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关键词： 数字孪生   机器学习   数学模型   组织性能预测   热轧工艺优化  

摘要： 传统的钢材组织性能预测和工艺优化技术(物理冶金模型和神经网络模型)无法兼顾钢材性能预测的高精度和物理冶金学基本规律，因此，对钢材生产的实际指导作用有限。基于对工业大数据的关联、清洗等处理，将数字孪生技术应用于钢铁材料组织性能预测及热轧工艺优化中。通过对有效工业数据的机器学习，在保证物理冶金学数学模型规律的条件下，实现了力学性能的高精度预测。以轧制力预测为例，介绍了融合物理冶金学与机器学习的预测方法。利用人工智能算法，对生产工艺进行针对性设计，实现了智能化热轧，主要体现在热轧钢材的定制化生产、减量化合金设计、钢种归并、性能稳定性控制等。最后，对组织性能预测及热轧工艺优化领域的成果进行了介绍。

关键词： 铝基复合材料   金属间化合物   退火处理   扩散层厚度   孕育期   数学模型  

摘要： 高熵合金颗粒增强铝基复合材料在保持低密度的同时具有优异的综合性能,颗粒与基体之间不仅能够形成稳定的冶金结合界面且热膨胀系数相差较小,能够避免烧结质量和界面结合稳定性差以及塑性与韧性急剧降低等缺陷,为制备高性能铝基复合材料提供了思路。本文通过SEM、XRD、EBSD、纳米压痕、显微硬度、微柱压缩和室温单轴压缩实验对热压烧结与退火处理制备的Al0.6Co Cr Fe Ni高熵合金颗粒增强5052Al基复合材料的微观形貌、相结构和宏观-微观力学性能进行了综合分析,得到的结果如下:在823K温度下,将高熵合金颗粒与基体的均匀混合球磨粉末进行真空热压烧结,随后在713K-833K/0-96h条件下进行退火处理。随着退火处理进行,颗粒周围逐渐形成均匀的环状扩散层,而且扩散层厚度逐渐增长。对比结合抛物线生长表达式、Boltzmann-Matano扩散理论和线性拟合方法获得的预测扩散层厚度模型,发现添加孕育期的线性拟合方法对扩散层厚度具有最好的预测效果,其AARE达到了20.27%。随着退火处理继续进行,复合材料中只有基体与扩散层存在,颗粒可能完全消失。扩散层主要由Al9（Co Cr Fe Ni）2型,Al13（Co Cr Fe Ni）4型和Al18Cr2Mg3型等金属间化合物构成。复合材料中FCC相与BCC相仅在局部区域存在轻微择优取向,总体上分布均匀,而高熵合金颗粒（High-entropy alloy particle,HEAp）内部的BCC相可能在?111?方向存在织构。基体区域只包含FCC相,而HEAp内部FCC相与BCC相同时存在,且晶粒尺寸明显高于基体,但尺寸变化范围较小。复合材料的力学性能并没有随着扩散层厚度增长而持续增加,而是在773K/8h达到最大值后逐渐降低,其中显微硬度,屈服强度和抗压强度最大值分别为82.8HV0.2,169.5MPa和345.7MPa。纳米压痕实验中发现硬度与弹性模量呈线性相关,而且随着退火时间延长,其拟合直线斜率逐渐增加,表明复合材料延展性逐渐变差。微柱压缩实验中大直径与小直径微柱屈服强度几乎相同,而且屈服后硬化率也十分相似。但是大直径微柱应力不会在小范围内波动,因此应力-应变曲线更为平滑。此外,由于数学模型都是假定的理想状态,因此数学模型对复合材料力学性能拟合结果都普遍高于实验值。而与混合法则、Paul模型和Maxwell相比,***模型拟合得到的复合材料硬度与弹性模量与宏观力学性能测试结果相比不仅具有相同的变化趋势,误差也相对较小。

关键词： 六辊冷轧机   辊系弹性变形   数学模型   板形控制   边部减薄   有限元  

摘要： 轧制板带材已被广泛的使用在国民经济的各个领域,并且目前已经大规模的使用在机械制造业、车辆制造业、家电业、军工业、航空航天工业等重要的行业,所以,对板带材的品质要求也愈来愈严苛。但是板形的质量控制是一个很复杂的问题,时常出现不合格现象的发生,所以对板形问题的研究显得至关重要。本论文以六辊冷轧机为研究基础,建立正确的板形控制数学模型,分析改变不同轧制参数时对板形的影响,主要研究了对板凸度及边部减薄的作用。并试验探究本论文所建立的数学模型的合理性及仿真分析结果的可靠性。本论文研究的主要内容如下:(1)分析总结国内外对辊系弹性变形、板形控制以及边部减薄控制的研究现状,理解板带的平直度、板凸度与板形之间的关系,并介绍板形缺陷产生的原因和板形缺陷控制技术。(2)根据轧制理论,应用影响函数法对辊系进行分析和研究得到六辊轧机辊系弹性变形数学模型,应用条元变分法建立板带的塑性变形数学模型,以有载辊缝的断面形状为中间值,能够得到板带塑性变形与轧辊弹性变形之间的耦合关系,达到板形预测的目的。(3)在数学模型的基础上,建立1/2辊系三维模型,并使用ANSYS仿真软件对模型进行有限元仿真分析,得到板带压下率、入口厚度、板带宽度、轧制力、工作辊直径、轧辊横移、轧辊弯辊等轧制参数对板凸度及边部减薄的影响规律,分析影响规律的具体原因,并设定板凸度及边部减薄的控制策略。(4)进行工程试验性探究,根据实际工程中得到的测量数据,与有限元仿真中得到的理论数据进行对比,得到两者结果的一致性,进而验证了数学模型建立的合理性与仿真结果的可靠性。

关键词： 填料   粉胶比   物理特性   原子力显微镜   灰色关联度分析  

摘要： 沥青胶浆对沥青混合料性能有着重要影响,它不仅决定了沥青混合料的结构,还决定了沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能。沥青胶浆是由沥青与填料交互作用形成的,沥青与填料的交互作用是一个复杂的过程,除了和沥青本身性质相关,还和填料的掺量、物理特性有关。目前,我国现有规范对填料的工程性质只作了简单的要求,对填料掺量要求在沥青质量的0.6～1.2范围内,也只是基于经验,并不是基于对填料和沥青之间相互作用的科学评估。因此,本文从宏观和微观两个角度研究填料的掺量及其物理特性对沥青胶浆性能的影响。首先,通过比重瓶试验、比表面积分析仪等仪、激光粒度仪对4种填料的物理特性指标进行测定,得到填料的密度、比表面积、粒度等指标,并采用红外光谱仪研究填料与沥青交互作用机制。其次,通过动态剪切流变试验对沥青胶浆高温性能进行评价,低温弯曲梁流变试验、直接拉伸试验等对4种沥青胶浆低温性能进行评价,并为指导施工推荐了4种不同细度填料的最佳粉胶比。最后,采用原子力显微镜对沥青胶浆纳观形貌和纳观力学特性进行测定,并分析填料与沥青交互作用机理。主要得到以下结论:(1)随着粉胶比的增大,沥青胶浆的复数模量增大,抗车辙因子越大,沥青胶浆高温性能不断提高。填料的比表面积越大,细度越小,沥青胶浆的复数模量越大,抗车辙因子越大,沥青胶浆高温性能越好。温度越高,沥青胶浆复数模量越小,抗车辙因子越小。填料会对沥青胶浆感温性能会产生一定的影响,填料粒径越小,比表面积越大,相应填料所对应的沥青胶浆受温度影响越不明显。(2)随着粉胶比的增大,沥青胶浆的弯曲劲度不断增大,沥青胶浆柔性变差。随着粉胶比的不断增大,沥青胶浆蠕变速率不断下降,应力松弛能力变差。随着粉胶比的增大,S值变大,m值变小,说明随着沥青胶浆低抗裂性能随着粉胶比的不断增大而逐渐变差。另外,填料比表面积越大,细度越小,沥青胶浆的低温性能越差。(3)采用灰色关联度法分析填料物理特性和沥青胶浆高低温性能的关联度,得到填料比表面积与沥青胶浆高低温性能关联度最大。(4)随着粉胶比的增大,沥青胶浆二维形貌图中“蜂状结构”的数量和面积占比均在不断增大。另外,随着粉胶比的不断增大,沥青胶浆的杨氏模量和黏附力也在不断增大。填料会吸附极性组分在填料表面,并吸收填料表面沥青膜中的轻质组分,从而使填料表面沥青膜轻质组分减少,而极性组分增加,进而形成“结构沥青”,沥青胶浆模量增大。填料比表面积越大,会提供越多的吸附机会,对沥青胶浆性能影响会更为显著。

关键词： 电极纵扭振动   电火花加工   微孔加工   数学模型   电极损耗  

摘要： 随着高端零部件制造业对微孔加工要求的不断提高,如何高效率制备高精度、高质量微孔已成为微孔加工行业的热点问题之一。在传统电火花微孔加工过程中,随着微孔深度的增加,排屑和工作液交换变得异常困难,且易产生拉弧、短路等非正常放电现象,进而导致材料去除率下降以及电极损耗增加,降低了制孔的加工效率和加工质量,甚至在一定程度上影响被加工微孔构件的服役性能。基于上述问题,本课题提出一种电极纵扭振动的超声振动辅助电火花（Ultrasonic Vibration Assisted Electrical Discharge,UVE）微孔加工方法,对纵扭复合超声振动辅助电火花微孔加工关键技术开展相关研究工作。 研制一款适用于电极纵扭超声振动（Longitudinal-torsional ultrasonic vibration,LTV）的超声振动换能器,采用PV90A阻抗分析仪对纵扭复合超声换能器进行阻抗测试,得到纵扭复合超声换能器的阻抗等相关参数。采用LV-FS01激光位移传感器对纵扭复合超声换能器进行振动特性测试,测量得到其纵向超声振幅最大为8.78μm,扭转超声振幅最大为0.92μm,纵扭超声振幅平均比值约为11.3。 讨论LTV电极微孔加工间隙流场分布情况,建立UVE微孔加工间隙流场数学模型,分析LTV电极和旋转电极条件下微孔间隙流场分布特性,确定LTV电极和旋转电极条件下下的微孔间隙流场流态。结合MATLAB软件分析不同超声振幅下的微孔间隙流场流速变化规律,讨论LTV电极条件下超声振幅对微孔间隙流场分布的影响。 利用COMSOL Multiphysics 6.0软件对微孔间隙流场进行计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）分析,总结不同超声振幅下LTV电极对微孔间隙流场的速度分布、压力分布以及碎屑分布的影响规律,分析微孔间隙流体流速和压力变化规律,以及不同超声振幅下LTV电极对排屑数量、排屑时间以及排屑高度的影响规律。随着超声振幅增加,间隙流体流速、压力以及排屑数量均得到明显增加,纵向超声振幅AL为6μm且纵向超声振幅AT为0.53μm时,间隙流体流速和流体压力分别达到了9.53 m/s和3.81×10～5Pa,排屑数量为11965个。 开展不同超声振幅下LTV电极的电火花微孔加工试验研究,总结超声振幅对电极形貌、微孔出入口形貌以及微孔加工性能的影响规律,以及超声振动参数和电加工参数对材料去除率、相对电极损耗率和微孔锥度的影响规律。分析LTV电极微孔加工各工艺参数对微孔加工性能指标的交互影响作用,分析各工艺参数对微孔加工性能指标的影响显著程度,并确定合理工艺参数范围。在最优工艺参数下,材料去除率提高了2.8倍,相对电极损耗率和微孔锥度分别降低了60%和80%。

关键词： 数学模型   变式拓展   数学思维   综合运用  

摘要： 最值问题能激发学生的探究兴趣，促进其深度思维.“PA+kPB”型最值问题专题复习课，可以抛物线为探究背景，从“将军饮马”模型应用入手，拓展延伸到“胡不归”模型和“阿氏圆”模型，从而为专题探究、数学知识的综合运用打开一扇视野之窗，开辟一条新的探究之路.

关键词： 三辛酸甘油酯   凝聚体   递送系统   物理特性   HepG2细胞  

摘要： 三辛酸甘油酯(GT)是一种中链脂肪酸甘油三酯,具有独特的理化性质,是一种安全、生物可降解的脂质物质,对人体无毒副作用,且在体内代谢方便。具有较好的油溶性和亲油性,可以有效地携带和释放一些疏水性药物或生物活性物质。可以通过改变结构和形态来调节其性质和性能,从而实现对递送系统的优化和控制,但是三辛酸甘油酯作为递送体系具有一定的溶解度和稳定性问题,需要通过一些特殊的技术和方法来改善,其生物利用度和递送效率受到许多因素的影响,如粒径大小、分布、形态、表面性质、环境条件等,需要在实际应用中进行优化和控制。凝聚体(Coacervates)是通过液-液相分离(Liquid-Liquid Phase Separation,LLPS)形成的大分子集合体或凝聚物,响应环境变化以调节分子间的相互作用和生理功能。凝聚体具有自组装能力,可以作为载体吸附/包封小分子和酶等,用于胞质传递、氧化还原激活释放,在药物递送和生物医学领域引起广泛关注。凝聚体是由天然多聚物(如蛋白质、多糖等)组成的,因此具有良好的生物相容性,不易引起免疫反应和毒副作用,其粒径小,表面积大,能够增加药物的接触面积和稳定性,从而提高药物的递送效率,并且可以通过改变多聚物的类型、浓度、pH等参数进行调节,从而实现递送体系的可控性和可调性,但凝聚体也易受到环境因素的影响,如温度、pH等。本论文利用三辛酸甘油酯制备了脂滴的递送系统,通过浊度法和荧光光谱法测定了三辛酸甘油酯的临界胶束浓度为5.2 m M,讨论了三辛酸甘油酯在不同温度、不同溶液环境和贮存时间下的稳定性,通过激光共聚焦的连续扫描功能模拟了三辛酸甘油酯体外代谢水解的过程,考察了三辛酸甘油酯水解的影响因素,包括不同底物浓度、反应时间、离子环境和高糖环境等。最佳的脂肪酶酶解浓度为20μg/m L,反应时间为2 h,且离子环境下无影响,高糖环境下减缓了三辛酸甘油酯的酶解速率,最后观察了三辛酸甘油酯与细胞的相互作用。本文提出了一种构建pH反应性药物递送系统的通用方法,即通过将ε-聚(赖氨酸)盐酸盐(ε-Poly(Lysine)Hydrochloride,Ply,MW<5000)与5'-三磷酸腺苷二钠盐(5'-Adenosine Triphosphate Disodium Salt,ATP)混合,创建一个高度生物相容性的药物递送系统。可以通过调整其浓度和pH值来控制Ply/ATP凝聚体的可逆自组装,实现对客体分子的选择性吸收和储存,从而提高对外界因素的抵抗力。结果表明,由外部pH值变化产生的跨膜质子通量可以以一种可控的方式诱导包装形成的凝聚体,本论文应用这一策略研究了姜黄素和凝聚体之间的静电疏水相互作用,基于凝聚体装载姜黄素的研究为肿瘤微环境中具有pH响应特性的递送系统提供了一个强大的策略。

关键词： 提高采收率   纳米粒子-CO2-稠油复杂体系   泡沫生成稳定性实验   数学模型  

摘要： 本文以纳米粒子-CO/轻烃-稠油复杂体系为研究对象,开展并完成了非平衡状态下纳米粒子-CO-稠油体系泡沫生成稳定性实验和量化表征以及纳米粒子-CO-稠油体系泡沫生成动力学模型研究。实验结果表明,在较低的压降速率下纳米粒子-CO-稠油体系中生成泡沫的体积高度更高,存在的时间更长;Si O非金属氧化物纳米粒子能够有效地促进CO-稠油体系中泡沫油的生成,质量分数为0.2%(0.2 wt%)的Si O纳米粒子作用效果最佳;Mg O纳米粒子对泡沫生成有积极作用,但收效甚微;AlO纳米粒子不利于泡沫的生成;在CO-稠油体系中加入纳米粒子能够有效提高泡沫的稳定性,延长泡沫的存在时间,且金属纳米粒子对泡沫的稳定作用要强于非金属纳米粒子。在此基础上,利用实验数据拟合方法建立了用于刻画泡沫生成和破裂的指数型数学模型,并阐述了模型各参数的物理意义。与此同时,本研究在实验的基础上提出了一种新的、实用的方法来量化非平衡条件下纳米粒子-CO-稠油体系的气体出溶和优先传质。将准平衡边界条件、真实气体方程、瑞利分布函数与经典运动方程、连续性方程、传质方程相结合,形成了一种新型的泡沫油中气泡生长量化方程矩阵。在理论上建立了非平衡条件下纳米粒子-CO-稠油体系中气体出溶和各气体组分与液相间优先传质的数学模型。

关键词： 模型   数学模型   模型思想   教育价值  

摘要： “数学”就是人类认识世界的一种媒介模型，数学模型是沟通数学与外部世界的桥梁.通过对模型思想本质内涵及其育人价值的深入剖析，洞悉模型思想应是能动地运用或创造“模型”去探究客观世界并解决实际问题的意识、观念与能力的综合性的主观体现.其所彰显的特性，是知识性的，更是思想性的；是应用性的，更是创造性的；是历史性的，更是面向未来的.模型思想的教学中，应坚定落实立德树人根本任务，着重形成和发展学生数学核心素养，科学培育学生面向未来的数学能力.

关键词： 涡旋压缩机   变径基圆渐开线   齿头修正   数学模型   多目标优化  

摘要： 涡旋压缩机由于其具有结构简单、效率高及稳定性好等优势已经广泛应用于能源、气体压缩等领域。目前对圆渐开线涡旋压缩机数学模型和优化设计的研究日趋完善和成熟。变径基圆涡旋压缩机(ICVR-STC)比圆渐开线涡旋压缩机具有大行程容积、高齿头强度、结构紧凑以及工作过程更加平稳等更多优点。然而,由于其型线变化的复杂性,现有对其数学模型及优化设计的关键技术难点的研究还不够深入完善,因此本文将在现有变径基圆涡旋压缩机研究的基础上,进一步推导完善其数学模型,研究各项几何及力学性能,构建考虑更为全面的多目标优化模型。本课题的主要研究内容如下:(1)基于共轭型线的啮合原理,利用法向等距生成法分析并推导出变径基圆渐开线(ICVR)涡旋型线的参数方程,并给出所有型线参数及几何结构参数的计算公式,对比了基圆半径变化系数和多方指数不同取值下生成涡旋齿的差异。完善推导了齿厚及型线长度的计算公式并分析验证了齿厚及泄漏线长度的变化规律。(2)基于现有ICVR-STC齿头修正理论,建立了完整的齿头修正几何模型。利用面积分块法推导了各齿头修正性能的精确计算公式,比较了双圆弧修正与双圆弧加直线修正的差异。定量研究了基圆半径变化系数对各修正参数及修正性能的影响,讨论了修正面积系数出现突变及齿面积利用率为负的非正常现象。分析了不同齿头修正方法下不同排气孔的排气特性,并给出了排气孔的优选策略。(3)比较了利用法向等距法、格林定理法及图解法计算ICVR-STC工作腔容积的差异性并分析了误差来源,详细给出了其完整的工作腔容积几何模型,并对比分析了四种不同类型涡旋压缩机几何模型的差异。基于所建立的几何模型,研究了ICVR-STC在绝热压缩下,工作腔内压力、温度、质量及泄漏量随主轴转角的变化规律,同时对ICVR-STC气体力的数学模型进行了推导和分析。(4)基于多目标优化理论、多目标优化算法和灵敏度理论,建立了ICVR-STC各性能的灵敏度分析模型,构建了以不同性能组合为目标且考虑非线性约束的多目标优化模型,比较了NSGA-II及MOPSO性能指标差异,以及是否考虑非线性约束条件的求解结果差异。以某款汽车空调用样机为优化对象,对其进行了三组多目标性能优化,并以对行程容积和齿面积利用率的优化为例,得出优化后其性能分别提升了6.5%,4.27%。总结分析了现有涡旋式机械多目标算法优化结果的特征,本研究可为变径基圆涡旋压缩机的设计及实际应用提供进一步的理论参考。