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材料力学是土木工程专业的一门重要力学基础课,学习好材料力学能更进一步打好工程专业的基础。下面是读文网小编为大家整理的材料力学论文,供大家参考。
【摘要】结合土木工程专业材料力学课程教学中存在的问题,从卓越工程师的培养目标出发,把CDIO教学理念引入到材料力学教学体系中,从教学内容、教学手段和方法、考核评价等方面提出来了有效的教学改革措施,建立了基于CDIO理念的材料力学教学模式。该教学模式对于提高学生的学习热情,培养学生的综合实践和创新能力有积极意义,是解决目前土木工程专业在力学教学中遇到问题的一个很好的借鉴途径。
【关键词】CDIO教育理念;材料力学;教学改革;课程考核体系
0引言
材料力学是土木工程专业的技术基础课,是研究各类工程结构中普遍存在的受力和变形现象的学科,着重培养学生的逻辑思维、分析能力和解决实际问题能力。一直以来,我国大学中所讲授的力学课程内容大多由前苏联引进的内容,内容陈旧、枯燥、抽象、重理论轻实践。教学方法多采用灌输式教学,造成课堂气氛死板,有时甚至枯燥无味,大大降低了学生的学习热情。这些问题不但加剧了学生的学习惰性,也影响到其它课程的学习状况。针对以上问题,如何为实际工程提供合格的力学人才;如何在材料力学教学中充分调动学生的主动性和积极性;在目前有限的课时下,如何对旧有材料力学课程体系进行合并、筛选等工作已经成为教学改革工作不可回避的事实。CDIO工程教育理念提倡在实践中学习,在学习中实践,这为该问题的解决提供了一种思路。
1CDIO工程教育模式
CDIO模式以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO模式强调与社会大环境相协调的综合的创新能力,同时更关注工程实践,加强培养学生的实践能力,因此CDIO工程教育模式是提高大学生的创新和动手能力、推进产学研结合、加强实践教学环节以及加强学生参与交流与合作能力的有效途径。
2基于CDIO模式的材料力学教学大纲设计
CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。材料力学课程既包括专业知识学习,又强调应用能力的提升,根据这一教学目标设计的教学大纲如表1所示。
3改革方案设计
3.1教学内容的改革
对于传统教学中的基本概念、原理和方法,我们在教学中应该重视,可为了拓宽学生的视野和运用力学知识建模的能力,我们又应该对教学内容优化。随着科学技术的发展,新的理论、新的学科、新的计算工具和计算方法、新的试验方法不断涌现,在教学内容中适当增加这方面的介绍和练习,可以拓宽和增强学生系统解决实际工程的能力。此外,学生普遍对繁琐的理论推导缺乏热情,因此有必要在教学中加入实习环节或模型演示环节,实现教学与实践的结合,从而提高学生对力学课程的兴趣。
3.2教学方法和教学手段的改革
如何调动学生的主动思考,如何加强学生独立解决问题的能力,如何实现“在实践中学习,在学习中实践”?显然单纯的课堂教学很难实现这些目的。首先,材料力学应把课堂教学与案例教学或现场教学结合起来,并配合一定形式的课堂讨论。这样学生就能比较生动地、直观地去学习基本理论,并且可以明确学习的目的性。例如:弯曲问题可以在施工现场结合梁的配筋布设讲解;组合变形可以在实验室用模具演示教学等等。另一方面,CDIO教育理念重视个人能力及技能的同时,强调团队协作与交流,因此可以在教学过程中开展分组专项研讨。专项研讨任务以小组为单位,每组3~5人,让学生到施工现场进行调研,结合工程实际确定材料力学研讨主题,然后针对工程实际问题建立力学模型,通过小组探讨解决工程问题,从而锻炼学生收集信息、主动获取新的知识、解决问题和创新的能力。再一方面,还可以在教学过程中开展自主实验设计,推动学生自主学习能力。在教学手段上也应结合新技术、新方法的发展,在传统的板书基础上,融入PPT、Flash动画、仿真数值模拟等教学手段。一方面加强学生对传统力学知识的理解,另一方面,新的教学手段可以丰富教学内容,贴近工程实践,拓宽学生的视野。例如:PPT相对于板书,可以发挥信息量大的优点,让学生在有限时间内完成更多的课上练习;Flash动画可以在课堂上展现一些实验现象或者工程实际现象,这有助于学生对抽象力学概念的理解等等。
4课程评价体系改革
课程的考核评价体系和考核方法主导着学生的学习动力和方向,其改革必须匹配材料力学课程的CDIO教学大纲,起到引导学生有意识开展专业能力锻炼的目的。材料力学课程成绩包括三部分:书面理论考试、汇报答辩、实验报告,权重为0.4、0.4、0.2。书面理论考试主要以基本概念、基本理论、基本技能为主。汇报答辩要求学生对小组研讨专项做成PPT,图文并茂的在讲台上向老师和同学做报告,并回答老师和同学对改组项目提出的问题,考核重点在:调研的充分性、CDIO综合能力的展现性、技术和理论的结合度、团队的协作能力等方面。实验报告要体现自主实验设计的选题调研、方案设计、实物开发和交流评比等环节。
5结束语
基于CDIO的材料力学教学模式着手改革课程体系和教学模式、创新教学方法和教学手段、调整教学考核体系,从而调动学生的主动思考动力、培养学生的团队协作和交流能力、加强学生独立解决问题的能力,让学生“在实践中学习,在学习中实践”。
【参考文献】
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[5]陶勇芳,商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究,2006(11).
一、“工程材料力学性能”课程特点及教学现状
1“.工程材料力学性能”课程特点材料的力学性能是指材料在外加载荷作用下或外加载荷与环境因素共同作用下所表现出来的力学行为与机理,是各类材料在实际应用中必须涉及的共性问题。[1]“工程材料力学性能”课程最早是“金属材料力学性能”,后来改名为“材料力学性能”,现在部分教材又改名为“工程材料力学性能”,是许多工程类本科生重要的专业基础课,其教学效果好坏对学生能否打下一个良好的专业基础起着重要的作用。该课程内容涉及面广、工程应用背景强,在材料科学与工程、土木工程、机械工程等专业领域有着重要的应用。本课程的学习,对提高工程类专业学生整体素质及工程实践能力起着至关重要的作用,使得学生能够从各种机器零件或构件在常温、高温以及腐蚀环境的服役条件下的失效现象出发,了解失效现象的机理,从而为他们毕业后从事材料的检测和性能评定、材料的正确选用和安全应用,以及对机械零件的失效分析等工作奠定良好的基础,为企业乃至国民经济的发展提供有力的后备军。
2“.工程材料力学性能”课程教学现状安徽工业大学(以下简称“我校”)材料学院共分金属材料工程、材料成型及控制、无机非金属材料、材料物理四个本科专业,目前,四个专业使用的《工程材料力学性能》是合肥工业大学主编的同一本教材,该教材的内容包含金属材料的力学性能和新型材料的力学性能两大部分,侧重点是金属材料的力学性能部分,主要包含“高分子材料的力学性能”、“陶瓷材料的力学性能”和“复合材料的力学性能”三章的内容。[2]金属材料力学性能的研究时间较长,主要的原理、定律和结论已比较成熟,新型材料力学性能的内容相对较少,它的研究主要借鉴于金属材料力学性能的研究经验和方法。本教材比较适合金属材料工程、材料成型及控制两个专业的学生,对其他专业的学生则显得内容相对较少,不太适合。而且,本课程的内容多、涉及面广,课程学时有限,书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚,在课堂上教师生硬的照本宣科会使学生感到枯燥乏味,课堂的气氛很难被充分地调动起来,教学效果不佳。针对目前的教学现状,如果不对课程的教学进行改革,授课教师很难在有限的学时内保质保量地完成本课程的教学任务。笔者在“工程材料力学性能”课程的教学实践中体会到:授课教师需要根据专业特点来组织教学内容,才能在规定的学时内完成课程的教学任务。根据专业特点来组织教学内容,使得学生学习和教师授课的侧重点都突出,学生能在有限的学时内提炼出与专业学习有密切联系的知识,加以掌握和应用。[3]本课程的教学目标是使学生能运用所学的理论知识分析材料实际的使用情况,对材料的失效现象的机理进行分析。
二、依据材料物理专业特点,优化教学内容
在“工程材料力学性能”课程教学实践中,笔者结合材料物理专业特点,在保证课程基本内容和结构的前提下,对整本教材进行整合,提炼出一般了解和必须掌握的内容,使学生能在规定的学时内有效地掌握最基本的教学内容。[3]近年来,随着科学技术的发展,材料的种类越来越多,新型材料应用日新月异,纳米材料、薄膜材料和微机电材料快速发展,材料的特征尺寸越来越小,传统的材料力学性能测试手段已无法实施,微区材料的力学性能测试手段应运而生。新材料力学性能测试的标准不断颁布,已有材料的国内标准需与国际标准接轨而不断修改,迫切需要材料力学性能的教学与生产力发展水平一致。鉴于以上几个方面内容,该课程讲授内容主要从以下四个部分来展开:第一部分(第一至第四章)阐述材料在一次加载条件下的形变和断裂过程,所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性;第二部分(第五至第八章)论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关的失效形式,材料对这四种形式失效的抗力将决定零件的寿命;第三部分(第九至第十一章)(纳米材料/复合纳米材料)依据材料物理专业的特点,重点讲解纳米材料的力学性能,这其中包括纳米金属材料的力学性能、纳米非金属材料的力学性能、碳纳米材料的力学性能、纳米复合材料的力学性能等;第四部分实验教学中引入国家标准的学习。
三、优化教学方法与手段,全面锻炼学生能力
任何教学过程的开展都离不开一定的方式或方法。传统的教学方法是以教师讲授为主,学生处于被动的接受地位。教学方法的优化倡导以学生为主,强调学生是学习的主人,培养他们自己查阅资料,自己释疑,自己总结,最终具备自我学习的能力。[4]在这个过程中,教师要充分发挥引导作用,充分调动学生的积极主动性。下面以“纳米材料的力学性能”为例来说明教学方法的优化,笔者采用“三步式”教学方法,取得了良好的教学效果。第一步:教师指导学生上网查阅“纳米发动机”的相关资料,并就“纳米发动机”的提出、原理及当前的发展现状写一篇综述性报告,在下一堂课让学生讲解;第二步:根据自己的备课内容及结合自身的科研经历,进一步给学生讲解“纳米发动机”相关材料的制备方法及工艺技术特点;第三步:学生根据教师授课内容和自己查阅的相关资料,完善自己的综述报告。“三步式”教学法组织实施教学,不但可以提高学生学习本门课程的积极性,使学生掌握的知识更加牢固,而且有利于拓展学生的视野,培养了学生的科研兴趣,进一步增强了学生自我获取知识的能力。教学手段是指教师用以运载知识、传递教学信息的物质媒体或物质条件,是现代的教师进行教学活动必不可少的辅助用具。随着计算机应用技术的普及,学校和教师越来越关注用计算机网络技术来提高教学效率和教学质量。[4]“工程材料力学性能”课程特点是内容多、知识点零散、概念定义多,书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚,理解起来相对困难。教师在教学过程中运用现代多媒体教学手段,自己动手制作多媒体课件,针对专业特点选择教学内容和教学方法;另外,通过演示一些动画图片和视频,使得原来抽象的、枯燥的知识形象化,使学生易于理解和掌握,同时还增大了教学信息量,在有限的学时内给学生尽可能多地传达了信息量。
四、优化实验教学,培养学生的创新能力
工科专业的实验教学是理论联系实际的重要环节,与课程体系、学科结构和教学改革等有着密切的关系,对培养大学生的工程意识和创新思维,以及动手能力和分析解决问题能力具有十分重要的意义。我校“工程材料力学性能”课程基本实验包括碳钢静拉伸,不同成分、热处理工艺对钢材力学性能的影响,金属的冲击韧性,金属的硬度,金属材料平面应变断裂韧性KIC的测定五个实验。这些实验比较适合金属材料、材料加工专业的学生,对于材料物理专业的学生来说,难以感受本专业特点。[2]因此,结合不同的专业特点,将“工程材料力学性能”课程的实验内容涵盖多个专业,分为必修、选修两部分。优化后的实验内容,不但可以增强学生的动手能力,还可以使不同专业的学生加深对自身专业的理解。比如,针对材料物理专业的本科生,可以开设纳米材料力学性能测试综合选修实验课。笔者结合自身的科研内容,制备一系列的纳米线及纳米薄膜材料,同时,材料科学与工程学院新引进的AgilentG200纳米压痕仪,可用来测量纳米材料的硬度、模量、应力—应变曲线等传统力学仪器不能测量的纳米材料的力学性能。该试验的开设,既使学生巩固了前期所修的“工程材料力学性能”课程,提高学生综合运用知识的能力,又拓宽了学生的视野,对纳米材料的力学性能有了更深层次的理解,为其后续的工作和科研奠定了良好的理论和实践基础。材料力学性能实验方法大都有国家标准,在实验教学过程中,教师除了传授最基本的操作方法外,还指导学生如何查找相关标准,对标准进行阅读,引导学生根据标准文件设计、实施相关实验,使实验操作真正做到有据可依,以期培养学生的工程规范意识。另外,针对教材标准滞后实际标准的现象,还介绍目前国内外最新标准,以其让学生了解最新的测试标准技术信息,同时还使学生对相关测试技术的发展有全面完整的认识,这对于他们将来的事业发展是非常有利的。[5]
五、优化考核方法,全面评价学生素质
传统的一张试卷定终身的考试形式早已不能满足现代素质教育、创新教育的需要。对此,老师采取了综合考核方法,从终结性教学评价模式向形成性教学评价方式转变。[6]综合考核方法中除了学生的期末笔试成绩外,还包括课堂提问、课后作业、实验成绩、小论文等多种评价手段。新的考核方式既锻炼了学生自主创新、知识综合运用的能力,又培养了学生查阅分析信息资料、收集分析数据和撰写科技论文的能力。此外,为了提高学生综合运用知识的能力,卷面考试有必要增加一些主观题。比如笔者在出考卷时,增加了一道综合应用题,内容是结合具体技术和方法,论述材料磨损的控制和防磨措施,从而要求学生将材料磨损的相关知识融会贯通,灵活运用。通过考核方式的改革,学生学习的积极性和主动性都大大提高。上述几个方面的改革探索,使学生能有效地掌握本门课程的知识,为后续课程和科研工作奠定良好的理论基础,同时为大学毕业生在将来实际工程中正确地选择和使用材料、改进材料性能以及分析材料失效行为等问题打下坚实的基础。
材料力学是研究固体在不同形式外载荷作用下产生的变形特征及力学性质的学科,它既是物理学、理论力学等基础课程的延伸,又是后续弹性力学、结构力学等专业课程的基础,在工科院校本科生的培养方案中有着十分重要的地位。材料力学教学在过去几十年为我国培养了大批的工程人才,但是随着知识大爆炸时代的到来以及国家对素质教育的要求不断提高,以教师为主导的传统讲授式教学难以满足新时期对学生的培养要求,对材料力学课程进行教学改革势在必行。研究性教学是指在一定的情景中,引导学生通过主动发现问题和解决问题而获得知识、形成能力、发展个性的教学方法。它的实质就是让学生在教学过程中体验科学原理的发现和应用科学原理解决实际问题等不同类型的研究过程[1]。与传统教师主导的讲授式教学相比较,研究性教学更能激发学生的学习兴趣,启发学生的创造性思维,同时锻炼协作意识。具体对于材料力学课程而言,实施研究性教学改革需要从课程体系的编排、案例教学的开展、考核方式的设置等方面进行具体设计和实施。
一、改革措施
研究性教学首先需要对课程体系进行重新编排,增加案例研讨课,也需要对课程的考核体系进行改革,从而在保证公平和区分度的前提下,激发学生的自主学习的兴趣,培养学生的创造性思维,最大程度提升整体教学效果。
1.课程体系编排。研究性教学方法则是立足于学生为主体,通过各种方法激发学生主动探索的兴趣,而不是被动的接受教师的想法,所以针对材料力学传统教学方法中存在的问题,需要对课程体系进行重新编排。具体措施如下:
(1)在绪论之后,加一部分内容,即材料力学的知识体系,如图1所示,应该让学生领悟到材料力学的知识体系是双线程的,即按照变形的方式可以分为拉压,剪切,挤压,扭转以及弯曲,而按照研究内容,每种变形则要研究构件的内力,应力,应变,变形以及应变能。学生了解了材料力学的课程体系以后,引导学生建立类似图一的表格,在弯曲章节学习之后,要求学生将每一个格子里相应的公式自己整理出来,这样既能使学生在正式学习之前对可能总体结构有个清晰的认识,又可以引导学生们自主思考,通过填表完善自己的材料力学知识体系。同时,又可以压缩课时,把更多的时间留给案例研讨课。弯曲之后还有应力应变分析、强度理论、组合变形以及压杆稳定等内容,这些课程体系无需调整。
(2)将各章节的专题内容分离出来,单独成章,或者作为案例留给讨论课。材料力学中的超静定问题、薄壁圆筒的扭转、弹簧变形等专题问题,并不属于材料力学的主线,而是主线内容的实际应用。而研究性教学倡导学生们自主学习,在实际情境中思考、解决问题,所以将这些内容从课堂教学主线中拿出来,单独成章或者作为案例供讨。
(3)重新安排实验课课时。在48课时的材料力学教学中,实验课一般占8课时,一般是在对应章节讲授之后再进行实验,有个别学校由于实验室相对紧张,有的班级更是等到学期末才能排到实验课,这样的实验课安排使学生丧失了对未知实验结果的期待,实验课变成了被动的完成任务,使教学效果大大降低。根据研究性教学的本质,为了引导同学们主动探索,建议将实验课安排在知识点与实验现象之间进行,例如在拉压一章,实验课应放到应力应变的基本规律之后,材料拉压的力学性能之前进行,这样学生们既可以掌握实验中所用到的知识点,又对未知的实验结果充满期待,有助提升学习兴趣,激发探索欲望。
2.案例教学开展。案例教学的开展是研究性教学改革的核心,它是指在教师的精心策划和指导下,以案例为基本教学材料,将学生带入特定事件的情境中,采用个人阅读分析、小组合作探究和全班交流互动等学习形式,借助案例材料提供的信息,运用所掌握的一些基本理论,去探究案例问题,提出解决方案[2]。案例教学的讨论课设置4~6课时为宜,这些多余的课时量主要来自课程体系的重新编排,而其余的文献查阅、分组讨论、PPT制作以及报告撰写留给学生课下完成。
案例教学不仅仅是简单的课上讨论,它需要课前准备、课上实施以及课后验收三个阶段:①课前准备。案例教学要求教师充分熟悉教学大纲及教材内容,提前拟定教学行动计划,明确每次案例教学的目的、重点、难点,选择典型案例,列出问题讨论提纲,提前发给学生。要在布置案例之前将学生分组,分组可以根据实际情况由学生自由组合或者由教师指定。案例的设计应该满足三结合原则,即尽量与专业背景相结合、与工程实际相结合、与社会热点相结合。例如土木工程专业的学生,可以选择桁架、桩基结构等作为案例;石油工程的学生可选钻杆、集输管线作为案例;等等。②课上实施。案例由每组学生完成之后,需要在讨论课上进行汇报。讨论课由教师组织和引导,但是学生应该是讨论的主体,每组学生都要求在课前准备好案例汇报的PPT,建议以8分钟为宜。每组学生需确定1名项目汇报人,同时每组要出1名评委,各组派出的评委组成评委团,负责对每个汇报进行点评和打分。
最后由教师集中点评,对讨论的结果进行总结。评委团主要应从以下几个方面对汇报进行评价和打分:选题的意义和难易程度(20分),力学模型建立是否合理(30分),分析计算的准确性(30分),PPT制作和讲解(20分)[3]。建议对讨论课全程进行录像,录像结果上传到视频网站供同学们观看和总结,评委团的打分表由教师收回,作为最终成绩的一部分。③课后验收。学生们根据评委团以及教师的点评,需要在课后修改自己案例内容并整理成报告,报告需按照科技论文的一般形式整理,即要求有摘要、引言、求解过程、结果分析、讨论、结论和参考文献。每组将报告提交上来以后,由教师打分,作为最终成绩的一部分。 3.考核方式设置。材料力学课程的最终成绩由三部分构成,建议知识点的集中考察占40%,实验占10%,案例成绩占50%。其中知识点的考察按照传统的考试形式集中进行;实验成绩主要依据实验报告给出;案例成绩主要依据讨论课的表现和最终报告给出。教师们对最终案例的质量不要过多苛求,而更要关注学生们在完成案例过程中分析问题、查阅文献的、应用所学知识解决问题的能力和意识,以及在案例讨论以及最终报告完成过程中体现的协作精神以及综合能力。
二、教改反馈及思考
笔者通过对近两年66名学生进行不记名问卷,发现对教学手段完全满意的占83.3%,认为基本满意的占10.6%,不满意的仅占6.1%。不满意的同学多认为案例部分占用时间过多,负荷过重,还有个别同学提到,给每组同学相同的案例分数并不公平,因为同学的贡献差距很大,给相同的分数会降低同学们的积极性。以上确实是在教学改革中存在的问题,案例任务的轻重应该因学生素质而异,如果学生反映任务过重,可以适当减少案例的个数,延长案例的完成时间,或者增加组员的数量。对于每组同学同分不公平的反馈,确实要引起重视,笔者建议在最终的报告上让组长标注每个同学负责的具体工作,最终的成绩依此来体现区分度。总之,材料力学的研究性教学改革不会一蹴而就,需要与时俱进,不断完善。
研究性教学是对传统教学模式的一次革命,它可以引导学生通过主动发现问题和解决问题而获得知识、形成能力、发展个性,让学生在教学过程中体验科学原理的发现,并应用发现的科学原理解决实际问题。对材料力学实施研究性教学需要从三方面入手,一是要对课程体系重新梳理,让压缩课时的同时让学生抓住材料力学的知识主线;二是引入案例式教学,通过案例的完成和讨论激发学生们的求知欲望,提升学生们发现问题和解决问题的能力,以及团队协作精神和报告写作能力;三是需要对课程的考核方法做出针对性的改革,保证公平的前提下体现一定的区分度。材料力学的研究性教改开展时间尚短,学生们的反馈肯定了研究性教改的同时也为我们纠正了一些问题。尽管未来还会遇到很多未知的困难,但相信只要教学管理部门、教师和学生共同努力,材料力学的研究性教改一定会越来越完善,为我国新时代创新型人才培养做出重要的贡献。
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航天动力学是研究航天器和运载器在飞行中所受的力及其在力作用下的运动的学科,又称星际航行动力学。航天动力学研究的运动包括航天器的质心运动,称轨道运动;航天器相对于自身质心的运动和各部分的相对运动,称姿态运动;以及与航天器发射、航天器轨道机动飞行有关的火箭运动。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:关于航天动力学环境的最新进展与技术展望相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
动力学环境问题是飞行器设计中的基础与关键,国内外航天器在发射与飞行中振动、冲击造成的故障占据了相当大的比例,轻者影响精度和飞行稳定性,重者会造成失败。随着航天技术的发展,我国航天动力学取得了前所未有的成绩。同时由于信息、材料、微机械等技术的进步,飞行器也呈现出新的特点,动力学问题也出现了新的发展方向。
1.1 动力学环境预示技术进展
动力学环境预示是航天飞行器设计的基础。近年来,航天动力学在环境预示方法上有所突破,开始摆脱对国外标准的依赖,并逐步走上工程实测数据持续修正的道路。一方面覆盖高频、中频、低频的全频域混合建模预示技术得到快速应用,为研制初期的动力学条件提供输入;同时采用型号研制累积的大量实测数据不断修正,某些产品形成了比较精确的动力学模型,制定了有别于国外与国军标的振动、冲击条件,并据此探索了多种经验外推、混合建模、非平稳数据处理等技术。
1.1.1 有限元-统计能量混合建模技术
飞行器在发射、飞行中受到振动、冲击和噪声影响,早期飞行器问题主要集中在低频部分,一般采用有限元方法就能解决。随着飞行器的发展,轻质、柔性、次级结构、设备内部结构等作用凸现,中高频问题凸现,所以近年来对FE-SEA 混合方法的研究很多。主要针对航天器等复杂系统的特点,以飞行器典型结构为主,利用板梁组合结构开展数值仿真,并细分子系统连接关系,使复杂连接随机子系统间能量传输关系具有了完整表达式。同时提出了损耗因子修正、推力修正、设备传递特性修正三级修正方法。完成了诸如卫星天线、太阳帆板、整星结构、运载器、导弹仪器舱、超声速飞行器等基础激励和混响声场动响应,并与试验数据进行了对比。中频段预示与实测结果之间吻合较好,甚至部分精度已经达到±3 dB,但存在某些整体模态被遗漏、响应结果应用到复杂系统局部细分不够等问题,模型还需进一步完善。
1.1.2 振动冲击实测数据统计条件与外推技术
由于工程结构的复杂性,确定动力学环境的方法除混合建模外,还大量采用实测数据或相似产品外推等统计归纳与理论结合的方式,并取得了良好的效果。对气动激励载荷一般采用压力脉动计算或测量值施加到飞行器表面,也采用计算气动声学CAA 的方法。该方法弥补了传统CFD 宽频声波不同波长传播不能准确刻画的缺点,与CFD 紧密关联成为今后的重要方向,但在比例模型试验方面,需要对气动声学的相似律加以详细研究。
振动冲击环境外推法是在参考型号有直接测量结果、新型号与参考型号的动力载荷自谱相似、测量位置结构近似的前提下,按照激励源缩比、结构表面质量密度缩比、飞行器直径缩比等三个基本缩比原则对新型号振动响应自谱量级进行外推的一种方法,弥补了有限元和统计能量缺点,简单实用,适用新型号研制,应用相当广泛。我国积累了大量数据,逐步形成了诸如根据设备固有频率特性确定半正弦冲击和能量谱点火冲击条件的制定方法,根据飞行数据确定振动环境条件并据此给出了马赫数从低到高的外推公式等经验公式和标准。由于数据积累系统性不够,基础数据挖掘不到位,与产品结构、性能等参数关联度不高,应用水平与国外相比还有较大差距。
1.1.3 非高斯、非平稳振动数据处理技术
飞行器在运输中因路面质量会诱发结构碰撞,飞行中因推力脉动、姿态变化等会产生非平稳振动,实测数据分析表明,其具有明显的超高斯分布特征。试验与仿真表明,超高斯分布振动会大大降低结构的疲劳寿命,采用宽带信号作为激励进行疲劳仿真分析,随峭度的增大疲劳损伤积累加快,疲劳寿命缩短。目前振动数据处理及振动试验条件均按照高斯分布进行,忽略了功率谱密度相同但时域数据分布不同对结构影响的差异,在某些特定的情况下应予以重视。
1.2 航天动力学环境预示发展方向
航天动力学环境主要方向是解决高速飞行器气动热带来的热结构动力学问题;动力学环境如何准确定位到设备甚至功能单元一级;如何建立起地面试验结果与飞行状态下的响应之间的关系等问题。
1.2.1 高速飞行器热结构动力学环境分析预示技术
高速飞行器是世界各国发展的重点,特别是长期在大气层飞行情况下与以往发动机置后不同,采用的是吸气式冲压发动机,具有飞行器结构推进一体化特点以及影响控制系统设计的气动/推进/弹性耦合效应。因此,外部气流与进气道流场同时作用于结构,有严酷的振动、噪声环境;另一方面,因气动加热、发动机高温影响,结构特性随温度变化呈现时变特征,动力学环境具有全频域以及与高温耦合的特点。因此,气动激励源作用机理、吸气式飞行器内外流激励振动环境预示与控制、流-固-温耦合物理场分析、热振声多物理场分析、热气动饲服弹性分析、复杂系统时变动力学特性分析、温度对复杂结构振动固有频率影响机理、热虚拟试验等技术成为目前研究的热点。
目前在冲压发动机激励源预示技术方面取得了一定突破,在多物理场、特性分析、热饲服弹性分析等方面采用数值模拟、有限元分析与风洞试验、热模态试验等相结合的方法取得了较大进步,但对内外流场致振机理等尚不清楚,热结构试验与计算结果之间还存在很多不解之处。
1.2.2 基于设备功能的动力学环境预示技术
动力学环境预示的目标是使飞行器设计达到轻量和良好的特性。目前的预示方法采用输入—结构传递—响应分析方法,属于正向分析,只有结构确定后才能进行。尽管对结构优化、完善设计提供了帮助,但对结构系统设计难以发挥根本性改变。其次,有限元、统计能量方法也存在不够细化、不能预示到设备和功能单元局部的缺点,只能给出全系统级或者舱段级的环境,即动力学环境预示与目标设备/单元功能、结构设计合理性以及环境适应性评价之间的桥梁没有建立起来。因此,近年来提出了基于设备功能的反向分析方法,即逆问题。基本思路就是根据飞行器设备的功能指标敏感性要求,把功能指标分解到设备安装部位和敏感物理量上,甚至对结构某些重要位置提出控制指标要求,这样会缩短设计周期,并一次性形成设计结果优化。
目前对该方法的研究取得了初步成果。其基本过程是:首先对飞行器不同位置、相同位置不同功能设备的动力学环境敏感量进行分析,在位移、速度、加速度等18 个物理量中筛选,并分解到安装结构位置甚至到结构传递路径,作为显性指标用于约束结构设计和评估,结构完成后再进行预示,对结构目标点预示结果指标进行转化,与分解指标进行对比评估。这样,利用不同设备功能敏感的动力学环境特征量的不同,将预示结果与结构设计约束之间建立起直接联系,是未来飞行器结构设计的发展方向。该方法已初步用于惯性器件、光学导航、舵系统的动力学环境预示分析中,初步确定了功能设备敏感指标体系,并给出了指标转化方法,形成了一套较完整的思路。
1.2.3 飞行器动力学环境天地一致性问题研究
分析并模拟产品结构所在位置动力学环境的有效性是结构响应预测的关键之一。飞行器结构复杂,且具有多源输入特征,飞行中边界、气动附加刚度、载荷、噪声等影响因素很多,产品分析与地面试验的状态、模型等一致性难以得到保证,传统方法对飞行复杂环境的准确预示比较困难。同时,因振动冲击遥测通道数量有限,难以统计归纳以描述飞行器各部位状况。热试车、发动机试验、火箭撬、功能试验等仅验证了飞行状态中的一个特定状态,但地面试验数量很大。
天地一致性正是综合利用地面试验、分析和飞行遥测数据,根据地面试验系统与飞行状态下结构响应之间存在的映射关系,采用基于映射关系的动力学环境预示技术,对未知部位进行预测。目前,在多个飞行器设计中得到了初步应用。主要采用地面模态试验、地面试验测量数据建立模型,消除地面边界条件影响,运用支持向量回归机构建立两者之间的映射关系模型。通过大量地面试验与遥测数据作为训练样本,得到了回归模型曲线,并在典型结构上得到了试验验证,实现了由遥测点到其他结构点的预测。应用还存在不少缺点,一是遥测点数量有限,映射模型精度较低;二是遥测飞行环境较好,遥测数据样本量不够完备,边界条件模型精度不高,需要结合仿真分析完成。
1.2.4 动力学环境虚拟试验技术
虚拟试验是随航空航天等技术发展和任务增加及大量数据积累而产生的,其意义在于:一方面产品模型包含了不同激励下的响应信息,可分析方向性结果,降低人工判断遗漏,减少实物试验数量,降低成本;另一方面,实物试验前对试验设计方案进行快速评估,确定其合理性和可行性以及安全、质量、经济性。同时对于超出试验能力范围或其他限制的,或难度大、成本高以及无法准确模拟极限载荷工况情况的,更适合采用虚拟试验技术对其进行考核验证。
虚拟试验建模过程侧重于大量试验数据积累和不断修正的结果上,因此需要一个循序渐进不断完善的过程。国外起步较早,美国已形成基于虚拟试验验证技术的公共支撑框架TENA,以及以JMETC 为代表的大型综合试验验证系统,并在F-22、宙斯盾等武器系统中得到应用。国内取得了一些阶段性的应用成果,军工产品虚拟试验领域已形成自主知识产权的通用支撑技术框架VITA。主要困难在于数据积累及其规范性较差,比较简单的结构和单一因素的虚拟试验方法已取得良好进展,而复杂结构多物理场耦合环境方面还存在很大距离。
2.1 大型复杂结构模态试验技术
模态试验技术发展较成熟,在单点与多点正弦激振的基础上发展了多点随机激振和综合模态试验技术,目前已广泛用于航天等领域结构动态设计、振动控制和故障诊断中。我国航天器、运载器和发射装置等大型系统均开展结构模态分析、模态试验,研制过程中要进行结构部组件、全系统、飞行器/发射箱(筒)/发射架(车)/平台联合模态试验,以确定结构系统特性对发射精度、飞行稳定性和设备环境适应性的影响。大型复杂结构模态试验方法主要有宽带随机激振法、纯模态法、锤击法、步进正弦法、工作模态法等。模态参数辨识方法常用的有频域直接拟合法、时域多参考点复指数法LSCE 算法、工作模态polymax 算法等。大型模态试验技术发展有高温环境下的热模态试验技术、三维/多体等非梁模型识别与应用、时变结构模态参数识别方法。
在航天产品中往往存在多体、集中质量、间隙、弱连接、柔性结构等结构非线性以及刚度、质量、阻尼等参数非线性,相应技术尚不成熟,目前多用于飞行器操纵面模态试验。方法主要有测量静刚度法、测量动刚度法、消除间隙和摩擦的橡皮绳加载法以及改变激振力的纯模态试验方法。测量静刚度法是测量结构在不同静力载荷下的刚度。测量动刚度法则是给结构施加可变的正弦激励载荷,在考虑刚度引起的非线性同时引入了阻尼引起的非线性。橡皮绳加载法则是用弹性力消除结构间隙和摩擦,然后测量结构线性化后的模态参数。改变激振力的纯模态试验方法跟线性结构纯模态法类似,通过改变激振力的频率和大小、得到不同激振力下的结构模态参数[15—16]。
2.2 微机械模态试验技术
新型飞行器大量采用惯导对准、地形匹配、光学制导等技术,相应的印制电路板、辅助结构、机构、支架、内部结构的动力学特性直接影响飞行稳定性和设备精度。由于此类结构质量轻、刚度小、结构复杂,传统模态试验方法带来的附加刚度和质量与被测结构相当,精度难以保证,因此采用声激励和光测替代传统激振杆或锤击法等接触式激励和加速度传感器测量方法,可以弥补相应不足。重音喇叭发出的声能足以激发出小质量结构件的模态,但要解决声源与现有设备的阻抗匹配、相位匹配等问题。目前国内有采用低频高密度体积声源集成的非接触激励,加速度测量采用激光测振仪,消除了附加刚度和质量的影响。通过对比试验,两种激励方式得出的频率、振型结果一致,声激励试验结果与典型算例结果更吻合,精度更高。
2.3 多输入多输出振动试验技术
目前比较流行的振动试验做法是用多个振动台模拟飞行器运输、发射与飞行动力学环境,以模拟多激振源,并提高激振力分布均匀性或提高推力以及柔性结构的试验效果,并在军事、航空、电子等领域广泛应用,美军标和国内标准均有相关内容。同时国外SD,DP,IMV,LMS 等公司拥有多台振动控制仪商用产品。
国内在20 世纪90 年代就开始了这方面的研究,在细长体双振动台试验、设备级三轴振动试验方面应用比较成熟,并形成了相关行业和国军标等标准。南航、亿恒等单位多台控制技术也逐步成熟并形成了商用产品。目前中国航空综合技术研究所等正在建设大型多振动台试验系统,但大型产品结构多样,特性各异,而多输入多输出控制方法依赖于产品结构传递特性,所以通过实测数据统计归纳而形成试验条件,包括控制矩阵对角元素设定在内的多振动台控制还需要深入研究。此外还有利用多个压电元件来模拟实际环境的分布式振动试验技术。制定合理的多台多轴的振动试验条件,针对具体试验件研究激励方案以及多轴振动与热环境耦合试验方法等问题是以后研究的重点方向。
2.4 离心复合试验技术
飞行器在机动转弯等动作会产生过载,同时有温度、振动、冲击等共同作用的复合环境。对于特定产品结构,离心复合环境会影响到产品的精度和功能。离心复合试验在国内外发展比较迅速,美国的UCDavis 大型振动离心机系统包含了水平单向、垂直/水平双向振动、试验摄像观测系统、电阻层析成像系统等,是目前振动离心机的最高水平。
目前国内的离心复合试验技术通常是以离心机为主体,在机臂上安装温度箱、振动台来实现的。这种方法存在的技术难题是离心力作用下振动台动圈会发生偏转,须设计纠偏系统,同时必须考虑对振动台固有特性的影响。目前国内多为小型振动离心机,并在航天、水利水电以及核工业得到应用,但振动台推力偏小限制了试验系统的广泛应用。中物院等单位对离心复合试验系统进行了深入研究,并根据需求提出了模拟飞行过程的高动态离心试验、STS 环境模拟等试验模拟技术。
由于高超声速飞行器速度高,动力学特性与以往有很大不同,尤其以高温耦合影响为重。在热结构动力学建模分析的基础上,根据考核目的应尽量减少耦合因素,突出主要矛盾,可以分别进行两两或多耦合因素试验验证。
3.1 热结构时变模态试验技术
由于气动加热效应等影响,高速飞行器结构受到温度梯度影响,相应的材料物性参数、结构刚度、热应力等随飞行时间变化,飞行器动力学特性随时间变化并影响到飞行控制。高温影响机理复杂,对简单结构而言,以材料弹性模量下降为主,符合结构固有频率下降规律;对复杂结构,热应力导致刚度分布变化,结构特性难以预测,各阶固有频率并不完全符合随温度升高而降低的直观规律。
结构热模态试验是获取热结构动力学特性的主要方法,但由于地面试验受到的影响因素更多,热边界影响以及结构边界受热影响的刚度变化复杂,也是国内外研究的前沿与热点,成为集控制、信号处理和结构动力学的一个交叉学科,借助线性系统和信号处理等领域的研究成果发展出一些有效的时变模态参数辨识算法。国外如NASA 早期研究成果表明,温度对结构模态参数的影响明显,但振型基本不变,均为基于傅里叶变换的模态参数辨识算法,仅是温度稳定环境结论。国内基于高超声速飞行器发展,提出了基于递推子空间方法的时变模态参数辨识算法,可以通过状态空间联系到结构的振动微分方程,找到彼此的契合点,这种方法也是参数化的模型,识别精度更高。工程中一般分两步完成,先获取不同温度稳定环境下的模态参数,以此为基础再获取结构模态参数随着温度变化的详细变化。
3.2 热振动/噪声试验
与热耦合的动力学试验用于验证不同温度、湿度分布下结构的传热特性,温度分布以及振动、噪声、疲劳特性。由于影响因素多、技术难度大,到20 世纪90年代才开始逐步完成工程实现。飞行器昂贵且材料存在不可逆因素,一般按热振动、热噪声、热疲劳等两两组合进行试验,从飞行器经历的环境剖面及飞行器局部分析,提炼需解决的主要矛盾,分析、设计多组试验,进行相对简化的环境因素组合模拟和覆盖性考核与评估。目前具有热噪声试验设备和试验能力的国家有德国、俄罗斯、美国等,根据考核的主要目的进行部件、舱段、整机试验。国内航天、航空等试验机构均建成了较大规模的热试验设施,具有系统级1300 ℃以下热振动、热强度、热疲劳、热模态试验能力,部件级650 ℃以下热噪声试验能力。热噪声试验主要针对薄蒙皮、TPS结构等对热、噪声联合作用敏感的结构。
3.3 热结构动力学参数非接触式测量技术
由于高温的影响,传统的应变、振动、压力测量手段受到限制,因此,近年来出现了适宜高温环境下测量的新技术。
非接触式振动测量技术主要是应用多普勒原理、激光干涉原理的测振方法,因其非接触、无附加质量、动态范围大和精度高,所以在热模态、热振动等试验中广泛应用。由于其存在安装对准、激光反射效果、热蒸腾效应问题,影响了振动测量精度。
非接触式热应变测量方法有基于数字图像处理的方法和数字图像相关方法等。此外还有电子散斑干涉法、云纹干涉法等方法。这些方法测量灵敏度非常高,并具有测量结果直观可视的优点。
高动态应变测量技术主要采用光纤Bragg 光栅动态应变传感器,其特点是信号频率高、信噪比高。瞬态应变测试在实用的信号解调方面还存在响应速度方面的瓶颈问题,尚需做大量工作。
压力脉动测量技术包括有以下几种:传感器外加冷却护套,但存在局部冷区大热梯度和声歪曲;光纤传声器,在727 ℃以下有良好频响特性;等离子传声器,可用于高温、高速、高焓值气流中的噪声、热流等多参数的同步测试;将高温下的噪声用波导管导出测量,已在发动机内部噪声测试等任务中得到应用。
飞行器地面阶段运输、执勤环境复杂,存在平台、工作/人工诱发与气候组合环境影响,其振动冲击响应不但有其特殊性,而且有时比飞行环境更为严酷。
飞行器-发射装置-平台等构成的系统动力学问题主要体现在以下方面。
1)载荷激励存在平台多样性,发射状态下风载荷激励,车辆运输中道路障碍等情况下的颠簸冲击、刹车冲击、振动,舰船平台受海浪冲击、炮击、爆炸冲击传递到产品的振动冲击响应等[24]。
2)连接结构存在诸如多联装刚弹转换、适配器、运输中的减震器阵列等特殊情况,以及车辆发射装置起竖折叠状态下的多体结构,存在结构非线性,在温度变化等情况下动力学特性会发生相应的改变。
3)发射装置、地面设备往往尺度较大,存在_效应,在温度、阳光、风载荷、平台诱发等叠加或综合作用下,产生局部变形等,即存在局部微环境问题,长期作用下产生疲劳或应力腐蚀。
4.1 飞行器-发射装置动力学响应分析
地面阶段主要表现为运输中的冲击、振动,舰载爆炸冲击、风载荷等情况。近年来国内外利用NASTRAN 等软件开展了大量研究,特别是对水下爆炸冲击响应进行了深入分析,采用大质量法、动态设计分析等方法,综合考虑了分布质量惯性力、结构传播效应等因素,给出了发射装置的变形和应力,并得出大长细比产品对冲击敏感、横向响应较大、沿长度方向响应差异较大等结论。
由于系统构成复杂,很难得到精确的振动应力,只能采取实测数据。通过大量实测数据统计分析,得到了直接用于工程的成果,火箭在运输车上的振动应力为正态分布或威布尔分布,对组合系统力学特性影响很大。通过比较公路、铁路、海上、飞机运输振动特点,公路的振动量级最大,且主要以低频振动为主。通过实测数据也发现,在大外载荷作用下,如在路况很差、风浪很大的情况下,由于连接结构、接触面、安装固定面的存在,可能会激发出多平台固有频率以外的高频冲击振动,并具有超高斯分布特征。
4.2 飞行器-发射装置-平台系统动力学特性研究
地面阶段存在连接状态差别大、边界不确定性大、导致的结构非线性变化等影响,诸如运输状态下的弹性(减震器阵列等)边界、动态载荷下边界力变化、待机发射状态边界、车/舰发射过程中的适配器滑动状态变化、机载发射、不同温度/湿度/风载荷影响、水下发射影响等。仅部分情况一阶固有频率计算较为准确[28],且不同测试方法(敲击法、路障冲击工作模态等)模态频率差别较大。目前产品研制过程中均要完成水下模态、发射箱/架/飞行器、车辆/发射箱/飞行器、飞机/发射架/飞行器等稳定状态的特性试验,除研究飞行器在平台的性能变化外,还可以获取飞行器对平台系统的影响,如是否会与机翼、发射箱等发生共振,以及如何改进结构,降低系统各部位的动态应力。
4.3 气候-工况/平台诱发载荷组合环境下动力学特性研究
飞行器在地面阶段尽管温度比较温和,但平台诱发、气候环境的复合及累积效应突出。舰船平台上,除经历摇摆、冲击和振动外,还有阳光照射的光化学和温升效应。大型产品大尺寸效应产生的累积变形和应力不容忽视,与盐雾、潮湿等形成气候-力学复合环境,加剧了结构的破坏。地面车辆平台经历颠簸、刹车等过载和冲击以及气候环境影响。平台上大型复杂结构系统内部可能会存在着大量高于设计或整体平均设计条件的局部微环境,如大型结构中的减震器阵列在外力诱发下的不均匀分布会导致某个减震器失效并导致连锁反应整体损坏,固发中的装药界面应力等,影响飞行器寿命。
系统的损坏最终可以归结为某个部位、构件、器件的故障,因此,目前的解决方法主要是把地面阶段飞行器与平台作为一个多体、柔性、非线性系统分析,确定关键薄弱环节,并根据局部结构的工况载荷应力和微气候环境等效成典型试验构件,附加少量整机级试验,评估其适应性和寿命。此外,为防止偶发事件和系统复杂性难以判断的破坏问题,普遍采用自动记录设备,可以长期监测关键部位环境数据,并与设计基线比较,预判出相应的问题。
基于上述分析,目前在该方面的发展方向主要有:气候作用下的_装备动力学分析及疲劳寿命研究;气候环境下复杂结构力学特性分析技术;飞行器-发射装置-平台系统微环境分析;健康管理与诊断技术等。
飞行器动力学环境问题会随着工程需求不断出现新的变化,但解决方法不外乎分析与试验两种方法。通过工程实践,分析预示、试验与产品功能密切相关,型号结构、功能、材料、器件的变化,会带来分析与试验方法的变化。
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根据销售的日常活动可以看到,销售活动的客户类型分析主要以OEM型客户和项目型客户为主。今天读文网小编要与大家分享的是:从人类动力学视角分析销售活动和订单处理相关论文。具体内容如下,欢迎阅读!
摘要:近几年关于人类行为动力学的大量研究表明,人类活动的时间间隔统计分布接近幂律分布。通过对销售行为和订单处理的时间间隔分布进行研究,表明同样具有近似幂律函数的分布。但不同类型的公司销售行为规律也不尽相同。只有通过不断的统计研究才能发现各种不同的销售行为规律。本文从人类动力学角度来分析销售的群体活动和年度订单处理,试图从中找出在RA公司的销售行为动力学规律。经研究发现销售人员的每个项目跟踪时间间隔分布和每个订单提货时间间隔分布都服从幂律分布。
关键词:人类动力学 销售活动 订单处理 幂律分布
论文正文:
人类行为的复杂性研究,已经从最早的将人类活动简单归纳为稳态的,或者完全随机、可以使用泊松过程描述,转移到以人类动力学模型为基础的研究。通过大量实证表明人类活动是相当不均匀的,在这些行为中,普遍发现有类似的偏离泊松过程的特性。这些现象显示出,除了受到生理周期强烈影响的部分行为外,时间间隔统计所显示的非泊松特性,也就是重尾分布特征,可能是在人类行为中普遍存在的。而这种分布具有近似幂律函数的曲线。
随着复杂系统研究的深入,表明人类行为中的电子邮件处理和书面通讯活动符合典型的幂律分布P(t)=t-a,其中a分别是1.0和1.5。从而将人类动力学划分为两个普适类,他们的特征标度指数分别是1.0和1.5。本文统计了RA公司某分公司的13位销售的项目跟踪活动行为和销售订单处理情况,试图将现有的人类动力学模型与实际情况对照。研究日常的销售行为和年度订单处理的规律,同时也为以后的这一方向的研究提供一点实例。
本文数据来源于公司订单数据和销售的日常活动计划。RA公司的销售年平均任务在1.4-1.5百万美元左右,固定客户和跟踪项目的数量、每个订单的金额都要求销售在网上记录。每个月都要对其较准确性进行审核。而实际的销售业绩全部都要录入数据库,根据数据库内可以直接查询订单的数量、金额以及日期,可以客观反应年度订单的处理情况。
根据销售的日常活动可以看到,销售活动的客户类型分析主要以OEM型客户和项目型客户为主。每个客户的跟踪的时间从创建项目信息到赢得(或丢掉,延迟)之间的时间为一个项目的时间间隔。因为数据更新时间一般要求为一个月一次,所以在统计时,时间间隔单位为30天比较合理。根据一般销售规律,OEM客户是固定订单产生客户,其时间间隔一般在1-3个月,比较有规律,把握性较大。项目型客户跟踪时间一般在半年以上时间才有订单产生,胜率一般在40%-60%之间。本次采用的数据为07年至10年内完成的销售活动共计470次。
对销售订单的处理一般按照公司规定的订货周期4-8周来处理。当然也有一些比较有把握的订单,客户要求时间比较紧迫的,可以在没有下订单之前预先让物流部门做备货处理,在签完合同后马上可以提货。因此在订单处理的统计上一周(7天)为单位来统计订单处理的时间间隔。本次采用的数据为08年内完成的订单处理统计,共计393次。
3.1客户销售活动规律统计
对于每个销售工程师而言,客户项目进度和什么时间订货不可能由销售工程师主观愿望所决定,即使是固定的OEM客户,也存在不确定因素。在已经确定使用RA公司产品后,它包括很多不可控的具体问题:如项目什么时间可以审批;项目资金运作情况;市场需求是否发生变化。因此,每个销售工程师发现项目机会到收取订单这个时间间隔完全不由个人决定,但是通过统计所有销售工程师的每个客户活动时间间隔的方法来分析,可以发现其一般性规律。
用收获订单时间t表示从发现项目到收取订单的时间间隔,一个订单在t天收取的概率可以近似为一个幂函数P(t)=t-a,其中a=1.34。其中62.55%的订单是在12个月内收到的。超过24个月的订单不足8%。这也符合公司对销售任务的要求。
3.2销售订单处理规律统计
对于每个得到的订单,从订单签订开始,到客户全部提货,这个过程完全取决于客户的资金情况和实际项目进度需求,卖方无法左右提货情况。同样,通过统计的方法来分析全年度的所有订单,也可以发现其一般性规律。
以t表示签订合同到提货之间的时间间隔,一个订单在t天收取的概率可以近似为一个幂函数P(t)=t-a,其中a=1.62。其中80%的订单是在8周内提货,这也符合公司资金运转的要求。其中24周后才提货的订单不足4%。这也表明了订单的真实性和销售人员对客户的把握程度。
以上两个简单模型的时间间隔分布满足本文统计了销售活动中的客户跟踪和订单发货两个事件的时间间隔分布,从统计的角度可以发现销售活动和订单处理这两个人类行为的动力学模型是近似幂律的时间分布。这个研究的发现也是符合人类活动动力学的模型。销售活动和订单处理两个行为的分布指数分别为1.34和1.62。这个数据也同1.5的分布指数比较接近。通过这个研究,希望可以为将来的定量的分析人类行为的统计特征研究提供一点实际案例。也为科学的管理销售活动和处理订单带来新的管理视角。◆
参考文献:
[1]汪秉宏,人类行为的动力学及统计力学研究,2009-06
[2]李楠楠,邓竹君,张宁,李季民,秦艳,周涛.从钱学森的通讯模式看人类动力学的标度律,2008
[3]Joao Gama Oliveira,Albert-Laszlo Barabasi,达尔文和爱因斯坦的通讯模式, 2005
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航天器(spacecraft):又称空间飞行器、太空飞行器。按照天体力学的规律在太空运行,执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。至今,航天器基本上都在太阳系内运行。美国1972年3月发射的“先驱者10号”探测器,在1986年10月越过冥王星的平均轨道,成为第一个飞出太阳系的航天器。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:论新型航天器发展对力学学科的挑战相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
回顾人类追求飞天梦想的发展历程, 航天科技与力学相互依赖、相互促进、相辅相成. 一方面, 航天科技的发展, 如航天器的设计、研制、试验、发射、飞行和返回全过程均涉及到各类力学问题, 极大地促进了相关力学学科理论和方法的进步; 另一方面,力学是支撑航天技术发展的重要基础学科, 随着研究手段和解决问题的能力增强、范围加宽、方法完善,为众多航天工程技术问题的解决、航天科技的快速发展做出了重要贡献. 航天科技与力学学科的这种相互支撑关系, 不仅体现在一大批广为人知的伟大力学家, 如开普勒、牛顿、齐奥尔科夫斯基、钱学森等,所发展的力学理论为航天科技的发展奠定了理论基础, 而且航天科技的发展又进一步推动了固体力学、流体力学、计算力学、试验力学及其交叉学科的发展与进步. 实际上, 航天领域所取得举世瞩目的里程碑式成就, 如V2 火箭、地球卫星、航天飞机、登月航天器、空间站等, 无不明显地体现出力学助推航天发展、航天发展牵引力学进步.
进入21 世纪以来, 为更好地执行深空探测、载人航天、天地往返和卫星应用等任务, 国内外提出和发展了一系列有别于传统的新型航天器概念和技术.这类新型航天器所面临的服役环境更为苛刻, 需要的结构效率和可靠性更高, 抵抗极端空间环境的能力更强, 姿态和型面控制精度更精确, 且最大可能满足长寿命和低成本要求, 从而给结构动力学、高温固体力学、高超声速空气动力学、计算力学、多学科交叉等领域带来新的应用挑战. 只有突破和解决这些问题, 才能适应新时代航天器的发展特点与趋势, 进一步通过自主创新的方式研制和发展新型航天器.
随着航天科技的快速发展, 为满足越来越多样化的任务需求, 一系列新型航天器应运而生. 这些新型航天器或者是基于现有航天器技术演变, 或者是一种全新的设计概念. 本文重点对重型运载火箭、大型变结构空间飞行器、可重复使用运载器及临近空间高超声速飞行器4 类典型新型航天器进行阐述.
1.1 重型运载火箭
为了满足未来深空探测、载人登月/登陆火星等重大工程的需求, 世界主要航天国家争相发展LEO(low earth orbit)运载能力达百吨级以上的重型运载火箭. 与常用运载火箭相比, 以航天系统为代表的重型运载火箭在充分继承现有技术的基础上, 具有如下特点:
(1) 结构尺寸大. 常用运载火箭的芯级直径一般在3~5 m, 总长30~60 m; 而重型火箭的芯级直径在10 m左右, 总长在百米左右.
(2) 起飞重量大. 常用运载火箭的起飞重量通常在几百吨, 起飞推力也是数百吨; 而重型运载火箭的起飞重量大多在2000 吨(1 吨=1000 kg)以上, 起飞推力则在2500 吨以上. (3) 力学环境复杂. 重型运载火箭由气动载荷、过载、噪声、振动、冲击形成的综合载荷量级有较大提升, 一般情况下是常用运载火箭的1.5~2 倍.
重型运载火箭由于具有上述技术特点, 因此在工程研制中将面临一系列技术难题, 主要表现在:
(1) 载荷路径传递规划难. 由于重型运载火箭质量规模大、飞行静态载荷高, 因此发动机的大推力需通过合理规划载荷路径, 以实现不同结构部段之间的有效传递, 并使机架、尾段和捆绑连接点等应力集中位置的应力得到有效扩散.
(2) 结构轻量化设计难. 重型运载火箭要实现百吨级的运载能力, 需要在高载荷作用的条件下, 通过选择与应用轻质材料和结构优化设计, 解决大尺寸铝锂合金、复合材料的设计和生产难题, 以实现结构质量的降低、运载效率的提升.
(3) 力学特性分析与试验验证难. 由于重型运载火箭结构尺寸大, 建设与之相匹配的大型地面试验设施投资规模大、技术难度高、综合效益低, 因此必须解决大型复杂结构力学特性分析和采用部段级试验实现整箭模态参数等技术难题, 以实现重型运载火箭力学特性的精确分析和试验验证的有效性.
(4) 大型结构刚-柔-液耦合分析难. 由于重型运载火箭尺寸大、燃料多、载荷高, 在飞行过程中箭体将经受复杂的力学环境作用, 必须解决刚-柔-液耦合特性分析难题, 为箭体姿态控制、级间分离、整流罩分离等关键过程提供准确的动力学特性参数.
1.2 大型空间飞行器
随着探索空间和利用空间的不断深入, 世界主要航天国家对具有高性能、高功能结构的多舱段式空间站、大容量通信卫星、高指向精度和高稳定度的遥感卫星等新型大型空间飞行器的研制需求越来越迫切. 与现有空间飞行器相比, 这类新型大型空间飞行器具有如下特点:
(1) 尺寸庞大. 目前空间飞行器展宽一般不超过40 m, 附件的直径尺寸基本在30 m以内; 而新型大型空间飞行器的展宽大多达到50 m以上, 附件的直径尺寸有的高达百米, 极端情况可达千米级, 比如空间太阳能电站的跨度达到10 km.
(2) 构型复杂. 新型空间飞行器往往由多舱段对接, 或多柔性模块组装构成, 且带有大型机械臂、可展开天线等具有相对运动特性的多个大型柔性附件,同时兼顾在轨组装、在轨维修、在轨操作等任务, 导致航天器成为变构型、变参数的大型甚至超大型空间复杂组合体结构.
(3) 刚-柔-液强耦合. 相对于现有空间飞行器的构型而言, 新型大型空间飞行器由于带有柔性太阳电池阵、可展开天线等大型柔性附件以及多个大型贮箱, 刚-柔-液的相互作用将成为航天器总体设计和控制系统设计的重要影响因素.
(4) 精度和稳定度要求高. 以等效口径达到6.5 m的詹姆斯·韦伯太空望远镜、波束达到500 个甚至更多的通信卫星及采用宽带通信载荷(高频段、太赫兹和激光通信)、大型可展开网状天线的移动通信卫星等为代表的新型空间飞行器, 其性能指标较现有空间飞行器而言往往高出1 个数量级以上, 比如大型天线型面精度要求达到毫米级, 指向精度达到0.01°, 姿态稳定度达到毫角秒级.
(5) 工作环境更加苛刻. 大型空间飞行器在轨工作寿命要求更长(低轨要求5~8 年, 高轨要求12~15年), 并将长期经受高真空、高低温(温差可达200℃)等空间环境以及太阳光压、温度冲击、轨道机动等多种在轨干扰因素影响, 工作环境较现有航天器更加苛刻.
新型空间飞行器由于上述技术特点, 在工程中将面临如下主要技术难题:
(1) 总体设计难. 由于尺寸庞大、构型复杂、带有多个大型柔性附件, 新型空间飞行器的总体设计,需要考虑各种大型部组件安装布局、微振动抑制并兼顾各种使用要求, 以实现构型、布局满足发射状态下的最大包络和环境条件.
(2) 构型与形状控制难. 由于结构尺寸庞大、构型复杂、刚-柔-液强耦合, 且具有变构型、变参数以及高精度高稳定度要求, 新型空间飞行器需要解决组合体控制和大型复杂柔性附件展收和型面控制等技术难题.
(3) 试验验证难. 由于新型空间飞行器结构尺寸大, 建设与之相匹配的大型地面试验设施往往投资规模大、技术难度高、综合效益低, 因此需要解决仿真分析、部组件级试验替代整体试验和利用在轨参数辨识进行模型修正等技术难题, 以实现大型空间飞行器力学特性的精确分析和试验验证的有效性与充分性.
1.3 可重复使用运载器
随着航天技术发展和低成本航天运输的迫切需求, 在一次性运载器基础上发展“快速、廉价、可靠”进出空间并可多次重复使用的运载器, 是当前及未来国内外运载器发展的重要方向之一. 与一次性运载器相比, 可重复使用运载器具有如下典型特点:
(1) 兼具运载器和航空器的双重特点. 可重复使用运载器充分吸纳了一次性运载器和航空器的部分功能特点, 既可作为航天运输工具以快速穿越大气层发射航天器, 也可作为高超声速投送平台实现快速远程/全球打击, 还可像航空器一样返回地面,实现天地往返、多次重复使用. 这类重复使用运载器典型代表有XS-1 和X-37B.
(2) 跨速域、跨空域. 可重复使用运载器不仅跨越亚声速、跨声速、超声速和高超声速等速域, 而且覆盖航空空域、临近空间和轨道空间等空域, 飞行工作环境多样, 气动力热特性复杂.
(3) 承载特性复杂. 一次性运载火箭以承受轴向载荷为主, 而重复使用运载器不仅在上升段要承受与一次性运载器相同的载荷环境, 而且在返回段要承受法向受力为主的力学环境, 结构承载特性复杂.可重复使用运载器的上述技术特点, 使得其在工程研制中面临如下主要技术难题:
(1) 气动布局设计难. 由于重复使用运载器气动布局并须兼顾低空和高空两种气动性能和飞行模式,特别是在高超声速条件下真实气体、热化学非平衡、稀薄气体等效应突出, 气动布局设计要考虑的限制因素众多, 因此要同时满足多种约束条件的气动布局设计非常困难.
(2) 热防护结构设计难. 可重复使用运载器最高飞行马赫数超过25, 强大的气动加热使机体表面温度急剧增高, 机头锥、翼前缘表面最高温度超过1700℃, 机身迎风面的温度也在1100~1500℃左右,高温持续时间可长达1500~2000 s. 因此必须解决高温长时非烧蚀热防护、大热载条件下高效隔热、高温高可靠连接与动/静热密封等设计难题.
(3) 全程耦合控制难. 可重复使用运载器的飞行攻角包络大, 压心变化范围宽, 面对称外形导致滚动与偏航通道存在强耦合和副翼操纵反效, 以及高超声速段上下表面的压强差别大, 因此必须解决俯仰通道配平、通道耦合和舵偏非线性特性控制等难题.
(4) 复杂流动状态验证难. 可重复使用运载器在飞行过程中将经历亚声速、跨声速、超声速和高超声速4 种速域范围, 由于不同速域下的流动状态特点不同、影响不同, 因此如何模拟黏性干扰效应和壁面催化效应、边界层转捩、激波/激波干扰、激波/边界层干扰、非定常流动以及气动弹性和气动伺服弹性, 并进行准确性验证, 是当前工程设计中的一大难题.
(5) 一体化力热耦合设计难. 可重复使用运载器,尤其是带有大尺寸热结构控制翼的运载器, 往往采用防热/结构一体化设计, 在再入过程中将经受苛刻的气动热环境与力学环境, 因此热结构部件高温强度/刚度、热/振动、热/气动弹性等力热耦合分析与环境适应性验证, 是当前工程研制中必须解决的关键难题.
1.4 临近空间高超声速飞行器
以全球快速到达为主要目的的临近空间高超声速飞行器, 主要性能特征为: 飞行马赫数3~10, 在临近空间内的飞行时间为几百至上千秒、飞行距离几百至上万千米、飞行高度20~100 km. 目前, 此类飞行器可分为两类: 一类是吸气式动力巡航高超声速飞行器, 以美国Hyper-X计划中X-43 系列飞行器[28~32]和HyTech计划中使用的X-51(http://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_X-51)系列飞行器为代表; 另一类是无动力滑翔式高超声速飞行器, 以美国FALCON计划中的HTV系列飞行器为代表. 部分典型临近空间高超声速飞行器如图7 所示. 这类飞行器的主要技术特点包括:
(1) 高升阻比气动布局. 临近空间高超声速飞行器具有速度高、速域宽、巡航高度高、航程长等特点,因此必须选取宽速域的高升阻比的气动外形, 常见的外形如升力体、翼身融合体、乘波体等.
(2) 气动热环境严酷. 此类飞行器需要在大气层中长时间高速飞行, 飞行器表面与大气将产生剧烈摩擦, 累积的热载荷不断增加, 局部温度甚至超过2000℃, 由此带来的热防护要求极高.
(3) 吸气式高超声速推进. 动力巡航高超声速飞行器常常采用吸气式推进的动力系统, 这种动力系统不需要像火箭那样自身携带氧化剂, 可以直接从大气中吸取氧气, 具有经济性好、重量轻等优点. 当前采用较多的吸气式高超声速推进技术主要包括超燃冲压发动机技术和组合动力技术.
具有上述技术特点的临近空间高超声速飞行器,在工程研制中主要面临如下技术难题:
(1) 宽速域高升阻比外形设计难. 由于此类飞行器需要采用高升阻比气动布局, 而常规的气动外形设计在高超声速条件下难以突破升阻比的屏障, 加之高速大空域的飞行环境会给飞行器带来非常复杂、严峻的气动力/热问题, 因此如何高效准确地预测与评估高超声速飞行器在高速大空域环境下的气动力/热性能, 成为高升阻比气动布局设计面临的重要难题.
(2) 热防护设计难. 由于临近空间高超声速飞行器具有高升阻比的复杂外形, 气动热环境严酷, 因此需要对热环境进行精确预测, 并在此基础上采用精细的非烧蚀热防护技术以维持飞行过程中的高升阻比外形不变, 这就需要从防热材料、防热机理和结构设计上进行深入的探索.
(3) 吸气式推进系统设计难. 超燃冲压发动机是当前吸气式推进动力系统的研究热点, 由于超声速条件下的点火被喻为是“在飓风中点火柴”, 燃烧室中的超声速燃烧过程也极其复杂, 因此认识和探索其现象和机理是超燃冲压发动机设计中最具挑战性的问题. 另外, 推进系统还需要与机身进行一体化设计, 这又为总体设计带来了困难.
鉴于上述4 类新型航天器的技术特点和工程研制面临的工程难题, 从力学研究的角度出发, 可以概括出但不局限为以下4 大类10 个亟需在力学学科方面展开攻关的挑战性问题.
2.1 动力学与控制
动力学与控制是新型航天器研制过程中的基础支撑学科. 新型航天器由于总体设计、控制精度、所处空间环境的要求不同, 导致其研制过程中出现一系列新的动力学与控制问题.
(ⅰ) 大型复杂结构动力学建模与仿真问题. 随着航天任务的复杂性越来越高, 航天器结构也向着大型复杂化发展. 以带大型桁架式网面天线为代表的新型航天器为例, 其总体设计往往包含大量铰链和绳索等非线性结构, 而工程研制方面一般都针对该类结构进行简化处理, 但铰链间隙等非线性因素对部件展开过程和展开锁定后的动力学特性都存在重要影响, 同时也是导致天线在轨故障的重要潜在因素, 虽然目前对于该类问题进行了大量的仿真, 但离工程实际需求还有较大差距.
因此, 基于上述新型航天器的技术特点和研制难点问题, 大型复杂结构动力学建模与仿真问题主要涉及几何和接触非线性理论机理、非线性结构力学模型建模方法、接触非线性结构机热一体化建模方法、工程适用的非线性结构多体展开动力学预示方法、_刚柔耦合结构动力学精确建模方法和星箭耦合动力学建模方法等方面的问题. 这些问题的存在, 对力学在机理、模化方法、工程实用化分析等方面的研究带来巨大的挑战性.
(ⅱ) 器箭耦合力学环境分析和预示问题. 大型空间飞行器和重型运载火箭, 由于采用新的构型和结构参数, 导致整体系统体结构传递特性发生重大变化, 且系统级动力学特性复杂, 尤其对于大型空间飞行器和重型运载火箭及其组合体而言, 纵、横、扭模态耦合现象突出, 增加了新型航天器结构振动传递分析以及有效载荷界面环境预示的难度. 同时, 器箭在发射段承受着恶劣的振动与噪声等力学环境.这些力学环境分析与预示的准确与否直接关系到这些新型空间飞行器和重型运载火箭总体设计的优劣.当前, 国内外虽然已经在中低频段开展了大量的研究工作, 但是对于全频段的环境预示问题, 仍然是研究热点问题之一.因此, 结合新型航天器的具体设计难点, 器箭耦合力学环境分析和预示问题包含如下主要力学问题:火箭发动机的振动和噪声量级及其产生与传播机理、集中力扩散结构的传力路径优化方法、大型有效载荷界面低频振动环境预示方法与大型整流罩噪声环境预示等. 该类问题的存在, 给采用新构型和结构参数的新型航天器带来了产生机理、仿真方法等方面研究的挑战.
2.2 固体力学
固体力学作为一门应用基础学科, 在新型航天器设计中起到至关重要的基础作用. 在本文所述的4类航天器中, 由于结构形式、飞行器剖面的不同, 给固体力学学科带来如下挑战性问题:
(ⅰ) 复合材料结构设计问题. 复合材料由于具有强度高、刚度大、重量轻并有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等特点, 因此除具有承载性能外还用于实现吸波、透波、耐热、防热、隔热等其他功能. 当前,小尺度、构型简单的复合材料结构, 已经广泛应用于运载火箭、卫星等航天器部段级设计过程中, 从而满足结构的高承载要求. 但由于重型运载火箭和大型空间飞行器需要大尺寸、轻质复合材料结构, 而临近空间高超声速飞行器和可重复使用运载器需要大面积防热、结构承力一体化的复合材料结构, 因此,这类复合材料结构从机理到工程研制均需进行多方面的研究.
要解决这类复合材料结构设计问题, 亟需在力学方面开展大尺寸复合材料结构带来的尺寸效应机理研究, 复合材料等效力学模型研究, 多功能结构一体化设计方法研究等.
(ⅱ) 力热耦合问题. 可重复使用运载器和临近空间高超声速飞行器, 由于具有跨速域、跨空域等特点, 因此在飞行过程中将经受气动热、气动力、振动、噪声、过载、冲击等严酷的力热耦合环境的考验. 这些环境不仅会引起材料产生热应力, 改变结构的有效刚度等参数, 而且会引起飞行器结构产生薄膜应力、大变形、热屈曲等, 使结构动态响应表现出强非线性特征. 由于常规线弹性理论很难适用, 因此, 力热耦合问题已经成为制约这类飞行器气动布局设计和热防护设计的瓶颈.
这类力热耦合问题是典型的高温固体力学问题,从力学角度需要重点开展研究的问题主要包括: 高温环境下结构模态演化规律研究、力热复合载荷作用下结构动响应研究、力热复合载荷作用下结构损伤演化与疲劳寿命预示及力热复合环境综合试验验证方法等.
2.3 空气动力学
可重复使用运载器和临近空间高超声速飞行器,具有气动外形复杂、飞行速度高等特点, 在研制过程中面临如下有挑战性的空气动力学问题:
(ⅰ) 物理化学效应影响下的流动机理与模拟问题. 这类新型航天器在大气中进行高超声速飞行时,不仅在飞行器表面会产生由真实气体、壁面滑移等诸多物理化学效应导致的复杂流动, 而且在吸气式发动机内部还存在超声速燃烧的化学反应流动现象.这些物理化学效应主要涉及如热化学非平衡、超声速燃烧反应、等离子体鞘套等流动问题. 目前, 针对此类问题的机理认识及模拟手段都相当有限, 这为这类新型航天器的总体设计和精确控制带来诸多困难.
要解决这类物理化学效应影响下的流动机理与模拟问题, 需要从力学角度重点开展流动机理研究,燃烧动力学、有限速率化学反应、滑移边界等模型研究, 数值模拟和风洞试验方法研究等.
(ⅱ) 复杂流动的精细模拟问题. 临近空间高超声速飞行器由于整体或局部的外形复杂, 在飞行过程中存在激波/边界层干扰、可压缩湍流等高超声速复杂流动现象. 为保证飞行器的结构、材料、动力等相关系统的正确设计, 必须对复杂流动引起的气动力/热特性进行精细化研究. 但是, 由于机理复杂、特征尺度小, 这些流动的精细模拟非常困难, 从而给这类新型航天器的气动布局设计、热防护设计带来了挑战.
要解决这类复杂流动的精细模拟问题, 需要从力学角度重点开展复杂流动的机理研究, 高超声速转捩和湍流模型研究, 激波/激波干扰、激波/边界层干扰、流动分离等复杂流动的精细数值模拟与风洞试验方法研究, 以及必要的飞行试验验证.
2.4 力学交叉学科问题
航天器的研制过程涉及到动力学与控制、固体力学、流体力学、计算力学、实验力学等多个力学学科之间的耦合交叉应用; 而新型航天器的研制, 由于构型复杂、刚-柔-液耦合特性突出、空间环境更加苛刻等特点, 给力学交叉学科带来如下挑战性问题:
(ⅰ) 非线性刚-柔-液耦合动力学分析问题. 重型运载火箭与大型空间飞行器, 由于具有结构尺寸大、构型复杂且采用串/并联布局的多个大型全管理储箱等, 同时推进剂消耗导致航天器结构重量持续减少, 太阳翼和天线等外伸附件在轨展开过程中整星结构和构型也将持续变化, 导致航天器的刚-柔-液耦合特性突出. 而现有的研究以理论方法为主, 难以反映航天器的真实特性且无法满足航天器总体设计和控制系统的高精度要求.
要解决这类非线性刚-柔-液耦合动力学分析问题, 需要重点开展刚-柔-液耦合机理、刚-柔-液耦合动力学建模、非线性晃动动力学模型、非线性晃动与振动特性性能评估方法以及试验验证方法等研究.
(ⅱ) 大型变结构组合体建模、辨识和振动抑制问题. 大型空间飞行器由于构型庞大、在轨组装和操控, 是一个典型的变结构、变构型、变参数组合体.在轨运行中液体晃动、柔性振动、航天员活动、带载与空载机械臂的大范围运动等多种扰动, 同时舱段扩展、大型实验载荷增减等任务, 使组合体呈现时变的动力学特性, 其动力学与控制存在强耦合. 因此,为准确获取在轨精确控制模型, 大型变结构组合体建模、辨识和振动抑制是这类大型空间飞行器总体和控制系统设计必须要解决的关键问题.
要解决这类大型变结构组合体建模、辨识和振动抑制问题, 需要重点开展大型变结构组合体动力学建模与分析方法、柔性多体动力学建模方法、变结构组合体动力学模型参数在轨辨识方法、大型柔性附件振动抑制方法等研究.
(ⅲ) 气动弹性与气动伺服弹性结构耦合动力学问题. 可重复使用运载器和临近空间高超声速飞行器, 由于经历不同的空域与速域, 且在大气层中长时间飞行, 因此总体设计一般采用细长体或翼身融合体气动布局, 并广泛运用轻质材料与大型薄壁结构,同时控制舵面多, 从而带来一系列气动弹性与气动伺服弹性问题. 尤其由于刚柔耦合问题突出, 其气动加热环境下的气动弹性与气动伺服弹性结构耦合动力学问题更为复杂, 已成为这类新型航天器总体设计和控制系统设计不可逾越的关键问题. 要解决这类气动弹性与气动伺服弹性结构耦合动力学问题, 需要重点开展高超声速非定常气动力计算理论与计算方法、热气动弹性和气动热伺服弹性的机理和建模方法、结构静/动态特性对飞行器性能的影响分析等研究.
(ⅳ) 微振动性能分析与抑制问题. 大型空间飞行器由于活动部件多、姿态稳定度和指向精度要求高, 对其产生一系列幅值较小、频率较高的微振动成为总体设计中一项关键性的影响因素. 虽然国内外已经在反作用轮、热致微振动等方面开展多项研究,但由于微振动属于典型的力学交叉学科问题, 其响应分析与抑制研究极具创新性和挑战性, 目前仍是国内外研究的热点问题之一.
要解决这类微振动性能评估与抑制问题, 需要重点开展微振动源的产生及传递机理、微振动耦合动力学模型、微振动响应测量方法和微振动抑制方法等研究.
综上所述, 当前及未来功能性更强、复杂性更高、个性化更突出的新型航天器, 具有结构大型化、构形复杂化、服役环境极端化、多因素耦合化等标志性的特点. 但由于现有力学手段的局限性和模拟真实环境的困难, 对力学学科解决工程问题提出新的挑战. 这些挑战性问题既有要解决的机理问题、方法问题, 也有要解决的工程应用问题. 因此, 需要将新型航天器工程方面的需求与力学学科的发展紧密联系起来, 实现工程与科学的相互结合、相互促进, 从而给航天工程提供理论支持, 提升采用力学基础知识解决工程问题的能力.
为促进航天科技与力学学科的发展, 建议: (1)充分发挥各工程单位、科研院所与高校的协同创新作用, 形成以工程需求为牵引、力学作为基础支持的相互支撑发展模式, 注重创新性研究, 尤其重视地面试验与模拟试验、自主性分析软件的开发与使用问题.(2) 重点结合重大专项计划, 针对工程关键技术问题、基础性问题, 开展相关航天工程相关力学学科关键技术的研究与攻关, 并对于力学多学科耦合交叉问题给予重点关注, 以提升我国新型航天器的研制水平和创新能力. (3) 加强国内外交流和人才培养,提升航天工程人才队伍水平和解决航天器工程力学问题的能力.
本文是在香山科学会议第508 次学术讨论会“新型航天器中的力学问题”的大会主题评述报告基础上编写完成. 需要说明的是, 新型航天器中的力学问题其实有很多, 且由于新型航天器的发展将呈现更多的样式和复杂性, 因此带来的挑战性力学问题也将日趋复杂和多样, 需要持续不断加强对其研制难点的分析和力学问题的认知. 本文提到的问题, 只是从工程实际需求出发梳理出的需要解决的最关键的“拦路虎”.更详细的问题和分析, 留给中心议题和专题去描述.同时, 鉴于本人的认知, 文中所述仅代表作者个人观点, 肯定存在不全面和不当之处, 欢迎批评指正.
【论新型航天器发展对力学学科的挑战】相关
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“量子力学”是20世纪物理学对科学研究和人类文明进步的两大标志性贡献之一,已经成为物理学专业及部分工科专业最重要的基础课程之一,是学习“固体物理”、“材料科学”、“材料物理与化学”和“激光原理”等课程的重要基础。通过这门课程的学习,学生能熟练掌握量子力学的基本概念和基本理论,具备利用量子力学理论分析问题和解决问题的能力。同时,这门课程对培养学生的探索精神和创新意识及科学素养亦具有十分重要的意义。然而,“量子力学”本身是一门非常抽象的课程,众多学生谈“量子”色变,教学效果可想而知。如何激发学生学习本课程的热情,充分调动学生的积极性和主动性,提高量子力学的教学水平和教学质量,已经成为摆在教师面前的重要课题。近年来,笔者在借鉴前人经验的基础上,结合郑州轻工业学院(以下简称“我校”)教学实际,在“量子力学”的教学内容和教学方法方面做了一些有益的改革尝试,取得了较好的效果。
从经典物理所面临的困难出发,到半经典半量子理论的形成,最终到量子理论的建立,对量子力学的发展脉络进行细致的、实事求是的分析,特别是对量子理论早期的概念发展有一个准确清晰的理解,弄清楚到底哪些概念和原理是已经证明为正确并得到公认的,还存在哪些不完善的地方。这样一方面可使学生对量子力学中基本概念和基本理论的形成和建立的科学历史背景有一深刻了解,有助于学生理清经典物理与量子理论之间的界限和区别,加深他们对这些基本概念和基本理论的理解;另一方面,可使学生对蕴藏在这一历程中的智慧火花和科学思维方法有一全面的了解,有助于培养学生的创新意识及科学素养。比如:对于玻尔理论,由于对量子化假设很难用已经成形的经典理论来解释,学生往往会觉得不可思议,难以理解。为此,在讲解这部分内容时,很有必要介绍一下玻尔理论产生的历史背景,告诉学生在玻尔的量子化假设之前就已经出现了普朗克的量子论和爱因斯坦的光量子概念,且大量关于原子光谱的实验数据也已经被掌握,之前卢瑟福提出的简单行星模型却与经典物理理论及实验事实存在严重背离。为了解决这些问题,玻尔理论才应运而生。在用量子力学求解氢原子定态波函数时,还可以通过定态波函数的概率分布图,向学生介绍所谓的玻尔轨道并不是真实存在的,只是电子出现几率比较大的区域。通过这样讲述,学生可以清晰地体会到玻尔理论的承上启下的作用,而又不至于将其与量子力学中的概念混为一谈。
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对于每个销售工程师而言,客户项目进度和什么时间订货不可能由销售工程师主观愿望所决定,即使是固定的OEM客户,也存在不确定因素。在已经确定使用RA公司产品后,它包括很多不可控的具体问题:如项目什么时间可以审批;项目资金运作情况;市场需求是否发生变化。因此,每个销售工程师发现项目机会到收取订单这个时间间隔完全不由个人决定,但是通过统计所有销售工程师的每个客户活动时间间隔的方法来分析,可以发现其一般性规律。
用收获订单时间t表示从发现项目到收取订单的时间间隔,一个订单在t天收取的概率可以近似为一个幂函数P(t)=t-a,其中a=1.34。其中62.55%的订单是在12个月内收到的。超过24个月的订单不足8%。这也符合公司对销售任务的要求。
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冯•盖尔德针对80年代以后符号主义、联结主义范式所产生的困难,提出他的动力学假说(Dynamicist Hypothesis)。对于认知科学中的时间、构架、计算和表征等概念都提出了不同的解释。以下是读文网小编为大家精心准备的:认知科学的动力学范式相关论文。内容仅供参考阅读。
认知科学的动力学范式全文如下:
自80年代联结主义范式兴起以后,符号主义和联结主义成为认知科学的两大基本范式,由于两大范式建立在功能主义计算假设和联结主义假设之上,受到一系列质疑。随着最近十年一些有关动力系统理论文献的问世,一种新的关于认知科学的基础理论似乎在逐步形成,例如,格罗布斯(Globus 1992),罗伯特森(Robertson 1993),西伦(Thelen)和斯密斯(Smith 1994)的文章和著作希望发展一种对认知更好的动态的理解进路。特别是冯•盖尔德(van Gelder)和波特(R.Port)(1995)年出版了一本关于认知科学的动力理论的书:提出认知科学的动力学研究进路(It’s about time:An overview of the dynamical approach to cognition,Mind as motion:Explorations in the dynamics of cognition, Cambridge, MA, MIT),被作为认知科学第三种竞争范式的宣言。此书引起了较大凡响,如华盛顿大学伊莱斯密斯(C.Eliasmith)1996年发表了《第三种竞争范式:对认知的动力理论的批判性考察》,其后也有其他人的热烈讨论。
冯•盖尔德针对80年代以后符号主义、联结主义范式所产生的困难,提出他的动力学假说(Dynamicist Hypothesis)。对于认知科学中的时间、构架、计算和表征等概念都提出了不同的解释。冯•盖尔德把纽厄尔(Newell)西蒙(Simon)的计算主义假说或说物理符号系统假说:
“自然的认知系统在物理符号系统的意义上是智能的。”
相关的,期望用动态眼光理解认知的还有丘奇兰德(Churchland)和谢诺沃斯基(Sejnowski),他们(1992)把所拥护的联结主义假说表述为“突现性是以系统的某种方式依赖于低层现象的高层结果”。他们承诺“通过构架的低层神经网络的作用能达到复杂的认知效果”
“直觉过程是一种亚概念的(subconceptual)联结主义动力系统,它不接受完全的、形式化的、精确的概念层次的描述”。
“用亚概念网络把自然认知系统看作是动力神经系统是最好的理解。”
有一种假设认为,人意向性意识涌现于集群系统动力学,并由环境激发。
动力系统类包括任何随时间变化的系统,广泛用于对自然界的描述。动力论者期望勾画一类特殊的能恰当描述认知的动力系统。于是1995年冯•盖尔德给出他的动力学假说(Dynamicist Hypothesis):
“自然的认知系统是某种动力系统,而且从动力学眼光理解认知系统是最好的理解。”
动力学假说是以数学的动力系统理论为基础描述认知的,用数学中的状态空间(state space)、吸引子(attractor)、轨迹(trajectory)、确定性混沌(deterministic chaos)等概念来解释与环境相互作用的认知主体(智能体)的内在认知过程。用微分方程组来表达处在状态空间的认知主体(智能体)的认知轨迹。换句话说,认知是作为认知主体所有可能的思想和行为构成的多维空间被描述的,特别是通过在一定环境下和一定的内部压力下的认知主体的思想轨迹来详尽考察认知的。认知主体(智能体)的思想和行为都受微分方程的支配。系统中的变量是不断进化的,系统服从于非线性微分方程,一般来讲是复杂的,是确定的。
这些模型虽然不仅仅是动力学假设的应用实例,但被动力论的倡导者看作他们的范式的担当者。
1.循环原动力行为模型(Cyclical Motor Behavior Model)
罗伯特森(1990)曾用动力学进路对CM(新生婴儿的自发的原动力行为中的循环)做了大致勾画。罗伯特森采集了大量的关于新生婴儿呈现的自发的原动力行为的数据。由于这些经验数据的有效性,这个动力系统模型CM是少有的几个能够充当动力系统模型的。而且许多人认为,这是一种可定量化的生理学行为的一种非隐喻的动力描述,恐怕较临床心理学的研究结果更能让人欣然接受。
罗伯特森后来过滤了观察状态空间,获得了带有少数自由度的一个理想的动力模型,似乎能够模拟CM的随机过程。但基于后来的研究,罗伯特森只能得出结论说是“我对CM的生物学基质清楚地知道的很少”。结果,至今还没有完美的动力系统模型。
因此罗伯特森说:“我们距离建立一种使状态变量和参数与生理学和环境因素有清楚对应的关于CM的动力系统模型的目标,还有相当长的路要走”。
2.嗅觉球状模型(Olfactory Bulb Model)
斯卡德(Skarde)和弗里曼(Freeman)1987年的论文“为了了解世界大脑是如何制造混沌的”大致勾勒了这个模型并进行了一定程度的实验,这是一个基于嗅的神经过程的考察,借助复杂动力系统理论描述感受器官的神经系统的各种复杂状态、包括描述混沌神经元活动及其有规律的轨迹而提出的精致模型。盖尔德和格罗布斯、巴顿(Bardon)纽曼(Newman)等都承认它可以作为动力系统模型。
3.动力振动理论模型(Motivational Oscillatory Theory)
动力振动理论(MOT)是一个关于循环的动力系统的模型。是冯•盖尔德(1995)推荐作为动力论假说范例的一个简化的动力系统模型,它是由……提出的。
但是这个系统最大的问题就是如何正确选择系统的参数。因为对于动力系统而言,是对初值敏感的,“改变动力系统的一个参数就改变了它的整个动力学” (van Gelder,1995,p.357)。
4.语言认知的动力学模型
5.关于意识的动力学模型
……
表征是认知科学最核心的概念之一。表征包括对象表征、问题表征和知识表征等,还有内隐表征和外显表征,人的表征和机器表征,总之,表征被认为是人类对自身和对外部世界表达式的媒介,特别是,知识表征是推理的前提。在计算主义框架下,知识表征是有效计算的媒介,是使计算机世界的信息沟通以及与人的世界的信息沟通成为可能的媒介。在我们今天普遍流行的认知科学范式中最重要的就是表征与计算问题,无论是作为“一种替代物”,“一组本体论承诺”,还是“一种媒介”(韦格曼(M.Wageman,1996)),抑或一种“被构造出来的作为另一对象的替代物而存在的符号”(刘西瑞,2004),大家都默认着一个假定,“没有表征就没有人类认知”。
动力论的认知范式与其他范式的一个重要区别是对表征的不同理解。符号主义模型是以符号表征为基础的。联结主义的表征是以网络中的并行式表征或局部符号表征(Globus 1992,Thelen and Smith 1994;van Gelder 1993,1995)为基础的。但动力论的认知范式则宣称,一个动力模型应当是“无表征的”。
在对联结主义范式的批判中,格洛布斯指出,“表征的过程实际上是在简化网络中的(符号的)计算过程。”在真实的网络中是无表征的,它们是变化的;是借助化学变化的自组织过程,因此谈论表征是没有意义的(Globus 1992,p.302),类似的,van Gelder认为“表征概念对于理解认知是不充分的一种诡辩式的东西(sophisticated)(van Gelder,1993,p.6). Thelen and Smith 宣称“我们根本不去建立什么表征” (Thelen and Smith 1994,p.338)!动力主义者认为,对于恰当解释认知,表征是完全不必要的。
实际上,布鲁克斯(R.Brooks)就宣称,将建造一种完全自动的、能动的行为者(创造物),它们与人类共存于世界上,并被人类认可是有自己权利的智能存在。创造物在它的动力环境中必须以随机应变的方式恰当处理问题。它们应有多种目标,能适应环境,也能利用偶发环境。布鲁克斯的方案是把复杂系统分解为部分来建造,再连接到复杂系统中。他所设计的机器人,是靠控制不同的层次直接与环境作用,因此他宣称“根本不需要表征”(1991)。
因此,也有人攻击动力论范式,拒斥表征无非是对行为主义规划的不成功表达的一种强烈暗示。说它是“无表征的”,不如说它是“在某种类型的非计算的动力系统中存在状态空间演化的”。
动力系统理论对认知行为的连续性提供了随时间变化的自然主义的说明。这是其他范式不能说明的,其他范式一般来讲是忽略时间概念的。但人类大脑与环境之间是随时有信息交流的,而且是处在不断变化的,暂态的连续的认知是随时间变化的。
动力系统理论的优势是对认知的描述是多元的,是一种经验可检验的理论,可以对描述认知系统的微分方程进行分析修正,也可以用已知的技术去解这些方程,比起其他理论,它是一种定量的分析,是理解认知的一种确定性的观点。另一优势是动力系统的描述可以展示人类行为复杂的,混沌的特性。动力论者认为,如此对认知的分析描述,应当是已经找到了替代认知科学中的符号主义、联结主义的新范式。果真如此吗
但是前面讨论的一些模型外,至今有多少是成功的模型?
对于表征的理解受到质疑.
如何保证动力系统的各变量和参数的恰当选择?系统的稳定性和可靠性问题。
认知的动力系统虽然不是一种隐喻性的,而是一种定量的分析,但对于定量性描述的因素的选择基于什么原则?
动力学理论是否构成同符合主义、联结主义具有同样竞争力的第三种范式?
它是对于认知的最有潜力和生命力的新范式?
……
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“量子力学”是20世纪物理学对科学研究和人类文明进步的两大标志性贡献之一,已经成为物理学专业及部分工科专业最重要的基础课程之一,是学习“固体物理”、“材料科学”、“材料物理与化学”和“激光原理”等课程的重要基础。通过这门课程的学习,学生能熟练掌握量子力学的基本概念和基本理论,具备利用量子力学理论分析问题和解决问题的能力。同时,这门课程对培养学生的探索精神和创新意识及科学素养亦具有十分重要的意义。然而,“量子力学”本身是一门非常抽象的课程,众多学生谈“量子”色变,教学效果可想而知。如何激发学生学习本课程的热情,充分调动学生的积极性和主动性,提高量子力学的教学水平和教学质量,已经成为摆在教师面前的重要课题。近年来,笔者在借鉴前人经验的基础上,结合郑州轻工业学院(以下简称“我校”)教学实际,在“量子力学”的教学内容和教学方法方面做了一些有益的改革尝试,取得了较好的效果。
在实际教学中着重注意物理图像的构建,使学生对一些难以理解的概念和理论形成较为直观的印象,从而形成深刻的记忆和理解。例如:借助电子束衍射实验,通过三个不同的实验过程(强电子束、弱电子束及弱电子束长时间曝光),即可为实物粒子的波粒二象性构建出一幅清晰的物理图像;借助电子束衍射实验图像,再以光波类比电子波,即可凝练出波函数的统计解释;借助电子双缝衍射实验图像,可使学生更易接受和理解态叠加原理;借助解析几何中的坐标系,可很好地为学生建立起表象的物理图像。尽管这其中光波和电子波、坐标系和表象这些概念之间有本质上的区别,但借助这些学生已经熟知和深刻理解的概念,可使学生非常容易地接受和理解量子力学中难以言明的概念和理论,同时,也可使学生掌握这种物理图像的构建能力,对培养学生的创新思维具有非常积极地作用。
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