继政治、数学、外语、物理等基础课程之后开设的第一门技术基础课,对于从校门到校门,工程应用知识匮乏的大学生来说,要顺利地进入广阔的专业知识领域,它的作用是不言而喻的,地位是非常特殊的,对该课程进行教学创新是必要而且及时的.在工程力学课程的学习中开展课程设计,就是一种教学创新的尝试.与现有报道的以零件设计为主的相关课程设计[1,2,3]不同,本文介绍的课程设计是基于“大科学”观理念[4],以工程产品为对象,以知识的连贯性为出发点,注重的是知识的融会贯通、课程与工程实际的紧密结合以及对学生综合能力的有效培养.

1 课程设计方案

1.1 课程设计的指导思想

通过工程力学课程设计,将原本孤立的各部分内容系统的连贯起来、将各知识点有机地结合起来,使学生对工程力学课程有一个全面的认识与理解,并将所学知识应用于工程实际,使古典力学焕发新的生机与活力.

1.2 课程设计的构成

取工程中常见的简易起重装置为设计对象,主要由电动机、联轴器、各种传动轴、齿轮对、鼓轮、支架、钢丝绳以及被吊重物等多种机械零件组成,如图1所示.

1.3 课程设计的要求及考核的知识点

总的要求:设计是开放式的,任由学生根据自己掌握本课程的程度,发挥其主观能动性来进行.具体要求:

(1)设计时可选择以下两条途径之一,一是先给定被吊物的最大重量,再自鼓轮到主动轮,最后确定所需电机功率;二是先给定电机功率,再自主动轮到鼓轮,最后确定能吊起重物的最大重量.

(2)对连接联轴器的螺钉要进行剪切和挤压强度计算(螺钉个数、直径和法兰盘的厚度均可自定或选个别量由强度条件定).该部分主要考核剪切和挤压强度计算.

(3)对主动轴要进行扭转强度或刚度计算(轴径、轴承间距和齿轮传动比等可自定或选个别量由强度或刚度条件定).该部分主要考核扭转强度或刚度计算.

(4)对从动轴要按弯扭组合变形选第三或第四强度理论计算(轴径、轴承间距和鼓轮半径等可自定或选个别量由强度理论定).该部分主要考核弯扭组合变形强度计算.

(5)对支撑杆要按细长压杆进行稳定性计算(杆长及杆与地面间夹角设为相同,并可自定或由稳定性条件定).该部分主要考核压杆稳定性计算.

以上5个方面的内容要求编一个通用程序,并做出至少一个具体的算例.

课程设计可由3～4人组成一个小组共同完成.同时也鼓励在符合课程设计基本要求的前提下,学生自选设计对象和自定设计方案.

2 课程设计效果和总结

为了及时了解和听取学生对课程设计的评价、意见和建议,项目组特意设计了“工程力学课程设计问卷调查表”,并于课程设计结束后,向每届试点班发放.调查结果表明,100%的学生赞成在工程力学中开展课程设计.经过近几年来的实践,关于本课程设计的效果可归纳如下几点:

(1)加深了对课本知识的理解,构建了课程的知识体系.课程设计让学生学到了最实际的东西,巩固和加深了对以前所学知识的理解,对诸如应力、剪力、扭矩、挠度、压杆之类的零散知识,通过课程设计串联了起来,使得轻松地构建了课程的知识框架、对知识的掌握趋于全面,对繁多而难记的力学概念和公式,也变得明了清晰.

(2)培养了学习热情和兴趣,为学生大胆创新提供了良好的机会.通过对实际问题的具体分析,让学生感受到了学以致用的成就感,从而对此充满学习的兴趣.在课程设计过程中,为了兼顾安全性和经济性,同学们都在努力寻求最佳配置,大胆设想,大胆创新.这对于教育来说是件好事,只有不断创新,才能进步,才能发展.

(3)给团队合作精神培养提供了良好的平台.大部分学生4人一组,组内实行具体分工加集体讨论,这样有利于同学之间的相互交流和学习,使之体会到团队合作的重要性,同时又很好地解决了时间紧任务相对较重的矛盾.

(4)选题具有代表性,给课程设计带来很好的效果.由于选题基本覆盖了工程力学课程所授知识的重点内容,在课本上都能找到解决问题的实例,从而使课堂和实践的联系更加紧密.加之选题和要求既抓住了知识的大致方向,又给予学生足够大的发挥空间,虽然都是同一份选题,但学生不仅可从强度或刚度校核、截面设计、确定许可载荷等不同方面着手,而且可选择对主动轴、从动轴、支撑杆等零件的横截面面积、长度等诸多参数进行设计,因而使得方案丰富多彩、各具特色,避免了答案的千篇一律.

3 结束语

在工程力学课程中开展课程设计,既梳理了课程内容形成完整的理论体系,又理论联系了工程实际;既增加了课程的实践教学环节,又培养了学生的动手能力、创新意识和团队合作精神;既加强了学生的计算机应用能力,又提升了课程的地位与品位.由此可见,工程力学课程设计的开展可谓一举多得,起到了事半功倍的效果.但在本课程中开展课程设计是新的尝试,这方面的报道少见,我们在这方面的率先工作时间不长,积累的经验还不够,在此介绍我们的做法和产生的效果,一方面说明开展工程力学课程设计深得学生的肯定和欢迎,另一方面旨在抛砖引玉,希望更多从事力学课程教学的同仁也参与其中,共同推进教学改革,为提高力学课程教学质量、培养创新型人才作出我们应有的贡献.

参考文献

[1]徐铭翔．《工程力学》课程设计选题一例—双翻式折椅的力学计算．海化科技，1994，15(4)：36～38

[2]朱伟民，聂玉琴，董心等．材料力学教学与实际工程结合的课程设计．试验技术与试验机，2001，41(1，2)：39，60

[3]苏继．浅谈工程力学课程研究型教学模式．福建高教研究，2005(4，5)：92～93

[4]吴征威，杨维纮．以“大科学”观进行力学教学．力学与实践，2006，28(5)：73～74

力学设计 篇2

材料力学课程设计报告

课设题目：（小二号，宋体；题目要细化）

单

位：理学院

专业/班级：工程力学16-1班

学生姓名：（小二号，宋体）

指导教师：闫龙海

一、前 言

1、材料力学课程设计的目的意义

本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学知识解决工程实际问题的目的。与此同时，进一步加强对以前所学知识（高等数学、工程图学、理论力学、计算机等）的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思想和设计方法，使实际工作能力有所提高。

2、工程背景

（包括所选机械构件介绍、工程应用方面的背景等，要求附工程图片1张）

3、课程设计主要任务及要求

（1）查阅相关文献，介绍课程设计选题的工程背景（2）根据设计题目建立课程设计选题计算简图（3）绘制选题结构的内力图（4）列出理论依据和导出的计算公式（5）进行强度分析、变形计算（6）完成设计说明书。

1、设计题目简介

（简要介绍题目）

二、力学模型建立与内力分析

2、模型简化

（给出具体结构图形及力学简化模型图）

3、内力分析

手写

三、杆件设计与强度分析

1、手写

四、变形计算

1、手写

五、结 论

本次课程设计总结、收获或体会

参考文献： 备注：

1、表的标注方法（表中字体一律为5号）

表1 模型数据表

序号 1 弹性模量 200GPa 泊松比

0.3

长度a(m)

1.3

长度b(m)

2.3

长度c(m)

长度d(m)

0.4

2、图的标注方法（注意全文图统一大小，图形不要过大能够看清就可）

图1 蜂窝板切面

力学设计 篇3

【关键词】高职 工程力学 机械设计基础 课程整合

根据机械行业的从业要求，高职的机械类、近机械类毕业生在从业的过程中，主要是面对实际的机械设备，解决其使用、维护、维修、故障诊断、改造、仿制等过程中一些工程实际问题，因此，要求学生需具备对机械的综合分析能力；同时，面临制造技术的突飞猛进和制造业的快速发展，还需适应岗位变换和职业转向。因此，高职毕业生需要掌握分析实际机械的基本的知识、理论、方法和技能技术，并用来分析、解决工程实际问题；需要培养和提高技术应用能力、解决工程综合问题的能力以及合作能力、创新能力、对择业的适应能力和综合素质。

而《工程力学》与《机械设计基础》是高职的机械与近机械类专业重要的两门专业技术基础课程，在整个教学计划中起着承上启下的作用。在以往的教学中，《工程力学》与《机械设计基础》独立设课，分开教学。在教学中，我们常常发现，基于学习基础与能力较弱的高职学生来说，《工程力学》中抽象又深奥的理论是难以接受与掌握，花了大力气好不容易弄懂的这些理论，在学《机械设计基础》的时候，针对具体的设计，不是忘记了就是不知道该选用哪些力学原理及计算方法来进行设计计算，教学过程中不得不重复讲解。这不仅耗费大量学时，而且教学效果不佳，其结果将导致学生对专业基础课程丧失了学习兴趣。

因此，按照高等职业教育从培养技术应用性人才出发，按照“必需、够用”为度的原则，在教学过程中适当减少理论教学课时，增加实践环节和实训课时，为此，必须对《工程力学》与《机械设计基础》两门课程进行有效整合。

一、必须调整教学内容，选择“必需、够用”内容进行课程整合

从整机的角度精选已整合的 “机械原理”“机械设计”等的有关内容而成的机械设计基础上的及并融合了“工程力学”等的有关内容，以完善机械设计全过程，并增加了生产现场所需的典型机械设备使用与维护方面的常识、技能训练或实操方面的内容以及机构创新基础等知识。

经大幅度整合后，一方面，使课程内容不再是“工程力学”与“机械设计基础”传统课程的简单合并，而是从理论到应用更具连贯性，更符合教学规律和适应工程实际，具体做法是精简，压缩传统和叙述性内容，减少了一些课程上的理论重复，将一些专业理论知识有机地融入实验、实习、课程设计、社会调查、毕业设计（论文）和课外科技活动等教学环节中进行，为课堂教学减轻一些负担；同时内容整合，将理论力学、材料力学与机械零件的知识点揉合为一个整体，如理论力学与机械设计中的运动与力的分析，材料力学与机械设计中强度与刚度的计算等内容可进行知识整合串联讲授；另一方面，不再过于强调理论知识的系统性和完整性，精简了繁杂的理论分析、公式推导，力求设计方法简明实用，着重突出应用性、实用性。

二、必须改进教学方法，选择多种教学手段

整合教学内容的同时，也进行了改进教学方法的尝试。

把课程中典型的机械的设计内容分解成几个具体的工作项目，通过师生共同实施每一个完整的项目而进行的教学活动的一种教学方法。即采用项目教学的方法。例如设计家用缝纫机的拆装项目，让学生自己动手，了解缝纫机的基本结构及构件的名称，功用，以及引线、勾线、挑线、送布等四大机构的工作原理和结构特点，对曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、凸轮机构等常用平面机构的工作原理、机构应用形成感性认识。再由教师将其中涉及的平面机构必需的理论知识进行讲授，最后由学生自己通过每种机构的组装，试运转，对理论知识进行深化学习，这样在项目实施过程中进行，可根据具体的项目内容，选择与之相关的工程力学，机构设计方法进行详细、深入的学习，而不是一定要学完完整的学科知识，这样理论知识的学习，能真正掌握，而且更有用。

另外整合教学内容的同时，也进行了改进教学手段的尝试。

大多数高职学生从高中校门直接进入高职院校门，机械方面的知识基本上是空白， 毫无感性认识，以往教师用粉笔、黑板、模型、实物、挂图进行教学，由于模型、实物、挂图灵活性差，使用不方便，靠教师仔细地讲解比划来讲授机械零件的结构、作用和传动机构的原理，尽管教师讲得很卖劲，学生却听得云里雾里，与教师的期望值有很大的距离。这种传统的教学手段已无法满足课程整合的少课时教学要求。多媒体课件可以将各种零件的外形、内部结构、零件间的相互运动通过多媒体系统展示给学生，使学生能够通过动态的画面，轻松地理解教师的教学意图。既增强学生的感性熟悉，又提高他们的学习兴趣，达到事半功倍的效果。

三、结语

理论力学微课的设计 篇4

关键词：微课,理论力学,移动客户端

建构主义理论指出, 学习环境是学习者可以在其中进行自由探索和自主学习的场所。在此环境中学生可以利用各种工具和信息资源来达到自己的学习目标[1]。移动学习 (M-learning) Alexzander Dye中对m-learning作了一个较具体的定义:“移动学习是一种在移动计算设备帮助下的, 能够在任何时间、任何地点可以进行的学习, 移动学习所使用的移动计算设备必须能够有效地呈现学习内容”。斯坦福大学学习实验室 (SLL) 的研究表明:人在“移动”中, 注意力是高度分散的, 学习者在一定零碎时间中进行学习, 其移动所带来的各种新的情境关联也与固定、大容量等学习方法是不同的。因此, 移动学习这种“碎片”的学习经验要求学习材料的小规模。所以, 在学习的过程中, 有利于学习者投入到视听材料中, 有利于学习者充分利用琐碎时间, 学习内容应该成为资源开发的切入点[2]。

微课程 (Microlecture) 概念是2008年由美国新墨西哥州圣胡安学院的David Penrose[3]提出的。在我国, 广东省佛山市教育局胡铁生基于现有教育信息资源利用率低的现状, 创新性地提出了以微视频为中心的新型教学资源———“微课”。“微课”是指按照新课程标准及教学实践要求, 以教学视频为主要载体, 反映教师在课堂教学过程中针对某个知识点或教学环节而开展教与学活动的各种教学资源的有机组合。“微课”的核心内容是课堂教学视频 (课例片段) , 同时还包含与该教学主题相关的教学设计、素材课件、教学反思、练习测试及学生反馈、教师点评等教学支持资源[4]。相比Penrose提出的微课程, 胡铁生从教育信息资源的角度深化了微课程的概念:Penrose的微课程概念实质上改变了网络课程教学形式, 但并没有考虑资源的“活性”, 即微课程是否同传统的开放教育资源一样面临着低利用率的问题, 而胡铁生认为只有那些满足教师与学生需求, 并且具有半结构化、动态生成的教学资源才具有活性, 能够提高微课程资源的利用率;将微课程的受众从学生扩大到教师, 就像学生可以自主选择有针对性的学习内容, 教师也可以选择有针对性的微课程作为教学资源并促进其专业发展;将微课程定位为传统课堂学习的一种补充与拓展资源, 并且促进信息技术更好地整合于教与学, 时间与规模都是微型的, 而微课程则以微视频为核心教学资源开展教学, 可以整合常规课程教学, 也可以供学生自主学习与教师发展所用式学习或兼而有之[5]。由于微课的短小精炼 (通常10分钟以内) 非常适合在移动终端上观看, 因此可以认为是移动学习的一个应用。2013年中国境内的智能手机销售量预期将达到3.29亿部, 相比2012年增长67%。“90后”的大学生现在几乎人手一部智能手机, 这为大学的微课教育的普及奠定了良好的硬件基础。

从力学与机械的英文单词不难理解机械和力学同源, 《理论力学》是机械专业学生必修的专业基础课, 是后续材料力学、机械原理、机械设计和机械振动等系列课程的重要基础, 是研究力学中最普遍、最基本的规律[6]。《理论力学》是培养学生发现工程问题和解决工程问题能力的关键课程。由于精英教育变为普及型教育导致课程的改革, 《理论力学》课程的课时大幅度被压缩, 只有原来课时的三分之二。《理论力学》是公认的一门比较难学的课程。《理论力学》是学生接触的第一门以高等数学为基础的物理学, 一本书里有相当数量的知识点, 覆盖了静力学、运动学和动力学, 学生当堂不一定能够完全理解。这些知识点不掌握理解的话, 很难想象可以学好理论力学, 从而引起后续课程的学习也难以理想。不可否认的事实是学生的学习能力在逐年下降。这就要求在现有的课时条件, 另辟蹊径。顺应微课的发展趋势, 结合“90后”大学生的特点, 本课题组针对理论力学的课程进行了相应的针对移动客户端为主要对象的微课设计, 将理论力学的学习融入到移动学习中去, 一节微课只讲解一个特定的知识点, 时长控制在8分钟。以便于学生在零碎时间进行补充学习, 有助于理解掌握相关的知识点。由于手机屏幕尺寸所能展现的空间受屏幕尺寸的限制, 手机屏幕相对于大屏幕所呈现的视觉效果, 在分辨率、色素、色差和对比度上无法相比, 所以要求手机的视频背景构图颜色系统相对简单。“画面背景颜色不能复杂多变, 构成手机视觉交互系统设计的要素分别是:色彩、布局、图标、文字、动态。”[7]基于以上要求, 本微课的制作采取屏幕录制软件Camtasia Studio+PPT的模式, PPT的设计除了黑色和白色外, 最多搭配3种颜色。

总之, 理论力学微课的实践才刚刚开始, 随着实践的深入, 相信会有更多的成果与大家分享。

参考文献

[1]莱斯利·P·斯特弗, 杰里·盖尔.教育中的建构主义[M].高文, 徐斌艳, 等, 译.上海:华东师范大学出版社, 2002.

[2]余胜泉.移动学习——当代e-Learning的新领域[J].中国远程教育, 2003, (22) :76-78.

[3]http://www.nettskolen.com/forskning/mobile_edu-cation.pdf, 2001-10-04.

[4]胡铁生.“微课”:区域教育信息资源发展新趋势[J].电化教育研究, 2011, (10) :61-65.

[5]梁乐明, 曹俏俏, 张宝辉.微课程设计模式研究——基于国内外微课程的对比分析[J].开放教育研究, 2013, 19 (1) :65-73.

[6]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京:高等教育出版社, 2009.

力学计算题复习课教学设计大全 篇5

郧西县马安镇初级中学

童虎森

【教学目标】

一、知识与技能

1．能准确地识别杠杆五要素。

2．知道定滑轮、动滑轮、滑轮组的相关概念。

3．能运用杠杆平衡条件进行计算。

二、过程与方法

1．通过计算示例，掌握计算题的基本解题方法。

2．通过计算练习，培养学生的计算思维。

三、情感、态度和价值观

1．运用学过的力学知识解释生活中的物理现象，进一步提升学生学习物理的成就感。

【教学重点、难点】

1．计算题的基本解题方法。

2．计算题解题思维的培养。

【教学步骤】

一、创设情境

近几年，郧西县城建起了很多高楼大厦，在工地上随处可见高大的起重机，挖掘机，升降机，它们是怎么工作的？能承担起多大负重呢？今天这节课我们就来研究这个问题。

二、好题共赏

例

一、（十堰2010）如图所示，有一块平直的轻质木板（木板重力不计），其左端连接在转动轴Ｏ处，其右端Ａ用一根细绳系在竖直墙Ｂ处，此时木板恰好水平，夹角∠BAO＝37°，细绳能承受的最大拉力为10Ｎ，ＯＢ两点间距是5m，现将一个重量为10Ｎ的小物块放在木板上Ｏ点附近（可视为在Ｏ点），让它在一个大小为5Ｎ的水平拉力作用下以2m/s的速度向右做匀速直线运动，已知sin37°=0.6,sin53°=0.8)求：（1）当小物块滑到OA中点时，请在图中作出此时绳作用在杠杆上的动力臂和物块作用在杠杆上的阻力臂，并判断此杠杆是省力杠杆还是费力杠杆？请说明理由。

（2）小物块在木板上运动了多长时间，细绳才被拉断？

（３）在细绳ＡＢ拉断之前，拉力Ｆ对小物块做了多少功？做功功率多大？

教师出示制作的PPT课件，并在计算题方法上点拨，并引导学生读三遍例题。读完例题之后，教师指导计算题的基本解题方法。第一步：通过读题了解该题目对应的知识点。

第二步：通过问题联想对应知识点和问题之间关系，思考相应知识点的解题方法。第三步：应用倒推法，结合计算公式和题目已知条件找缺失的物理量，理清解题思路。学习了计算题解题方法之后，教师引导学生一步步规范解题，并用PPT课件展示规范解题步骤。

在解题之后，教师对如何规范解题作出指导。

三、例题训练 例

二、如图所示，有一粗细均匀，重为40N，长为4m的长木板AB，置于支架上，支点为O，且AO=1m，长木板的右端B用绳子系住，绳子另一端固定于C处，当长木板AB水平时，绳与水平成30°夹角，且绳子所能承受的最大拉力为60N。一个重为50N的体积不计的滑块M在F=10N的水平拉力作用下，从AO之间某处以v=1m/s的速度向B端匀速滑动，求：

（1）在图上作出此位置绳作用在杠杆上的动力、动力臂和物块作用在杠杆上的阻力、阻力臂，并判断此杠杆是省力杠杆还是费力杠杆？请说明理由。

（2）当滑块匀速运动时拉力F做功的功率。

（3）滑块在在什么范围内滑动才能使AB保持水平。

例

三、（2012十堰市中考）如图乙所示是一种起重机的简图，为了保证起重机起重时不会翻到，在起重机右边配有一个重物m0；已知OA=12m，OB=4m。用它把质量为2×103kg，底面积为0.5m2的货物G匀速提起(g=10N/kg)。求：（1）起吊前，当货物静止在水平地面时，它对地面的压强是多少？（2）若起重机自重不计，吊起货物为使起重机不翻倒，右边的配重m0至少为多少千克？（3）如果起重机吊臂前端是由如图甲所示的滑轮组组成，动滑轮总重100kg，绳重和摩擦不计。如果拉力的功率为6kw，则把2×103kg的货物匀速提高10m，拉力F的大小是多少？需要多少时间？（4）在货物重力不变的情况下，若要减小起重机所配重物，有什么方法？请说明判断依据。

例

四、如图是一个上肢力量健身器示意图。配重A受到的重力为1200 N；杠杆EH可绕O点在竖直平面内转动，OE：0H＝2：5。小成同学受到的重力为600N，他通过细绳在H点施加竖直向下的拉力为F1时，杠杆在水平位置平衡，配重A刚好拉起来。杠杆EH和细绳的质量均忽略不计；所有摩擦也忽略不计。求：

（1）判断滑轮B、C、D分别是定滑轮还是动滑轮？

答：滑轮B是 滑轮；滑轮C是 滑轮；滑轮D是 滑轮。（2）不考虑动滑轮的重时，拉力F1多大？

（3）若考虑动滑轮的重时，作用在H点竖直向下的拉力为 F2，其大小是260 N，则动滑轮受到的重力G动为多大？

将全班同学分成三大组，每大组训练一个例题，一大组每一小组练习一问。独立思考之后，每组同学分组讨论，并选出一名代表在黑板上展示。其余同学可做一个例题其余两问。

黑板上学生展示完之后，教师通过PPT课件展示规范解题步骤，并让学生对照规范解题步骤找不足。

四、大组交流

第一大组的同学在组长的带领下学习第二大组例题，第二大组的同学在组长的带领下学习第三大组例题，第三大组的同学在组长的带领下学习第一大组例题。

五、理解感悟

通过例题训练，掌握计算题的基本解题口诀：

力学设计 篇6

摘 要：在对油井进行测试的时候，特别是在对高压气井、水平井、超深井等进行测试的时候，因为测试关注在管内外压力、轴向力、扭矩、弯矩、温度等因素的作用下，其都可能会出现较为复杂的应力和形变，甚至很多时候可能会出现管柱断脱等情况发生，基于此，需要做好油气测试管柱力学分析和优化的设计软件，本研究针对于此主要分析油气测试管柱力学分析与优化设计软件的应用，希望所得结果可以为相关领域提供有价值的参考。

关键词：油气测试；管柱力学分析；优化设计软件

中图分类号： TE2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-143-2

0 引言

在进行油井测试的时候，特别是对于高压气井、超深井等进行测试的时候，进行测试的测试管柱可能会因为各种外力作用的原因发生形变，出现各种复杂的应力和应变，严重的时候可能会导致管柱出现断脱和屈服破坏。所以为了更好地进行现场作业，对油气测试管柱力学进行分析和优化，并做好设计软件的指导和设计工作，以此来进行施工指导，能够在很大程度上确保油气测试的正常进行。

1 油气测试管柱力学分析软件的相关情况分析

1.1 油气测试管柱力学分析软件的介绍

油气测试管柱力学分析软件需要在对油气进行调查测试作业过程中，对其所存在的力学和强度问题进行研究，要确定所要解决的问题，并根据作业过程对数学模型进行建立，做好软件的开发环境，布置好项目管理并将数据输入其中，然后进行力学分析模块的编写工作，并做好辅助模块的编写工作，最后进入试用阶段[1]。油气测试关注力学分析软件能够对油气测试管柱在起下过程中，油管的拉力和扭矩进行分析，并分析测试过程中的油管力学，它能够对井下的受力状况进行分析，优化设计油气测试管柱。

分析这款软件的设计开发环境，这款软件的运行系统主要为中文的windowsXP+office2003以上的系统，如果系统的配置比这个系统较低，那么软件可能不能安装，而软件的开发语言Visual Basic和TeeChart。安装软件的时候，点击start.exe可以进行软件安装，当软件安装完成以后，桌面上会出现该软件的快捷方式，点击快捷方式运行软件。软件的一级菜单主要涉及文件管理、数据输入、井眼轨道、管柱组合等多个工具栏。

1.2 油气测试管柱力学分析软件的设计

首先分析该软件的文件管理，其计算数据主要按照项目进行管理，每个井口的参数组成一个独立的项目，文件管理可以实现其对于新项目的创建工作，也能够实现对于已存在项目的打开工作，可以将已经打开的项目改名进行另存备用，涉及了该项目的删除，能够将项目从硬盘备份到其他磁盘上，同时也可以将其他磁盘的项目数据回存到电脑。分析数据的输入，数据的输入主要涉及了作业管柱的组合、井点的轨道、井壁的套管、管内流体的性能、摩擦因数等等，并能够将所有的数据都形成word的文档的模式[2]。对井眼的轨道进行分析，可以根据所输入的井眼轨道将井点轨道当中的几何形状、相关参数进行计算，而且本研究的软件能够对输入的井眼轨道的数据进行进一步的检查，确定其是否正确。分析管柱的组合，软件能够将所输入的作业的管柱组合图形显示出来，然后将对于输入的作业的管柱组合的数据进行进一步的检查。除此之外，油气测试管柱力学分析软件也能够分析起下过程中滚柱的拉力和扭矩，也能够对试油管柱的力学进行分析。本研究的数据库主要提供给计算过程所需要的数据，它主要涉及了钢材的性能、工具图片库、石油管材性能、关注涉及系数和计算补偿等。

1.3 油气测试关注力学分析软件的核心功能介绍

其核心功能主要涉及了带封割器管柱安全校核模块和摩阻扭矩与动载分析模块两个方面，首先是带封割器管柱安全校核模块，其可以分析封隔器与油管的三种关系下，正常生产、座封，以及酸化、压裂作业时管柱的受力状况并校核其安全性。该模块的计算结果包括封隔器在不同工况的轴向载荷、油管底部压力、封隔器处油管外压、判断封隔器是否解封、计算中性点位置、判断管柱是否安全等；而摩阻扭矩与动载分析模块从某种程度上来说，这种模块主要采用圆柱螺线法和空间圆弧曲线法精确模拟三维井眼轨道、建立井筒、管柱、流体之间力学关系的方程组、采用精确的数值分析方法求解，可以对生产及作业管柱进行摩阻扭矩分析和动载分析，以确定其安全性与稳定性。对于静态管柱，可以计算出各段的轴向力与侧向力、分段分析其稳定性。对于动态的起下管柱过程，可以计算出过程各个阶段的井口载荷与扭矩。所有计算结果均用表格与曲线表示。

2 油气测试管柱力学分析软件的应用研究

2.1 油气测试关注力学分析软件的应用模块研究

在现实应用当中，它能够对封隔器和油管的三种关系下，正常的生产、座封，以及酸化、压裂作业时管柱的受力状况并校核其安全性进行分析，该模块的计算结果包括封隔器在不同工况的轴向载荷、油管底部压力、封隔器处油管外压、判断封隔器是否解封、计算中性点位置、判断管柱是否安全[3]。同时，该模块采用圆柱螺线法和空间圆弧曲线法精确模拟三维井眼轨道、建立井筒、管柱、流体之间力学关系的方程组、采用精确的数值分析方法求解，可以对生产及作业管柱进行摩阻扭矩分析和动载分析，以确定其安全性与稳定性。对于静态管柱，可以计算出各段的轴向力与侧向力、分段分析其稳定性。对于动态的起下管柱过程，可以计算出过程各个阶段的井口载荷与扭矩。所有计算结果均用表格与曲线表示[4]。

本研究以某油田xx井管柱受力分析对软件多个方面性能进行了详细的测试和验证，具体情况如下：

软件数据输入采取向导型界面方式，界面数据自动检查和过程处理，提示出错信息；数据输入界面图表并茂，相关模块提供了经验公式和默认赋值形式，方便用户数据输入。输入、运行、结果查询界面都十分友好而且条理清晰。

对不同模型、计算速度、计算结果、结果曲线、图形等进行了详细测试。

射孔参数优化设计软件要求的硬件、软件环境：

硬件环境：Pentium II以上的PC机，内存要在64M以上，建议内存128M，硬盘至少有800M的自由空间，显示要设置到800*600的16位增强色或更高。

软件环境：操作系统要中文Windows9X/2000/XP或更高。

①P3/P4及其兼容机 WIN98/WIN2000/WINXP操作系统 IE6.0；

②收集65155井的生产数据、所在区块的粘温曲线数据、周期注汽数据等；

③有关必要的文档。

2.2 油气测试关注力学分析软件的测试结论探讨

按照制定的测试计划，组织相关的技术人员，对井下管柱力学分析及优化设计软件，测试结果显示软件运行正常，性能稳定，计算模块计算结果在允许的精度范围内。该软件能够满足立项要求：①该软件具有较好的系统性、开放性、灵活性、兼容性和稳定性；②软件功能全面，计算结果准确、预测数据与生产实际具有较高的符合性；③软件界面清晰，数据输入、调用简单。该软件采用了管柱力学分析的理论，建立了动态管柱设计、校核等方法；选用现场实际井数据进行了预测结果对比。现场试验证实，该软件能较为准确地预测井口管柱的载荷和扭矩，可以用进行管柱组合的设计以及油管钢级的选择。

3 结语

本研究主要就油气测试管柱力学分析软件的设计和应用情况进行研究，文中涉及了一些笔者自己的主观看法，通过本研究的分析，笔者认为油气测试管柱力学的分析软件具有较好的稳定性，同时具有灵活和兼容性，能够全面的计算测试结果，确保结果的准确性，而且本研究软件的操作界面较为清晰，数据输入和调用相对简单，是一款值得进一步深入开发的实用性软件。

参 考 文 献

[1] 高科超，冯卫华，吴轩，尚锁贵，杨子，张兴华，王雪飞.海上油田复杂气井深井测试管柱的应用与研究[J].油气井测试，2016，03（01）：42-44.

[2] 李子丰，蔡雨田，李冬梅，徐燕东.地层测试管柱力学分析[J].石油学报，2014，27（04）：165-166.

[3] 魏晓东，刘清友.深水测试管柱力学行为研究进展及发展方向[J].西南石油大学学报（自然科学版），2015，28（01）：485-486.

区间盾构井结构设计力学分析 篇7

1 概 述

1.1 工程概况

本文所依托工程为沈阳地铁二号线南延线起点区间的盾构接收井, 位于区间2/3位置处, 小里程端为盾构区间, 大里程端衔接暗挖区间。

该区间盾构接收井为双柱三跨三层框架结构型式, 采用明挖顺作法施工, 以Φ1000@1400钻孔灌注桩加钢支撑作为基坑支护结构, 结构外设置全包防水层。结构外包尺寸25.28m (长) ×16.3m (宽) , 结构底板埋深约为27.28m, 顶板覆土约4.13m。施工阶段, 为满足盾构施工要求, 在结构顶板、中板预留盾构吊装孔洞11.0m (长) ×7.5 (7.9) m (宽) , 施工完毕后进行后浇封闭。其结构横剖面见图1。

1.2 工程地质及水文概况

据本工程地勘报告分析, 本场地地基土主要由第四系全新统和更新统粘性土、砂类土及碎石类土组成, 其下为基岩。按其岩性及其工程特性, 结构所在地层自上而下依次划分为:素填土 (①-1) 、粉质粘土 (④-1-1) 、中粗砂 (④-3) 、砾砂 (④-4) 。该盾构接收井主要位于粉质粘土与砾砂层中。

本区段地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水, 主要赋存在中粗砂、砾砂及圆砾层中。勘察期间水位埋深6.96～17.18m, 地下水位年变幅约2m。由于近年来对地下水开采的控制, 地下水位有上升的趋势, 设计时应考虑结构上浮问题, 按不利条件考虑, 抗浮设计水位可按水位埋深4.00～6.00m考虑。

2 计算原理及方法

本次结构计算采用的力学模型是基于局部变形理论的荷载-结构模型, 是以衬砌结构为承载主体, 土层作为荷载的同时考虑其对衬砌结构的变形约束作用。该理论认为:隧道支护结构在外界主动荷载的作用下将产生变形, 这种变形将使地基产生反力, 反力的大小与该点支护结构变形而引起的地基沉陷量成正比, 与周围地基的沉陷无关。

荷载-结构模型的计算方法认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载 (包括主动地层压力和由于土层约束结构变形而形成的被动地层抗力) , 以此来计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形。其计算过程中需首先确定地层压力的分布与量值, 土层对支护结构变形的约束作用则通过弹性支承来体现的, 土层的粘聚力与摩擦角越大, 表明地层岩性越好, 给予衬砌结构的压力越小, 相应弹性支承约束衬砌结构变形的抗力相应越大。

在进行有限元分析时, 梁、板、壳单元之间通过相同节点相连, 达到共同变形受力的效果。作用在衬砌结构上的外荷载和内力都通过节点进行传递, 所以在计算中, 就要将作用在单元间的荷载, 无论是分布荷载或是集中荷载都应按静力等效原则 (即节点荷载所做的虚功应等于单元上荷载所做的虚功) 置换成作用在单元节点上的荷载, 称为等效节点荷载。

3 基本假设与模型建立

3.1 基本假设

为了使计算模型能更好地与实际工程情况相吻合, 尽可能地计入影响结构受力的控制性因素, 使计算结果能较好地反映实际情况, 本次计算应基于以下假定:

(1) 围护桩与盾构井内衬墙间由于铺设防水层, 两者间只考虑传递水平压力, 模型中采用压杆来连接两单元;

(2) 考虑到盾构井主体结构的长期安全性, 围护桩构件刚度折减按50%考虑;

(3) 结构所受侧向压力为一次加载, 不考虑施工过程的影响;

(4) 根据结构所处地层, 结构侧向所受压力按水土分算确定;

(5) 结构与土体间相互作用, 可用压缩刚度等效的土弹簧模拟;

(6) 位置相同的梁、板、壳单元节点合并为同一节点来反映各结构构件共同作用变形;

(7) 本次数值模拟分析为弹性分析。

3.2 计算参数的选取

本工程施工阶段采用降水施工, 保证基坑内无水施工, 一直到区间施工完毕。正常运营阶段地下水位按不利条件考虑, 水位埋深约为6m。同时, 施工阶段为满足盾构安装施工要求地面超载按40kPa计、使用阶段按20kPa计。

计算模型尺寸根据盾构井结构实际尺寸按其中心线确定, 结构材料除壁柱采用C50混凝土外, 其余构件材料均为C30混凝土, 结构自重计算程序将自动计入。表1为结构所处土层主要计算参数。

3.3 模型建立及网格划分

本次计算采用SAP84 v6.5有限元软件, 应用荷载-结构数值方法, 建立三维空间模型对盾构接收井主体结构进行计算分析。模型中采用壳单元模拟侧墙、顶板、中板和底板, 洞口圈梁、水平框梁、壁柱和中柱采用梁柱单元, 土体与结构体系间的相互作用采用压弹簧单元模拟。有限元计算模型及其网格划分见图2、图3。

4 计算结果与分析

本文分别按施工阶段 (吊装、出土阶段) 和使用阶段 (正常运营阶段) 两种工况进行建模分析。

图2、图3为施工阶段计算模型, 盾构吊装孔预留;正常使用阶段时封闭顶板和二、三层中板的盾构吊装孔即可。

4.1 吊装孔圈梁计算结果分析

图4与图5为顶板和地下二、三层中板盾构吊装孔在对应侧墙上设置圈梁的内力图, 由于结构型式对称且受力也对称, 只取结构的一半进行分析。

从上述结构弯矩图可明显看出:在施工阶段, 吊装孔圈梁承受极大的侧向压力, 其弯矩达到了约5000kN·m, 且由于侧向土压力值竖向向下逐渐增大, 地下一层圈梁与地下二、三层圈梁弯矩相比较小, 约为1560kN·m, 结构设计截面将远小于地下二、三层的结构尺寸, 地下二、三层圈梁所受弯矩基本相同, 可按较大值设计为同一尺寸。在使用阶段时, 由于顶、中板吊装孔的封闭, 圈梁结构基本退出受力, 力进行传递由完全封闭后的结构顶、中板承受, 此时圈梁弯矩最大只有约650kN·m。因此, 吊装孔圈梁截面尺寸及受力配筋由施工阶段控制。

4.2 开洞侧墙计算结果分析

对图6与图7进行分析可得出, 正线开洞的侧墙在施工阶段盾构开孔附近产生较大的应力集中, 最大迎土侧弯矩达到了1559kN·m。使用阶段, 由于吊装孔洞封闭, 结构受力状态发生较大改变, 应力集中得到较大缓解, 最大迎土侧弯矩减少至750kN·m, 盾构开孔处应力集中基本消散。同时, 由于施工阶段顶、中板的大孔洞留设, 土体及地面荷载引起的侧向土压力, 均由洞边圈梁、壁柱和侧墙所承受。因此, 据计算施工阶段各层吊装孔对应层的侧墙弯矩比使用阶段的大35%左右, 对应侧墙截面尺寸及配筋由施工阶段控制。而未开洞的中间跨侧墙, 应力状态未发生较大变化, 使用阶段较施工阶段内力增加45%左右, 对应侧墙截面尺寸及配筋则由使用阶段控制。

4.3 壁柱及水平框梁计算结果分析

根据计算所得结果分析, 壁柱为受弯构件, 由于使用阶段水位的上升, 侧向水土压力较施工阶段增加, 壁柱构件仍继续保持施工阶段的受力形态, 但弯矩最大值增加50%左右。其截面尺寸及配筋由使用阶段来控制。

在顶板和底板与壁柱对应的水平框架梁以受弯为主, 因此在使用阶段顶板覆土回填, 且底板受水压影响, 构件在使用阶段受力较大, 其截面尺寸及配筋由使用阶段来控制。而二、三层水平框架梁以受压为主, 施工阶段主要承受壁柱传递的水平压力, 由于在使用阶段盾构吊装孔后浇封闭, 侧向水土压力改由中板结构承受, 其所承受轴力最大减少到原来的50%。因此, 其截面尺寸及配筋由施工阶段来控制。

5 结 论

(1) 从上述计算分析, 表明区间盾构井结构空间效应明显, 梁、柱、侧墙等构件受力复杂, 在结构设计时, 首先必须全面地分析各构件的受力形态, 判断其是以受弯为主还是以轴力为主;再次, 要分析不同工况的各构件受力大小, 通过计算其内力包络图来进行结构设计。

(2) 施工阶段 (吊装、出土阶段) 的地下二、三层吊装孔圈梁结构内力值相差较小, 其截面大小可采用相同尺寸。但与地下一层圈梁受力相差较大, 截面设计时要充分考虑其差异性。

(3) 从侧墙不同工况的计算分析中可知, 两种工况的同一位置墙单元内力相差较大, 约为35%～45%。同时, 应力集中现象得到了有效改善。表明盾构吊装孔洞封闭后结构整体受力更加合理安全, 中板的及时封闭是非常有必要的。

(4) 采用空间模型进行整体受力分析, 避免了平面简化模型对于边界条件不合理的假定。同时也使每个构件都能和与其相连的构件共同作用变形, 更好地符合实际情况。

参考文献

[1]曾艳华, 王明年.计算机在地下工程中的应用.西南交通大学, 2004.

[2]王珊.地铁工程设计与施工新技术实用全书[M].北京:银声音像出版社, 2005.

[3]丁春林.地铁车站端头井受力计算模型研究[J].同济大学学报 (自然科学报) , 2007, 35 (s) .

[4]李铭军.地铁车站端头井内部结构的整体计算[J].地下工程与隧道, 2006 (2) .

[5]高志宏.盾构端头井结构设计中的若干问题研究[J].四川建筑, 2010 (2) .

力学设计 篇8

1 驳岸设计的原则

在驳岸设计过程中, 有很多灵活的设计方式, 根据驳岸坡度的大小可以分为斜驳岸和直驳岸两种。直驳岸主要包括基础、墙身、垫层、压顶等;斜驳岸包括基础、垫层、和保护层等。在进行相关设计的过程中, 为了保障工程的质量, 体现园林景观的环境美观需要, 需要遵循以下原则。

1.1 工程设计力学原则

在园林景观中, 驳岸是水面和路面的交接点, 是保障水流按照一定的方向进行流动的基础。驳岸的设计要能承受水流的冲刷和破坏, 不同的驳岸结构在遭受水流的冲刷的力大小和方向等会有不同的情况, 故而要根据具体情况采用不同的设计方法。

1.2 美学原则

美学是建立园林景观的重要要求。驳岸设计需要和整体园林的环境等保持协调, 在设计和施工过程中, 应注重选择与整体环境一致的建筑材料和设计方法, 避免因为驳岸的设计不周而导致了整体欣赏性和艺术性的价值降低。水是生活必不可少的元素, 在设计的过程中, 要结合市政基础设计的建设和人们日常生活的需要来做相应的考虑。

2 引起驳岸破坏的状况和应对措施

2.1 直驳岸的破坏和应对措施

直驳岸有基础、墙体、垫层和压顶等构成。主要出现的问题是基础和墙身的损坏。基础损坏主要有两个方面的原因, 一是驳岸基础下的地基不能承受基层的重量而引起的下沉造成基础的下陷甚至断裂;另一方面是在冰冻层的体积变化引起基层的不稳定。墙身的变化则是由于水流的冲刷和内部土壤等蓄积的水对墙体的推挤造成的损害。

针对直驳岸的损坏的可能情况, 可以分别采用合理的措施来避免损害的发生。首先, 增强地基的硬度, 采用桩基和填充混凝土等方式加强承载能力, 避免下陷等情况的发生;其次, 对于因温度差异引起的墙体体积的变化, 可以采用设置变形缝的措施, 实现墙体内力的缓冲, 避免墙体积压产生变形和坍塌的情况;

2.2 斜驳岸的破坏和应对措施

斜驳岸由其自身的结构决定其稳定性取决于采用的材料之间的结合程度等因素, 并且驳岸的稳定性与垫层有密切的关系。故而斜驳岸可能受损的情况主要包含两个方面。一是选取的建筑材料, 不同的施工材料具有在受湿度和温度控制下不同的力学系数, 需要选择相互匹配的建筑材料, 注意材料在吸水后的稳定性的变化。另一方面是驳岸下垫层的材料的使用, 需要根据级配和厚度等要求, 去除基层中的尖物等杂物, 避免存在的挤压等破坏情况, 保护好边缘面和保护层等重点部位。

3 驳岸设计中美学因素

驳岸设计中的美学因素主要体现在驳岸造型的设计、建筑材料的选用、与环境的匹配、环境适宜程度等方面。

对于直驳岸设计和施工过程中, 采用天然的山石和木材等。在选择石质材料时要注意避免因为气候和温度因素引起膨胀压力和冷冻变形导致驳岸的损坏, 需要选择合适尺寸的强身断面, 设置相应的变形缝和排水孔。对于木质材料, 需要注意采用和周围环境较为适合的材质和景观效果的材料。木质材料由于存在空隙, 需要在接缝处设置反滤层避免对土基造成的冲淘破坏。并且木质材料可以轻易设置成参差错落的景观效果, 具有极大的美观性。

4 总结

在园林景观设计中, 驳岸具有重要的位置。设计和施工过程中需要注意对施工现场材料的状态的收集, 通过综合考虑工程力学理论和美学需要, 合理选择材料, 设定适当的驳岸形式, 为园林建设增强稳定性和美学价值, 为提高城市品位和居民生活环境美化做出贡献。

参考文献

[1]陶颖颖, 张洪东, 魏巍.园林驳岸和护岸设计[J].山西建筑.2009 (32)

[2]卢金亮.浅谈上海别墅的水景建设[J].宜春学院学报.2010 (8)

MEMS流速仪流体动力学设计 篇9

综上,国内外常用的测流装置虽然在一定时期和一定程度上对流速检测起到了较大作用,但是仍然存在着设备昂贵、安装复杂、维护困难及精度不高等缺点和不足,加上有些地方的监测点偏远荒芜,不适合人员长期驻守监测。因而,本项目在前人研究的基础上,利用MEMS技术设计低成本、小型化的在线流速测量装置有着巨大而深远的意义,若整个系统推向实际应用更是有着广阔的市场前景。

MEMS技术是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术发展起来的,是多学科交叉的新兴领域,具有体积微小、耗能低、微细操作便捷、成本低、传感器对流场的干扰少等优点[3,4,5,6],尤其是微小尺度下流速精确测量问题具有独特的优势。本文提出的一种新型基于MEMS技术的在线测流系统,对于解决河道流速实时在线测量尤其是小微流速的测量具有显著的优势。

1 工作原理

1.1 MEMS流速仪测量原理

热流量传感器的工作原理主要有热损失型X、热温差型Y以及热脉冲型Z。其中热温差型流速传感器利用当流体流过加热体的时候,芯片上游和下游的温度梯度来反映流速,是水流速测量的理想选择。热式流速测量是依据托马斯提出的“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流速成正比”的理论,利用流体与热源之间的热量交换关系来测量流速的技术[7]。目前,热式流速传感器主要分为热损失型和热温差型2种类型[8,9,10]。其中,前者通过测量流体流过时加热体的温度变化,测算流体流速,但不能测量流向。后者利用流体流过加热体时,上游的温度下降会比下游快,导致加热体附近热场发生变化,通过测量这个温度差可以同时反映流体流速和流向。即:

式中:T为传感器温度;V和θ分别为流速和流向;s为温差对流速的灵敏度系数。

对于阻值为R、温度系数为α的测温电阻,惠斯通电桥的输出电压分量为:

从而,流速和流向可以表示为:

1.2 系统结构

流速仪测量系统由流速仪探头1、信号线2、信号处理系统3、12V开关电源4、220V电源5、计算机6等部分组成,见图1。

2 流速仪流体动力学设计

2.1 流体动力学模型

流速仪包含传感器芯体、不锈钢管、导热胶体和电位差计式电桥测温模块。本文采用CFD方法建立流速仪的流体动力学模型,对其施加外部复杂对流-传热耦合热边界条件,进行流固耦合传热计算,得到流速仪的温度场分布。

由图2可知,流速计探头由直径为3 mm的不锈钢管、MEMS传感器探头和泡沫密封体组成。传感器探头长10mm,水流垂直流向不锈钢管,钢管中心放置圆柱形传感器,加热功率为2 W,传感器探头上下各安装2节圆柱形泡沫体。流速计探头材料的相关特性参数见表1。

较大的空气域尺寸有利于提高计算精度,但会导致计算变得困难且难以求解;反之,可以使得算法容易实现,但计算误差较大。因此需对空气域尺寸进行优化,通过比较不同空气域尺寸模型的模拟计算情况,从精度和求解的难易程度上考虑,得出低辐射误差温度传感器的合理空气域尺寸为30 mm×100mm×100mm。为获得理想的网格质量,本文采用网格划分软件ICEM CFD对计算模型进行网格划分,采用适应性较强的非结构化四面体网格划分技术生成得到四面体网格。为精确计算流体和固体之间热量交换,对流固交界面进行了边界层网格设计。为验证网格的无关性,对70~150万网格数量模型进行仿真计算。当网格数量从90万变至150万时,随着网格数量的增加,辐射误差变化较小,可认为90万的网格已达到网格无关的要求,因此取数量为90万的网格作为计算网格。

求解时基于压力求解器,并采用非定常流动计算。模型中采用能量方程进行传热计算。湍流模型采用k-epsilon标准模型,压力和速度解耦采用SIMPLE算法,动量、能量以及湍流参量的求解采用一阶迎风模式。

2.2 温度场分布

本文运用CFD方法对流速计进行仿真计算,水流速度和加热功率分别为0.01m/s和2 W。温度场和速度场分布见图3。由计算结果可知,流速计探头传感器的温度为12.592℃。

2.3 不同直径探头对测量的影响

运用CFD方法对不同直径流速计探头进行传热计算,得到水流速度与探头温度之间的关系。加热功率为2 W,水流速度变化范围为0.001~5m/s。探头直径为3、4和5mm。探头温度和水流速度之间的关系见图4。

探头温度随着水流速度的增加而呈指数形式减小,随着探头外径的增加而减小。如图4所示,当水流速度小于0.1m/s时,探头温度变化降低较快,该流速量程,测量精度较高。

由于CFD方法仅能计算有限种类的模型,如能获得任意水流速度、探头直径条件下探头温度与水流速度之间的对应关系,即可获得任意型号探头的测量值。

采用遗传算法对CFD方法计算结果(图4)进行拟合,获得了探头温度T与水流速度V及探头直径D之间的修正方程:

式中:p1=4.682,p2=0.248,p3=-0.58,p4=-0.464,p5=1.659,p6=-0.143,p7=0.655,p8=0.174,p9=0.006,p10=0.715。

将水流速度和探头直径代入方程(1),计算出对应水流速度条件下探头温度,为流速仪提供流速与探头温度之间的对应关系。

3 结论

本文设计了一种基于MEMS技术的在线流速测量仪,通过CFD方法对其在不同水流速度和探头直径条件下进行了数值计算。采用遗传算法对计算结果进行拟合,获得计算方程,应用方程可获得任意气流速度和探头直径条件下探头的温度,为流速仪提供流速与探头温度之间的对应关系。得到以下结论。

(1)本文设计了3种探头直径3、4和5mm的流速仪。

(2)探头温度随着水流速度的增加而呈指数形式减小,随着探头外径的增加而减小。当水流速度小于0.1m/s时,探头温度变化降低较快,该流速量程,测量精度较高。

(3)运用遗传算法获得了探头温度计算公式,将水流速度和探头直径代入公式,计算出对应水流速度条件下探头温度,为流速仪提供流速与探头温度之间的对应关系。

(4)热式水流速仪较目前主流流速仪测量设备具有小微流速测量精度高、成本比现有的设备低、不受环境温度影响等特点。

参考文献

[1]金福一.流速仪信号采集系统设计[J].水文,2016,36(1):88-92.

[2]杨红玲,马树升,张加义.超声波法与流速仪法在明渠测流中的比较研究[J].山东农业大学学报(自然科学版),2008,39(2):301-304.

[3]吴大军,唐棋,杨姗姗.基于技术新型湿度传感器的研制[J].MEMS与传感器,2013,50(9):570-575.

[4]宋海宾,杨平,徐立波.MEMS传感器随机误差分析及处理[J].传感技术学报,2013,26(12):1 719-1 723.

[5]张元,李辉.MEMS热式微流量传感器发展综述[J].中国西部科技,2015,4(1):13-15.

[6]刘清惓,高翔,陈传寅,等.基于MEMS传感器的水汽测量系统[J].传感技术学报,2014,27(6):852-856.

[7]侍艳华,何秀丽,高晓光,等.MEMS热膜式微流量传感器[J].MEMS与传感器,2013,5(7):434-441.

[8]沈广平,吴剑,张骅.一种基于MEMS工艺的二维风速传感器的设计[J].半导体学报,2007,28(11):1 830-1 835.

[9]Chung C K,Chen T C,Shih T R,et al.Fabrication of a novel micro fluid flow sensor using a TaN thin film[C]∥Proceedings of the 2009 4th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems.Shenzhen,China:IEEE Press,2009:885-888.

力学设计 篇10

关键词：药物代谢动力学,最小二乘法,Gauss-Newton法,Levenberg-Marquardt法

药物代谢动力学 (也称药动学、药物动力学、药代动力学, PK) 是研究药物及其代谢物在体内吸收、分布、转化和排泄过程中, 随着时间不同, 不断进行运动变化规律的科学。药物代谢动力学研究的对象是人体, 对患病的机体以及正常人体用药后, 观察药物在体内的变化过程。根据该科学可对患者提供安全、有效的治疗方案, 包括给药途径、用药剂型、用法、用量、给药间隔等, 实现给药方案个体化;可重新审查给药计划, 对不良反应做出解释;可按计划对正在进行血液、腹膜透析的患者给药, 预防中毒。根据该科学可及时地进行血药浓度的监测, 广泛地收集药学情报, 为临床提供科学的给药方案, 进一步提高疗效, 减少药物的不良反应。所以该学科所肩负的任务非常重要, 其研究是采用数学手段 (如用图像、公式、参数等方法) 来描述药物在体内运动过程中的规律, 因而可为用药方案的设计提供重要的参考依据。

药物代谢动力学从数学的角度可分为两类:线性药物代谢动力学和非线性药物代谢动力学。在线性药物代谢动力学中, 药物代谢动力学参数如半衰期与剂量无关;而在非线性药物代谢动力学中, 药物代谢动力学参数随剂量 (或体内药物浓度) 而变化, 如半衰期与剂量有关。本文所讨论的内容准确地说属于线性药物代谢动力学范畴, 并以三室模型为研究对象, 对一次静脉推注给药、一次血管外给药、静脉滴注给药3种常见的给药方式做详细介绍。

1 模型的建立

1.1 一次静脉推注给药的三室模型

药物的三室模型可以这样设想:假定药物进入中心室后, 逐渐向两个周边室转运, 在中央室与周边室之间药物进行着可逆的运动, 药物在中央室按一级过程消除[1], 其体内过程模型见图1。

图1显示:X0为静脉注射给药剂量;XC为中央室的药量;XP和XB为周边室的药量;k12和k21为中央室与浅外室之间的运转速度常数;k13和k31为中央室与深外室之间的运转速度常数;k10为药物从中央室消除的一级速度常数;VC、VP、VB分别为中央室、浅外室、深外室的表观分布容积。

假如药物的转运过程均服从一级速度过程, 即药物的转运速度与该室药物浓度 (或药量) 成正比, 则各室药物的转运可用下列微分方程组定量描述[2]。

当t=0时, 注射的药物全部存放于中心室内, 尚未转运至其他各室。所以XC (0) =X0, XP (0) =XB (0) =0, 这就是以上方程组的初始条件。

因为实际测量的数据普遍都以中央室为主, 所以我们只讨论中央室的血药浓度与时间的关系。设C为中央室药物浓度, 通过求解化简可得需要拟合的数学方程:

1.2 静脉滴注给药的三室模型

设剂量为X0的药物, 在τ0这段时间内, 以恒速k0=D0/τ0滴入中心室, 其体内过程模型[3]见图2。

图2显示:X0为静脉注射给药剂量;XC为中央室的药量;XP和XB为周边室的药量;k12和k21为中央室与浅外室之间的运转速度常数;k1 3和k3 1为中央室与深外室之间的运转速度常数;k1 0为药物从中央室消除的一级速度常数;VC、VP、VB分别为中央室、浅外室、深外室的表观分布容积。

在经过滴注时间t (0≤t≤τ) 时, 中心室的药量为XC (t) , 周边室的药量为XP (t) 和XB (t) 。除滴注是恒速K0之外, 如果其余各转运过程服从一级动力学过程, 则各室间的药物转运方程为[4]:

当t=0时, XC (0) =XP (0) =XB (0) =0, 这就是以上方程组的初始条件。

因为实际测量的数据普遍都以中央室为主, 所以我们只讨论中央室的血药浓度与时间的关系。同理可得:

这就是滴注后中心室的药物浓度与时间关系。其中, 是从滴注完成时算起。

1.3 一次血管外给药的三室模型

有些药物不能做静脉推注给药时, 则采用血管外给药, 仅需在静脉推注给药的三室模型中心室前增加一个吸收室, 让药物逐渐从吸收室转运至中心室, 再转运至两个周边室[5] (见图3) 。

图3显示:X0为给药剂量;Xa为吸收室药量;XC为中央室的药量;XP和XB为周边室的药量;kа为吸收速度常数;k1 2和k2 1为中央室与浅外室之间的运转速度常数;k1 3和k3 1为中央室与深外室之间的运转速度常数;k1 0为药物从中央室消除的一级速度常数;Vа、VC、VP、VB分别为吸收室、中央室、浅外室、深外室的表观分布容积。

假定吸收过程仍是一级过程, 则各室间的药物运转可用下列方程表示[6]:

因为实际测量的数据普遍都以中央室为主, 所以我们只讨论中央室的血药浓度与时间的关系。同理可得:

2 模型的求解算法

G a u s s-N e w t o n算法步骤归纳如下[7,8]:

(1) 取初始近似值A0, 允许误差ε;

(2) 计算F (X, Y, A0) , D F (X, Y, A0) , D F (X, Y, A0) T;

(3) 解线性方程组:

(4) 以△A修正A0, 即计算:A=A0+△A;

(5) 若|△A|>ε, 则A0=A, 即将A作为初值A0, 重复步骤 (2) 、 (3) 、 (4) , 直至|△A|<ε。

由于G a u s s-N e w to n法采用的是将非线性函数在初值附近做T a y lo r展开, 然后略去二次及二次以上诸项, 做简单线性近似的方法, 所以无法避免两种情况的发生:一是G a u s s-N e w to n法对初值的依赖非常严重, 如果初值选取不当, 往往发散, 即越迭代越远离目标值;二是如果T a y lo r展开后略去的二次及二次以上诸项的值相对过大, 依然会造成G a u s s-N e w to n法不收敛。

克服这个困难的一种途径是采用L e v e n b e r g-M a r q u a r d t的方法[1,9], 即加大D F (X, Y, A0) TD F (X, Y, A0) 的主对角元素, 而得到改善, 将步骤 (3) 中的方程改写成:

式中:μ———阻尼因子;

In———n阶单位矩阵或D F (X, Y, A0) TD F (X, Y, A0) 的主对角元素构成的矩阵 (本论文中的算法选择后者) 。

相应的算法步骤归纳如下:

(1) 取初始近似值A0,

(2) 取一个适中的μ值, 如μ=0.0 0 1;

(3) 计算F (X, Y, A0) , D F (X, Y, A0) , D F (X, Y, A0) T;

(4) 解线性方程组[D F (X, Y, A0) TD F (X, Y, A0) +μIn]△A=-D F (X, Y, A0) TF (X, Y, A0) , 得△A, 并计算V (X, Y, a1, +V a1a2+V a2, L, an+V an, ) ;

(5) 如果V (X, Y, a1+V a1, α2+V a2, L, an+V an) ≥V (X, Y, a1, a2, L, an) , 则将μ扩大1 0倍 (或其他的具有意义的倍数) , 再回到步骤 (4) ;

(6) 如果V (X, Y, a1+V a1, a2+V a2, L, an+V an)

(7) 直至|△A|<ε或V (X, Y, a1, a2, L, an) 的变化量<ε, 迭代停止, 输出结果。

参考文献

[1]刘昌孝, 刘定远.药物动力学概论[M].北京:中国学术出版社, 1984.

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[5]韦鹤平.最优化技术应用[M].上海:同济大学出版社, 1987.

[6]谭浩强.C程序设计[M].2版.北京:清华大学出版社, 2002.

[7]蒋长锦.科学计算和C程序集[M].合肥:中国科学技术大学出版社, 1998.

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[9]张贤达.矩阵分析与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.

力学设计 篇11

关键词 PBL教学法；工程力学；ANSYS有限元软件

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）22-0112-03

Design of Engineering Mechanics Teaching Case based on PBL Teaching Method//ZHOU Ping

Abstract According to the actual teaching of engineering mechanics，

in order to improve the teaching effects， the application of PBL teaching method in this course. This paper introduces the design of teaching case and the implementation process， the evaluation method is given.

Key words PBL teaching method； engineering mechanics； ANSYS

1 引言

机械、土木等专业开设工程力学课程，主要为使学生掌握基本的力学知识和计算方法，为后续学习专业知识、专业技能打好基础。该课程内容上主要讲授物体受力分析、力系简化及平衡、材料变形、强度理论和压杆稳定等。由于工程力学课程理论性强，抽象知识点多，且传统教学以理论教学为主，导致学生在该课程学习中易产生厌倦心理，学习效果较差[1]。

针对这一现象，本文通过在工程力学课程教学中引入PBL（Problem-Based Learning）教学法，以实际应用中的工程案例设计教学问题，以案例问题的分析、解决为导向，教、学、做相结合，对教学方法进行探索与改革，以达到改善增强教学效果的目的。

2 案例问题设计及描述

教学案例问题为对如图1所示轴承座进行力学分析，学生通过对轴承座力学问题分析、解决的过程，加深对力学知识的掌握。

轴承座力学问题涉及学生学习过的课程门类比较多，学生通过把工程材料、机械制图、机械传动、工程力学与计算机仿真软件等知识相结合，把工程力学理论教学转换为以实际工程案例问题为导向的实践教学过程，把传统的学习过程转变成分析、解决实际力学案例问题的工作过程，有效地将学生的理论知识、实践知识等内容整合成完整的有机系统。

3 案例问题PBL教学活动设计及实施

通过案例问题的内容描述，结合PBL教学法的提出问题、分析问题、收集资料、解决问题、总结评价的教学模式，对教学过程进行具体设计[2]。

教学活动设计 对轴承座力学案例问题进行总体分解，设计与各个分解内容相适应的八个教学阶段，教学时间为2～3周，如表1所示。设计的教学活动如表2所示。

实施过程 按4～6人为一小组对教学班级进行分组，小组成员对问题进行分析，了解轴承座材料类型，查找该材料的许用应力、截面模量等力学参数。

应用ANSYS有限元软件对图1所示轴承座三维模型进行网格化后，根据轴承座所在传动系统结构添加约束和荷载，如图2所示。

后处理得到图3所示轴承座应力图，从图中可直观看到轴承座不同位置的应力、应变情况及最大应力的位置，并得出最大应力值。

案例问题评价 问题评价方式的设计如表3所示，以小组为单位，检查每个学生对案例问题的解决是否满足预定的教学要求。以答辩方式进行考核时，要求每位学生回答2～3个有关该案例的问题，根据完成情况由教师填写评定成绩；小组互评内容在每阶段完成后，根据教师设计的每一阶段内容完成情况，经由小组集体评价后填写成绩，让学生之间进行对比，加深对案例问题的了解和处理能力；自评内容是每位学生自己在每次阶段完成后，根据教师设计的每一阶段问题完成情况进行打分。

4 结语

将PBL教学法应用于工程力学课程教学可调动学生的学习积极性，科学的教学案例问题设计有利于形成教师引导、学生探究、讲与练结合、教与学互动的课堂教学，弥补了传统教学法的不足，尽可能地使学生主动投入到知识的积累中，具有可操作性和推广價值。■

参考文献

[1]周平.工程力学课程教学创新与实践[J].科教导刊，

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[2]谭丽泉.PBL教学法在无机化学教学中的应用[J].广州化工，2010，38（5）：264-265.

[3]陈丽虹，邓安富.网络环境下PBL教学模式的研究与应用[J].中国远程教育，2010（11）：46-48.

[4]邓磊.PBL对网络学习者的学习成绩与班级归属感影响研究[J].中国电化教育，2010（12）：50-54.

力学设计 篇12

关键词：修井井架,结构型式,有限元分析,结构优化

0 引言

修井设备是油田作业中的关键装备。井架作为修井机的关键部件之一, 用来安装和悬挂天车、游车大钩等起升设备, 以及起下和存放钻杆、油管或抽油杆。井架的结构类型、移运方式、作业效率及作业布置等都是影响整套修井作业效率的关键所在, 因此, 研究、设计、制造出既经济适用又可靠的石油装备, 研究与制定维护管理措施, 应是当前急需解决的课题。本文针对中小型井架的结构类型、结构优化以及结构分析方面做出探讨及解决方案, 对井架的承载和疲劳强度进行分析, 均具有实际的指导意义。

1 修井井架结构型式

JJ135/33井架为前倾、双节可伸缩套装式有绷绳的轻便井架, 又称为桅形井架, 是XJ350修井机的重要部件之一。它主要由井架下体、井架上体、天车、上下体承载装置、液压猫头装置、各种绷绳、立管、梯子、二层工作台和大钩托架等组成。JJ135/33井架结构示意图如图1所示。

井架伸缩靠一个伸缩液缸来完成。井架的立起和放倒是由连接在运载车大梁和井架下体上的两个液缸来完成。井架与运载车后支架采用铰支座连接, 通过调整Y型支架和运载车车架之间的调节丝杠来调整井架的倾角, 以便保证大钩与井口的对中。在正常工作状态下, 井架的倾角为3.5°, 在Y型支架上安装有角度指示仪。

2 修井井架工况及力学分析

2.1 载荷及边界条件的确定

JJ135/33井架的工作工况由恒定载荷 (即结构静载荷) 、钩载、立根载荷、环境载荷[1,2,3]以及这些载荷的组合所决定, 下面依次对上述载荷进行分析。

(1) 井架静载荷:指井架的不变载荷, 包括井架重量及天车、游车、钢丝绳等的重量[4]。在进行有限元分析时, 井架本体的重量 (包括井架上体和下体的重量) 由软件自动加载, 而井架的附件重量 (天车、栏杆、梯子及游动系统) 等可平均加载在井架顶部的4个节点上[5]。

(2) 钩载:该井架最大钩载为1 350kN, 井架天车轮系为5×4, 有效绳数n=8。载荷按照天车的结构施加于天车侧板安装中心相应节点上。

(3) 立根载荷:包括立根重量对井架的作用以及立根所承受的风力载荷。立根载荷按水平方向作用在井架的对应节点上。

(4) 环境载荷:主要为风载荷。

(5) 边界条件:井架与底座销轴连接, 在工作状态下, 绷绳拉紧工作, 其成为固定约束, 必须限定其3个线位移及2个角位移。Y型支座调节丝杠拉杆处理成固定约束, 限定三个方向的位移。Y型支座位于井架基座安装座上, 只限定了竖直方向的位移。

2.2 井架工况分析

根据API Spec 4F-2008第3版的要求, 钻修机井架的设计应符合AISC335-1989许用静应力设计法, 施加的载荷为静载荷。有绷绳轻便式井架设计工况如表1所示。

表1中的TE指的是在预期工况下, 不作业, 大钩载荷为游动系统的载荷, 即大钩、游车等的重量。每种工况作用下风载又分为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共8种工况。通过对载荷的仔细分析, 井架作业时向前倾斜3.5°。

井架风载在背面吹风时加剧了井架向井口的倾斜, 而侧面吹风有可能使井架向侧方向倾倒。因此, 在工况1a中, 只需考虑背面吹风和侧面吹风3种工况即可。预期工况中, 只考虑背面吹风、侧面吹风及45°方向吹风3种工况即可。同理, 不可预期工况中, 也只需考虑背面吹风、侧面吹风及45°方向吹风3种工况即可。

2.3 井架静力分析结果

采用有限元软件ANSYS进行井架的静态加载分析, 采用APDL语言进行建模、边界条件处理和加载。

由于井架在受最大钩载、满立根、背面风载情况下承受的应力和变形最大, 因此, 本文考虑这种工况的情形, 分析结果见图2和图3。

(1) 在钩载为1 350kN情况下, 井架上体、下体的最大位移及单元力均最大, 井架的4根主腿为主要承载构件。

(2) 井架下体承载时的应力小于上体承载时的应力, 应加强上体;井架上体缩口附近应力较大, 如图2所示。最大应力位于缩口处的正面横梁;上体缩口的倾斜度大小对最大应力值影响较大;井架开口侧主腿应力比不开口侧主腿应力大 (如图3所示) , 原因是在承受压应力的同时, 开口侧主腿更多地承担弯矩对井架的作用。

(3) 井架大部分构件受压产生压应力, 绷绳及部分横拉筋受拉产生拉应力。井架后面大腿轴向应力普遍小于前面大腿, 位于同一面的左、右侧大腿轴向应力的差别不是很大。

(4) 在满负荷下, 井架横撑和斜撑除天车下门框外, 其他撑杆的应力都较小, 只有几根横撑应力达到100MPa, 绝大部分都低于50 MPa;另外, 斜撑应力普遍较横撑应力大, 侧面斜撑应力较背部斜撑应力大, 但是背拉杆、侧面横撑和斜撑强度均满足要求。

3 修井井架结构优化

通过对井架静力计算结果, 可以对井架的材料及局部结构进行优化, 使井架设计制造更加经济合理。

3.1 井架材料的优化

在最大钩载工况下, 井架上、下体侧面绝大多数横撑和斜撑的应力均小于100 MPa。因此考虑井架上、下体中间横撑部分钢材由Q345B改为Q235钢, 井架的强度条件仍能满足。在都满足强度条件的情况下, Q235较Q345B在价格上便宜些, 因此可减少井架在钢材费用上的花费。

3.2 井架门框结构优化

井架上体缩口处截面是整个井架的危险截面。井架大腿在该层门框以上向内弯曲。从整体受力情况看, 井架的各杆件单元分布并不是很合理, 井架上体缩口处门框杆件单元及横梁的应力较大。由于这一层门框应力分布复杂, 仅靠增加杆件的截面尺寸取得的改善效果往往不大。更改结构比单纯增大杆件截面尺寸对减小应力集中要有效得多[6]。经过反复更改比对, 最后找出缩口处截面较好的结构, 如图4所示, 其应力分布图如图5所示。对比图2和图5发现, 门框横梁应力明显降低, 井架的整体稳定性得到提高。

4 结论

本文建立了井架整体有限元分析模型, 分别分析了JJ135/33井架在工作工况、预期工况和非预期工况下的应力分布规律, 结果表明所设计的井架在大腿处和上体缩口截面处出现了应力集中。

针对井架的应力集中及相关应力分布规律, 对井架结构提出了几点改进方案, 包括门框结构优化、材料的选择等, 取得了满意的效果。

参考文献

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[2]尹永晶, 杨汉立.石油修井机[M].北京:石油工业出版社, 1985.

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