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汽車動力學理論范文1
綜述:實際生產中經常經常有用戶反映,起重機運行時,會發出有規律的強烈響聲,同時又發現車輪尤其是輪沿磨損較快,又檢查不出原因,在這里從運動力學的角度分析產出噪音和快速磨損的原因是:車輪有車輪偏斜和滑移引起的。車輪運行70%~80%的過程中,輪緣和軌道在相摩擦,由于輪緣磨損而產生噪音和使車輪報廢,車輪輪緣快速磨損也就是車輪快速磨損報廢的主要原因之一。據有關統計數字表明本文由收集整理:由于摩擦磨損輪緣一般壽命在1a左右,踏面壽命2~3a,可見輪緣的磨損嚴重制約著車輪的整體壽命。增加輪緣的壽命,將顯著增加車輪的整體使用壽命同時也將減少運行摩擦噪音。
一、理論分析
當車輪軸線與運行方向不垂直時偏斜一個β角,車輪踏面與軌道頂面之間就會因滑動而產生動偏斜摩擦阻力,其方向與滑動的相對速度相反。該摩擦力在運行方向上的分量構成運行的附加阻力,與運行方向垂直的分量構成車輪的側壓力。這種車輪側壓力與其他原因產生的側壓力總和,由輪緣承受。此時,就會出現啃軌現象,導致輪緣磨損和摩擦噪音。圖1為偏斜角為β的車輪運行情況。
車輪軸的速度就是起重機的運行速度,車輪接觸點相對于起重機的速度zh(圓周速度),它在車輪的圓周方向,與之間的夾角為β。車輪接觸點的絕對速度為車輪與軌道間的滑動速度,為前兩者矢量和
上式說明,車輪的偏斜角越大,滑動速度越大磨損越嚴重。
理論上,只要有極微小的偏斜角,就會產生同樣大小的側壓力μp。當車輪或軌道的支撐部分剛性不足時,車輪有周期性彈動,發出周期性的強烈響聲。當偏斜的車輪運行時,最初并不發生滑動,由于車架與軌道支撐結構的彈性,車輪可向側方向彈性位移,側壓力隨位移大小成正比增加。當增加到時(車輪與軌道間的靜摩擦系數,一般大于動摩擦系數)開始滑動,使摩擦力驟然降為μp,小于彈性恢復力,于是車輪彈回,并發出強烈響聲。
二、改善措施:
2.1 提高制造精度,提高設備使用維護技術。
在設備制造過程中和服役期間要提高車輪組裝和維護精度,特別是在更換車輪時,要調整好車輪水平直線度和垂直度,盡量減小β角,減小側壓力,避免車輪側向摩擦和滑移;
2.2 結構的改進
在我國的起重機的大車車輪,在輪緣與踏面的過度處倒成圓角。在軌頂也有1個相應的圓角。根據使用經驗,我國通常采用圖2a所示結構(<)。而近年來,國外產品中將過渡制成了圖2b的形狀,實際使用檢驗證明效果比較滿意。在生產實際中,由于采用了這種新的結構形式,有效減緩了輪緣的磨損,增加了車輪的使用壽命。
2.3、輪緣的
在國外,使用輪緣以及采用球磨鑄鐵材料的車輪相當普遍,
轉貼于
其目的都是增加車輪和軌道之間的性,由此減低車輪磨損和摩擦噪音,其效果得到了一致認可。由于工作情況的相似性,本文提議輪緣,鑒于起重機工作環境的特殊性,液體并不適用,故采用固體粉末。采用機械結構,可靠性高,成本低,效果明顯,并不會引起起重機結構大的改動。引入輪緣后,減緩了輪緣磨耗延長輪軌使用壽命,降低噪聲,減少能量損耗,操作安全清潔,而且不會向軌面擴散,不影響起動和制動。
三、對2.2結構改進的有限元分析
在solidworks中,構建1個實體模型。根據實例,輪徑取為620mm,設置輪壓為550mpa,側壓力為82mpa,通過simulation進行應力分布、應變及疲勞破壞等的分析。
在輪緣與踏面過渡處的網格劃分保證有2層1階的網格單元,以確保實例分析的準確性。加載范圍借鑒了德國的《起重運輸機械設計基礎》中壓應力的計算及分布情況,采用分割線,對其進行局部加載分析,從而獲得相應的結果。
在實際設計中,采用了較高的安全系數;在疲勞分析中,在受力、材料完全相同的情況下,新舊2種結構的對比并無太大的差異。
在受力、材料完全相同的情況下,應力分布變化不大。采用新的結構形式,最大應力降低了7.2%。各個范圍的應力分布相差不多,總體上比原有結構整體上有所降低。
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上世紀二三十年代,德國還缺少大尺寸風洞實驗設施,更沒有計算機模擬試驗技術,但當時的空氣動力學卻發展迅速。不少國家都在嘗試利用空氣動力學成果降低汽車的行駛阻力,捷克太托拉77、克菜斯勒“氣流”、梅賽德斯一奔馳540K流線跑車都在降阻方面進行了大量探索。嚴格地說,這些汽車應用的空氣動力學理論還比較粗淺,其外形特點主要是拉長車底,在前后端采用收康牧饗咝蛻杓疲但還算不上完美。 為測試高速性能,“施洛爾汽車”甚至還在尾部安裝過推進螺旋槳。
早在1936年起,德國哥廷根空氣動力學研究所的工程師卡爾?施洛爾(KarlSchlor)就開始研究空氣動力學減阻理論,他決定根據自己的研究成果研制一種更能體現德意志工業成就的低阻流線型汽車。施洛爾選擇了一輛38馬力的梅賽德斯一奔馳170H轎車作為基礎平臺,根據機翼剖面的設計靈感,他重新設計了汽車的外形,在拉長車體的同時,把車窗玻璃全部設計成弧面,與汽車外形完美融合成一體,顯著減少了阻力。寬約7英尺(約2.1米),比第一代悍馬略窄,設有3排座椅,可乘7人。德國空氣動力研究所的后繼者――如今的德國航空研究中心(DLR)研究人員評價說,基本上“施洛爾汽車”就是一副“裝在輪子上的機翼”。
測試中,“哥廷根之蛋”跑出了不錯的成績。標準的梅賽德斯一奔馳170H的最高時速為104千米/小時,而這枚蛋使用同樣的發動機卻跑到了135千米/小時。“哥廷根之蛋”跑完100千米耗油僅8公升,比原來降低了20%-35%。其阻力系數僅為0.15,即便在今天也算出色,只有通用EVl和大眾XL1能勝過它。
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一.力學的建立
力學的演變以追溯到久遠的年代,而物理學的其它分支,直到近幾個世紀才有了較大的發展,究其原因,是人們對客觀事物的認識規律所決定的。在日常生活和生產勞動中,首先接觸最多的是宏觀物體的運動,其中最簡單.最基本的運動是物置的變化,這種運動稱之為機械運動。由此我們注意到,力學建立的原動力就是源于人們對機械運動的研究,亦即力學的研究對象就是機械運動的客觀規律及其應用。了解了這些,可以對力學的主脈絡有了一條清晰的線索,就是對于物體運動規律的研究。首先要涉及到物體在空間的位置變化和時間的關系,繼而闡述張力之間的關系,然后從運動和力出發,推廣并建成完整的力學理論。正是要達到上述目的,我們在研究過程中,就需要不斷地引入新的物理概念和方法,此間,由“物”及“理”的思維過程和嚴密的邏輯揄體系,逐步得以完善和體現。明確了以上觀點,可以使我們在學習及復習過程,不會生硬地接受.機械地照搬,而是自然流暢地水到渠成。
讓我們走入力學的大門看一看,它的殿堂是怎樣的金碧輝煌。靜力學研究了物體最簡單的狀態:簡單的狀態:靜止或勻速直線運動。并且闡述了解決力學問題最基本的方法,如受力情況的分析以及處理方式;力的合成.力的分解和正交分解法。應當認識到,這些方法是貫穿于整個力學的,是我們研究機械運動規律的不可缺少的手段。運動學的主要任務是研究物體的運動,但并不涉及其運動的原因。牛頓運動定律的建立為研究力與運動的關系奠定了雄厚的基礎,即動力學。至此,從理論上講各種運動都可以解決。然而,物體的運動畢竟有復雜的問題出現,諸如碰撞.打擊以及變力作用等等,這類問題根本無法求解。力學大廈的建設者們,從新的角度對物體的運動規律做了全面的.深入的討論,揭示了力與運動之間新的關系。如力對空間的積累-功,力對時間的積累-沖量,進而獲得了解決力學問題的另外兩個途徑-功能關系和動量關系,它們與牛頓運動定律一起,在力學中形成三足鼎立之勢。
二.力學概念的引入
前面曾經提到過,力學的研究對象是機械運動的客觀規律及其應用。為達此目的,我們需要不斷地引入許多概念。以運動學部分為例,體會一下力學概念引入的動機及方法,這對力學的復習無疑是大有裨益的。
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關鍵詞:城市交通系統;系統動力學;供需關系;模擬仿真;交通需求管理
中圖分類號:F294
文獻標志碼:A文章編號:16716248(2017)03003107
Supplydemand analysis model of urban traffic system
based on system dynamics
MA Shuhong1, SUN Chaoxu2
(1. School of Highway, Changan University, Xian 710064, Shaanxi, China;
2. Zhejiang Jinquli Gas co., LTD, Hangzhou 310016, Zhejiang, China)
Abstract: Urban transportation system is a multivariable, multifeedback, and nonlinear complex system. There are mutual restrictions between its elements, and it is necessary to scientifically describe the dynamic mechanism of this system. This paper set the boundary of urban traffic system by use of the method of system dynamics, analyzed the causal feedback effect relations between various elements of the internal system, and presented a flow chart of urban transportation system. Based on that, a system dynamics model of urban traffic system was established, and the relationship between supply and demand of urban traffic system was studied to present the main equations of the model. Taking Xian as an example, this paper simulated the model and estimated the development trend of supply and demand. The analysis results show that there are serious imbalances in the proportion of longterm supply and demand. Some proper traffic demand management policies can be adopted to ease the contradiction between demand and supply, such as taking Transit Priority Policy, developing urban public traffic system.
Key words: urban transportation system; system dynamics; relationship between supply and demand; simulation; traffic demand management[GK-2!-2]
城市化和C動化的快速發展給城市交通系統帶來了巨大的壓力,導致其供需矛盾日益突出,道路擁堵、交通事故、環境污染等問題日益嚴重。交通系統的供需關系不僅關系到城市的經濟活動效率,也會影響到城市居民的日常生活,需要重點關注。目前,對城市交通系統供需關系的研究,主要集中于內涵、評價方法和專門技術等方面,并以平衡分析為主,主要有平衡理論和彈性理論兩種方法[1]。平衡理論認為道路交通的供需平衡不僅體現在總量上的平衡,還體現在結構上的耦合;彈性理論針對有附加條件的交通成本與需求量、交通成本與供給量之間的關系進行分析。事實上,對交通系統供給和需求的分析,不僅要單獨分析供給與需求兩個方面,還要系統考慮兩者之間的關系,可以用系統動力學來進行分析。已有成果主要應用系統動力學方法從可持續發展、宏觀政策、城市發展、區域經濟與交通相互關系、交通運輸方式與結構等角度對相關問題進行研究[23],而在城市交通系統方面,則主要著眼于城市經濟與交通的互動協調以及城市綜合交通系統內部各種因果關系的研究[4]?;诖耍疚臄M采用系統動力學的原理與方法,對城市交通系統進行研究,在重點分析供給與需求相互作用關系的基礎上,研究產生交通系統外部特性的內在作用機制,從宏觀上給出交通問題的產生原因及應對策略,從而更好地實現城市及其交通系統的協調和可持續發展。
一、系統動力學概述
系統動力學(System Dynamics)是一門分析研究信息反饋系統的學科,其認為系統的行為模式與
特性主要取決于其內部的動態結構與反饋機制[5]。相比于傳統的系統學科,系統動力學更注重系統的內部機制與結構,強調單元之間的關系與信息反饋,可處理高階數、多回路和非線性的時變復雜系統與巨系統問題[6],其解決問題的過程與步驟如圖1所示。
城市交通系統是一個復雜的,涉及諸多方面且隨時間不斷變化的大系統,系統內部各因素之間相互影響和制約,其行為表現出明顯的非線性特征。從圖1可以看出,基于系統分析―結構分析―建立模型―模擬評估―政策制定的系統動力學分析過程與一般情況下分析和解決交通問題的過程一致,故可以采用系統動力學模型按照圖1的基本思路來確定交通系統內部各個要素間的因果反饋關系,從城市交通系統需求與供給兩方面入手,分析與它們存在聯系的各個要素,建立城市交通系統動力學模型,模擬交通系統供給與需求在系統中的轉化過程及相互作用機理,在此基礎上對交通系統的發展趨勢進行預測和分析。
二、系統動力學模型與交通供需分析
以分析城市交通系統供需關系為建模目的,根據系統動力學解決問題的一般步驟,確定建立的模型包括人口、經濟、交通需求和交通供給等要素,通過研究系統各個部分的反饋關系和設定各種變量(方程)來建立模型。
(一)系統的界限
系統的界限(或邊界)規定哪些應該劃入模型,哪些不應歸入模型,它是一個想象的輪廓,把建模目的所考慮的內容圈入,并c其他部分(環境)隔開。對城市交通系統來說,供需矛盾是當前導致城市交通問題的主要原因,而交通需求和交通供應的影響因素眾多,其中城市人口、經濟發展水平、機動車數量、現狀路網情況等對供應和需求的影響明顯[7]。以此為基礎進行分析后,應用系統動力學方法重點研究城市交通系統的供需關系,并確定模型包含的主要要素有:
(1)GDP。GDP是一個重要的經濟指標,它與交通基礎設施建設的投資以及機動車出行比例的增長都有直接的關系,而且交通系統的運行情況在某種程度上會影響GDP的增長。
(2)人口。人口的增長會直接導致出行量的增長,使機動車出行量不斷增加。
(3)交通需求。造成一系列城市交通問題的主要原因是小汽車出行,因此可用小汽車的出行量來表示交通需求。在需求方面,存在著一定的延遲,即從出行者有意圖選擇小汽車這種出行方式到最終將其實現之間存在一個時間間隔。所以將需求分為潛在需求和需求兩個部分,潛在需求表示出行者選擇小汽車出行的意愿,它經過一定的時間就會轉化為實際的交通需求。
(4)交通供給。采用道路網長度與平均單車道容量(VKT)的乘積來表示。同樣存在著延遲的問題,這是因為道路在建設階段是無法形成供給能力的,投資的道路建設項目往往需要經過一定時間的建設后才能形成實際的供給能力,因此供給也可分為計劃供給和供給兩個部分。同時,考慮到城市用地的限制,道路網不可能永無止境的擴張,存在著一個最大值,將其定義為最大供給能力,當供給能力達到這個水平后將不再進行道路的建設。
(二)因果反饋關系分析
從供給與需求兩個方面來重點研究城市交通系統內部各個要素的主要反饋關系,分析得到系統內部包含的主要反饋回路如下,其中箭頭表示因果關系,正負號表示正效應或負效應。
(1)從需求出發的負反饋回路。GDP+人均GDP+機動車出行比例+潛在需求+需求-供需比例-GDP影響因子-GDP。
這是一個負反饋回路,表示經濟的增長會刺激小汽車出行需求的增長,但在需求增長的同時會造成供給方面的不足,使得交通運行的效率降低,反過來會影響經濟的持續快速發展。使用“GDP影響因子”來表示交通系統供需求關系對社會經濟的這種影響。
(2)從需求出發的正反饋回路。需求+投資比例+交通投資+計劃供給+供給+供需比例+轉化率+需求。
這是一個正反饋回路,表示交通需求的增長會刺激道路建設投資的增長,人們試圖通過交通基礎設施建設來滿足不斷增長的需求,但是隨著供給能力的不斷提升,反而會加快潛在需求的轉化,產生更多的交通需求。使用“投資比例”來表示交通需求增長對投資增長的這種作用。
(3)從供給出發的正反饋回路。經濟+交通投資+建設率+計劃供給+供給+供需比例+經濟。這是一個正反饋回路,表示隨著經濟的增長,交通基礎設施投資也會相應增多,道路網建設速度加快,形成了更加充足的供給能力,最終保證了經濟的持續快速發展[8]。
(4)從供給出發的負反饋回路。供給-差值+建設率+計劃供給+建成率+供給。這是一個負反饋回路,表示交通的供給能力并不是隨著需求的增長而不斷增長的,在實際中道路網會受到土地利用等因素的限制,不可能無休止地進行建設。
四、模型應用
以西安市交通系統為例,采用系統動力學軟件Vensim PLE來模擬運行建立的城市交通系統動力學模型,基礎數據來自西安市統計年鑒和居民出行調查報告。
(一)模型的參數估計
根據西安市歷史和現狀的相關統計數據和調查數據,通過參數擬合和回歸分析,獲取和標定GDP增長率、出生率、人均出行次數、平均出行距離等各個參數。遷入率和人均機動車出行比例的函數通過回歸分析計算確定,如式(18)(19)所示,其他模型參數見表1。
(二)模型的檢驗
為了驗證模型是否較好地反映系統的特征,選取城市人口和GDP這兩個指標,以2000年為起始年,2010年為終止年,運行模型輸出預測結果與實際統計數據相比較,并計算兩者的相對誤差,結果如表2所示。
從表2中相對誤差的計算結果可以看出,模型預測得到的人口和GDP數據與實際的統計數據之間的相對誤差均在5%以內,認為建立的系統動力學模型是具有高可信度的,可用來模擬預測與相關政策分析。
(三)系統發展趨勢預測
根據前文分析,這里重點對西安市城市交通系統的供需關系進行研究。模型設定運行以2000年為起始年,2020年為終止年,仿真步長為1年,模擬運行模型并輸出每年的需求、供給與供需比例的仿真結果及其隨時間變化趨勢的曲線,如表3和圖4所示(需求與供給量的單位均為pcu)。
從圖4中可以看出,供給會隨著需求的增長而增長,但是道路網建設受到各種用地因素限制,其增長率會逐漸減小,在2015年城市道路網建設接近飽和。交通需求量因為人口和經濟的增長而繼續增長,且它的增長率慢慢變小,這是因為當需求大于供給即供需比例小于1時,就會出現道路擁堵等交通問題,影響人們對小汽車出行方式的選擇,導致潛在需求轉化率的降低。在不采取任何外部政策干預的情況下,不斷增長的需求致使供需比例持續降低,最終導致交通系統的癱瘓,其表現是實際需求無法繼續增長,供需比例嚴重失調。從2009年開始,城市交通供需比例就會隨著需求的增長而下降,由于供給能力在2014年接近極值,供需比例會持續下降,到2018年時供需比例已經嚴重失衡,需求量遠遠超出路網的供給能力,交通系統將無法正常運行。因此有必要采取一定的政策和措施來抑制需求的增長,以維持交通系統的正常運行。
五、政策分析
從供需關系的預測結果可以看出,西安市城市交通系統將會隨著需求量的不斷增長而最終癱瘓,因此有必要采取一些外部措施來改善系統的行為,抑制機動車出行需求的增長,使供需關系趨于合理化。根據國內外的經驗,單純地限制機動車出行和保有的辦法無法從根本上解決交通問題,應該采取一系列相配套的政策措施,才能到達令人滿意的效果[12]。發展公共交通被國內外一致認為是解決城市交通問題的出路,因此在限制機動車出行需求量增長的同時,要加快城市公共交通系統的建設。具體措施有:
(1)限制機動車出行需求的轉化。采取如小汽車限購、提高小汽車出行費用、擁堵收費等政策,延長潛在需求的轉化時間,降低其向實際需求的轉化率,來降低交通需求量。設定限制機動車出行需求轉化的政策干預有兩種模式:一般限制(模式1)和嚴格限制(模式2),相應的潛在需求轉化時間分別為1.5DT和2DT。
(2)發展城市公共交通系統,吸引出行者使用公共交通方式出行,如采取提高公共交通服務水平、開辟公交專用車道、建設公交樞紐、城市軌道交通系統等措施,同時限制機動車出行,使城市交通系統出行方式的結構合理化,把機動車出行比例控制在一定的范圍內。根據西安市居民出行調查結果,考慮到未來一個時期機動車出行需求的增長,設定政策干預模式為控制機動車出行比例的增長上限為30%(模式3)。
在以上兩類政策的影響下,通過軟件的模擬運行,得到不同政策模式作用后的交通需求預測結果,如圖5、圖6所示。
從圖5可以看出,在外部政策的作用下,交通需求的增長出現了減慢的態勢,特別是在不同政策的共同作用下,需求的增長明顯放緩,很好地抑制了過快的增長勢頭,絕大部分的交通需求得到了滿足,供需關系基本上保持平衡。但是值得注意的是機動車的出行需求量仍然略大于道路網的供給能力,其主要原因是交通流在時空分布上是不均勻的,高峰時段的需求量所占的比重較大,所以在早晚高峰時段機動車的出行效率會相對低一些。因此,建議進一步發展和完善具有大容量的城市軌道交通系統,以滿足高峰時段的出行需求。
六、結語
鑒于城市交通系統的動態性和非線性特征,采用系統動力學的原理與方法,在對城市交通系統供需關系及其影響因素進行研究的基礎上,建立了城市交通系統動力學模型;以西安市為實例驗證了模型的應用,并探討了在相關政策作用下交通系統行為的變化趨勢。通過建立城市交通系統動力學模型,模擬交通需求與供給如何產生并相互作用,反映交通系統的運行情況,有助于加深對交通系統供需關系的理解。應用模型對城市交通系統進行預測并分析不同政策Τ鞘薪煌ㄏ低徹┬韞叵檔撓跋歟可在了解交通系統供需發展情況的基礎上,考量各種政策作用及其對系統的影響程度,為決策和
采取相應的管理措施提供參考。
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汽車動力學理論范文5
關鍵詞:二維碰撞模型;能量守恒;恢復系數
在車輛碰撞交通事故鑒定過程中,重要的就是確定不同事故形態下車輛行駛速度。運用力學理論對現場證據認真分析,建立車輛碰撞力學模型,是確定事故車輛速度科學有效的方法。通過對二維碰撞動力學模型的研究,有利于對車輛事故碰撞模型的進一步研究。
1 二維碰撞
在各類交通事故中,車輛碰撞交通事故高達90%[1],其中多是車速過快導致的,因此計算車輛碰撞前后的車速是處理交通事故的重要環節。多數情況下,碰撞車輛的質心不在同一直線上,車輛碰撞點也不固定,這就要求我們在分析碰撞事故時既要考慮平面運動,又要考慮回轉運動,即二維碰撞[2]。
1.1 二維碰撞的基本假設
車輛碰撞是瞬間發生,在極短時間內發生了能量轉移,影響因素很多,計算復雜。面對復雜問題要省略次要因素,重點研究主要因素,完成分析。所以在研究二維碰撞時假設以下條件成立[3][4]:
(1)忽略外界其他作用力,只研究碰撞力,并遵守能量守恒定理;
(2)車輛碰撞后的沖量作用在碰撞中心;
(3)車輛的結構和質心在碰撞前后不變。
1.2 二維碰撞計算模型
車1、車2發生二維碰撞,以碰撞中心為原點建立車輛二維碰撞坐標系,如圖1所示。
2 結束語
文章引入了彈性恢復系數,建立了車輛二維碰撞模型。通過對二維碰撞的研究,可以有效地計算出碰撞前后的運動參數,對道路交通事故的再現、定責有實際意義。
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汽車動力學理論范文6
大氣污染是人類無法逃避、日趨嚴重的環境問題,威脅著億萬民眾的健康和生活環境。從分子水平上理解大氣二次污染物形成機理是預防、控制和治理大氣污染的重要基礎。在這方面,基于電子結構計算和動力學模擬的理論研究有其獨特的優勢。由于機理過程涉及光誘導的超快反應,如何開展多尺度計算模擬,目前還面臨諸多挑戰。在擬開展的工作中,我們將發展和應用高精度的量子化學計算方法、非絕熱的速率和動力學理論;建立適合大氣復雜環境的量子力學和分子力學組合的計算模型;研究系列揮發性有機物形成光化學煙霧的分子機理,發現并解決光化學煙霧形成過程中的一些重要的關鍵基礎科學問題,為預防、控制和治理大氣光化學污染提供理論依據和有意義的指導。
空氣污染已經成為全世界居民生活中一個無法逃避的問題,威脅著億萬民眾的健康和生活環境。改革開放30多年來,中國經濟的持續高速增長和日益加快的城市化進程,也讓空氣污染問題變得越來越嚴重。
空氣污染是大氣中污染物濃度達到一定有害程度,破壞生態系統和人類正常生活條件,對人和物造成危害的現象??諝馕廴疚锏姆N類繁多,按照產生方式的不同主要分為一次和二次污染物。一次污染物指直接從污染源排放的污染物質,比如煤炭燃燒和工業生產產生的粉塵、灰塵、二氧化硫等,以及機動車排放的氮氧化物、碳氫化合物等。二次污染物指排放到對流層中的一次污染物在大氣中發生化學反應或者光化學反應形成的新的、毒性更強的污染物,光化學煙霧就是其中的一種。
光化學煙霧是指對流層中的碳氫化合物、氮氧化物、揮發性有機污染物等,在陽光的作用下發生光化學反應,生成臭氧、過氧乙酰硝酸酯、醛、酮、自由基、有機和無機酸等二次污染物產生的混合污染。光化學煙霧的最早認識來源于著名的“洛杉磯煙霧事件 ”。上世紀40年代,洛杉磯出現大量淡藍色煙霧,持續多天,誘發了一系列疾病,比如眼睛紅腫、流淚等,并造成大量人員死亡。此后,在北美、日本、澳大利亞和歐洲部分地區也先后出現類似光化學煙霧。我國于1972年在蘭州西固石油化工區首次發現光化學煙霧。近30年來,隨著我國城市交通需求和汽車保留量急劇增多,機動車尾氣污染迅速加重,在一些城市出現光化學污染的現象日趨增多,嚴重威脅了當地居民的健康和生活。另一個方面,光化學煙霧最后生成大量臭氧,會增加大氣的氧化性,導致大氣中的碳氫化合物、氮氧化物、揮發性有機污染物被氧化并逐漸凝結成顆粒物,從而加大了大氣中懸浮微粒顆粒物的濃度,這是造成大氣霧霾的源頭之一。因為光化學煙霧的危害比一次污染物更加嚴重,所以如何預防、控制和治理光化學煙霧已經成為一個全球性的嚴峻的環境問題,特別是對于發展中國家的中國來說。毫無疑問,在提出高效、可行的大氣治理措施前,我們必須首先從源頭掌握光化學煙霧的形成機制,尤其是二次氣態污染物的形成機制,對癥下藥。
我國的大氣污染問題已經十分嚴峻,有效地改善空氣質量需從源頭出發,了解空氣中存在哪些污染物以及它們之間是如何相互作用產生各種二次污染物及二次氣溶膠的。在提出科學可行的控制和治理光化學煙霧污染技術和措施前,必須從分子水平上理解光化學煙霧形成的分子機理。正如芬蘭赫爾辛基大學 Kulmala 教授在《自然》雜志中寫到的,“改善中國城市和家庭中的空氣質量需要對空氣污染物之間發生的化學反應有更深刻的理解,需要知道有哪些污染物存在以及它們之間如何相互作用產生二次污染。”
光化學煙霧形成的分子機理研究是一項難度大且十分復雜的課題。盡管隨著激光、分子束和時間分辨的超快光譜等現代實驗技術的飛速發展,實驗學家已能從基元反應的層面上討論自由基和光化學反應的微觀機制,但是,由于實驗的種種困難和限制,一些重要的微觀反應信息比如過渡態和中間體的電子和幾何結構很難通過實驗測量,同時實驗測量大氣條件下的光化學反應以及隨壓力變化的化學反應速率常數也面臨挑戰。因此,僅僅依靠外場檢測和煙霧腔實驗等,很難在分子水平上理解污染物的形成機制以及反應的動力學過程,必須依靠高精度的量子化學和化學反應動力學計算。在這方面,量子化學計算體現出了“價值”。它能夠計算過渡態的性質,評判反應通道的可行性,也可直觀形象地描述反應過程中涉及的短壽命中間體的詳細信息等。