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关键词： 料面形状   物理实验装置   数学模型   CFD-DEM   差分进化算法  

摘要： 高炉炼铁作为现代钢铁工业的核心工艺,承担着全球95%以上的粗钢生产任务,其能效优化与绿色转型对实现“双碳”目标具有战略意义。高炉炼铁过程优化主要分为上部优化和下部优化,上部优化通过调整布料制度改变料面形状。由于高炉内部环境复杂,现有检测设备无法精确检测料面形状,料面形状调整依赖于人工经验修改布料参数,因此对料面形状的建模与优化具有研究意义。本文使用数学方法、CFD-DEM耦合方法和物理方法分别建立料面形状模型,并利用物理模型实验数据验证数学方法和CFD-DEM耦合方法的准确性。根据建立的料面形状数学模型,结合理想料面形状,通过差分进化算法优化出最优布料矩阵,并采用CFD-DEM耦合方法验证优化结果,用于指导操作人员进行布料操作时对布料矩阵的调整和优化。本文主要工作如下: (1)根据实际高炉尺寸和结构建立1:10缩小的高炉布料物理实验装置,并设计了物理实验装置的控制系统、控制程序以及上位机监控系统。实现参数设置、手动/自动布料控制及数据的实时显示。使用双目相机检测实验装置布料后的料面形状,获取料面形状模型,为验证后续使用数学方法和CFD-DEM方法建立的料面形状做准备。 (2)基于布料过程机理,建立炉料运动轨迹模型和料面形状模型。料面形状模型提出直线-二次曲线-直线的表达方式,与传统的双直线表达方式相比更加贴近实际料面形状。并建立适用于高炉布料的CFD-DEM耦合模型,以实现对高炉布料过程的多尺度数值模拟。通过与物理模式实验数据对比,数学模型和CFD-DEM模型的炉料落点预测平均绝对误差分别为0.24 cm和0.28 cm,相对偏差小于2.6%。物理模型存在缩尺效应,与工业场景存在差异。本文建立全尺寸高炉布料的数学模型和CFD-DEM仿真模型分析各影响因素对炉料落点的影响,非均匀煤气流条件下,小粒径矿石(10～20 mm)落点半径偏差较均匀气流增加3.7%,显著高于大粒径焦炭(40 mm)的2.7%。 (3)物理模型与CFD-DEM完成一次布料操作耗时分别为5分钟和40小时,而数学模型的计算时间为3分钟。所以在数学模型基础上提出基于差分进化算法(DE)的偏析料面形状优化,以料面形状误差最小化为目标函数,优化布料矩阵参数。将优化后的布料矩阵在CFD-DEM模型中进行布料模拟,仿真结果显示,优化后的料面形状与期望料面形状误差最大值为0.2501 m,根据性能指标函数计算出差分进化算法优化后的料面形相对误差值为8.54%。

关键词： 大数据   智能化   高炉   数学模型   料层分布  

摘要： 高炉布料是高炉炼铁生产的重要环节之一，由于炉顶装料设备的密闭性，炉料在炉喉分布的实际情况，例如料层分布状况、矿焦比分布等无法直观地准确观察得到。生产中高炉操作人员通常是以炉喉处煤气中CO2分布、煤气温度分布或煤气流速分布作为上部调节的依据。随着检测技术的进步，操作者利用红外摄像、热成像、激光技术和雷达技术可更准确地进行上部调节，但以上技术只能获取炉料表面的信息，而对于料层和矿焦比的分布信息则无法详细的了解。以高炉布料数学模型为理论基础，综合运用数值仿真、超级计算、人工智能等领域的前沿技术，通过大数据云平台以及智能神经网络等技术手段，构建高炉全炉料层分布智能监测系统。该系统可实现布料过程的在线跟踪及模拟仿真，协助高炉操作者了解炉料分布状况。系统应用后，高炉各项经济技术指标得到明显改善，与以往相比，月产量平均提高4.7%,燃料比降低2.37 kg/tFe,钒回收率均在80%以上。

关键词： 车内空气质量   内饰部件   安全风险   数学模型  

摘要： 本文基于国家对乘用车内空气质量限量要求，研究建立了对乘用车内不同内饰部件挥发性有毒有害物质质量安全的风险分析数学模型。通过实验室数据计算结果分析表明，单项目不合格因子和综合风险值两个指标，能够从内饰部件本身质量方面比较客观准确地反映其散发有害物质的安全风险问题，为汽车主机厂进行工艺优化和车内空气质量控制提供可靠的参考数据。

关键词： 薄壁壳体零件   物理仿真   数学模型   布谷鸟算法   几何仿真  

摘要： 薄壁零件因轻量化、功能集成性和结构效率性,被广泛应用于家用电器、汽车、航空航天等领域。薄壁零件刚性较差,在加工过程中容易受到铣削力影响,可能导致变形或翘曲,难以保证加工精度,而装夹方式与铣削参数是影响零件加工精度的主要原因。本文针对某薄壁壳体零件加工变形问题从两方面开展工作:一方面是专用夹具创新设计,另一方面运用布谷鸟算法进行铣削参数优化;并结合物理仿真、几何仿真、实际加工实验与测量,对薄壁壳体零件数控加工技术进行研究,以保证零件的加工精度。 首先,针对该薄壁壳体零件在传统装夹方式下变形的问题,设计了一款双模态薄壁件固持夹具,夹具由吸附系统与支撑系统共同构成。吸附系统实现工件的约束与定位,通过运算得出合理的吸附孔数量与尺寸,并通过有限元仿真验证设计合理性。支撑系统通过提供支撑力以抵消加工中的铣削力影响,在ABAQUS软件中对不同支撑布局变形量进行对比,最终选用六点位支撑布局。专用夹具设计增强零件加工中的稳定性和可靠性,通过有限元仿真验证,变形减小至0.04208 mm,研究结果表明该夹具能够有效抑制薄壁件变形。 其次,通过ABAQUS有限元软件进行物理仿真,分析主轴转速、进给速度、铣削深度和铣削宽度对铣削力的影响规律。结合Design-Expert的响应曲面法,建立了铣削参数与铣削力的数学模型,采用布谷鸟算法进行铣削参数寻优,得到铣削力最小时的参数组合。开展对优化前铣削参数与优化后铣削参数的有限元对比分析,零件加工所受铣削力由201.03 N下降至146.38 N,变形量减小了36.87%,研究表明采用布谷鸟算法对抑制铣削变形效果显著。 最后,以双模态薄壁件固持夹具与经过优化的铣削参数组合为基础,对零件工艺路线进行规划。结合手工编程与自动编程产出NC程序;运用VERICUT对NC程序进行多维几何仿真验证,包括刀具碰撞检测、加工干涉分析和过切校验,确认工艺方案可行。最后DMU50五轴加工中心加工,严格监控铣削过程。零件加工完成后,采用尺寸测量仪器对关键尺寸进行检测,实测数据表明工件尺寸精度均符合图纸设计要求。证明本文提出的研究方法具有较强的可行性与实际工程应用价值。

关键词： 引黄供水渠道   泥沙沉降   数学模型   工程优化  

摘要： 文章以黄河下游典型引黄供水渠道为研究对象，通过构建多因素耦合数学模型，结合监测数据验证，揭示了人工渠道环境下泥沙沉降的动态分异规律。结果表明，0.5 mm粒径泥沙率先沉降且沉降速率快，在闸后40～60 m完成主要沉降；小于0.062 mm的泥沙以悬移质输送，100 m内沉降不明显。不同水闸间，花园口引黄闸和赵口引黄闸的0.5 mm粒径泥沙沉降更快，渠村引黄入冀补淀渠首闸在特定流量下才有明显沉降。5座水闸在闸后40 m内淤积量增长快，之后减缓，赵口引黄闸淤积速率最快。基于研究结果，提出优化水闸运行管理、加强泥沙监测、完善清淤策略和优化工程设计等建议，为黄河流域生态供水工程泥沙治理提供了理论和实践依据。

关键词： 初中数学   几何解题   数学模型   发散思维  

摘要： 聚焦初中数学几何解题，分析学生在几何学习与解题中面临的困难，包括对图形的分析与转化、辅助线的添加技巧等.通过典型例题的详细解析，强化数学模型在数学解题教学中的应用，旨在帮助学生提升几何解题能力，培养空间思维和逻辑推理能力.

关键词： 碳化硅   外延生长   化学气相沉积   热-质输运   数学模型  

摘要： 本文针对典型8英寸热壁卧式SiC外延生长系统建立了考虑衬底转动、Si-C-Cl-H体系反应机理和多物理过程热质输运的数学模型，并用于三维数值仿真模拟研究。此外，本文特别研究了不同衬底表面平均温度、进气流量、进气Si/H2比对外延层生长速率和厚度均匀性的影响。结果表明：衬底转动提高了衬底表面温度分布均匀性，SiC瞬时生长速率主要受表面附近生长组分浓度影响；外延层厚度均匀性主要受SiC瞬时生长速率沿流动方向的分布影响，衬底前缘和后缘的瞬时生长速率须相互补偿以提高厚度均匀性；提高衬底表面平均温度、降低进气流量和降低进气Si/H2比均导致瞬时生长速率沿流动方向的分布由上凸向下凸转变，衬底表面实际生长速率的分布从边缘低中间高逐渐过渡为边缘高中间低；所考察的参数范围内进气流量对瞬时生长速率分布影响最大。

关键词： 大蒜   分瓣装置   物理特性   离散元   参数设计优化  

摘要： 大蒜分瓣作业是积极推进大蒜全程机械化生产的关键一环,针对大蒜分瓣过程中存在的分瓣率低、损伤率高、装置性能差等技术难题,关于大蒜分瓣理论与技术研究不成熟的行业痛点,严重制约了我国大蒜产业的发展。基于大蒜物料特性,以磨盘式大蒜分瓣装置为研究对象,采用物理试验与计算机数值模拟技术相结合的研究方法,分析了分瓣作业过程和影响因素,优化了大蒜分瓣装置关键作业参数,为大蒜机械化分瓣技术提供了理论依据。本文具体研究内容如下: (1)大蒜物理特性研究。以兰陵四六瓣蒜为研究对象,重点研究了大蒜鳞茎及关键部位的尺寸、含水率、密度等基本物理特性;以大蒜鳞茎分瓣力和蒜瓣损伤力为试验指标,开展了压缩力学特性试验,探究了物料在不同加载速度、放置方向条件下对指标的影响规律。 (2)磨盘式大蒜分瓣装置设计与分析。针对磨盘式大蒜分瓣装置作业效率低、分瓣效果不理想等问题,从理论角度出发,系统化剖析了大蒜分瓣作业过程,分析了物料在不同功能区域的受力情况,揭示了不同作业参数对装置性能的影响,研究了影响大蒜分瓣效果的关键因素,确定了关键部件的部分作业参数。 (3)离散元建模与参数标定。以兰陵大蒜的蒜瓣、茎秆、根盘为建模依据,基于物料物理特征,运用EDEM离散元软件填充了物料三维轮廓,建立了离散元模型,通过真实物理试验测定了物料与物料及接触材料之间的接触参数,以混合物料堆积角为标定试验指标,运用了Plackett-Burman显著性因子筛选法、最陡爬坡和Box-Behnken响应面分析法,开展了离散元模型的接触特性标定试验,得到了不确定接触参数的具体数值。 (4)大蒜分瓣仿真试验与装置参数优化。借助离散元软件,建立了大蒜鳞茎离散元模型,仿真模拟了大蒜分瓣作业过程,剖析了物料颗粒在分瓣机构中的运动情况;通过设计三因素三水平正交试验,阐明了各试验因素对分瓣率、仿真时长的影响规律,构建了试验因素与评价指标数学回归模型,进行了双目标优化求解,样机试验结果表明:当锥盘角度为23.5°、磨盘间距为40 mm、平盘转速为430 r/min时,分瓣率为90.92%、损伤率为3.34%、工作效率为142.88 kg/h,满足大蒜分瓣作业需求。

关键词： 偏微分方程   数学模型   高校数学教学   教学创新  

摘要： 本文通过介绍基于偏微分方程的数学模型构建及其在高校数学教学中的创新应用，简述偏微分方程的基础概念、分类及常见的求解方法。然后，通过经典物理现象，如热传导方程和波动方程，展示数学模型的构建过程，包括假设条件、方程推导以及边界和初始条件的设置。分析如何利用数值模拟对模型进行求解，并讨论结果的应用与实际意义。提出四种高校数学教学创新策略，包括引入数学建模实践课程、计算工具辅助教学、跨学科协作教学和翻转课堂教学模式。

关键词： 路面工程   非饱和沥青混合料   综述   水分特征曲线   数学模型  

摘要： 水分特征曲线表示了含水状态与基质吸力的非线性变化规律，是刻画非饱和多孔介质水力行为的本构关系之一。然而，目前沥青混合料的水分特征曲线大多基于宏观孔隙特征的几何相似性假设，借用路基土等颗粒材料的经典经验模型予以描述，其合理性尚需充分实证，也无法用于准确模拟沥青路面的非饱和渗流现象。为了厘清对沥青混合料非饱和状态物质属性和行为特性的首要问题——水分特征曲线的最新认识，从多孔介质的普遍性出发，围绕非饱和沥青混合料水分特征曲线的形式、机制和模型等方面综述了国内外学者的主要研究成果。首先，梳理沥青混合料水分特征曲线的基本形式，探讨了沥青混合料含水量/饱和度-吸力关系的分布模态和水力滞回特点；其次，详细归纳材料属性和关键环境效应对沥青混合料水分特征曲线的作用规律，总结了控制沥青混合料水分特征曲线形成的内在机制；在此基础上，分类评述了一般多孔介质水分特征曲线的静态和动态等多种数学模型，结合边界约束条件给出了表征沥青混合料完整水分特征曲线的数学模型；最后，指出非饱和沥青混合料水分特征曲线的研究当前仍处在持续完善阶段，建议未来发展需要向多尺度、精准化方向探索，建立全吸力范围、高观测精度、多环境耦合的水分特征曲线测试技术和方法，揭示广义加载条件下水分特征曲线的响应规律，构建全吸力范围内反映孔隙分布及其演化过程的广义水分特征曲线模型，提升复杂环境下沥青路面真实服役状态评估的可靠度。