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关键词： 新课程   物理课堂   初中教学   激发活力  

摘要： 新课程背景下，初中物理的重要性日益凸显，只有打造富有活力的课堂，才能使物理教学取得应有成效。文章以此为背景，首先阐述了提升课堂活力的意义，其次分析了影响课堂活力的因素，最后围绕如何有效提升物理课堂的活力展开讨论，指出要想提升课堂活力，不仅要有科学、有效的学案作为基础，还需要教师转变自身观念，在以生为本理念的指导下，通过提问、引入物理实验等方式，创设良好情境，以此来保证良好的教学效果。

关键词： 再生骨料   裹浆改性   碱激发材料浆液   因子分析   形态综合指标   数学模型  

摘要： 随着“碳达峰、碳中和”战略的持续推进,工业固废与建筑垃圾资源化利用任务紧迫。再生混凝土作为工业固废与建筑垃圾的主要消纳方式正逐渐应用于实际工程建设中。然而,再生骨料经破碎、筛分等多级处理后表面存在许多微裂缝和残余砂浆,使其表观密度、吸水率、压碎指标等基本物理性与天然骨料相比较差,为提高再生混凝土性能,再生骨料制备混凝土前需进行改性处理。本研究利用碱激发材料浆液对再生骨料进行裹浆改性处理,填充再生骨料微裂缝,并在其表面生成壳膜结构,达到改善再生骨料性能的目的。利用单因素试验、响应面设计方法、BP-GA神经网络模型优化研究了不同浆液组分交互作用对再生混凝土强度的影响,并对裹浆改性用碱激发材料浆液配合比进行高精度优化;通过二维图像处理技术和三维扫描技术从不同维度研究了裹浆改性再生骨料的形态参数变化规律,并利用因子分析手段构建高效定量评价裹浆改性再生骨料形态的纹理因子（F1）、形貌因子（F2）、棱角因子（F3）等形态综合指标;通过多元回归分析将形态综合指标与鲍罗米公式中的回归系数αa、αb建立相关关系,得到体现骨料形态特征的αa（F1,F2,F3）、αb（F1,F2,F3）,进而构建新的水胶比计算数学模型,为裹浆改性骨料再生混凝土配合比设计奠定理论基础。主要研究结论如下:（1）基于响应面数据库利用BP-GA神经网络高精度优化后的裹浆改性用碱激发材料浆液配合比相对误差±1%内。不同碱激发材料浆液中激发剂体系为水泥熟料-氯盐和水泥熟料-硫酸盐时激发剂之间的交互作用对再生混凝土28d天强度的影响最显著。三种裹浆改性骨料再生混凝土中,浆液激发体系为水泥熟料-硅酸盐时再生混凝土强度最高。（2）圆形度（R）、轴向系数（KA）、棱角系数（AU）、粗糙度（RC）、分形维数（D）、球形度（DS）、扁平系数（FER）、形状因子（SF）等常规形态参数间包含了较多重复信息。因子分析手段降维处理得到的纹理因子F1、形貌因子F2、棱角因子F3能更加清晰、简洁地定量表征裹浆改性再生骨料宏观形貌、细观棱角、微观纹理。（3）相比于原状再生骨料,裹浆改性后的再生骨料表面粗糙程度降低,形貌更加接近球状,表面凹凸棱角相对减少。随粒径变化,不同浆液裹浆改性后的再生骨料形态变化趋势相同,其中再生骨料经水泥熟料—硫酸盐激发剂体系制备的碱激发材料浆液裹浆后,与水泥熟料—氯盐和水泥熟料—硅酸盐作为激发剂的浆液相比,改性后的再生骨料表面粗糙纹理更少,形貌更接近球状,凹凸棱角减少。（4）再生混凝土中裹浆改性再生骨料取代率为30%～50%时混凝土性能最好。形态综合指标与αa存在显著的线性关系,与αb存在显著的非线性关系。基于形态综合指标建立的回归模型αa（F1,F2,F3）、αb（F1,F2,F3）构建新的水胶比计算数学模型。采用该数学模型进行再生混凝土配合比设计时相对误差范围均在±5%以内,具有较高的精度。

关键词： 酚醛树脂浸渍石英纤维   热物性   烧蚀试验   数学模型   数值仿真  

摘要： 因为酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料具备极低的导热系数、密度以及优秀的抗烧蚀性能,而被广泛应用于各类飞行器。在高气动热环境下,酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料会发生烧蚀反应,包括受热升温、热解反应、热解气体的扩散流动、热阻塞效应、表面后退等复杂的物理—化学变化。如何有效分析预测热防护材料的烧蚀行为是其研究的一个热点,但由于其在高温下的物理—化学变化过程十分复杂。所以对酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料的热防护机理的研究是必要的,以此来预测复合材料在高温下的热响应情况。本论文以酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料为研究对象,开展复合材料的热物性、热分析和烧蚀试验研究并在构建的复合材料烧蚀的物理模型与数学模型的基础上,采用有限元对其进行了热响应分析,具体内容如下: 首先通过各种技术手段,获得了酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料的热物性参数。采用热重分析、热重—傅里叶红外光谱、热裂解气质联用仪对材料的热解过程和热解产物进行了分析,研究结果表明:酚醛树脂的热解过程与三阶段热解规律一致,石英纤维不参与酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料的热解过程,酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料的热解气相产物主要为二氧化碳、水、一氧化碳、苯酚等。采用高斯分峰法和Kissinger法用Arrhenius方程构建了多过程的热解动力学模型,计算出了酚醛树脂的热动力学参数。利用烧蚀试验,研究了酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料在高热流短烧蚀和低热流长烧蚀两种工况下的烧蚀行为,研究结果表明:材料在短烧蚀过程中出现了因为剪切力而产生的表面后退现象,在长烧蚀过程中出现了因为炭层氧化、石英熔融蒸发与硅-炭反应的表面后退现象,同时各探测点的温度均未超过100℃,说明复合材料具有优秀的热防护性能,且在烧蚀过程中可描述为表面后退层、熔融层、炭化层、热解层以及原始层的多层次的物理模型。 基于酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料热解和烧蚀过程的分析,以热解度为基础构建了材料的热物性参数的数学模型。基于局部热非平衡机制以及质量和动量守恒定律,构建了描述热解气体的产生与流动的体烧蚀模型。基于表面炭—硅反应、石英熔融蒸发和表面气动剪切力构建了线烧蚀模型,并确定了边界条件。 最后在推导出的数学方程的基础上,利用COMSOL有限元软件实现了多维度的模型构建,并进行了多物理场的强耦合瞬态求解,采用变形几何模块实现材料的表面后退过程。通过烧蚀试验与数值仿真结果对比发现:高热流短烧蚀试验不同位置最大温度的相对误差为0.6%和2.0%,且通过云图发现在材料表面升高到600℃时,材料内部的温度仍低于50℃,且热解深度大约为5mm;低热流长烧蚀试验不同位置最大温度的相对误差为2.0%和26.1%,且通过云图发现在材料表面升高到1200℃时,材料内部的温度仍低于200℃,且热解深度大约为20mm。从而证明了该模型具有高保真度,可以较为准确地对该材料的热响应进行预测。

关键词： 教学设计   学思案   物理课堂  

摘要： 在技术发展与国际形势瞬息万变的今天,我国对人才的培养不断提出新要求,2021年中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》,2022年教育部颁布了《义务教育物理课程标准(2022年版)》,我国持续发布的改革政策与新课标无不释放着要改良教学生态的信号,而教育改革的重点在于课堂教学质量的提升,学思案凭借其优势对提升课堂质量、减轻学生课外负担等方面有良好的效果,因此,开发能够应用于实际教学的案例有较高的研究价值。 本文在已有的物理教学各环节设计研究与现有的学思案研究的基础上,结合物理教学的特点,提出基于学思案的初中物理教学各环节的设计原则,如“一致性原则”、“显化物理核心素养原则”、“驱动性原则”、“情景化原则”、“助思性原则”等等。并且提出了对应学思案中各个教学环节的设计策略。依据理论研究的结果,设计了4个不同课型的物理教学案例,将设计的教学案例进行课堂实施,选取该学校的两个平行班进行对比实验,实验班使用基于学思案的物理教学设计进行教学,对照班使用传统教学设计进行教学。最后通过课堂观察、学生后测等手段进行数据收集,分析学思案对提升课堂教学质量等方面的有效性。得出以下的研究结论: 1.本文针对物理学科的特点提出基于学思案的物理教学设计各个环节的设计原则,并提出了各个环节设计的相关策略,对如何基于学思案进行初中物理教学设计提供了有效的指导。 2.针对不同物理课型设计了4个基于学思案的初中物理教学设计,分别是“压强(第一课时)”概念课、“牛顿第一定律”规律课、“平面镜成像”实验课、“光学”复习课。 3.基于学思案的物理教学设计能够适用于不同课型的物理课,能保证教学活动的有效性以及教学目标的达成,并对提升课堂教学质量有较好的效果。

关键词： 废水最小化   过程集成   水网络   数学模型  

摘要： 工业为社会发展提供了丰富的物质条件,带来的污染问题也不容忽视。为了缓解水资源短缺问题和改善水体环境,国家推出了一系列的水污染防治政策,同时不断提高工业园区废水处理的排放标准。本文从系统优化的角度考虑了企业用水网络优化对废水排放的影响,基于全局用水网络模型探究了企业水网络、废水处理网络和排放标准之间的关系。 首先,对工业园区废水排放模式和工业废水排放标准进行了梳理,总结了不同发展阶段的工业废水排放模式的特点,以及国家、地方的工业废水排放标准的完善过程,分析了工业废水排放标准变化与工业废水排放模式变化的关系;然后,利用水夹点技术对单个间歇化工企业的用水网络进行优化,结果表明,增加水回用环节或改变操作单元的顺序,能够减少企业生产过程的新鲜水消耗量,但导致废水浓度增加。然后,基于工业园区废水排放模式,建立工业园区基于全局用水网络的园区排放标准模型,以总成本最小化为目标函数,对工业园区水系统进行集成优化,并考虑了单杂质和多杂质问题。案例分析结果表明,增加水回用环节,依然能够减少新鲜水的消耗量;集中式废水处理网络不仅能够减少新鲜水消耗量,并且能够减少企业的资金投入;提高园区废水处理厂排放标准,会导致企业用水网络和废水处理网络的结构发生变化,从而导致新鲜水消耗量和处理成本的变化。最后,本文将废水处理环节划分为四个阶段,建立不同阶段不同技术的数学模型,以总成本最小化为优化目标,求解模型后可得到符合工业园区废水处理排放标准的最佳废水处理技术组合,并对废水处理厂进行初步设计。 本文基于全局用水网络同时考虑了工业园区用水网络和废水处理网络的优化,以及排放标准对用水系统总成本、用水网络和废水处理网络的影响。建立的园区废水处理厂集成模型,能够快速得到园区废水处理厂的最优技术组合和相关参数,对于实现工业园区节水减排具有重要意义。本研究提出的方法可为工业园区工业废水排放标准的计算提供方法支持。

关键词： 恢复策略   数学模型   重大公共危机   供应链中断  

关键词： 电动施肥车   移动端控制   根系施肥   数学模型   离散元仿真  

摘要： 施肥车可在平原、丘陵、山地等区域广泛作业,并在实现精量施肥、降低生产成本、增强环境保护等方面具有积极效果。因此,在分析国内外施肥车发展现状的基础上,针对扩大施肥量调控范围、减小排肥能耗、提高肥料利用率、降低劳动强度、增强通用性、减少应用成本等集成需求,课题设计一种适用于不同株距根系精量施肥的扇形开口错漏式电动施肥车及其移动端控制系统,进一步形成针对性的设计与分析方法。课题主要开展的工作如下:(1)整体结构设计与原理分析,明确施肥调节机构关键部件方案的合理性,获得扇形开口错漏式施肥装置与电动底盘相结合的完整结构布局,为后续的控制系统构建、数学建模、离散元仿真、实验验证提供支撑;(2)结合(1)中所述模型,完成包括移动端、蓝牙模块、中央控制单元、电机、电机驱动单元、电推杆、电池组等在内的控制系统硬件方案开发与布局,实现信号层、处理层、驱动层的控制软件架构设计,为引导遥控作业与实验验证提供重要依据;(3)结合(1)、(2)中所设计的结构和系统,构建根系施肥量和施肥间距关键参数的数学模型,依此明确根系施肥量和施肥间距的相关参数,进一步优化整体施肥结构和控制程序中的关键参数,并为离散元仿真和实验验证提供参数;(4)结合(3)中根系施肥量和施肥间距关联参数的数学模型,实现电动施肥车及其施肥装置的离散元仿真;进一步完成数据对比,揭示电动施肥车及其施肥装置控制根系施肥量与施肥间距的可行性,依此证明数学模型的可靠性与结构设计的合理性,为实验验证提供数据依据;(5)结合制作的电动施肥车及其施肥装置,完成移动端控制施肥装置的台架试验与田间现场模拟试验;进一步结合数学模型、仿真模型、试验的数据对比验证,分析电动施肥车控制根系施肥量与施肥间距的精确性,依此明确仿真的可靠性与控制系统的可行性,为持续优化与应用做准备。完成上述工作,课题可明确移动端控制电动施肥车对适应不同株距根系精量施肥的精确调节和控制机制,进一步推动精准农业机械智能化的发展趋势。

关键词： 干冰烟丝   干燥   数学模型   含水率   膨胀塔   机器学习  

摘要： 因具有减少烟丝单耗、降低焦油含量、增加烟丝填充性等优点,干冰膨胀烟丝被广泛应用于烟草工业,但现有的干冰烟丝膨胀工艺仍存在一些问题。本文针对某厂干冰烟丝膨胀后含水率逐步降低的问题,基于机器学习方法,传热传质等基本原理,并结合干冰烟丝膨胀实验,得到了适用于某厂的干冰烟丝膨胀后含水率的数学模型和机器学习模型。最终基于以上模型对某厂干冰烟丝膨胀段提出了有效的改善措施。主要研究包括以下内容: (1)基于某厂干冰膨胀烟丝车间历史运行数据,利用随机森林算法,构建了干冰烟丝膨胀后含水率与工艺气体回风温度的机器学习预测模型,结合模型结果与对冷却输送的分析,对膨胀后烟丝含水率检测器位置进行改善。改善后机器学习预测模型得到了提升,同时系统对干冰烟丝膨胀后含水率的监控准确度也得到提升。 (2)基于传热传质等基本原理,以物料衡算和热量衡算为基础,并结合适当的工程简化,建立了干冰烟丝膨胀过程中烟丝颗粒出口温度、工艺气体回风温度和膨胀后烟丝含水率的初步数学模型,并基于某厂的1140 kg/h膨胀烟丝生产线的工业数据对数学模型完成标定。其中回风温度和膨胀后烟丝含水率数学模型的平均绝对百分比误差分别为0.24%和1.99%,最大绝对百分比误差分别为0.83%和6.33%,可较好地描述工艺条件对二者的影响。该模型对膨胀后烟丝含水率的调控有良好的指导意义。 (3)针对某厂干冰烟丝膨胀后含水率逐渐降低的问题,基于以上机器学习预测模型与膨胀后烟丝含水率数学模型结果,提出持续降低工艺气体温度的调控方案和增加中途热风吹扫的方案,并在产线进行实施,烟丝膨胀后含水率逐渐降低的异常得到了缓解。同时对膨胀塔污垢层进行分析,并实施进料前后长时间高温吹扫来削弱壁面污垢层的累积,以削弱其不良影响。

关键词： 丁腈橡胶   臭氧老化   首次龟裂时间   数学模型   老化趋势预测  

摘要： 本文主要通过硫化特性分析、臭氧老化实验、力学性能分析、老化系数评价、染色深度评价、金相显微分析等方法,分别探究不同牌号、微晶蜡用量对丁腈橡胶(NBR)硫化胶耐臭氧老化性能的影响。选取综合性能优异的一组深入臭氧老化研究,改变其防老体系与试样静动态条件并利用MATLAB的cftool函数,探究臭氧浓度、形变率与NBR试样胶面首次出现龟裂时间的老化规律,并拟合成高精度的高阶线性经验方程。通过相应的算式,实验者可以规定定义域中任意老化条件,来预测NBR硫化胶首次出现龟裂的时间,即其老化趋势,以此达到评估NBR的耐臭氧老化性能的目的。具体内容分为以下三个部分: 第一部分:研究了四种丙烯腈含量对NBR耐臭氧老化的能力的影响。研究表明:不同臭氧老化工况下,JSR N220S耐臭氧老化性能较好,表明丙烯腈含量越高,NBR硫化胶耐臭氧老化性能越好,但考虑到实验成本与生产普适性,选取能耐老化性能仅次于N220S的N41进行后续实验。 第二部分:研究了防老体系中六种微晶蜡不同用量对NBR N41耐臭氧老化性能的影响。研究表明:微晶蜡用量越高其防护效果越明显,为便于短期臭氧老化实验的开展,采用2份微晶蜡进行后续实验。 第三部分:在前两部分的基础上,研究了三种微晶蜡用量为2份的防老体系,在静动态条件下,臭氧浓度、形变率对NBR N41耐臭氧性能的影响,利用MATLAB设计线性函数模型,将臭氧浓度、形变率与NBR胶面首次出现龟裂时间的规律拟合成通用经验方程。结果表明:该方法可以较为准确地预测NBR在臭氧老化环境下首次出现龟裂的时间,以此评价其耐臭氧性能。误差率整体控制在2.2～7.7%,为预测与评估NBR耐臭氧老化性能提供了一种新方法和思路。并发现采用配方3#的胶料(防老体系由防老剂NBC/防老剂4020/微晶蜡组成)耐静态臭氧老化能力强;采用配方1#的胶料(防老体系由防老剂4010NA/微晶蜡组成)适合用于动态老化条件;采用配方2#的胶料(防老体系由防老剂4010NA/分散剂AFLUX-42M组成)适用于低形变的老化环境。

关键词： 超声电机   两自由度   数学模型   机电耦合  

摘要： 随着机器人技术的提高,工业机器人在越来越多的领域被应用,同时对工业机器人机械臂的灵活性、适应性、稳定性等性能也提出了更高的要求。传统电磁电机驱动机械臂的关节在引入多个自由度的同时需要引入多套驱动电机与减速装置,导致其结构复杂、体积大、质量大。超声电机具有低速大扭矩特性,并可直接驱动机器人操作机构,避免传动机构和减速装置的使用,从而降低了系统占用空间和质量,相较于传统电磁电机具有显著优势。目前旋转行波型超声电机的研究在理论建模与实际应用方面逐渐成熟,已成功应用于机械臂与航空航天领域,然而旋转行波型超声电机多采用贴片式结构,不仅存在贴合胶层失效的问题,且由于压电陶瓷工作于d31模式下,导致机电耦合效率低下,机械输出能力受限。夹心式驻波型超声电机相比旋转行波型超声电机,压电陶瓷采用螺纹结构预紧,并工作于d33模式下,具有更高的性能和适用性,对于此类超声电机的研究主要集中于新构型的提出和研发,然而缺少其理论数学模型的建立以及驱动机械臂的应用。 针对以上不足,本文将提出基于纵振和弯弯复合振动的超声电机,用以致动机械臂,具备沿机械臂运行和驱动机械臂关节旋转两个自由度。建立超声电机机电耦合数学模型,为提高电机性能提供理论支撑;对超声电机开展性能测试实验研究,并建立运动控制平台,实现超声电机的速度阶跃信号跟踪,为超声电机驱动机械臂提供理论和技术基础,具有重要的科学意义和应用价值。本文的主要研究内容如下: 基于纵振和弯弯复合振动的超声电机的驱动原理以及结构设计,设计两自由度超声电机,分别利用超声电机的纵振以及弯弯复合振动,其产生的斜线轨迹和椭圆轨迹能使超声电机具有沿机械臂运行以及驱动机械臂关节旋转的功能。对基于纵振和弯弯复合振动的超声电机的驱动原理进行分析,设计激励电压和压电陶瓷的极化方式。研究超声电机的材料参数、结构尺寸、压电陶瓷的布置位置和使用当量等参数,利用APDL语言建立压电驱动器的FEM参数化建模,对超声电机纵振、弯振模态频率和瞬态振动特性进行有限元仿真。 建立超声电机定子机电耦合模型,采用解析法建立了定子解析模型。基于纵振振动理论与Timoshenko弯振理论建立电机纵振与弯振的振动模型,并考虑定子的相容条件与边界条件,得到定子机电耦合的拉格朗日方程,基于该动力学模型,得到了定子的固有振动特性和机电耦合系数,为进一步建立超声电机整机动力学模型奠定了基础。 搭建超声电机实验测试平台,加工与装配超声电机的实验样机,测试超声电机的阻抗特性,并与有限元分析结果进行对比,测试样机的振动特性和机械输出特性,当超声波电机在弯弯复合振动模式下工作时,最大空载速度为297.05mm/s,电压为200VP-P。超声电机在30N负载下输出速度达到197.73mm/s。当超声电机在纵振振动模式下工作时,最大空载速度为394.96mm/s,电压为200VP-P。在30N的负载下,输出速度为257.01 mm/s。所提出的超声电机不仅实现了两个自由度的运动,而且具有高速、推力大的特点。建立闭环控制系统,对超声电机的闭环驱动控制进行研究,使用PID控制对超声电机进行速度阶跃信号的跟踪,当电机工作于纵振振动模式下,超声电机的闭环控制系统对阶跃信号的响应时间为0.3s以内,稳态误差小于5%,电机工作于弯弯复合振动模式下,超声电机的闭环控制系统对阶跃信号的响应时间为0.2s以内,稳态误差小于3%,为建立压电驱动平台精密定位系统奠定了基础。