热力学平衡模型（共9篇）
热力学平衡模型 篇1
0 引言
平衡能力是人体的重要功能, 在人类生活中有非常重要的意义。因此, 对于人体平衡能力的评价是一项基本的、正日益受到重视的综合机能评定[1]。目前, 有关老年人体质的检测与评价的研究中, 国外的研究已达到一定的深度, 但在平衡能力方面研究较少, 更未见到简单、完善的检测方法和评价休系。
本研究首先建立了人体在外部激励下完整的动力学模型, 并通过局部线性化方法将其简化为典型二阶系统模型[2]。然后利用并联六自由度运动平台作为伪脉冲激励源, 通过检测装置采集被测人的重心波动曲线。指标提取时利用小波变换方法, 先识别得到阻尼系数及自然角频率, 然后计算出调节时间, 并以该时间作为评价平衡能力指标。
1 被动运动平衡模型结构
人体受到微小激励扰动时, 平衡点附近的躯体动力学模型可以简化为以脚踝关节为基础的单级倒立摆模型。如图1所示, 人体的质量为m, 踝关节点到人体质心的距离为l, 摆角为θ。
设人体转动惯量为J, 踝关节输出转矩为Tc (t) , 随机扰动转矩为Td (t) 。由
假设输入外部激励v (t) 分别以不同的比例系数a1, a2引起θ和的变化, 此时PD控制器输出转矩Tc (t) 可以表示为:。将方程 (2) 代入 (1) , 平衡点附近由泰勒定理展。在零初始条件下, 对方程 (3) 取Laplace变换得:。忽略随机扰动项, 系统传递函数为:。可见, 原非线性系统可以简化为典型二阶系统模型。因此, 可用二阶系统的分析方法来估计原系统的过渡过程及各性能指标。
2 定量评测原理
对于欠阻尼二阶系统, 其自由响应信号形式为:。其中, ωn、ς、ωd分别为系统自然角频率, 阻尼系数, 阻尼振荡角频率。对 (6) 进行小波变换可。上式两边取对数得:。另一方面, 小波系数相位。联立上式 (9) 和式 (11) , 得二阶欠阻尼系统的自然角频率和阻尼系数分别为:。易知, 调节时间近似计算式为:。根据公式 (14) 可求出系统的调节时间, 并以此作为定量评价人体平衡能力指标。
3 评测系统构成方案
3.1 被动平衡能力评测装置的构成
本研究采用被动运动原理, 对人体平衡能力进行定量评测。系统由三个力传感器构成的力平台和数据采集软硬件构成, 并通过固接于其下方的六自由度平台对人体脚部施加前后向的平动激励。外部激励下重心受到突然的偏移, 人体平衡的本能将促使其重心向COP检测平台中心调整。
3.2 数据的采集与处理
在定量计算时, 首先从样本中选择具有典型二阶响应特征的曲线, 然后利用两种方法分别计算。方法1利用上述的小波变换方法。方法2利用解析法, 即根据响应曲线上的点计算调节时间, 设极值点分别为A (t0, c0) 、B (t1, c1) 和C (t2, c2) , 由二阶系统时间域函数。其中, M= (c2-c1) (c0-c1) 。
3.3 评测结果分析
利用上述原理, 求得阻尼系数、调节时间和模型拟合度, 并与解析法比较, 所得结果如图2所示。
由计算结果可知, 小波方法能更高精度地提取平衡指标, 并且可靠性较强。对比之前的解析法, 小波方法考虑相对更多的周期, 计算结果更具客观性。从临床应用上, 可根据该时间的长短作为平衡能力好坏的指标。
4 结论
本文通过对人体解剖及神经模型的研究, 建立了基于控制器的人体倒立摆模型, 并采用局部线性化方法将该动力学模型简化为典型的二阶系统模型。采用小波方法来计算调节时间, 从原理上削弱了噪声等不确定性的影响。通过对百余名大学生的实验研究, 验证了该方法的有效性。与之前所采用的解析法相比, 该方法更具客观性和说服力。
摘要：为了高准确度提取人体平衡能力评测指标, 建立了人体在外部激励下完整的动力学模型, 并简化为典型二阶系统模型。采用小波方法对动态重心数据进行处理, 估计得到模型参数。通过调节时间的计算, 得到反映人体平衡能力的指标, 证明该方法对评测结果的一致性。
关键词：动力学模型,平衡能力,调节时间
参考文献
[1]李文彬.人体平衡能力测试系统研究进展[J].人类工效学, 2000, 6 (3) :46-48.
[2]武明, 季林红, 等.人体站立受扰平衡策略的试验研究[J].清华大学学报, 2003, 43 (2) :152-155.
[3]胡昌华.基于Matlab的系统分析与设计小波分析[M].西安电子科技大学出版社, 1999.
热力学平衡模型 篇2
基于新广义变分原理的非平衡统计力学方法及应用
在近年来非平衡统计力学研究进展的基础上,尝试从广义变分法的视角建立一套描述非平衡统计力学的新方法.即以对哈密顿原理进行修正得到的最大流原理为基础,对开放的复杂系统建立新的.统计系综,构造出新的势函数,并推导出随机动力学方程,进而得出重整化方程并进行求解,得到自相似的分形结构,从而建立起一个新的统计力学理论框架.以城市系统为例,结合自组织特征映射网络进行结构模式数值分析,展示了新方法处理复杂系统的强大潜力.
作 者：周金峰 柴立和 ZHOU Jinfeng CHAI Lihe 作者单位：天津大学环境科学与工程学院,天津,300072刊 名：科技导报 ISTIC PKU英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY REVIEW年，卷(期)：25(10)分类号：O414 F290关键词：统计力学 最大流原理 复杂系统 城市模式
热力学平衡模型 篇3
1 脊柱筋骨整体观对颈性心绞痛动物模型的构建的指导
1.1 颈性心绞痛动物模型的构建
目前颈椎病模型主要有：一种是通过破坏颈部肌群等外源性稳定因素即静力平衡来造模，一种通过破坏骨关节、韧带等内源性稳定因素即动力平衡来造模，一种是同时对外源性和内源性稳定因素进行干预出现动静力失衡的模型。如唐东昕等[2]将40只家兔适应性饲养1周后，经麻醉后，用制备好的瘀血注入家兔颈部，瘀血浸润家兔颈肌，次日将模型组家兔放置于特制的低头位框架中固定，家兔低头角度为45°，2周后重复注射1次，低头饲养12周。研究结束后通过颈椎X线、心电图、病理组织学观察都提示符合颈性心绞痛模型，如颈椎X线：颈椎曲度改变、关节突骨质增生；病理检查证实家兔颈部肌组织水肿、萎缩，出现骨化性肌炎；心电图出现心肌缺血表现。用低头干预使家兔颈椎力学失稳并注射瘀血使其诱发出现心肌缺血性来建立颈性心绞痛动物模型就是通过干预力学平衡来达到造模的目的。
1.2 中医整体观指导脊柱筋骨整体观
中医整体观认为：人体是一个有机统一的整体，人体各部分间，在结构及功能上均是相互协调、相互为用，在病理上是相互影响的。中医整体观在治疗疾病过程中起到重要指导作用，应重视人体某一部分的病变可能缘于其他部位的病变或对其他部位产生影响。中医学这种整体性思想称之为整体观念。在中医实验研究同样要重视中医整体观指导脊柱筋骨整体观。
把整体观运用到颈性心绞痛模型构建，首先把脊柱看成一个整体，颈椎任一部分病变都会引起相关部位病损。筋能束骨利机关，如颈部肌肉的损伤会逐步引起颈椎骨关节的退变，即造成“筋不束骨”，颈椎退变又可能会引起心脏的不适等等，如颈交感神经的灰白交通支可合并成心脏支，有的与迷走神经的分支相吻合，至心脏和主动脉弓形成心神经丛支配心脏，一旦颈椎出现病变可能影响心脏支，可导致冠状动脉供血障碍而出现颈椎病类冠心征[3]。Brodsky[4]观察438例假性心绞痛患者，其中多数病因是颈椎病，认为引起颈性心绞痛的病因有：颈椎间盘突出、局部骨赘或椎间孔狭窄使支配前胸壁感觉和运动的C4～C8脊神经受压，疼痛病灶通过受累的脊神经前根在远处使该神经根支配区域产生疼痛。这些实际均是中医整体观指导脊柱筋骨整体观的体现。
1.3 脊柱筋骨整体观对脊柱力学平衡的指导作用
颈椎由筋骨2部分组成，筋包括肌肉，韧带、筋膜、椎间盘等，骨主要是指颈椎关节。《素问·痿论篇》：“宗筋主束骨而利机关也，诸，筋者皆属于节，筋也者，所以束节络骨为一身之关纽，利全体之运动者也”。表明颈部的筋骨肉关系密切，筋是指紧密连接于骨关节的一部分组织，彼此相互影响，骨关节之联结主要靠筋性组织以约束。因此伤筋则束骨而利机关的功能下降，尤其是肌肉等动力平衡失调将加速骨关节等静力失衡，因此在颈性心绞痛动物模型的构建中充分运用到这一观点，如注射瘀血或低头屈颈均是先出现颈部肌肉的病变，然后再出现骨的病变，最后出现动静力平衡失调，即中医所说的筋骨力学失调。
2 脊柱筋骨力学失衡对颈性心绞痛动物模型构建的指导
2.1 动静力失衡对颈性心绞痛动物模型的构建的指导
颈部的运动和稳定是在关节及韧带等静力平衡的基础上，依靠肌肉运动来达到动力平衡。姜宏等[5]提出急慢性损伤、炎症、不良体位等因素可造成颈部肌力减弱，其中伸颈肌力减弱可导致静力性平衡破坏。研究显示颈椎平衡系统中任何环节遭受破坏，均可引起颈椎生物力学失衡，尤其要重视肌肉因素在颈椎病发病中的意义[6]。低头屈颈+瘀血阻络的模型：实际也是造成动力失衡为先，后期出现动静力同时失衡的模型，而且通过注射瘀血产生颈部组织无菌性炎性病变，导致肌肉紧张挛缩，后期出现骨化性肌炎的改变，从而产生颈椎病的病理改变和心绞痛的表现。提示动静力学失衡是导致模型产生的主因。颈性心绞痛动物模型的构建，不是通过伤骨来达到造模目的，常用方法是损伤颈部肌肉造成筋不能束骨、动静力失衡的状态而造模。
2.2 颈性心绞痛动物模型中动力性因素的变化
颈性心绞痛模型的构建已经证实肌肉等因素的重要，研究表明：建模后肌肉等动力性因素病变明显，如颈肌炎症浸润细胞多出现单核-巨噬细胞及淋巴细胞，炎症因素反过来会加重颈椎失稳出现牵涉痛而加重心绞痛[7]。唐东昕等[8]通过运用染色法观察颈肌病理变化，模型组颈肌组织横断面可见肌纤维部分萎缩，粗细不均，颈肌纤维数量及横截面积减少；有研究通过检查家兔模型颈肌中超氧化物歧化酶（SOD）及丙二醛（MDA）的含量发现，模型家兔肌肉组织中含量明显下降，提示局部组织细胞的清除自由基功能受到抑制，脂质过氧化作用增强；运用免疫组化观察颈肌细胞凋亡情况：模型组于肌纤维内可发现集中成串凋亡细胞核；运用免疫组化法观察α-肌动蛋白变化：模型大部分肌纤维呈波浪状。胞浆染色不均一，有淡染、缺染现象，研究表明颈肌在不同程度发生了退变，模型多先出现动力失衡后出现动静力失衡[9,10,11]。
2.3 颈性心绞痛动物模型中静力性因素的变化
静力性因素如骨关节的变化，后期出现骨化性肌炎及骨刺，通过X线检查发现实验动物的颈椎曲度改变、椎间隙及椎间孔缩小、骨质增生。如唐东昕等[12]通过造模后运用染色法观察颈椎椎间盘的病理变化：结果模型组造模12周时染色可见深绿色胶原纤维毛糙，后侧纤维束间有明显裂隙，髓核皱缩，且有沿后侧突出趋势，说明长期的异常应力及炎症刺激诱发的颈性心绞痛也能引发颈椎间盘的早期退变。
3 纠正力学失衡对颈性心绞痛动物模型的干预
力学失衡可成功构建颈性心绞痛动物模型，那么通过干预力学失衡同样对模型具有治疗作用，唐东昕等[13]运用针刺治疗颈性心绞痛动物模型，通过干预肌肉等动力性因素发现：针刺组颈肌MDA含量低于模型组，SOD活性高于模型组，提示针刺治疗可降低肌组织氧自由基反应。同时可有效治疗颈性心绞痛，孙建峰等[14]通过动物实验及临床的研究表明：通过手法纠正力学失衡可有效治疗脊源性类冠心病。
综上所述，颈性心绞痛的发病主要由于颈椎动静力失衡所致，这一模型的构建不但符合中医学整体观思维，而且符合中医筋骨理论，运用复合因素造模避免了以往单一因素制作的模型不能真正代表疾病发病本质的缺陷，同时通过对力学失衡的干预可以有效治疗本病，为临床从恢复脊柱整体力学平衡治疗颈性心绞痛提供依据。
摘要：颈性心绞痛是临床常见病,长期以来缺乏相应实验模型研究,以致缺乏相应的机制研究,本文从脊柱筋骨整体观、动静力失衡角度探讨颈性心绞痛动物模型的构建,并介绍建模后动力、静力因素的变化,以期为中医临床治疗提供参考。
热力学平衡模型 篇4
在Zeller平衡损失思想的`启发下,对线性回归模型提出了一种新的参数估计标准,得到了回归系数的广义平衡LS估计,并且在新的标准下提出并讨论了参数受线性约束和有界约束时的平衡LS估计和广义平衡LS估计.
作 者：柏超 罗汉 BAI Chao LUO Han 作者单位：柏超,BAI Chao(中南林业科技大学理学院,湖南,长沙,410004)
罗汉,LUO Han(湖南大学数学与计量经济学院,湖南,长沙,410082)
热力学平衡模型 篇5
目前,针对页岩这类致密储层的孔隙度测量,诸多专家学者已做了大量的研究工作。田华[4]对测试参数进行了优化,提高了测试结果的重复性;薛清太[5]研制了一套高真空高饱和压力孔隙度分析设备,低孔低渗储层孔隙度测试结果相对常压饱和提高了10%;崔红彦[6]研究发现孔隙度测试结果随着测试压力的提升而增大。综上发现,现有研究方向主要集中于重复性的研究,理论解释孔隙度测试结果影响因素的研究较少。本文在前人的基础上,通过建立气体在孔隙内外的热力学平衡方程和实验验证,对影响孔隙度测试结果的影响因素进行研究,建立适合页岩储层孔隙度测定的实验方法。
1 孔隙度测试方法
目前,实验室孔隙度测试方法主要基于阿基米德原理或波义耳定律,具体实验方法包括液体饱和法和气体膨胀法,因无法完全排除黏土吸水膨胀作用,液测较少用于页岩孔隙度的测试;气体膨胀法因操作简单、快速,成本低,是目前孔隙度测试的主要方法。气测孔隙度实验过程简化为图1。
假设容器体积为V1,岩心外观体积为V,初始时刻,气体未开始向岩心渗流,此时环境压力为P1,岩心中为大气压P0,t时刻,岩心中压力为P'2,容器压力为P2,则孔隙体积计算式为:
式(1)中,孔隙压力P'2为不可测试参数,现有商业测试仪器中,设定当压力P2在3 s内压力下降低于0.01 p Si时,孔隙内外达到平衡,满足等式P'2=P2。对砂岩等这类常规岩心,仪器设定的条件下,等式满足;但对于页岩这类致密岩心,需要进一步验证该设定条件下,P'2与P2是否满足等式,为此通过研究孔隙内密度随时间的变化关系,寻找页岩样品测试中等式P'2=P2成立条件,进而给出页岩测试规范。
2 热力学平衡方程
对于页岩这类致密多孔介质物质,其孔隙形态大多数不规则,但以轻微不规则的椭圆型最为常见[7];为便于分析,假设页岩样品由孔径不等的毛细管构成,孔容分布由毛细管数量控制,气体在毛细管建立热力学平衡过程中,所有毛细管均同时进行,只需要分析单根毛细管热力学平衡建立过程即可。孔隙度测试过程中,除去岩心孔隙以外的孔隙(V1-V)远远大于岩心孔隙Vp,建立平衡前后,压力值P1与P2变化不大,该压力值的变化对孔隙内建立热力学平衡影响较小,为降低建立热力学平衡方程难度,故环境压力(密度)近似为常数。
2.1 建立热力学平衡方程
为建立热力学平衡方程,做以下假设:
(1)测试气体视为理想气体,满足理想气体状态方程。
(2)孔隙内外没有温度梯度场。第二个假设使方程满足单一变量,气体在孔隙中的扩散只是由密度差引起,无热扩散。设毛细管孔径为r,孔隙内密度为ρ1,该孔径控制的孔隙体积为V,周围环境密度为ρ0,压力为P,环境温度为T,则孔隙内满足质量守恒方程:
式(2)中,J为通过单位面积的质量通量,kg·s-1·m-2。气体在孔隙中的流动是由两种不同机理共同作用的结果,一是压力差作用(渗流),二是扩散作用,2007年Javadpour[8]建立了气体在纳米孔隙中传质运动方程:
2003年,Roy S[9]等通过分析Ar,N2,O2对氧化铝过滤膜的扩散实验建立了纳米孔隙中的扩散方程:
气体渗流质量通量可由Hagen-Poiseuill:
式中:M为分子摩尔质量,D为扩散系数,R为绝对气体常数,T为绝对温度,ΔP为两端压力差;r为孔隙半径,μ为气体动力黏度,ρ为岩心周围环境密度,L为渗流长度(薄膜厚度)。将式(3)~式(5)带入式(2)中
由理想气体状态方程的变形式:
式(6)可以改写为:
求解微分方程(8)得:
当t=0时,ρ1=0;当t=∞时,ρ1=ρ0,可知A=ρ0,带入式(9),得:
当假设半径为r为喉道控制的孔隙体积V1=πr2L,L为渗流长度,则式(10)简化为:
式(11)即为毛细管热力学平衡方程,描述了孔隙内气体密度随时间的变化规律,且从该式可以给出等式P'2=P2成立条件。在多孔介质中,渗流长度等于样品外观尺度和迂曲度的乘积。由式(11)知,影响热力学平衡的因素可分为三类:第一类为反映测试介质本身性质,例如黏度、扩散系数;第二类为测试样品固有性质,例如孔径,迂曲度;第三类为测试条件,例如压力、温度、外观尺寸等。
2.2 参数设置
气体的扩散类型决定扩散系数,使用错误的扩散系数,带来较大的扩散通量误差。化工领域将扩散类型划分为Knudsen扩散(Kn>10)、Fick扩散(Kn<0.01)和过度扩散(0.01<Kn<10)[10],其中(Kn为努森数,λ为分子自由程,Pd m;d为孔隙直径,m;δ为分子动力学直径,m)。采用Bosanquit公式、分子动力学和斯托克斯-爱因斯坦方程计算过渡扩散系数Dt、努森扩散系数Dk和Fick扩散系数D[11]f:
式中r为孔隙半径,m;R普适气体常数,值为8.314J·mol-1·K-1;M为相对分子质量,g/mol;T为环境绝对温度,K;Kb为普朗克常数,值为1.38×10-23J·K-1;μ为孔隙中流体的黏度,Pa·s;rA为气体分子半径,m。
3 毛细管热力学平衡方程应用
3.1 影响因素分析
现有孔隙度测试标准中,选取氦气作为测试气体,第一类测试参数不可改变;第二类测试参数是反映储层孔隙结构特征,也不可改变;为调整热力学平衡时间,只有通过调整第三类测试参数实现目标。为方便分析测试参数对平恒时间的影响,假设当孔隙内气体密度为外界密度的99%时,即达到热力学平衡。图2为喉道半径与平衡时间的关系图,分析可知,增加压力对不同喉道半径的平衡时间的影响差异较大,喉道半径越大,提高测试压力对缩短分析时间效果越好,例如喉道半径为1 nm,测试压力50psi分析时间为8 956 s;300 psi分析时间为7 784 s;压力提高6倍,而平衡时间仅减少19%;在喉道半径12.5 nm时,测试压力在50 psi和300 psi分析时间分别为1 553 s和306 s,压力增大6倍,分析时间减少80%。改变渗流长度是调整热力学平衡时间的另一个参数,且渗流长度作用平衡时间不受孔隙半径大小影响,粒径为1 cm的颗粒所有类型的孔隙所需平衡时间均仅为粒径为2.5 cm的样品平衡时间的16%。通过以上分析知,类似于页岩样品纳米孔隙较为发育的岩石,在设定测试参数时,建议通过改变渗流长度调整平衡时间。
3.2 实验验证
热力学平衡方程反映的是孔隙中气体密度变化规律,将热力学平衡方程结合样品的全度孔径分布,模拟孔隙度随测试时间的变化规律,计算公式为:
式(15)中,Ф(t)为相对孔隙度,指t时刻测得的孔的孔隙所占总孔隙的百分数(图3),通过采用数理统计学中的假设检验方法对高压压汞和气体吸附实验结果重叠数据进行优选,将优选结果和剩余实验数据组合即可得到图3;Фr为半径为r的孔隙度值与总孔隙度的比值,ρr是t时刻半径为r的孔隙度中气体密度与环境密度的比值(图4),图4中模拟压力为150 psi,渗流长度为1.25 cm。结果表明,测试时间300 s时,孔径小于25 nm的孔隙体积将被低估,其中小于5 nm的孔隙体积低估值超过60%,页岩储层中,宏孔约占全部空隙的20%。综上可知,常规方法分析页岩样品,误差主要来至于微孔和介孔,且页岩样品孔隙度分析时间应延长。为验证该实验方法的可行性,选择三块页岩样品,对比分析实验结果和模拟结果(图5)发现:
(1)模拟孔隙度值随时间的变化规律和实验结果较好吻合,证明热力学平衡方程可用于描述孔隙内气体密度变化规律,建立的实验方法切实可行;
(2)孔隙度值在分析时间大于50 min时不再变化,远大于常规分析时间5 min,说明常规分析时间不能达到页岩样品的测试要求,统计发现,常规分析结果均值为1.03%,延长时间后结果均值为3.07%,常规分析结果仅为后者的33.55%;
(3)测试值随时间变化趋势相对于模拟值变化趋势更为缓慢,这是因为模拟过程中,未考虑迂曲度,模拟结果偏大。
3.3 页岩孔隙度测试方法
孔隙内外气体是否达到热力学平衡是判断测试结果精度的主要依据,分析时间和渗流长度是影响热力学平衡主要因素,结合前文建立的热力学平衡方程和岩石全尺度孔径分布给出适合的分析时间或渗流长度,确立页岩孔隙度测试规范,进而建立页岩孔隙度测试新方法。以长宁-威远宁203井为例,分别模拟他们在不同粒径的分析时间和在不同测试时间的样品粒径,给出目标区块页岩样品测试规范。式(16)是确立页岩测试的基础方程,其中r为半径为r的孔隙所占总孔隙百分数,具体方法为:给出相对孔隙度值和渗流长度,反推分析时间;
反之给出相对孔隙度值和分析时间,反推样品的粒径大小,分析结果见表2。
从表2中可以发现,对于规则样品,微孔越多,孔隙度测试时间越长,分析时间差异较大;当限定分析时间,样品的分析粒径差异较小,且微孔越多,粒径越小。在长宁-威远区块,直径2.5 cm的规则样品,分析时间建议4 000 s左右,3.8 cm的分析时间建议在9 000 s;当限定分析时间为300 s或者600 s时,建议的样品粒经或薄片厚度分布不超过0.6 cm或0.8 cm。
4 结论
(1)孔隙内外气体是否达到热力学平衡决定气测孔隙度精度,其影响因素较复杂,结合传质方程和质量守恒方程建立了热力平衡方程,孔隙内外气体相对密度是平衡时间的指数函数,扩散系数、环境压力及渗流长度是影响平衡时间最主要参数。
(2)增大测试压力和减小样品外观尺寸是缩短岩石孔隙度测试平衡时间的主要手段,增大测试压力适合于孔隙主要为宏孔的岩样,减小样品大小适合于纳米孔隙大量发育的页岩样。
(3)结合热力学平衡方程和岩石孔径分布模拟孔隙度变化曲线与实验测试结果吻合较好,常规方法分析页岩样品的实验结果远小于真实值,例如文中的样品,常规孔隙度测试结果仅为改进方法试验结果的33%。
(4)页岩样品孔隙度测试,应根据孔径分布和热力学平衡方程确定气体孔隙度测试实验参数,以长宁-威远区块岩心为例,直径为2.5 cm的规则样品建议分析时间不低于4 000 s,当分析时间设定为300 s时,建议测试样品的粒径不超过0.6 cm。
摘要：为研究气测孔隙度实验方法在分析页岩样品存在的问题,根据气体传质方程和质量守恒方程,结合全尺度孔径分布特征,定性分析影响孔隙度测试结果的主要因素和各种因素之间的关系;进而改进完善气测孔隙度实验方法。结果表明:孔隙内外热力学平衡是气测孔隙度精度主要影响因素,相对密度与平衡时间成指数关系;增大压力和减小样品大小有利于提高分析效率和测试精度,但对纳米孔隙发育的岩石,建议选择减小样品大小的技术方法;对比模拟结果和实验分析结果,常规分析方法试验结果偏小,样品偏小约70%;长宁-威远区块结果表明直径为2.5 cm的规则样品分析时间不低于4 000 s,当分析时间设定为300 s时,样品粒径不超过0.6 cm。
关键词：孔隙度,热力学平衡方程,扩散,渗流,页岩
参考文献
[1]王增香.陆相页岩气.北京:石油工业出版社,2014:6-16Wang Zengxiang.Lacustrine shale gas.Beijing:Petroleum Industry Press,2014:6-16
[2]肖钢,唐颖.页岩气及其勘探开发.北京:高等教育出版社,2013Xiao Gang,Tang Ying.Shale gas and its expolration and development.Beijing:Higher Education Press,2013
[3]帅琴,黄瑞成,高强,等.页岩气实验测试技术现状与研究进展.岩矿测试.2012;31(6):931-938Shuai Qin,Huang Ruicheng,Gao Qiang,et al.Research development of analytical techniques for shale gas.Rock and Mineral Analysis,2012;31(6):931-938
[4]田华,张水昌,柳少波,等.致密储层孔隙度测定参数优化.石油实验地质,2012;34(3):334-339Tian Hua,Zhang Shuichang,Liu Shaobo,et al.Parameter optimization of tight reservoir porosity determination.Petroleum Geology&Experiment,2012;34(3):334-339
[5]薛清太.高压饱和法在低孔低渗储层孔隙度测试中的应用.内蒙古石油化工,2011;(8):289-290Xue Qingtai.Applying high-pressure saturation method in low porosity and permeability reservoir porosity tests.Inner Mongolia Petrochemical Industry,2011;(8):289-290
[6]崔红彦,薛清太,张泉,等.基于氦气注入法的致密岩孔隙度测试.内蒙古石油化工,2013;(4):15-16Cui Hongyan,Xue Qingtai,Zhang Quan,et al.Study on Measurement of porosity of compact rock Based on helium injection method.Inner Mongolia Petrochemical Industry,2013;(4):15-16
[7]陈振林,王华,何发歧,等.页岩气形成机理、赋存状态及研究评价方法.武汉:中国地质大学出版社有限责任公司,2011:17-20Chen Zhenlin,Wang Hua,He Faqi,et al.The forming mechanism,occurrence state and evaluation method of shale gas.Wuhan:China University of Geosciences Press CO.,LTD,2011:17-10
[8] Javadpour F.Nanopores and apparent permeability of gas flow in mudrocks(shales and siltstone).Journal of Canadian Petroleum Technology,2009;48(8):16-21
[9] Roy S,Raju R,Chuang H F,et al.Modeling gas flow through microchannels and nanopores.Journal of Applied Physics,2003;93(8):4870-4879
[10]时钧,汪家鼎,余国琮,等.化学工程手册.北京:化学工业,1996:11-19Shi Jun,Wang Jiading,Yu Guocong,et al.Chemical Engineering Handbook.Beijing:Chemical Industry Press,1996:11-19
热力管网水力平衡调节问题浅析 篇6
关键词：城市,热力管网,失衡,调节,原因分析,供热系统
在供热系统中, 水力平衡调节是一个关键, 对供热效率以及对环境有着至关重要的影响, 但是在实际的供热系统中, 存在着水力失衡的现象, 对热力管网的供热产生了消极的影响, 因此需要根据热力管网水力失衡的原因进行分析, 并采取相应的措施实现热力管网水力的平衡调节, 最大限度的提高供热的效率, 推动城市集中供热的可持续发展。
1 热力管网水力失调概述
在供热系统中, 热力管网的水力失调是比较常见的问题, 这是由于系统运行中各个热力站的实际流量与规定流量不一致, 即热网未能按照用户的需求进行流量的分配, 进而出现各个位置冷热不均的现象。在热力管网水力调节中, 主要的参数热力管网的实际流量与设计流量的比值。
一般而言, 热力管网的水力失调主要分为以下三种情况:在热力系统中, 当水力失调度大于一或者是小于一时, 会导致各个用户的流量大于或者是小于规定的流量, 这称为一致失调, 分别会产生采暖房过热或者是采暖达不到舒适标准的问题, 前者造成了资源的浪费, 后者对人们的生活质量产生了较大的影响;在供热系统中, 热力管网的失调度有的大于一有的小于一时, 就会出现不一致的失调, 这样会使部分用户的流量大于规定的流量, 造成室内温度过高, 部分用户的流量小于规定的流量, 致使室内温度过低;在供热系统中热力管网的各个用户的失调度相等时, 称为等比失调, 是指各个用户的流量和规定流量的差距是一致的, 进而导致各个房间的过冷或者是过热的程度是一致的。
2 热力管网水力失调的原因分析
在城市集中供暖中, 环状管网成为发展的趋势, 其水力平衡有了很大的提高, 但是在实际的运行中存在着水力失调的问题, 出现这一现象的原因主要有以下几个:
首先, 是在管材的实际施工中, 管材的选用与设计的管材不一致以及管材设计的参数的不合理会引起热力管网的水力失调。在设计的开始需要根据水力学以及热力学的相关理论进行设计, 进而选择合适的管材数据, 同时材料的参数变化会对水利变化产生较大的影响, 容易引发水力失调。其次, 供热系统的不断发展和壮大, 越来越多的用户增加, 这样就为系统产生了新的阻力, 进而破坏了管网的水力平衡状态。再次, 在实际的热管敷设过程中, 会会出现施工与设计不符合的情况, 因此与原来的预计值存在差异, 进而产生了部分管网的水力失调。此外, 在供热系统的热网维护中, 需要对阀门或者是管件进行更换, 这样就会使局部的阻力产生一定的变化, 进而产生失调的现象。当然出现热管的水力失衡现象主要是由于设计和施工人员的工作失误, 缺乏对管网的合理设计, 进而引起水力失调导致室内温度过高或者是过低, 严重的影响了用户室内的舒适度, 不仅造成了资源的浪费, 还对供热质量产生了消极的影响。
3 热力管网水力平衡调节方法
为了最大限度的节约资源, 并提高供热的质量, 需要针对热力管网水力失衡的现象进行改进, 实现对热力管网的水力平衡调节, 本次论文主要分析使用平衡阀调节的方法:
3.1 静态调节阀的调节
在热力管网系统的运行中, 静态调节阀起着基础性的作用, 对供热效率以及供热的质量起着不可忽视的影响, 因此对于热力管网的水力失衡调节要从调节静态调节阀着手。静态平衡阀由于只能接受手动的调节, 因此无法根据系统的工况变化对阻力的系数进行相应的调整, 并且是以阻力为调节对象的, 通过对阻力的适当调节, 实现对孔板的调节, 进而使管网系统的阻力达到平衡, 满足整个系统运行的需求。因此在对静态调节阀的调节中, 要根据系统运行的工况变化, 进行适当的调节, 根据系统的特点以及用户的需求, 进行手动调节, 以便满足供热的质量和效率要求。
3.2 动态流量平衡阀的调节
热力管网除了可以安装静态平衡阀, 动态平衡阀也是比较多见的控制装置, 对动态的平衡阀进行相应的调节, 特别是对自力式流量控制阀的调节, 对系统的运行尤为重要, 进而实现对整个系统的最大流量的限制, 一方面满足用户对供热的需求, 提高供热的质量和效率, 另一方面通过对流量的控制起到节约资源的作用。在系统的运行中, 流量控制阀在一定的差压范围内, 可以实现对通过的流量的有效控制, 当阀门的前后压差较大时, 阀门可以进行自动的关小, 这样就避免了因为阀门开口过大而引起的流量增加的现象, 反之则亦然, 通过对自力式流量控制阀的调节, 可以实现流量的恒定, 实现对流量的合理控制。
3.3 动态压差平衡阀的调节
通过对动态压差平衡阀的调节和控制, 可以利用平衡阀上的测压导管对各个控制点的压差进行测试, 进而实现对整个系统运行情况的把握, 以此作为系统调节的依据和参考。当被控介质的流量发生一定的变化时, 自力阀的阀芯会出现上下移动的现象, 进而使阀芯和阀座在一个新的位置上实现平衡, 进而使得自力阀的流量面积和流量系数产生改变, 但是差压值保持不变。
可见, 以上三个方面的内容会对热力管网的工作产生重要的影响, 因此需要采取必要的手段和方式对其进行有效的调节, 进而满足用户的供热需求, 并起到节能的效果。供热管网中使用的动态平衡法分为自力式流量控制阀和自力式压差控制阀。自力式流量控制阀作用对象是流量, 能够保持流量恒定, 所以使用自力式流量控制阀的关键是设定流量的确定, 设定流量可根据供热系统总循环量和各建筑的热负荷分别计算出各建筑的相应流量, 这种方法简便易行, 适用于定流量系统, 不适用于变流量系统。自力式压差控制阀作用对象是压差, 可以使供回水压差维持在设定压差值附近, 设定压差可取设计流量下该分支处的供回水压差, 主要适应变流量系统, 调试简单, 但必须准确计算系统压降。
同时还可以利用简易快速法与温度调节法相结合来进行调节由于建筑室内温度与供回水平均温度之间存在简单的对应关系。当供回水平均温度相同时, 室内温度必然相等。所以, 温度调节法就是通过调节各用户流量, 使各热用户的供、回水平均温度达到一致, 从而实现各热用户室内温度彼此相同的目的。由于供热管网中各用户的供水温度一般相等, 可采用回水温度调节法来简化操作。回水温度法可采用如下操作方法:以各用户回水温度的平均值或粗略的以热源的总回水温度作为基准温度, 然后逐个调节各个分支的阀门, 当某分支的回水温度高于基准温度时, 关小阀门, 反之, 开大阀门, 使该分支的回水温度等于基准温度。
结束语
可见, 对热力管网的水力平衡调节是供热系统发展的必然, 同时该项工作也具备较大的复杂性和专业性, 这就需要加强对水力平衡调节的技术投入, 实现对水力平衡的有效调节, 在节约能源和保护环境的基础上, 最大限度的提高供热的质量, 为人们生活质量的提高创造有利的条件。
参考文献
[1]戚晓春, 姜锋.供热系统水力失调[J].黑龙江科技信息, 2010 (4) .[1]戚晓春, 姜锋.供热系统水力失调[J].黑龙江科技信息, 2010 (4) .
[2]陈海荣.供热系统水力失调分析及建议[J].赤峰学院学报 (自然科学版) , 2009, 25 (1) .[2]陈海荣.供热系统水力失调分析及建议[J].赤峰学院学报 (自然科学版) , 2009, 25 (1) .
[3]沈晓萍.供热系统水力失调的综合优化治理[J].山西建筑, 2008, 34 (13) .[3]沈晓萍.供热系统水力失调的综合优化治理[J].山西建筑, 2008, 34 (13) .
[4]张振宁.供热系统水力失调的整治策略[J].大连交通大学学报, 2009, 30 (1) .[4]张振宁.供热系统水力失调的整治策略[J].大连交通大学学报, 2009, 30 (1) .
热力学平衡模型 篇7
“准则”一文认为,以“质点系每一点的加速度为零”作为系统平衡的判别准则不恰当,应该换成.那么以作者所举之例,水平面上,一质点在光滑轨道上运动,有初速度v0.因为水平面上合力为零,速度大小为常数.那么,即使运动到曲线轨道,δri始终垂直于所在点与其曲率中心的连线,也即与法向加速度垂直,ai·δri=0.照“准则”一文的作者定义。该点始终平衡.
现考虑定常约束系统,真实的微小位移是虚位移之一,故将δri改为dri,讨论方便些.将变换为
其意义就是:系统的动能为常数.
再看D'Alembert-Lagrange原理.在中,意味着外力功之和为零,所以系统动能守恒.如果以作为系统的平衡判别准则,那么下列各状态都是“平衡”的.
状态1:光滑水平面上,许多质点互相胡碰乱撞,碰撞为完全弹性.显然外力功之和为零,系统动能守恒.
状态2:图2纯滚动的圆柱.
状态3:匀速圆周运动的质点.
状态4:转轴与重力平行,匀角速度旋转的圆盘.见图3
按“准则”一文的作者的定义,动能守恒,系统可以自个儿一直运动下去,于是平衡,这倒是一种有趣的理解.
正如作者所言,虚位移原理是有条件的.朱照宣先生《理论力学》一书中虚位移的叙述为:“具有定常、理想约束的质点系,其平衡的充要条件是,在任何虚位移上所有的虚功之和等于零.”
叙述中,“定常”和“平衡”两个词须说明.我们在证明虚位移原理的充分性时,实际上用的不是“平衡”,而是“静止”.否则,前面所给出的各种状态,因为虚功之和为零,的确都成了“平衡”状态(状态2如果限定纯滚动,不算向上的可能运动).
为什么仅当所有的质点,都向同一个方向匀速直线运动,才算平衡呢?因为这时可取另一个惯性参考系,使得系统所有质点相对此参考系都是静止的.清华大学出版社出版的李俊峰主编《理论力学》,对质点系“平衡”下的定义比较详实准确.
所以,朱先生书中说完“平衡”,就接着解释:在这里,平衡的意思,指系统本来静止,在虚功之和为零的主动力作用下,依然会静止,
还有一点要说明,也正是“准则”一文作者谈到的:定常约束之“定常”,并非对所有惯性参照系一致.图1所以不是平衡的,就因为:如果取以匀速v0向右运动的系统为参照系,在此参照系里,该质点此刻的确静止,但那条轨道却以速度v0向左运动,非定常.
也就是说,如能找到一个惯性参照系,约束都是定常的,且质点系所有质点在此参照系里初始时刻静止,那么虚位移原理的充分性和必要性都成立.
牛顿力学的基础之一,正是“准则”一文的作者所言伽利略相对性原理,也就是平移不变性.图1中,如果那条轨道笔直向前,没有弯曲,则无论怎样平移,都保持不变,那么就是定常的约束,这时该质点就是平衡的
平移不变性,要求“平衡”只能是匀速直线运动,不能是别的,无论针对一个质点,还是一群.
话说回来,“质点系中各点都作匀速直线运动,但方向不一致,也没有相互碰撞”的状态,也可以视为平衡系统.毕竟,每点都平衡,整体却不平衡,似乎不妥.《连续统力学》的作者爱林根,显然持此观点.在此定义下,虚位移原理的说明必须修订,
最后,单个刚体,如果质心加速度为零,对某固定点的动量矩变化率也为零,在此情形下,所受外力是个平衡力系,工程上称之为“动平衡”——“准则”一文的作者心目中的对象大概是它.但刚体是质点系的特例,上述状态又是刚体的特例,为此特例修改质点系平衡的定义,弊多利少.
摘要：讨论了力学系统平衡的定义，以及虚位移原理充分性成立的先决条件．
热力学平衡模型 篇8
平衡计分卡作为一种重要的战略绩效管理工具,它引进了三个方面的非财务评价指标,弥补了传统绩效评价偏重财务指标的不足,并站在战略的角度,抓住企业成功的关键要素,成为企业制定战略、实施战略、进行绩效评价的有力工具。但是,平衡计分卡四个层面之间是简单的线性因果关系,而企业经营活动是一个动态复杂的过程,各策略目标之间具有非线性、因果反馈、时间延迟的特性,而这些特性正是平衡计分卡所缺少的。由于平衡计分卡没有考虑到企业的动态复杂性,一些企业在引进平衡计分卡后并没有达到预期的实施效果。因此平衡计分卡的动态性不足问题亟需改进以促进其实施效果。
平衡计分卡若要有效地将战略展开成各维度,甚至每个员工的目标与指标,关键在于必须理清这些指标间的因果关系。在实际操作中,平衡计分卡只提供了架构,却无建立因果关系的方法。其次,平衡计分卡也未考虑因果关系中的时间延迟,而这些缺陷正是系统动力学的长处所在。事实上,平衡计分卡的创始人Kaplan和Norton也早已认识到平衡计分卡这方面的不足,尤其在有因果反馈的动态复杂情况时,他们也建议采用系统动力学的方法来弥补这些不足。
由于系统动力学有助于理清复杂系统的因果关系,将它与平衡计分卡结合,可辅助平衡计分卡指标之间因果关系的建立,促进平衡计分卡的有效实施。本文首先分析了平衡计分卡的动态不足性和系统动力学的有点,在回顾系统动力学和平衡计分卡两者相结合的相关研究的基础上,分析了两者间的共性和互补性。在此基础上,给出系统动力学和平衡计分卡相结合的结构框架图和具体实施步骤,为平衡计分卡的更加有效的实施提供借鉴。
一、平衡计分卡和系统动力学相结合的研究
根据Lewy和Dumee对荷兰公司进行的调查,发现约70%实施平衡计分卡的组织都没有达到预期的目标[1]。有关学者针对平衡计分卡因果关系、时间延迟和非线性等动态复杂性不足问题开始探讨其改进方法,其中以基于系统思考的系统动力学和平衡计分卡相结合的研究居多。Ahn认为平衡计分卡只提供一个架构并没有给出策略目标间的因果关系的建立方法,而且策略目标的选取和各指标的目标值的得出也没有理论依据。就管理控制的角度而言,平衡计分卡只能算是诊断式控制系统,而非交互式控制系统[2]。
Norrtklit认为存在于平衡计分卡各层面间的因果关系已经超越了单向因果关系,甚至是双向非线性的复杂关系,然而这种复杂因果关系却无法在平衡计分卡中表现出来[3]。Wolstenholme以反馈回路的角度来定位平衡计分卡,将平衡计分卡放入目标与执行过程当中,形成完整的调节回路,形成一个不断反馈修正的循环。针对平衡计分卡注重静态绩效衡量,忽略了对策略执行结果的动态监测问题,提出利用系统动力学的反馈控制的优点来增强平衡计分卡的动态性[4]。Schoenebron认为Kaplan和Norton所提出的平衡计分卡只是以部分因素之间的简单因果关系为基础,其常常因为动态复杂性而导致企业推行平衡计分卡的失败,应当运用系统动力学的因果反馈加以控制[5]。
Atkinson认为,随着市场的变化和外部环境竞争加剧,战略和目标本身也在随着企业经营环境变化而不断变化,对于相对缺乏弹性的平衡计分卡需要改进[6]。Malmi通过在芬兰的实证研究发现,多数使用平衡计分卡的企业对于四个层面以及单个层面的指标之间的因果关系并不明确[7]。Akkermans和Oorschot回顾过去的相关文献,归纳出平衡计分卡在绩效评价方面的优点,并重点评述了由于其在因果关系、时间延迟及反馈机制方面的不足。他们认为这些不足常常造成决策者的错误判断和决策,并提出可以采用系统动力学来弥补其不足在此基础上提出一种平衡计分卡与系统动力学结合的两阶段建模步骤,即先进行定性的因果关系图形描述,然后进行定量仿真。通过对荷兰一家保险公司的应用研究,提出了直观看起来是相互矛盾的目标实际上是相互促进的。系统动力学模型的分析也证明:与事先的管理直觉相反,绩效可能必须先降低然后在将来才能产生更明显的改善[8]。以上研究都论证了平衡计分卡与系统动力学相结合的必要性,认为两者的结合弥补了平衡计分卡本身的动态复杂性不足。
Sterman等人针对仿真设备公司因实施平衡计分卡式的绩效制度与TQM的改善活动所引发的副作用,以系统动力学方法进行诊断。结果发现由于平衡计分卡制度中因果关系的动态复杂,导致当个别绩效指标改善后,整体状况却变得糟糕。虽然该研究主要并非以系统动力学作为平衡计分卡设计后的评估,不过可由此显示系统动力学确实可用于平衡计分卡设计的改进[9]。以Linard为首的研究团队集合了学术界与顾问界的人力,针对澳洲公部门的绩效管理发展了一套结合系统动力学与平衡计分卡的整体式方法。由于系统动力学模式中的变量与平衡计分卡中的指标一致,因此可降低导入后使用与维护的成本。该方法的进行过程乃是系统动力学与平衡计分卡同时并进。先将系统思考与平衡计分卡的概念介绍给设计团队,而后以共同参与的方式,由外部顾问提供方法与工具,协助设计团队发掘关键绩效指针,并建构系统动力学模式。此外,为了让关键绩效指针的选择以及指针间的因果关系辨认过程更为理性严谨,他们以阶层式聚类分析法作为辅助工具,最后通过系统动力学模式加以验证[10]。
Todd与Palmer发展了一套方法,应用于纽西兰的某地区政府。该方法将设计过程分为三阶段,每一阶段都由顾问引领组织中负责设计的人员共同参与完成。第一阶段将组织现状与所处的相关环境与脉络以图像的方式表达出来;第二阶段则导入平衡计分卡与系统思考的概念,找出关键绩效指标以及关键成功回路;第三阶段建立系统动力学模式,以进一步设计并检验平衡计分卡设计的蓝图[11]。
以上研究都以实证的方式论证了平衡计分卡与系统动力学相结合的可行性和必要性,两者的结合弥补了平衡计分卡本身的不足,增加了平衡计分卡的动态性,并为相关行业实施平衡计分卡提供了更加富有意义的借鉴,但是均为深入分析两者的关系,具体给出两者相结合的理论框架和具体步骤。
二、平衡计分卡的理论缺陷分析
平衡计分卡在实施的过程中出现了一些困难和问题。首先,由于平衡计分卡无法对战略目标和绩效指标间的关系进行动态的模拟和分析;其次,平衡计分卡的单向因果关系无法衡量现实中存在因果反馈和非线性关系的复杂企业经营活动;第三,平衡计分卡在将战略目标转化为行动目标时,没有考虑到组织的动态复杂因果关系,最终导致组织中部门利益冲突;第四,对于战略的动态演化无法描述,忽略时间延迟的问题同样会使战略的制定失去焦点。这些问题的出现根源于平衡计分卡在理论上的缺陷。
1.忽略时间延迟性。
时间延迟的存在使得行动的结果只能以渐进的方式产生,如果未被察觉或充分了解,就容易造成企业改善结果的行动矫枉过正或者不及。事实上,决策者在实施策略时存在时间延迟的问题,当管理者改善平衡计分卡中领先指标时,需要同时考虑落后指标的时间延迟现象。然而平衡计分卡比较重视策略制定和绩效评价,对于因果关系中因与果之间的时间延迟问题,平衡计分卡没有合适的解决办法。
2.平衡计分卡的静态性。
平衡计分卡的核心偏重于静态某一点的效果,缺乏实施动态变化情形的描述。平衡计分卡虽然引入了非财务的绩效驱动因素,强调以战略的眼光来评价组织的行为绩效,但是它只是对当今状况的静态性评价,并没有指出引入了这些非财务的绩效驱动因素后组织绩效将来的发展状况。因此,这种静态的评价只能给决策者一个现在状况的直观反映,不能够对未来的发展做出趋势性的预测。
3.单向因果关系。
平衡计分卡不能有效地反映系统内部因果关系的完整性。平衡计分卡的单向因果关系无法衡量现实中存在因果反馈和非线性关系的复杂企业经营活动。平衡计分卡中单向因果关系反映的只是动态性复杂现象的其中一面,某个结果可能是由很多原因造成的,可能只包含了部分原因而将其真正原因或主要原因遗漏,容易造成对现象片面、短视的理解。
4.因果关系的非线性。
平衡计分卡将战略目标展开至行动目标时,缺乏考虑组织的动态复杂因果关系,以简单的线性方式展开目标,最终会导致组织中各部门之间的利益冲突。非线性因果关系,指两个变量之间的函数关系不是直线关系,而是一条曲线关系。多数情况下系统内部因素之间多为非线性关系,对于处理此类问题平衡计分卡还缺乏合适的解决方法。
三、平衡计分卡和系统动力学之间的关系分析
平衡计分卡及策略地图表达的是线性因果关系,然而企业经营活动是一个动态复杂的过程,各策略目标之间具有非线性、因果反馈和时间延迟的特征,而这些特征正是平衡计分卡和策略地图所缺少的。平衡计分卡与系统动力学之间既有共性又有互补性,他们之间的结合才具有可能性和必要性。
(一)两者间的共性分析
在企业战略目标实现的过程中,平衡计分卡与系统动力学并不是完全独立的两个部分,两者的共性为动态平衡计分卡思想提供了必要的前提基础。
1.系统思考与系统分析。
平衡计分卡强调四个维度,从财务与非财务指标方面全面衡量企业绩效,这正是系统思维的体现,而要求对企业战略与目标的层分结构正是系统分析的运用。系统动力学以系统为研究对象,重点关注系统的反馈动态性复杂分析,必然以系统思维统观全局,以系统分析为其建模的基本手段。二者的指导思想与分析手段的一致,是相互融合的基础。
2.策略地图与系统流图。
策略地图是组织战略交流和战略实施的描述,它提供了一个描述战略的统一方法,可以更好地建立和管理战略目标和各项指标。策略地图是平衡计分卡构建与实施的中间环节,也是平衡计分卡维度与指标因果关系的集中体现。因此,如何建构策略地图十分关键。系统动力学模型图是系统动力学建模的基础,也是系统分析的基本成果。策略地图与系统流图都是因果关系的集中体现,因此可利用系统动力学的系统流图建模方法来实现策略地图的建构,并转换成系统动力学模型图,进一步进行仿真模拟。
(二)两者间的互补性分析
平衡计分卡的简单因果关系以及没有考虑到时间延迟等缺陷导致其实施效果不如预期,而系统动力学长于处理复杂系统。两者的结合可有效地弥补平衡计分卡所欠缺的动态复杂性不足,增强平衡计分卡实施的动态性。
1.简单因果与复杂因果反馈。
平衡计分卡指标的因果关系链把各种因素结合起来描述了企业组织战略,描绘出取得战略成功的特定路径,并描述如何从指标的结合中衍生出价值创造。平衡计分卡将策略目标展开至执行目标时,缺乏考虑组织的动态复杂因果关系,以简单的线性方式展开目标,最终导致部门利益冲突。平衡计分卡四个策略层面之间的互动关系并不是单向的因果关系,而是双向的交互影响关系。系统动力学的因果反馈是指变量间的因果关系并非单向的而是双向的,变量本身既是因又是果。系统动力学擅长处理复杂因果反馈关系的问题,它将因果反馈关系分成正反馈和负反馈,进而能够定量地解释系统的行为。
2.静态性与动态性。
平衡计分卡四个层面的目标和指标之间的因果关系称为静态机制。平衡计分卡所强调的核心偏重于静态某一点的效果而较缺乏对企业实施策略与绩效评价的基于时间的动态变化情况的关注。系统动力学模型采用双向、动态且具有正负相关的因果反馈环,取代了平衡计分卡单向静态的因果关系。系统动力学的系统思考的哲学理念与方法为平衡计分卡提供了解决动态复杂性的思路。平衡计分卡中战略目标、指标与行动之间的因果关系所产生的动态性复杂常造成决策者关注短期而忽略长期,进而造成管理者制定不合理的策略和资源分配方案。通过利用系统动力学来理清企业所处的复杂系统,可以帮助企业找到驱动企业长期绩效增长的关键因素和领先指标,有助于决策者在制定决策时能够系统地考虑各因素做出科学合理的资源分配,促进企业的长期可持续发展。
四、平衡计分卡和系统动力学相结合的步骤
基于平衡计分卡和系统动力学两者之间的共性和互补性分析,在整理分析两者相结合的研究基础之上,给出两者相结合的步骤,为平衡计分卡的更加有效地实施提供借鉴。利用系统动力学方法来解决平衡计分卡因果关系中的反馈性、时间延迟和非线性关系等问题,帮助企业以策略地图及平衡计分卡搭配系统动力学方法建立一个简单易操作的动态战略绩效管理程序和方法,其具体实施步骤可以分为五个步骤具体如下:
1.确定组织的战略目标。
系统详细地了解高新技术企业内外部环境,通过SWOT分析等战略分析方法分析讨论,确定组织存在的使命、价值观、愿景以及战略目标。(1)使命说明。企业存在的目的是什么?(2)澄清价值观。我们所重视的是什么?(3)定立愿景。我的想被怎么样看待?(4)确定战略目标。
2.制定各层面的目标并描绘策略地图。
依据策略方向规划并描述策略目标,依其财务、顾客、内部流程、学习与成长等四个层面的目标项目,以及它们之间的因果关系,描述创造价值的策略架构。财务绩效是一个落后指标,是组织成败的终极定义。针对目标顾客能获得成功,将是改善财务绩效的首要因素。内部流程的绩效,主要在为顾客创造其价值主张。学习与成长的目标中,无形资产是持续性价值创造的终极来源。
3.建立因果关系图。
通过问卷调查理清各个层面衡量指标之间的因果关系,绘出指标之间的因果关系图。通过问卷调查收集专家以及企业管理人员对于各指标之间关系的描述,运用图示的方式找出主要指标和次要指标,在实际的应用中可以理清组织各层面指标间的相互关系。
4.建立系统动力学模型图并检验修正。
依据因果关系图各个指标之间的因果关系,使用建模工具进一步定义出各个变量之间定量化的数量关系,建立系统动力学模型图。对系统动力学流图进行有效性检验,针对建立的模型向有关人员咨询,以检查其是否符合实际情况,不断地修正模型设计,以符合真实情况。
5.策略仿真与选择。
首先,仿真分析包括对企业内外部环境的变化以及拟采用的策略进行动态仿真。一方面,可以将环境的变化对观测指标的影响趋势清晰地在时间轴上描述出来;另一方面,也可以针对环境的变化给出相应的策略,并仿真分析各个策略的实施效果进行比较,从而可以判断出策略执行结果的优劣可作为策略调整与政策规划的参考,为企业的绩效管理提供决策支持。其次,利用系统动力学的仿真模型,可以寻找系统中的领先指标。可以找出变量变化的先后顺序,进而得出那一些是领先指标,那一些是落后指标。系统动力学方法建模测试后,可进行策略目标行动规划的策略调整与政策设计,而在副作用因果关系分析时,可找出相关的绩效指标进行模拟与管理。
五、应用研究
H企业通过调查研究发现企业部门间各自为政,横向相互冲突等现象比较严重,企业的战略和绩效管理相脱节,绩效评价和绩效改进不能有机地结合。同时企业也需要更好的管理工具来分析资料以提供更快、更准确的信息来加强部门间的沟通与协调。如何快速理顺内部管理,把员工的绩效都聚焦于公司的战略上、实现绩效评价和改进相结合成为企业关注的焦点。
针对这一需求,H企业根据自身的行业和产品特点决定引入平衡计分卡战略绩效管理系统,准备在企业建立基于系统动力学的平衡计分卡模型。企业站在战略的高度制定了企业层战略地图与平衡计分卡,利用战略地图进行了上下沟通,并完善了公司的业务流程,把公司计分卡层层分解到各部门;为帮助职能部门转变职能,制定了职能部门的战略地图;实施了与平衡计分卡相连接的全面预算管理与年度计划;不仅解决了衡量战略的指标问题,而且确定了实现战略的投资计划与行动方案,并帮助企业进行了方案的实施。
依据企业的战略地图建立企业平衡计分卡各个层面主要指标间的因果关系图。依据企业的因果关系图各个指标之间的因果关系,用Vensim软件进一步定义出各个变量之间定量化的数量关系,建立系统动力学模型图。通过在计算机上进行仿真分析,对企业的各种管理策略以及内外部的环境变化在时间轴上描述出来,为企业的策略选择提供了数量化的决策依据,有利于企业更加科学地利用平衡计分卡工具来进行企业的绩效管理。
参考文献
[1]Lewy,Claude,LexDuMee.The TenCommandmentsof Balanced Scorecard Implementation[J].Manage-ment Control and Accounting,1998:108-123.
[2]Ahn,H.Applying the balanced scorecard con-cept:an experiential report.LongRange Planning,2001(34):441-461.
[3]Norrtklit,H.The balance on the balanced score-card-a critical analysis of some of its assumptions[J].Management Accounting Research,2000(11):65-88.
[4]Wolstenholme.Balanced Strategies for BalancedScorecards:The Role of SystemDynamics in support-ing Balanced Score Cards and Value Based Manage-ment[C].The 16th International System DynamicsConference,Quebec,Canada,1998:25-63.
[5]F.Schoeneborn.Linking Balanced Scorecard toSystem dynamics[C].The 21st International Sys-tem Dynamics Conference,New York,USA,2003:165-182.
[6]Atkinson,J.H.Waterhouse and R.B..WellsAp-proach to strategic performance measurement[J].Sloan management review.1997,38(3):25-27.
[7]Malmi,t.balanced scorecard in finish companies:a research note[J].Management accounting re-search,2001,12(2):207-220.
[8]H.Akkermans,Kim van Oorschot.Developing aBalanced Scorecard with System Dynamics[C].The 20th International System Dynamics Confer-ence,Palermo,Italy,2002.
[9]Sterman,J.D.,N.P.Repenning,and F.Kof-man,1997,Unanticipated SideEffects of Success-ful Quality Programs:Exploring a Paradox of Or-ganizational Improvement,Management Science,43(4),503-521.
[10]Linard,K.et al.(2000).A Dynamic BalancedTemplate for Public Sector Agencies.CD-ROMProceeding ok 20th International Conference of theSystem Dynamics Society.
热力学平衡模型 篇9
由于T形截面具有良好的结构性能[1,2],因而T形梁常用于中小跨径的桥梁中[3,4]. 近年来,城市立交和高架桥大量兴建,而T形曲梁在其匝道工程中广泛应用,随着材料科学的发展T形曲梁翼板宽度不断增加,其力学分析更趋复杂. 迄今,由于国内外学者不懈努力,薄壁曲梁的力学分析成果已应用于曲线梁桥的设计中[5,6,7,8],特别是中国学者钱寅权、罗旗帜等在对曲线箱梁的研究中又引入了剪力滞后效应的影响,进一步发展了上述理论[9,10,11,12]. 但是在他们的研究工作均未考虑剪滞翘曲应力自平衡条件和铁木辛柯剪切变形等因素,又由于T形截面梁剪切中心位于腹板横向和翼板竖向中线的交点, 故T形曲梁不受翘曲扭转的影响,因而其力学特性具有独特的规律. 本文理论准确分析了T形曲梁的静力学特性,显示出剪滞翘曲应力自平衡条件引入的必要性,本文方法是对曲梁剪滞理论的丰富和发展.
1 弹性控制微分方程
1.1 体系总势能
图1力系和图2、图3所示T形曲梁, 其跨度为L,为建立基本方程,令其竖向挠度为w(x),绕剪切中心转角为 θ(x), 截面竖向转角为 φ(x), 翼板最大纵向位移差函数为U(x), 那么T形曲梁翼板翘曲位移u(x) 可表示为[1,11,13]
且
式中, x, z, y为T形截面形心的轴向、竖向和径向坐标;T(y, z) 为剪滞效应产生的翘曲形函数;Ms0为常量;b为T形梁悬臂板长度;ρ 为曲率半径,且R - b ρ R.
考虑曲率影响,由剪滞效应产生的正应力和剪应力分别为
式中, Ms0可由确定,其值为:Ms0= (4h1tb)/(3A);h1为T形梁悬臂板竖向中线到y轴距离;t为T形梁悬臂板厚度;A为T形梁截面面积;E, G为杨氏弹性模量和剪切弹性模量.
那么,剪滞效应产生的竖向弯矩Msy为
式中,
总的竖向弯矩及对应的正应力分别为
式中,
故垂直弯矩产生的应变能为
式中
那么,T形曲梁弯曲扭转的应变能V1为
且
式中, k为截面竖向形状系数, Jk为截面扭转常数.
载荷产生的势能V2为
式中,MyA为梁段端产生竖向转角 φ(x) 的弯矩, My为梁段端翼板剪滞效应产生的弯矩, qz为均布载荷, mx为相对于剪心轴的均布扭矩, Qz为剪心点上作用的剪力.
体系总势能
1.2 弹性控制微分方程和自然边界条件
根据变分原理 δV = 0,可得T形曲梁的控制微分方程及自然边界条件为[14]
以上各式中,符号 “ ′” 表示对坐标x求偏导数.
1.3 弹性控制微分方程的求解
由方程 (12) 可得U(x) 的导数表达式,将其代入方程 (11) 可以得到
同样,将U(x) 的导数式代入方程 (13) 的导数表达式,可以得到
若令
式中
将方程 (19) 和 (20) 整理代换,消去 φ(x) 项后可以得到
对方程 (21) 进行分析和求解可知,其特征解可为下列形式
若令可得
以上为 θ(x) 解的形式,基于常微分方程组性质,φ(x), w(x) 解的表达式应与 θ(x) 相似. 但是由于曲线T形梁自身特性,U(x) 方程解有其独特的表示形式,即U(x) 求解过程如下:
由方程 (13) 和 (11),整理变换可得
同样,由方程 (13) 和 (12),整理变换可得
将方程 (23) 和 (24) 相加后,可以得到
同样,对方程 (25) 分析和求解可知,其方程特征解为
故U(x) 的通解可表示为
将方程 θ(x), φ(x), w(x), U(x) 的表达式代入微分方程 (11)∼(14), 据此可将方程 θ(x), φ(x), w(x) 和U (x) 中的常系数用统一形式表示. 代换后,各方程可统一表示为
式中
2 T 形曲梁常用自然边界条件
(1) 简支T形曲梁的几何、物理边界条件
对于简支T形曲梁,若跨间所受力为一个或多个集中力,且集中力pk左右相邻边界距离为lk1和lk2,则k点处还需引入下列连续边界条件为
(2) 悬臂T形曲梁的几何、物理边界条件
3 算 例
对于T形截面梁, 其材料参数和几何参数分别为E = 35 GPa, G = 15 GPa, 且不做特别说明时tw= 0.15 m, t = 0.11 m, b = 2.85 m, h = 1 m, R = 50 m. 力学分析中集中力为pz= 1.57 MN, 均布力为qz= 3.43 × 105N/m. 则根据本文推导公式和其他方法可计算出T形曲梁位移和应力变化如下.
(注:ANSYS有限元法计算中,按图2中T形梁各交点坐标绘制出该T形梁断面,然后应用ANSYS有限元的Extrude功能形成体,划分单元网格后,模拟简支边界条件在T形梁一端节点x, y, z三向施以约束,另一端则在节点z, y方向施以约束).
表1、表2、表3和图4表明:(1) 剪滞翘曲应力自平衡条件的引入极大改善了曲线T形梁静力学特性的计算精度. 并且均布载荷下自平衡条件的影响较为均匀,而集中载荷下其影响以腹板为中心向两侧翼板逐渐减小,此时自平衡条件的影响更为突出. 同时结果还表明跨宽比小自力平衡条件影响大,反之,则相反;(2) 由于T形截面独特的几何特性,以腹板中心为原点T形曲梁两侧翼板上的正应力对称分布,且铁木辛柯剪切变形对翼板应力无贡献;(3) 曲线半径R对T形梁翼板正应力有一定影响,相同条件下,半径小T形曲梁翼板正应力大, 半径大翼板正应力小.
(L = 8 m)
注:传统理论为不考虑剪滞翘曲应力自平衡条件时计算值,下同.
表4、表5和图5、图6表明:减小翼板宽度、 增大翼板和腹板厚度,以及增加梁高等因素,这将对T形曲梁翼板正应力和剪滞效应均有一定影响,但这些因素对自力平衡条件的应力贡献和剪滞效应影响相对较小. 综合各方面因素,适当增加梁高和翼板厚度,T形曲梁翼板正应力将有较大减小,该方面问题值得结构设计者斟酌.
(L = 12 m)
图7表明:在本文算例中铁木辛柯剪切变形对T形曲梁竖向位移的贡献约8%,剪滞效应的位移贡献约6%, 两者之和约为14%,而自力平衡条件对竖向位移的影响很小,可以忽略不计. 因而均布载荷下铁木辛柯剪切变形的引入改善了T形曲梁竖向位移的计算精度,完善了T形曲梁的静力学特性分析.
4 结 论