高效动力学范例

摘要：

目前我国汽车销量位居全球第一，汽车产业已然成为国民经济的支柱产业，并且仍在高速发展。日益激烈的市场竞争要求企业在能够在最短的时间内以较低的开发费用设计出性能优良的汽车产品，这对国内汽车企业的设计方法和设计手段提出了新的要求。传统设计方法采用“经验设计－试制－反复试验和修改－定型”的设计流程早已不适应当前市场，而多刚体动力学仿真技术的应用则可以满足各车企对高效和低成本的要求。其大致过程是在样车（物理样机）设计出来之前，即可对其性能进行预测，以进行可行性研究和优化设计。本文针对汽车设计中多刚体动力学仿真技术的应用进行探讨，共分为五部分。第一部分简单介绍多刚体动力学仿真技术在汽车设计中的应用情况；第二部分介绍了利用ADAMS软件进行动力学仿真的过程；第三、第四部分围绕汽车多刚体动力学模型的建立、模型验证进行深入讨论；第五部分对多刚体动力学仿真在汽车领域的进一步完善进提出了合理化建议。

关键词：

多刚体动力学；虚拟设计；仿真试验

1多刚体动力学仿真技术的介绍

多刚体动力学并不等同于多体系动力学，二者是包含与被包含的关系，多体系动力学包括刚体与柔体两部分。多刚体系统通常由多个刚性物体组合在一起。多刚体动力学的发展源于经典力学与计算机的结合，在发展过程中再融合汽车设计等学科，使其在汽车设计中发挥重要作用。动力学系统仿真的重点是虚拟样机技术，虚拟样机设计是根据各种设定参数及附加条件构一种计算机模型来模拟真实样机测试几何、动力或功能方面的特征，然后再根据测试结果将虚拟样机进行改善。传统产品的开发流程从概念设计到产品定型需要经过详细设计、制造物理样机、物理样机测试等多个过程。物理样机测试发现问题后又要修改设计，重新制造样机，再重新进行测试，如此多次循环之后才能将产品定型。而虚拟样机技术中的样机测试避免了制造物理样机的过程，从测试到发现问题，修改设计等完全可以在计算机上进行，从而简化了开发过程，大幅缩短了周期减少了开发成本。多刚体动力学仿真即是针对多刚体动力学系统通过构建虚拟样机模型来测试设计产品，并根据测试结果进行优化完善。其在汽车设计领域的广泛应用，极大地促进了汽车工业的发展。多体动力学仿真软件ADAMS曾经为“美国福特汽车公司”节省了10亿美元的开发制造成本。这很好地解释了多刚体动力学仿真为何在汽车领域被广泛应用。

2利用ADAMS软件实现多刚体动力学仿真过程

摘要：以大数据分析为基础的计算材料学教学是材料教学中的重要组成部分。由于其具有数据库庞大、理论知识繁杂、模拟范围广等特点，使得基于大数据分析的计算材料学教学的开展与实施存在较大的困难。本文通过将基于大数据分析的第一性原理，分子动力学与教学实践相结合，使学生能够更加直观的从原子，分子的角度了解材料的变化。帮助学生筛选优化数据，学会理论分析的方法，掌握运用专业知识的能力，从而培养学生的科研能力和综合素质。

关键词：大数据分析；计算材料科学；第一性原理；分子动力学

1引言

大数据这个词是伴随着全球数据爆炸式增长而提出的，它主要用于描述巨大的数据库。与传统数据库相比，大数据通常包括很多非结构化数据，并且需要更多实时性的分析。同时，大数据也带给我们来了新的挑战，如何有效的组织和管理数据成为目前急需解决的难题。大数据具有大量、多样、快速、有价值等特征，这为我们的学习科研带来了极大的帮助。通过用大数据方法对材料进行研究属于计算材料学的范畴，计算材料科学是将材料科学与量子物理，力学，数学等学科相结合而形成的学科。材料的微观组织以及原子的排列顺序，晶格结构决定了材料的性能，通过了解材料从原子的排列到相的形成过程，微观组织的变化过程以及材料宏观性能与有效服役时间之间的相互关系，就可以更好的发现和制造新型材料。材料基因组计划主要通过将高效的材料理论计算与模拟工具、高通量快速的试验方法、材料性能数据库和信息学等相结合，建立高效的材料数据库。基于大数据方法的材料计算的方法主要包括第一性原理、分子动力学计算、CALPHAD方法、蒙特卡罗法、元胞自动机法和有限元分析法等。通过基于大数据分析的计算材料科学的计算模拟，可以获得材料的热力学性能、力学性能、物理化学性能、材料的结构、点缺陷和位错迁移率、晶界能和晶界移动性、析出相尺寸等性质，从而更好的了解材料。

2材料学大数据处理基础理论

基于大数据处理的计算材料学包括许多种方法，主要有第一原理、分子动力学、蒙特卡洛、元胞自动机、相场法、有限元分析等。由于学生基础知识欠缺较多且授课时间有限，以上方法不能全部应用到教学实践中。因此，根据教学课程的实际情况以及不同的计算材料方法的不同特点，本文主要研究应用广泛的第一性原理和分子动力学的教学，使学生从原子，分子角度更好的理解材料学。

2.1基于大数据分析的第一性原理方法

摘要：随着我国铁路货运改革的不断推进和铁路货运营销理念的丰富发展，铁路货运生产逐渐由生产型向服务型、物流化的作业方式转变。在市场化条件下，服务质量和运输效益成为衡量货运产品设计开发工作优劣的重要因素，因此，必须在进行货运产品设计时加以考虑。文章在对铁路货运产品结构影响因素分析的基础上，运用系统动力学的相关理论，建立了铁路货运产品设计流图，梳理了各影响因素之间的相互关系，通过对模型流图的分析提出了铁路货运产品的设计方法。

关键词：市场化；服务质量；运输效益；货运产品；系统动力学

0引言

由于长期受运输能力的限制，我国铁路货运产品结构一直以来相对比较简单。在目前的市场背景下，国内诸多专家学者对货运产品的设计开发问题提出了自己的研究思路。有些文献[1-5]以当前客货分线、整体路网逐步形成为背景，对铁路货运产品开发问题进行研究，并提出以客户需求为导向的铁路货运产品设计理论。有些文献[6-8]以当前物流产业快速发展为背景，探讨了在灵活快捷的物流产业冲击下应如何设计铁路货运产品以满足市场要求。还有些文献[9-12]在对货运市场进行SWOT分析的基础上，提出了铁路货运产品的设计策略与产品定位。然而已有研究成果在对货运产品结构进行设计的时候，忽略了市场对于提高运输效益和服务质量的迫切要求。这也导致了设计出的货运产品无法在多样化运输需求的新形势下满足市场的要求。因此，本文摒弃了以往开放式的产品设计思路，综合考虑运输能力、运输需求、服务质量以及运输效益四个方面的因素对于货运产品结构的影响情况，建立货运产品结构设计的系统动力学模型流图，通过对模型流图结构的分析，得出货运产品结构的设计方法。

1铁路货运产品体系

目前铁路货运产品根据其产品特性及运输时效性，可主要分为：高速铁路快运产品、普通货物列车货运产品、货运班列货运产品、特种货物定制产品及多式联运货运产品。

（1）高速铁路快运产品。高速铁路快运产品是铁路适应物流市场多元化运输需求，满足网络经济崛起带来的电商快递需求增长的积极尝试，依托现有高速铁路线路及动车资源，满足经济快递、同城快递服务需求，提供当日达、次晨达、次日达快递服务。目前我国高速铁路快运主要包括预留车厢运输、确认车运输、随车运输等运输形式，具有产品服务网络覆盖我国500多个城市，时效性媲美航空运输，安全性强于公路运输等特点。

1飞机机械传动系统动力学特性

对于飞机机械传动系统而言，飞行操纵系统有两种类型，即动态操纵系统、静态操纵系统。以静态特操纵系统为例，其表现出杆力、启动以及配平和传动等特性；对于动态操纵系统而言，其面对的是内容是操纵指令响应。就目前国内飞机机械传动系统来看，驾驶员对多组机构以及管控操纵伺服作动器，能够进行不可逆动力操作。飞行操纵系统可分成两个阶段，其中一个阶段即为驾驶杆以及脚蹬，主要是基于多组机构以及人工感觉设备和传动设备的输入点，构成了一个相对开环的系统；就第二个阶段来讲，主要是操纵面、伺服作动器，构成的是闭环随动环境。基于此，飞行操纵（机械传动）系统设计过程中，应当注意系统稳定性、跟随性和阻抗特性问题的发生。操纵系统中的驾驶杆、作动器输入点以及脚蹬，是一个相对比较开环的系统，一般不存在安全问题，能够确保其运行的安全稳定性，知识跟随性方面的问题。本文研究的有限元工具，主要是ANSYS技术，其在机械工程建设过程中得到了较为广泛的应用，而且采用的是商业套装分析技术，对机械与结构系统进行计算、分析，尤其是要分析受外部载荷影响的响应状况，比如应力、位移和温度等。通过以上分析，可准确分析和判断飞机机械系统外力负载作用下的瞬时状态，对其是否满足设计要求进行准确判断。实践中可以看到，飞机机械构造较之于汽车、船只等更加的复杂，而且其所受到的荷载工况也呈现出多元化的特点，而且理论分析也难以实现效果，因此应当采用数值模拟方法分析判断。近年来，科技水平的不断提高、计算机软件技术的不断进步，使得ANSYS技术在现代航天领域中的应用更加的深入和广泛。从应用效果来看，该分析技术的应用，可降低设计成本，有效缩短设计周期，在提高设计水平方面，具有非常重要的作用。

2工程设计软件技术研发

在飞机多元化软式机械操纵系统条件下，为了实现动力学特性仿真、系统力学影响以及有效满足设计要求，应当立足实际，对计算机辅助技术、工程设计软件等进行针对性的研发。在技术研发过程中，力求构建一套高效的、具有机械操纵几何模型和自动化动力学分析功能的软件。同时，为了能够有效实现设计软件的自动化、可视化建模，强化动力学数值建模功能，需在以下几个方面做出努力。

第一个努力方向：基于c++Builder人机交互界面，接收用户关于构件几何以及材料参数和相关信息，然后利用系统构造算法构建算法程序库，对建模所需特殊点进行求值，并在此基础上建立完备的操纵系统数据库。

第二个努力方向：在动力学建模过程中，采用文本自动剪辑软件和技术手段，对建模宏命令进行编写，并且建立可适用于ANSYS/LS.DYNA的可执行命令流模板，在此基础上形成模扳库。当用户参数输入以后，利用C++Builder技术对可执行命令流模板剪连，从而形成较为完备、合理的分析命令流文件，最终完成系统构件建模。

第三个努力方向：重新写入命令流执行文件，形成可直接应用于ANSYS/LS．DYNA的求解器计算程序，经引擎调用以后，对ANSYS/LS．DYNA求解器进行适当调节。在此过程中，计算结果以数据或曲线形式反馈到人机交互界面。给予以上交互式程序的设计，在视窗界面上用户通过输入构件的外形参数、材料参数或者受载参数，可直接获得系统仿真结果。一般而言，上述系统中的相关构件参数如下：扇形轮、滑轮厚度圆心以及外形尺寸参数和材料属性参数，1、4代表扇形轮参数；2、3代表滑轮参数。驾驶杆截面积为矩形：O.02m×O.02m，输出摇臂参数材料属性参数与驾驶杆相同，只是位置参数不同，拉杆截面面积为0.06m2；驾驶杆、前拉杆输出端相互连接在一起，扇形轮l上的(0，0.1，O)与后端节点相互连接；同时，后拉杆前端、扇形轮2上的(9，3.6，O)相互连接在一起；后端、输出摇臂输入点之间相互连接。从实践来看，两种拉杆的构成材料一致，而且材料参数以及滑轮材料等也基本一致。

1稻草秸秆的改性方式研究

对于稻草秸秆的改性，国内外研究者做了大量研究，采用多种改性方式进行改性提高其吸附性能(表1)。这些改性方式既包括常规的酸碱改性、氧化剂氧化、其他有机胺试剂的胺化，以及氯化锌、磷酸、磷酸氢二铵等活化后的高温改性。

2稻草秸秆对重金属的去除研究

谭婷等采用氯化和胺化两步反应对稻草秸秆进行改性，胺化反应采用多种胺基试剂，制成多种改性胺基改性稻草。通过对电镀废水中Fe3+、Ni2+、Cu2+、Zn2+的吸附性能，优化得到乙二胺改性后的稻草秸秆性能最优，当吸附时间为20min，乙二胺基改性稻草秸秆对电镀废液中Fe3+、Ni2+、Cu2+、Zn2+的吸附趋于饱和，4种金属离子的去除率可达70%～99%。李勇等采用ZnCl2作为活化剂，制得改性稻草秸秆，考察了对Cu2+的吸附性能。结果表明，当改性稻草秸秆投加量为2g/L，pH为6时，改性稻草秸秆对Cu2+的吸附能力可达47．143mg/g，吸附达到平衡的时间为8h。改性稻草秸秆对Cu的吸附过程符合准二级动力学方程。热力学分析表明，△G＜0，该吸附反应属于自发反应。杨剑梅等研究了稻草秸秆对铬的吸附。稻草秸秆改性前对铬离子最大吸附量为3．883mg/g;通过酒石酸化学改性后的稻草秸秆，对铬吸附能力有了显著提升，可达到5．266mg/g。吸附性能提升有以下两个原因:一方面，是由于酒石酸的改性显著增加了稻草秸秆表面的羧基(－COOH)，而－COOH是吸附Cr6+及Cr3+的主要基团之一;另一方面，水溶液中酒石酸对稻草秸秆的改性因为溶胀状态出现暂时存在的微孔，增加了改性稻草的比表面积，因而提高了改性稻草秸秆对铬的吸附。刘婷等采用高锰酸钾预氧化及乙二胺胺化改性后，获得改性稻草吸附剂，研究了该吸附剂对鲕状赤铁矿选矿废水混凝处理后的废水中Pb2+的吸附去除效果。试验结果表明，该改性稻草秸秆对废水中Pb2+具有显著的吸附去除，pH5．0～5．5，改性稻草用量为2g/L时，经90min的吸附，Pb2+的去除率可达98．7%，吸附容量可达156．9mg/g。吸附过程符合二级动力学吸附过程，亦可用Freundlich公式较好地拟合。Gao等研究了稻草秸秆对Cr(VI)的吸附去除。结果表明，稻草秸秆对Cr(VI)的去除是由于还原和吸附作用。通过酒石酸对稻草秸秆的改性发现，羧基对Cr(VI)的去除起主要作用，稻草秸秆对Cr(VI)的吸附容量为3．15mg/g。Rocha等研究了稻草秸秆对几种重金属Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+的吸附情况。结果表明，在最佳吸附pH(pH5．0)时，稻草对Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+的最大吸附容量为0．128、0．132、0．133、0．110mmol/g。Ding等对稻草秸秆对Cd2+的吸附去除进行了研究。研究结果表明，在pH2．0～6．0下，5min即可达到吸附平衡，吸附容量可达13．9mg/g。Cd2+的吸附去除是由于阳离子交换取代稻草秸秆中的K+、Na+、Mg2+和Ca2+，与C=C、C=O、O－H和羧基等官能团结合。Cui等研究了土壤中稻草秸秆添加对重金属Cu2+、Cd2+的影响。研究结果表明，稻草秸秆的添加，使游离的Cu2+从217nmol/L减少到124nmol/L，Cd2+从16nmol/L减少到12nmol/L，游离态的Cu2+、Cd2+减少是由于稻草秸秆的添加使土壤的pH升高导致。Sharma等对NaOH改性后的稻草秸秆在固定床反应器中对Ni2+的吸附特性进行研究。结果表明，在固定床深为2cm时，75mg/LNi2+溶液进样时，改性后的稻草秸秆对Ni(II)的吸附容量为43mg/L。在采用多种吸附动力学模型进行拟合后，发现托马斯模型最符合其吸附行为。

3稻草秸秆对废水中有机物的去除研究

将稻草在高温条件下热解制备的稻草基活性炭比表面积较大，具有良好的吸附性能。袁敏等研究了200～800℃条件下高温制备的稻草炭的吸附性能。结果表明，800℃的高温改性后的稻草吸附容量提升最大，对环丙氨嗪的最大吸附量可达167084mg/kg，接近于商品活性炭的最大吸附量(177305mg/kg)，是等量稻草秸秆的20．1倍。改性后的稻草对环丙氨嗪的吸附过程符合一级动力学方程。韩彬等对稻草秸秆进行改性，选择(NH4)2HPO4为活化剂，优化了活化温度。结果表明，预氧化处理不仅改变稻草秸秆表面含氧基团的含量，而且影响了其比表面积。700℃下活化制得的改性稻草性能最优，最大吸附容量可达636mg/g。磷酸氢二铵的浸泡不仅可以增加稻草秸秆的热稳定性。还可以明显地增加改性稻草的比表面积，因而提高了改性后稻草基活性炭的吸附性能。改性后的样品具有良好的再生性能，经过4次再生后，对苯酚吸附效率仍能达到85．4%。韩彬等还研究了该改性稻草秸秆基活性炭对苯酚和亚甲基蓝的吸附性能。将活性炭应用于水中的亚甲基蓝和苯酚吸附，活性炭吸附苯酚和亚甲基蓝符合拟二级动力学方程。对苯酚最大的吸附量为187．7mg/g，对亚甲基蓝的最大吸附量为166．35mg/g。研究还表明改性稻草基活性炭对亚甲基蓝的吸附性能受到其比表面积与含氧基团的影响，而且含氧基团量的增多对其吸附亚甲基蓝不利。Gong等采用柠檬酸对稻草秸秆进行高温酯化改性获得新型阳离子吸附剂，研究表明柠檬酸改性后的稻草秸秆对亚甲基蓝的吸附能力大幅上升，由改性前的80．0mg/g提高到270．3mg/g，当改性吸附剂的用量为2．0g/L时，对50～450mg/L的亚甲基蓝去除率均可达98%以上。Gong等采用磷酸对稻草秸秆进行改性后并钠盐化获得新型阳离子型吸附剂，考察了此吸附剂对两种碱性染料(碱性蓝和碱性红)的吸附能力。结果表明，改性后的稻草秸秆吸附剂具有优良的吸附性能，当改性吸附剂的用量为2．0g/L时，对50～350mg/L的两种碱性染料去除率均可达96%以上。刘婷等考察了改性后的稻草秸秆对选矿废水中COD的吸附去除。采用KMnO4氧化及乙二胺胺化对稻草秸秆改性，改性后的稻草秸秆对选矿废水中COD具有明显的吸附去除作用。在pH为6～8，改性稻草用量为4g/L，吸附60min后，对COD吸附去除率可达到98%以上。

4稻草秸秆对其他离子的吸附研究

[摘要]为了探讨玉米秸秆的改性及改性玉米秸秆在重金属废水中的处理效果，从重金属废水来源与危害，玉米秸秆的现状及改性原因，玉米秸秆的改性方法及重金属废水中的运用，表明玉米秸秆通过改性可提高对重金属废水的吸附性能。改性玉米秸秆的有效使用，不仅可以解决玉米秸秆农业废弃物资源浪费，而且改性后的玉米秸秆具有运行成本低，环境友好等突出优势，具有广阔的应用前景。

[关键词]重金属废水；玉米秸秆；改性；废水处理

1实重金属废水的来源与危害

重金属废水主要指含有重金属离子的废水，矿山开采、电镀、有色金属冶炼以及工业企业排放重金属废水是重金属废水的主要来源。电镀废水的重金属浓度一般都比较高，主要含有铜、镉、锌、镉等重金属离子，镀件的漂洗是产生重金属废水的主要原因。而开采金属矿时会产生含有悬浮物和无机酸的重金属废水。金属加工过程中普遍使用盐酸或硫酸清洗金属材料，清洗完毕后采用清水漂洗，导致漂洗的废水中含有大量溶解性铁。炼铁过程中产生的废水主要含有铁、铝、锌、硅等。这些重金属废水不经过有效处理直接排放进入环境，将会对环境造成巨大的污染与破坏。重金属废水的危害主要体现在持续时间长，生物不可降解性以及通过食物链进入人体富集性，从而导致人体机体紊乱，对人体健康造成威胁。常见的重金属污染源为铜、锌、汞、镍、镉、铅、铬等。“水俣病”、“痛痛病”都是由于重金属污染造成的，对人体健康造成巨大的破坏[1]。有效去除重金属废水备受人们关注。

2玉米秸秆的现状与改性原因

内随着我国农业的高速发展，我国作为农业大国，秸秆、稻壳、甘蔗渣、花生壳等产量愈来愈多[2]，而且呈现出逐年增加的趋势。我国因南北方气候、人文习惯、饮食文化的不同导致农业秸秆的产生形式也不尽相同，北方主要以玉米秸秆和麦秆为主，而南方主要以稻秸为主[3]，据不完全统计，在我国北方地区，玉米的常年种植面积约2333.3万hm2，秸秆每年产生量约118亿吨，常见玉米秸秆去向除部分用于还田、加工成为饲料、其他利用方式外，很大一部分被直接焚烧，各占比例分别为24.3%、29.9%、10.5%和35.3%。秸秆焚烧不仅会造成环境污染，而且会造成资源的巨大浪费。因此，针对玉米秸秆的性质特点，因地制宜，高效利用转化秸秆资源不仅是保护生态环境的需要，也是解决肥料、燃料和工业原料等紧张状况、促进农业可持续发展的要求[4-7]。玉米秸秆主要成分为纤维素、半纤维素、木质素等，且具有大量活性较高的羟基、羧基等表面官能团。这些官能团能够通过嫁接制备多种吸附剂，用于去除废水中的有害物质，从而实现水质净化的目的。已有学者通过对玉米秸秆进行改性研究以提高对污染物的吸附容量，改性方法有硝酸改性、氨化磁性改性、ZnCl2-微波改性、醚化接枝改性、巯基改性和炭化等[8-10]。

3玉米秸秆改性方法研究

摘要:理论力学作为普通高校很多工科专业的专业基础理论课，其重要性不言而喻。针对理论力学课程学习中存在的问题，特别是不及格率高居不下的实际情况，结合现代化移动学习的特点，探讨了理论力学课程混合式教学改革的特色和亮点以及具体的实施路径，以期推动理论力学课程的教学效果。

关键词:理论力学，混合式教学，教学评价

0引言

理论力学作为普通高校很多工科专业(如土木工程、工程管理、建筑学、机械工程、环境工程等)的专业基础理论课，其学习效果直接关系到后续课程(如土木工程专业的材料力学、结构力学、土力学、混凝土结构、钢结构等)的学习。理论力学作为第一门力学课程，需要较好的高等数学和大学物理基础知识储备，其教学内容多，概念性、理论性较强，学生学习容易枯燥。很多同学反映该课程知识点听懂容易，但做题时缺乏解题思路，有时甚至无从下手。对南通大学2018级土木工程专业期末理论力学课程考试情况分析，只有3%的学生达到了优秀，22%的学生未能及格。通过对学生座谈，发现主要原因在于:1)理论力学教材中的一些概念与大学物理有重叠，譬如动量、动量矩、动能的概念等，学生似懂非懂;2)理论力学知识点听起来简单，但实际做题无从下手。实际上，理论力学很多题目可以一题多解。譬如考虑摩擦的平衡问题，可以采用平衡方程求解，也可以采用更为简便的摩擦角绘图求解;对于动力学题目，有时可以采用动量矩定理、动能定理以及达朗贝尔原理求解，这就要求学生清楚这些定理各自的优越性;3)理论力学课程概念较多，比较枯燥，缺乏与工程的实际结合，学生不知所学为所用，绝大多数学生将学习重心放在应对期末考试上;4)大多数力学教师仍沿用传统板书与多媒体教学简单结合，教学过程枯燥。总体而言，学生的学习积极性不高，有些学生还会产生厌学情绪，一上课就想睡觉。

1理论力学混合式教学的特色和亮点

随着现代化教学、移动学习的快速发展，将传统的《理论力学》专业课程授课方式与超星学习通线上互动反馈相结合，实时动态地掌握学生学习情况，并有针对性的辅导和讲解以达到授课目的，已经成为现代化教学的必然趋势。混合式教学有如下特色和亮点:1)随时随地的学习:超星学习通是一款课堂互动的教学APP软件，不管是课前预习、课堂学习，还是课后复习巩固知识内容，都能随时随地的学习，做到个性化、实时化的学习，可以充分利用学生的碎片化时间进行学习。2)轻松教学:老师可以在课前预先教学大纲、教学内容、教学视频等。在上课的整个进程中，可以轻松愉悦的管理教学，除了能实时方便地展示教学资料，还能实时点名、随时发送通知、开展课堂活动等。3)愉快学习:学生与老师的互动过程中，每次都能获取经验值，从而激发学生的学习兴趣、参与感和成就感，在愉悦的互动中完成学习内容。4)增强课堂互动:传统的教学互动很少且形式单一，通过学生BYOD开展头脑风暴、投票问卷、讨论答疑、随堂测试和分组任务等丰富的课堂活动，使学生想学、愿意学，真正成为学习的主人。5)大数据与学情分析:超星学习通智能服务平台能详尽记录每个学生的学习行为，可以进行可视化分析报告，一键汇总生成过程性评价结果，并结合知识树，形象地展现出学生的学习掌握情况，便于老师有的放矢地展开相关教学活动。6)人工智能:运用大数据和人工智能技术，可以帮助学生在整个学习过程中高效完成学习，并辅助老师轻松教学。

2理论力学混合式教学的实施过程

[摘要]在深水油气开发过程中，由水合物生成引起的堵塞已成为深水油气流动保障领域面临的棘手问题。水合物防聚剂因性能优异且耐高过冷度(＞10℃)，为降低深水油气管线水合物堵塞风险的有效办法之一。为此，本文介绍了天然气水合物防聚剂的研究现状和正在开发的新品种，包含传统表面活性剂类、聚合物类及天然活性物类三大类，从防聚剂结构与性能关系角度，总结了现有水合物防聚剂的防聚特性、作用机理及分子改进方法。最后，提出了当前水合物防聚剂存在的问题及今后的研究方向，以期为国内在此领域的研究提供有益参考。

[关键词]天然气水合物；水合物防聚剂；表面活性剂；聚合物；天然活性物

我国陆上油气资源的逐渐匮乏使得海洋特别是南海等深水油气资源的开发势在必行，海洋油气资源将成为我国油气资源的主要来源之一[1]。相比于陆地和浅海，深水区域的高压低温环境极易引起天然气水合物的生成，引起深水油气集输管线堵塞，带来严重的安全和环境问题[2-3]。加注水合物抑制剂是解决管线水合物堵塞问题的有效办法[4-6]。天然气水合物抑制剂分为两大类：热力学抑制剂(THIs)和低剂量水合物抑制剂(LDHIs)，热力学抑制剂主要分为甲醇、乙二醇及无机盐等，但使用量通常高达10~60wt%(占产出水)，成本较高；LDHIs因使用量小，注入浓度常在0.1%~1.0wt%之间，成本低等优势而成为当前研究的热点。LDHIs分为动力学抑制剂(KHIs)和防聚剂(AAs)两种，目前开发的KHIs种类甚多，通常为水溶性聚合物，高过冷度(＞10℃)时，特别是深水环境下抑制效果较差；而AAs抑制效果不受过冷度的限制，为解决深水油气管线水合物问题的极具前景的办法[3-4]。本文简要介绍AAs的开发现状，从结构与性能关系角度，探讨AAs防聚特性、作用机理、分子改进方法及今后的研究方向。

1AAs防聚机理AAs

为具有双亲结构的界面活性物质，可抑制水合物的聚集与沉积，使水合物浆液形式保持输送[7-8]。主流观点认为AAs的作用机理有两种，一种由法国石油研究院(IFP)提出，即由乳化剂型AAs将体系乳化成油包水乳状液，将水相分散，水滴转化成水合物后将因此被分散在液烃相中，同时阻止水合物颗粒间的聚集[9]；另一机理由Shell公司提出，即AAs通过氢键作用力附着于水合物表面，扰乱并延缓水合物的生长过程，同时使水合物表面呈现疏水特性而分散于液烃相中[10]。此外，部分学者也提出了不同的AAs防聚机理，2009年，Kelland系统研究了聚氧丙烯醚类表面活性剂的防聚性能，提出了一种油水界面成膜防聚机理，即防聚剂分子在油水界面形成的隔离膜将油水两相隔离开来，阻止水滴及其转化成的水合物颗粒发生聚集[11]；2012年，Firoozabadi等提出了水相中AAs的作用机理，即AAs的疏水链吸附于水合物表面，从而阻止水合物颗粒聚集[3]；Seo等提出了吸水凝胶颗粒防聚机理，认为凝胶颗粒吸水膨胀，将自由水(或水合物)限制在凝胶颗粒内部，而凝胶颗粒无聚集特性，从而保持管输流体的流动[12]。防聚剂可分为传统表面活性剂、聚合物及天然活性物等几大类，其中表面活性剂按亲水基的不同，分为阴离子型、阳离子型、两性型及非离子型等种类。

2传统表面活性剂类AAs

2.1阴离子型。阴离子型表面活性剂AAs为基于乳化理论而开发，主要为磺酸盐类。20世纪90年代，Shell公司的Muijs等发现，在加量为0.1~3wt%时，烷基苯磺酸盐具有一定的防聚性能，可以确保体系生成水合物晶体后仍可以保持流动，不发生堵塞。Kelland等测试了烷基磺酸盐、烷基硫酸酯盐、烷基膦酸酯盐等阴离子表面活性剂的水合物防聚性能，性能一般[11]。阴离子可以促进水合物的生长，因而将其作为水合物防聚剂的研究较少。