三维组织结构

三维组织结构（精选12篇）

三维组织结构 篇1

大型项目的实施需要大型项目型企业实施有效的项目组织, 才能确保大型项目目标的有效实现。项目型企业的主要利润来源于项目, 这就决定了项目型企业必须以项目管理为核心的理念, 项目型企业的大部分工作应该为项目服务。为此, 作者 (吴彦俊, 项目管理技术2008 (2) ) 基于传统的二维项目组织模式无法适应企业的实际情况, 研究并提出了项目组织三维设计的概念体系, 如图1所示。三维模式实施的目的是为了促使项目型企业在项目管理过程中不断实现专业做精、职能做强、项目做宽的战略指导思想, 切实发挥以项目管理为中心, 以职能管理为保障, 以专业管理为支撑的项目组织战略格局。大型项目型企业项目三维组织管理的核心是决策, 包括组织生产、经营管理等。但是, 在实际的项目决策过程中, 大型项目型企业的三维层次之间决策过程往往是“讨价还价”的博弈结果, 代表上级的职能机构对项目部以及专业公司并没有绝对的权威, 因此, 企业内的项目决策权如何分配、决策如何产生、决策结果如何贯彻实施, 这些问题都需要从理论上给予解释。本文运用演化博弈的方法, 构建一个双层演化博弈模型, 证明大型项目型企业的决策是介于三个决策层次之间演化博弈的一种动态决策机制, 希望通过对该模型的构建, 对国内的项目型企业组织设计和决策机制有一个较好的解释和研究。

一、演化博弈策略的定义和性质

博弈理论是研究多人决策问题的理论, 在中观经济研究中, 劳动力经济学和金融理论都有关于企业要素投入品市场的博弈论模型, 即使在一个企业内部也存在博弈论问题:如上文所述的企业内部不同部门和管理层次为了争夺企业的决策权和本部门的利益, 相互之间存在着必然的博弈和竞争。演化博弈理论则起源于达尔文的生物进化理论, 由于演化博弈论对参与人的理性要求较少且与现实更为接近, 克服了完全理性博弈分析脱离实际的问题, 其基本思想是:在重复博弈中, 仅仅具备有限信息的个体根据其既得利益不断地在边际上对其策略进行调整以追求自身利益的改善, 不断地用“较满足的事态代替较不满足的事态”, 最终达到一种动态平衡, 在这种平衡状态中, 任何一个个体不再愿意单方面改变其策略。这样, 每一参与者要选择的战略必须是针对其他参与者选择战略的最优反应, 这种理论推测结果可以叫做“战略稳定”或“自动实施”的, 因为没有参与人愿意独自离弃他所选定的战略。美国的罗伯特.吉本斯给出了如下的定义:

定义在n个参与者标准式博弈G=S1, …, Sn;u1, …, un中, 如果战略组合s1*, …, sn*满足对每一参与者i, si*是 (至少不劣于) 他针对其他n-1个参与者所选战略s1*, …, s*i-1, s*i+1, …, sn*的最优反应战略, 则称战略组合s1*, …, sn*是该博弈的一个演化稳定策略。即:

对所有Si中的si都成立, 亦即si*是以下最优化问题的解:

那么策略si*是演化稳定策略。群体中所有个体都选择这一策略时群体所处的状态, 就称为演化稳定状态。

二、三维组织结构决策机制分析

在大型项目型企业项目三维组织架构中, 决策过程有两个实际问题局限着决策的科学性和有效性。

一是有限理性假设。任何一个决策者的决策能力都是有限的, 因此决策权限的分散和决策分工的存在是一种客观现象。在大型项目型企业三维组织内部存在着两种形式的决策分工。一种是所谓的区域项目管理, 也就是通常的H型项目管理结构中, 两个或两个以上的决策者在各自拥有的独立辖区内所形成的分散型决策分工;另一种是所谓的直属项目管理, 也就是通常的M型项目管理结构中, 由于大的决策者的决策工作可以分解为许多小的决策者的决策工作而形成的层次型决策分工。

二是信息的不完全。决策过程也是信息处理的过程。国内的大部分大型项目型企业在发展的初期, 基于市场急速发展等方面的需要, 普遍采用H型结构, 即类似控股公司的项目管理结构。由于区域分公司都是较为独立的利润中心, 所以各管理成员之间信息交流较少。大家为了追求自己的利润最大化而选择战略, 这些战略有可能与其他成员企业的战略相冲突, 也有可能与企业总部的总目标相冲突。因此, 许多学者认为M型结构有利于信息沟通, 是集权和分权的有机结合, 这也是我国大型项目型企业集团组织机构的发展趋势。

综合看来, 类似于M型结构的三维组织模式是较好的决策机制, 也就是分层进行相应范围的经营决策。结合职能投资中心、利润管理中心与成本支撑中心的划分, 大型项目型企业的三维组织结构可以划分为三层:职能决策层、项目决策层和各专业公司单元。结合宝钢等一些大型项目的管理实践, 我们把项目管理办公室 (总公司的职能部门) 做为项目矩阵组织的第三维, 提出了三维项目组织结构设计的基本指导思想:

强调职权驱动以项目管理为中心

强调专业支撑以专业技术为支撑

强调服务协调以控制监督为保障

职能决策层代表公司高级决策层, 它负责对整个企业的项目管理实施协调和控制, 进行战略性决策。职能决策层在博弈中采取的策略遵循效益最大化和风险最小化的原则。

项目决策层通常是大型项目型企业的项目管理部门, 他作为企业的利润中心, 从项目具体实施的的角度对项目生产和服务进行控制。由于有限理性和信息不完全, 项目决策层是连接职能层和专业层两个博弈层次的纽带。

各专业公司是大型项目型企业中从事具体专业生产经营的单位, 它像一般企业那样实行常规性决策, 着眼于充分利用各种资源, 不断提高生产与经营的效率, 因此大型项目型企业的专业公司层又称作企业的成本中心。

三、三维结构两阶段演化博弈过程的构建与求解

大型项目型企业内部三维组织结构中的三个决策层承担着不同的职能和权限, 构成了演化模型中的三个博弈方, 其中职能层用A来表示, 职能层的博弈策略可行集用A1来表示;项目层用B来表示, 项目层在第一阶段的博弈策略可行集用B1来表示, 第二阶段的可行集用B2来表示;专业层用C来表示, 专业层在第二阶段的博弈策略可行集用C2来表示。第一阶段的博弈是指A和B的博弈, 第二阶段的博弈是指B和C的博弈。下面我们用两阶段演化博弈模型对大型项目型企业决策机制展开分析

(一) 职能层与项目层的动态演化博弈:第一阶段的博弈

参与者职能层A从可行集A1中选择一个行动a1,

参与者项目层B观察到a1, 之后从可行集B1中选择一个行动b1,

两者的收益分别为UA (a1, b1) 和UB (a1, b1) 。

项目型企业内部的博弈符合以下基本的特点: (1) 行动是顺序发生的; (2) 下一步行动选择之前, 所有以前的行动都可被观察到; (3) 每一可能的行动组合下参与者的收益都是共同知识。

我们通过逆向归纳法求解此类博弈问题, 当在博弈的第二步参与者项目层B行动时, 由于其前参与者职能层A已选择行动a1, 他面临的决策问题可用下式表示:

假定对A1中的每一个a1, 参与者项目层的最优化问题只有惟一解, 用RB (a1) 表示, 这就是参与者项目层B对参与者职能层A的行动的最优反应。由于参与者职能层A能够和参与者项目层B一样解出项目层的问题, 参与者职能层A可以预测到参与者项目层B对职能层每一个可能的行动a1所作出的反应, 这样职能层A在第一阶段要解决的问题可归结为:

假定参与者职能层A的这一最优化问题同样有惟一解, 表示为a1*, 我们称 (a1*, RB (a1*) ) 是这一博弈的逆向归纳解, 也即双方在第一阶段博弈的最优决策结果。

(二) 项目层与专业层的动态演化博弈:第二阶段的博弈

职能层A与项目层B的博弈结束以后, 第二阶段的博弈可以观察到前面的博弈策略, 理论上项目层B与专业层C的博弈是第一阶段博弈的序贯行动。但是, 在实际的过程中, 两个阶段的博弈行动是同时存在的, 这里所讲的第二阶段的博弈, 不是单纯的项目层B与专业层C的博弈, 而是三方共同参与的博弈, 符合现实中的实际博弈情况。

参与者职能层A和项目层B同时从各自的可行集A1和B1中选择行动和b1,

参与者项目层B和专业层C观察到第一阶段的结果 (a1, b1) , 然后同时从各自的可行集B2和C2中选择行动b2和c2,

收益为ui (a1, b1, b2, c2) , i=A, B, C。

我们仍然采用逆向归纳的思路解决此类问题, 但这里从博弈的最后阶段逆向推导的第一步就包含了求解一个真正的博弈 (给定第一阶段结果时, 参与者项目层B和专业层C在第二阶段同时行动的博弈) , 而不再是上述单纯求解一个阶段最优化的决策问题。为使问题简化, 我们假设对第一阶段博弈每一个可能结果 (a1, b1) , 其后 (参与者项目层B和专业层C之间的) 第二阶段博弈有惟一的演化稳定策略, 表示为 (b2* (a1, b2) , c2* (a1, b2) ) 。

如果参与者职能层A和项目层B预测到参与者项目层B和专业层C在第二阶段的行动将由 (b2* (a1, b2) , c2* (a1, b2) ) 给出, 则参与者职能层A和项目层B在第一阶段的问题就可用以下的同时行动博弈表示:

参与者职能层A和项目层B同时从各自的可行集A1和B1中选择行动a1和b1;

收益情况为ui (a1, b1, b2* (a1, b2) , c2* (a1, b2) ) , i=A, B;

假定 (a1*, b1*) 为以上同时行动博弈惟一的演化稳定策略, 我们称 (a1*, b1*, b2* (a1*, b1*) , c2* (a1*, b1*) ) 为这一两阶段博弈的最优演化稳定策略。也就是说:企业内部的职能层、项目层、专业层通过博弈演化, 企业的整体管理系统达到了一个演化稳定均衡。

四、结论

大型项目型企业的职能层 (最高决策层) 、项目层和专业层各自都拥有相应的决策权力。从两阶段的演化博弈过程来看, 大型项目型企业的决策过程就是在三个层次的策略“选择”互动中体现出来的。“选择”是各决策层会根据自己的经验选择合适的策略, 一旦该策略被各决策层都接受, 就会达到演化稳定均衡。

例如, 某大型项目型企业职能层 (最高决策层) 决定通过BOT的方式投资参与某钢厂的工程建设, 如果该决策被各层决策主体都采纳, 则项目层就在此基础上决定投资策略的运作方式, 各专业层又按照项目层所确定的运作方式进一步从行动上来落实它。但是如果各专业层从市场获得的信息显示, 在金融危机条件下, 钢铁行业是无利可图的, 这种情况下, 就存在策略的变化与调整, 职能层的策略需要再选择, 促使职能层与项目层的博弈产生新的演化策略, 策略的不断创新与博弈的不断演化, 最终达到稳定状态。

参考文献

[1]吴彦俊.大型建设企业项目组织三维结构设计研究[J].项目管理技术, 2008, 2.

[2]Harold Kerzner.Project management:a systemsapproach to planning, scheduling, and controlling.JohnWiley&Sons, Inc.2005.

[3]Clifford F.Gray, Eric W.Larson:Project mana-meng.Mcgraw-Hill Companies, Inc.2003.

[4]徐忠爱.企业边界决定:演化经济学视角的分析[J].现代管理科学, 2005, 12.

[5]高怀, 徐二明.企业演化理论及其启示[J].东北大学学报 (社会科学版) , 2004, 7.

[6]邢以群, 田园.企业演化过程及影响因素探析[J].浙江大学学报 (人文社会科学版) , 2005, 7.

三维组织结构 篇2

河西走廊中部地区三维速度结构研究

利用天然地震记录资料,对河西走廊中部地区三维速度结构与震源参数进行了反演,获得了该区的三维速度图像.分层速度结果反映出研究区深部结构的一些重要信息.①浅部沉积层的速度为5.00～6.15 km/s,垂直速度梯度接近0.15 km/s;结晶基底埋深约7 km,速度为6.15 km/s.②上地壳深达18 km,速度约为6.33 km/s;民乐盆地速度略高于祁连山和龙首山,阿拉善地块存在明显的.向河西走廊下插的现象.③中地壳底部深约30 km,速度为6.58 km/s;较显著的速度变化区正位于北祁连与河西走廊过渡带.④下地壳厚度显示祁连山偏厚,莫霍面埋深为54 km;河西走廊稍薄,莫霍面深约为52 km;阿拉善地块莫霍面深53.5～53.0 km,介于祁连山与河西走廊之间.在34～42 km深度存在明显的低速层,速度约为6.5 km/s.研究认为,龙首山断裂带可能是逆冲性质的上地壳断层,昌马-俄博断裂可能是一条近直立的中地壳断层.

作 者：董治平张元生 DONG Zhiping ZHANG Yuansheng 作者单位：中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州,730000刊 名：地球学报 ISTIC PKU英文刊名：ACTA GEOSCIENTICA SINICA年，卷(期)：200728(3)分类号：P5关键词：河西走廊中部地区 三维速度结构 反演 低速层

三维组织结构 篇3

葡萄酒瓶结构简介

行业标准BB/T 0018-2000《包装容器 葡萄酒瓶》要求，葡萄酒包装容器分为波尔多瓶、勃艮第瓶、莎达尼瓶等，规格有375ml、750ml不等，具体规格尺寸见表1。

葡萄酒瓶由瓶口、加强环、瓶颈、瓶肩、瓶身和瓶底组成，结构如图1所示。波尔多瓶、勃艮第瓶、莎达尼瓶作为三种常见的葡萄酒瓶，其瓶型均为旋转体，只是在瓶口、瓶颈和瓶肩部分区别较大。

葡萄酒瓶结构分析

对于波尔多瓶、勃艮第瓶、莎达尼瓶这三种常见的葡萄酒瓶，瓶口一般为塞形瓶口或螺纹瓶口，而塞形瓶口按其外部形状又分为凸形瓶口和方形瓶口两种，如图2所示。

瓶肩部分是区分上述三种瓶型的主要依据，波尔多瓶是一种直边高肩的瓶型（如图3所示），深绿色的瓶装干葡萄酒，浅绿色的瓶装干白葡萄酒，无色的瓶装甜白葡萄酒。这种瓶子被世界上各个国家广泛用于装波尔多风格的葡萄酒，如赤霞珠、马尔培、长相思、赛美容、美乐等。

勃艮第瓶型的瓶颈和瓶肩过渡圆弧半径以及瓶肩半径要比波尔多瓶型大，瓶型较圆，如图4所示。加利福尼亚的勃艮第葡萄酒装入这种瓶型的葡萄酒瓶中出售，西班牙和意大利较为浓烈的葡萄酒（如Barolo和Barbaresco）也采用不同的勃艮第瓶包装。

莎达尼瓶型的瓶身细长、高挑，瓶颈和瓶肩过渡圆弧半径以及瓶肩半径较大，如图5所示。采用莎达尼瓶盛装的葡萄酒通常来自Alascc地区和德国莱茵地区。

此外，还有一些异型葡萄酒瓶，如图6所示。

葡萄酒瓶三维结构设计

市场上的三维结构设计软件有很多，包括Pro/E、Solidworks、3DMax等。Pro/E采用模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。Solidworks具有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，使其成为领先的、主流的三维CAD解决方案。3DMax是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。

但是这些软件都需要进行专门的学习，对于包装设计专业的学生来说，能够利用包装计算机辅助设计软件AutoCAD进行包装容器的三维结构设计，而不用专门学习一款三维结构设计软件是最好的选择。

下面，以最常见的750ml波尔多葡萄酒瓶为例，简单介绍一下利用AutoCAD进行三维结构设计的方法和步骤。

1.瓶口设计

以波尔多葡萄酒瓶凸形瓶口为例，参照表1，瓶口外径取28mm，瓶口内径18.5mm，瓶口厚度2mm，瓶口倾斜0.1°，瓶口高24mm。在AutoCAD中绘制瓶口，首先切换到三维建模模式，用“多段线”工具绘制瓶口的半截面图（如图7所示），然后用“建模”中的“旋转”工具进行旋转，在顶面绘制半径为9.25mm的圆，拉伸长度为24mm，再对两个三维模型进行差集运算，之后对其进行半径为1的倒角，最终得到的三维效果如图8所示。

2.瓶身设计

参照表1，波尔多葡萄酒瓶瓶高为289mm，瓶身外径为76.5mm，壁厚取2mm，瓶肩过渡半径分别为75mm和60mm，瓶底凸起半径分别为18mm和10mm。首先用AutoCAD中的“多段线”工具绘制主视半截面图（如图9所示），然后用“建模”中的“旋转”工具进行旋转，再用“建模”中的“抽壳”工具进行抽壳。

3.瓶型设计

将瓶口与瓶身合并，同时进行“并集”操作，最终得到的波尔多葡萄酒瓶三维效果如图10所示。

三维隔震结构的地震响应分析 篇4

基础隔震是被动控制的一种——在结构基础顶面和上部结构之间安装一层具有足够可靠性的隔震层, 将结构基础和上部结构隔离开, 可有效控制地面运动向上部结构的传递。建筑的基础隔震技术经过近几十年的发展, 如今已进入实用阶段。目前, 国内外已建成数百上千的隔震建筑, 但是关于竖向地震作用对隔震建筑的影响尚处于研究阶段。

本文将基础隔震技术对水平地震分量的控制称为水平隔震, 而对水平地震分量、竖向地震分量共同作用的控制称为三维隔震。本文将通过一个实例分析, 阐述竖向地震分量对基础隔震建筑的作用, 进而提出一种三维隔震体系, 并通过与水平隔震体系的对比, 表明此三维隔震体系对三向地震作用的有效控制。

1 分析模型的建立

1.1 结构简介

计算结构为规则的3层混凝土框架, X向为三跨, Y向为两跨, 每跨皆为6m。柱的截面尺寸为500×500mm, 梁的尺寸为500mm×300mm, 板厚为100mm, 采用C30混凝土。层高皆为3m。抗震设防类别为乙类, 场地类别为Ⅱ类, 设防烈度为8度, 地震基本加速度为0.2g。

1.2 水平隔震层

水平隔震层由水平隔震支座以及一块厚度为0.12m的楼板构成, 水平隔震层的框架梁尺寸亦为500×300mm。所有柱子底部皆布置铅芯叠层橡胶隔震支座。在SAP2000软件中, 水平隔震支座用。

1.3 竖向隔震层

竖向隔震层独立布置于水平隔震之上, 由竖向隔震支座、导轨以及厚度为0.15m的楼板构成。竖向隔震支座由钢弹簧和粘滞阻尼器并联构成。导轨的作用在于将水平地震分量与竖向地震分量解耦, 即当水平地震分量单独作用时, 三维隔震结构同水平隔震结构并无太差异;而竖向地震分量单独作用时, 竖向隔震支座将发挥其隔震减震的功能;水平、竖向地震分量同时作用于结构时, 水平隔震支座、竖向隔震支座将独立地发挥其各自功能。

1.4 输入地震波

选取Ⅱ类场地适用的EI-Centro波作为时程分析的地震波输入, 持续时间为30s, 时段大小为0.02s, 加速度峰值为341.7cm/s2。根据我国现行抗震规范中规定:此结构采用三向 (两个水平和一个竖向) 地震波输入时, 其加速度最大值按1 (水平1) :0.85 (水平2) :0.65 (竖向) 的比例调整。

2 三维隔震结构的地震反应分析

2.1 三种结构形式的自振周期

表2是三种形式的结构前六阶振型的自振周期数据, 可以看出水平隔震明显延长了结构的自振周期, 而三维隔震结构与水平隔震结构相比, 前六阶的主振型的自振周期相差不大。

2.2 竖向地震分量对水平隔震结构的作用

对水平隔震结构分别只施加X、Y两向地震波, 对比同时施加X、Y、Z三向地震波的情况, 分别取顶层X向加速度的时程作图如下:

从图5中可以看出, 在高烈度地区, 竖向地震分量对水平隔震结构的影响是不能忽略的。三向地震波同时作用于水平隔震结构时产生的顶层X向的加速度时程的峰值为545.6cm/s2, 而仅对其施加水平地震波时顶层X向的加速度时程的峰值为453.4cm/s2。

2.3 三维隔震结构的减震效果

分别对水平隔震结构、三维隔震结构施加三向地震波, 考查各自的顶层X向加速度时程, 作图如图6:

由图6可知, 和水平隔震结构相比, 三维隔震结构由于设置了竖向隔震层, 使结构在三向地震作用下的反应明显削弱, 其顶层X向加速度时程的峰值为340.1 cm/s2。

结语

本文基于水平隔震结构的基础之上, 提出了一种新型的三维隔震结构, 用于减弱高烈度区竖向地震分量对于结构的作用。通过SAP2000软件建模分析, 可知竖向地震分量对于隔震结构的影响较大;而三维隔震结构可以有效减弱这一反应。

三维隔震结构尚处于研究阶段, 目前国内外并无太多的工程实践。其关键的问题在于竖向隔震层的竖向隔震支座的选取是否合适, 以及竖向隔震层导轨的抗弯刚度是否足以抵抗上部结构的倾覆弯矩。总之, 三维隔震结构的抗震性能还有待进一步的实验研究与分析。

参考文献

[1]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社, 1997.

[2]GB50011-2010.建筑结构抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[3]熊世树.三维基础隔震系统的理论与试验研究[D].武汉:华中科技大学, 2004.

真核生物的三维结构模型制作报告 篇5

作者: 高一<23>班董慧萍

指导老师：陈坤

目的：1尝试制作植物真核细胞的三维结构模型

体验构建模型的过程

材料用具：橡皮泥、水、凉粉粉、小刀、椰子、牙签、碗、加热装置 方法：真核植物细胞三维结构模型的种类为实物模型，模型展示的是细胞的部分，利用不同颜色的橡皮泥做出细胞器，凉粉作为细胞质基质。椰子壳作为细胞壁，保鲜膜作为细胞膜 方法步骤：

1细胞壁：用小刀将椰子的皮去掉，留下椰子壳用刀将椰子壳一分为二，椰子汁倒入容器中，在两个椰子壳中选用一个用汤匙把椰子肉去掉，在用小刀把椰子的外壳一点一点削干净。用来作为模型用具，椰子壳作为细胞璧

2细胞膜：将准备好的保鲜薄膜套在椰子的内部，要紧贴椰子壳，构成细胞膜。

3细胞质基质：用一碗水将一包中的二分之一的凉粉粉溶解搅拌，开成无核的糊状，变成液体，另用相同的碗取两碗加热直至沸腾再将开好糊状的凉粉液体倒入，用汤匙不断搅拌，使其不会黏锅，直至液体再次沸腾，取出液体倒入椰子壳内，静置，冷却，如想加速冷却可以将椰子壳放入冷水中，冷却后液体凝固，就构成了细胞质基质，将液体冷却时要注意不要将冷水没及椰子壳，避免液体浓度不足，凝固不了。

4细胞核：用黄色的橡皮泥揉成椭圆状，再用牙签捅成蜂窝状，大大小小的洞构成细胞核的核孔

5线粒体：用紫色的橡皮泥揉成略长的椭圆状，用小刀削出一个平面，用牙签尖的一头勾画出线粒体的轮廓，然后再小心翼翼的用牙签加深轮廓。

6高尔基体：将蓝色的橡皮泥揉成长长的圆柱状，再将圆柱状压成扁状，再将他折叠起来，多余的蓝色橡皮泥可揉成细小的圆状，放置在它的周围或面上

7内质网：将橘色的橡皮泥分为4部分，大小依次减小，将前4块橡皮泥按成扁状，然后按从上小下大的顺序将它们叠放在一起，最后将第五块分为几块小的，将它们揉成圆柱 放置在叠放在一起的橡皮泥的周围或面上

8溶酶体：根据参考必修 1第46页可知溶酶体的形状为椭圆状，大小比线粒体小比核糖体大得多所以可选用白色的橡皮泥揉成一个椭圆的形状

9中心体：由于中心体是由两个互相垂直排列的中心粒及周围的物质组成。所以可选用颜色比较深的橡皮泥【如黑色】揉成两个圆柱状，再将这两个圆柱摆成垂直形状

10核糖体：由于核糖体的体积最小，所以也要可选用颜色比较深的橡皮泥

【如红色】，将橡皮泥分成小小的块状，逐个将它揉成圆状。数目略多。放置在各个细胞器的周围

11叶绿体：根据观察叶绿体的形状可知它的形状象葡萄干的行状所以可选用绿色的橡皮泥捏造，将橡皮泥揉成微长的椭圆状，然后用小刀勾画出一条条的线，然后加深痕迹，构成叶绿体有褶皱感，类似于葡萄干状的条纹。

12液泡：液泡的形状比较大。外形比较像一个大的椭圆，人都说紫色大液泡所以可选用紫色的橡皮泥捏造一个大的椭圆状就可以了。也可用黄色。注意事项：要注意保证各部分结构的大小比例协调。据测量，大多数动植物细胞直径约100 μm，细胞核直径为5～10 μm，线粒体直径为0.5～1 μm，长度为2～3 μm，中心粒直径为0.2～0.4 μm，核糖体最小。

心得体会：制作细胞模型让我体会到细胞的奥妙更加奇妙。让我更好的理解了细胞的结构。更加清楚的知道细胞作为生命的基础是如何完成生命活动的。

附录：

细胞核

高尔基体

中心体

核糖体

溶酶体

线粒体

叶绿体

细胞壁

细胞膜

细胞质基质

内质网

模型

液泡

三维组织结构 篇6

【关键词】救援直升机；仿真；PRO/E

近些年来，世界各地的自然灾害频繁发生。所有的自然灾害面前，灾后救援手段非常之多，最为行之有效的救援手段，应该是航空救援。而航空救援的主要工具就是救援直升机。救援直升就可以高速、有效的对灾区进行第一时间救援，而且还能不受地理环境的束缚，所以航空救援现在成为全世界公认的最有效的救援手段。但是，我国的多数救援直升机都是对原有的直升机进行改造。救援效果一般，救援速度也慢，功能性也差，效果也不是很理想。针对实际当中救援直升机存在救援过程中遇到的一些问题，扩展救援直升机的功能和用途，对救援直升机舱门和尾部结构提出改进方案，通过pro/e进行仿真。

1.救援直升机舱门设计

飞机的机身设计的特点分别是飞机的驾驶舱和飞机的机身下方的支撑架。对汽车吊车的观察发现，操作者在操作室里可以看见起吊情况。地震现场小型救援直升机的起吊部分在飞机的尾端，要想便于观察起吊过程，就必须有和飞机尾部同方向的操作室，我们便设计了旋转式的操作室。打开飞机的舱门，操作室可旋转到飞机舱外。这时，飞机的尾部和操作室是同一方向，可以直接观察起吊情况，方便对起吊工作进行操作；飞机的机身另一个设计亮点是飞机进行起吊工作时，支撑架全部打开，稳定重心。为了使支撑架不与起落架发生干涉，为此设计了六节支撑架，最后打开的支撑架在起落架的两边，起到了稳定重心的作用。这六节支撑架环环相扣，尺寸匹配。在PRO/E中，我们做了运动仿真。仿真了飞机舱门打开，操作室旋转以及支撑架的放落过程。以下是展示这一过过程的图片。如图所示。

飞机舱门开启过程

2.飞机尾部伸缩设计

图片展示了操作室和支撑架的运动过程。飞机的机尾部分，由一组可伸缩的起吊臂和小型螺旋桨组成。起吊臂一共有三节组成。起吊臂的升起、降落、伸出、缩回都是由液压能提供动力。小型螺旋桨固定在最粗的起吊臂上，小型螺旋桨有自身重量，因此，需要更多的液压能。将设计好的三节起吊臂用PRO/E的组件功能组合在一起，并对起吊臂的升起、伸出、收缩、降落这一个过程做了运动仿真。这个过程也是此次设计的特点。以下是展示这一过程的部分图片，如下图所示，救援直升机尾部伸缩架展开全过程。

救援直升机尾部伸缩架展开全过程

3.飞机底部支撑架运动设计

飞机进行起吊工作时，支撑架全部打开，稳定重心。为了使支撑架不与起落架发生干涉，为此设计了六节支撑架，最后打开的支撑架在起落架的两边，起到了稳定重心的作用。这六节支撑架环环相扣，尺寸匹配。具体的支架的展开过程如图所示。飞机底座全部展开过程如图所示。

救援直升机支撑架展开过程

本文在救援直升机功能扩展方面进行了研究和探索，通过救援直升机的结构改进，使救援直升机集成了新的救援功能，扩展了救援直升机的应用范围，提高了救援效率。为了说明具有新的救援功能的直升机的结构，还设计了直升机结构的验证和演示模型，完成了模型虚拟样机和缩小比例实物模型的制作。本文旨在探索救援直升机结构设计的一种新的思路，为新型救援直升机的开发提供一些参考和启示。随着强度高、重量轻的新型复合材料在救援直升机上的应用，在救援直升机上必将集成越来越多的新结构和新功能。对本文制作的新型救援直升机结构模型，还可进一步开发应用于其他领域，如作为具有一定教育意义的救援直升机玩具组装模型的前期工作，在此基础上开发出启迪儿童智力的玩具组装模型产品。

【参考文献】

[1]张德强主编.CAXA数控铣CAD/CAM技术.北京：机械工业出版社，2005.

[2]于位灵，万军.虚拟制造技术的发展与应用研究（第30卷）.制造业自动化，2008，（02）.

产业集群成长的三维结构分析 篇7

一、产业集群成长的生命周期与阶段特征

(一)产业集群的生命周期

产业集群的生命周期是指集群从产生到消亡的时间经历。产业集群的内在机理和外部环境变化决定其发展和演化的进程,不存在永远具有竞争优势的产业集群。国家或区域产业政策的调整、市场规模和市场结构的变化、集群内骨干企业的变迁、竞争的加剧、集群网络的破坏等等都可能导致产业集群走向衰落或解体。产业集群呈现出明显的生命周期特征。

奥地利经济学家蒂奇(Tichy,1998)借鉴产品生命周期理论,把集群的生命周期划分为创立期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段[1]。王缉慈(1988)、盖文启(2002)等人则以区域创新网络演进过程将集群划分为网络形成阶段、网络成长与巩固阶段、网络逐渐根植的高级阶段等三个阶段[2]。魏守华(2002)依据集群竞争优势的发展将集群成长分为发生、发展和成熟阶段[3]。马建会(2004)将产业集群分为初期形成阶段、快速成长阶段和成熟阶段[4]。根据产业集群成长的一般规律和实践,本文将产业集群生命周期划分为萌芽期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段,成长曲线如图1所示。

产业集群的S型成长曲线类似于产品生命周期曲线,其中的拐点具有特别的意义,决定了不同阶段的划分。在第一个拐点A之后,集群从萌芽期进入快速成长期,是整个生命周期中发展最快的阶段。当出现第二个拐点B时,集群成长已经趋于成熟,表现出最为强劲的竞争实力。拐点C表明集群进入衰退阶段,被其他集群所替代或者转型其他产业。虽然产业集群的发展大都需要经历以上四个阶段,但是不同产业集群的生命期长短却有很大差异。有的集群可以在较长时间内保持竞争优势,获得可持续的发展;也有的集群可能只是昙花一现,在很短的时间内就走向衰落。此外,不同产业集群经历各阶段的时间长短也并不相同,有的是萌芽期较长,有的是成长期或成熟期较长,有的经过成熟期后逐渐衰退,也有的在成长阶段还未进入成熟期就开始迅速衰退。因此,产业集群的演化往往较为复杂且非线性,其成长过程不一定走完所有阶段,而且在各阶段中的发展也可能多次反复,并非一蹴而就。

(二)产业集群不同成长阶段的主要特征

产业集群不同成长阶段表现出不同特征,从集群内企业数量、经济规模、产业特色等方面进行归纳总结如表1所示。

二、产业集群成长的三维结构框架

通过上述产业集群不同成长阶段主要特征的分析,可以将各阶段主要特征变量加以综合。如企业数量规模和经济总量规模主要反映了集群成长规模的变化,可以将二者综合为集群产业规模变量;产业特色、产业链和产业配套反映集群产业特色和产业关联情况,总体上可归结为产业结构变量;企业间联系、集群创新网络和根植性之间具有内在关系,反映集群内部相互联系的程度和大小,本质上由集群网络所决定,可以将三者综合为集群网络变量。由此,根据集群产业规模、产业结构和集群网络这三个主要特征变量,建立产业集群成长的三维结构框架,并按照三个维度的不同组合方式将其划分为八个区域,如图2所示。

每个区域既代表了产业集群发展的不同阶段状态和水平,又代表了产业集群发展模式的不同类型。产业集群三个维度的发展程度和协调关系,决定了产业集群的成熟度和竞争优势。区域Ⅰ靠近三个维度的最低点,产业结构不合理,产业规模小,集群网络没有形成,处于产业集群发展的低端水平;区域Ⅱ属于产业结构比较合理完善,形成一定产业特色和产业关联,但产业规模小,集群网络发育水平低;区域Ⅲ虽然形成一定的集群网络,但产业结构和产业规模都不甚理想;区域Ⅳ表现出较好的产业结构和集群网络,但产业规模偏小;区域Ⅴ属于产业规模较大,但产业结构不够成熟,集群网络水平较低;区域Ⅵ表现为产业结构和产业规模较成熟,但集群网络发育水平较低,目前我国很多发展较好的产业集群具有这样的特征;区域Ⅶ属于产业规模和集群网络较发达,但产业结构有待完善和优化;区域Ⅷ是一种最理想的状态,表现为集群产业结构优化合理,产业规模效应明显,集群网络发育程度高,能够尽量发挥产业集群效应,具有持续的竞争优势,是产业集群发展的成熟阶段。

按照以上三维结构框架,本文认为可以从以下三个维度来描述产业集群的成长过程:

1.在产业集群成长过程中,集群规模呈现出明显变化,无论是集群内企业数量规模、企业生产经营规模,还是集群总体经济规模都随着集群发展而不断扩大。集群进入成熟期后,企业数量和生产规模基本保持稳定而不再扩大,产出的经济指标有可能继续增长,但增长缓慢。集群进入衰落期,产业规模开始萎缩,直至集群消亡或者转型其他产业。

2.产业集群的发展,离不开产业结构的不断调整和优化。合理的产业结构包括产业链长短、主导特色产业的形成和配套支持产业的完善等方面内容。产业结构是否合理、产业特色是否鲜明是产业基地成熟度的重要指标,也是获得竞争优势的重要源泉。大量同一产业或相关产业的聚集和发展,可以促使集群产业结构不断优化,产业特色更加突出。产业集群成长过程,同时也是其产业结构不断优化、产业特色逐步形成的过程。

3.产业集群的成长过程,同时也是集群网络的形成过程。伴随着产业集群成长,企业间联系紧密,广泛开展专业化分工与协作,形成集群交易网络和创新网络,并根植于当地的社会经济文化系统之中,进而形成并强化了集群的社会资本网络。

三、集群成长的三维结构分析与讨论

(一)产业规模与集群成长

集群成长过程伴随着集群产业规模的不断变化,根据上述产业集群生命周期的划分,产业集群在不同成长阶段对应着不同的规模,即初始规模、成长规模、成熟规模和替代规模。在整个产业集群生命周期中,产业规模与集群成长基本表现为同步关系,也呈现S曲线的变化趋势,即集群产业规模先从缓慢增长到迅速扩大,在达到成熟期后基本稳定在一个较高水平,当产业集群进入衰退期,大量企业外迁或破产,集群规模则开始下降。集群规模与集群成长还是一种相互促进的关系,集群的不断发展吸引更多的企业进入集群,扩大了产业规模;反之产业规模的扩大更有利于集群规模效益的形成,进一步促进了集群成长。

集群产业规模的扩大无疑有利于集群内企业获取外部规模经济,降低企业长期平均成本,扩大产品市场份额,提升产业集群竞争力。但是,集群产业规模对集群效应存在一个极值点,当集群规模超越极值点时集群效应将迅速递减,这个极值点是集群规模对集群效应的极限约束[5]。集群规模之所以存在一个最大值,一是由于集群网络制约机制的较弱,随着集群规模的扩大,机会主义和搭便车行为滋生,给集群企业带来处部不经济;二是由于产业集群的循环积累和自我强化机制,使集群网络逐渐丧失开放灵活的协同性和适应性,容易陷入僵化而形成锁定效应,阻碍产业集群的持续发展;另外,随着集群成长和集群规模的扩大,产业集群区域往往表现出地价飞涨、基础设施不堪负重等“拥挤效应”,也会造成企业经营成本增加,当这种增加的成本大于企业在集群中所获得的集群效益时,则会导致部分企业离开集群地区,使产业集群的“向心力”变为“离心力”。

(二)产业结构与集群成长

产业结构与集群成长有密切关系,合理优化的产业结构是构建集群网络和发挥集群效应的前提,是产业集群走向成熟的重要标志。产业结构的成熟度可由产业特色和产业关联二个方面来衡量,产业特色反映产业集群主导产业的地位,产业关联则反映集群相关企业之间的产业联系。产业特色越突出,产业关联度越高,则产业集群的产业结构成熟度越高。利用二维平面坐标系统可以将集群的产业结构成熟度划分为四种基本类型,如图3所示。

其中Ⅰ区域表示集群既有突出的产业特色,又有较高的产业关联度,是一种成熟的产业结构;Ⅱ区域表示集群产业特色虽然突出,但产业关联度不高,因此产业结构成熟度一般;Ⅲ区域产业关联度较高,但整个集群的产业特色并不突出,没有形成明确的主导产业,因此产业结构成熟度一般;Ⅳ区域表示产业集群既没有突出的产业特色,也不存在较高的产业关联,是一种产业结构不够成熟的状态。只有主导特色产业突出,产业链完整,产业关联度高的集群,才更有利于建立围绕主导特色产业,相关配套产业支持的合理产业结构,也才更有利于集群广泛和深层次的专业化分工与协作,形成集群网络,以获得持续的竞争优势。

当前,我国以产业集群理论建立的各类高新技术产业开发区、科技园、产业园中,产业结构雷同现象比较突出,很多园区都以电子信息、生物医药、新材料新能源等为主导产业,盲目追求包括各种高新技术产业的庞大产业计划,似乎产业门类越多,产业结构越完善,这是一种误区。从产业集群效应的机理来看,只有围绕主导产业形成相关产业的配套,建立密切的产业联系,才有利于专业化分工与协作,共享知识技术溢出和市场信息,形成特色品牌优势,从而构建集群的创新网络,获得集群效应。因此,缺乏产业特色和产业关联的高新技术产业集群发展得并不理想,相反一些传统产业集群如浙江、广东等一些专业镇,由于产业特色突出,产业合作密切,则发展得比较成熟。

(三)集群网络与集群成长

经济学中关于网络的研究越来越广泛和深入,网络被称为“有组织的市场,可调整的企业”。不同学者从不同角度对网络的类型、结构和层次、网络对组织和区域经济的影响、网络对创新的影响以及集群网络与集群效应的关系等方面进行了研究。本文定义的“集群网络”是指集群相关行为主体间在交换资源、传递资源过程中发生联系时建立的各种关系的总和。集群网络包括三个基本要素:行为主体、网络活动和资源,三个要素分别构成网络的结点、联系和流。行为主体是集群网络的各个结点,包括集群内的企业、个人以及与集群有密切关系的政府、中介组织、科研和教育机构等;网络活动指构成网络结点的行为主体之间资源和信息等的交易、交流活动,包括正式的交易活动和非正式的社会交往,网络活动使结点和结点之间建立起网络联系;资源,包括人力资源、信息资源和各种物质资源,是行为主体间进行网络活动的客体,形成集群网络的各种流,如物流、资金流、信息流等。

集群网络的结构层次比较复杂。刘斌(2004)认为,对集群效应影响较大的网络包括交易网络、技术网络和社会网络三个层次[6]。付新爽(2007)提出集群网络可以分为经济网络、创新网络和社会资本网络[7]。本文认为产业集群网络可分为交易网络、创新网络和社会资本网络三个层次。交易网络是指产业集群内部企业间通过专业化分工与合作以及共享市场信息和技术而形成的相互联系。交易网络通常是围绕产业链上下游分工而形成的,包括各种由产业分工确定的分包和外包关系,网络主体主要是企业。交易网络在网络层次上处于表层,是产业集群内企业获取规模效应、降低交易成本的重要组织基础和源泉。创新网络是指由企业、大学或研究机构、政府机构、行业组织以及其他各类中介组织之间相互建立的合作关系和信息网络,是促进产业集群创新、提高创新效率的核心和重要前提。社会资本网络是渗透于上述交易网络和创新网络,由集群内相关主体间关于集群的制度、规则、信任、价值观、文化一等系列认同关系所构成。社会资本作为交易网络和创新网络得以建立和有效运行的软性黏合剂,构成对这两种网络的深层次支持。

对于高技术产业集群,创新网络是最重要的集群网络,是推动高技术产业集群成长的重要动力。而对于传统产业集群,交易网络和社会资本网络往往对促进集群成长更具有直接的意义。当集群进入衰退期,集群网络也同时逐渐瓦解,二者表现为基本同步的关系。

集群网络是发挥集群效应的核心和基础,伴随着集群成长过程不断形成和完善。首先,交易网络是企业获取规模经济、降低交易成本的基础。如果企业间不存在产业关联,没有建立专业化分工与合作机制,也就没有形成交易网络,那么,就不能获得规模经济和范围经济,降低交易成本也无从谈起。其次,创新网络与知识和技术溢出有密切关系。一方面,创新为知识溢出提供源头,新知识、新技术的不断涌现,产生了技术扩散;另一方面,各类传播和扩散的知识,在社会资本网络中交流、碰撞、集成,有利于促进新的创新。再次,社会资本网络在很大程度上影响着知识溢出和交易成本。集群内社会资本越丰富,基于信任和共同价值观念的行为主体之间联系越密切,也就越有利于知识溢出和降低交易成本。因此,集群网络决定了产业集群效应,是判断产业集群成熟度的重要因素。当前很多产业集群的效应不明显,主要问题就是集群网络没有形成和建立。

四、结论和启示

产业集群成长的内在动力是为了获取集群效应,内在动力与成长环境相互作用,推动产业集群不断成长,构成产业集群成长的动力机制。产业集群的生命周期可以划分为萌芽期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段,在集群成长过程中,集群规模、产业结构和集群网络构成产业集群成长的三维结构。优化产业结构应该突出的产业特色,加强产业关联,以促进集群成长。集群规模演化与集群成长阶段基本同步,集群规模的扩大,有利于外部规模经济和集群网络的形成,但集群规模存在极限约束。集群网络伴随集群成长逐步建立和形成,是发挥产业集群效应的基础和核心。培育集群网络,重视集群网络建设,是集群成长的关键。近些年来,很多地方政府把大力发展产业集群作为促进地方经济增长的长期战略,为此,可以得到如下几点启示:

1.地方政府在实施产业集群战略时,要注意集群成长环境的建设,尤其是法规制度、产业政策、市场规则、各类中介服务等软环境的建设。对于各种开发区、科技园,仅仅利用土地、税收等优惠政策招商引资,人为“创造”产业集群,但缺乏适合产业集群成长的环境,往往不能取得理想的集群效果。

2.要注重优化集群产业结构,突出产业特色和产业关联。对于通过“招商引资”新建的产业集群,要事先做好产业集群的规划和定位,并根据集群的产业特色和产业链有选择地引入产业关联较强的企业;对于已经存在的产业集群,可以通过产业政策引导产业整合和产业升级,形成具有特色鲜明的主导产业和相互配套的支持性产业互相协调的产业格局。

3.积极扶持和培育产业集群网络。通过完善市场机制来促进集群交易网络,通过创新激励政策和创新机制建立集群创新网络,通过行业协会、加强本地联系、弘扬创业精神等促进产业集群的根植性,促进社会资本网络的形成。

4.根据产业集群成长规律,对不同发展阶段的产业集群采取不同措施,调控集群规模,优化集群网络,防范集群风险,促进产业集群健康成长。

参考文献

[1]Tichy G.Clusters Less Dispensable and More Risky than Ever[M].London,Pion Linited,1998:228-233.

[2]盖文启.创新网络—区域经济发展新思维[M].北京:北京大学出版社,2002:38.

[3]魏守华.产业群的动态研究以及实证分析[J].世界地理研究,2002,11(3):16-24.

[4]马建会.产业集群成长机理研究[D].暨南大学博士学位论文,2004:47.

[5]李煜华,胡运权,孙凯.产业集群规模与集群效应的关联性分析[J].研究与发展,2007,19(2):63-70.

[6]刘斌.产业集聚竞争优势的经济分析[M].北京:中国发展出版社,2004:92-93.

某地铁车站主体结构三维数值计算 篇8

某地铁车站为中间站，地形较为平坦, 现地面高程约在6.72～7.60m，地貌类型属于长江低漫滩。车站标准段宽20m，底板埋深13.66m。车站主体结构为地下双层多跨整体式现浇钢筋混凝土框架结构，采用明挖顺筑法施工。

1.1主体结构主要尺寸的拟定

主体结构主要尺寸的拟定如下：车站顶板厚7 0 0 m m，车站中板厚度为400mm，车站底板厚度为800mm，内衬墙厚度1200mm，维护结构为钻孔灌注咬合桩，桩径1000mm。为满足结构抗浮的要求，车站底板下设置抗拔桩辅助抗浮。抗拔桩为直径1 0 0 0 m m的圆桩，桩长2 0 mㄢ

1.2工程材料

整体式钢筋混凝土结构：C30;

钢筋混凝土柱：C 5 0;

垫层：C 2 0;

防水混凝土抗渗等级：不小于S8ㄢ

2.计算说明

2.1

计算采用ANSYS有限元程序进行，主体框架结构按作用在弹性地基上的等代框架结构进行计算，其地层的作用模拟为一系列弹簧。

2.2计算考虑的荷载：

结构自重、顶板上覆土重、站台人群荷载、地面活载、地铁列车荷载、侧壁水压力、土压力，水浮力以及基底抗力。在计算侧压力时，地下水位以下部分，粘性土按水土合算，砂性土按水土分算，使用阶段的土体侧压力按静止土压力计算。荷载组合根据《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2001) 的规定及可能出现的最不利情况确定。

2.3

计算过程中为了建模的方便，将抗拔桩按周长等效的原则简化成方桩进行处理。

2.4

按照《铁路隧道设计规范》混凝土的计算参数取值。

2.5

考虑使用阶段水浮力按100%进行计算分析；荷载按结构最不利受力情况进行组合，见图1.

2.6

安全系数的计算按照《铁路隧道设计规范》11.2.1和11.2.2办理。

2.7

计算中认为维护结构和内衬墙之间不传递剪力，只传递压力，在维护结构和内衬墙之间设置压杆单元进行模拟。

3、建模计算

计算范围为包括顶板和中板开孔的第8号柱子到第12号柱子断面之间的主体结构部分，在诱导缝处断开，纵向长度为3 6.4 8 m（图3）.

3.1计算断面图

3.2建模

主体结构用solid45三维实体单元，底板与基础土层的作用用只受压力的杆单元link10模拟，用surf154表面效应单元施加桩上摩擦力。

3.3 网格划分

划分有限元网格后，共用116323个节点，103616个单元。

4、计算结果

4.1 断面的选取

由于计算结构模型对称、荷载对称，故本次计算结果的提取在纵向选择了五个较为典型的断面进行数据的提取，断面说明如下：

(1) 纵向第1断面在第10、11号柱子间，此断面的特点是，横截面没有柱子，没有抗拔桩，但有中板。

(2) 纵向第2断面在第11号柱子处，此断面的特点是，横截面既有中板又有柱子，底板处设置抗拔桩。

(3) 纵向第3断面位于第11号柱子和第1 2 号柱子之间，此断面的特点是中板中间跨在此处没有开孔，底板下设置抗拔桩。 (4) 纵向第4断面位于第11号柱子和第1 2 号柱子之间，此断面的特点是中板在此处没有开孔，底板处没有抗拔桩。

(5) 纵向第5断面位于第9号柱子和第10号柱子之间，此断面的特点是没有柱子，底板处设有抗拔桩。

4.2计算结论

(1）第一断面：

边墙的最大弯矩值为521 kN.m；底板的最大弯矩值为379 kN.m，即底板与柱子相交的地方；顶板的最大弯矩为419kN.m，在顶板与边墙相交的地方。

(2）第二断面：

边墙和顶板相交的地方弯矩值达到439 kN.m，但是安全系数为2.5；最危险的截面在柱子与顶板相交的节点处，安全系数只有0.4，受拉控制，弯矩值为870kN.m，要加强配筋；底板弯矩最大值在柱子与底板相交的节点处，弯矩值为450kN.m，受拉控制，安全系数为1.3；抗拔桩的上端受拉力作用，轴力为4 1 4 6k N，必须配筋。

(3）第三断面：

维护结构弯矩最大值为210kN.m，安全系数均较大，满足设计要求；顶板上安全系数最小值为0.9，即顶板与边墙相交的节点处，弯矩值为383kN.m；边墙和顶板相交的地方弯矩值达到471kN.m，受拉控制，安全系数为2.3；底板弯矩最大值在柱子与底板相交的节点处，弯矩值为440kN.m，受拉控制，安全系数为1.2；抗拔桩的上端受拉力作用，轴力为3863kN，必须配筋。

(4）第四断面：

维护结构弯矩最大值为146kN.m，安全系数均较大，满足设计要求；顶板上安全系数最小值为0.86，在顶板与边墙相交的节点处，弯矩值为386 kN.m；边墙和顶板相交的地方弯矩值达到481kN.m，受拉控制，安全系数为2.16；底板弯矩最大值在柱子与底板相交的节点处，弯矩值为446 kN.m，受拉控制，安全系数为1.1ㄢ

(5）第五断面：

三维梯度组织机织防剌织物 篇9

随着恐怖和暴力事件的频繁发生, 个体防护装甲材料的研制和开发越来越受到各国研究者的重视。

在一些国家, 枪械的使用在某种程度上受到严格的限制, 而来自匕首、刺刀等锐器的威胁却无处不在, 这就使防刺织物在军用和民用领域获得了广泛的运用。近年来, 防刺服的市场在不断扩大, 预计在今后的5到10年内, 防刺服市场将有很大的发展。作为个体防护织物的一种, 防刺织物的纤维原料要具有高强度、高模量、耐冲击、高吸能等特性。目前, 国际上较为流行的原料主要是芳纶和超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 纤维。另外, 防刺织物除了必须保护人体免受刺刀匕首等尖锐物体伤害的同时, 对整体的质量厚度等也有要求, 还必须保证穿着者的活动不受到很大限制。

1 防刺织物的主要开发技术

在防刺织物的开发中, 人们一直在致力于追求轻质。目前防刺织物的主要开发技术主要有以下三种。

1.1 衬垫金属片、钢丝圈类

如早期的防刺服就是将高性能合金冷轧制成整体造型的防刺背心或高强轻质 (如铝合金) 金属材料来制作成鳞片甲一样的防护层, 衬垫于防刺织物中。虽然这种防刺服防穿透性能优异, 但其质量和刚性对使用者的活动和穿着舒适性有较大的限制和影响。

1.2 高支高密织造

随着高性能合成纤维的出现, 目前大多数的防刺服都部分或全部采用高性能纤维的高支高密织物, 像以往的防刺服一样, 具有轻质柔韧等优点, 所采用的纤维有Kevlar、PE、PBT、PB0、碳纤维等等, 织物组织也多用平纹组织。如杜邦公司在世界专利W0 97/49849中描述的高密度织造的芳族聚酰胺织物, 该专利称由于织物所用单丝细度很小 (1.6dtex以下) , 且织造紧度大, 所以能提供很好的防刺性能, 同时认为纱线的线密度最好在100~500 dtex之间, 因为越粗的材料越容易屈服, 不利于防刺性能, 但是如果纱线过细就很难织造, 另外, UD、经编多轴向针织物以及纬编针织物也有应用。

1.3 涂层

在功能性纺织品的开发中, 涂层是一种直接且简便易操作的工艺技术。在防刺服的开发中, 涂层技术的应用主要有两方面, 一是提高固紧功能和防腐作用, 另一方面就是利用研磨硬质粒子涂层, 以钝化作用来提高防剌效果。前者如世界专利W0 97/27769中所介绍的插入防刺板的防刺织物中就采用聚氨酯类或清漆对织物进行涂层处理, 对于钢丝则采用锌铝或其两者的合金进行防腐涂层。后者所用的粒子有金刚砂 (碳化硅) 、刚玉 (氧化铝) 、钛碳合金、钛硅合金、氮化钛、碳化钨等, 如美国专利US PATENT 6 586 351中所描述的增强材料防刺性能的粒子涂层。现有的研究多是围绕高性能材料的开发研究防刺机理、防刺标准, 但缺乏防刺织物的组织结构系统设计方面的研究。

如下是在大量查阅以往研究资料的基础上, 选用超高分子量聚乙烯纤维长丝作为织造原料, 开发出一种三维梯度组织机织防刺织物, 并就其组织结构、织造工艺进行了较系统的分析。

2 实验

2.1 原料

超高分子量聚乙烯纤维长丝, 购自北京君安泰公司。它是以十氢萘为溶剂, 将超高分子量聚乙烯升温形成凝胶, 热拉伸后纺丝得到的高性能有机纤维, 又称伸直链聚乙烯 (ECPE) 纤维、高强高模聚乙烯 (HTHMPE) 纤维、高性能聚乙烯 (HPPE) 纤维。其主要性能为:在目前所有合成纤维中强度最高, 相当于优质钢丝的15倍, 比芳纶高35%;密度仅为0.97g/cm3, 是芳纶的2/3、铝的1/3、钢的1/8, 是已经研究开发的高性能纤维中最轻的一种;模量高;能造成高的声速传播, 从而使它在防护子弹冲击时的能量吸收和应力波传递优于其他纤维;其复合材料的冲击强度是玻璃纤维复合材料的2倍, 是芳纶和碳纤维复合材料的3倍, 尤其适合作防弹、防切割和抗冲击能等产品;因其纤维分子的高度定向、结晶及化学惰性, 故具有良好的疏水性、耐化学性、抗紫外光性和耐磨性, 同时具备一定的耐水性、抗霉性和优良的耐疲劳性;柔软并具有较长的绕曲寿命;耐热性比其他纤维差, 熔点为144~152℃。

2.2 织造设备

实验室织造小样机。

2.3 三维梯度组织的特点与形成原理

所谓的三维梯度组织是指利用梯度结构的设计思想来指导板材增强体的结构设计, 实现以最少的材料和最合理的结构发挥增强材料的最大效能;同时, 利用三维纺织技术形成整体结构预成型件, 提高材料的综合性能, 特别是层间剪切性能, 并提高纱线在织物内的利用率。三维梯度织物具有良好的结构设计性, 有限的变形性, 织物结构紧密, 结构断开困难等优点。当它与其他布种复合后, 具有纤维多方向取向、整体连续分布及纤维体积含量高等特点, 提高了织物的整体性和强度稳定性。同时三维梯度织物具有网络结构, 可用于承受载荷的主结构体系中, 减少织物加工过程中的材料消耗。三维梯度结构设计原理是通过接结经纱将多层纬纱连接一起, 从而在厚度方向引入纤维, 提高层间剪切强度。正交接结和角联锁接结是它的两种基本结构。根据织物的厚度要求预选经纬纱层数, 画出三维机织结构断面图, 以三维机织结构断面图为设计依据, 确定各层经纬纱的交织规律, 画出织物结构示意图, 通过计算获得一个组织循环中各系统纱线的根数, 在此基础上绘制出相应的织物经向结构断面图, 据此画出纹板图, 最后得上机图3。

3 三维梯度组织织物的制作

根据织物的性能要求, 结合实验条件, 设计5层经纱三维机织物, 经纱采用T/C 65/35 17tex的单纱, 纬纱用166.7dtex超高分子量聚乙烯长丝, 织物规格为:30cm17×17tex经密194根/10cm, 纬密226根/10cm, 平方米克重373.81g/m2。

3.1 确定织物结构图

根据织物的厚度要求预选经纬纱层数, 画出三维机织结构断面图, 以三维机织结构断而图为设计依据, 确定各层经纬纱的交织规律, 画出织物结构示意图。图1为其纬向截面图, 图中圆圈代表经纱 (b) , 垂直线a1、a2代表垂纱;经向截面图如图2所示, 网圈代表纬纱 (c) , al、a2代表垂纱。

3.2 上机图

3.2.1 穿综

由于垂纱的交织次数较多, 宜穿入前综, 经纱依据纱线在织物内的上下位置, 按从上到下的次序依次穿入从前到后的各页综内, 即第1至第5层经纱依次穿入第3至第7页综内。

3.2.2 穿筘

垂纱单独穿入一筘, 与之相邻的一筘穿入同纵列的经纱, 作得上机图如图3。

3.3 三维梯度织物的上机织造要点

在三维梯度组织上机的过程中, 为了更好地满足织物功能的需要, 以下问题值得注意。

3.3.1 在确定经纬纱层数目时, 应尽可能用较少的经纱层交织更多的纬纱层。

这样可使织造时使用的综片数减少, 织造更顺畅。

3.3.2 根据经向截面图确定引纬次序, 如图4所示。

图中有框的序号3、5、10、15、20、22为空纬, 由于织物各层的经纬纱线数不同, 打空纬有利于织造的顺利进行。

3.3.3 由于经纱张力较大, 引纬时要注意将纬纱拉直, 避免纬纱起皱。

为此, 织得织物样品如图5。

3.4 织物性能分析

由于实验条件有限, 只能用简易实验来验证防刺效果, 即用夹子夹紧织物样品后, 用一定锐度的刀具反复对织物进行穿刺, 匀力穿刺15次以后, 刀尖才穿透织物, 织物表面呈现伤痕, 说明所试验的织物具有良好的防刺能力。这是因为在实际应用中, 防刺织物所承受的外部载荷和结构内部各处所承受的负荷大多是非均匀的, 在弯曲应力作用下材料的上下表面要承受较大的应力, 应力由材料的上下表面到中间层逐渐减小。三维梯度织物在受力较大的上、下两层织物至中间层之间进行梯度结构设计, 使得每层都较合理地分担部分负荷, 保证了织物的整体性, 以最合理的结构发挥最大防刺效能的效果。织物紧密厚实, 平方米克重为373.181g/m2, 轻质柔韧, 使穿着者有一定的活动自由度。

5 结语

三维梯度组织机织防刺织物紧密厚实, 结构合理, 原料消耗少, 防刺效果较好, 但上机较为复杂, 尤其是空纬的存在, 对织造要求较高。三维梯度组织机织防刺织物由于在受力较大的上、下两层织物至中间层之间进行梯度结构设计, 使得每层都能较合理地分担一部分负荷, 受力均匀, 保证了织物的整体性, 能够达到较好的防刺效果。另外, 由于梯度结构层间有一定空隙, 可以嵌入金属丝等来增强防剌效果。

参考文献

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[5]黄晓梅, 季涛.三维梯度结构增强体的设计与织造[J].上海纺织科技, 2002, 30 (6) :30-33.

基于结构光亚像素提取的三维重建 篇10

光条的亚像素提取方法很多[3,4],像灰度阈值法、极值法和阈值法等常用方法非常简单,但是精度差,基于方向模板的方法采用几个方向模板来检测亚像素位置,具有最大法线方向增量的方向即为亚像素位置所在的方向。此方法具有很强的抗噪能力,但是计算复杂。图像中的光条可以认为是具有曲线结构特征的,大多数都采用Steger的曲线结构检测器[5]。该方法精确、鲁棒,但真实被测物往往有遮挡、阴影和表面的不连续性,导致了图像中有很多光条端点,Steger方法不能准确地检测光条端点的亚像素位置。为了解决这一问题,本文采用了Steger曲线结构检测器与过零点检测[6]相结合的方法提取结构光的亚像素位置,并采用连接算法按顺序连接每个光条上的亚像素点。

1 结构光成像系统

本文设计的双目结构光成像系统由一台LCD投影仪(SONY,CPJ-D500)、两台性能参数一致的摄像机构成,如图1所示。投影仪具有24位真彩色VGA/SVGA输出,输出信号分辨率可达800 X 600@60 Hz,并通过视频端口与PC机相连,由电脑控制投影仪投影编码结构光模板。在测量过程中,投影模板被投影到被测物上,被两台CCD摄像机(MINTRON,MTV-188IEX)采集到。摄像机采集图像的分辨率设为768×576像素。在PC机上采用大恒采集卡DH-CG410采集从摄像机获取图像,采集卡的S端子与摄像机的视频输出端相连,通过软件控制图像采集过程。

三维数据的获取如图2所示,摄像机与投影仪之间在xoz平面上构成三角关系。在提取了图像上的结构光光条上的点后,可根据摄像机与投影仪之间的几何关系计算相应的三维表面数据。从图像上一点(u,v)可以计算出直线op的方程。从在标定时求得的外部参数中可以获取摄像机与投影仪之间的距离l。在结构光标定时可以获得角度θ。直线op与结构光op′相交于点p。求解点p的函数可以简单表示如下:

由式(1)可知,改变亚像素点(u,v)就会改变重建的三维数据,因此为了实现三维数据的精确获取,结构光亚像素的精确提取是必不可少的。

2 结构光亚像素的提取

2.1 线结构光检测法

首先,采用线结构检测方法来检测亚像素值[4,5,6,7]。设一个像素点(x,y)的灰度值为f(x,y),光条的法向方向向量为n=[nx,ny]T,梯度为r=[rx,ry]T。在点(x,y),用Gaussian模板的偏微分与图像卷积就可以得到rx、ry、rxx、rxy和ryy;方向向量n可以通过计算Hessian矩阵的特征值和特征向量得到。亚像素坐标灰度的泰勒多项式可以表示为:

2.2 过零点检测法

过零点检测方法能够很好地解决端点处的结构光提取问题,其步骤如下:

构造如下函数:

如果亚像素点(x,y)在光条的脊上,(nx,ny)与(rx,ry)正交,也就是说Q(x,y)=0。如果在一个像素点上的Q值为正,在该像素点相邻的另一个像素点上的Q值为负,则在这两个像素点的连线上必有一个亚像素点在光条的脊上,即这两点之间必定存在一个亚像素点(x,y)使得Q(x,y)=0[4]。然而,(nx,ny)有两个相反方向正交于光条曲,因此必须考虑(nx,ny)的方向。设(x0,y0)为一个像素点的坐标,(xi,yi)为该像素点的八邻域中的一个点。可以构造另一个函数

如果E(x,y)<0,即在点(x0,y0)和点(xi,yi)处Q(x,y)异号,即在这两点之间必定有一脊点,该脊点即可作为结构光的端点。

图3所示为应用Steger方法检测亚像素的过程。图3(a)为原始图像,对图3(a)中求得每个像素点的(nx,ny),采用Steger方法得到满足式(4)的偏移量,再得到每一点偏离该像素点中心位置的偏移量(tnx,tny),每个像素点上所得到的亚像素位置必须在该像素点上,并且把具有满足要求的偏移量所对应的像素点标识如图3(b)所示。对图3(b)中每个标识点,如果满足式(6),就在图3(b)中标识该点。从图3(b)端点处可以看出,用Steger方法得到多个像素宽度的端点,由于曲线在端点处失去了方向,Steger方法不能提取光条端点的亚像素坐标。而在图3(c)中,采用了过零点检测算法后得到了最多两个像素宽度光条,与图3(b)相比,光条在端点处变细,便于亚像素级结构光光条的重建。因此,在结构光提取过程中,可采用Steger检测器与过零点检测相结合的方法,解决端点问题,以达到很好的检测效果,提高三维测量精度。

3 实验结果及分析

为了验证本文中结构光亚象素的提取方法是否可提高三维数据获取的准确性,文中采用一个平板作为被测物。分别用本文方法与三角测量法获取了大约300,000个三维坐标点,再把这些三维坐标点拟合成平面,计算每个点到这个平面的距离作为最小均方误差(LMS)。采用本文方法计算出来的LMS为0.1009 mm,而采用如图2所示的光学三角测量法得到的LMS为0.1257 mm。详细计算结果见图4(a)。与光学三角测量法相比,本文采用的方法具有更高的测量精度。PL与PR分别表示从左右摄像机获取的三维数据。

同时,从这些数据中取出一小块区域(大约1,500个点)显示如图4(b)所示,从图中可以看出,从左右摄像机所获取的三维数据点吻合度相当好。这从另外一个角度反映了本系统实现三维测量的稳定性与准确性。

此外,以石膏头像作为被测物,采用本文方法获取了石膏头像表面上大约200,000个点的坐标,这些点云显示如图5所示,可以更直观地看出本文方法的效果。

4 结论

在结构光测量系统中,影响三维测量精度的因素很多,如系统标定、投影点的提取等。本文着重分析了结构光光条亚像素提取的影响,并提出了Steger方法与过零点检测相结合的亚像素提取算法。这种方法较好地解决了结构光光条端点的亚像素提取问题。通过获取一平板表面的三维数据点,对比本文方法与三角测量法之间的误差,进而分析了数据点的精度,本文方法计算出来的LMS为0.1009 mm。对于有效视场深度在1 m的成像范围来说,本文提出的亚像素提取方法将大大提高三维数据重建精度。用石膏头像的三维重建实验更直观地说明了采用本文亚像素提取算法的效果。

摘要：将Steger曲线结构检测器与过零点检测相结合,提出一种新的亚像素提取算法,并通过实验验证了此方法的有效性。

关键词：图像处理,光学测量,亚像素提取,结构光,三维重建

参考文献

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[6]郝丽俊,程胜,杨荣骞,等.投影结构光空间位置和形状的标定方法研究[J].光电子-激光,2007,7(18):816-819.

三维组织结构 篇11

三维动画建模教学现状及分析

三维动画建模制作课程是一门以动画基础知识为基础三维动画软件结合制作的课程，主要以软件操作为主，辅助完成设计作品。目前来看专业教师大多分两类，一类是有绘画背景的教师担当。一类以有计算机专业背景的教师担当。由于专业角度的限制使我们认识客观现实存在这一些局限，这也是为什么任何一种理论都存在某种缺陷的原因。因此，在传统的动画教育培养下，使得这种新型的三维动画课程在教育上并没有充分发挥到对学生培养锻炼的作用。目前三维动画建模出现的问题大致归纳为以下几点：

第一、课程设置训练目标不够明确。

三维建模作为动画设计专业课程之一，也有他的特殊性涉及到计算机图形图像软件，其目的是把的设计思维转化为虚拟的现实物体，读懂设计稿件，对模型造型的观察分析的表达能力，更好的数模的转换。其中应以造型准确为主，但很多动画专业软件教学过程中过多关注学生的软件控件的能力，反而使教学的重点有所偏差。在加上教师的课程安排大多数偏重于软件的操作命令完成案例，但是针对造型观察、形态的分析、形态发散思维等各个方面没有明确有效的设计，加上学生对软件的新鲜程度超过专业理论本身的价值，忽略了对学生求“真”（对知识或观点真伪的探究与批判）、求“善”（对技术手段与方法合理与否的伦理思考）、求“美”（对技术手段与方法合理与否的伦理思考）的统合性引导，导致没有很好把一些重要的基础课程衔接起来。

第二、物体的造型的结构概念不够清晰。

有一些绘画基础的艺术生进校前，虽然受过良好的美术基础教育，但是绘画思维还是有些固定，对本质的结构理解不透彻，对结构的发散思维能力薄弱，物体之间的重构转换设计不足。一些学生的素描主要停留在的黑白灰的关系上，在深入掌握物体内部结构关系上略有欠缺。

第三、对三维软件的运用不够熟悉。

在三维软件的教学过程中，一些学生对软件掌握的还不够全面。本人通过走访调研一些知名三维动画培训机构和一些专业院校以及自己的亲身经历发现，这些机构对软件学习的要求并不是从头学到尾，而是模块教学，针对动画专业的课程要求把软件学习模块化，足够学生运用，这样一来可以节省课程时间，减少学生在软件上面的耗时，也就是在职业的工作任务和行动过程的背景下，将学习领域中的目标表述和学习内容进行教学论和方法论的转换，构成学习领域框架内的“小型”主题学习单元。尽管模块教学也有些缺陷不利于学生的全面发展，但是在目前2+1的职业教育体系下，却能用最短的时间和社会的岗位接轨。

结构素描在动画设计专业中的教学意义

在结构素描教学中，教学目的是为了设计服务的，主要用于了解物体的内部构造在原有的基础上重构设计而非表达纯艺术效果的素描形式。其主要的特点是表达对象的结构、原理、功能等元素，并与所表达的对象的造型、空间等艺术效果相结合，也可以是理性思维与感性思维的结合。而三维动画模型制作也是在结构体系下的工作过程，对初学三维软件的学员来说也是理解结构关系的有效课程。

结构素描的训练主要围绕设计艺术的实践，运用素描的造型规律和方法，以准确生动的传达、交流信息，它是学习传达设计思维、理念、创意的视觉艺术语言。对于动画设计专业的学生来讲，结构的概念需要更加细分，相对更加有创意性，比一般的结构素描所表达的内容更具夸张性、漫画型的特点。从某种意义上讲，动画设计中的结构素描也是进行三维动画模型制作学习伊始的明灯。

结构素描理论渗入到三维动画模型制作中的策略

近年中国对数字文化产业的投入使的设计在生活中的影响力逐渐加大，美术基础教学有了更多的针对性和设计意识的强化。经过这几年对结构素描和三维动画模型制作教学研究，以及学生的技能水平测验和学生的反馈意见进行分析发现，对动画设计专业的学生来说，把结构素描的理论融入到三维动画模型制作的训练当中可尝试从以下几个方面着手。

第一、强化结构素描训练，培养学生准确把握物体结构的观察能力。

结构素描侧重于理解和解剖结构，通过简单的点，线，面的结合使形体明确起来，而三维软件的建模方式也是通过这种点、线、面的拓扑让模型逐渐清晰明朗，结构素描和三维动画模型制作其实在塑造形这块是有很多相似处的。结构素描绘画表达是用少量的线表达物体的空间关系，找重要结构把物体的大形抓准确，虽然没有铺调子明暗练习那么细致，但是对于没有美术基础和美术功底查的学员而言也是一种速成而有效的培养三维空间感和观察力的好方法。目前一些学校都是以课程标准和课时量作为一门课程的审核标准，其实这种标准很难去评价一门课程是否达到了开设这门课程的目的，特别是艺术类的课程有些人学的快有些人学的慢难以用标准课时衡量，所以我们在开设三维动画模型制作的时候，结构素描绘制的静物要和三维动画模型制作所教课程的案例模型相近，这样有利于两门课程的融合，一个是在二维的平台上理解物体，一个是在三维的平台上理解。这样一来实际上是两次对物体的理解，让物体变得简单化了。

第二、通过对普通物体的结构变形，重构设计出有个性和风格的三维动画模型。

好的作品的特征一般有几个常见特征，精致、稀奇、有个性，这些特征如何培训也是需要大量的经验积累才能体现出来。在早期的结构素描训练中选用简单的几何体进行练习，如一个正方形画完了，在想象画他在压扁、拉伸、弯曲等情况下的结构状态，这种简单几何体的反复训练可以从大的方向把握物体的结构和动态趋势。经过一段时间的训练后开始引导学生对复杂物体结构的进行分析、提炼，把一些抽象的物体进行创意设计，培养一些概念类的设计。通过这种训练方式积累大量的抽象物件，然后再组合成完整的稿件，运用三维软件制作出有高质量的艺术模型。

第三、注重提高眼界，拓展教学思维模式和教学渠道。

当学习学到一定的阶段的时候，技能水平就很难在往上提升了，这就需要扩充学习视角。一方面，通过网络视频观摩国内外的美术作品或者最新的动画模型作品，拓宽学生视野、提升学生审美情趣。另一方面，把自己的作品收集整合起来做成作品集，通过网络把作品发在一些专业的网站交互式的让同行点评，或者让行业资深设计师指点交流，增加学生学习的积极性和创造力，这同时也是教育者创新思维能力培养和教学渠道的拓展的途径。

结束语

综上所述，从三维动画模型制作的技能要求出发来加强学生对结构素描等基础专业知识的改革和探索，是教学研究的必然要求，同时合理利用了教学资源，最大限度的发挥课程之间的融合关系，提高技能水平。如何在有限的教学时间内有效完成人才培养方案，更需要这样的探索和研究，让本专业更加专业系统化，达到教书育人的目的。

三维组织结构 篇12

随着我国大型水电站建设的展开,水电站隧洞衬砌结构向着体形大型化,地质条件多样化,受力条件复杂化的方向发展[1]。衬砌自身的结构形式也日益复杂。如何分析衬砌结构的力学特性,以及如何计算衬砌结构的配筋,使之同时满足安全性和经济性的要求,是一个重要的课题。压力隧洞的传统计算方法[2,3]假定围岩及衬砌材料为连续各向同性的弹性介质,忽视了围岩及衬砌材料的非线性性质的不利影响,并且是将围岩与衬砌结构分开进行计算,从而导致隧洞混凝土衬砌厚度及配筋量偏大。因此,有必要对考虑隧洞围岩、衬砌联合承载及材料非线性情形下的衬砌结构进行分析计算。基于此,本文首先采用三维弹塑性损伤有限元分析方法,对复杂受力条件下衬砌结构进行计算,研究探讨了各工况下隧洞衬砌结构的受力特点;其次利用有限元插值应力场在衬砌截面上积分计算内力,基于内力结果在配筋截面上进行配筋计算,以保证衬砌配筋满足要求,并提出优化建议。

该方法基于三维有限元计算,综合考虑了初始地应力场,开挖卸荷,复杂地质条件及地下水位等多种因素,研究了衬砌结构的稳定特性,并直接由有限元结果插值进行配筋计算。为在工程实际中选择经济合理的衬砌形式以及提高隧洞运行的安全度提供依据。相较于传统衬砌结构设计评价方法更高效,精确,可为类似工程提供借鉴与参考。

1 衬砌结构三维有限元分析的基本方法

本文对衬砌结构采用弹性模型进行计算;对围岩单元则采用弹塑性模型[4],屈服准则采用Ziekiewicz-Pande准则,以增量变塑性刚度法进行迭代计算[5]。

衬砌结构是在隧洞开挖完毕后施加上去的。为了反映隧洞开挖变形对衬砌作用的影响,可以洞室开挖释放的荷载:

改写成:

式中:σ0是开挖单元的初始地应力场,包括自重应力场和构造应力场;γ为岩体容重;α为荷载分配系数。

衬砌结构施加前,作用于结构的荷载为

衬砌结构施加后,作用于结构的荷载为:

式中荷载分配系数α的取值与岩性、地应力和支护时机等因素相关,工程中一般靠经验确定[6]。因此,本文尝试给出一种确定取值的数值计算方法。

弹塑性有限元计算中,开挖后围岩单元的应力状态按下式可分为弹性和塑性,即:

式中:F为屈服函数;σ为开挖后的围岩应力;σ0为岩体的初始应力;Δσ为开挖引起的应力增量。当岩体开挖后,若围岩单元进入塑性状态,则一定存在一个临界应力状态,满足:

式中:β为单元的弹性系数。令p=1-β,p称为塑性系数,其大小反映了总应力增量Δσ 中塑性荷载的比例。由式(6)可以看出,初始地应力场下已屈服的岩体单元p=1;开挖后仍处于弹性的单元p=0。

根据式(6),采用Zienkiewicz-Pande屈服准则[7],通过一次开挖计算,令全部开挖释放荷载作用于围岩,求出所有围岩单元的塑性系数p;塑性系数p的分布在一定程度上反映了围岩的承载条件,因此,式(2)中的荷载分配系数可根据洞室顶拱和边墙单元的塑性系数p分布按式(7)综合确定。

其中,η为支护时机滞后系数。视工程实际情况,对于自承能力较差的岩体,数值分析时可取用较小η值,使围岩单独承担的荷载减少;对于自承能力较强的围岩,数值分析时可适当放大η取值,使围岩承担部分塑性荷载。一般地,岩性越差,地应力越大,则η越小;反之,η越大。

洞室开挖荷载释放完毕后,再根据运行期引水隧洞的水位分布情况,计算隧洞衬砌受内、外水压力作用的受力特征。

2 衬砌结构的配筋计算

本文基于应力图形法,编制了地下洞室衬砌结构的配筋计算程序。并可以自动生成配筋截面:对于衬砌结构有限元模型,先生成模型的拓扑关系,即结点、单元线、单元面、单元间的相互包含关系;再对模型进行消隐,建立表面单元线表,这里定义表面单元面仅有一相关单元或相关单元仅有一衬砌单元,表面单元线包含在表面单元面中,以一平面截取表面单元线,生成内外轮廓交点,依序连接交点,即形成内外轮廓线,即可获得配筋截面。

2.1 应力修正与内力修正

由于有限元计算的特点,单元内部有应力均化现象,从而导致配筋截面上计算弯矩偏小。引入应力修正系数r。首先对结点应力作估值,可由与该结点相关的单元应力取平均值求得。分别计算单元应力及结点应力在问题域局部的极值,令其为σeij、σnij,取

这里‖ ‖ 表示应力张量的度量,取为应力不变量的函数。一般有r>1。将r与结点应力相乘即得修正结点应力。

有时沿配筋截面仅有少数几层单元,这可能导致计算弯矩偏小甚至方向相反。引入应变修正方法,假设在配筋截面方向上,应力依线性分布,设应力梯度为沿配筋截面应力的斜率,则应力梯度可由配筋截面两端点应变计算获得。假设配筋截面两端点沿所取投影方向正应变分别为ε1和ε2,则可得配筋截面上应力梯度为:

式中:L为配筋截面长度;L依结构形状和受力情况取值。

2.2 配筋截面的内力及配筋计算

单个截面的内力计算过程如下:

(1)设置应力插值点,取配筋截面分点作为插值点,份数与单元层数成比例,一般为其2倍或以上[8]。

(2)由上述插值方法计算各插值点应力,并根据上述应力修正方法对应力进行修正。

(3)由柯西公式σn=ninjσij计算各插值点沿某一方向正应力。通过数值积分计算配筋截面上内力,这里采用复合积分公式。依据沿配筋截面方向单元层数对截面上内力作修正[9,10]。

以一长圆筒为例。其内径r=5m,外径R=6m,受外压q1=0.5 MPa,内压q2=0.7 MPa,按弹性本构计算,则由解析解公式可得配筋截面上轴力N=500kN,弯矩N=16.56kN·m。建立该圆筒有限元模型,沿径向取5层单元,对其进行有限元分析。图1左右分别为经由插值及数值积分所得的轴力及弯矩结果。可以看出,与解析解相比,轴力误差在4%以内,弯矩误差在6%以内。若考虑应力修正取应力张量度量为第一应力不变量可得应力修正系数为1.01,从而使结果更趋近于解析解。

截面上配筋参照《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057-2009)。如果截面上应力分布接近线性,按正截面承载力方法计算配筋;若偏离线性较大,按拉应力图形面积计算,即As=K T/fy,这里T取为拉应力面积,为钢筋强度设计值,K为承载力安全系数。裂缝宽度验算依据具体工程情况参照相应规范计算。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

本文结合某水电站引水隧洞衬砌结构进行分析计算。电站装机容量2 400 MW。电站单机引用流量较大(Q=621.4m3/s),机组采用单管单机供水形式,对应4台机组。每条引水道由进口渐变段(矩形 → 圆形)、上平段(有压引水隧洞)、渐缩段(有压隧洞段→地下压力钢管段)、上弯段、斜井段、下弯段、下平段等组成。引水道进口底板高程1 575.00m,出口中心高程为1 494.80m。由于引水隧洞条数较多、洞径较大(最大开挖断面16.8m,居已建发电引水隧洞最大开挖直径的前茅)、相邻隧洞间的岩柱厚度较小(略大于一倍开挖洞径),且围岩地质条件较复杂,因而有必要对隧洞衬砌结构受力特性进行分析,并进行结构配筋计算以满足限裂要求。

3.2 计算参数及有限元模型

计算网格一共剖分了362 544个8节点空间等参单元,节点总数376 960个。由四条引水隧洞进口段始端建至有压段末端。有限元模型参见图2,根据引水隧洞地址剖面图,共划分了三类岩体单元。衬砌采用C25混凝土,衬砌结构参见图3。计算所取的岩体和衬砌参数见表1及表2。

模型X轴垂直于进水口段轴线方向,Y轴沿进水口段水的流向,Z轴与大地坐标重合,指向上为正,范围由1 433.6m高程至地表。边界条件为:底部全约束,四周法向约束,顶部不约束。

3.3 计算工况

本文以四条隧洞均过流为最不利工况展示衬砌受力及配筋成果。

(1)内水压力由正常蓄水位1 618m确定。水击压力,4号压力管道末端的最大水击压力值为36.8m,其余3个引水道的压力管道末端的水击压力值也按4号引水道取,为36.8m,水击压力分布按线性规律计算。

(2)外水压力由水库蓄水后地下水位线确定,水库蓄水后的地下水位线由渗流场分析求得[11,12]。根据计算所得的岩体渗流场节点水头,在衬砌结构上施加渗透体积力。

(3)计算使用自行编制的地下洞室三维有限元分析以及渗流分析程序。

3.4 计算结果分析

(1)衬砌应力及位移分布规律。进水口渐变段1-1以及上弯段2-2两段截面衬砌第三主应力分布规律参见图4及图5。两段典型截面变形示意图参见图6及图7。

受内水压力作用,隧洞典型断面第一主应力均为压应力,分布在-1.14~-0.19 MPa,应力矢量沿洞周径向。

断面第三主应力为拉应力,应力矢量沿洞周切向。1-1断面由于断面形式,四周拐角处出现应力集中,拉应力值达1.5MPa;2-2断面由于高程比1-1断面高程低,内水压力较大,断面各部位第三主应力量值均大于1-1断面第三主应力。4号洞由于洞径最大,洞周围岩参数较其他三条隧洞洞周围岩参数低,故而衬砌承担较多围岩荷载,断面各部位拉应力量值大于其他隧洞拉应力值,两侧腰部拉应力值达2.5 MPa。计算结果表明,渐缩段以及下游衬砌拉应力超出混凝土抗拉强度设计值,应重点加强配筋。

1-1断面位移分布在0.2~0.7mm。2-2断面各部位位移值相对于1-1断面位移略大,分布在0.3~1.2mm。变形指向洞外,各断面底部位移大于隧洞顶部及两侧位移。其中圆形断面洞周变形较渐变段洞周变形均匀。

(2)隧洞衬砌配筋计算限于篇幅,本文展示4号隧洞1-1断面和2-2断面的截面内力以及配筋分布图,分布参见图8和图9。

1-1断面受截面形状影响,角点处弯矩与边上弯矩方向相反,由于内水压力,边上弯矩向内弯,近角点处弯矩向外弯。其余各断面弯矩基本向外。

各洞基本按小偏心受拉配筋,并利用裂缝宽度限值验算配筋率。按所处环境类别,取裂缝宽度限值为0.3mm,先由单宽配筋截面上内力进行配筋计算,结果表明:1-1断面按构造配筋,2-2断面裂缝宽度均未超出限值。若对于其他断面出现裂缝宽度超出限值,需对这些截面通过裂缝宽度验算求得配筋率。

4 结论

(1)考虑隧洞围岩、衬砌联合承载及材料非线性情形下对衬砌结构进行分析计算。为了反映隧洞开挖荷载对衬砌作用的影响,提出了“荷载分配系数”取值的一种数值计算方法,为类似工程计算提供参考。

(2)基于有限元分析结果,实现了地下洞室隧洞衬砌结构的配筋。采用应力图形法配筋,配筋截面自动生成,能适应各种截面形式,同时应力分析与配筋过程相对独立,具有较高的效率,对圆筒结构的验算表面,该方法具有较高的精度。

(3)采用应力修匀计算结点应力,再计算插值点应力。特别地,该方法对于网络稀疏的情况具有很好的精度。对某水电工程引水隧洞的计算实例表明,衬砌结构有限元分析以及配筋计算方法成果合理,可以用于实际工程的配筋设计中。

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