球面设计

2024-09-04

球面设计（精选9篇）

球面设计篇1

0 引言

在机械设计中常会遇到两种传递动力的连接装置, 一种是刚性连接, 一种是挠性连接。刚性连接不具有补偿被连接两轴轴线相对偏移的能力, 也不具有缓冲减震性能, 但其结构简单, 价格便宜。只有在被连接两轴轴线相对偏移没有特殊要求的情况下, 才可选用刚性连接;在挠性连接中, 相对的连接件既有约束或传递动力的关系, 又可以有一定程度的相对位移, 被连接两轴轴线即使有一定的位移也可以完成连接。但是, 在一定的领域涉及到安装的时候会存在一定的安装误差, 导致两个连接件的中心轴线不重合, 面对此类问题, 本设计尝试开发一种挠性连接装置, 既能完成连接又能起到传递动力的作用。

高效液相色谱系统是天然产物高纯度提取的高技术, 广泛应用于中药、精细化工、生物、蛋白、基因工程等领域。动态轴向压缩柱 (DAC) 是高效液相色谱系统的核心设备, 衡量柱效的主要指标是理论塔板数, 对于给定的填料, 柱效主要依赖于柱子的填充方法和柱长, 该部分在物理层面直接决定了柱子的分离、分析效果。下面介绍我公司在动态轴向压缩柱 (DAC) 中连接装置的设计与应用。

1 设备原理

动态轴向压缩柱 (DAC) , 如图1所示, 主要由固定在连接板支架上的加压油缸和不锈钢柱筒组成, 柱筒内装有因生产需要而装填的填料 (填料是固体和液体的混合物) , 油缸通过活塞对柱筒内的填料进行加压, 填料在压力作用下被压实。柱筒和油缸通过螺栓固定在两个连接板上, 在加工或安装过程中可能不能保证两者在同一轴向上, 即在制造或安装过程中油缸和柱筒存在一定的同轴度误差。由于同轴度误差的存在导致2个不好的结果: (1) 使用过程中活塞和柱筒之间不能很好地进行密封, 活塞下压过程中可能会有液体泄漏; (2) 活塞在下压过程中可能会对柱筒内壁划伤, 活塞杆也承受一定的径向力导致使用寿命下降。

本次设计尝试开发一种球面连接装置, 既能起到传递动力的作用, 又能补偿安装过程中的同轴度误差, 有利于柱筒和油缸的活动密封效果。

2 设计分析

如图1所示, 油缸和柱筒分别由上、下两个连接板连接, 由于零件在制造和安装过程中存在一定的误差, 油缸活塞和柱筒可能不在同一轴线上, 在活塞下压过程中可能会影响其密封效果, 所以尝试在活塞和油缸连接处添加一个挠性连接的中间装置, 可以解决同轴度误差问题。

该挠性连接装置除了能起到连接的作用, 还应该具备自动调心的功能, 就是要具有一定的三维活动空间, 为此可以选择一个接触面为凸面的连接体和一个接触面为凹面的连接体, 这两个连接体相互配合, 然后把凸面和凹面两个连接体固定在一个连接套内, 这样就能做成一个连接装置了。在油缸和活塞连接的地方加入这样一个中间连接装置, 该连接装置能传递动力, 又能自动调心, 起到补偿安装过程中的同轴度误差问题。

如图2所示, 1为凸面连接体, 带螺纹的一段连接加压油缸, 另一端加工成凸面情况, 用来和凹面连机体配合, 其中间部位开有一环形槽, 环形槽处可以安装两个半圆形的压盖。2为凹面连接体, 用来和凸面连接体配合。3为压盖, 压盖是连接套和连接体的装置, 它由两个半圆组成, 并设有6个螺纹孔 (中心线处) , 用以安装连接螺钉, 压盖和连接套用螺钉进行固定。4为连接套, 连接套用来把凸面连接体和凹面连接体结合在一起, 并和压盖连接形成一个整体。全部安装好后用压盖放在凸面连接体环形槽部位和连接套固定, 这样就连接成了一个完整的球面连接装置。该球面连接装置带有螺纹的一段连接加压油缸, 另一端有一螺纹孔5用来安装紧定螺钉和活塞相连接。

3 受力情况分析

在实际应用中, 当活塞下行时, 油缸加载, 凸面连接体和凹面连接体和连接套共同受力, 而且下行的压力约为10 MPa左右。在下压过程中两个连接体要相互摩擦、挤压, 在设计中要保证两个连接体能承受一定的压力且要有一定的耐磨性, 由于本文所提设备应用到制药领域, 所以选择的材质均为不锈钢材质, 若用在其他领域, 要对材料进行热处理或镀铬等特殊处理, 以便符合应用场合的要求。当活塞上行时, 压盖和凸面连接体连接部位受力, 受力仅为克服活塞和柱筒之间的摩擦力, 受力大小约为0.2 MPa, 在实际应用中可以不予考虑。

4 结语

在机械设计中常会遇到刚性连接和挠性连接的问题, 当系统受力不大, 又没有特定的场合的时候, 通常习惯于采用刚性连接, 因为其制造简单, 使用方便、快捷;若是系统受力较大, 又有同轴度要求的时候, 就不能直接采用刚性连接, 除了上述的密封要求外, 还有可能导致所连接的两个零件的过度磨损和破坏, 直接影响使用寿命, 导致设计成本增加。所以, 就要采用挠性连接来代替, 使两个连接件之间有一定的活动空间, 这样在受力的时候可以自动调整, 达到补偿由于安装过程中的同轴度误差问题。

摘要：简要介绍了一种球面连接装置。该连接装置通过精密加工的球形凸面和球形凹面的相互配合来实现三维活动连接, 完成传递动力的需要。该球面连接装置具有一定的三维活动空间, 可以补偿在传递动力过程中的同轴度误差, 在实际应用中优于普通的刚性连接。

关键词：球面连接,三维活动空间,同轴度误差

参考文献

[1]濮良贵, 纪名刚主编.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 2001

[2]范钦珊主编.工程力学[M].北京:机械工业出版社, 2006

[3]成大先主编.机械设计手册[M].第5版.北京:化学工业出版社, 2007

“网红经济”的球面掠影篇2

从“芙蓉姐姐”到“papi酱”

网红，顾名思义是网络红人的简称，是指在网络生活中因为某个事件或者某个行为而被网民关注从而走红的人。但网红并非新生事物。2004年，有网络拍客将芙蓉姐姐的照片上传到水木清华、北大未名和猫扑网站上，虽长相一般，但姿势夸张和相当自信的芙蓉姐姐还是引来了网友的强势“围观”并爆红网络。按时间排序，芙蓉姐姐应当算是“网络红人鼻祖”。继芙蓉姐姐之后，木子美、凤姐、小月月等人相继走入网友们的视野，但不是因为表现低俗遭人唾弃，就是因为过度炒作而受到冷却。尽管如此，作为一个求新求异与求表达的时代符号，芙蓉姐姐所串带起来的网红1.0却鲜明地镌刻在了互联网的文化历史上。

形势比人强。接下来的10年间，人们除了听到“痞子蔡”、“后舍男孩”等走红网络的声音外，还看到“国民老公”王思聪、“国民岳父”韩寒以及“奶茶妹妹”章泽天受到亿万网民狂热追捧的热闹场景；及至去年和今年，“张大奕”、“Papi酱”、“艾克里里”以及“叫兽易小星”等一批网络爆表红人的批次亮相，使得网红的火辣度与接纳度飞速飙升，从而最终让网红2.0清晰地呈现在人们面前。

虽然面孔各异，并且表达方式千差万别，但网红1.0和2.0却有着最大的共同点，那就是都具有极强的草根属性。他们既不是名人，更不是明星，而是名不经传的寻常百姓，甚至是有些边缘化的个体；不仅如此，他们并不处于网络世界的中心地带，从网络世界的底层走向整个网络的中心，除极少数外，他们凭借的并非显赫的家族背景或者不菲的财富身价，而是不错的颜值以及极具个性的行为表达方式或者犀利的思想与搞笑的语言。某种意义而言，网络红人的出现映射出的是多元价值观之下草根阶层寻求自我存在的一种努力。

但是，与网红1.0的传播平台仅局限在网络论坛而且主要通过网友和拍客上传照片的形式以及粉丝碎片化完全不同，网红2.0所能站立的网络平台大大拓宽，既有博客、微博、豆瓣、微信等各类社交平台，也有淘宝、京东、微卖等电商平台，还有斗鱼、熊猫等各大电竞平台，更有YY、映客、花椒等视频直播平台，表现形式也从文字、美拍硬照，到如今的直播和短视频等。因此，初步梳理，网红2.0可以分为社交平台网红（如 “留几手” 、“艾克里里”、“同道大叔”等）、电商平台网红（如张大奕、大喜、vcruan等）、直播平台网红（如后舍男孩、PAPI酱等）以及电竞网红（如Miss等）。

“四大网红”在各自平台上都拥有着超量的粉丝群体和强大的“吸粉”能力，如张大奕所拥有的微博粉丝数达到了400多万，“天才小熊猫”名下的活跃粉丝为500多万，“同道大叔”的微博粉丝达到了780万，“Papi酱”聚拢的微博粉丝数更是高达1200万，其微信公号的浏览量几乎每篇都是“10万+”，视频总播放量超过2.9亿次，平均每集播放量近753万次。重要的是，网络红人还有着与粉丝互动的过人功力与耐心，往往通过玩笑、密聊、创意等方式每天与粉丝至少保持两三小时以上的互动。而粉丝们不仅会观看，还会主动捍卫他们的偶像，以致经常会发生有事一出，网红还闻声未动，粉丝已互相掐架的状况。

当然，网红2.0与网红1.0的最大区别就是，后者尽管被网友“围观”但却没有挖掘出太多商业价值，而前者则将粉丝的注意力转化为购买力，这种从“吸粉”到“吸金”的利润创造模式就是所谓的“网红经济”。观察发现，网红变现的主要方式有电商、广告、打赏、付费服务和线下活动等。如开设了自己的淘宝店“吾欢喜的衣橱”的张大奕不仅创造过5000多件商品两秒钟被“秒光”以及新品3天内全部售罄的历史记录，而且实现了日销售额千万以上目标，而包括张大奕在内的淘宝排名前十的“网红”店铺的年销售额均已过亿。而在社交平台上，“同道大叔”的微信加微博的每条广告报价为10万元，作家咪蒙的微信公众号发布一条广告可达到25万元，科技圈里的知名自媒体红人程苓峰一篇文章获得的打赏达到10多万元。至于视频直播与电竞直播的网络红人，其变现能力更是令人瞠目。除了电竞女主播Miss与虎牙签下了个人年薪3000万的合同以及动辄获得几万和数十万的打赏外，“Papi酱”前不仅更是拍出了2200万元的视频广告天价。

显然，对于网络红人而言，“网红”已不仅是一种身份之外的标签符号，而是演变成一种职业，他们不仅代表的是一种全新的商业模式，更是一个或者可以无限延伸的商业平台。动态的观察，网络红人可以利用自己的气场以及强大的用户黏性与付费意愿，进一步拓宽自己的变现路径，如出席各类讲座、论坛和开办网红培训班，还可以出书和转做微电商，甚至可以向影视明星升移。

谁制造了“网红”？

从湖南电视台的《超女选秀》，到中央电视台的《星光大道》，这些大型的造星平台尽管为草根百姓开辟出了一条抵达成功甚至成名的通道，也推出和成就了诸如李宇春、周笔畅、张靓颖、阿宝、王二妮、李玉刚等一个又一个明星人物，然而，这种完全中心化的造星方式不仅因为平台空间的有限性不能满足芸芸众生的需求，而且近乎狭窄的技能展示也构成了一堵无形的门槛而将众多的人挡在了门外。然而，互联网不仅撕破了人与人之间交流的时空界域之限，而且颠覆与改变了传统的造星规则，使得所有人的出位与成名成为可能。

不再聚拢在电视台等近乎独木桥式的传统媒体平台之上，受益于博客、豆瓣、微博等社交平台的支撑，尤其是微信公号、视频直播等自媒体的涌现与活跃，大众找到了展示与张扬自我的多元化平台，从而也使社会的造星机制发生了去中心化的鲜明裂变。对于个人来讲，只要有才技与个性，敢出位，直面网名，就能够吸引到令人咋舌的粉丝流量，从而完成从草根到网红的华丽蜕变。以此观之，互联网大背景下的社交与自媒体时代可以说一个个人赋能的黄金时代，而网络红人则是个人赋能的直接结果。

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不仅如此，在传统造星体系与机制之下，一位明星的成长需要一个成熟的经纪公司或者团队来打造，要成为明星，不仅个人需要首先具备音乐、表演等方面的新才艺，其经纪团队也必须与演出、出版或影视企业及平面、电视媒体达成良好的互动合作关系，但网红则不必受这些传统规则的约束，即不需要他者来界定和赋予权力，他们只需面对的只有网民，这种去中介化的方式使得寻常百姓成名的门槛降低了很多。从这个意义上讲，网络红人不仅是个人赋能的结果表现，也是个人赋权的积极性产物。

然而，人性的使然让所有人都存在着成名走红的欲望与冲动，而且互联网也将一个信息大爆炸的图景推到了公众面前，在这种情况下，信息供给的过剩相应地带来了注意力的稀缺，甚至可以说注意力是网络世界中最为稀缺的资源。这就决定了一种结果，即每个人都希望成为网络红人，但不是每个人最终都能够成为网络红人。据《2016中国“网红”经济白皮书》的统计数据，目前我国有网络红人超过100万，绝对人数看上去的确不小，但相对于13亿人口而言依然是寥寥无几。那些成功的网红往往凭借的是自身某一方面的独特技能而获得了更多的眼球，甚至可以说网络红人实际是网络世界注意力标配的产物，自然，要想成为网红，就必须锻造自己更多的硬实力以及出众的技能修为。

既然网红是注意力稀缺背景下的标配，随之而来的一个问题就是网络世界中密密麻麻的“眼球”究竟来自何方？深入研究发现，那些脱颖而出的网络红人除了依靠与众不同的特色和品质来博取眼球外，他们的走红还带着鲜明的互联网代际特色，尤其是他们暗合与踩准了互联网时代一个重要部落群体的性格与心理需求。根据百度《95后生活形态调研报告》，“95后”约为1亿人，而这部分人正是移动互联网的原住民，是网络社交平台最重要的用户。他们最爱的就是在网上点赞、分享、评论和吐槽，最认同的就是宅、呆、逗比和高冷等流行价值观，热衷于弹幕、美颜和“表情包”。而且他们崇尚个性、张扬自我以及情感交流的分享诉求等在网络平台上获得了充分的释放，相应地，极具个性化和趣味化的互联网文化也迅速流行。

“女人为什么要逛街”、“没有钱怎么追星嘛”、“心有多大舞台就有多大！哪怕只是逛商场，也要假装自己正在莫斯科的红场！”“我小时候经常对我爸妈说，等我长大之后有钱了，就给你们买这买那。后来我才明白，长大和有钱之间，并没有关系。”——这些在微信朋友圈疯转的经典名句，就是出自被封为“2016年第一网红”的“Papi酱”之口。28岁的中央戏剧学院在读硕士生姜逸磊素颜出镜，以独白秀的形式，利用变音器发布原创短视频内容，通过对口型、方言恶搞、男女关系点评等，大讲时下热点，极具个性与有趣以及辛辣的“槽点”盈满整个短视频。同样，乐于自毁自黑的“艾克里里”以及段子与妙语连天的“天才小熊猫”也像“Papi酱”那样疯狂地吸引着小清新们的眼光。由此也不难看出，正是紧紧抓住了互联网主体迭代与文化创新的趋势，并在此基础上打造出鲜明的个人时代特色，才使自己在注意力游离的环境中赢得了十分珍贵的“眼球”。因此，作为网络红人的标配，不一定就是大眼睛、锥子脸和A4腰，而是贴合时代的才华与个性。

我们还想指出，在移动互联网时代，虽然用户的社交需求表现为显著的碎片化特征，内容消费需求也体现为鲜明的多样化色彩，但伴随着移动端直播视频的出现，以上需求都可以在碎片化场景中得到满足。简言之，无论是身处哪种环境状态之下，用户都可以将旅游、厨艺展示、技能分享和街头恶搞等随时随地在社交或者电商平台上进行直播与展示，而网民则可以随时随地地看到主播唱歌、跳舞、旅游、吃饭、打游戏、化妆、做饭、逛街、运动过程等等。这种强场景使得社交双方的互动变得更加的频繁与便利，加之有了支付宝、财富通等各种支付平台的辅佐，一个盈利营销的闭环很轻易就能合上，技术和平台的双重驱动，网络红人于是就可以很快地被制造出来。

资本追逐的脚步

从商业的角度讲，网红经济含指的显然不仅是网络红人个人收入的增加，它所指向的则是一个千亿级的市场以及一个全新的产业链条。以新浪微博为例，目前驻扎其中的网络红人达到2000万，超过10万粉丝的才能称为有影响力。根据电商市场规模=网红数量·平均粉丝规模·转化率·购买率·平均客单价这个简单的等式来测算，按照5%的转化率估算，假设一年内购买2次，平均客单价按照人民币200元估算，市场规模=2000万·10万·5%·2·200元=4000亿元左右。

如此显著的财富效应无疑引来了资本对于网络红人疯狂般的下注与追逐。除了前不久“Papi酱”获得了真格基金、逻辑思维、光源资本和星图资本联合注入的1200万元资金从而使自己的估值飙升到1亿多元之外，之前作为逻辑思维在成为了有500多万用户的互联网知识社群之后，也先后完成了A、B轮融资，估值膨胀到13.2亿人民币。另外，段子手“同道大叔”也在前不久宣布价值为6000万元的A轮融资，估值超过了2亿人民币；新媒体视频平台“二更食堂”也实现A轮融资目标，融资金额超过5000万人民币。不仅如此，在拿到了A轮融资不到三个月后，映客直播又获得了8000万元的A+轮投资；与此同时，斗鱼TV在前不久也完成了新一轮1亿美元（约6.7亿元）的融资。

除了VC、PC等资本密集扎堆网红外，上市公司也成为了追逐网红的主力。除了在境外上市的阿里巴巴通过达人淘、红人、淘女郎、爱逛街等产品业务的推送不断地帮助红人做内容制造和粉丝孵化外，A股上市公司华斯股份则是一口气吃进了优舍科技即“微卖”30%的股权，与此同时，柏堡龙通过定增9.9亿搭建时尚设计与销售共享平台，并将在平台引入网红对粉丝进行定向营销。在视频直播领域，继宋城演艺斥资26亿元收购了网红资产六间房之后，昆仑万维出资6800万领投映客的A+轮投资，巴士在线和恺英网络也分别推出了自己的移动端视频直播平台“我拍TV”与板栗娱乐，乐视网、暴风科技等也在打造自己旗下的娱乐直播平台。更有甚者，在斥资3000万元认购与受让了杭州缇苏6%的股份的同时，光线传媒还拿出1.3亿元受让了浙江齐聚36.38%的股权，将网红电商与视频直播资源同时收入囊中。至于在电竞主播地带，除了奥飞娱乐投资斗鱼TV、游久游戏投资龙珠直播外，顺网科技、浙报传媒等也挺进电竞直播平台，同时，在境外上市的腾讯公司不久前出资4亿元领投了斗鱼TV的新一轮融资。

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资本与上市公司纷纷为“网红”站台，既有短期目标，更有长期诉求。一方面，一个网红的生命周期最多只有两年，资本的跑步入场，旨在迫不及待收割网红的红利。另一方面，网红极易形成IP（网络知识产权）资源，因此更多的资本和企业认可的是网红极强的品牌传播杠杆和营销价值以及由此产生的战略回报。实践证明，除网红已然成为了阿里电商平台的“摇钱树”之外，像主打网红视频直播的9158每年进账近10亿的网红企业也不在少数。与此同时，A股上市公司中也的确有人采摘到了涉足“网红”后的丰收果实。如依靠超过13万人的网络红人带起的6.16亿月均页面浏览量以及高达4151万的注册用户，六间房业绩强劲增长，进而带动宋城演艺去年实现营业收入和净利润5.73亿元和1.94亿元，分别同比增长166.45% 和103.14%。同样，由于旗下板栗娱乐带来新的业务流量，恺英网络去年净利进账6.55亿元，同比增长946.99%。

流金淌银的财富效应，使得围绕着“网红”的新经济因子如雨后般春笋地成长起来，进而形成了一个集网红培训、网红创业、服务、平台服务、资本整合等为一体的“造红”产业。除了鼓山文化已经签约近200个段子手外，网红经纪公司“PICK还从微信朋友圈筛选意见领袖，把其培养成网红，为电商分类导流发挥作用；莉家、榴莲家、Lin家原本都是淘宝上的成功商家，如今它们都已变身为“网红孵化公司”。与此同时，前不久中国数码文化与深圳市娱加娱乐传媒有限公司合作成立新公司，开展网络直播代理业务；在港交所上市的中国派对文化建立起的旗下业务COSPLAY（动漫角色扮演）也侧重于网红的出产。而在前不久，全国首家“网红经济研究院”在青岛成立，在从事网红经济研究的同时，研究院主要为网红提供包装推广以及为企业制定网红营销方案服务。

无论是资本或上市公司投资网红个体，还是下注网红平台，抑或是网红中介，最终的结果就是使得网络红人的产生趋向非个人化，网红产业链的延伸越来越长，网红市场的竞争越来越激烈。对于网络红人来讲，个人能力再强，也不可能胜任包括网红内容制作与推送以及平台维修和供应链布局等所有工作，而且为了维持质量和扩大影响，繁重的线上与线下推广更非单独个人能力所能济。因此，受到市场竞争的倒逼，网红将很快从个体运营发展到公司运营。而且这种集团化与专业化的运作模式既能提高网络红人的核心竞争力，也能加快网红IP的快速落地。

美丽泡沫还是长青树苗？

客观上分析，网络红人之所以能够产生非同凡响的财富叠加与产业延伸效应，就在于它的出现改善了目前供应链效率较低以及客户精准营销的问题。从供应链端看，网红作为意见领袖导购渠道，通过将其自身对产品的高敏感度对接供应链厂商，从而提高了供应链生产效率，缓解了库存高、资金周转慢等问题。从需求端看，过去消费者获知一个品牌的渠道是广告，而在网红经济时代，消费者获知品牌可以通过网络红人的口耳相传，这既省去了企业的营销成本，又降低了消费者的市场搜索成本，从这个意义上讲，网络红人实际上在制造商、销售者、消费者和服务者之间产生了全新的连接作用。正是如此，有人认为未来的商业入口就是“红人”。在笔者看来，只要存在着实体经济供与求，产品服务的产与销，网络红人就有存在的基础。

动态地观察，作为网红经济成长壮大的重要指标，网络红人的市场规模还具有非常可观的扩张空间。一方面，那些在互联网文化和知识上有足够的储备并且自小心怀追星梦想与个性张扬的大学生们完全可以凭借自己的高颜值成为未来网红的生力军；另一方面，一些具有独立创业意识和市场营销经验并急需探求全新商业模式的微商将是向网红成功转型的优势群体；再者，不少能够自主研发产品并对供应链有充分理解与把握的传统电商人更有可能与网红绝配。此外，善于捕捉热点事件、风口趋势、流行前沿以及擅长图文设计与推敲的新媒体人也是网红队伍的重要补充力量。有了多路人才资源的不断供给与配置，网红经济也就很难出现“火一把就死”的宿命。

但是，决定网红经济是否可以持续发展的根本并不在于网络红人的数量以及新旧人才资源的交替。表面上看，网红经济是一种注意力经济，但本质却是内容经济。网红走红的基础是特定的粉丝群体，而获取粉丝的根本则是个性鲜明、持续稳定的优质内容。因此，网红要红得持久，必须具备持续稳定的内容创造能力。另外，作为一种快消文化符号，网红还必须面对的是，每三五年网民就会出现一个明显的迭代，而由于每代网友的喜好不同，网红如果不能保持内容上的新意迭出与及时跟进，就极有可能陷入“各领风骚三五年”的速朽窘境。

再从网红的生命周期角度审视，单个网络红人的“保鲜期”大概只有三个月到半年左右，虽然相应的平台公司会在数量上不断地制造出新的网络红人，但同时又必须为其投入高额的宣传费用，未来网红运营成本会越来越高。重要的是，网红平台尤其是视频直播平台已现同质化局面，互相抄袭与模仿的现象十分严重。这种趋势若继续发展下去，网络红人的“吸粉”能力会逐渐苍白，网红经济必陷恶性竞争，那些介入“网红”的资本与企业最终收获到的可能不是“龙种”而是“跳蚤”。

比较发现，在工业时代乃至web2.0时代，任何一个产业与市场的发展，都有一个较长周期的成长过程，而因为网络的特性，网红经济的发育时间进程被大大压缩。因此，为了克服因快育速成给网红经济造成的营养不良以及后力不济的短板，除了不断地进行内容创新的同时，网红还应当寻找与开辟自己的IP路径，说的直白一些就是，网红不能背离市场理性，更不能脱离实体经济的轨道。另一方面，对于那些介入网红的企业而言，除了通过网红嫁接出新的商业模式外，最好是籍此能够实现与主营业务紧密相关的产业链延伸与拓展，就像阿里通过“网红”稳固与强大自己的电商躯体以及王思聪成立熊猫TV旨在与游戏、娱乐、体育等产业实现无缝对接那样。

必须承认，在成为网络红人之前，不少人所秉持的就是成名与暴富的原始动机，网红从其产生之日就被打上了利己主义与功利主义的商业标签，甚至为了获取更多眼球与利益，不少人进行过度包装，或者传播虚假信息。对此，《中国青年报》所进行的一项调查表明，79.9%的受访者认为网红是为了出名的年轻人，43.8%的受访者认为网红是通过整容和撒谎包装自己的骗子，40.5%的受访者则认为网红是搞粉丝营销、卖低劣产品的淘宝卖家。这样的调查结果也许不乏偏见，但也确确实实反映了网络红人良莠不齐的生态。更有甚者，为了取悦与招揽粉丝，一些网红还利用不雅、低俗的话语和行为甚至是黄色内容来搏取出位，如此演化下去，网络红人必将很快遭遇社会主流价值观的抛弃，网红经济也会如同众多的新业态那样，从繁极一时的喧闹走向烟花散开的落寞。也正是如此，作为一个新的职业群体，网络红人需要自身来一次严肃的道德校准，网红经济更迫切地呼唤可以祛邪扶正的监管机制。

球面设计篇3

球面SCARA机器人是一种由3个自由度组成的平面关节型机器人。由于体积小, 传动原理简单, 被广泛运用于家用电器行业, 精密机械行业等领域。

需要设计的球面SCARA机器人具有3个自由度:1) 大臂的水平旋转运动;2) 小臂的垂直回转运动;3) 顶针的垂直上下运动。对于三自由度轴的传动系统进行设计, 保证规定的动作范围、速度和精度。为了防止干涉, 第二轴的实际动作范围小于360°。

1 机器人控制要求

机器人手臂动作的控制要求有“正常运行”和“紧急停止”两种方式。

a) 正常运行。正常运行方式的具体控制要求如下:1) 机器人手臂处于任意状态时, 按下启动按钮系统开始工作, 机器人手臂位置复位;2) 对控制机器人手臂的3个电机进行正反转控制, 以达到顶针端部在球形工件表面定位的目的。在此过程中, 设有光电开关或微动开关对机器人手臂的运动加以限制或保护。

b) 紧急停止。关掉电源时, 系统立即停止。

2 控制方案的确定

由于驱动力矩不大, 运动速度和定位精度要求较高的特点, 采用步进电机驱动, 步进电机尺寸小、结构比较简单, 启动、停止、反转的改变可在少数脉冲里完成, 具有精确位移、精确定位无累积误差等特点。

可编程控制器 (PLC) 控制可靠, 抗干扰能力强, 易维护, 易扩展, 价格适中, 设计与施工简单方便, 能够满足机器人手臂动作的控制要求。所以总体方案选用PLC控制步进电机动作。

3 控制系统硬件和软件的设计

3.1 控制系统硬件的设计

控制系统由PLC控制器、3个步进电机驱动器、3个步进电机、4个感应式接近开关、2个微动开关和若干按钮组成 (图1) 。PLC控制系统原理图见图2所示。

3.2 控制系统软件的设计

a) PLC的选型:输入元件包括电机工作按钮、用于检测的限位开关等总计17个;输出元件包括控制步进电机运行的接触器线圈和指示灯共7个。

主机型号为:三菱FX2N-40MR。主机输出方式为晶体管输出, 具有高速运算能力、PID调节功能、同时可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。具有:超高速的运算速度, 50%小型化设计, 程序容量:内置8KSTEPRAM, 最大可扩展模块进行扩展。输入和输出点数分别各为24和16, 输入输出点数总数为40, 尚有一定的输入/输出备用点, 可满足输入输出信号的数量要求, 以及备用量的要求。面板见图3所示。

b) I/O点的分配:机器人采用的日本三菱公司的FX2N系列PLC控制, 是一种按预先设定的程序进行外部设备控制的自动化装置。它的I/O资源的分配如表1所示:

c) 编写程序依据的流程图:机器人PLC控制程序编写所依据的流程图如图4所示。

d) 部分PLC程序:机器人复位PLC程序见图5。

4 结语

机器人控制系统设计完成后, 整个系统能够满足控制要求, 机器人运转平稳, 控制动作准确、可靠。

摘要：介绍了三菱PLC在球面SCARA机器人控制系统的应用, 并详细给出球面SCARA机器人控制系统的设计过程。

关键词：球面机器人,可编程控制器,步进电动机

参考文献

[1]吴振彪.机电综合设计指导[M].北京:中国人民大学出版社, 2000.

[2]周军, 海心.电气控制及PLC[M].北京:机械工业出版社, 2001.

[3]郁汉琪, 等.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].南京:东南大学出版社, 2003.

球面设计篇4

关键词：球面光学元件；表面疵病；散射光；机器视觉

中图分类号： U 472.9文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.02.002

引言光学元件经抛光加工后元件表面尚存在有麻点、划痕、破点、开口气泡等疵病。在精密光学系统中，光学元件表面疵病能引起衍射而产生噪声光斑，使系统精确度降低。同时表面疵病还会吸收大量光能量，产生热应力，使光学元件表面甚至整个光学系统遭受破坏。因此，对光学元件表面疵病的检测十分必要。目前，国内对光学元件表面疵病的检测方法主要是目测法[12]，该方法受人为主观因素的影响存在检测效率低，检测周期长等问题。对于大批量光学元件的快速检测，目视法已不能满足实际需求。针对这一问题，根据光学元件表面疵病对光的散射特性[3]，目前已有不少基于机器视觉技术的自动化检测方案[37]。这些方案对光学元件表面疵病的检测精度已达微米级，但是其检测对象主要是平面光学元件，而对球面光学元件表面疵病的检测研究还相对较少。现以球面光学元件为检测对象（口径Φ5～Φ50 mm），根据光学元件表面疵病对光的散射特性，搭建了基于机器视觉技术的球面光学元件表面疵病检测系统，并通过实验证明了该检测系统能够有效地检测球面光学元件表面上的疵病。1检测系统原理采用基于散射法的光学元件表面疵病检测的方法，原理如图1所示，平行光以一定的角度斜入射至光学元件表面，若无疵病时（见图1（a）），入射的平行光经反射后仍以平行光出射；若有疵病存在时（见图1（b）），平行光照射在疵病表面，产生的散射光进入光学成像系统（相机），通过成像系统对疵病成像，从而达到检测疵病的目的。图1检测原理

Fig.1Detection principle

2检测系统设计

2.1检测装置检测装置如图2所示，由CCD相机、光源、转动装置、计算机组成。光学仪器第35卷

第2期王科，等：球面光学元件表面疵病检测技术研究

图2检测系统

Fig.2Detection system计算机控制旋转台转动带动光学元件自转的同时成像系统按虚线方向摆动，通过协调这两种运动来完成对整个光学元件表面的扫描，进而获得被测件表面的疵病图像信息。最后将采集到的疵病图像通过图像处理得出其尺寸。

2.2扫描检测原理如图2所示，将光源环形分布在成像系统四周，光源发出的光会聚成一光斑（光斑尺寸要大于物方视场）斜入射至光学元件表面，光学元件表面的疵病接收到入射光后会产生散射光。透镜在旋转台的带动下以一定的速度旋转，从而使光斑扫描范围覆盖透镜的一个圆环面，扫描完后将整个光学系统按虚线方向摆动，光斑在透镜表面也移动一段距离，但整个光学系统的工作距离不变。然后再旋转透镜，光斑又扫描至下一个圆环面，如此往复，直至扫描完整个透镜表面。

2.3成像系统设计光源的好坏对疵病成像质量的影响是非常重要的。本文采用稳定性和均匀性较好的 LED点光源，光源颜色为白色，输出功率为3 W。光源加装克拉镜头，提高输出光斑的均匀性，采用斜入射照明的方式照射光学元件表面的疵病。检测系统要求被检测元件表面疵病的尺寸在1 μm左右，故成像系统的横向分辨率必须小于1 μm，为达到精度要求，系统需采用显微成像原理来检测疵病。显微成像会放大疵病像的尺寸，若放大倍率太大会导致成像系统的物方视场太小（检测范围太小），检测时间长，数据量大，达不到快速检测的目的。基于上述问题，实验选用了放大倍率为4.5倍的单筒显微镜。显微物镜的数值孔径NA=0.13，在白色LED光源的照射下，系统分辨率σ≈2.6 μm，在这种情况下是不能分辨1 μm大小目标的，但系统采用斜入射照明的方式，使疵病产生的散射像相对疵病本身有一个放大作用。因此，成像系统能够达到所需的检测精度。当光学元件表面疵病的尺寸为1 μm时，经镜头放大4.5倍后为4.5 μm。CDD的分辨率要小于4.5 μm，由奈奎斯特成像原理可得CCD的像原尺寸最大为2.2 μm。故选用像元尺图3光照角度与成像系统

接收到光照大小的关系图

Fig.3Relationship diagram between

illumination angle and received

light intensity寸为2.2 μm，有效像素为2 592×1 944，芯片尺寸为1/2.5英寸的面阵黑白CCD并带有Camera Link千兆网线接口，整个成像系统的物方视场为Φ4 mm。3影响疵病成像质量的因素分析

3.1光源入射角的变化对疵病成像对比度的影响在实验中分析了光照角度的变化对疵病成像对比度的影响。针对同一个疵病在光源与镜头的夹角分别在20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°的不同方向测得光学元件反射至成像系统的光照度大小，两者构成的对应关系如图3所示：通过实验发现随着光源入射角度α（图2）的变大，成像系统接收到的光能量减小，成像系统对疵病成像的对比度效果逐渐减弱，如图4和图5所示。

图4在30°时拍摄到的划痕

Fig.4Scratch in 30 °图5在70°时拍摄到的划痕

Fig.5Scratch in 70 °引起该现象的主要原因是随着角度的增大入射光无法进入划痕疵病内部，疵病不能产生散射光，造成成像系统不能采集到疵病的像。光源的入射角度α在0～20°的范围内时，CCD拍摄到一副全白的图像。说明在这段角度内有大量的光被透镜反射回到CCD，反射回的光强远远大于疵病的散射光强。此时无法辨别疵病的存在。因此，光源入射角选取30°时能较好地获取清晰的图像。

nlc202309011222

3.2光强大小对疵病成像的影响光源的照度在5×105 lx，照射距离为50 mm，照明光斑直径为6 mm时，在0～90°的照射范围内均无法采集到疵病的散射光所成的像。实验证明，过强的光强使得杂散光过多地进入成像系统内掩盖了疵病的散射光，因此无法辨别疵病的存在；而在照射距离和照明光斑大小不变的情况下，光源照度减小到6×102 lx时，在0～90°的照射范围内也无法采集到疵病的散射光。其原因是疵病的散射光强小于CCD所能探测的最小灵敏度。由此实验中选用的照度达4.3×104 lx，照射距离为50 mm，照明光斑直径为6 mm的光照条件。

3.3检测系统所能检测球面曲率半径由于检测对象为球面光学元件，其面形的曲率变化会影响表面疵病的成像质量，根据成像系统的景深，视场和曲率半径关系为：R=（d2+H2）/2d（1）式中，R为光学元件的曲率半径，d为成像系统的景深，H为视场半径，其中景深d和视场半径H是对应变化的。经过计算可得检测系统能检测到的光学元件曲率半径最小为4 mm。4实验结果

4.1光学元件表面疵病的标定为了对检测结果进行评定，在检测前对疵病进行了标定。选取划痕作为标本，用电子显微镜进行观察，测量得到其宽度为8 μm。如图6所示：将标定好的疵病放入实验平台进行检测，如图7所示为检测系统所拍摄到的划痕散射图像。

图6电子显微镜所拍划痕宽度

Fig.6Scratch width taken by

electron microscope图7检测系统所拍划痕散射图像

Fig.7Scratch scattering image taken by

detection system

4.2疵病特征值的计算在计算疵病特征值前，需先对检测系统所拍的散射图像进行预处理[8]，该过程包括了中值滤波，边缘检测，二值化的处理。图像的预处理能滤除图像中存在的噪声和不必要的信息，简化特征值提取时的工作量并可提高特征值提取的精度。图8是系统采集到的疵病原始图，图9为对图8的直接进行二值化处理的结果，从图中可以看出划痕周围有很多噪声点存在，不利于后续特征值的提取。图10则用原始图经过预处理后的二值图，与图9相比划痕周围的噪声点明显减少，利于特征值的计算。因此，对系统采集到的图像进行预处理是不可或缺的。图8原始图

Fig.8Original diagram图9直接二值化图

Fig.9Binarization figure图10预处理后图

Fig.10Pretreatment diagram

经图像预处理后，采用划痕宽度的近似算法计算其特征值[9]，经过对疵病样品多次实验观察发现，由抛光磨砂颗粒形成的划痕疵病，其形状都近似直线。利用欧氏距离的算法计算疵病长度，再用MATLAB获得二值图像的面积，这里的面积可以理解为图像中像素灰度值为1的像素个数。根据上面算出的划痕的长度和面积，最终得出划痕的宽度为9.6 μm。

球面设计篇5

空间网格结构的优化设计通常以结构自重最小作为优化目标函数.目前已有许多文献利用传统的优化方法研究了平板网架结构的优化设计问题[1~2], 而对单层网壳结构的优化设计问题很少见[3~4]。球面网壳结构的优化设计是一个复杂的、非线性约束优化问题, 另外复杂的约束条件也会使优化问题很容易陷入局部最优解。本文借助ANSYS软件的优化模块 (零阶方法和一阶方法) 对其进行优化设计, 以, 在给定的约束条件和设计参数范围内搜索最优的结构设计参数, 并与初始设计进行对比分析。

1 工程介绍

某单层网壳结构, 其俯视平面形状为圆形, 底平面的直径为100m, 球面直径为100m, 矢高为6.7m, 球面中心角为60°, 具体模型见图1。

材料:钢管, E=2.1e11, v=0.3, 剪切模量G=8e10。

截面几何:杆件均为空心钢管, 环杆内径为d1, 壁厚t1, 径杆内径为d2, 壁厚t2, 斜杆内径d3, 外径t3。

2 有限元模型

用beam188来模拟肋杆、径杆及斜杆。Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构, 该单元基于铁木辛哥梁结构理论, 并考虑了剪切变形的影响。Beam188是三维线性 (2节点) 或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度, 自由度的个数取决于KEYOPT (1) 的值。当KEYOPT (1) =0 (缺省) 时, 每个节点有六个自由度;节点坐标系的x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动。当KEYOPT (1) =1时, 每个节点有七个自由度, 这时引入了第七个自由度 (横截面的翘曲) 。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。当NLGEOM打开的时候, beam188的应力刚化, 在任何分析中都是缺省项。应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题 (用弧长法) 分析特征值屈曲和塌陷) 。Beam188/beam189可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite及secread定义横截面。本单元支持弹性、蠕变及素性模型 (不考虑横截面子模型) 。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。图2是单元几何示意图。

3 优化数学模型

3.1 目标函数

本文以单层网壳的总重为目标函数, 网壳优化设计的熟悉模型可表示为:

式中, D, t分别为构件截面直径和壁厚设计向量;W为基础总重量;为i组构件中所有构件之和;ρi为i组构件密度;lm为杆长。

3.2 约束条件

一是几何约束 (如尺寸约束、形状约束等) ;二是性能约束。对于单层网壳, 起控制作用的约束包括位移约束和应力约束, 同时在设计中要考虑稳定性。

(1) 刚度约束条件。

网壳常规设计要求顶部最大挠度不得超过其许用挠度值为顶部最大挠度值, 为允许值。

(2) 强度约束条件。

网壳常规设计要求杆件的计算应力值不得超过许用应力值σmaxi-[σ]≤0, σmax i为i组构件最大正应力, [σ]为允许应力值。

(3) 压杆稳定性条件。σicmax-[σic]≤0, 式中, σicmax=Ni/ (ϕiAi) , Nj, ϕi, iA分别为第i根受压杆件的轴心压力、稳定系数和截面积, [σic]为允许值。

(4) 容许长细比的限制。

, 式中, , Li为第i根杆件的计算长度, ri为第i根杆件截面的回转半径, 为允许值

(5) 杆件最小截面积和壁厚的限制。

Di和ti分别为杆件的直径及壁厚, 分别为杆件设计变量的下限和上限。

3.3 约束处理

粒子群算法是一种无约束优化方法, 为了求解上面的优化问题, 必须先将约束优化问题转化为无约束优化问题, 本文采用惩罚函数进行处理。

4 ANSYS软件优化技术

本文采用ANSYS软件高级分析技术中的优化设计模块来解决基础结构整体优化设计问题。该模块将有限元分析技术与优化方法相结合, 从而构成基于有限元分析技术的优化方法。ANSYS的优化分析过程与传统的优化设计过程相类似, 在优化设计之前, 要先确定好设计变量、约束条件和目标函数。所不同的是其数学模型必须要用参数来表示, 包括设计变量、约束条件和目标函数的参数化表示。

ANSYS软件提供了两种优化方法即零阶方法和一阶方法。零阶方法是主要通过对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的优化问题, 再用曲线拟合来建立目标函数和设计变量之间关系来实现逼近的。在零阶算法运算中只用到因变量 (状态变量和目标函数) 而不用其偏导数, 其优化处理器通过随机搜索建立状态变量和目标函数的逼近。一阶方法同样是通过对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的优化问题后, 再使用因变量对设计变量的偏导数进行梯度计算, 从而确定搜索方向, 并用线搜索法对非约束问题进行最小化, 而不是对逼近数值进行操作;其每次迭代都由一系列的子迭代组成,

一次优化迭代有多次分析循环, 此方法精度高但计算量大。总体而言, 以上优化设计过程可用图3来表示。

5 计算结果 (如表1)

6 结语

本文采用ANSYS软件的优化模块 (零阶方法和一阶方法) 对单层球面网壳结构进行优化设计, 以环杆、径杆和斜杆的直径及壁厚为设计变量, 以结构总重量作为优化的目标函数, 在给定的约束条件下建立了优化数学模型。当选择零阶方法时, 最优设计尺寸为:d1=0.097, d2=0.094, d3=0.086, t1=0.0038, t2=0.0041, t3=0.0038, 最优目标函数值为335890N, 比初始设计减少25.85%的重量。当选择一阶方法时, 最优设计尺寸为:d1=0.095, d2=0.120, d3=0.079, t1=0.0036, t2=0.0035, t3=0.0034, 最优目标函数值为3178200N, 比初始设计减少29.84%的重量。本方法在单层球面网壳结构优化设计及施工等方面有着广泛的应用前景。

摘要：单层球面网壳结构是一种具有吸引力的空间结构型式, 为改善其经济性, 本文采用ANSYS软件的优化模块 (零阶方法和一阶方法) 对其进行优化设计。

关键词：球面网壳结构,优化设计,ANSYS

参考文献

[1]Dag Kavlie, Johannes Moe.Automateddesign of frame structures[J].Journalof Structural Division, ASCE, 1971.

[2]Saka M P.Optimum design of nonlin-ear elastic framed domes[J].Advancesin Engineering Software, 1998.

[3]张年文, 等.考虑几何非线性影响的单层网壳优化设计[J].空间结构, 2003.

球面设计篇6

非球面有矫正像差的作用, 可以简化光学系统并提高其精度[1]。目前检测非球面的方法有测头接触式检测和基于光学原理的非接触式检测[2]。其中, 测头接触法以其高的精度和简单的算法而应用较多。一些研究人员对非球面测头接触式测量进行了研究。Shibuya等[3]提出了一种应用于非球面测量的螺旋式扫描测头系统;Amiya等[4]介绍了一种图像变形设计, 增加了单模光纤扫描测头测量非球面时的数值孔径, 并且使激光汇聚效率得到了提高;Henselmans等[5]在NANOMEFOS测量机上采用Cacace[6]设计的非接触光程传感器测头, 能够快速准确地测量非球面和自由曲面;Chen等[7]采用TESA GT22接触式电感传感器, 结合纳米测量机床, 克服了非球面表面倾角过大而无法测量的问题;Chen等[8]在一台四轴超精密磨床上安装了一个测头半径为0.5mm的蓝宝石探针, 实现了在小非球面超精密磨削的在机接触式测量;贾立德等[9]针对非球面检测过程中测量力对测头测量不确定度的影响问题, 建立了测杆倾斜等若干变形对测量精度的影响模型等。

目前接触式测头产品大体分为机械式、触发式和扫描式三种[10]。由于非球面测量中既要保持非球面产品高的表面质量, 又要达到高的测量精度, 因此测量中既要保持测头与工件表面有一定预压力, 又要使该压力越小越好。普通的机械式和触发式测头测量压力往往都达不到上述要求, 而扫描式测头则需要一种无摩擦、无回程误差、灵敏度高、运动直线性好的三维微导轨系统。采用空气轴承[11]可以使测量轴与轴承之间几乎无摩擦力, 测量轴采用气动控制可以调节测头与非球面表面的接触力, 从而减小测量探针对被测非球面表面的压力, 减小划痕和划伤, 并且准确地将非球面轮廓信息反映给测量头并转化为测量轴位移信息, 灵敏地反映非球面形状误差变化, 从而很好地解决扫描式测头的关键问题。Suzuki等[12]在其在位非球面形状测量系统里采用了空气轴承支撑测量轴的测头, 实现了对非球面的高精度测量。

本文针对非球面接触式测量, 设计了三种应用于非球面接触式测头的采用不同节流孔形式的方形空气静压轴承, 并分别对它们的承载力、刚度、消耗空气流量进行了工程算法计算和仿真分析, 同时设计了控制测量轴轴向移动的空气压力腔模型, 并对整个测头工作时内部的空气流体性能进行了仿真研究, 预测了测头工作时的静态性能。

1 非球面超精密气浮式测头的设计

1.1 设计要求

测头的主要功能是将非球面轮廓信息以测量轴位移的形式精确地表现出来, 同时由测量轴后端的光学位移反馈系统测量出测量轴的位移情况, 读入计算机系统并分析得出测量结果。在非球面超精密测量过程中, 若测头与被测表面的压力大于5mN, 则会增大测头在被测表面的滑动阻力, 增大测杆的倾斜度;若小于0.1mN, 则容易使测头跳动, 降低测量速度。因此, 在本文非球面超精密气浮式测头的设计中, 为了使测量精度达到设计要求的0.1μm, 需要控制测头与被测表面接触力大小, 即控制测量轴的轴向受力在0.1~5mN之间。同时, 为了使测量轴在该微小受力的情况下移动自如, 需要保证测量轴与轴承之间的摩擦力远小于0.1mN。如果采用普通轴承或者液体润滑轴承, 轴与轴承间存在相对较大的摩擦力, 无法控制轴向力达到上述效果。因此, 本文采用空气静压轴承, 使轴与轴承之间几乎无摩擦力, 无污染, 并且轴承刚度高, 可满足上述设计要求。

由于测量时要对测头半径进行误差补偿[13], 要求测量轴不能旋转, 所以测量轴采用方形轴, 空气静压轴承也采用方形设计。由于轴承刚度影响测量误差, 且刚度越大误差越小[9], 因此刚度应达到0.15MN/m以上。测量轴轴向受力的控制采用在轴上设计段差, 即面积差, 通过控制段差上的气压, 来控制测量轴的轴向受力, 本测头采用两个气腔来分别控制两个段差上的压力, 进气压力可以在0.001~0.1MPa范围内调整, 分辨率为1kPa。

1.2 总体设计

如图1所示, 整个测头尺寸大约在50mm×50mm×50mm以内, 测头主要由空气静压轴承、箱体、测量轴和气腔分隔片组成。控制段差A和段差B上气压的两个气腔分别由进气孔A和进气孔B通入压缩空气, 并且在另一侧设出气孔。两个气腔之间设分隔片, 用于分隔气腔压力, 两气腔之间在分隔片处留有间隙h2。

1.3 方形空气静压轴承设计

轴承刚度对测头精度有较大影响, 轴承刚度越大测量误差越小, 精度越高。因此设计出刚度大且加工简单的空气静压轴承有利于测头功能的实现, 同时降低加工成本。鲍威尔的表压法[14]是传统的工程算法, 适用于计算空气静压轴承的设计尺寸, 因此根据实际要求, 从简化测头结构等角度考虑, 设计了三种采用不同节流孔形式的方形空气静压轴承, 分别为:简单孔设计、环槽简单孔设计和环形孔设计。

图2所示分别为这三种轴承的大体设计图形, 其中环槽简单孔仅仅是将简单孔设计的节流孔下端的压力槽改为环轴承内孔的方槽, 环形孔设计的轴承节流孔下端没有压力槽。空气静压轴承节流孔越少, 加工费越低, 所以三个轴承均采用单排进气孔, 每面打一个进气孔, 共4个。其中, 轴孔长为K、轴孔宽为Q, 进气孔到轴承端面的距离为L, 气膜平均厚度h1=20μm, 供气压力p0=0.4MPa (包含0.1MPa的大气压) , 出口为环境大气压pa=0.1MPa, 表压比Kg=0.4。

简单孔、环槽简单孔形式的节流孔直径d1和环形孔形式的节流孔直径d2表达式分别为

式中, G为狭缝因子;Fp为压力因子;Fg为气体特性因子;CD为节流系数。

在计算承载力时, 由于是方轴, 在竖直方向上, 轴的下表面受力减去上表面受力即为其承载力W:

式中, Cw为载荷扩散系数;CL为非轴向流修正系数;pd2为轴承下表面进气孔处压强;pd1为轴承上表面进气孔处压强。

经计算发现这三个轴承的承载力近似相等。

流量计算公式为

式中, Co为流量扩散系数;pd为偏心率为零时进气孔处压强;μ为气体黏度。

简单孔与环槽简单孔的流量计算结果一样, 环形孔由于流量扩散系数不同, 计算结果大于上述两种孔的结果。表1列出了它们的设计尺寸和性能。表1中所列的承载力和流量是将供气压p0调整到0.6MPa, 偏心率取ε=0.5计算所得的。

1.4 气腔设计

气腔A与气腔B分别控制两个段差表面压力, 空气压力需控制在0.001~0.1MPa (该值为相对压力, 即去除了大气压之后的压力) 之间。为保证两个气腔保持不同压力, 可以模仿气流在空气轴承间隙之间的压降进行计算。由于需要两个不同压力的气腔, 气腔之间又不能封死, 必须留有大于空气轴承与测量轴之间间隙的厚度, 并且要满足压力从一个气腔经过间隙后降为另一个气腔的压力。由公式

可以推得

式中, h2为气腔间隙厚度;m为空气质量流量;R为气体常数;T为绝对温度;l为间隙长度;a为间隙宽度;p1、p2为两个气腔的压强。

由式 (6) 可得从一个气腔到另一个气腔流量与间隙厚度的关系, 设p2=0.1 MPa, p1=0.001MPa, 可以确定设计间隙厚度h2, 如图1所示。段差厚度根据测量需要修改, 本测头用于水平测量, 段差A面积取S1, 段差B面积取S2。

2 超精密气浮式测头仿真

2.1 建模与网格划分

设上游气道压力等于气流入口压力, 并且忽略倒角等对整体气体模型性能影响不大的结构, 采用UG建模软件建立测头内部气体的流体模型。由于结构左右对称, 可只建立一半模型, 以减少网格数量。设测量轴工作时偏心率ε=0.5, 在径向方向上, 空气静压轴承内下层气膜厚度仅10μm。采用ANSYS自带的网格划分软件ICEM对气流模型划分结构网格, 网格数量约36万个, 并且设测量轴上表面名称为Wall-up, 下表面名称为Wall-down, 空气静压轴承进气道入口面为Inlet 1, 气腔A和气腔B进气道入口面分别为Inlet 2和Inlet 3, 气流出口为Outlet, 以便后续分析, 如图3所示。由于气腔对空气静压轴承性能的影响不大, 可以单独对空气静压轴承进行建模分析。

2.2 仿真计算

ANSYS-Fluent流体分析软件采用有限体积法解N-S方程[15], 并且有着能适应非结构网格等优点而广泛用于计算流体力学。本文采用该软件进行仿真分析。计算时, 考虑到气体压缩性, 采用理想气体模型。空气静压轴承内气流状态设为层流, 气腔结构尺寸很小, 进气孔直径仅2mm, 在流量不大、气体速度不大的情况下, 可以不考虑气体湍流流动, 因此整个结构采用层流模型。边界条件设置如图3所示, 空气轴承进气面Inlet 1压力ps1=0.5MPa, 两个气腔的进气面Inlet 2和Inlet3分别通入ps2=0.1MPa和ps3=0.01MPa的压强, 出口压力为0, 这里环境压力设置为大气压0.1MPa, ps1、ps2、ps3以及出口压力都是相对压力。算法采用SIMPLEC迭代算法, 当连续性、速度、能量残差曲线 (即它们的残差值) 降低到满足收敛要求时, 迭代解收敛, 计算停止。

2.3 三种不同节流孔形式的空气静压轴承模型压力分布与性能的对比分析

对于设计的三种不同节流孔形式的空气静压轴承, 先去除气腔模型, 对它们单独进行仿真分析, 压力分布结果如图4所示, 气膜间隙均为20μm, 偏心率ε=0.5。从图4中可以看出, 环槽简单孔并不能改善气压分布, 仅能使气压以环形向外降压的形状变为近似于菱形向外降压的形状。

ANSYS-Fluent可以计算出面所受到的气体压力, 如表2所示。表2列出了这三个轴承承载力和所耗流量的大小, 从表中可以看出: (1) 简单孔设计承载力最大, 流量最小; (2) 环槽简单孔承载力最小, 仅为没有开环槽的简单孔的40%; (3) 环形孔承载力居于上述两者之间, 但所耗流量最大。因此简单孔周围开环槽, 效果不好。值得指出的是, 相同结构设计下环形孔承载力确实比简单孔小, 但是小得不多, 在刚度要求不高的情况下, 由于环形孔更易加工, 可以优先采用环形孔。事实上, 若测量轴质量为10g, 三个轴承承载力都能满足需求。

如图5所示, 从三个轴承轴向气压分布可以看到, 有环槽简单孔轴承的上下表面压差远小于其他二者, 并且对比表1和表2可知, 其承载力值只有工程算法计算值的一半, 可能是因为1mm宽的环形槽过宽, 相当于简单孔的压力槽容积过大, 反而失去了压力槽的作用, 效果相当于增大了轴承与轴在进气口处的气膜厚度, 导致测量轴下表面压力骤降, 轴承上下表面压差大大减小。简单孔和环形孔轴承的气压分布曲线大体相同, 但是从图中可以看到简单孔轴承下表面的节流孔附近1mm范围内, 压力保持在0.425MPa左右, 从而使简单孔的承载力大于环形孔的承载力, 原因就在于压力槽起到了一个相当于保压的作用。

1.轴承下表面中心线受力曲线2.轴承上表面中心线受力曲线

2.4 气腔仿真结果分析

对整体气流模型进行仿真计算后, 得到测头内部气流压力分布图, 见图6。可以看到, 添加气腔后, 空气静压轴承的出口压力不再是大气压力, 而增大到了两个大气压。同时从两个气腔的颜色可以明显看出两个气腔由于通入不同的进口压力, 压强也分别不同, 这说明前面在气腔间设计的间隙起到了分隔气腔压力的作用。

图7显示了沿测量轴上下表面中心线的气压分布。从图上可以看到, 无论采用哪种轴承, 左边入口通0.1MPa气压的气腔内, 气压稳定在0.07MPa, 说明高压气流进入气腔后气压产生了一定压降。右边通0.01MPa气压的气腔, 气压稳定在0.01 MPa, 这样两个气腔压力可以在0.01~0.07MPa之间调控, 并且轴承的形式几乎对气腔没有影响。通过设计合理的段差面积, 如段差A和段差B都设计为0.1mm2, 此时, 气腔A气压为0.07MPa, 段差A受力为7mN, 即测量轴受到向右的推力为7mN。气腔B气压为0.01MPa, 段差B受力为1mN, 即测量轴受到向左的推力为1mN。所以测量轴总体受到向右的推力为6mN, 若要满足在5mN以下, 只要将气腔B的气压调高到0.02MPa以上即可。对两个气腔不断调压, 理论上可让测量轴轴向受力最小为0.1mN。

在图7中可以看到左边气腔上表面压力有一个从0.07~0.1MPa的峰, 从图8气腔截面气压分布图可以看到, 在上表面有一个山峰状高压区 (红斑) , 这里之所以产生高压, 可能是因为气体从进气道流入气腔撞到测量轴上表面所致, 此时气体速度突降, 动能都转换为压能, 气压突然升高, 而下表面则没有。因此为了能够稳定地控制测量轴轴向受力, 就要避免该区域的产生, 使得段差随轴无论运动到气腔的哪个位置都能处于稳定的压强内。所以把段差设计在测量轴下表面, 即背向进气孔端。

1.轴承下表面中心线受力曲线2.轴承上表面中心线受力曲线

2.5 测头总体性能分析

从表3中可以看到, 采用简单孔轴承的测头承载力可以达到17.68N, 表2中单个简单孔设计轴承承载力有10 N, 理论上两个可以达到20N, 说明气腔的加入让轴承的承载力稍稍下降, 采用其他两种节流孔形式的轴承有类似情况发生。从图6中可以看到, 左边的空气静压轴承右端口与气腔相连, 压力等于气腔压力, 大于大气压力, 使得该轴承内右半部分测量轴上表面气压压力高于左半部分气压压力, 从而使得压差减小, 承载力稍稍降低, 但是刚度还是符合设计要求的, 因此气腔压力不宜太大, 否则会降低空气静压轴承的刚度。

流量方面, 采用三种不同节流孔形式轴承的测头总消耗空气流量分别为1.983 m3/h、1.984m3/h和2.177m3/h。同时可以看到主要是通0.1MPa压力的气腔 (即Inlet 2进气面) 消耗了大部分流量, 比如采用简单孔轴承的测头, 通过Inlet 2进气面的流量达到1.474m3/h, 如果两个气腔都通0.1MPa, 总流量将达到3.311m3/h, 因此选用空压机时, 排量至少在3000L/h以上, 同时注意压力尽量调小, 以减少流量消耗。

3 结论

(1) 综合性能与加工等因素, 三种不同节流孔形式的方形空气静压轴承中, 节流孔为环槽简单孔承载力最差, 简单孔加工相对复杂, 因此优先采用环形孔, 排列形式为单排, 每排开设4个进气孔。

(2) 两个气腔之间的间隙可以有效地使气腔之间压力互不影响, 使两个气腔压力可分别在0.01~0.07MPa间调控, 符合设计预期。

(3) 背离进气孔端气腔压力较为稳定, 没有压力突增区域, 因此段差设置在背离进气孔端。另外, 气腔使空气静压轴承的承载力下降。

(4) 设计的测头, 刚度在0.15MN/m以上, 测量探针对被测表面的压力可控制在0.005N以下, 消耗空气流量最高可达3.6m3/h, 设计满足要求。

摘要：非球面接触式测量过程中, 采用空气静压轴承的气浮式测头, 可以减小测量探针对被测表面的压力和测头移动过程中所受的摩擦力。设计了一种非球面超精密气浮式测头, 采用工程算法对其方形空气静压轴承进行了尺寸设计, 建立了三种采用不同节流孔形式的轴承设计模型, 同时分别对这三个轴承工作时内部的气流以及整个测头内部的气流建立了有限元模型, 并采用Fluent流体计算软件对以上气流模型的气压分布、压强以及流量进行了仿真计算, 预测了测头的静态性能。结果表明, 测头刚度可达1.77MN/m, 测头与被测表面之间的接触力可控制在0.17mN之间, 所消耗空气流量最多为3.6m3/h, 满足测头设计要求。

球面设计篇7

作为空间结构中最有代表性的结构,单层球面网壳因其结构构造简单,造型丰富,重量轻,受力合理,已经成为大跨度空间结构中一种举足轻重的主要结构形式,在工程结构中得到了广泛的应用。与此同时,单层球面网壳的优化设计研究已经成为学界和业界研究的热点[1]。

目前对那些设计变量和约束条件较少和简单的小规模结构,其优化设计的研究比较充分,但对像单层网壳这样结构的优化研究却不多。这主要有三方面的原因:1)在对单层网壳进行有限元分析时,约束条件复杂。2)如果考虑几何非线性的影响,问题更为复杂。3)设计变量和约束条件都比较多,优化分析时不易收敛到最优解。文献[2]在单层网壳的优化过程中,虽然考虑到几何非线性的影响,但约束条件较少;文献[3]的优化模型虽有足够的约束条件,但其中的强度和稳定性约束条件不符合实际情况。

以单层球面网壳的用钢量为目标函数,按照满应力准则设计方法,通过有限元方法进行分析,对单层球面网壳工程设计中的各种参数进行优化。满应力设计是以结构构件达到满应力准则,使杆件材料得到充分利用的方法[4]。其设计思路就是对一个一定的结构形式,通过调整杆件的截面尺寸,从而使杆件的受力能力得到充分的发挥。具体表现如下:对已定型的结构在多种荷载作用下,使结构在总体荷载组合的情况下各杆件最大正应力基本达到材料强度设计值,即满应力状态,此时就认为使满足结构安全可靠条件下重量最轻。

选取结构的跨度、矢跨比、网格数(构件尺寸)、约束条件作为设计变量,通过对这些变量取不同的数值,以期得到该变量的最优设计数值。并参考JGJ 61-2003网壳结构技术规程和GB 50017-2003钢结构设计规范,来验证优化数据是否合理。

2 单层球面网壳的最优设计参数

2.1 优化思路

按照满应力准则设计方法,通过有限元方法进行分析,对单层球面网壳工程设计中的各种参数进行优化。选取结构的结构类型、跨度、矢跨比、网格数作为设计变量,通过对这些变量取不同的数值,以期得到该变量的最优设计数值,达到为工程实践服务的目的。为了使优化具有可比性,本文有关参数统一取值:均布静荷载取q=1.5 kN/m2,网壳杆件钢材密度ρ=78 kN/m3,钢材的弹性模量E=2.1×1011N/m2,约束形式为下弦周边固支。

2.2 网壳矢跨比与用钢量的关系

矢高对结构的受力状况有一定的影响,特别是对单层球面网壳结构,存在某一矢高能使结构受力极其合理,现取在相同跨度、网格数、约束条件同为下弦周边固支,以单层凯威特型球面网壳为例,对比分析不同矢跨比的用钢量。分析结果见表1,图1。

经分析可知,矢跨比在1/6～1/5这个范围内时,用钢量最省。即恰当的矢跨比取值对用钢量有着重要意义。

2.3 网壳跨度与用钢量的关系

由设计理论和实践经验可知,结构的跨度增大,可使结构的用钢量大幅增加。所以在结构选型时,要做好对比分析工作,满足结构要求的前提下尽量减小跨度,毕竟不管在哪种矢跨比的情况下,其用钢量都是随跨度的增大而增大的。采用了同矢跨比、同跨度、约束条件为周边固支、网格尺寸按照规范要求取定对用钢量进行分析。以单层凯威特型网格为例,对其用钢量进行比较分析,比较结果见表2。

2.4 构件尺寸(网格数)与用钢量的关系

根据发展已趋于成熟的混凝土薄壳结构理论进行初步分析,在单层网壳结构中,杆件大多是压弯杆,其承载能力要受到长细比要求的限制,所以,选择杆件的合适长度至关重要。现取跨度为40m、矢跨比为1/7的凯威特型单层球面网壳在不同网格划分情况下的用钢量进行分析,分析结果见表3。

由表3可知:网格划分情况不一样,其用钢量就有差别,又因网格尺寸有限制,所以在划分网格时就要不同跨度采用最优的网格划分方法。例如:跨度40m的,构件尺寸在2m～3m最节省用钢量;跨度60m的,构件尺寸在3m左右用钢量最为节省。

2.5约束条件对结构的用钢量影响分析

在以上优化计算过程中,不改变单层球面网壳的结构形式、网架跨度、矢跨比、网格(构件尺寸)都保持不变,仅仅改变结构的约束条件,其结构的用钢量不发生变化,所以约束条件对网架结构的最优设计参数没有什么影响,在对单层球面网壳结构进行优化设计时不用考虑约束条件对用钢量的影响。

3结语

1)不同的矢跨比会造成用钢量的不同,结构的矢高对其受力有一定的作用,特别对单层球面网壳结构存在某一矢高能使结构受力极其合理。根据所采用的设计方法可以得出,当矢跨比在1/6～1/5范围内时,结构的用钢量最省。2)网壳跨度与用钢量的关系比较明显,即跨度越大,其用钢量也随着增大。3)单层球面网壳的杆件大多是受压杆件,受压杆件受到长细比的限制,就影响到了单层网壳网格的划分,经对比分析,建议:跨度40m的,构件尺寸采用2m～3m;跨度60m的,构件尺寸采用3m左右。4)采用的方法就各种空间网格结构而言,可根据其特有的构成规律,通过改变其中的参数,然后加以处理,即可利用计算机进行设计,大大减少设计的工作量。

经过改变单层球面网壳的一个参数,其他参数不变,以用钢量为优化目标,通过对比分析计算,可得知各种参数的最优数据,以达到节省用钢量,减少造价的目的。因此,在实际工程设计中,应考虑各方面因素,采用最优参数,为工程实际提供最优设计。

参考文献

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[3]方有珍,王秀丽,朱彦鹏.凯威特型单层球面网壳的优化设计[J].甘肃工业大学学报,1999,25(3):91-96.

球面设计篇8

球面对称设计[3]是在球面设计的基础上, 实验点分布在球面各卦限内的中心点和球面与坐标轴的交点上, 而球心作为中心对照点的一种实验设计。在球面对称设计中, 球面所在空间的维数等于试验因素的个数, 球半径是因素个数的平方根, 各实验点的坐标就是对应因素的水平, 因此, 实验点坐标有-r, -1, 0, 1, r等5个, 即各因素有5个水平, 实验次数为2n+2n+1, 其中n为因素个数[3]。以3因素为例, undefined, 则因素的水平代码为undefined。球面对称设计的优点是实验次数与正交相当, 但实验精度高, 并且由此得到的关系式可以确定任何范围内的实验点的预测值, 对于需要控制指标和多指标的实验, 效果尤为显著[4], 因此已广泛应用于药物制剂配方优化[5]、发酵条件优化[6]、药物提取工艺优化等[7]领域。

前文我们报道了应用Plackett-Burman设计和球面对称设计优化酵母发酵培养基, 使酵母发酵菌量大幅度地提高从而提高谷胱甘肽的产量[8], 但是细胞内GSH质量分数却没有提高。因此本文在此基础上, 通过高渗刺激改变酵母生长环境, 加入GSH合成所需要的氨基酸底物, 并使用球面对称设计方法优化了添加物的组合方案, 提高了胞内GSH生物合成量与总产量。

1 材料

1.1 菌株

S.cerevisiae E472c 酵母菌株 (本实验室筛选保藏) [9]

1.2 材料与试剂

谷胱甘肽对照品、四氧嘧啶购自上海生工, 其它试剂均为国产分析纯。

1.3 培养基

1.3.1 斜面培养基

PDA培养基:称取马铃薯200 g, 洗净去皮切成小块, 加水1000 mL煮沸30 min, 纱布过滤, 再加葡萄糖20 g和琼脂20 g, 充分溶解后分装试管, 每试管约5 mL。

1.3.2 种子培养基/g·L-1

葡萄糖 20, 酵母膏 20, 蛋白胨 10, NaCl 2

1.3.3 发酵培养基/g·L-1

葡萄糖 23.64, 酵母膏 29.07, 半胱氨酸 1, (NH4) 2SO4 2, 蛋白胨 5, KH2PO4 1, MgSO4 1, NaCl 2。

2 方法

2.1 酵母菌的培养

将斜面活化的菌种用接种环接入种子培养基 40 mL, 28℃, 220 r·min-1培养22 h至对数生长末期, 按10%接种量转接至发酵培养基40 mL, 30℃, 220 r·min-1发酵30 h。收集发酵液, 4000 r·min-1离心20 min , 用蒸馏水清洗细胞, 再次离心, 再次清洗细胞, 再离心, 称湿菌重。将湿菌适量稀释后均匀铺于培养皿中, 在70℃烘箱中处理7 h, 称得干菌重量。

2.2 测定方法

2.2.1 谷胱甘肽提取方法

采用体积分数40%乙醇破细胞法:精确称取1 g湿菌体, 置于100 mL三角瓶中, 然后向其中加入体积分数40%乙醇20 mL, 30℃, 250 r·min-1 振荡 2 h, 12000 r·min-1离心1 min, 取上清, 即得含GSH的提取液。

2.2.2 谷胱甘肽含量测定方法:ALLOXAN试剂衍生化法[10]。

2.2.3 菌量测定方法:

将发酵液于4000 r·min-1, 离心20 min, 弃上清, 称湿菌重。将湿菌适量稀释后均匀铺于培养皿中, 在70℃烘箱中处理7 h, 称得干菌重量。

2.3 高渗刺激物KCl的影响:

精确称量, 在发酵培养24 h时, 向培养体系中一次性添加一定量KCl以达到实验所需终浓度。发酵液继续培养至总发酵时间30 h, 终止。将发酵液离心, 取菌体破壁抽提, 测定GSH产量。

2.4 底物的影响:

精确称量, 在发酵7 h时, 向培养体系中一次性添加一定比例、一定总量的底物氨基酸, 以达到实验所需终浓度。发酵液继续培养至发酵总时间30 h, 终止。将发酵液离心, 取菌体破壁抽提, 测定GSH产量。

3 结果

3.1 GSH标准曲线

采用四氧嘧啶法测得的标准曲线回归方程为:

y=0.0346x+0.0272, r2=0.9932。

其中x为GSH对照品质量浓度 (mg·L-1) , y为吸光度。

3.2 KCl对GSH生物合成的影响

在酵母发酵培养24 h时分别加入KCl 0、5、10、15 g·L-1, 发酵至30 h, 结果如表1所示。当KCl质量浓度在0～10 g·L-1范围内时, GSH产量随KCl添加浓度的上升而增加, 在10 g·L-1时含量达到最高, 之后随KCl质量浓度增加而下降。

3.3 前体氨基酸对GSH生物合成的影响。

在酵母发酵培养7 h时分别加入不同比例的甘氨酸和谷氨酸, 发酵至30 h。结果如表2所示。可以发现甘氨酸与谷氨酸的比值对GSH胞内质量分数及总量有明显的影响。当加入甘氨酸3.3 g·L-1, 谷氨酸6.6 g·L-1时产量达172.8 g·L-1。在1:5的范围内, GSH产量于Gly:Glu =1:2时达到顶峰。因此当Gly:Glu =1:2时, GSH产量最高。

3.4 球面对称设计优化

以KCl、Gly、Glu为考察因素, 每个因素选取5个水平, 采用球面对称设计, 各水平安排见表3, 结果见表4, 其中X1代表KCl, X2代表Gly, X3代表Glu, 每个水平重复3次取平均值。

将实验数值进行计算机多元处理, 得回归方程为:

Y1=6.85-0.18 X1-0.46 X2-0.29 X3+0.02 X12+0.16 X22+0.02 X32-0.04 X1 X2 -0.04 X2 X3

Y2=308.90-7.55 X1-4.60 X2-17.63 X3+1.36 X12+11.34 X22+1.53 X32-4.46 X1 X2-0.10 X1 X3-4.11 X2 X3

可以看出KCl、Gly、Glu添加量对GSH胞内含量和总产量都有重要的影响。以Y2 (总产量) 为首要衡量指标, 对上述回归方程在undefined范围内进行偏回归求解最大值, 得到最优点: X1 =7.00 g·L-1, X2 =5.00 g·L-1, X3 =7.00 g·L-1时产量最高, 理论产量为242.8 mg·L-1, 胞内质量分数为4.42%。

2.3 结果验证

为进一步确认计算结果, 以该法选出的最适条件进行发酵验证实验, 同时以未添加刺激物组作为对照, 理论上按此条件发酵GSH产量为242.8 mg·L-1, 优化前谷胱甘肽产量为146.4 mg·L-1, 胞内GSH质量分数2.92%, 优化后谷胱甘肽平均产量为257.3 mg·L-1, 胞内GSH质量分数4.47%, 比优化前分别提高了约75.7%和69.3%。同时说明该模型较好地预测了实际发酵的结果。

3 讨论:

酵母细胞具有很强的应激反应能力, 一些环境压力如高盐、高渗透压、高热、低营养等[11]都能促进酵母胞内合成GSH等保护因子。实验中观察到在酵母发酵过程中添加KCl能显著提高酵母胞内GSH含量, 并与KCl添加浓度相关。使用KCl而不是用NaCl进行高渗刺激的原因是钾离子作为酶激活剂, 可能会激活γ-L-谷氨酰-L-半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶, 促进GSH的合成, 对GSH生成的刺激作用也优于NaCl[12]。

加入氨基酸前体也能促进酵母细胞合成GSH, 在应激条件下, 酵母细胞可能会摄取更多的氨基酸前体, 增加GSH合成代谢流, 外源性KCl和前体间可能存在协同作用, 因此我们选用球面对称设计来优化各添加物的最佳添加浓度, 可综合考虑各因素的交互作用, 且实验次数较少。

实验表明, KCl、Gly、Glu添加量对GSH胞内含量和总产量都有重要的影响, 根据拟合方程推断三者最佳添加量分别为7 g·L-1、5 g·L-1和7 g·L-1时, 理论产量可达最大, 为242.8 mg·L-1。验证实验表明, 在此条件下GSH平均产量可达257.3 mg·L-1, 比优化前分别提高了约75.7%, 同时细胞内GSH质量分数也从 2.92%提高到4.47%。另外, 考虑到KCl、Gly、Glu原料价格均较低廉且容易购买, 因此该方法适用于工业生产中降低GSH的发酵成本。

摘要：研究了提高细胞内谷胱甘肽质量分数的方法。谷胱甘肽的总产量与细胞的数量和细胞内谷胱甘肽质量分数有关, 通过添加底物和刺激物可以促进谷胱甘肽生物合成, 提高胞内谷胱甘肽的质量分数。实验考察了高渗刺激物与前体氨基酸对胞内谷胱甘肽质量分数的影响, 并应用球面对称设计优化了实验条件, 使得胞内谷胱甘肽质量分数达4.47%, 产量达257.3mg.L-1, 分别比优化前提高了约69.3%和75.7%。

关键词：高渗应激,球面对称设计,谷胱甘肽,啤酒酵母

参考文献

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球面设计篇9

1 工程概况

文章以某钢结构球面网壳结构为研究对象, 该网壳最大跨度40 m, 厚度1.6 m, 采用正放四角锥结构形式, 支座为下弦节点支承形式, 采用固定铰支座, 设置在混凝土圈梁上, 共有28个支座。

该网壳结构形状为球面的一段切面, 建模时先利用三维绘图软件SKETCHUP在球面上切出所需形状, 再通过AUTOCAD绘制杆件并导入到SAP2000中计算。主体结构钢材选用Q235, 钢材屈服强度取195 MPa, 弹性模量为206 kN/mm2。

网壳结构杆件之间的连接视为铰接, 所用杆件尺寸为ϕ48×3.5、ϕ60×3.5、ϕ75.5×3.75、ϕ88.5×4、ϕ114×4、ϕ140×4和ϕ159×6 (单位均为mm) 等7种。杆件只受拉或受压, 压杆长细比限值为180, 拉杆长细比限值为250, 且不考虑网架节点的刚度影响。

整个网壳采用焊接球节点, 球节点型号从ϕ120×4到ϕ350×10, 理论用钢量共13.7 t, 约22 kg/m2。网壳示意见图1、图2。

2 结构计算

通过有限元分析软件SAP2000[4]对结构进行设计计算, 并用3D3S结构设计软件进行校核和绘制施工图。

2.1 荷载工况

该网壳结构承受的主要荷载有恒荷载、活荷载、风荷载和地震荷载, 各荷载工况取值如下:

1) 恒荷载:作用在上、下弦节点上, 均取0.5 kN/m2, 程序计算时考虑节点自重占结构自重的20%。

2) 屋面活荷载:上弦屋面均布活荷载为0.75 kN/m2。

3) 风荷载:作用在上弦节点上, 基本风压取0.6 kN/m2。

4) 地震作用:抗震设防烈度为7度, 设计基本加速度0.15g, 地震分组为第一组, 场地类型为Ⅰ类, 阻尼比为0.05。

2.2 荷载组合

1) 1.2恒

2) 1.20 恒+1.4活

3) 1.2恒+1.4风

4) 1.2恒+1.3地震

5) 1.35恒+1.4×0.7活

6) 1.35恒+1.4×0.7活+1.4×0.6风

7) 1.2恒+1.4×0.9活+1.4×0.9风

8) 1.2恒+1.4活+1.4×0.6风

9) 1.2恒+1.4×0.7活+1.4风

10) 1.2恒+1.2×0.5活+1.3地震

11) 1.2恒+1.2×0.5活+1.4×0.2风+1.3地震

2.3 计算结果

1) 内力结果比较

将SAP2000和3D3S分别计算得到的杆件最大内力进行比较, 比较结果见表1。

2) 位移计算结果

将SAP2000和3D3S分别计算得到的节点最大位移进行比较, 比较结果见表2。

按照1/400的跨度值[6]作为挠度的控制指标, 则该网架的挠度允许值为100 mm, SAP2000计算出结构变形值的绝对值为63.1 mm, 满足规范要求。

3) 振型计算结果

比较SAP2000和3D3S分别计算得到的结构前5阶振型自振周期结果, 比较结果见表3。

由表3可见, 结构的刚度较大, 故得出的自振周期较小, 并且两种程序计算出的自振周期比较接近。SAP2000计算得到的前3阶振型图如图3～图5所示。

3 有限元屈曲分析

网壳结构研究的关键问题之一是稳定性分析, 进行稳定性分析的目的是为了确定结构从稳定的平衡状态变为不稳定的平衡状态时的临界荷载及屈曲模态。

普遍使用的屈曲分析方法有两种:一是结构的线性特征值屈曲分析;二是非线性全过程屈曲分析。

文章分别利用有限元软件SAP2000[4]对结构进行特征值屈曲分析和pushover非线性全过程屈曲分析。

3.1 特征值屈曲分析

特征值屈曲分析一般用来对理想弹性结构的理论屈曲强度进行计算, 这种分析方式的特点是无须进行复杂的非线性分析即可获得结构的临界荷载和屈曲模态, 并可为非线性屈曲分析提供可供参考的屈曲荷载值。进行特征值屈曲分析时, 先对网壳结构所有上弦节点施加竖直向下的荷载F=1 kN, 通过屈曲 (BUCKLING) [4]分析, 得到模型前6个屈曲模态的屈曲因子分别为:219.9、377.1、460.7、511.5、530.9、632.1, 将最小的屈曲因子乘以施加的荷载值可以得到模型的屈曲荷载为219.9 kN。

第一屈曲模态见图6。

3.2 PUSHOVER分析

PUSHOVER分析又称静力非线性分析[4], 在分析过程中考虑了网壳变形对结构内力的影响, 即网壳的平衡方程建立在变形以后的基础上。PUSHOVER分析可以用来描述结构在按某种分布形式且逐渐增加的力或位移作用下, 直至结构模型控制点达到目标位移或结构倾覆为止的全过程。

1) PUSHOVER曲线

在SAP2000中通过对控制点设置控制位移的加载方式对结构进行加载, 得到结构控制点的荷载步-位移曲线见图7。

2) 铰发展情况

在对网壳结构进行PUSHOVER分析时, 需要先将结构杆件的塑性铰类型定义为轴力铰, 通过每一步铰颜色的变化可以判断铰的受力情况:粉红色表示杆件在轴力作用下达到了屈服状态;蓝色表示杆件超过了屈服状态但还可以继续使用;黄色表示杆件达到了极限状态;橙色表示杆件已破坏, 只剩残余强度。

结构塑性铰发展过程如图8、图9所示。

4 结论

a.SAP2000和3D3S两种软件的计算结果基本接近, 且满足规范要求。

b.通过线性屈曲分析和非线性PUSHOVER分析得到该网壳结构的屈曲荷载和荷载步位移曲线。

c.文章在利用SAP2000对结构进行建模分析时, 未考虑初始缺陷的影响, 因此得到的极限承载力值应该高于实际值。