基于性能的理论
基于性能的理论（精选12篇）
基于性能的理论 第1篇
由于地震和地面运动有很大的不确定性, 导致结构在其使用期限内可能遭遇预期强度等级的地震, 也有可能遭遇远远大于预期强度等级的地震, 这就使结构工程师很难准确了解结构的抗震需求。当前, 多数国家对结构抗震设计原则为:对于一般的工程结构, 设计时以本区域内多遇地震作为结构弹性阶段承载力和变形验算依据, 以保证结构在小震作用的结构正常使用功能;同时以大震作为结构在极限状态下的验算依据, 以满足在结构在强震下不至于倒塌危及生命安全。虽然这种设计方法较为简单, 设计结果较为经济, 但也在某种局限了结构的抗震设计。首先, 仅仅以正常使用状态和极限状态作为设计阶段, 并不能保证结构在除此两状态之外的处于其它状态时的损伤程度和功能完整性, 这就要求我们对结构的其它状态的性能水平进行更深入的研究。其次, 这种设计仅仅要求结构满足基本的抗震设防目标, 局限了业主对结构抗震方面提出更高的设防要求, 安全度已与目前的经济和社会发展不符, 故我们有必要对结构的设防目标进入更进一步的研究。因此, 对结构采用多级性能水平和多级抗震设防目标的基于性能的抗震设计具有重要的理论意义和实用价值。
2 结构的地震反应分析了方法
自1899年日本学者大森房吉首次提出用于结构抗震设计的静力法以来, 结构的地震反应分析方法经历了从静力法到动力的反应谱法和动力时程分析法这三个阶段的演变过程, 在动力阶段中又可分为弹性与非弹性 (非线性) 两个阶段。根据所考虑的地震动特点, 结构地震反应分析方法可以分为确定性方法和随机振动方法。确定性方法利用地震记录或由其他方法确定的地震波进行结构的地震反应计算, 随机振动方法则把地震视为随机过程, 把具有统计性质的地震动作用在结构上来求出结构的反应。到目前为止, 国内外的抗震设计规范绝大多数都采用确定性方法, 因此本文也仅考虑确定性方法。
由大森房吉提出的弹性静力法理论假设结构各个部分与地震动具有相同的振动, 因此, 地震力等于地面运动加速度与结构总质量的乘积;在大森房吉之后, 佐野利器于1916年提出震度法, 认为以结构10%的总重量作为水平地震力来考虑地震作用。该法把结构的动力反应特性这一重要因素忽略了, 具有很大的局限性, 只有当结构可近似地视为刚体时, 该方法才适用。
由于缺乏对地震动特性的认识和结构振动分析理论的了解, 基于动力学的地震反应分析理论一直未能得到发展;直到1930年之后, 人们逐渐认识到地震动特性对确立合理的抗震设计方法的重要性, 从1931年起, 美国开始进行地震观测台网的布置, 并在1940年Imperial Valley地震中成功地收集到了包括El-Centro地震记录在内的大量地震记录资料, 为抗震动力学方法的发展提供了宝贵的资料。1943年, M.A.Biot提出了反应谱的概念, 并给出了世界上第一条弹性反应谱曲线。G. W.Housner于1948年提出基于加速度反应谱曲线的弹性反应谱曲线, 1956 年N.M.Newmark率先将该法应用于实际工程设计, 并在实际地震中得到了验证, 自1958年第一届世界地震工程会议之后, 反应谱法被许多国家所接受, 并逐渐被采纳应用到结构抗震设计规范中。我国1959年的抗震规范草案就采用了反应谱理论并在以后的各次规范修订中不断完善和发展。在弹性反应谱的概念提出不久之后, 就提出了非线性反应谱的概念, 试图将这一简单的概念应用于非线性地震反应分析中, 目前, 除新西兰抗震规范采用非线性反应谱以外, 非线性反应谱基本没有直接得到应用。
动力时程分析方法是将地震动记录或人工地震波作用在结构上, 直接对结构运动方程进行积分, 求得结构任意时刻地震反应的分析方法, 根据是否考虑结构的非线性行为, 该法义可分为线性动力时程分析和非线性动力时程分析两种。该方法是借助于强震台网收集到的地震记录和模拟电子计算机, 于20世纪50年代末由美国的G. W.Housner提出的:日本于20世纪60年代初, 在武藤清教授的领导下, 也开始了这项研究工作。随着计算机的发展, 该方法在国外于20世纪60、70年代得到了迅速的发展。我国于20世纪70年代末和80年代初在这方面开展了大量的研究工作。随着计算手段的不断发展和对结构地震反应认识的不断深入, 该方法越来越受到重视, 特别是对体系复杂结构的非线性地震反应, 动力时程分析方法还是理论上唯一可行的分析方法, 目前很多国家都将此方法列为规范采用的分析方法之一。
3 对性能的抗震设计的不同定义
“基于性能”一词源于英文Performance-based。基于性能的抗震设计 (PBSD) 理论是20世纪90年代由美国科学家和工程师首先提出的, 最早应用于桥梁抗震设计中。基于性能抗震设计的基本思想是使被设计的建筑物在使用期间满足各种预定功能或性能目标要求。这一思想影响了美国、日本和欧洲地震工程界。各国同行表现出了极大的兴趣, 纷纷展开多方面的研究。
SFAOC Vision 2000对PBSD的定义是“性能设计应该是选择一定的设计准则, 恰当的结构形式、合理的规划和结构比例。保证建筑物的结构与非结构构件的细部构造设计, 控制建造质量和长期维护水平, 使得建筑物在遭受一定水准地震作用下, 结构的损伤或破坏不超过某一特定的极限状态”。
ATC-40对PBSD的定义为“基于性能的抗震设计是指结构的设计准则由一系列可以实现的结构性能目标来表示, 主要针对钢筋混凝土结构并且建议采用基于能力谱的设计原理”。显然, ATC-40建议使用能力谱方法对钢筋混凝土结构进行抗震设计。
FFMA 273和FFMA 274对PBSD的定义为基于不同设防水准地震作用, 达到不同的性能目标。在分析和设计中采用弹性静力和弹塑性时程分析来实现一系列的性能水准, 并且建议采用建筑物顶点位移来定义结构和非结构构件的性能水准, 不同的结构形式采用不同的性能水准。而且FFMA273利用随机地震动概念提出了许多种性能目标., 适合于多级性能水准结构的分析与设计方法从线性静力延伸到弹塑性时程分析。
1995年的Kobe地震后, 日本启动了“建筑结构现代工程开发”研究项目, 对性能设计涉及的内容进行了概述;1996年, 日本建筑标准法按照基于性能的要求进行了修订;1998年, 日本的建筑标准法加入了能力谱方法。
我国一些学者也对PBSD进行了定义:“基于性能的结构抗震设计是指根据建筑物的重要性和用途确定其性能目标;根据不同的性能目标提出不同的抗震设防标准, 使设计的建筑在未来地震中具备预期的功能。”
PBSD已成为近几年美国、日本、新西兰等国家在抗震方面的主要研究课题。美国学者认为, 基于性能的抗震设计方法应该编成指南或规定, 而不是规范提供给设计人员和业主, 从现行的以保障生命安全为宗旨的抗震设计规范向基于性能的抗震设计规范的选择性设计规定的转变应该是“演进”而不是“革命”, 其基本思想还可以通过每三年一次的规范修订融入现行规范中去。美国国际规范委员会 (ICC) 1997年5月出版国际建筑规范2000 ( International Building Code. IBC) 草案已强调了与性能要求有关的内容。近年来, 基于性能的抗震设计思想及研究成果已经纳入美国大学本科生和研究生的结构抗震设计课程教学工作中, 主要内容即以Vision2000为基础。日本也在多方资助下于1995年开始了为期3a的“新建筑结构体系开发”研究项目, 成立了由国内著名学者参加的新建筑构造体系综合委员会。该委员会下设性能评价、目标水准和社会机构3个分委员会。为推进和协调这一项目的进程, 还建立了“新构造体系促进会议”, 讨论、规划和协调各方而的工作。英国等欧洲国家和智利等拉美国家也对PBSD开展了研究。1996年在中美抗震规范学术讨论会上也对PBSD进行了交流, 提出了把PBSD引入到结构优化设计领域的概念。有学者建议, 中国21世纪的抗震设计应顺应国际发展的趋势, 发展适合于中国国情的PBSD。
4 目前国内外地震工程界学界对PBSD开展的研究工作
(1) 多级性能水准的确定与统一。
生命安全水准、结构损伤水准和确保使用功能水准为当前规范普遍接受的3级性能水准。生命安全水准要求建筑在罕遇地震作用下不倒塌;结构损伤水准要求建筑损伤控制在可修复的范围内;确保使用功能水准要求结构不产生影响建筑直接使用的变形等。PBSD要求细化这3级性能水准并建立相应的结构设计准则。
(2) 多级地震设防水准的确定与统一:
当前规范普遍采用3级性能水准所对应的最高设防水准。在建筑使用期内遭遇一次地震危险的水准和可能遭受多次地震危险的水准3级地震设防水准。PBSD同样要求细化这3级地震设防水准。
(3) 可行的结构设计与分析方法:
PT3SD要求建立适合于在多级水准地震作用下实现多级性能水准的结构设计与分析方法。
(4) 结构安全性评估方法的完善:
当前由静力推覆分析方法和能力谱分析方法结合形成的静力弹塑性方法被普遍用来评估罕遇地震作用下建筑的抗震性能。
基于性能的抗震研究是一个非常庞大和复杂的问题, 就目前的发展水平, 还存在以下问题需要进一步研究解决。
在结构性能方面, 虽然提出了不同性能水平, 但只是对结构和非结构性能的破坏程度的描述, 对结构“不坏、可修、不倒”定义模糊, 未给出明确的量化指标, 是本文主要研究问题之一, 有待进一步研究。
在结构多级性能目标方面, 如何进一步考虑建筑场地特征和近震的影响, 以及设防水平与震后重建时间、费用之间的定量关系。
对于高层建筑或沿高度侧向刚度有变化的建筑, 采用何种目标侧移曲线, 侧向力分布模式是否考虑高阶振型的影响, 都需要作进一步深入的研究。
如何针对复杂的混合塑性铰分布破坏机制建立位移延性和曲率延性的转化关系, 从而获得结构曲率延性需求, 有待进一步研究。
摘要：对基于性能的抗震设计理论的发展史作了回顾, 总结了当今国内外对这一理论的研究现状, 提出了一些需要解决的问题。
关键词：抗震设计,基于性能的抗震理论,性能水平,评价指标,基于位移的抗震设计
参考文献
[1]SEAOC Vision2000Committee.Performance-Based Seismic En-gineering of Building[R].Report Prepared by Association of Cali-fornia, Sacramento, California, USA.1995.
[2]李应斌, 刘伯权, 史庆轩.基于结构性能的抗震设计理论研究与展望[J].地震工程与工程振动, 2001, (12) .
基于性能的理论 第2篇
灰色系统理论在沥青路面使用性能预测中的应用
采用PCI、RQI、SFC三项指标评价沥青路面的使用性能.利用灰色系统理论,以PCI为例,建立了基于历史数据的.指标预测模型,并对模型的精度进行了评价.采用所建立的模型,对PCI、RQI、SFC三项指标进行预测,根据预测结果提出相应的养护措施.
作 者：李昌洲 何晓鸣 李文文 LI Chang-zhou HE Xiao-ming LI Wen-wen 作者单位：武汉工业学院,土木工程与建筑学院,湖北,武汉,430023刊 名：武汉工业学院学报英文刊名：JOURNAL OF WUHAN POLYTECHNIC UNIVERSITY年，卷(期)：201029(1)分类号：N941.5 U416.27关键词：灰色系统理论 沥青路面 使用性能 GM(1,1)模型
基于性能的理论 第3篇
关键词：X射线； 多层膜Laue透镜； 衍射动力学； 衍射效率； 高级次
中图分类号： O 434 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.014
Abstract：The dynamical diffraction theory is employed to analyze the diffraction efficiency and the resolution ratio of hard Xray waves inside the multilayer Laue lenses. The multilayer Laue lenses are made from NbC/Si with a zone thickness of 40 μm. There are two ways to improve the resolution ratio. The first way is to reduce the outmost zone thickness and use wedge structure， but it is hard to form the structure. The second way is to use the high order. This way can improve the resolution ratio without changing the structure. The results show that a focused beam size of 6.72 nm and a mean efficiency of 49.31% can be obtained by the -3rd order of multilayer Laue lens with 10 keV Xray.
Keywords： Xray； multilayer Laue lens； dynamical diffraction theory； diffraction efficiency； high order
引 言
X射线显微术具有极限分辨率高，穿透性强等优势。伴随着第三代同步辐射光源的发展，需要大量高分辨率硬X射线聚焦元件[1]。目前研究比较多的X射线聚焦元件有折射式复合折射透镜[2]，掠入射式KB镜[34]和衍射式波带片[5]。
多层膜Laue透镜是一种新型的硬X射线聚焦元件，能够实现高效率的纳米级硬X射线聚焦。现阶段用一维波带片能够形成聚焦效率为30%，分辨率为11.2 nm的聚焦光斑[6]。通过两个多层膜Laue透镜正交放置能够形成聚焦效率为17%，大小为25 nm×27 nm的二维聚焦光斑[7]。在实际应用中，二维聚焦更加具有价值，但是光通过两个正交放置的多层膜Laue透镜后，消光严重，以至到达焦平面的光通量小，而且分辨率也变差，严重影响了显微镜的成像质量和采集时间，所以在提高多层膜Laue透镜的聚焦效率时也迫切希望提高分辨率。
为了获得更高的衍射效率，在选择材料前，计算了14种常用的高原子序数材料与Si 组合构成的多层膜Laue透镜对10 keV硬X射线的衍射效率。通过衍射动力学理论，分析了入射光在Laue透镜内的衍射特性，在分析过程中考虑了Laue透镜内5个级次衍射光的相互作用。对比发现NbC/Si多层膜Laue透镜的衍射效率最高，于是本文设计多层膜Laue透镜的材料组合为NbC/Si。在设计多层膜Laue透镜的过程中需要重点考虑聚焦分辨率，依据瑞利判据可以通过增加数值孔径提高分辨率，但是这种方法会增加实际制备的难度，于是本文提出了两种新的方法来提高聚焦分辨率。
1 多层膜Laue透镜的结构模型
多层膜Laue透镜是一种特殊的线性波带片，图1给出了楔型Laue透镜的结构以及3个级次的聚焦光路。从图中可以看到Laue透镜具有多个衍射级次。
2 多层膜Laue透镜的衍射动力学模型
在硬X射线波段工作的波带片要想取得高效率的聚焦光斑，需要有较大的高宽比。传统的电子束光刻技术最多能使波带片的高宽比达到20。为了进一步提高波带片的高宽比，美国Argonne国家实验室提出了先在平面基地上镀制多层膜，然后切片、减薄和抛光制备线性波带片，通过这种方式便可以使波带片获得任意高宽比。此时适用于“薄”波带片的衍射运动学理论已不再适用，而需要考虑硬X射线与物质内原子的多重散射以及硬X射线和各级次衍射光的相互作用。Yan等[9]在研究硬X射线在厚波带片中的传播路径时发现硬X射线在畸变晶体中的衍射与多层膜Laue透镜中相似，于是借鉴了硬X射线在畸变晶体内传播的TakagiTaupin方程，发展了适用于多层膜Laue透镜的衍射动力学理论。
在研究硬X射线在多层膜Laue透镜中的衍射过程时，通过把多层膜Laue透镜结构和一个严格周期结构映射，如图2所示，图中1st表示多层膜劳厄透镜距离光轴的第一个周期结构，nth表示沿膜层生长方向多层膜Laue透镜的第n个周期。将多层膜Laue透镜结构中极化率的表达式展为准傅里叶级数形式。
3 10 keV处NbC/Si多层膜Laue透镜衍射性能
3.1 一级次衍射性能
设定工作能量E=10 keV（λ=0.124 nm），考虑到现阶段实际制备的多层膜Laue透镜的最大厚度为43.4 μm[6]，于是本文设计了整体膜厚为40 μm的多层膜Laue透镜。多层膜Laue透镜的膜层周期厚度渐变，周期厚度的差异使不同的区域对入射光线的衍射效率截然不同[11]。图3对比了最外层宽度分别为10 nm和2 nm，水平型和楔型多层膜Laue透镜-1级次的衍射效率。研究时，Laue透镜的材料组合是NbC/Si。图中四种结构的截面深度为平均衍射效率最高所对应的截面深度。
最外层宽度为10 nm时，在膜厚Rn小于16.45 μm处，楔型多层膜Laue透镜与水平型多层膜Laue透镜的衍射效率均低于35%，并且水平型多层膜Laue透镜对应的衍射效率略高于楔型多层膜Laue透镜。楔型多层膜Laue透镜为了满足Bragg条件，使每层膜都倾斜一个角度使接收入射光的面积减小。所以在近光轴区，楔型多层膜Laue透镜的局部衍射效率低于水平型多层膜Laue透镜。当Rn为16.45 μm时，水平型多层膜Laue透镜和楔型多层膜Laue透镜的局部衍射效率开始分离。随着膜层远离光轴，水平型多层膜Laue透镜的局部衍射效率开始缓慢降低，楔型多层膜Laue透镜衍射效率缓慢增大，此时的Laue透镜由RamanNath区向Bragg衍射区域过渡[12]。Rn大于30 μm以后，衍射效率均大于70%。
对于最外层宽度为2 nm的结构，水平型多层膜Laue透镜与楔型多层膜Laue透镜的衍射效率在Rn为3.3 μm时开始分离。水平型多层膜Laue透镜对应的局部衍射效率迅速降低，楔型多层膜Laue透镜的衍射效率迅速增大，当Rn≥5 μm时，衍射效率趋于平稳并且大于70%。入射光波长和膜层厚度不发生改变时，当最外层宽度减小，在相同的区域内，Bragg角的变化范围增大，所以衍射效率增长的过渡区变小。
整片多层膜Laue透镜的分辨率数值近似等于最外层宽度。单片多层膜Laue透镜数值孔径减小了一半，依据瑞利判据，光学元件的空间分辨率θ=0.61λ/NA（λ是入射光波长，NA是数值孔径）随着数值孔径的减小，聚焦光斑的分辨率值应该扩大两倍。图4中的曲线为四种结构的分辨率。最外层宽度取10 nm时，楔型多层膜Laue透镜的半高全宽为18.78 nm，水平型多层膜Laue透镜的半高全宽为21 nm。最外层宽度取2 nm时，楔型多层膜Laue透镜的半高全宽为3.54 nm，水平型多层膜Laue透镜的半高全宽为33.6 nm。最外层宽度为2 nm时，水平型多层膜Laue透镜对光线的会聚能力很弱，主要是由于膜层厚度薄，导致Laue透镜有较大的区域高宽比达到了衍射动力学条件。膜层在满足Bragg条件时才能实现光线会聚，水平型多层膜Laue透镜内的光线进行无规则的相互干涉，以致在出射面上产生大的相位偏差，使分辨率变差[1]。通过计算可知：当最外层宽度较小时，水平型多层膜Laue透镜无法实现硬X射线的有效聚焦，楔型多层膜Laue透镜能够会聚高强度，高分辨率的聚焦光斑。
3.2 高级次的衍射效率
多层膜Laue透镜的入射光波长以及焦距确定后，要想取得较高的分辨率，可以采用两种方法：第一种是减小膜系的最外层宽度，本文在3.1已经进行了讨论；第二种方法是使用多层膜Laue透镜的高级次，高级次在理论上相当于把多层膜Laue透镜的数值孔径增大了k倍（NAk≈k×NA1 ，k是衍射级次）[13]，数值孔径增加了，空间分辨率也会得到提高。
基于高级次对于Laue透镜聚焦的重要性，本文研究了NbC/Si的高级次的衍射效率。理论上，三级次的衍射效率只有一级次衍射效率的10%左右[14]。但是依据衍射动力学理论可以推断出：通过优化截面深度和膜层的γ值，可以提高高级次的衍射效率。
表1为楔型多层膜Laue透镜-2级次和-3级次的衍射效率。占宽比γ取值范围为0.2～0.9。对于-2级衍射，当γ值大于0.3时，随着γ值的增大，衍射效率不断增大。当γ值取0.8时，平均衍射效率达到了最大值η-2 =50.23%。对于-3级次，当γ值取0.9时，平均衍射效率达到了最大值η-3=49.31%。在高级次衍射中，衍射效率会随着γ值的增大而增大。这是由于在多层膜Laue透镜中，随着γ值的增大NbC膜层的厚度逐渐减小。吸收层厚度减小了，使更多的能量可以穿过多层膜Laue透镜，分配到目标级次上。
图5中的3条曲线分别表示：γ值为0.5，-1级次多层膜Laue透镜局部衍射效率；γ值为0.8，-2级次多层膜Laue透镜局部衍射效率；γ值为0.9，-3级次多层膜Laue透镜局部衍射效率，其中drouto为沿膜生长方向多层膜劳厄透镜最后一个周期的厚度。观察曲线变化趋势可以发现：对于-1级次的衍射光，在距离近光轴15 μm以内，局部衍射效率较低。这是因为在这段区域内，高宽比较小。较小的高宽比使能量分散到了更多的级次上，以至于分配到目标级次上的能量减少 [12]。对于-2级次，当距离近光轴区大于10 μm时，局部衍射效率迅速增大。对于-3级次的衍射光，当距离近光轴区8 μm时，局部衍射效率开始增大。可以发现衍射级次越高，衍射效率开始增大时，对应的膜厚距离近光轴区的距离就越小。因为衍射级次越高，对Bragg条件就越敏感，满足Bragg衍射条件的区域也越大。
3.3 会聚光斑的半高全宽
浅谈基于性能的抗震设计理论与方法 第4篇
关键词：基于性能,抗震设计,设防水准,性能水平,性能目标
目前, 我国抗震规范采取“三个水准、两个阶段”的设计。可以肯定的是, 按照现行抗震设计规范设计的建筑在地震中表现出良好的抗震性能[1]。虽然现行设计思想可以做到大震时主体结构不倒塌以保障生命安全, 但在中小震作用下结构可能丧失正常使用功能而造成巨大的经济损失。因此, 结构抗震设计必须从以往只注重结构安全向全面注重结构的性能、安全及经济等诸多方面发展[2], 而基于性能的抗震设计就是在这种背景下提出来的。
上世纪90年代初, 美国加州大学伯克利分校的J.P.Moehle提出了基于性能的抗震设计理论。虽然不同的组织和个人对基于性能的抗震设计的定义不完全相同, 但是基于性能的抗震设计思想是基本一致的, 即:在设计使用期内, 建筑结构遭受不同水准地震作用时, 应该达到相应的性能水准[3]。
1 基于性能的抗震设计的主要内容
基于性能的结构抗震设计包括确定抗震设防水准、明确划分抗震性能水平和抗震性能目标等三个方面的内容。
1.1 抗震设防水准
抗震设防水准是指在工程设计中如何根据客观的设防环境和已定的设防目标, 并考虑具体的社会经济条件来确定采用多大的设防参数, 或者说, 应选择烈度多大的地震作为防御的对象[4]。抗震设防水准是衡量结构抗震能力高低的综合尺度, 既取决于地震强弱的不同, 又取决于结构使用功能的不同。根据实际情况提出适当的抗震设防水准, 既能合理使用建设投资, 又能满足结构抗震安全的要求。
对于基于性能的结构抗震设计, 为了实现多级抗震设防水准, 控制结构在不同水准地震作用下的破坏状态, 需要在三水准的基础上进一步细化抗震设防水准。放眼21世纪委员会 (Vision 2000) 认为[5], 基于结构性能的设计理论追求能控制结构可能发生的所有地震波谱的破坏水准。Vision 2000中地震设防水准的划分如表1所示。
1.2 抗震性能水平
抗震性能水平是指地震发生后建筑物的状况, 即地震引起损失的一种标定 (包括人员伤亡、财产损失、建筑功能等状况) 。基于性能的抗震设计要求结构不仅要保证生命安全, 同时也要控制结构的破坏程度, 使经济损失控制在一定范围内。因此, 针对不同的抗震设防水准, 结构应该具有明确的性能水平。而性能水平的确定涉及到结构构件、非结构构件、内部设施及场地用途等多种因素, 应综合考虑给定破坏状态所引起的安全、经济和社会等方面的后果。在基于性能的结构抗震设计中, 抗震性能水平的划分如表2所示。
1.3 抗震性能目标
结构的性能目标是指相应于一定超越概率的地震作用, 结构所期望的最大破坏程度。在基于性能的结构抗震设计中, 确定合适的性能目标是基于性能的结构抗震设计的前提和基础。结构性能目标取得过高, 虽然可以保证结构有较高的安全性, 但是会大大增加投入;性能目标取得过低, 虽然可以降低结构造价, 但是会大大增加结构的使用风险。
SEAOC Vision 2000[5]建议将结构性能目标划分为3个等级, 即基本目标、重要目标和最高目标。基本目标是一般建筑的最低性能水准;重要目标是医院、公安消防、学校、通讯等重要建筑的最低性能水准;最高目标是含核材料等特别危险物质的特别重要建筑的最低性能水准。规范给出的性能目标是最低标准, 可以根据业主的要求采用更高的水准。结构的性能目标与抗震设防等级、抗震性能等级的关系如表3所示。
2 基于性能的抗震设计方法
目前, 基于性能的抗震设计方法主要有承载力设计方法、基于位移的设计方法和能量设计法等三种方法。承载力设计方法是各国规范普遍采用的方法, 这里不再赘述, 本文主要介绍后两种方法。
2.1 基于位移的设计方法
⑴直接基于位移的设计方法。该方法是先假定结构的整体侧移模式, 并按照结构动力学方法将实际的多自由度体系转化为等效单自由度体系, 确定等效单自由度体系结构的弹塑性地震位移反应, 再根据侧移模式反算出原多自由度体系各楼层的弹塑性地震位移反应, 验算其是否符合限值要求。该方法的关键在于, 如何将多自由度体系转化为等效的单自由度体系, 从而取得较高的计算精度。
⑵能力谱法。能力谱法最早由Freeman等人提出, 后来Fajfar、Chopra等学者对其进行了改进。能力谱法以静力弹塑性分析 (Push-over) 为基础, 将静力弹塑性分析得到的加速度-位移曲线 (结构能力谱曲线) 和地震反应谱曲线转换成相同的格式, 求得两曲线相交点的位移 (称为目标位移) , 或采用图示的方法直观地评价结构的地震性能。目前该方法已成为基于性能的抗震设计方法中的一种主要方法。
⑶延性系数法。延性系数法的实质是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系, 由约束箍筋来保证核心区混凝土达到要求的极限压应变, 从而使构件具有要求的延性系数。延性系数法侧重构造措施在结构抗震设计中的作用, 对构造措施进行定量分析, 并试图建立一个明确的塑性变形机构, 使结构在遭遇地震时按照预定的塑性变形方式进行反应。该方法无法反映结构真实的抗震能力, 在工程实践中较少应用。
2.2 能量设计法
能量设计法假设结构破坏的原因是地震输入的总能量, 地震对结构及其内部设施的破坏是由其输入的能量与结构所消耗的能量共同决定的。能量设计法能够直接估计结构的潜在破坏程度, 对结构的滞回特性以及结构的非线性要求概念清楚, 而且耗能元件的设置可以更好地控制损失。由于结构体系的复杂性, 因此结构滞回耗能的计算很大程度上依赖于构件单元恢复力模型的选取, 计算比较繁琐。
3 结论
基于性能的抗震设计代表着未来建筑结构抗震设计的发展趋势。由于基于性能的抗震设计的研究正处于起步阶段, 还存在许多亟待解决的问题, 如合理的抗震性能水平及性能目标的划分、地震反应位移谱的确定、结构弹塑性静力分析的改进等。随着各国对基于性能的抗震设计的不断深入研究, 这一理论将会得到迅速发展, 相信在不久的将来能够真正实现基于性能的抗震设计理念。
参考文献
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[4]马玉宏, 谢礼立.考虑地震环境的设计常遇地震和罕遇地震的确定.建筑结构学报, 2000, 23 (1) :43-47.
基于性能的两种安全标准 第5篇
基于性能的两种安全标准
现在已经有了一种范例,使用基于性能的标准来设计和分析流程操作和安全仪表系统.这些新标准为设计者提供一种“适用目标”的方法,满足对于规避风险的.要求,而不是使用“最佳实践”规则,可能导致过设计和超费用.
作 者：华殚 Hua Rong 作者单位：施耐德电气(中国)投资有限公司,北京市,100016 刊 名：仪器仪表标准化与计量 英文刊名：INSTRUMENT STANDARDIZATION AND METROLOGY 年，卷(期)： “”(3) 分类号：X9 关键词：基于性能 独立保护层 IEC 61508 ISA S84.01基于SQL数据库的性能优化探究 第6篇
关键词：SQL数据库；必要性；性能优化
中图分类号：TP311.13
SQL数据库是由SQL语言组成的一种集查询、计算、维护系统、数据交换、信息存储等于一身的程序，复杂的操作命令不需要用户自行编写，因此具有操作简便、易学易会的特点，一经开发便大受追捧。然而，随着越来越多同质类数据库的和软件的出现，各自之间的竞争进入到白热化的局面，因此对SQL数据库进行性能的优化探究十分必要，下面将具体讨论SQL数据库性能优化的必要性、影响数据库效能的因素以及具体的优化措施。
1 SQL数据库性能优化的必要性
所谓性能优化，简单来讲就是在保证系统工作的准确率的情况下，用更短的时间、更快的速度完成特定的任务。数据库性能的优化是指通过对数据库语言、数据库索引程序以及硬件等的调试，对数据库的各个部分进行优化处理，从而实现提高运作效率的目的。现阶段对SQL数据库进行优化十分必要，具体原因分为以下几点：
1.1 原有的SQL数据库程序质量良莠不齐
原有的SQL数据库程序良莠不齐，质量比较高的系统程序必然会促使执行的效率大大提高，从而缩短工作时间。然而一些质量比较差的软件，不仅会在使用数据库进行查询等工作的时候造成查询结果的不准确，而且会对数据库造成负面的影响，降低其可信度。
1.2 同质类系统软件相互竞争的结果
伴随着科学技术的发展，计算机的普及程度日渐提高，人们对网络编程、数据库程序的编写越来越重视，也有更多地人加入这个行业，如此多的数据库系统软件的出现既为用户提供更多的选择方案，也通过系统软件的优胜劣汰完成了系统更新，但与此同时也对数据库自身的发展带来了一定的威胁，尤其是SQL这样的老牌的数据库。如果不对其进行优化，SQL数据库必然会在激烈的竞争中处于不利的地位，甚至惨遭淘汰。
1.3 硬件配置不高
电脑的系统可以分为软件和硬件两个部分，硬件是软件的载体，由主机和一些外部部件组成，其中主机包括CPU、网卡、显卡、声卡等部分。CPU是电脑的心脏，它直接影响到电脑程序运作的速度和效率。虽然在我国大部分地区电脑是相当常见，但是总有一些地方电脑的硬件配置不高甚至没有电脑，而这些配置低的电脑是不能使用SQL数据库的。
2 影响SQL数据库性能的因素分析
任何事情都不是凭空发生的，只有努力找出其发生的原因，才能对症下药，想要对SQL数据进行优化必须先了解影响SQL数据库性能的因素，具体来讲可以分为三个方面：
2.1 索引的设计方面
索引具有提高检索效率的作用，相当于书本中的目录，包括分布和类型等七个方面，用户根据索引中的具体指示就能找到指示项的全部信息，方便快捷。索引的设计是否符合要求、是否得当对SQL数据库的具体执行速度有直接的、决定性的关系。同时索引的复杂难易程度，也会影响到用户对数据库的使用满意度。
2.2 数据库的设计方面
第一作为查看数据库中数据的方法之一，视图设计的好坏直接影响到对数据查看、处理的具体环节。第二是表的设计，工作人员在设计表时，应该根据实际情况进行操作，详细处理表中的细节样式，否则会造成数据库数据分析的不清晰，影响其准确性。第三是对多余信息的处理。多余的信息会增加操作过程中的困难程度，对数据库回复数据、多方连接的工作产生负面影响。第四是在设计数据时应该化难为易、化繁为简，否则会影响到数据库的接受程度。
2.3 事物的管理
事物指的是数据库的一系列操作，对它进行合理有效的管理，对保持数据库的完整性，提高工作效率有巨大的积极意义。它具有完整性，拥有详细的工作过程，它的每一个步骤在相对独立的基础上又通过一定的关系形成完整的整体。对事物的管理会影响到数据库数据的修改、删除、查询以及复制。
3 对SQL数据库的性能优化
3.1 SQL语句的优化
SQL语句优化从专业角度来看，是指使原本繁琐、散乱的程序语句，经过相关的手段处理以及在技术上进行一定的改进之后，变为统一的，具有一致性的新语句。有关SQL语句的优化可以从视图、索引、语句三个方面着手。
（1）视图优化。对视图进行优化首先要对其进行分区视图进行优化。为了提高查询效率，我们可以先存储某一信息的数据库表，这样能使数据库在快速工作的同时降低了外部信号对内部存储的干扰。同时面对我们进行信息查询有时需要访问多个表的情况，我们可以通过信息整合的方式，实现数据库的高效查询功能。
（2）索引优化。对于索引的优化，第一步就是要对数据库中的各种信息进行整理，通过重新整合使数据能够按照更准确地顺序排列。这样之后，用户利用数据库进行查询时能非常方便的完成操作，提高了查询效率，缩小了查询的范围。
（3）语句优化。语句优化是SQL数据库优化的重中之重。如在对某个学校数学考试成绩超过70分的学生所在的班级进行查询时，传统的命令语言是这样的：Select班级From学校Where班级代号In（Select班级From学生Where数学成绩>70），虽然能得到结果，但是过程太过复杂不便操作，效率太低。因此，可以首先把班级表设为数据库表内的信息，在查询过程中直接使用SQL数据库查询语句：Select班级From（Select班级From学生Where数学成绩>70 group by班级代号）。
3.2 物理优化
首先是优化文件组。把硬件中的多个磁盘驱动器中特定的对象放到单个磁盘中，同时把数据库文件分为多个文件组，这样用户在使用过程中就可以利用已经分好的文件组进行查询、修改等的任务，提高了数据库的性能。其次是优化磁盘。把磁盘分为多个磁盘阵列，每一个磁盘中都有磁盘的拷贝文件，这种情况下，即使一个磁盘阵列发生故障也还有其他的替代磁盘，提高了数据库的可靠性
3.3 服务器配置优化
中央处理器CPU保证了电脑的正常运行，在维护过程中要作为重要的保护对象，一旦出现CPU在比较高的速率下长时间工作的情况，应注意对CPU进行及时的升级。所谓内存就是计算机的存储器，是用来存储数据和程序的工具，有了内存计算机才能正常工作，因此处于良好状况的内存是SQL数据库功能得以实现的关键因素。同时系统在内存中的比例过大也会影响到程序的运行，因此在对SQL数据库进行设计时不能占用太多的内存也是设计要求之一。磁盘也会在很大程度上影响数据库的运行效率，对此最好的办法就是增加磁盘驱动器。
4 结束语
伴随着计算机水平的日以成熟，人们对计算机软件以及相关的应用技术提出了更为严格的要求和更高的期望，SQL数据库就是在这样的时代背景下发展壮大，实现了由小变大、由弱到强的巨大转变。它为查询、计算等工作提供了便利，提高了工作效率，如何进一步发挥其强大功能，改进现有的一些运行错误成为SQL数据库改进的重中之重。本文对SQL数据库的优化探究，希望能对今后的相关工作起到一定的帮助。
参考文献：
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[2]李学强，罗省贤.基于SQL数据库的性能优化问题分析[J].电子测试，2013（5）.
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作者简介：王爽，男 ，工作单位：西安市组织机构代码管理中心，职称：助理工程师。
基于性能的理论 第7篇
月球引力加速度仅为1.62m/s2,约为地球引力加速度的1/6。在地面条件下无法物理模拟低重力的状态,也就无法开展全力学环境的性能考核试验,这使得月球车的研制存在极大的风险。美国和前苏联在各自月球车项目中都采用模型试验的方法来解决这一问题[1,2]。基于模型试验理论,可在地面条件下,通过一定比例缩小车辆结构参数,来当量于低重力对行驶性能产生的影响。
上述比例要求整车尺寸缩小至原尺寸的1/6,质量是原来的1/216。这对于美国和前苏联吨级月球车来说是恰当的,容易做到。对于100～200kg的月球车来说,显然缺乏操作性。因此,有必要寻找一种既不改变模型的尺寸和质量,又能够模拟低重力影响效果的全新试验理论和方法。
1 因次分析和模型相似理论
因次分析基于两个公理[3]:
公理一 只有在数量具有相同性质时,数量的绝对值才能相等。
公理二 两个同类量大小的比值,若以相同单位测量之,则比值与用以测量它的单位无关。
根据库伦公式,车轮最大牵引力的一般方程为
Fmax=CA+Wtanφ (1)
式中,Fmax为最大牵引力,N;C为土壤内聚力系数,N/m2;A为车轮接地面积,m2;W为车轮承载量,N;φ为土壤内摩擦角,(°)。
式(1)中,不论其长度和力的测量单位是什么,这个方程都是不变的,则这个方程是奇次因次的。
根据伯金汉定理,若一方程是因次齐次式,则该方程可以演变成为一全组无因次乘积的关系式,即如果因变数α1与独立变数α2,α3,,αn之间可用因次齐次式表示为
α1=f(α2α3αn) (2)
则它一定可以变成一组无因次乘积之间的关系式:
π1=f(π2π3πn) (3)
其中,πi(i=1,2,,n)的值是独立的无因次乘积,并由n-r个独立函数组成;n为原方程中变数的数量,r为n个变数的因次矩阵阶数。
同时,假设原型(以下标p表示)的一般方程为
π1p=f(π2pπ3pπnp)
则模型(以下标m表示)的方程为
π1m=f(π2mπ3mπnm)
若π项满足下述条件:
πjp=πjmj=2,3,,s (4)
则有
π1p=π1m (5)
根据模型相似理论,为了使模型试验结果能准确预测原型试验结果,式(4)、式(5)必须严格满足。
对于牵引模型试验,原型月球车在月面行驶的引力加速度为1.62m/s2,模型地面样机在地面行驶的引力加速度为9.80m/s2,则在相似模型系统中,原型相对于模型的比例尺:
Kg=gp/gm=1.62/9.80≈1/6 (6)
式中,Kg为独立变数重力加速度的相似比例值;g为重力加速度。
K代表比例,下标代表某种独立变数,下文中出现该表示方法时,其含义相同。
为使得在地面进行的模型试验仍然能反映月球车原型的行驶特性,其余的独立变数比例尺应当成比例作相应改变。假设能找到满足全部因次的比例尺,那么就能够在地面重力加速度条件下开展模型牵引特性试验,获得有效试验结果。
2 轮壤牵引特性的无因次全组
模型试验的目的就在于尽可能地模拟原型在真实环境下的行驶特性。月球行驶的两大关键因素为土壤力学属性和车辆牵引性能,参考地面车辆牵引特性的变数[3,4,5],可提出月球车月壤系统因次分析的变数,见表1。
表1中,采用质量系统F=MLT-2的三个基本因次作为分析基础,则表1中的M、L、T分别代表质量、长度、时间。
表1变数中的负荷G和扭矩T的因次是其他变数因次的衍生项,即
G=mg⇒MLT-2=MLT-2
T=FdL⇒ML2T-2=MLT-2L
则表1中的14项因次可简化成9项独立变数和初次量构成的因次矩阵A。为方便表示,将9个独立变数的列号表示出来以方便求解各因次的系数:
矩阵A的阶数为3,将阶数从变数的总数9中减去,其差值6为一全组无因次乘积数。于是可写出齐次线性代数方程,无因次乘积的系数(用ξ表示,下标表示9个因变数所对应的列号)是因次矩阵列中的数字,此方程如下:
M ξ1+ξ3+ξ6+ξ9=0
L -ξ1-3ξ3+ξ4+ξ5+ξ7+ξ9=0
T -2ξ1-ξ5-2ξ7+ξ8-2ξ9=0
因为只有三个方程式而要解出8个未知数,其中ξ2=0,故必须给出未知数ξ1、ξ3、ξ5、ξ7、ξ9的值,并从中解出ξ4、ξ6、ξ8。ξ4、ξ6、ξ8的数学表达式如下:
设ξ1=-1,ξ3=ξ5=ξ7=ξ9=0,则由式(8)可解出ξ4=-1,ξ6=1,ξ8=-2。
设ξ3=1,ξ1=ξ5=ξ7=ξ9=0,则由式(8)可解出ξ4=3,ξ6=-1,ξ8=0。
设ξ5=-1,ξ1=ξ3=ξ7=ξ9=0,则由式(8)可解出ξ4=1,ξ6=0,ξ8=-1。
设ξ7=-1,ξ1=ξ3=ξ5=ξ9=0,则由式(8)可解出ξ4=1,ξ6=0,ξ8=-2。
设ξ9=-1,ξ1=ξ3=ξ5=ξ7=0,则由式(8)可解出ξ4=1,ξ6=1,ξ8=-2。
根据以上所得到的解,可得出无因次乘积的全组:
3 模型试验比例因数
在进行模型比例因数推导时,应尽量避免土壤参数中出现比例项。前苏联研究人员在推导比例项的过程中采用KFc=1,即使代表土壤的力学性能的内聚力系数C不变[1]。事实上,笔者认为也可以按照土壤密度不变,即Kρ=1的思路推导。
当假设KC=1时,由模型相似理论,根据式(9)有
π4p=π4m
即
Lp/(gpt2p)=Lm/(gmt2m)
整理得
Lp/Lm=gpt2p/(gmt2m)
则KL=KgK
其余各项也可以按照类似的方法推导得到:
Km=K
当几何尺寸比例KL分别取6、2、1时,上述比例值相对于原型的模型可归纳如表2所示。
4 基于因数比例尺的模型试验方法
采用模型试验的方法,可以在地球重力环境下,对月球车的基本通行性能,包括克服障碍的能力和机动性能进行分析评估,试验的前提是模型试验必须按照表2选取合适的比例值。选取这一比例的实质在于保证“牵引附着”性能量纲一判据(比如牵引力系数、挂钩牵引力系数等)在不同试验环境下的平衡。选取不同的线性比例尺KL则得到不同的模型试验方法。
4.1 按重力比例(KLKg=1)的月球车牵引性能模型试验
采用比例尺KLKg=1,土壤所有物理和力学性能的参数都不变,只需要将模型尺寸缩小到原尺寸的1/6,质量缩小到原质量的1/216,就能够在地面条件下开展牵引性能的低重力条件分析,具体项参见表2中KL=6所对应的列。
前苏联曾经在地面条件下,运用1/6尺寸缩小模型进行试验,同飞机模拟低重力下全尺寸车轮的牵引性能试验相比较,二者所得结果一致[2]。
采用这一方法的局限性在于模型的质量是原尺寸车辆质量的1/216,当整车质量较大时,这一方法可以取得比较好的结果(比如前苏联月球车1号重达1t),并且能大大降低成本。然而,随着科技进步,目前月球车质量普遍在100～200kg范围内,不到1kg的模型,制作起来非常困难,缺乏实用价值。
4.2 全尺寸(KL=1)动态相似模型
当采用KC=1、KL=1的模型制作方案时(参见表2),则可以将地面试验模型的尺寸制作成与月球车相同的尺寸,从而可实现全尺寸的动态模拟。然而采用这一方法的局限性在于:必须改变土壤的密度才能保证试验条件的完全相似,这是因为密度的因次比例数Kρ=1/(KgKL)=6,即地面试验土壤的密度必须为普通土壤密度的1/6,这在实现上存在较大难度,正是因为这个原因,前苏联并没有开展全尺寸的模型试验。
4.3 部分相似模型
由于按重力比例KgKL=1建立的相似模型和全尺寸比例KL=1的相似模型在具体工程操作上有局限性,因此有时也采用部分相似模型的方法。
比如,采用线性尺寸比例KL=2的方法(见表2)。当KC=1时,模型质量为原型质量的1/24,速度为原型的
5 基于因数比例尺的模型试验方法
对于质量100～200kg的月球车,制作1/6模型是很难实现的,采用全尺寸模型,则必须改变土壤密度,这同样难以实现。如果有一种既不用改变土壤物理性能和力学性能,又可以采用全尺寸模型进行试验的模型试验方法,则可以从根本上解决模型试验的局限性。
前苏联研究人员在推导比例项的过程中采用KC=1,这将导致全尺寸模型试验中土壤密度必须改变。为解决这一问题,本文首先假设土壤密度不变,即采用Kρ=1,则根据式(9),各比例项则变为
KC=KgKLKFd=K
全尺寸比例KL=1的模型样机的各项模型参数的比例尺如表3所示。
由表3可知,模型的尺寸、质量无需改变,因此模型制作没有难度。土壤密度项不用改变,而只要求土壤内聚力系数为原来的6倍,由于月壤的内聚力很小[6,7],属于沙性土壤,即土壤内聚力系数C≈0,因此可近似采用原来土壤作为模型试验的土壤。按照这样一种全尺寸试验方法开展模型试验,既无须改变车辆尺寸,又无须改变土壤状态。
6 结束语
本文从因次分析着手,借助汽车地面力学理论,建立“月球车月壤”系统的因变数和独立变数系统;基于模型相似理论,推导了月球车轮壤作用的无因次全组,并以此反求并理解前苏联模型试验的方法。以此为依据,对三种模型试验方法进行了分析。
本文在相同π项的基础上,改变了土壤项的约束条件,即保持土壤密度不变,推导出了一种全新的模型试验方法。该方法在理论上可以不改变车辆尺寸和土壤条件就能够在地面条件下开展低重力牵引性能试验。
值得注意的是,目前,如何理解低重力对牵引性能造成的影响,既缺乏理论依据,又缺少低重力的试验数据。本文的模型试验结论可以用于这部分的研究工作。
参考文献
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基于性能的理论 第8篇
潜污泵是泵与电动机连成一体的流体机械, 主要用于输送城市污水中含有纤维、纸屑等固体颗粒的介质。由于这种输送介质种类的日益扩大, 潜污泵作为不可缺少的排污设备, 在工业、市政、水利、建筑业、食品、医院等行业应用广泛。机械密封是潜污泵一般采用的形式, 是性能可靠、泄漏量小、使用寿命长、功耗低、应用范围较广泛的密封部件[1]。潜污泵长期运行在污水中, 由于其结构和输送介质的特殊性, 机械密封的动静环摩擦副会在摩擦过程中受到严重磨损而不能保证良好的密封性能和较长的使用寿命, 直接影响到泵的正常运行。本文以TRIZ理论为创新设计的理论依据, 针对提高潜污泵的密封性能提出了一些改进方案。
1 TRIZ理论简介
TRIZ理论是一门专门解决技术创新问题的方法学理论, 该理论是前苏联科学家根里奇·阿奇舒勒 (G.S.Altshuler) 及其领导的一批研究人员, 于1946年开始, 花费了1500人/年的时间, 在分析研究世界各国250万件专利的基础上所提出的发明问题解决理论。经过半个多世纪的发展, TRIZ已成为了强大的解决技术问题和发明问题的方法学, 该方法学已在前苏联、美国、欧洲、日本等许多国家的企业中运用, 解决了成千上万产品开发中的难题。
TRIZ主要包含了3大块内容:TRIZ的理论基础、分析工具和知识数据库。其中, TRIZ的理论基础对于产品的创新具有重要的指导作用;分析工具是TRIZ用来解决矛盾的具体方法或模式, 包括矛盾矩阵、物—场分析、ARIZ算法等;知识数据库是TRIZ理论解决矛盾的精髓, 包括矛盾矩阵 (39个工程参数和40条发明原理) 、76个标准解决方法等[2]。
2 基于TRIZ的设计过程
2.1 机械密封的结构和工作原理
机械密封也叫端面密封, 是旋转轴用动密封。它是靠弹簧和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触面上产生适当的压紧力, 使这两个端面紧密贴合。两端面间保持一层极薄的油膜进行润滑, 介质通过时阻力很大, 从而阻止液体泄漏, 达到密封目的[3]。动、静环起端面密封作用, 其中动环可通过轴向移动起补偿作用。在轴和泵盖上的辅助密封圈, 起到密封作用, 且不与接触的泵件产生相对转动。弹簧的作用是当机械密封所受介质压力或外加系统压力消失或减轻时补偿压力。机械密封结构如图1所示。
2.2 潜污泵机械密封件分析中的矛盾定义及应用
2.2.1 物理矛盾定义和分离原理的应用
漏水的原因之一是由于静环与主轴之间存在间隙。一方面希望间隙越小越好, 可以减少泄漏;另一方面, 间隙又不能太小, 否则容易产生磨损失效。
对整个系统进行分析, 静环和主轴之间具有很多的空间, 在空间的某一处两者不交叉, 故可用空间分离原理解决问题冲突。
由创新原理24-借助中介物可知, 在主轴和静环之间加入中介物, 使其不直接接触, 避免因为相互摩擦而产生磨损。可以在轴和与之接触的静环间增加轴套, 当主轴受到损伤, 只需要更换廉价的轴套, 很少的成本投入而且容易实现。
2.2.2 技术矛盾定义和创新原理的应用
由于输送介质中含有大量的固体颗粒, 颗粒很容易进入密封端面之间产生剧烈的磨粒磨损, 划伤或加快密封端面的磨损[4]。如果增加密封垫的厚度, 可以增强耐磨损性能, 但是内部轴向空间变小, 工作时会使弹簧的压力增大, 导致动静环之间摩擦过度而升温, 烧坏机械密封和造成零件的磨损。
用矛盾矩阵来进行问题的解决, 定义问题的冲突:
需要改善的参数:强度。
导致恶化的参数:可靠性。
查找矛盾矩阵如表2所示。
对其分析后, 采用11号事先防范原理和3号局部质量原理进行改进。在静环座下面增加挡尘盖, 阻挡颗粒介质进入;把L型密封垫材质改为抗热硅橡胶, 并把密封垫与主轴相接触的部位改为可弯曲的毛刷密封;把静环和动环之间的平面密封改为适应含有颗粒介质的锥面密封。
3 基于TRIZ的设计方案
综合以上解决方案得到组合方案:给主轴与接触部位增加易于更换的轴套, 降低主轴的磨损, 提高运行寿命。改变密封形式, 由锥面密封取代原先的平面密封, 能使密封套和动环具有一定的浮动性, 密封面始终保持良好的接触状态, 介质颗粒不易进入密封面。密封可靠, 在运转过程中基本不漏[5]。更换密封垫材质为抗热硅橡胶, 可防止由于过度摩擦磨损带来的发热量过高而发生热变形[6]。密封垫内圈与主轴接触部分改为可弯曲的毛刷密封, 既能阻挡颗粒介质又能降低主轴磨损。
运用以上方案时, 需要考虑选用正确的弹簧比压。正确的弹簧比压能保证泵在启动、运转和停车时使密封面良好贴合, 在密封面磨损以及密封套产生振动和窜动时起到补偿和缓冲作用。
4 结语
应用TRIZ方法进行潜污泵机械密封的创新改进, 轻松地找到了简单易行的方案, 提高了效率和产品质量。运用TRIZ理论能够帮助我们系统地分析问题情境, 快速发现问题本质或者矛盾, 准确确定问题探索方向, 而且能够帮助我们突破思维障碍, 打破思维定势, 以新的视觉分析问题, 进行逻辑性和非逻辑性的系统思维, 还能根据技术进化规律预测未来发展趋势, 帮助我们开发富有竞争力的新产品。
参考文献
[1]徐海云.潜水电泵常用机械密封分析[J].设备管理与维修, 2011 (11) :53-54.
[2]彭慧娟, 成思源, 李苏洋, 等.TRIZ的理论体系研究综述[J].机械设计与制造, 2013 (10) :270-272.
[3]王雅萌, 杜刚.机械密封失效原因及维护的探讨[J].化工设备与管道, 2009 (1) :35-38.
[4]戴明俊, 严统迅.水泵机械密封常见渗漏现象及对策[J].GM通用机械, 2005 (11) :61-62.
[5]宋树波, 邵泽波, 王军, 等.污水泵机械密封的改造[J].化工机械, 2005 (5) :311-312.
基于性能的理论 第9篇
1 沥青混合料热传导试验装置
1.1 试验装置的设计原理
本试验基于Fourier导热定律的稳态传热原理, 试验装置的设计应用了双试件平板法[2]。试验采用的试件为目前常用的车辙板试件, 每组试验使用两块相同材料、配合比、同一组试验制作的试件。将待测试件放入全封闭的试验箱内, 分别置于加热板的两侧, 试件外侧放置恒温循环箱。加热板提供热源, 热量通过左右两个试件向外传导, 恒温循环箱控制外侧温度形成内外温差, 在试验箱内创造一个一维稳态热传导过程, 试验装置的设计原理如图1所示。
1.2 试验装置的关键节点
(1) 稳定的加热及控温系统
本试验应用电加热板提供热源, 加热板带有温控器与电能表, 温度控制要精确, 加热输出功率要稳定;恒温循环器及控制系统要能够提供一个稳定的温差。
(2) 准确的温度测定系统
对试件两侧表面温度的准确测定是进行后续计算的重要前提。因此, 试验采用的温度传感器、温度采集仪测量精度、温度敏感性要高, 与计算机的连接、软件的操作需满足试验要求。
(3) 严密的试件绝热室系统
试验的进行不能受到外界温度变化的干扰, 试件绝热室由试验箱、绝热层和保温层组成。绝热室的作用为保证试验过程中能够在试件中建立稳定的一维稳态热传导。
2 试验测试及分析
2.1 试验方案
本论文试验研究分别对不同沥青、集料种类及级配类型的三组沥青混合料进行热传导试验, 各组试验又根据不同的温度控制分为五个试验进行, 试验方案如表1所示。
2.2 结果分析
Fourier定律数学表达式为[1]:
本试验采用双试件平板法, 根据Fourier定律推导得出导热系数的求解公式为:
式中:
Φ—单位时间通过沥青混合料试件的热量, W;δ—试件的厚度, m;
A—垂直于导热方向试件的横截面积, m2;
TZn、TZw, TYn、TYw—分别为两个试件两侧的平均温度, ℃。
通过测试操作控制及计算机软件的稳态识别, 获得达到稳态热传导时各加热控制温度下的温度数据与热流量值, 代入上述公式求得不同沥青混合料在不同试验温度下的导热系数, 如表2所示。
注:λ1、λ2、λ3—三种不同类型沥青混合料的导热系数;T—试验加热控制温度。
由以上试验结果分析可知, 不同材料及级配的沥青混合料试件的导热系数有一定的差异, 但是差别不是很大。通过分析认为, 沥青混合料的集料种类对其导热系数的大小有一定影响, 而沥青的种类及混合料的级配对导热系数的影响相对比较小。
导热系数随温度变化如图2所示。
由试验结果可知, 同一类型的沥青混合料在不同的试验温度下, 测得的导热系数也不同。由此可见沥青混合料的导热系数具有温变特性, 并且随着试验温度的升高而逐渐变大。由试验可知, 在试验温度20~60℃范围内, 沥青混合料的导热系数基本介于1.07~1.92 (w/m·k) 之间。
3 沥青路面温度场分析
以上为通过室内试验对沥青混合料的热传导性能进行研究分析, 为了理论研究结合实际, 对依托工程某高速公路路面温度场进行了实测研究, 并提取了实测路面的温度数据。结合试验数据及实测路面温度数据, 建立有限元分析模型, 对沥青混合料的热传导性能对路面温度场以及温度梯度的影响进行分析。
根据实测路面工程的路面结构类型及厚度, 构建有限元模型尺寸。并依据实测的道路极端最高温天气下的路面温度数据, 对模型施加温度荷载;沥青混合料导热系数λ取值分别为:0.8, 1.2, 1.6, 2.0, 2.4 W/ (m·k) , 通过改变导热系数值分析其对路面温度场与温度梯度的影响规律。
3.1 混合料导热系数对路面温度场的影响
在ANSYS程序中, 依次改变沥青混合料的导热系数值, 对有限元模型加载与计算, 得出面层不同深度处的温度值, 分析得出温度场随导热系数的变化关系如图3与图4所示。
由图3与图4分析可知, 随着混合料导热系数的增大, 有利于热量向路面内部的传导, 道路表面的温度降低, 降低幅度不是很大, 而面层层底温度则随着导热系数的增大逐渐升高, 并且升高的幅度比较大。这说明导热系数的改变对沥青路面的温度场产生影响, 随着导热系数的增大, 路面表面与面层底面的温差相应逐渐减小, 路面面层最高温度有所降低, 最低温度升高;同理可推断, 随着导热系数的减小, 路面面层最高温度升高, 而最低温度则降低。
3.2 导热系数对路面温度梯度的影响
路面温度梯度是指路面不同厚度下的温度差值随路面深度的变化率。通过以上有限元分析, 改变沥青路面面层的导热系数得出面层各深度处的温度值, 通过计算得出沥青路面面层的正负温度梯度随导热系数的变化关系如图5和图6所示。
结果表明, 随着导热系数的增大, 沥青路面面层的正温度梯度显著的降低, 负温度梯度值不断增大。
4 结论
经过以上研究表明, 因材料与级配的不同沥青混合料的导热系数有所不同, 但是差别并不是很大。导热系数表现出明显的温变特性, 在20~60℃试验温度范围内, 沥青混合料的导热系数基本介于1.07~1.92 (w/m·k) 之间, 并且随试验温度的升高而变大。沥青混合料的导热系数对路面温度场的影响则表现为, 路表面与面层底面的温差随导热系数的增大逐渐减小, 导热系数的增大有利于热量的传导, 路表最高温度降低, 而最低温度升高。沥青路面面层的正温度梯度随着导热系数的增大而显著的降低, 负温度梯度则随着导热系数的增大不断增大。由此可见, 改变沥青混合料的导热系数, 可以影响其路用性能。
参考文献
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基于性能的理论 第10篇
在高层超高层建筑中,快速、高效、平稳的垂直服务是不可缺少的。电梯作为垂直交通工具,不仅直接影响建筑物的一次投资(一般电梯投资约占建筑物总投资的10%左右),而且还影响建筑物的使用安全和经营管理质量。建筑物的电梯一经选定和安装使用就几乎成了永久的事实,以后若想增加或改型非常困难,甚至是不可能的。因此,在设计开始时就需要对所选用的电梯性能有一个准确的评价[1]。传统的电梯性能评估特点是在有经验的现场操作人员和专家意见的基础上进行评判,其准确性具有很大的局限,因此,基于可拓模糊理论的评估方法受到关注。可拓方法是利用物元的可拓性和可拓集合理论,研究多元性、复杂性、交互性问题的有效方法。本文将对影响电梯性能评估的因素进行较为深入的研究,然后基于可拓学的原理,运用可拓集合理论和关联函数,将可拓学与模糊数学相结合,建立起电梯性能评估新方法并采用集值统计迭代法计算影响因素的权值,以提高评价结果的准确性。
1 电梯性能评价指标体系
1.1 安全性能指标
我国制定的与电梯相关的安全规范,在过去11年中修订多次,增加了不少新的安全要求。同时,大量已使用多年或应用新技术和新工艺的电梯,在某些方面不符合现行的电梯安全规范。目前与电梯安全评价有关的标准,或以原则和程序为目的,或以电梯工作性能为基础,或集中于制造和安装过程中的安全要求,难以直接应用于电梯系统的安全评价。电梯的系统及部件复杂,人员对电梯的相关操作类型众多,伴随他们的可能危险也有多种类型。因而产生条目众多的安全评价内容,使在现场进行操作并快速得出结论增加了不少困难[2]。
本文从乘客实际使用的角度出发,采用年故障次数作为评价的基准参数。
1.2 运行效率指标
到达目的楼层时间(TTD)是指从乘客在A楼按下呼梯按钮开始,一直到乘运电梯到达目的楼层B,并离开轿厢为止所需的时间[3]。TTD这一参数将电梯系统与乘客由A点到B点的时间联系了起来。
1.3 舒适性指标
影响电梯舒适性的因素有电梯振动和噪音,其中电梯振动是最主要的因素。
1.4 节能环保指标
节能环保包括能耗降低和新技术材料的使用等方面[4],电梯节能等级为:
等级1最为先进,达到国际先进水平;
等级2比较先进,达到国内先进水平;
等级3的能源效率为产品平均水平;
等级4为新产品准入门槛;
等级5为限制淘汰产品。
2 可拓模糊评估模型建立
可拓学的理论基础是物元理论和可拓集合理论,其逻辑细胞则是物元。为此,可拓学引入了把质与量有机结合起来的物元概念,它是以事物、特征及事物关于该特征的量值三者所组成的三元组,记作:
其中,N表示事物,c表示特征的名称,v表示N关于c所取的量值,这三者称为物元的三要素。
物元的概念中以v=c(N)反映了事物的质和量的关系,因而,物元也可表示为:
如果将特征c及量值v构成二元组,就称为特征元,记作:
可拓学的特征元描述了人们常说的特征。一个事物具有众多的特征元,因此引入n维物元来描述事物这种“一物多征”的性质,表示为:
其中Ri=(N,ci,vi),i=1,2,,n,称为R的分物元。
对于电梯性能评估这样复杂的问题,利用可拓学中的物元分析方法可建立运行状况多指标性能参数的质量评估模型,结合模糊数学的相关理论,可将定性指标转化为定量指标,以定量的数值表示评估结果,从而能较完整地反映运行质量的综合水平,并且易于使用计算机编程进行规范化评估。
2.1 评估指标隶属度化
评估指标隶属度化可以使评估指标无量纲化,在评估模型(高层办公楼,电梯提升速度3 m/s,运行次数1 000次/日)中,按照线性关系做隶属度处理。各评估指标及其隶属度见表1。
2.2 确定性能等级的物元集合
如前所述,根据使用中积累的运行数据和经验数据,把电梯的性能水平分成很好、良好、一般、较差、差等若干等级,结合专家意见和实际使用给出了各个等级的数据范围,并将这些评估指标隶属度化。然后,确定性能等级的物元集合,并将待评估的性能实测数据代入各等级的集合中进行多指标评估。评估结果按照它与各个等级集合的关联度大小进行比较,关联度越大,它与某等级集合的符合程度就愈佳[5],具体的评估步骤如下。
2.2.1 确定经典域
所谓经典域,是指各个性能等级关于对应特征所取的数据范围,表示为:
式中,N0j表示所划分的j个质量等级;ci表示质量等级N0j的特征;x0ji表示N0j关于ci所规定的量值范围,即经典域;〈a0ji,b0ji〉表示为x0ji的具体量值范围。
2.2.2 确定节域
所谓节域,是指性能等级的全体关于某特征所取的量值范围,表示为:
其中p表示电梯性能等级的全体;xpi表示p关于ci所取的量值范围;〈api,bpi〉表示xpi的具体量值范围。
2.2.3 确定待评估物元
对于待评估的性能,把所检测到的现场数据用物元表示:
式中,p0表示待评估的性能,xpi为p0关于ci的量值,即待评估性能检测所得的具体数值。
2.3 确定待评估性能关于各运行质量等级的关联度
对于每个特征ci,取ai为权重系数,令
Kj(p0)为待评估性能p0关于等级j的关联度。
2.4 性能等级的评定
若Kj0=max Kj(p0)(12)
则评定p0属于等级j0,若对于一切j,则
表示p0的质量等级已经不在所划分的各质量等级之中,应舍去。
3 基于可拓模糊理论的电梯性能评估算例
以某40层办公楼(150 m)的实际使用状况(年故障次数为10次/年,运行效率为116 s,舒适性为轻微不适,节能等级为3)为例,说明基于可拓模糊方法的电梯性能的评估模型建立和评估方法。
3.1 确定性能等级的经典域
其中,c1为年故障次数,c2为到达目的楼层的平均运行时间,c3为舒适性,c4为节能等级。
3.2 确定性能的节域
3.3 确定待评估物元
3.4 确定待评估物元关于各性能等级的关联函数值
根据式(8)、(9)、(10)计算待评估物元关于各性能等级的关联函数值[6],结果如下:
3.5 确定各评估参数的权系数
各评估参数的权系数,表示各评估参数的相对重要程度。此处,采用集值统计迭代法来确定加权系数[7]。
设U={u1,u2,,uk}为有限论域,W为各评判因素的权向量。P*={p1*,p2*,,pn*}为参与确定权向量的人员集合。欲求W(uj),j=1,2,,k,具体做法如下:
(1)对任一pj*,选定一个初始值q为1qk。
(2)在U中选定pj*认为优先属于W的n=q个元素,得到U的子集U 1(j)U∩。
(3)在U中选取pj*认为优先属于W的r2=2q个元素,得到U的子集U 2(j)∩U 1(j)。之所以U 2(j)∩U 1(j),是因为第一次认为优先的元素,第二次便认为更优先,因此第一次选中的元素第二次也一定要选中。
(4)依此类推,在U中选取pj*认为优先属于W的rs=sq个元素,得到U的子集若自然数t满足K=tq+v(1vq),则迭代过程中止于第t+1步。
(5)取计算ui的覆盖频率:
其中i=1,2,,k,为集合U(sj)的特征函数。
(6)最后,将诸m(ui)归一化便得到各评判因素的权重分配W(ui):
下面,利用这一算法,求解本例中各评判因素的权重:
p1*的选择过程:r1=1,为年故障次数(F);r2=2,为年故障次数(F)、运行效率(T);r3=3,为年故障次数(F)、运行效率(T)、舒适性(C);r4=4,为年故障次数(F)、运行效率(T)、舒适性(C)、节能等级(D)。
可以简单记为:年故障次数为4,运行效率为3,舒适性为2,节能等级为1。
以此类推,得到各位参与确定权向量的人员对于各个评判因素的选择过程,见表2。
根据式(21),计算各评估参数的覆盖频率:
再根据式(22),进行归一化处理,得到如下结果:
3.6 确定待评估电梯性能关于各性能等级的关联度
根据式(11),得计算结果为:K1(p0)=-0.284,K2(p0)=0.046,K3(p0)=-0.093,K4(p0)=-0.373,K5(p0)=-0.529。,
3.7 电梯性能等级的评定
根据式(12)所给出的评估准则,K2(p0)=0.046,而K1(p0)、K3(p0)、K4(p0)、K5(p0)都小于0,得知该40层办公楼快速电梯的性能为良好。
4 结语
本文利用可拓模糊评判思想,构造了经典物元和节域物元,建立了一种电梯性能等级的可拓模糊评估模型,实例表明该方法能较真实地反应电梯的实际使用性能等级。
参考文献
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基于性能的理论 第11篇
关键词：超限高层建筑；抗震设计；抗震性能
引言
城市化进程的快速发展使超限高层建筑的数量与规模越来越大。我国的国土虽然辽阔，但是地质条件却相当的复杂而且经常会发生自然灾害，例如汶川地震、雅安地震等，所以建筑的抗震性能已经引起了人们的高度关注。起提高超限高层建筑抗震性能设计的水平必须从超限高层建筑发展的目标和判断标准方面入手，并根据建筑物的实际情况，采取有效的设计策略。
1. 分析超限高层建筑基于性能抗震的设计
1.1超限的定义
按照有关规定高层建筑是指10层以上的建筑，也包括超限高层的建筑。判断是否属于超限高层建筑的依据是根据其的高度和相关规定的限额来进行比较。比较的内容有高宽的超限比、竖向规则和平面规则的超限等三个方面。
1.2分析超限高层建筑基于性能抗震设计的思想内容
一直以来，世界各国指导高层建筑的抗震思想标准是“小型地震不会坏、中型地震可以修、大型地震不会倒”。经过时间和事实的证明，这种指导标准是最为合理的。但是，该思想只重视建筑物不倒的抗震性能，而忽视了大震对建筑物结构功能带来的影响，所以这也会造成严重的社会经济损失，因此，在超限高层建筑基于性能抗震的设计必须要重视。那么清楚基于性能建筑设计的原理是十分重要的，基于性能的建筑设计主要是以抗震为基础来指导整个建筑设计的，因此为了保证即使在地震作用下建筑结构体系的结构功能也不会发生改变，就需要规范好结构体系的布置设计、结构体系的使用和质量的把握几方面的内容。
1.3关于超限高层建筑抗震性能的水准
根据我国现行的规定，关于超限高层建筑抗震性能的水准有以下几方面的内容：一是，建筑结构的完整性在地震过后依然可以保持而且是不需要进行任何的修复就可以继续使用的；二是，建筑结构的完整性得到了保证，但是发生了轻微的裂缝，这种裂缝不会影响建筑物的安全使用，因此可以不用修复就可以继续使用；三是，保持了建筑重要结构的完整性，只需修复其他部位的裂缝就能再次使用；四是，建筑的重要结构发生了轻微的破损，而其他结构的破损程度达到了中等的程度，所以建筑物只需要少许的修复就可以再次使用；五是，建筑重要结构的破损达到了中等的程度，而其他结构的破损也达到了中等或以上的程度，建筑物必须要进行加固修复才能使用；六是，建筑重要结构的破损达到了中等或以上的程度，而其他结构的破损度非常严重，随未倒塌但是严重威胁人们的人身安全。
2.分析我国超限高层建筑基于性能抗震设计的缺陷
经济水平在一定程度上决定了国家科学技术的水平。在我国，受到经济水平的发展，在实际的建筑过程中，超限高层建筑基于性能抗震的设计还不能解决存在于建筑过程中的问题；而且，由于人们对建筑物功能的不同需求复杂化了超限高层建筑的设计，在对建筑结构进行可行性评估时是根据相关的试验来获取评估结果的，这样就会在实践操作中难以实施；由于时代的发展需要对每栋高层的建筑进行创新性的设计，这就增加了界定超限高层建筑抗震性能水平的难度，而且由于各种的原因，需要提高超限高层建筑的分析计算方法。所以，在超限高层建筑的设计中，基于性能的抗震设计是最为合理的。
3.基于性能抗震设计的方法
在实际设计中应用基于性能抗震的设计有两种方法：基于传统的设计方法和接基于位移进行设计。第一种方法在目前的建筑设计中应用最广泛，设计人员也比较熟悉。这种方法的设防指导原则是：小震不坏、中震可修、大震不倒。而设计的方法主要有：设计要根据处方形式或指令性的规定来进行；小震的弹性设计、概念设计和对部分结构进行大震变形的验算等。但是这种方法有明确的规则性和适用高度限制，存在较大的局限性，有时不能适应对新技术、新资料以及新结构体系的发展的适应性比较差。第二种方法虽然比较少用而且设计人员也没有完全掌握，但是就提供了可行的方法给实现高层结构设计，这对有技术的进步创新大有好处。这种方法的設防指导原则是：干预期的性能目标的提出要根据受震影响度和使用功能的类别来进行的，包括各种如结构与非结构的以及设施的具体性能；具体工程预期目标的最终选择是由业主来决定的。相比传统的设计方法，由于该设计方法采用的结构性能指标是结构位移，因此整个的设计过程完完全全地被改变了，设计的变量直接选择了目标位移，此位移的结构有效周期是通过设计位移来计算出来的，结构的有效刚度也是根据此依据来进行计算，这样就可以计算出此时结构基底的剪力，然后再来分析结构使配筋的设计更加具体化。
基于性能的抗震设计的优点有：可以具体量化三水准设防要求的性能目标及水准，在设计中，对性能水准判别的准则和性能目标的选用的实施要特别强调并要进行更加深入的论证分析。然而基于性能抗震的设计需要研究解决的问题仍比较多，尤其是在地震大小的确定性和计算模型及参数的正确性的问题。但是，值得肯定的是，由于技术的进步和深入的研究必定会提高高层建筑的抗震性能的，那么超限高层建筑的安全性就得到有效的提高。
4.结论
由此可见，基于性能抗震设计的方法应用于超限高层建筑中是一个必然的发展趋势。在高层建筑的宽高度的有关规则中，限制性比较少，提高了超限高层建筑的设计的灵活性。因此，在今后较长的时期里，超限高层建筑结构基于性能的抗震设计都是高层结构抗震研究发展的方向。
参考文献：
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基于性能的理论 第12篇
典型的有机染料敏化剂分子结构通常由三个部分构成:电子供体、共轭π桥、以及电子受体。电子供体一般是具有很强的吸收光子能量的功能, 而受体基团除了担负吸收受激发的电子的功能外, 还承担着将整个分子附着在半导体表面的锚定作用。共轭π桥连接着电子供体和受体, 这样的分子构型不仅能够高效的促使受激发的电子从电子供体通过共轭π桥输送到电子受体, 最终注入到半导体的导带中实现电荷的分子内和分子间转移, 还有助于被氧化的染料分子被氧化还原电对还原复生最终实现再生循环。
影响染料敏化太阳能电池转化效率 (PCE) 的因素很多。通常认为, 共轭π桥的基团结构可以直接影响到染料敏化剂分子的吸收光谱、分子轨道能级分布以及激子分离效率等因素最终影响电池的效率[5,6]。因此, 对共轭π桥的选择对于有机染料敏化太阳能电池来说就显得尤为重要。Hwang和他的团队采用三苯胺作为电子供体基团、氰基丙烯酸作为电子受体和苯乙烯作为共轭π桥 (图1, 表1) 所合成的染料敏化剂所制成的太阳能电池有着不俗的表现[7]。本文的工作是以Hwang的工作作为实验基础, 通过密度泛函方法计算来讨论该分子共轭π桥基团中苯环碳原子的双氮取代对染料分子理论吸收光谱分子轨道能级分布以及电池效率的影响程度。从而为实验合成新的染料分子提出更加合理化的建议。
1 计算细节
本研究所有的计算都是在Gaussian09程序下进行, 为了确保计算结果的可靠性, 我们的计算全部采用实验条件下的溶剂-乙醇作为连续化溶剂模型。此外, 所有的构型的优化及频率计算都是在B3LYP/6-31G (d) 水平上进行的。这两项计算的结果表明优化后的构型都是处于总能量的最低点。
为了比较含有苯环双氮取代π桥与苯乙烯π桥DSSC分子的吸收光谱的相对变化, 我们采用TDDFT方法在几何构型优化的基础上选取30个最低的单重跃迁对应的电子激发态对这两类结构的激发性质进行了模拟和比对。然而, 在模拟实际的计算中TDDFT方法需要对计算做各种近似, 因此计算结果往往会低估转移跃迁的激发能及体系相关的电子性质。基于此原因, 我们对4中常用交换相关泛函进行分别测试并与实验值进行比对 (表1) 最终发现CAM-B3LYP方法对本计算中的构型激发态的描述最为准确可信。
2 结果与讨论
2.1 几何构型
通过对三种取代种构型进行几何优化, 最终得到如图2、图3、图4。
2.2 理论吸收峰
评价DSSC分子的性能, 理论吸收峰的位置和吸收强度是其中两个很重要的指标。通过TDDFT计算, 我们对比了三种取代构型与ppvπ桥在理论吸收峰和振子强度 (表2) 。结果表明, 虽然理论吸收强度2-5和3-6都较ppv结构较低, 但是前两者的吸收峰较后者有一个明显的红移。这表明, 双氮取代结构的DSSC分子在长波区有较多吸收, 这也可以增加DSSC的吸收范围。
2.3 电子结构 (图5)
从三者的前线分子轨道上看, 三种结构有着相类似的供电子基团和电子受体基团, 但是ppv和2-5结构的电子受体基团的轨道吸电子能力明显强于3-6结构, 这样的结构在DSSC中更加有利于激子的分离和载流子的产生, 从而最终增加电池的光电流。
3 结论
在本文中, 我们在理论计算的基础上讨论了DSSC分子共轭π桥基团中苯环碳原子的双氮取代对染料分子理论吸收光谱分子轨道能级分布以及电池效率的影响。结果表明, 2-5号位上的双氮取代的DSSC在理论上明显优于3-6位置的取代, 这位我们实验筛选新的染料敏化剂提供了新的理论支持。希望我们这一理论成果将会有助于有机分子设计从而提高DSSC的效率。
参考文献
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基于性能的理论
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