时间：2023-06-06 09:00:24
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇结构动力学，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
在对房屋建筑结构进行设计过程中，要注意以下几个原则。
1.计算简图要进行恰当、合理的选择
房屋建筑物的结构计算式是通过计算简图实现的，计算简图的选择影响着结构的安全，计算简图选择不当，则会经常出现结构安全事故，因此，选择恰当的计算简图，对于保障结构的安全具有重要意义。除此之外，建筑物结构的计算简图，需要采取相应的方法来保证，以能够很好地控制住计算简图在设计范围内的误差。
2.合理的选择建筑结构方案
合理的建筑结构设计离不开经济合理的建筑结构方案，也就是说，在结构的形式和体系上要做到联系实际，切实可行。建筑物的结构体系不仅要有明确的受力，而且还要传力简捷。在同一个结构单元中，要选择一种结构体系，不适宜混用多种结构体系。在地震区域中，应严格遵守平面和竖向的原则。例如，在确定结构方案的过程中，要全方位、全面地对建筑工程的设计要求、地质条件、施工条件以及原材质量等不同的因素进行分析，并且在建筑、水电、供暖等方面经过充分的协商后，择优选用。
3.对计算的结构进行准确分析
目前，在我国的建筑结构设计中，比较普遍的采用计算机网络信息技术，由于网络技术的发展，软件种类多种多样，软件不相同，计算的结果也就有所不同。针对此现象，结构设计人员应该针对各个不同的计算软件使用的范围和条件，进行详细全面的分析，在结构计算时，避免不必要的误差。另外，还要求结构设计人员在通过运用计算机软件进行设计过程中，要经过认真分析，做出合理的判断。因为可能出现建筑结构的实际情况与软件程序不符合、由于人为原因造成的错误以及软件自身存在的缺陷等问题，在一定程度上会造成计算结果的错误。
4.采取相应的构造措施
房屋的建筑结构设计，要牢牢掌握设计的原则，并且加强建筑结构中的薄弱环节，提高建筑物构件的延性性能，还要注意钢筋的锚固长度，特别是钢筋在执行阶段的锚固长度。其中，如震动效应、空气冲击波效应、爆破飞石、噪声、有害气体等，这些都对建筑结构造成间接或直接的危害。
二、动力学中的结构动力特性
在建筑结构中结构动力学反映抗震性质的微分方程，其中的系数C1和C2能根据初始条件确定。运用能够妥善处理重复变换加载的三维有限元方法分析钢筋混凝土柱在地震荷载作用下的非线性特性。钢筋混凝土墙——框架体系的非弹性地震反应，一般都参照了连续变化的轴向力和挠曲的相互影响和剪切变形的影响，加之轴向力变化对于动力反应的影响非常显著，但剪切变形的影响却不大。如果我们仔细研究钢框架建筑的非弹性地震反应我们会发现柱的轴向塑性变形会朝一个方向积累，进而导致水平位移增大，从而加剧P—Δ效应。轴向力将减小挠曲为主的振型的自振频率，而且将加大拉伸振型的自振频率。我们可以运用离散变量方法，对整个体系进行处理，用拉格朗日方程进行一般性分析，以便考虑结构的空间特性。
三、建筑结构中结构动力学的防震减震应用
建筑结构中的防震减震应用最主要的就是对建筑结构进行特性优化分析，例如，针对某高层建筑，业主要求必须体现大空间概念，最后经过与设计院的协调沟通，确定采用28层的设计方案，其中，地下2层，地上26层，总面积30000m2，高度达到94m。针对建筑结构体系的优化选择，设计院具体的对建筑结构中结构动力学的减震防震应进行了设计应用，具体方法如下。
1.反应谱设计法
根据结构动力学所特有的特性，动力结构在地震时就会有一定的动力效应，简单的说就是结构上质点的地震反应加速度与地面运动的加速度有所不同，且结构上质点的地震结构自震周期与阻尼具有一定的联系。对动力学方法的应用可以对自由度弹性体系质点的加速度反应进行求解，并求得不同周期的加速度反应。
2.能力设计法
想要能够有效地保证建筑结构中钢筋混凝土结构具有足够的弹性，就需要运用钢筋混凝土结构能力设计法。此方法的原理就是对非弹性性能对结构抗震能力的理解和超静定结构的地震机理的理解，并在地震的作用下对具有岩性破坏机制的控制思想进行实现，进而保证结构的抗震效果和设防目标，同时还可以保证设计的经济合理性。
四、结语
关键词：凸轮机构；接触应力；滚轮外形优化
凸轮分割器是通过输入轴上的共轭凸轮与输出轴上带有均匀分布滚针轴承的分度盘无间隙垂直啮合，凸轮轮廓面的曲线段驱使分度盘上的滚针轴承带动分度盘转位，直线段使分度盘静止，并定位自锁。通常情况下，输入轴旋转一圈，输出轴便完成一动一停的一个分度过程，在一个分度过程中，输出轴有一个转位时间和停止时间之比叫动静比，动静比的大小与凸轮曲线段在整个凸轮圆周上所占的角度大小有关系，动程角越大，比值越大，分割器运转越平稳；凸轮圆周上直线段所占的角度叫静止角，动程角与静止角之和为360°。
1 凸轮机构运动特性
本研究所采用的滚轮分别是一般的平底滚轮和经过优化后的鼓形滚轮，其中，L1、L3为圆弧段长度尺寸，L2直段长度，h为圆弧段高度，R为圆弧曲率半径，D为滚轮直径，平底滚轮则没有圆弧段。本研究中的凸轮机构包括柱塞、挺柱、销、衬套、滚轮、凸轮、弹簧座盘、调整垫块、弹簧九部分。在柱塞的压油段上，挺柱体作用着合力P，它包括燃油压力P1，由柱塞、弹簧、挺柱体总成等质量所产生的惯性力P2，弹簧力P3，P=P1+P2+P3 ，在滚轮、衬套和销的旋转中心则作用着凸轮对滚轮的驱动力N。
图1 鼓底滚轮外廓尺寸图 图2 受力图 图3 余弦力加载图
1.1 实体模型导入
将凸轮机构的实体模型导入ADAMS后，设置各刚体的材料属性，根据机构中各部件的实际尺寸、相对位置和约束关系建立多刚体动力学模型。柱塞、挺柱与大地之间的点线副，只允许柱塞、挺柱沿竖直方向平动；柱塞、弹簧座盘、调整垫块之间的固定副，刚性固定连接，不允许有任何相对运动；滚轮、衬套、销和挺柱之间的旋转副，只允许相对转动；滚轮与凸轮之间的凸轮副，约束两者的轮廓曲线始终接触。
1.2 参数的设置
设置凸轮转速为1000 r／min，弹簧的刚度系数和阻尼系数分别为25 N／mm、0.0l N?s／mm，预载荷488 N。在柱塞上表面作用一个已知的随机构运动而变化的燃油压力P1。应用机构模块，分别取柱塞和滚轮的重心来定义动态测量柱塞的升程、速度、加速度和滚轮的受力。由仿真结果可大致得到同种喷油泵中两类不同型号凸轮轮廓线的基本特征，推程启始角分别为δ1=1170，δ2=1220，回程运动角和滚轮的升程均相等，分别为1800和13mm。在加速段，凸轮二用时较短，且速度的最大值为2261.739 mm／s ，高于凸轮一的1970.825 mm／s。凸轮一、二加速度峰值分别为2991655mm／s2和2807396 mm／s2。
2 凸轮一滚轮接触应力分析
2.1 滚轮有限元模型的建立
接触应力计算是高度非线性的问题，本研究将凸轮的连续转动工作过程离散为若干准静态过程，在每个准静态过程中计算接触位置，对接触区域进行预测，保证预测接触区域宽度大于实际接触区域宽度，并对预测接触区域的网格进一步细分。为了对同一个问题进行一系列研究，必须固定网格划分的方法和网格的大小，以保证相同的精度。接触模型的建立决定于凸轮不同转角时凸轮机构的相对位置，下述实例选择凸轮转角为1550的接触模型进行计算和分析。
2.1.1 设置材料属性
考虑到凸轮表面的热处理效果，将凸轮分割为厚度1.5 mm的渗炭层外壳和凸轮核心两部分。以凸轮旋转中心线为轴，建立一个半径为1 mm的圆柱体与导入的模型进行布尔求交。由于在Pro／E中采用的是毫米千克牛的单位制，输入时要考虑单位的转换。材料的属性设置为：弹性模量分别为206 MPa(滚轮、凸轮核心)和210 MPa(凸轮外壳)，泊松比均为0.3，密度均为7.8xl0-6 kg／mm3。
2.1.2 网格划分
实体模型采用8节点六面体的solid45和solid73单元，采用映射单元划分的方式对模型进行网格划分。通过对接触宽度进行预估，确定凸轮一滚轮的预接触区并进行网格细化，由此将模型划分为141860个单元，146131个节点。建立接触对，接触区域采用三维面对面单元，选择凸轮外壳为目标面，滚轮为接触面；定义接触刚度为1，穿透容差为0.1，法向接触刚度取210 GPa。
2.2 边界条件的施加
2.2.1 自由度约束
将有限元模型调整至凸轮转角为1550时的位置，提取上文所建半径为1 mm的圆柱体中的所有节点，约束所有方向的自由度。对凸轮和滚轮的轴向对称面约束Z方向的自由度。对滚轮下半部分周向的对称面约束Y方向的自由度。
2.2.2 载荷处理
根据在ADAMS中所建立的凸轮机构刚体模型，滚轮一衬套之间用旋转副连接，凸轮机构的传递力在此处即体现为衬套外表面对滚轮内表面的压力。采取对滚轮加载余弦力面载荷的方法，F y为法向合力,f1为对滚轮内侧下表面圆周上的第个节点加载的余弦力,如图3所示，f1与法向夹角为θi、fix和fiy分别为fi的切向分量和法向分量。因此可得：
式A为余弦载荷的基本量，为滚轮内侧下半表面圆周上的节点总数，为滚轮轴向的截面数量xi和yi为节点在局部直角坐标系中的坐标。根据上述公式可计算得A=2798.198 N，则在定义完余弦函数后对滚轮内下半表面上的所有节点进行加载。
2.3 结果分析
从接触应力分布情况可以看出，接触应力只发生在一个很窄的区域且沿滚轮轴向的分布是不连续的，其分布无明显的数量关系。应力在两端变化幅度较大，中间区域变化幅度较小，最大可达745.09 MPa，这是由理想表面接触时产生的变形相互挤压造成的。根据计算结果可发现：凸轮-滚轮间的接触面积随接触应力的上升而增大。平底滚轮的接触区域形状较均匀，基本是矩形；鼓底滚轮边缘弧度较大，接触区域的宽度在两端递减，呈三角状；凸轮-滚轮之间的接触应力在切向和轴向上不均匀分布。轴向长度上应力从中间向两端递增，分别在边缘处达到峰值。切向宽度上两端的应力高于中间部分，且由于凸轮外形的不对称性，导致在接触状态下，切向宽度上左右两侧峰值不对等；凸轮-滚轮的接触应力峰值在基圆段、升程段的初期和后期较低，在50～60 MPa之间；在升程段的中期接触应力峰值明显增大，这也从侧面说明高速、大功率的柴油机必然将使凸轮机构的接触应力增大；当同时采用鼓底滚轮时，比较推程段的应力峰值，凸轮二要明显小于凸轮一，分别为1045.8 MPa和745.09 MPa，且前者的增长率也远低于后者，基圆段两种凸轮相应的应力峰值相差不大；当同时采用凸轮二时，在凸轮转角为1450、1500和1550时，平底滚轮的应力峰值比鼓底滚轮的明显高很多，而在其它角度上却略低，说明在凸轮机构工况最恶劣的阶段宜采用大弧度的鼓底滚轮，通过使滚轮表面圆滑，减小边缘应力集中，提高喷油泵的耐久性。
3 结束语
通过有限元模型计算可知，凸轮-滚轮接触应力的分布情况受柱塞腔油压、凸轮型线以及滚轮外型结构共同影响。为缓解凸轮机构恶劣工况，在燃油压力确定的情况下，宜采用推程启始角较小，推程运动角较大的凸轮和大弧度的鼓底滚轮。根据加工工艺水平、滚轮和凸轮材料等实际情况，可选择不同尺寸的鼓型滚轮使其结构优化，由此减小凸轮-滚轮的边缘应力，解决应力不均的问题，提高滚轮与凸轮的使用寿命。
参考文献：
[1] 胡秀成，张思青，张立翔．基于CFD的长短叶片水轮机转轮研究[J].水电能源科学，2009，27(3)：144-146
关键词：数值计算方法；结构动力学
中图分类号：TU311.3文献标识码：A文章编号：
一、数值计算方法在结构动力学的应用
结构动力学是一门研究结构在动力荷载作用下结构的反应。其中许多问题涉及到用有限自由度来代替无限自由，问题及其复杂，想得到解基本上很难，要么就花费许多时间，进入采取数值计算方法来求解并结合计算机编程来实现[1]。
下面就动力反应数值分析方法来简要说明一下：
（1） 求结构在动力荷载作用下的反应时，要求特征值，由于行列式及其复杂，求特征值就必须用到数值计算方法中的Jacobi迭代法、Gauss-Seidal迭代法，一步一步迭代来接近精确解，由于手算很麻烦，一般编一个程序通过计算机来完成。
（2） 中心差分法基于有限差分代替位移对时间的求导，（即速度和加速度）。如果采用等时间步长ti=t，则速度和加速度的中心差分近似为：
（1）
（2）
（3）
（3）对于结构的位移与受的力的关系不成线性变化时采用变刚度迭代法,但是变刚度法有一个缺点是要反复修正刚度矩阵；这时就要用迭代方法的熟练条件来判断刚度阵的病态问题。如果第k步误差与前k-1步误差的总和之比小于一个给定的小量ε时，则认为迭代收敛，达到要求的精度，停止迭代计算。
二、举例编程
运用MATLAB求解这个问题时，一般要经历建模和编程两个过程，只有在建模正确的前提下，方能得出正确的结果。下面举例说明单自由度体系有阻尼振动。
1. 建立计算模型
由动力学可知，单自由度体系有阻尼自由振动的振动方程为：
（4）
可以转化为：
（5）
其中，，，那么运动方程的解为：
（6）
其中，，，，x0表示初始位置，ν0表示初始速度。
现在，分别设ξ从0.1到1，公共参数ωn=1，x0=1，ν0=0，计算的终止时间tf=2。试求运动方程的解，并画出波形。
2. MATLAB编制解算程序
编写M文件C11L1.m如下：
%首先清空MATLAB的工作空间
clear;
%给定初值
wn=10;
tf=2;
x0=1;
v0=0;
%计算不同的ξ值所对应的振型
for j=1:10;
eta(j)=0.1*j;
wd(j)=wn*sqrt(1-eta(j)^2);
%求振幅A
a=sqrt((wn*x0*eta(j)+v0)^2+(x0*wd(j))^2)/wd(j);
%为了求四象限相位角调用函数atan2
phi=atan2(wd(j)*x0,v0+eta(j)*wn*x0);
%设定自变量数组t
t=0:tf/1000:tf;
%求过渡过程
x(j,:)=a*exp(-eta(j)*wn*t).*sin(wd(j)*t+phi);
end
%在同一个图形窗口中绘制不同的ξ值所对应的振型
plot(t,x(1,:),t,x(2,:), t,x(3,:),t,x(4,:),...
t,x(5,:),t,x(6,:), t,x(7,:),t,x(8,:),…
t,x(9,:),t,x(10,:))
grid on
%新建一个图形窗口，绘制三维网格图
figure
mesh(x)
>>
程序的运行结果如图1和图2所示，曲线放映出不同的ξ值对图有振动模态的影响。图2是其三维图形。
图1不同的ξ值得固有振型
图2不同ξ值得固有振型三维网格图
从三维图中可以形象地看出ξ对固有振型的影响，如果改变初始条件令x0=0，ν0=1，即给定一个初始速度，其运动曲线实际上就是系统的脉冲过渡函数，如图3和图4所示。由于脉冲函数的幅值无穷大，而持续时间和是无穷小，其面积是一个单位，因此，脉冲激励的最后效果是：可在处形成一个单位的初速度ν0，由它产生的波形就是脉冲过渡函数。
图3脉冲函数不同的ξ值的固有振型
图4脉冲函数不同的ξ值的固有振型三维网格图
三、结语
（1）在试验数据采集与录入过程中，数据格式不一定能以表格形式绘出，部分数据也需要取舍，采用Matlab文件输入输出方面的函数及矩阵运算功能，可以使成千上万的数据处理方便迅速地完成[2]。
（2）通过本次试验研究表明，Matlab强大的功能可以使研究人员的精力集中于试验分析本身，而不在算法上，从而节省了大量宝贵时间，提高了研究工作的效率，由于其功能强大，在很多方面还未有效地利用Matlab，因此，有待继续探索研究[3]。
参考文献：
[1]关文阁, 杨黎萌, 魏翠玲. 应用MATLAB计算结构自振频率和振型的一种方法[J]. 河北工程学院学报, 2005, 12(4): 5-7.
ABSTRACT：Since the structural members and influence factors of tall-buildings are more than common structures, the structural design of tall-buildings is more complicated and time-elapsed, and full structural analyses are needed. There is practical significance to establish a rational reliable theoretical analysis model and process an accurate analysis. The whole 3D finite element model of a steel structural tall buildings was established by using the program ANSYS, then the three dimensional dynamic finite element analysis was made, in which the peak value of accelerated speed was used to 0.1g. And finally the response characteristics of dynamic behavior were obtained, and the security of steel structural factory building was verified. The results would be helpful for the design and construction of similar buildings.
中图分类号：TU97文献标识码：A 文章编号：
1引言
高层建筑的出现，把人类的生活推向高空，尽管与整个人类建筑史相比高层建筑兴起的时间不长，但发展却异常迅速。特别是近几十年来，形成了世界性的高层建筑热潮，建筑的数量、规模、结构形式以及施工技术上等都达到了前所未有的程度，并成为一个国家和地区技术经济的象征。同高层建筑相适应的钢骨架结构具有质量轻、强度高、施工工期短、防火性、耐腐蚀性强等优点。钢结构高层空间结构越来越多，体型也日趋复杂。我国属于地震多发地区, 合理有效地进行抗震分析就成了高层钢骨架结构设计中必须考虑的问题，也是减轻地震灾害的重要手段。作为抗震设计的重要环节之一, 结构抗震验算就成了确定所设计结构是否满足最低抗震设防的关键性步骤。
低层房屋的设计主要按静力问题处理，而高层建筑的风振、地震动力响应成为设计考虑的关键因素，结构的动力特性影响形成对结构很重要的荷载效应。由于风和地震作用的复杂性，高层建筑风振和地震响应分析至今仍处于深入研究中。高层建筑动力响应是由结构特征、环境作用等诸因素综合影响决定的，是结构整体性能的体现，同时也表明要获得满意的结构动力响应特征，必须综合考虑结构系统，这是高层结构动力向应分析与设计难度较大的另一个原因。
由于地震振动的随机性以及观测点的广泛性, 普遍实现比较困难, 因而对结构抗震性能的研究多以动力计算和动力模型试验为主。现在钢结构厂房抗震动力计算方法主要包括三种: 传统的拟静力学法、动力反应谱分析法和动力时程分析法[1]。时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应,进而可计算出构件内力和变形的时程变化。由于此法是对运动方程直接求解, 又称直接动力分析法[2]。近年来随着计算机硬件设备及大型计算软件的飞速发展, 越来越多的研究者采用三维有限元技术对大型厂房进行动力时程分析。
本文以某高层钢骨架结构为研究对象，利用现有大型有限元软件 ANSYS，建立钢结构骨架有限元计算模型，对模型进行动力特性研究、风荷载以及地震响应分析，从而为设计提供可靠的计算和分析依据。
2高层骨架结构的有限元建模
高层钢结构一般是指六层以上(或30m以上)，主要采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接、焊接而成的结构体系。高层钢结构常用钢框架结构、钢框架――混凝土核心筒结构形式。后者在现代高层、超高层钢结构中应用较为广泛，事实上，它属于钢――混凝土混合结构。
本文的研究对象是某一高层办公大楼为对象，其主要结构为地下3层，地上25层，地面以上高度为110m，横截面为33m×32m，大楼4角各设一根支柱，截面尺寸为6.45m×6.45m，由750mm×750mm×70mm方形钢管作为立体支撑柱，在顶层及14层处各设一根支撑横梁。4根支柱与两道、双向各两根横向支撑柱组成一个单跨、双层的立体的框架结构。在建模过程中，钢骨架结构中的纵向方管型材和工字钢采用程序提供的BEAM189进行建模，四根支柱的横向支撑采用BEAM4进行建模，四根支柱及横向支撑支柱中的斜支撑、竖向支撑采用LINK8进行建模，该模型共有26345个BEAM189单元及6840个BEAM4单元和4698个LINK8单元。计算中采用的材料物理力学参数如表1所示，地基的底部节点位移全约束。建立的有限元计算模型如图1所示。
图1 有限元计算模型
表1材料物理力学参数
计算过程中，考虑作用于结构的荷载主要有：自重，风载荷，地震荷载（7度地震情况）。
3钢骨架结构的动力分析
3.1模态分析
离散以后结构自振频率和振动模态的计算可以表示为[3]：
（1）
式中，为系统刚度矩阵；为系统质量矩阵；为角频率；为模态。
结构的自振频率和振型反映了结构固有的动力特性，利用 ANSYS 进行模态分析可以得到结构的各阶频率和振型。在有限元分析中，工程上最感兴趣的是较小的那些特征值。模态分析采用子空间迭代技术，其内部采用广义的Jacobi 迭代算法。该方法采用完整的质量矩阵和刚度矩阵，计算精度较高，适合无法确定主自由度和大型结构特征值的求解。
模态分析时，考虑前 10 阶振型的影响，扩展模态也取 10 阶。表 2 列出了前 10 阶自振频率和振动的方向。图2、3分别为结构的1阶及2阶振型图。
Hafner 的近自由电子-紧束缚混合模型，建立了C u-T i-Z r三元合金原子间势函数。在建立势函数的基础上，利用分子动力学模拟从原子层次上对Cu60Ti20Zr20非晶合金的结构以及液态-非晶态动力学转变过程进行了深入研究。发现Cu60Ti20Zr20非晶合金具有中程有序结构，解释了这种特殊结构与原子间相互作用的关系。对广泛应用于描述非晶动力学转变过程的模式耦合（MCT）理论在描述多元非晶体系动力学转变的合理性进行了评估，发现MCT理论不能准确描述β-驰豫过程初期体系的动力学。根据非相干中间散射函数的Laplace变化，在不使用近似的情况下精确计算了体系的动力学记忆内核（Memory Kernel）；通过比较由Laplace变化精确计算和在近似基础上MCT理论预测的动力学记忆内核，明确了MCT理论在描述β-驰豫初期失败的原因是忽略了原子的振动。提出了一种根据体系特征参数λ及非相关散射函数平台值在MCT临界温度Tc附近重现动力学记忆内核的简便方法。
目前，大块非晶合金的制备和表征已经取得了重大进展，然而人们对于晶体-非晶动力学转变微观过程并不明确。该研究对于阐述多组元大块非晶合金的动力学转变过程具有重要的科学意义，同时有利于丰富材料科学关于液态/非晶态动力学转变的理论描述。
该工作得到世界著名的德国洪堡研
2007年德国于利希研究中心固体物理所承担了西门子公司的一项课题――“构建高精度原子间相互作用势函数以预测氧化物陶瓷的热导率”。韩秀君特别研究员与Dederichs教授合作，采用第一性原理与“力匹配法”相结合的方法建立了TiO2的原子间相互作用势函数。对TiO2晶体结构、状态方程、声子谱、热膨胀系数、熵、自由能以及等容比热的计算表明，建立的势函数能够很好的描述rutile结构TiO2，其准确性较之过去广泛使用的Matsui-Akaogi（MA）势函数得到了很大提高，建立的势函数亦能够较好描述Anatase 和Brookite 两种结构的TiO2。
原子间相互作用势函数是分子动力学模拟的前提与关键，是计算材料学在原子层次上无法回避的难点。原子间相互作用势函数的构建非常冗繁复杂。发展高精度的势函数对于计算材料学这一新兴学科的发展具有重要的推动作用。建立的高精度TiO2势函数可以应用于TiO2块体、表面、纳米晶和纳米线等相关问题的研究，这对于TiO2催化和光学等性能的研究具有重要的意义。
该工作的创新点是在势函数构建过程中引入了极化和偶极矩，由此得到的势函数能够比较准确的描述TiO2的声子色散曲线，在高频区其准确度可以比拟实验和第一性原理计算，而目前广泛采
[关键词]家庭动力学；系统家庭治疗
儿童的行为和情绪问题与家庭环境有密切的关系，系统式家庭治疗对儿童的心理问题有很好的帮助。家庭动力学理论是家庭治疗的核心及基础[1]。本调查对儿童家庭动力学特征进行探讨，以便更好地在家庭治疗中采取与动力学相适应的干预技术。
1 对象与方法
1.1对象选择昆明市盘龙区城市、农村和城郊结合部小学各1所，以整群分层的原则抽取四年级、五年级学生共957名，其中男孩491人(51.3％)，女孩466人(48.7％)，年龄9～14岁，平均10.5±3.2岁。这些学生能够理解问卷的问题，做出独立的回答。
1.2方法均使用问卷调查：(1)家庭动力学评价：采用杨建中等[1]主编的家庭动力学自评量表。该问卷包括29个条目，分别从家庭气氛、个性化、系统逻辑、疾病观念4个维度来评价家庭动力学特点。家庭气氛越轻松、愉快、平等，家庭气氛维度得分越低；家庭成员分化程度越好，个性化维度得分越低；家庭成员越倾向于用“非此即彼”的逻辑思维看待问题，系统逻辑维度得分越低；患者越多地将患病及疾病康复与本人的责任和主观努力联系在一起，疾病观念维度得分越低。每一项目按1、2、3、4、5五级评分，经检验信度和效度较好。(2)一般情况调查问卷；内容包括年龄、性别、家庭生活环境(农村、城市、务工)、家庭结构(核心、单亲、大家庭、普通家庭)、父母的文化程度。957名学生全部在课堂填写家庭动力学量表、自制一般情况调查问卷，现场收回有效问卷928份，回收率96.9％，其中男475人(51.2％)；女453人(48.8％)。
1.3统计学方法数据采用SPSS11.5统计软件录入并进行单因素方差分析。
2 结果
有效问卷928份，家庭动力学各维度总体得分为家庭气氛23.81±7.67；个性化22.31±5.01；系统逻辑16.57±4.45；疾病观念11.95±3.82。
经检验儿童的性别对家庭气氛、系统逻辑、疾病观念维度的影响有显著差异(P＜0.05)；家庭的生活环境对个性化、系统逻辑维度的影响有显著差异(P＜0.05)；家庭结构(是否独生子女)对家庭动力学影响没有差异，见表1、2。
3 讨论
系统式家庭治疗认为，儿童和青少年的大多数心理问题的产生是因为家庭内部的出现了问题之后，家庭在解决问题的努力无效时发展出来的力求解决家庭平衡、缓解家庭矛盾的解决办法，这个办法的代价是牺牲了自己的心理健康，如果忽视家庭就难以很好地解决儿童青少年的心理问题[2]。与成人相比较，儿童心理疾病的社会环境、应激因素与家庭密切相关，家庭治疗对于儿童尤其重要，并且越来越多地在实际工作中得到运用[2]。家庭动力学是一门研究家庭内部的心理过程、行为沟通以及家庭和外部环境间相互作用的科学，能够对家庭中复杂的心理学进行抽象概括，为临床实际提供有效的观察视角。家庭治疗就是对紊乱的家庭动力学模式进行干预来达到治疗目的。
在海德堡流派中家庭动力学是以7个反映家庭认知、情绪和互动行为特征的维度来衡量的，他们是家庭气氛、个性化、系统逻辑、疾病观念、关系控制、关系现实、时间组织。由于社会文化背景差异在移植时发现有4个特征适合我国的文化背景，在临床上有适用性和操作性。①家庭气氛一指家庭内部交流、沟通的情绪特征，一极是“敌对、沉闷”，另一极是“轻松愉快、和谐开放”；②个性化一指家庭成员之间情感和行为表分化程度，一极为分化极低，自我界限不清晰的粘结、混沌的状态，另一极为分化极高的自立自主。③系统逻辑一指家庭成员价值判断的逻辑特征，由典型的“非此及彼”，二元对立逻辑思维和典型的“既…又…”多元宽松逻辑思维两极构成；④疾病观念一指家庭成员关于患者对疾病过程的自我责任的看法，一极为“完全的受害者”，认为自己对患病无所作为，完全受疾病支配，另一极为“完全的行为者”，较多地将患病及疾病的康复与本人的责任和主观的努力联系在一起[1]。研究表明没有儿童行为问题的家庭动力学特征是家庭气氛轻松、愉快，个性化分化程度高，系统逻辑倾向多元宽容，疾病观念倾向患者是完全的行为者[4]。在本调查中家庭气氛维度女孩得分低于男孩，说明女孩的家庭气氛较男孩活跃，可能与传统教育中男孩要管教严厉的观点有关；系统逻辑维度女孩得分低于男孩，说明女孩的家庭中“非此及彼”的观念重于男孩，价值观单一；疾病观念维度男孩得分高于女孩，说明女孩的家庭倾向于女孩是“完全的行为者”，而男孩是“完全的受害者”，这与传统文化中重男轻女的观念非常有关，对男孩宽容，对女孩倾向于责任和要求[3]。个性化维度得分务工家庭高于农村，农村高于城市，说明城市家庭中成员间相互独立程度最好，分化较好，而务工家庭中成员间相互独立程度最差。系统逻辑维度得分务工家庭最高，倾向于接受不同的价值观与客观现实，农村最低，越倾向于“非此及彼”表观念，倾向于固有的价值观念；家庭结构如是否独生子女或单亲家庭对家庭动力学影响不大，没有显著的差异。家庭中是否只有一个孩子对家庭动力学影响不大，可能与我国的独生子政策实行多年，已经得到了人们的接受有关，而重男轻女一直是中国传统文化中非常重要的一点，对男孩、女孩有不同的期望值是现实生活中存在的现象，因而性别的影响是很大的。
本文对基于空气动力学的电动汽车造型设计进行了讨论，对电动汽车的发展和普及起到一定的促进作用。
关键词：
电动汽车；造型设计；空气动力学
1电动汽车车身造型特点
电动汽车是未来汽车发展的主要方向之一，目前，电动汽车的发展才刚刚起步，而电动汽车车身造型的设计师大部分参与过传统汽车造型的设计工作。因此，汽车造型的特点及发展趋势，将会对电动汽车造型发展的趋势产生极大的影响，但是电动汽车由于本身结构特点的限制，与传统汽车的特点存在一定的差异，这些特点对于电动汽车的造型设计非常重要，下面进行了详细的分析［1］。
1．1结构和空间布局不同
相对于传统汽车，电动汽车在结构方面的最大差异是驱动方式的差异，传统汽车依靠汽油机和柴油机燃烧花式燃料产生能量，然后通过离合器、变速器以及传动装置传递能量，实现汽车的行驶，而电动汽车则依靠电池进行能量的储存和供给，通过将电池储存的能量传递给电机，实现对汽车的驱动。因此，电动汽车上减少了体积庞大的机械师传统系统，而由体积更小的电动机取代传统汽车发动机占据的空间。因此，相对于传统汽车来说，电动汽车的前悬距离大大缩短，前围到挡风玻璃的车头部分也有一定的缩短，车身比例更加协调，同时能够省略传统汽车进气格栅结构，只需对前悬结构进行包覆为设计师留下了更大的创作空间。
1．2集成化
集成化是电动汽车技术发展的主要方向之一，通过线控技术的应用能够使电动汽车底盘传动系统的结构极大简化，提高电动汽车的空间利用效率，底盘平整度提高，也为电动汽车的造型设计留下了更大的自由度。线控电子技术还能实现对电动汽车各种电子系统的电子控制，通过设计出类似软件接口的扩展插口，即可实现车身与底盘的连接，减少传统机械控制系统对空间的占用，同时还使车身与底盘的设计融合度提高，实现两者的模块化拼接，提高车身造型设计的自由度。
1．3智能化
智能化同样也是未来电动汽车发展的主要方向之一，从家喻户晓的EBD、ESP等，再到逐渐普及的智能泊车系统、只能制动系统等，在提高汽车安全性方面发挥了重要作用［2］。电动汽车智能化的持续发展，将不断降低交通事故发生的概率。现在的汽车造型设计中，包含了大量被动的安全性设计，包括前后防撞钢梁以及车身前后端预留的缓冲区域等。而随着智能行车系统的发展，这些被动安全设计可以逐渐减少，这对车身的整体造型必然会产生较大程度的影响，也为电动汽车的造型设计提供了更大的发挥空间。
2电动汽车的空气动力学设计
对电动汽车来说，良好的空气动力学性能能够提高电动汽车的操控性能和谐有效果，并且能够使电动汽车获得更好的续航能力，因此，电动汽车的空气动力学设计非常重要。
2．1电动汽车空气动力学设计原则
虽然电动汽车的造型在未来必然会呈现出多样化的发展趋势，但是从空气动力学的角度来看，仍然需要遵循以下几方面的原则：1）车身的简洁性，这一原则主要是要求减少车身表面的凸起物、减少不必要的进气口，确保车身的整体性，避免凸起物和进气口增加空气阻力，保证气流通过车身受到的阻力尽量要小。2）流线型车身，该原则是要求气流在流过车身时，尽量避免出现分离现象，图1给出的大众XL1概念车就属于典型的流线型外观。
2．2电动汽车空气动力学设计
针对电动汽车造型的空气动力学设计，需要注意以下几个方面的问题：
1）车头高度设计。电动汽车车头的高度将会直接影响到整车的启动阻力系数CD。通常，车身启动阻力系数与车头高度成正比。对于传统汽车来说，由于发动机舱内部结构的特殊性，车头高度必然会达到一定的值，而电动汽车由于省略了发动机舱，因此，车头高度能够得到降低，对于降低车身的气动阻力系数具有作用，也为车头设计提供了更大的空间。
2）车身尾部造型设计。汽车尾部造型与空气的流动关系非常复杂，通常很难对各种尾部造型的优劣进行准确的评价。从理论分析来看，小斜背的造型具有更低的气动阻力系数。因此，在进行电动汽车尾部造型设计时，首先把握好大方向的基础设计，然后经过复杂的工程分析之后，再对最初的设计方案进行不断优化。
3）车身底部离地高度设计。从相关的试验数据来看，光滑的汽车底板结构，为了实现更好的空气动力学性能，存在一个最佳离地高度。图2给出了汽车底板结构离地高度与气动阻力系数之间的变化关系。从图中可以看出，VW－Van、VW－Por－sche914和CompetitorF2－2这3种车型的气动阻力系数与汽车底板离地高度成正比；而Citroen－ID19车型由于车身底部属于光滑结构，存在一个最佳离地高度［3］。电动汽车的底板结构能够被设计为光滑的行驶，因此，在设计过程中需要结合工程分析的数据确定最佳离地高度，从而获得最佳的空气动力学性能，但是需要注意满足车辆的通过性要求。
4）前后扰流器设计。扰流器包括前后扰流器两个部分。由于电动汽车自身结构特点，其造型的设计更为灵活多变，扰流器的设计应该结合电动汽车的整车造型风格能够设计，同时这种风格应该以追求良好的空气动力学性能为主要目标。但是在实际设计时，尾翼与车身表面的高度参数非常重要，同时尾翼的高度也可能影响整车造型风格。通常情况下，利用尾翼与汽车表面的高度和尾翼弦长之比来描述，当这一比值大于1时，升力系数达到最小值，且不再继续变化。现代汽车的唯一更多的是与侧后围高度结合到一起，其作用不会过度凸显出来。
5）车轮与轮腔的设计。从相关实验可以看出，有轮腔覆盖的车轮通常比完全暴露在空气中的车轮具有更好的空气动力性能。对于前后车轮均存在轮腔包覆时，车轮的大小及轮腔间距的影响非常明显。通常情况下，如果车轮高度与直径之比大于0．75，则气动阻力系数与升力系数最小。当然，由于前轮存在专项问题，其空腔应大于后轮，空腔对外部气流更为开放，因此，前轮所受的气动阻力与气动升力比后轮更大。
3结语
空气动力学设计在未来电动汽车造型设计中占据着至关重要的地位，其设计水平将会直接影响到电动汽车的操作性能和节油性能。本文结合对电动汽车造型特点的分析，提出了基于空气动力学的电动汽车造型设计原则，并从多个方面提出了电动汽车空气动力设计需要重点注意的内容，通过本文的讨论，希望能够对进一步提高电动汽车造型设计水平，对电动汽车的发展和推广起到一定的促进作用。
参考文献
［1］张金磊，雷雨成．空气动力学的模拟分析在汽车造型过程中应用［J］．农业装备与车辆工程，2009（5）：10－13．
［2］张晨铭，李彦龙，王东，等．面向空气动力学优化的电动汽车造型设计研究［J］．包装工程，2012（16）：43－46；66．
关键词：医疗卫生服务系统；系统动力学
引言
随着我国经济的发展和人们生活质量的提高，对医疗卫生服务的要求也随之增加，并且需求趋向多元化，但是目前我国医疗卫生服务仍存在很多的不足，“看病难，看病贵”的问题一直没有得到根本性解决，人们往大医院扎堆的现象仍然很严重，医保不能合并，大病医疗问题，仍然是现在亟待解决的问题，要有效的解决这些问题，就要从整体上分析医疗卫生服务体系，用系统的科学的方法研究。
卫生服务系统是一类具有多变量、多回路和非线性的反馈系统，组成部分之间因果关系复杂，并且内部运行机理复杂目前尚未清楚，需要我们用动态的长期的观点研究，而系统动力学是一门研究系统反馈结构与行为的学科，擅长处理定性与定量结合的问题，和一些数据不足的社会系统问题。医疗卫生服务系统单元应保证三个基本要素：一是系统构建科学，二是与之相适应的管理制度合理，三是机构与制度适应所处的外部环境，而系统结构是关键因素[1]。
1.研究对象和方法
1.1研究对象
研究对象为山东省城市医疗机构，一般包括县级以上卫生部门所属医疗机构以及社区卫生院等基层医疗卫生机构。
1.2研究方法
参考系统动力学方法，构建模型，通过对文献的研究和理论分析发现系统中现有问题，形成理论框架，界定主要因素，划定卫生资源配置系统边界，研究系统内主要因素间的因果关系，利用系统动力学的特点进行动态研究，构建出系统行为反馈结构，形成系统因果关系图。将可以量化的指标进行筛选区分出研究该系统的变量、辅助变量、常量和流量绘制系统流图。将流图通过软件模型化，设置模型初始值，构建模型变量间函数关系，进行卫生资源配置系统模型模拟，记录实验结果并分析，将模型输出结果与真实值对比检验模型真实性同时对敏感性进行检验，根据检验结果对模型参数进行调整，提高模型的信度和效度。并且可以通过改变卫生服务系统模型的一些参数和结构，模拟政策实施的效果，对政策的实施起到模拟仿真和评估的作用。本文使用美国Ventana公司编制的系统动力学软件Vensim PLE进行模型处理。
1.3研究步骤
建模的步骤包含的问题和使用的主要工具
1.明确问题，确定系统的边界选择问题，关键变量，时限，参考模式
2.提出动态假说现有的理论解释，聚焦于系统的内部，绘图（包括系统边界图、子系统图、因果回路图、存量流量图、政策结构图以及其他可以利用的工具）
3.写方程明确决策规则，确定参数、行为关系和初始化条件，测试目标和边界的一致性
4.测试与参考模式比较，极端条件下的强壮性分析，灵敏度，其他测试
5.政策设计与评估具体化方案，设计政策，“如果-则”分析，灵敏度分析，政策的耦合性
[2]
2.模型建立
2.1建模目的
针对山东省医疗服务系统在卫生服务的需要和需求以及卫生服务供给和利用两方面的现状和存在的问题进行分析，分析各因素间相互制约相互促进的因果反馈关系，研究影响我省医疗卫生服务系统发展的因素，结合历史数据对未来山东省医疗卫生服务体系发展趋势进行预测，然后提出对策建议。
2.2系统边界
城市医疗卫生服务是一个动态复杂反馈系统，它与人口、经济和社会等有着密切的关系。同时这些因素之间也相互影响，构成因果关系。其中人口包括人口数量、出生率、死亡率、人群患病率等。经济包括卫生服务投入与产出以及区域经济发展情况等。社会包括医疗保险政策、医疗保障政策。
3.结论
3.1采用系统动力学建模的优点
与经济计量建模方法不同、，系统动力学建模以信息反馈原理为基础，可以有效模拟系统未来的行为，解决系统运行的准确性和方向性为题，因此非常。适用于广泛存在多重反馈，结构，而难于进行数据观测的复杂系统的仿真和模拟[3]。系统动力学模型是一种直接反映因果机制的模型，它不以准确估计系统参数为目的，强调系统动态变化中的行为内生，体现了事物发展过程中内、外因关系的辩证观点[4]。系统动力学是系统科学理论与计算机仿真紧密结合的一门学科，许多学科领域已经有了不少运用辅助软件建模的成功实例，使用软件辅助建模，使建模过程直观化，模型结构调整方便。
3.2研究的意义
将医疗卫生服务体系与系统科学理论结合丰富了系统科学理论的应用领域，国内外关于医疗卫生服务的研究多是定性或者从某一局部进行的，很少利用系统动力学从系统的角度整体研究医疗卫生服务的内部结构，因此将系统动力学与医疗卫生服务结合也丰富了医疗卫生服务的研究方法。
利用系统动力学模型对城市医疗卫生服务系统进行政策模拟，通过对系统结构、相关制度、卫生政策与外部环境等的模拟研究，获得城市医疗卫生服务系统动态行为特征与内部运行机制，发现系统结构问题的根源和作用机制，提出解决系统结构问题的政策建议。（作者单位：山东科技大学）
参考文献：
[1] 张鹭鹭，陈群平等.卫生资源配置系统性分析[J].医院管理杂志，2003，10（6）
[2] 钟永光，贾晓菁，钱颖等.系统动力学（第二版）[M].北京：科学出版社，2013：20-21
Ab Initio Molecular
Dynamics
Basic Theory and Advanced Methods
2009；584pp
Hardback
ISBN9780521898638
D. Marx等著
从头计算分子动力学方法或称为第一原理分子动力学，是对分子作经典与量子混合处理的一种方法，其基本思想最早是由Paul Enrenfest 提出来的，他把原子核视为经典粒子而把电子仍作为量子对象，实质是一种平均场理论。其后，发展成著名的BornOppenheimo "绝热分子动力学"，广泛地应用于量子化学和一些少体问题的研究工作。1985年R.Car 和M. Parrinello 把两者的优点以优化的方法结合起来，极大地提高了这一方法的应用能力和使用范围，因而受到普遍的重视。
从头计算分子动力学通过统一处理分子动力学和电子结构理论把密度泛函理论和分子动力学方法有机地结合，使复杂分子体系和过程，包括化学反应以及电子的极化效应和化学键的本质等实际的计算机模拟领域发生了革命性改变。
本书第一次提供了这一快速增长领域涉及的方法及其广泛的应用范围，从基础理论直到先进的方法给出了协调一致的阐述，堪称是对研究生和研究人员的一部极具吸引力的教材。它包含了各种从头分子动力学技术的系统推导，使读者能理解常用的方法，评估它们的优点和缺点。本书还讨论了广泛使用的CarParrinello方法的特点，纠正了目前在研究文献中发现的各种错误。
此外，本书还详细地介绍了一些用于典型平面波的电子结构编码和程序设计的、使该领域的初学者容易理解并普遍使用的程序包，并使开发人员能够方便地改进它们的代码及添加新的功能。
除了前言和第1章开场白“为什么需要从头计算分子动力学”之外，本书的内容分为三大部分共10章，第一部分基本技巧，含第2-4章，2. 入门：统一MD和电子结构；3. 实现：使用平面波的基；4. 用平面波处理原子：精确的赝势。第二部分高级技巧，含第5-8章，5.超出标准的从头计算分子动力学；6. 超越保模赝势；7. 计算性能；8. 并行计算。第三部分应用，含第9-11章，9. 从材料到生物分子；10. 来自于从头模拟的一些性能； 11. 展望。
这是一部内容十分新颖丰富且实用性很强的高水平教材。作者们叙述的内容尽可能详尽，特别注重一些使用的技巧和难点的分析讨论。对于从事与分子动力学相关的教学与科研人员、高年级大学生和研究生是一本很好的参考书。
丁亦兵，
教授
(中国科学院研究生院)
关键字：发动机；曲柄连杆机构；动力学
曲柄连杆机构的动力学特性对于汽车发动机的可靠性、振动效果、噪声等有很大关联，利用机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）创建D6114B发动机的仿真动力学模型，分析发动机曲柄连杆机构的曲轴、连杆的模态数据，对准确的掌握D6114B发动机曲柄连杆机构的零部件动力学特性具有一定的参考价值。
1. 汽车发动机曲柄连杆机构动力学模型
汽车发动机曲柄连杆机构是由缸体、曲轴、连杆、飞轮活塞，构成。上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构如图1所示
图1上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构图
缸体与曲轴连接铰链中有一条为转动铰链，其余为圆柱铰链，飞轮与曲轴固定，连接杆与曲轴之间的连接采用转动铰链，其大头一端连接曲轴，小头一端连接活塞，活塞与缸体之间采用圆柱铰链连接。
利用以上模型的各个部件的几何位置参数和质量参数建立CAD数据模型，传入给机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）进行分析和计算，活塞1-8作用在各缸体气压力学特性输入ANSYS如图1所示：
图1 发动机各缸气体压力特性
得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据结果如表1所示
模态
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
频率 124.8 149.9 335.4 372.1 398.0 490.7 599.2 632.1 841.1 947.2
模态
阶数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
频率 1015.3 1264.3 1340.6 1369.2 1413.9 1465 1664 1745 1862.5 2394.9
2. 曲柄连杆机构动力学分析
当对活塞逐级施加压力0-12/104pa，对应曲轴转速2200r/min，活塞运动其对气缸的侧推力在-7804~6960N之间周期性变化，侧推力对汽缸壁的磨损影响很大。缸活塞队气缸侧推力如图2所示：
图2 缸活塞对气缸的侧推力
由此，利用对侧推力的周期变化频谱进行分析，优化对发动机悬置。
发动机曲轴的载荷能力与曲轴主颈上的进油口、油槽布置情况有关，同时，曲轴主颈的磨损也与曲轴主轴颈的载荷有关。发动机转动一个周期曲轴主轴颈的载荷受力大小成波峰、波谷间变化，在波峰与波谷的顶点出载荷受力最大。由此，可以在布置进油口、油槽布时应避开在波峰与波谷点。
发动机的曲柄连杆轴所承受的力在柄稍处于膨胀冲程最高点时达到做大力值，最大受力点在柄稍和连杆轴承相接处的位置。因此，可以在布置进油口、油槽布时应避开该位置附近。
发动机曲柄连杆机构固定在缸体上，当发动机工作曲柄连杆机构运动过程中，产生的惯性会带动缸体的抖动，而缸体连接的是汽车的车架，通过力的传导车体就会发生抖动，这会使驾驶者感觉到形成的振动颠簸，影响行车的舒适感。在曲轴转角发生变化时发动机抖动沿着上下、左右、前后成周期性变化，在变化幅度方面上下、左右变化频率大致相同，前后抖动频率较高。由此，在发动机安装时应根据发动机抖动的刚度合理选择悬置点，进而可以降低其对车架的影响，提高驾驶的舒适性。
发动机工作输出功率呈波峰、波谷变化，当发动机刚开始运转时，发动机曲柄连杆机构运动逐渐提高发动机转速增加，当达到摩擦峰值时，发动机柄连杆机构运动会逐渐下降，发动机的输出功率向下滑落，当摩擦值小于临界点时，发动机曲柄连杆机构运动又逐渐提高，发动机转速再次增加，形成循环。由此，发动机摩擦峰值的大小直接影响着对发动机的功率，降低摩擦系数是提高发动机动力的有效方法。
3. 结论
综上所述，汽车发动机的曲柄连杆机构的动力学特性与发动机的功率大小和发动机的性能息息相关，提高发动机的曲柄连杆机构的动力学性能，对于发动机的性能具有非常重要的作用。
4. 参考文献
[1]王远,朱会田,曹永晟,盛德号,谷叶水.基于有限元法的发动机连杆疲劳强度分析研究[J].机械传动.2010(03)
[2]叶国林,曾建谋,杜宝雷.柴油机连杆有限元分析[J].内燃机.2008(01)
Abstract: This paper, based on the basic system dynamics theory, through vensim software builds the simulation model of system dynamics, conducts the systemic simulation analysis of structure, function and dynamic behavior of system for the liquid cooling issues in the closed container. The results shows that the temperature of the liquid which is heated in the container is falling within a certain time, but when the temperature drops to the room temperature, the liquid will not fall, and remain in the room temperature.
关键词：液体冷却；系统动力学；vensim软件；因果循环图；积流图
Key words: liquid cooling；system dynamics；vensim software；causal circular diagram；product flow diagram
中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）34-0026-02
1系统动力学
1.1 系统动力学简介[1]美国麻省理工学院（MIT）的福瑞斯特教授于1958年提出了一种系统仿真方法――系统动力学（简称SD―system dynamics）。它是分析复杂系统的信息反馈的学科。系统动力学基于系统科学论，运用定性与定量相结合，综合推理，计量经济学等分析方法，吸收了信息论的精髓，借助于计算机对复杂系统进行模拟仿真，以便对某一项目进行前期的评价与预测或者揭示事物的内在规律，最终找到解决问题的方法对策。系统动力学广泛应用于社会、经济、生态、生物等领域，系统动力学模型也被称为社会、经济、生态等复杂大系统的“实验室” [2]。
1.2 系统动力学基本理论[1]
1.2.1 系统的复杂多变性系统动力学所研究的实际系统一般都是非线性，多重反馈的复杂系统。它包括三个基本要素：物质本身，信息和运动。
1.2.2 因果循环图因果循环图用来描述系统内部各要素之间相互影响，紧密联系的复杂关系。它是系统动力学建模的基础。因果箭头由A指向B，说明B随A变化而变化，旁边的“+”号表示正因果关系，A增B增；“-”号表示负因果关系，A增B减。
反馈回路。反馈就是信息的输入与输出，主要反映了信息的回馈。由一系列相互联系、相互作用的因果关系链组成的闭合回路就是反馈回路。在系统动力学模型中，反馈回路就是由信息与运动构成的闭合路径。
1.2.3 积流图系统动力学的积流图主要研究系统内部的物质本身或者信息之间的相互关系，基本的流图如图1。
1.2.4 系统变量①状态变量：反映系统中的变量随时间累积的过程，受速率变量的影响。②速率变量：描述状态变量的时间变化情况，在模型中用平均速率代替瞬时速率。③辅助变量：描述状态变量和速率变量之间的中间变量，位于两者的信息通道上。④常量：指在考虑的时间范围内变化甚微或相对不变化的参数，它可以直接或辅助形式对状态变量或速率变量赋值。
1.2.5 系统方程式用各种方程式把模型中非正规的，概念化的结构构思转化成正规的，定量化的数学表达式，借助于计算机模拟仿真，可以研究模型系统中的各项指标，找出存在的问题，进而确定解决问题的对策。
1.3 Vensim系统动力学软件简介[1]Vensim系统动力学软件是由美国Ventana公司推出的一个可视化的建模工具，对系统动力学模型的构思，模拟，分析与优化都可以通过该软件实现[2]。进入软件操作界面后：①绘制因果循环图；②创建积流图；③输入模型方程和参数；最后单击按钮,得到各种模拟仿真结果图形。
1.3.1 Vensim建模步骤[2]①运用系统动力学原理对研究对象进行全面的系统的分析；②通过对系统的结构分析，划分系统因子，确定反馈机制；③运用Vensim建模软件对模型的结构构思进行图形化，定量化，规范化；④通过计算机模拟仿真，指出研究对象的内在规律，或找出系统中存在的问题，进而修改模型；⑤对模型进行检验评估，找出本质特征或提出改进对策。
2因果循环图
根据物理学原理，对于一个密闭容器中的液体，其冷却速度与液体和环境的温差、传导介质的导热系数有关[3]。将该密闭容器内液体冷却问题这个大的复杂系统划分为5个相互关联的系统因子：液体温度，液体温度变化率，环境温度，液体与环境的温差，介质导热系数。模型中体现了1个主要的正反馈环：液体温度一+液体与环境的温差一+液体温度变化率一+液体温度；根据Vensim软件绘制出的因果循环图如图2。
3积流图
首先，给定一个初始值，假设当前环境温度N=25℃，初始液体温度A=80℃，对介质导热系数赋值=0.004，令液体温度用B表示。然后编辑系统仿真变量及变量之间的相互关系式：
①液体与环境的温差=液体温度-环境温度
②液体温度变化率=介质导热系数*液体与环境的温差
③液体温度= INTEG（IF THEN ELSE（液体温度
由以上公式，进入Vensim软件得出系统流位流率图如图3。
4系统仿真结果分析
由图4可知：在介质导热系数（0.004），环境温度（25度）不变的情况下，密闭容器内液体的温度在20分钟之前随着液体温度变化率和液体与环境的温差的下降而降低；但基于物体的热量传递原理，液体温度B不会一直无止境的降下去，20分钟后液体温度下降缓慢，大约30分钟当液体温度B降到环境温度N时，就不再降了，一直保持环境温度N不变。这个结果正好与日常生活中的实际情况相符。
5结束语
通过以上这个简单的物理现象，说明系统动力学研究事物的方便性，可行性；解决问题的实际性，可靠性。它为人们的各项分析研究节省了大量的人力，物力，财力，减少了实际实施过程中的一些不必要的浪费，对一个项目的前期策划有很大帮助。
参考文献：
[1]谢英亮，谢林海，袁红萍，刘贻玲.系统动力学在财务管理中的应用 [M].第一版.北京：冶金工业出版社,2008；3-7.
关键词：升降机壳体；Simulation；模态分析；瞬态动力学分析
引言
JWM系列升降机是通过蜗轮蜗杆副传动梯形丝杆实现物体的升降，具有结构紧凑、使用灵活、性能可靠、安装方便等特点，广泛应用于机械加工、建筑工程、货物升降、安装维修等各个方面［1］。升降机壳体是升降机的关键部件，主要起导向和防旋转作用。在工作过程中，壳体会受到机械负荷和冲击载荷的共同作用［2］产生振动，不但使设备的工作性能变差，严重时还会导致设备无法正常工作甚至造成结构破坏［3］。课题组在给某企业做工程项目时发现，某型号升降机在工作过程中壳体出现了宏观裂纹，为了作业安全可靠，必须进行研究分析。为了找出此系列升降机壳体产生裂纹的原因，避免进一步发生振动破坏，需对其进行动力学分析。基于有限元分析理论，利用Simulation软件对升降机壳体进行动力学分析，分析了壳体整体的频率、振型以及下壳体的应力应变情况，为JWM系列升降机的行程设计及壳体优化设计提供了理论参考依据。
1升降机壳体结构设计
1．1升降机工作原理及壳体结构JWM系列升降机结构简图如图1所示，其工作原理为动力源驱动蜗杆旋转，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮通过蜗轮轴带动梯形丝杆上下运动，丝杆顶端装有法兰，从而拖动物体升降，其中蜗轮轴内孔为螺纹结构，与梯形丝杆构成丝杆副。升降机壳体主要有端盖、底座和下壳体3部分组成，端盖对轴承起到固定和预紧作用；底座的性能决定着升降机的最大负荷；下壳体与方形块间隙配合，一是防止梯形丝杆上下运动时发生旋转，二是对梯形丝杆起导向作用。此外，为了防止梯形丝杆上下运动时超行程，在下壳体上装有限位开关，起限位保护作用。图1JWM系列升降机结构1．2升降机壳体建模及简化Simulation采用FFE（fastfiniteelement）算法技术，使得工程技术人员能够快速对复杂耗时的工程设计进行计算分析，并且同SolidWorks无缝集成，即强大的三维建模功能和有限元分析功能共享一个数据库，避免了将实体模型转换格式导入其它有限元分析软件的繁琐过程。利用SolidWorks软件基于特征的参数化建模技术建立升降机壳体各部分的三维实体模型，然后进行整体装配。为了保证计算的准确性，并减少计算量，对模型适当简化，简化模型的一般原则是在保证原有结构力学性能不发生改变的前提下［4］，省略一些螺栓孔、圆角等对动态特性影响很小的几何特征。升降机壳体实体模型如图2所示。
2升降机壳体模态分析
2．1分析过程模态分析是动力学分析中最为基础的部分，是对结构和机器零部件进行无阻尼状态下的自由振动分析，得出它们的固有频率及其对应振型。升降机壳体材料为铸造碳钢，铸钢的密度为7800kg／m3，弹性模量为2．1e＋011N／m2，泊松比为0．32，屈服强度极限为250MPa。在模态分析中，因振动被假定为自由振动，所以只有边界条件起作用［5］，根据壳体的实际安装情况施加约束条件，然后划分网格，进行分析计算。2．2分析结果结构的振动可以用各阶固有振型的线性组合来表达，其中低阶固有振型对结构的振动影响较大，决定了结构的刚度，故进行结构的振动特性分析时取前5阶即可。提取前5阶固有频率和振型，结果如表1所示。升降机壳体要具备良好的动力学性能，固有频率应远离其工作时激振源的频率，以避免发生共振［6］。升降机壳体的激振源主要有：蜗轮蜗杆的回转振动和啮合振动、电机轴的旋转振动及滚动轴承的振动。其中，滚动轴承的振动对壳体性能影响很小，可忽略不计［6］；电机主轴和蜗杆之间使用联轴器连接，忽略联轴器振动的影响。激振源频率如表2所示。由表2可知，电机主轴、蜗轮蜗杆回转振动及啮合振动引起的激励频率远远小于升降机壳体的最低固有频率985．65Hz，故不会导致壳体产生共振破坏。
3下壳体瞬态动力学分析
瞬态动力学分析是用于确定结构承受任意随时间变化载荷的结构动力学响应［7］。对于线性动力学问题，动力行为由线弹性结构行为和施加的动力载荷2个特性确定，线弹性结构行为用来确定结构特征值，然后，基于结构的特征值和特征模态计算给定载荷历程的结构动力响应［8］。瞬态动力学一般方程为：［M］｛¨x｝＋［C］｛x｝＋［K］｛x｝＝｛F（t）｝（1）［M］为质量矩阵；［C］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵；｛F｝为外载荷矢量矩阵；（t）为外载荷作用时间；｛x｝为节点位移矢量；｛x｝为节点速度矢量；¨x为节点加速度矢量。3．1动载荷确定由于蜗轮蜗杆存在啮合间隙及梯形丝杆副存在配合间隙，升降机在工作过程中方形块会对下壳体有一个动态载荷作用。在升降机启动和换向瞬间，方形块会对下壳体有一个瞬态冲击载荷；升降机在启动和换向后进入稳定工作状态，方形块会对下壳体有一个变化很小的力。JWM050型升降机空载时方形块的扭矩为1．2N•m，满载时方形块的扭矩为25．52N•m，故方形块总扭矩大小为26．72N•m，在瞬态冲击载荷工况下取5倍方形块总扭矩即为133．6N•m。根据升降机、伺服电机及实际测试的数据可知，动态变化扭矩作用的时间约为0．02s，在Simulation函数加载器中绘制出扭矩随时间变化的线性曲线，如图3所示。其中X轴为时间，Y轴为扭矩载荷，在0～0．01s扭矩由零上升到最大值，0．01～0．011s扭矩由最大值下降到1％，即稳态变化载荷，0．011～0．02s载荷保持不变。3．2分析设置升降机在工作过程中，可能随时停车、启动及换向，动态载荷工况复杂，为了减少计算量和节省时间，本节只分析升降机在启动时（即升降高度为零）、升降高度100mm和升降高度200mm（即满行程）3种工况下，下壳体的瞬态动力学特性。实际应用中可以看出，下壳体最容易发生振动破坏的部位是棱角处，为了更好地了解这些部位在瞬态动载荷作用下的应力和应变情况，以下壳体上端面为原点在15mm、65mm、115mm、165mm、215mm处的棱边上分别放置了4个传感器探测点P1～P20，如图4所示。3．3瞬态动力学分析对升降机下壳体在启动时、升降高度100mm和升降高度200mm工况下进行瞬态动力学分析，提取20个传感器探测点的应力及变形情况进行分析可以看出，①同一种工况下，P1～P4探测点（即离下壳体安装位置最近处）等效应力最大，变形最小；P17～P20探测点（即离下壳体安装位置最远处）等效应力最小，变形最大，这与实际情况相符合；②比较3种工况，启动时工况下等效应力、变形量最大，这为升降机的行程设计提供了参考依据，行程越大启动时的冲击振动越厉害，行程较大时必须加防护措施；③同一截面的4个探测点等效应力、变形量基本相同，说明下壳体4个棱角的受力情况是等效的。启动时工况下，下壳体的等效应力云图、位移云图如图5～6所示。由图5可以看出，下壳体的最大等效应力约为100MPa，主要发生在靠近安装位置的内部直棱角处，与实际产生裂纹处相吻合；由图6可以看出，下壳体的最大变形量约为0．095mm，主要分布在远离安装位置的外部圆角处，依次向靠近安装位置处递减。
4结束语
