DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 现阶段高校劳动教育的现状问题 由于受社会教育环境和成长环境的影响，以往我国教育体系过分强调智力教育发展，而忽视了劳动实践环节，相对缺乏性格素质、身体素质和人文素质等方面的教育。随着国家经济不断发展，时代不断进步，大学生需要不断提高自身综合素养，充分认识和加强新时代大学生的劳动教育，已成为高校教育的重要课题。但受各种因素的影响，现阶段高校大学生劳动教育在实施过程中存在诸多待解决的问题。 3.1. 高校对劳动教育的认识不完全 高校对劳动教育的认识程度不够全面，具有偏差，甚至错误的理解。主要表现为盲目把劳动教育归为体力劳动的范畴，并与智育劳动相比是分离的两个独立个体，不平等对待。但其实不然，如果只是进行体力劳动，不对劳动的过程和结果进行思考理解加以深化，那体力劳动不会产生深远意义；同样地，如果只是进行智育劳动，而不对所学知识进行实践和操作，那纯粹的书本知识也将不会产生任何实质性成果。假若长期将高校大学生困囿于对劳动教育缺乏正确认识的误区里，不但有损大学生的劳动情感、劳动能力，而且不利于大学生德智体美劳全面发展。 3.2. 高校对劳动教育发展不够重视 现目前较多高校对劳动教育发展不够重视，劳动教育的传授方式依旧是依靠老师照本宣读，学生单方面接受知识，没有创新也没有活力，没有劳动实践平台。由于劳动教育在整个教育体系中处于不被重视甚至被边缘化的位置，高校对大学生劳动观教育不重视，有目的、有组织的劳动观教育次数少，强度小，无法让学生理解到劳动的重要性，导致学生缺乏对劳动教育的正确认识，更谈不上自觉进行劳动实践活动 [ 2 ]。 3.3. 高校的劳动教育体系有待完善 一是没有正确深入理解劳动教育内涵，无力构建完善细致的劳动教育体系。二是没有明确劳动教育的总体目标，劳动教育的目标是培养学生马克思主义劳动观，牢固树立光荣崇高的劳动思想，练就基本的劳动能力劳动技能，养成良好的劳动习惯，适应社会生存与发展的需要。没有明确劳动教育的总体目标就无法构建劳动教育的整体结构。三是没有健全的劳动素养评价制度，对劳动教育的成果和成绩认定没有标准，不能实现科学合理评价，施教者没有劳动教育的能力素养，受教者没有接受劳动教育的意识与动力。假如把劳动素养评价结果作为衡量学生全面发展的重要内容，作为评奖评优的重要参考和毕业依据，作为录入高一级学校的重要参考或依据，更有利于调动高校劳动教育施教者与受教者的积极主动性，更会促进高校劳动教育体系的进一步科学化完善化。
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user: 4. 新时代以志愿服务为载体加强大学生劳动教育的实践路径 在新时代背景下，以志愿服务为载体，探索加强大学生劳动教育的价值意蕴与实践路径，培养大学生群体正确劳动观念、劳动习惯、劳动情感、劳动精神，了解生产技术知识、掌握生活和劳动技能；帮助学生端正学习态度、认真学习专业知识，并在就业、创业过程中更加务实和理性。青年志愿服务是新时代青年学生思想政治教育的有效载体。青年志愿服务是以社会主义核心价值观为根本引领和基本遵循，在充分尊重学生主体地位和平等参与意识的基础上，提升和发展学生的精神境界、实践能力和知识拓展。劳动是推动人类社会进步的根本力量，是人民美好生活的源泉。以志愿服务为载体开展劳动教育，既有助于发扬无私奉献的志愿精神，继承互帮互助的中华民族优良传统，传递文明友善和谐的社会风气，也是回归人之本质、回归学生自身的主体性教育方式，能够帮助学生在自主实践中发现自我，通过双手改变和创造自己的生活，帮助在改造客观世界同时改造自身主观世界，实现自我教育。 4.1. 培育项目化、专项化的志愿服务提升高校劳动教育成效 培育项目化的志愿服务。从1993年开始在全国范围内兴起志愿者行动以来，志愿服务经历了由粗放到精细、由广泛化服务到项目化运作的过程，项目化运作逐渐成为许多志愿者组织选择的一种有效活动形式 [ 3 ]。相对于原来广泛化服务而言，将志愿服务项目化确实有诸多优点：更有利于组织或个人精力的集中和经验积累，更有利于志愿者组织和志愿者的快速成长，使志愿者组织或个人在服务的过程中逐步做到专业化，使志愿服务能够长期坚持、深入持久，能够在志愿服务的领域产生本质性的服务效果。 培育专项化的志愿服务。由于志愿者需要干预的社会领域太多了，志愿者团队和个人可以从事和参与的志愿者项目也很多。然而，任何组织或个人的时间，精力和能力都是有限的。对志愿者团体和志愿者个人来说，由于所有方面条件的限制，他们无法介入需要志愿者介入的所有领域，也不能介入全部想介入的领域，不能参加所有想参加的志愿活动，只能在有限的领域做有限的活动，只能选择符合自己所学所得能够在其最终获得收获的少数志愿活动。建议培育专项化的志愿服务，志愿者运用专业知识与兴趣特长集中在特定领域，这样更有利于志愿服务发展和社会进步，从而更好地发挥以志愿服务为载体的劳动教育取得良好成效。 将志愿服务由广泛服务到项目化和专项化运作，更能提升高校劳动教育成效。在有限的领域内做有限的专项项目，选择合适自己所学习的知识、能够进行实践的少数志愿服务项目，集中精力踏踏实实地做，将其深化、细化、专业化，才更有利于在劳动教育的过程中对新时代大学生的精力集中和经验累积，使志愿者团队的同学们在服务的过程中逐渐成长，快速走向成熟。也能成功地实现将劳动教育融入到新时代高校，达到立德树人的劳动教育目的，彰显劳动教育成效。 4.2. 积极关注参与志愿服务与劳动教育深入加强二者融合作用 志愿服务是进行劳动教育的实施载体。劳动教育在实施途径方面有自己的特点，它主要不是在课堂里“讲”出来的，而是组织学生在真实的劳动中“干”出来的，主要通过生产劳动和公益劳动等来实施。《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中指出：“坚持教育与生产劳动、社会实践相结合……鼓励学生积极参与志愿服务和公益事业。”志愿精神体现为“个人对生命价值、社会、人类和人生观的一种积极态度”。志愿精神在影响志愿者和救助对象、作用于社会体系结构和心理各方面的基础上，最终的目的是在全社会每个成员的心灵中得到内化，成为一种面对人生、社会和生命的个体态度。这是志愿精神的最深层次，是“奉献服务”“自助助人”“公民参与”“互助友爱”和“共同进步”等精神内涵在个人人生态度之中的升华。而劳动教育最核心的价值是培养人格，两者在培养目标上具有高度一致性。 积极关注志愿服务与劳动教育。高校具有占地面积广、基础设施多、生源分布散等特点，引导学生在校园内开展有想法有规划的志愿服务活动，积极践行劳动教育，实现劳动教育与志愿服务的有机融合。在大学校园里，通过加强志愿服务活动整体设计、融入劳动教育教学环节，提升志愿者和劳动教育融合的覆盖面，增加学生参与的融入性，拓展学生参与趣味性。同时可以通过勤工俭学机制措施，将志愿服务等活动向学生招募开放，从活动项目设置、开展、效率等多方面进行评估，创造性地增强学校劳动形式的育人功能，是实现劳动育人的重要路径 [ 4 ]。 4.3. 运用“第二课堂成绩单”制度调动大学生参与积极性 随着高校共青团改革的大力推行与顺利实施，“第二课堂成绩单制度”已经发挥着推动学生综合素质能力提升的重要平台作用。“第二课堂成绩单”制度学作为高校推动学生第二课堂与第一课堂互促互融的抓手，极大的促进和丰富了第二课堂的实效性。高校可以将志愿服务活动与“第二课堂成绩单”制度相关联、相结合。通过“第二课堂成绩单”制度中相关模块的设计和内容的增强，促进志愿服务中融入劳动教育，增强大学生对于劳动教育的了解和参与。充分利用第二课堂的学分制度并相应提出志愿服务所获成绩的次数和分数要求。将“第二课堂成绩单”作为大学生思想政治表现、奖学金助学金、入党入团等考核的重要依据之一。鼓励或要求大学生积极主动参加学校各种志愿服务活动，比如学校公共地区卫生服务，绿化养护等公益性劳动项目，班级集体劳动项目，跟随朋辈导师进行实践学习等基础劳动实践机会，将学科知识教育和志愿服务结合。学院可以多与妇联、红丝带等社会福利组织共同组织志愿义务服务或宣传，为同学们提供参与志愿服务的平台，进行劳动教育的途径。学生会可以举办“爱心义卖”等活动筹集物资，或组织义务表演，志愿者进入敬老院孤儿院等为老人和小孩送去温度和欢乐。学校还应鼓励支持学生深入城乡，进入农村进行义务劳动，例如“暑期三下乡”等。大学生积极参与志愿服务，实现劳动教育与志愿服务有机融合、相辅相成。
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user: 摘要 密度泛函理论(Density Function Theory， DFT)是量子角度诠释催化剂功能的主要方法，在二氧化钛改性计算中应用广泛。在光催化改性的研究中，常配合算法来指导选材或辅助说明研究结果的准确性。本文对三种常用的DFT计算软件(VASP， Material Studio和Gaussian)在二氧化钛光催化领域的应用进行了综述，同时对DFT在该领域的研究前景作了展望。
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user: 1. 引言 近年来，以二氧化钛(TiO 2 )为基础的光催化材料对污染物的吸附催化研究越发深入，密度泛函理论(Density Function Theory， DFT)方法对于研究流体在不同材料上的吸附过程具有显著指导作用，在离子掺杂、贵金属负载、半导体复合等技术中有广泛应用。物质内部结构探索需要实验与理论的共同结合，DFT理论计算方法是必须的组成部分。本文介绍了VASP， Material Studio和Gaussian等三种DFT计算方法在光催化改性领域的应用，并比较了优缺点。
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user: 2. TiO 2 的性质及应用 自1972年Honda和Fujishima [ 1 ] 开始研究以来，TiO 2 的光催化作用逐渐被物理、化学、材料等领域所关注。1976年，Carey等 [ 2 ] 开始了研究TiO 2 光催化剂在环境保护中的应用。光催化适用于环保和能源等领域，如在污水处理、净化空气、抗菌、防雾自洁中被广泛应用 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]，TiO 2 光催化剂处理有机废水效果显著 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]，在光照下有机化合物发生氧化还原反应逐步分解，最终降解为环境友好的CO 2 、H 2 O以及无毒无机物，在污水有机污染物的处理中有巨大潜力 [ 10 ] [ 11 ]。 TiO 2 在自然界中主要存在金红石(Rutile)、锐钛矿(Anatase)和板钛矿(Brookite)三种晶型 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]，材料结构的不同导致它们的质量密度和电子能带结构差异 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]，进而影响光催化性能，锐钛矿型TiO 2 晶格内和表面存在较多氧空位可捕获光生电子，更利于光催化活性的提高。但以下两个难题限制了TiO 2 的整体光催化性能。 1) TiO 2 作为宽禁带半导体吸取的太阳光范围有限 [ 18 ] [ 19 ]，制约了TiO 2 在可见光波段的应用。 2) TiO 2 的光生载流子无法有效分离 [ 20 ] [ 21 ]，致使电子和空穴无法及时参与氧化还原反应，因此光催化效率较低。 为了提高光催化性能，复合光催化剂已被广泛开发 [ 22 ] [ 23 ]。TiO 2 改性可通过金属改性、半导体复合、离子掺杂和染料敏化来实现，其中离子掺杂是目前使用最广泛的TiO 2 改性方法 [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]。可用于掺杂的金属离子有 Fe 3+ 、Cu 2+ 、Pb 2+ 、V 5+ 、Cd 2+ 、La 3+ 、Ru 3+ 、Rh 3+ 等 [ 27 ] [ 28 ]，当掺杂离子与Ti 4+ 价态相似或离子半径相似时，催化效果得以最大的提升 [ 29 ]。为防止较高的金属离子掺杂浓度使空穴与电子再次结合，同时扩宽光吸收范围，改性由最初的金属离子掺杂发展为非金属离子及其它离子共同掺杂。在其结构表征、合成设计、性能分析过程中普遍应用到了DFT计算，来模拟催化剂的表面活性，设计新型TiO 2 催化剂。
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user: 4. 结束语 DFT在TiO 2 改性中能有效地指导TiO 2 机理研究使TiO 2 的体系参数被逐一优化，改性的TiO 2 结构中，TiO 2 键长和键能是反应其催化活性的重要指标。VASP， Material Studio和Gaussian等软件深入研究了催化剂的尺寸、晶格应变、维度量纲、表面结构等结构，明确了催化剂的电子密度分布、表面吸附性能等内在规律 [ 56 ]；确保了密度泛函在催化剂局部计算中的精度，为实验操作提供有效且可行的借鉴；对于不确定参数的调整和研究提供了可靠的方法，使密度泛函在TiO 2 改性领域中普遍应用，针对性地设计催化剂，缩短研发时间降低研发成本，在TiO 2 改性中发挥了极大的价值，具有广泛的应用前景。
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user: 摘要 本文在超声波辅助下，利用热水浸提法七星剑花茎多糖，以苯酚–硫酸法测量多糖的含量，探讨了料液比、浸提时间和浸提温度等因素对多糖的率的影响，并运用体外法探讨了七星剑花茎多糖的保湿性能，研究结果表明最佳提取工艺条件为：料液比为1:5、浸提时间为25 min、浸提温度为80℃，七星剑花茎多糖得率为1.724%；在低湿度环境下，1%多糖溶液的保湿率高于10%甘油溶液和1 g/L甘油溶液的保湿率，而在高湿度环境下，1%多糖溶液的保湿率介于后两者之间；含茎多糖雪花膏的保湿率介于含甘油雪花膏的保湿率和含茎多糖与甘油混合物雪花膏的保湿率，表明多糖与甘油在保湿性能方面有协同作用。
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user: 1. 引言 近年来的研究发现，植物多糖具有多方面的药理作用，如抗衰老、抗肿瘤、抗病毒、抗养氧化活性、抗炎、增强免疫等作用 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]。多糖链上连接有大量的亲水性集团——羟基，这使得多糖具有强吸水性、乳化性、高黏度性和成膜性 [ 5 ]。多糖的药理活性和理化性质使其在化妆品中有相当广泛的应用，极具研究和应用价值。七星剑花茎是仙人掌科(Cactaceae)量天尺属(Hylocereus Britt. et Rose)植物七星剑花(Hylocereus undulatus Britt)植株的地面部分。研究表明，量天尺属的植物茎凝胶中含有植物多糖、矿物质元素、维生素E、甾醇等等，其中多糖含量最高，占茎干品的7%左右。此多糖以甘露聚糖的形式储存与植物细胞中，无色，无味，无毒 [ 6 ]。分子量介于3900到4300之间，分子链短，含有羟基和羧基，具有较好地保湿能力 [ 7 ]，是一种极有发展前景的化妆品保湿成分添加剂。 目前对七星剑花多糖的研究仅限于七星剑花花中多糖的研究，七星剑花茎多糖的研究则尚未见报道。本研究以超声波辅助热水浸提法提取量天尺属植物七星剑花茎凝胶中的植物多糖，利用高浓度乙醇初步分离纯化多糖，并运用体外法测试多糖的保湿性能。
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user: 2. 实验 2.1. 实验材料 2.1.1. 主要实验仪器 超声波清洗机(YT-100V，上海叶拓仪器仪表有点有限公司)，紫外可见分光光度计(UVmini-1240，岛津)，低速台式大容量离心机(TD 40C，上海安亭科学仪器厂)，旋转蒸发仪(N-1100系列，上海爱郎仪器有限公司)，真空干燥箱(DZF-6050，上海一恒科学仪器有限公司)，搅拌机(L12-Y3，九阳股份有限公司)。 2.1.2. 实验材料及试剂 新鲜七星剑花茎；葡萄糖；50%苯酚；浓硫酸；溴化钠；溴化钾；无水乙醇；去离子水等。 2.2. 粗多糖提取 用清水将新鲜七星剑花果茎洗净，去除外皮以及内部枝干，切成小块状，放入搅拌机中搅拌至糊状后倒入烧杯中，将其放入冰箱冷冻24 h以上，解冻待用。 取10 g原料置于200 mL烧杯中，按照一定比例加入的蒸馏水，充分搅拌后加热至一定温度，放入已经预热至上述温度的超声波清洗机中，浸提一定时间后，将浸取液冷却至室温，放入离心机，于4000 r/min转速下离心15 min。将离心分离后的上清液用旋转蒸发仪旋转蒸发浓缩其体积为原来的1/4，将浓缩液倒入烧杯。而后在盛有浓缩液的烧杯中加入1/4浓缩液体积的sevage试剂(现配现用)，剧烈震荡烧杯，待出现白色絮状物后进行离心(4000 r/min，15 min)，取上清液。将4倍于上清液的95%乙醇加入盛有浓缩液上清液的烧杯中，放入冰箱中静置4 h。静置结束后，取出烧杯，进行离心(参数4000 r/min，时间15 min)，取下部沉淀。将沉淀放在蒸发皿中，置于真空干燥器中80℃干燥2 h即得七星剑花茎多糖产物。 2.3. 多糖含量测量 利用苯酚–硫酸法测多糖含量 [ 8 ]。 标准曲线绘制：称取烘干至恒重的葡萄糖配制的1 g/L葡萄糖标准溶液，再利用1 g/L葡萄糖标准溶液配制0.00、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1 mg/mL的葡萄糖溶液待用。分别取上述系列浓度葡萄糖溶液取2 mL置于6支10 mL试管中，各加入1 mL 5%苯酚溶液，摇晃均匀，再加入5 mL浓硫酸，振摇均匀后静置自然冷却到室温，利用紫外分光光度计测量其在490 nm波长处的吸光度。将浓度与对应吸光度绘制成图(如图1)并拟合成直线，回归方程为：A = 4.69455c + 0.0656，R = 0.998。 图1. 多糖含量与吸光度关系曲线 样品多糖含量测定：准确称取待测样10 mg，置于5mL容量瓶中，加3~4 mL水溶解，补加去离子水至刻度。取2 mL上述溶液置于10 mL试管中，加入苯酚溶液，摇晃均匀，加入H 2 SO 4 ，振摇2 min后，于相应温度中水浴加热，取出后置于冷水中冷却，吸取2.0 mL上述溶液，加入1 mL 5%苯酚溶液，摇晃均匀，再加入5 mL浓硫酸，振摇均匀后静置自然冷却到室温，利用紫外分光光度计测量其在490 nm波长处的吸光度，并根据式(1)计算多糖提取率。 多 糖 得 率 = A 1 − 0.0656 4.69455 × 0.5 × m 2 m 1 × 100 % (1) 式中： A 1 ——样品吸光度； m 1 ——七星剑花茎重量，g； m 2 ——粗多糖重量，g。 2.4. 保湿性能测试 [ 9 ] 配制10%甘油溶液，1 g/L甘油溶液和1 g/L多糖溶液，称取每种溶液0.2000 g，涂敷于三块贴有医用胶布的玻璃板上，称重 m 0 ，放进盛有饱和溴化钠溶液(相对湿度为56.03%)，再按照上述方法制备三块涂覆有样品的玻璃板，称重后置于饱和溴化钾溶液(相对湿度为80.27%)的干燥器中。分别称量各玻璃板放置4 h、8 h、12 h时的重量，即为 m t 。保湿率ME按式2计算 M E = m t m 0 × 100 % (2)
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user: 3. 结果与分析 3.1. 七星剑花茎多糖的提取工艺 为了探讨料液比的大小对七星剑花茎多糖提取程度的影响，本研究进行了六个不同料液比下的实验测量，其他实验条件为浸提时间25 min，浸提温度80℃。料液比的大小直接影响七星剑花茎多糖的提取程度，从图2可以看出，随着料液比的减小，茎多糖提取量增加，但增加不明显，若继续选用料液比大于1:5时不利于料液分离，故在后续的研究中选择1:5作为七星剑花茎多糖提取实验的料液比。 图2. 料液对多糖提取量的影响 浸提时间对多糖提取率的影响结果如图3所示，浸提时间不超过25 min时，多糖得率随着时间的增加而增加，但当浸提时间超过25 min后，多糖得率稍有下降。其他实验条件为：料液比1:5，浸提温度80℃。 图4为浸提温度对多糖得率的影响，可以看出，多糖质量随着温度的上升存在明显差异，在温度为80℃时，多糖提取量出现最大值，且远远大于其他浸提温度下的多糖提取量，故选择80℃作为提取七星剑花茎多糖的浸提温度。 图3. 浸提时间与多糖提取率的影响 图4. 浸提温度对多糖提取影响 综上所述，茎多糖热水浸提工艺最佳提取条件是：料液比1:5，浸提时间25min，浸提温度80℃，茎多糖得率为1.724%。 3.2. 多糖的保湿性能 以10%甘油的保湿率作为参照标准，在不同相对湿度下比较1 g/L甘油和1 g/L多糖的保湿率(ME)。 3.2.1. 56.03%湿度环境下保湿率的变化 由图5可以看出，在相对湿度为56.03%左右时，多糖的保湿率高于10%甘油和1 g/L甘油。且随着时间的变化，在此湿度下，三者的保湿率变化都不大。 3.2.2. 80.27%湿度环境下保湿率的变化 由图6可以看出，在相对湿度为80.27%左右时，1 g/L多糖的保湿率略低于10%甘油的保湿率，而高于1 g/L甘油溶液的保湿率。 在低湿度环境下，1%多糖溶液的保湿率由于10%甘油溶液和1 g/L的保湿率，而在高湿度环境下，1%多糖溶液的保湿率介于后两者之间。 图5. 相对湿度56.03%环境下保湿率 图6. 相对湿度80.27%环境下保湿率 3.2.3. 保湿剂对雪花膏的保湿性能的影响 分别将茎多糖、甘油及混合保湿剂(茎多糖与甘油按照质量比1:1混合)作为保湿剂添加在雪花膏基质中(原料及配比如表1)，配制成雪花膏 [ 10 ]，测量雪花膏在不同湿度下的保湿率，结果见图7和图8。 Table 1 Formula composition of vanishing crea 原料 白油 十六醇 无水羊毛脂 Tween-80 Span-80 保湿剂 精制水 质量分数/% 35 1 1 4.44 2.56 7 至100 表1. 雪花膏基础配方 由图7、图8的结果可见，随着时间延长，雪花膏的保湿率均下降。低湿度环境下，在0~8 h时内，保湿率下降速度较快；8 h之后，保湿率下降速度减慢，三种雪花膏的保湿率差别也减少。高湿度环境下，保湿率下降速度相对较为一致。 在高湿度和低湿度环境下，在测量时间范围内，以茎多糖为保湿剂的雪花膏保湿率高于以甘油为保湿剂的雪花膏的保湿率，但低于含混合保湿剂的雪花膏的保湿率。这说明多糖与甘油在保湿方面有协同作用。 图7. 相对湿度56.03%环境下保湿率 图8. 相对湿度80.27%环境下保湿率
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user: 4. 结论 1) 在超声波辅助下，利用热水浸提法提取七星剑花茎多糖，最佳提取工艺条件为：料液比为1:5、浸提时间为25 min、浸提温度为80℃，七星剑花茎多糖得率为1.724%。 2) 在低湿度环境下，1%多糖溶液的保湿率高于10%甘油溶液和1 g/L甘油溶液的保湿率，而在高湿度环境下，1%多糖溶液的保湿率介于后两者之间。 3) 在高湿度和低湿度环境下，含茎多糖雪花膏的保湿率高于以含甘油雪花膏的保湿率，但低于含茎多糖与甘油混合物雪花膏的保湿率，表明多糖与甘油在保湿方面有协同作用。
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user: 摘要 “试验设计与分析”是统计学、工业工程、仿真工程等诸多专业的必修课程。结合我校仿真工程本科专业“试验设计与分析”课程建设实践，总结了课程应用性强、概念繁杂、数理基础要求高、专业背景差异大的特点，提出了根据专业背景优化教学内容、利用BOPPPS模型构建教学闭环、注重案例教学提高动手能力、创新教考方式激励主动学习等四点课程建设的经验，以期能够给同行提供一定的参考。
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user: 1. 引言 试验设计是一门由应用推动的统计学科，以高等数学、线性代数、概率论和数理统计等为理论基础或工具，研究如何构造具备某种优良性质的设计来实施试验，如何对试验数据进行科学的分析，从而实现节约试验资源、降低生产成本、提高产品质量等目标，包括因子设计、回归设计、稳健参数设计、混料设计和计算机试验设计等众多有特色的分支。 试验设计的思想方法广泛应用于农林业、工业、生物、医学、心理学、社会经济等各个领域。统计学家G. P. Box说过，假如有10%的工程师使用试验设计方法，产品的质量和数量都会得到很大提高。质量工程创始人田口玄一博士说过，不懂试验设计的工程师只能算半个工程师。正是由于试验设计的重要性，统计学、工业工程、化工、食品、生物等专业都将开设有试验设计相关的必修课或选修课。然而，不同专业的教学内容存在较大差异。如福建农林大学的“试验设计与统计分析”MOOC课程中仅简单介绍了试验设计的“区组、随机化和重复”三原则，大部分课时用于讲授参数估计、假设检验和回归分析等统计方法；而清华大学MOOC课程“试验设计与分析”设计的课时多，统计分析的课时相对较少(清华大学的两门课程实质上是同一门课)。此外，这些课程主要以介绍试验设计和数据分析的基本概念和理论的讲授课为主，近年来R语言、SPSS等统计软件的实践课时呈增长的趋势，如华东师范大学的MOOC课程中专门设有介绍R语言的章节。 总而言之，正是由于试验设计应用的广泛性，很多专业都可以或应当开设试验设计课程，但教学内容设计上应结合专业的特点，不能一概而论。本文在分析“试验设计与分析”课程主要特点的基础之上，结合我校仿真工程本科专业课程建设实践，给出了几点经验，供从事相关专业课程建设的教师参考。
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user: 2. 课程主要特点 2.1. 应用性强 试验设计这一学科的产生和发展都由实际问题驱动，其应用性很强。试验设计起源于上世纪20~30年代统计学家R. A. Fisher在Rothamsted农业试验站的工作，他提出了试验设计的三大原则：重复、区组和随机化，并与同事Frank Yates共同提出了正交设计、拉丁方、因子设计以及方差分析等概念，建立了试验设计这一学科。第一次工业时期，统计学家G. P. Box 意识到工业试验具有及时性和序贯性的特点，于1951年与Wilson共同提出响应曲面法，该方法在接下来的30年中在化工领域和流程工业中得到广泛的应用，开启了试验设计的第一次应用浪潮。二战后，美国工程师、统计学家 W Edward Deming将统计质量控制引入日本， 开启了试验设计的统计质量革命时期。日本工程师田口玄一博士利用正交阵列独立提出了一系列部分因子设计的技术， 还提出了鲁棒参数设计和过程鲁棒性的概念，他的方法被日本视为“国宝”。随着计算机仿真技术的不断发展，Santer于1985首次提出计算机试验设计的概念，如今已经得到大大的发展，建立了包括均匀设计、空间填充设计、超拉丁方设计等一系列方法，Santer在其专著 [ 1 ] 中详细阐述了计算机试验设计与分析的主要理论方法与发展现状。在授课过程中需突出利用试验设计应用性强的特点，结合应用背景来阐述不同的试验设计方法，增强课程的趣味性和实用性。 2.2. 概念繁杂 试验的根本目的是研究因子之间的因果关系，在概述试验设计时，涉及因果性、因子、响应、处理、响应模型、试验单元等基本概念；经典的析因设计中涉及效应、交互效应、正交设计、混杂、别名、分辨度等概念；最优回归设计中设计均方误差、信息矩阵、复共线性、D-最优、E-最优、可旋转性等概念；计算机试验设计中涉及到空间相关性、空间填充、均匀性、序贯设计等概念。这些概念中有的具备一定的思辨性质，难以理解，如因果性、试验单元、混杂与分辨度等；而有的则建立在一定的数学基础之上，如空间相关性、均匀性等。对学员的思维能力和数学基础都有较高的要求。 2.3. 数理基础要求高 试验设计与分析的理论基础建立在“多次试验的测量误差为独立同分布的零均值随机变量”这一假设之上，由此导出一系列的假设检验和参数估计方法。首先要求学员掌握多元正态分布、χ 2 -分布、t-分布、F-分布的基本性质与概念，它们是方差分析、回归分析和Kriging模型的基础。这些概念在本科公共课程《概率论与数理统计》中有所涉及，但受课时限制都没有系统讲授过。授课过程中部分学员反应课程难度大，具备一定的挑战性。这就要求在课程设计时要理顺逻辑关系，精简教学内容，理清楚理论线条。 2.4. 专业背景差异大 试验设计应用广泛，很多专业都设置有试验设计的课程。需针对开课专业的培养目标和培养方案，适当调整课程的内容，采用有针对性的案例。根据我校2017版本科学员培养方案，共四个专业开设有《试验设计与分析》课程。其中，仿真工程本科专业和试验评估技术首次任职专业为专业必修课，大数据工程本科专业和导弹工程本科专业为选修课。 从仿真工程本科专业的视角来看，试验设计与分析是仿真开发的重要环节之一、是解决仿真模型验证问题的有效手段、为统筹实物试验、半实物试验和数字仿真试验等多种试验方式的提供科学方法。应重点介绍计算机试验设计的内容。 从大数据工程本科专业的角度来看，试验设计的思想与大数据思维互补。大数据思维包括全样思维、容错思维和相关思维。全样思维认为数据不再是来自总体的样本，而是总体本身；容错思维认为由于数据量足够大，局部的误差和错误不影响总体；相关思维认为大数据时代变量之间的相关性比因果性更重要。而试验设计强调以尽可能少的样本获得变量之间的因果关系。针对大数据工程专业，可把授课重点放在方差分析、回归分析等数据分析方法上。 从试验评估技术首次任职专业来看，本课程是重要的专业课。首次任职专业应重点关注学员解决工作中实际问题的能力，为学员构建应用试验设计与分析方法解决实际问题的流程、标准和规范。 虽然三个专业都学过高等数学、线性代数、概率论与数理统计等公共课程，但各专业的课程设置有较大的差距。例如，有的专业学过《应用统计》课程，统计基础和素养较强，而有的专业则没有开设《应用统计》这一课程。因此不同专业在理论知识的讲解上也要有所侧重。
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user: 4. 总结 试验设计是理工科学员应该掌握的基本技能，“试验设计与分析”是统计学、工业工程、仿真工程、系统工程等专业的必修课程。课程建设是一项永无止境的工作，如何增强“试验设计与分析”这类数理要求高的理论课程的趣味性，提高学员主动性和积极性，是一个值得深入研究的课题。在我校仿真工程本科专业“试验设计与分析”课程建设实践的基础上，总结出课程应用性强、概念繁杂、数理基础要求高、专业背景差异大等特点，提出根据专业背景优化教学内容、利用BOPPPS模型构建教学闭环、注重案例教学提高动手能力、创新教考方式激励主动学习四点课程建设经验，并构建了新的课程知识体系，编写了课程讲义。后期，我们将结合专业背景，增加专业特色的教学案例、习题和实践环节，进一步完善讲义。
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user: 摘要 为进一步夯实大学本科地质学类学生的专业基础，锻炼其动手能力，本文以中国石油大学(北京)石油地质教学实验室为例，在提升改善教学资源、提高使用率及加强实验平台建设的基础上，探讨了教学实验室资源使用效率最大化的运行机制和管理体制，并针对性地提出对策和建议。
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user: 1. 引言 在2014年地质类专业工程教育专业认证中，报告提出“中国石油大学(北京)本科资源勘查工程专业实验教学需要进一步提升，迫切需要加强油气地质专业领域的实验教学平台的建设和实验室的规范化建设”的问题。实验教学是人才培养的重要部分 [ 1 ]，学校领导、职能部门及地球科学学院领导高度重视实验教学，大力推动教育教学改革，按照“巩固基础、转化优势、强化特色、追求卓越”的方针，基于厚基础、重交叉、强创新的“五位一体”实践教学平台与体系 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]，最终实现单项实验和综合实验相结合、多课程联合使用实验室、优化和提高实验室利用率、教学科研一体化等结果，并达成进一步加强油气地质类专业实验室建设的共识。2016年扩建了油气特色突出的石油地质专业实验室，满足资源勘查工程专业的“石油地质学”、“油矿地质学”、“油气地球化学”、“储层地质学”等主干课程实验教学的需要。石油地质教学实验室坚持以学生为中心的指导思想，逐步建立起具有专业、学科特色的实验室日常管理制度、安全管理制度及安全事故应急预案。
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user: 2. 石油地质教学实验室建设的基础 石油地质教学实验室承担的最重要的教学任务之一就是“石油地质学”课程实验教学。中国石油大学(北京)的“石油地质学”是石油地质相关专业的必修基础课程，也是一门国家级精品课程。“石油地质学”的核心内容为油气生成、运移、聚集成藏，其过程均发生在地下，看不见、摸不着，很抽象，仅靠理论讲解，学生很难真正理解并掌握 [ 4 ]，显然，实验教学可以为上述问题提供一个重大突破口。通过物理模拟实验，可使学生更为形象、直观地观察到上述过程，加深对理论的理解，通过亲自动手实验，进而培养学生动手能力、观察能力、分析和解决问题的能力以及创新精神具有重要的作用。例如，本课程长期以来开设两个观察和演示实验：(1) 原油、烃源岩、储集岩样品的物理观察与描述实验；(2) 烃源岩部分有机地化指标萃取过程演示实验。 “石油地质学”的实验教学课程体系着重于：(1) 石油地质教学实验室的建设，弥补了“石油地质学”本科专业教学实验室的欠缺和实验教学的不足，完善了实验教学条件，提高了实验教学资源的优化配置；(2)教学实践的增加，提高了专业基础课程的教学质量、实验教学效果和学生的实践及创新能力；(3)提高型、综合型、创新型实验教学内容的增设，培养了学生的主观性和创造性。三者共同推进了结构合理和高效运行的实验教学体制改革。 中国石油大学(北京)的“石油地质学”课程及实验教学的建设具有优秀的教学团队支撑——石油地质学教学团队和油气田开发地质教学团队，其中石油地质学教学团队为北京市优秀教学团队。教学团队定期开展教学研讨活动，对“石油地质学”需要新增的实验教学内容多次认真讨论，达成共识，并承担多项如“石油地质教学实验室运行机制研究”等石油地质学实验教学的改革项目。项目负责人曾多次讲授“石油地质学”课程，熟悉该课程的教学环节、教学内容，并具体负责石油地质本科教学实验室的建设。项目组主要成员均为石油地质学团队骨干教师，并具有一定的实验操作基础。教学团队依据实验课内容，编写实验教学讲义，设计研发自制实验装置：测压面观测及系列背斜圈闭聚气观测实验装置、石油运移动力实验装置、阻力观测实验装置、油气运聚二维物理模拟实验装置。另外，石油地质教学实验室还新增了气相色谱仪、石油产品密度、粘度测定仪、达西定律演示仪、气测孔隙度、渗透率测定仪、地质荧光仪、荧光显微镜等仪器设备。 因此，石油地质教学实验室具备良好的实验室基础设施、完备的实验教学讲义以及优秀的教学团队的支持。石油地质教学实验室的建立大大加强了“石油地质学”“油矿地质学”等精品课程的实验教学建设，丰富了理论课程的内容，提高了专业基础课程的教学质量和学生的实践动手能力。
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user: 3. 石油地质教学实验室运行中存在的问题 3.1. 需要加强实验室管理的规范化 根据专业的教学实验室自身功能特点设立专门的实验室管理准则、安全管理制度等尤为重要。实验室仪器具有种类多、数量大、对应厂商多等特点，对实验室日常管理、安全管理、仪器维修维护和更新升级等造成一定的困难。实验室管理不规范，将造成理论课程讲授进度滞后于实验课内容的情况等，进而使学生无法更好地理解实验现象。 3.2. 实验课教师、学生责任感较弱 不同课程的实验课并非由同一实验课教师负责。课程期间，学生需在多个实验室进行实验。少数实验主讲教师对自己的责任认识不够，认为实验教学只要做到教授学生实验课程知识、实验仪器操作步骤即可，对学生管理不到位，仪器问题也未能及时反馈给实验室管理人员，如实验课课堂学生过多，实验室内拥挤和混乱，部分学生忽略实验室纪律等问题。 3.3. 实验室教学内容较少，设备利用率较低 对应理论课程较少，实验课程较为集中，课外时间利用率低，实验室功能未得到充分发挥等问题，需要加强理论课教师与实验课教师之间、学生与教师之间的学习和交流，加大教学与科研资源、学校内部各实验室内部资源、校际之间实验室资源共享力度。
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user: 4. 石油地质教学实验室运行机制讨论 4.1. 健全实验室规章制度，实验室管理规范化 (1) 实验室实行三级联动部门管理体制 教学实验室由学校教务处统筹安排，由学校保卫处、教务处、研究生院、后勤管理处联合成立校内实验室安全督查小组，对各学院形成实验室安全隐患自查台账和整改情况现场核查；国家级实验教学示范中心与学院双重管理，成立实验室安全领导小组和安全督导小组，对全学院实验室进行安全监督和定期督查；设立实验室专职实验教师，负责实验室日常管理、设备维护维修、实验室开放和安全管理以及部分实验教学任务 [ 2 ] [ 5 ] (图1)。 图1. 实验室管理结构图 (2) 健全的规章制度是实验室各项工作及安全的保障 针对石油地质专业特色，建立并完善石油地质实验室各项管理办法及规章制度：实验人员管理办法、仪器设备使用维护管理办法、实验室运行经费管理办法、实验室安全管理制度、紧急应急预案、废弃物管理办法、实验室开放管理办法等 [ 6 ]，确保实验室管理规范化，仪器管理有序化。 (3) 坚持“安全第一、预防为主”的实验室安全管理准则 本着“谁使用、谁负责，谁主管、谁负责”的原则，建立严格的安全环保岗位责任制 [ 2 ]。学院党政负责人(院长和党委书记)明确实验室安全责任人和管理员的责任目标和管理责任，与各实验室专职实验员签订实验室安全管理责任书，落实实验室安全管理方面的考核，对因工作不落实、管理不到位而发生重大责任事故的责任人和个人予以处理。教学实验室通过自查和督查，健全实验室安全管理体系，深化实验室安全队伍建设，切实加强实验室安全教育培训，消除实验室安全隐患，不断改进实验室安全状况，做到“零失误、零事故”，形成实验室安全常态化格局。 实行实验室准入制度，所有新进入实验室的学生和教师须接提前受学校的实验室安全教育培训与考核 [ 7 ]，通过后还需参加学院根据实验室特色设置的专业类考试，经两次考核均通过后，方可准许进入实验室工作和学习(图1)。 (4) 提升实验室专职实验教师的管理水平和实验技能 石油地质教学实验室的专职实验教师负责实验仪器、设备、材料和物资的管理、实验准备及设备维护维修，保障实验室清洁卫生、防火及防盗安全，保证实验室资源共享，协调安排实验教学、科研和对社会服务的各项工作，确保实验教学工作安全、有序的进行。 仪器设备的正常运行，是实验教学工作顺利进行的重要保证，是设备完好率的根本保证，而及时维护和保养是保证仪器正常运行的有力措施，因此实验室专职教师需做到充分了解仪器设备的结构和功能，同时参与到实验室建设和实验教学的研讨中，与其他实验教师和理论课教师交流研讨，熟悉所有实验内容，积极参加实验室安全管理培训、技术交流等，提升管理水平和实验技能，及时掌握实验教学发展需求和趋势，在做好教辅工作之余，参与仪器研发创新，为培养高素质人才提供服务和支持。 4.2. 全员参与实验室管理 石油地质教学实验室为“一对多”(一名专职实验员对应多个实验主讲教师，一名教师对应多名学生)的模式，为了提高实验教学人员的责任意识，强化学生实验课纪律，需要充分调动各方积极性，全员参与实验室管理工作。 实验教学人员主要任务是负责本实验室的实验课教学工作，除了教授课程知识，还应该包括教授学生实验室安全知识、提升学生思考问题及应急处理能力、培养学生爱护仪器及样品的意识。同时，还应注意培养学生创新能力，如根据理论课程需要进行实验仪器设计与研发等。制定教师职责手册，增加教师与学生之间的交流，及时了解学生需求。 严格要求学生遵守实验室守则，针对各实验室特征，实验课前对学生进行实验室安全、纪律培训，由被动教育转变为主动学习，提倡学生自我管理 [ 8 ]，由此加深学生对实验室纪律的认识，规避实验操作过程中意外情况，同时更好地提高自身实践能力。 4.3. 保证实验室开放运行，并加大开放力度 教学实验室是学校专业理论课程实验教学和学生专业技能培养的重要场所和平台。为突出石油地质实验室的专业特色，特别是针对专业理论课程进行的自制实验装置的研发和使用，实验室实行“以学生为本”的开放创新式实验教学，根据实验室开放管理规定，发布实验室开放计划和通知，学生可以通过电话预约或“实践教学管理系统”线上预约的方式，到实验室进行实验课程学习、大学生科技创新活动等。 专业性质的实验室面向群体相对较小，若要提升实验仪器设备的利用率，加大宣传力度尤为重要，不仅针对本学院资源勘查工程专业的学生，更要面向全校各级学生、外校师生进行宣传。根据实验仪器功能、操作流程等建立系统的宣传文案，本着“突出特色、发挥优势” [ 9 ] 的态度，通过网络平台、现场展板等方式进行宣传，调动学生对石油地质专业实验的兴趣，进而提高课外实验的主动性；定期开展教师与教师之间、学生与教师之间的学习和交流活动，加大教学与科研资源、学校各实验室内部资源、校际之间实验室资源的共享力度 [ 10 ]，加大推进实验室的开放力度。
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user: 5. 结论 石油地质实验教学改革逐渐推进，得到师生广泛认可。石油地质教学实验室始终以地质类专业工程教育专业认证标准为指导，本着实现资源勘查工程专业的建设和学生培养的目标，培养了学生主观能动性和创新性，逐步建立起“以学生为本”的高效和规范的实验室管理与运行机制。
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user: 摘要 刀盘开口率是刀盘设计的关键参数，是决定盾构机是否稳定高效掘进的关键参数之一。在充分理解刀盘与开挖面相互作用的基础上，针对某地铁的粉砂层土体进行三轴试验应力–应变数值模拟仿真，采用EDEM (Engineering + Discrete Element Method)通用CAE软件进行离散元三轴试验和盾构刀盘不同开口率下的挖掘数值模拟研究，分析了不同开口率对进入土仓土体质量的影响，运用回归分析得出了刀盘开口率、刀盘转速和挖掘面土体进入土舱的效率的函数关系式，最后得出盾构机刀盘设计参数如下：刀盘转速的选择范围为6~8 r/min，刀盘开口率为30%时，刀盘开口率的排土量介于100%~108%之间。
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user: 1. 引言 随着国民经济的快速发展，隧道工程建设成为提高交通运输效率的有效途径，而盾构法因其安全、快速等优势成为隧道施工的主要方法，盾构隧道工程遍布全国各个地区，被广泛应用于公路、铁路和城市地铁隧道工程建设 [ 1 ] [ 2 ]。其中，土压平衡盾构具有成本相对较低、出土效率高、适用地层范围广等优点，在我国各类隧道施工中得到了广泛的应用，占60%以上 [ 3 ]。开口面积与刀盘总面积之比，即开口率是决定刀盘拓扑结构的关键参数，在不同的地质条件和施工要求下有不同的要求。刀盘开口率是刀盘设计时需要确定的重要参数 [ 4 ]。如果刀盘开口率选择得不恰当(过大或过小)，就会影响盾构的掘进，造成地表塌陷或者隆起，危及盾构施工工地附近的建筑物安全。不同的地质条件下，刀盘开口率的大小选择是不同的，比如在黏土地层中，选择较小的开口率有利于开挖面的稳定；但在砂砾石地层中，较小的开口率就会造成排土困难，引起地表隆起 [ 4 ] [ 5 ]。 盾构机挖掘施工事故主要是由于掘进面压力与盾构密封舱压力不平衡所导致的土体坍塌事故，而与其密切相关有刀盘开口率，土仓以及通过排土量调节密封舱内部压力的螺旋输送机。本文选择了一种离散方法研究刀盘开口率，而不是常用的有限元或有限元差分方法。离散元法最开始应用到岩土工程中，研究非连续性刚体的力学行为，广泛应用在模拟岩体挖掘问题中，随着离散元在我国的快速发展，已经广泛运用到复杂环境作用下的颗粒行为研究 [ 6 ]。 目前少有对粉砂地层盾构施工的研究，本文依托离散元法对盾构挖掘中的开口率进行模拟研究，通过分析结果对盾构机刀盘开口率、转速和土体颗粒进入土舱的效率之间的关系进行研究。
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user: 2. EDEM三轴试验 本文针对某地铁的粉砂层土体进行三轴试验应力–应变数值模拟仿真，采用EDEM (Engineering + Discrete Element Method)通用CAE软件进行离散元三轴试验和盾构刀盘不同开口率下的挖掘数值模拟研究 [ 7 ] [ 8 ]。 2.1. 三轴试验参数设置 三轴试验的模拟方法是将这种颗粒试样限制在圆柱体内如图1(a)所示，圆柱筒是用于生成粉砂颗粒的空间模型。模拟试验步骤和室内三轴试验应保持相同，其顶面和底部设置模拟加力板，周边模拟土体围压，由样品的两顶面板实现加载，通过在圆柱筒顶部和底部墙面指定一定的速度，以一种受应变的方式控制加载。颗粒试样与墙体之间的系数为零，从而避免了颗粒试样与加载板之间的摩擦。在试验模拟的所有阶段，侧面的速度由一个数值伺服机构自动控制，该伺服机构在试样内保持恒定的围压应力，其中试验过程中的围压通过编写颗粒的API体积力插件来实现，三轴试验试样破坏示意图如图1(b)所示。在参数标定过程中，通过将已有的实验数据与数值结果进行比较，确定了模型参数，找到数值模拟合适的参数，然后对盾构挖掘的离散元模型进行参数标定。 图1. 三轴试验数值模拟 三轴试验模型的参数设置如表1所示，三轴试验参数初值设定如表2所示。 Table 1 Material parameters of triaxial test mode 模型 密度(kg/m 3 ) 泊松比 加载速度(mm/min) 剪切模量(Pa) 加载盘 7800 0.3 0.01 7e+10 柔性墙体 2630 0.35 / 1e+06 粉砂颗粒 1890 0.27 / 4.807e+06 表1. 三轴试验模型材料参数 Table 2 Initial setting of triaxial test parameter 接触部位 静摩擦系数 滚动摩擦系数 恢复系数 颗粒–加载 5.03 0.02 0.31 颗粒–边界 5.03 0.02 0.31 颗粒–颗粒 5.03 0.02 0.31 表2. 三轴试验参数初值设定 2.2. 三轴模拟试验加载机理 加载盘的加载机理其实是通过调节速度，使三轴试验模型达到需要的应力值。其中轴向应变公式为： ε = L − L 0 1 2 ( L + L 0 ) (1) 式中，L为圆筒变形后的长度，L 0 为圆筒初始长度。 2.3. 三轴试验结果分析 通过不断调整粉砂土层颗粒的参数进行模拟，得到围压为200 kPa条件下土体颗粒的应力–应变曲线。查找文献关于粉砂室内三轴试验结果，并将它们和模拟三轴试验应力–应变结果之间的关系进行对比，其结果如图2所示 [ 9 ] [ 10 ]。 图2. 围压200 kPa时的应力–应变关系曲线 由图2可知，在围压为200 kPa条件下模拟结果和实际结果曲线基本保持一致，所以可以得出模拟结果基本能够准确反映粉砂土层的宏观参数，说明这种方法进行模拟是可行的。
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user: 3. 盾构挖掘离散元仿真模型的建立 3.1. 几何模型的建立 通过SolidWorks三维软件建立仿真的三维几何模型。模型主要包括刀盘、土舱和螺旋输送机三个部分。盾构刀盘采用辐板式设计，刀盘直径为6.4 m，土舱的长度为1 m，螺杆长度为10 m，直径为1 m，节距为0.68 m，为螺旋输送机倾角为25˚，盾构刀盘开口率初始设计分别为30%、和60%，如图3所示。 图3. 刀盘的两种开口率刀盘模型(SolidWorks中建立) 3.2. 盾构机挖掘离散元模型的建立 在软件前处理功能模块中设置土壤模型和盾构材料参数。土体和盾构机物理力学参数、刀盘和土体颗粒的接触参数，离散元的仿真参数和本文刀盘仿真的技术参数方案设置分别如表3~6所示。 Table 3 Soil and shield material parameter 名称 材料 密度(kg/m 3 ) 泊松比 弹性模量(MPa) 颗粒半径(mm) 土层 粉砂 1890 0.27 12.21 30 盾构 Q345 7850 0.3 2.1 × 105 − 表3. 土体和盾构材料参数 Table 4 Contact parameters of cutter head and soil mas 接触部位 静摩擦系数 滚动摩擦系数 恢复系数 颗粒–边界 5.03 0.02 0.31 颗粒–颗粒 5.03 0.02 0.31 颗粒–盾构 0.7 0.001 0.25 表4. 刀盘和土体的接触参数 Table 5 Simulation parameter 名称 单位 数值 名称 单位 数值 CPU核数 个 4 网格 mm 3 R 瑞丽时间步 s 6.6E−4 仿真时间 h 5.5 表5. 仿真参数 Table 6 Scheme of cutting head technical parameter (The cutting head tunneling speed was 60 mm/min 实验组 刀盘开口率(ξ%) 刀盘转速(r/min) 实验组 刀盘开口率(ξ%) 刀盘转速(r/min) 1 30% 1 6 60% 1 2 30% 2 7 60% 2 3 30% 4 8 60% 4 4 30% 6 9 60% 6 5 30% 8 10 60% 8 表6. 刀盘技术参数方案(刀盘掘进速度为60 mm/min) 边界条件的设置：将盾构机三维几何模型导入到EDEM 2018中，离散元模型边界条件主要包括掘进界面水土压力(土体颗粒厚度为0.8 m)、系统重力(通过施加-Y方向的重力加速度来实现)、掘进速度和刀盘旋转速度。在盾构掘进模拟前，在掘进面和土舱中设置颗粒工厂生成一定数量的土体颗粒，使掘进界面和螺旋输送机之间充满土体颗粒，以此来模拟盾构挖掘时的土层条件 [ 11 ]。然后设置盾构掘进速度为60 mm/min，刀盘转速为1 r/min，螺旋转速为10 r/min。当土体颗粒被螺旋输送机带出土舱，达到螺旋输送机出口处，在重力作用下降落，然后被系统删除计算。制造盾构埋深为17 m时的水土压力条件，开启掘进界面的压力伺服控制系统，当压力达到主土压力和被动土压力之间和整个系统达到动态平衡时停止压力伺服控制系统 [ 12 ]。
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user: 4. 离散元数值仿真模拟结果及分析 4.1. 土仓内颗粒速度分析 以盾构刀盘开口率为30%和旋转速度为1 r/min时的刀盘磨损的分布情况为例，当模拟时间为60 s时，盾构机土舱速度分布情况如图4所示。在EDEM后处理中对土体颗粒设置速度颜色梯度，速度小的土体颗粒显示为蓝色，速度中间的土体颗粒显示为绿色，速度大的土体颗粒显示为红色 [ 13 ]。 图4. 土舱速度分布情况 由图4可知，在螺旋输送机入口处土体颗粒的速度比较大，说明螺旋输送机排土量对土舱土体的流动性起到主导影响，土体颗粒流动比较理想，此处不会因为土体颗粒而产生堆积现象，也就不会产生应力集中现象，提供螺旋轴良好的工作环境。靠近刀盘处的左侧土体颗粒速度比较大，往右依次降低，说明刀盘挖掘面土体颗粒为平衡土舱缺失的土体颗粒，通过刀盘开口部分进入土舱以稳定整个挖掘过程。 4.2. 不同刀盘开口率下挖掘效率分析 刀盘开口率分别为30%和60%及刀盘转速分别为1 r/min、2 r/min、4 r/min、6 r/min和8 r/min时，刀盘挖掘面土体进入土舱的土体质量随时间的变化如图5所示。通过软件后处理功能每10秒记录一次进入土舱的颗粒质量，其横坐标代表时间(单位s)，纵坐标代表挖掘面土体进入土舱随时间的变化趋势。 图5. 不同刀盘开口率及转速下质量变化 由图5可知，每一种刀盘开口率和刀盘转速对应的土体质量变化曲线基本趋势比较平稳，说明刀盘在前进过程中挖掘面土体进入土舱的质量波动比较小，挖掘的离散元仿真过程可以说是基本稳定。不同刀盘开口率和转速下刀盘挖掘面土体进入土舱的土体质量和效率如表7所示。 Table 7 Soil mass and efficiency of excavation surface soil entering the soil chamber under different cutter head opening rate and rotation spee 刀盘开口率(ξ%) 刀盘转速(r/min) 土体进入土舱的质量(kg) 土体进入土舱效率(p%) 刀盘开口率(ξ%) 刀盘转速(r/min) 土体进入土舱的质量(kg) 土体进入土舱效率(p%) 30 1 1200.1 54.116 60 1 2832.9 127.743 30 2 1713.2 77.253 60 2 3133 141.276 30 4 2026.3 91.371 60 4 3376.5 152.256 30 6 2272 102.451 60 6 3559.1 160.490 30 8 2343.7 105.684 60 8 3824.3 172.449 表7. 不同刀盘开口率和转速下挖掘面土体进入土舱的土体质量和效率 运用回归分析对刀盘挖掘面土体进入土舱的质量料率进行拟合，得到不同刀盘开口率及转速下的函数数学模型。不同刀盘开口率下刀盘转速与挖掘面土体进入土舱的效率的关系曲线如图6所示。 图6. 不同刀盘开口率下刀盘转速与挖掘面土体进入土舱的效率的关系曲线 采用非线性曲面模型，数学回归模型公式为 z = z 0 + a x + b y + c x 2 + d y 2 + f x y 进行回归分析，x代表旋转速度、y代表挖掘速度和z代表挖掘面土体颗粒进入土舱的效率，分析得出数学模型公式中的系数如表8所示。 Table 8 Formula coefficients of mathematical mode 名称 z 0 a b c d f 数值 −74 4.9 14.3 −0.03 −0.87 0.02 T绝对值 3.7 6.6 4.1 4.6 2.8 0.6 显著性 高度显著 高度显著 高度显著 高度显著 高度显著 不显著 表8. 数学模型公式系数 通过T统计量对自变量和因变量之间的显著性进行检验，数学回归方程相关系数R为0.97，取显著性α = 0.05，查表得t 0.025(18) = 2.1，只有t值大于2.1回归系数显著性成立，反之不成立。由表5~8中的t值可知，回归方程中的系数abcd具有极高的显著性，f系数没有显著性，所以刀盘开口率、刀盘转速和挖掘面土体进入土舱的效率的函数关系式为： z = − 74 + 4.9 x + 14.3 y − 0.03 x 2 − 0.87 y 2 (2) 式中，x代表刀盘开口率(x的取值范围为30~75)，y代表刀盘转速(y的取值范围为1~8 r/min)，z代表挖掘面土体颗粒进入土舱的效率(取p值)。 刀盘开口率、刀盘转速和挖掘面土体进入土舱的效率的关系曲线如图7所示。 图7. 刀盘开口率，刀盘转速和挖掘面土体进入土舱的效率的关系曲线 由以上仿真结果的数据分析可知，在同一刀盘开口率下，随着刀盘转速的增加，刀盘挖掘面土体进入土舱的土体质量越大；在同一刀盘转速下，随着刀盘开口率的增加，刀盘挖掘面土体进入土舱的土体质量越大。在选择刀盘开口率时，考虑到施工中不能产生地面隆起和沉降现象，以及被动土压力对刀盘的压力损伤较大，应选择刀盘挖掘面颗粒进入土舱的效率为100%~108%之间的值 [ 14 ]。因为刀盘转速在6~8 r/min之间切削效率最高，通过式2计算得刀盘转速分别为6 r/min、7 r/min、8 r/min，z取值分别为100和108时，对应的刀盘开口率如表9所示。 Table 9 The corresponding relationship among the rotary speed， the rate of soil discharge and the rate of openin 转速(r/min) z数值 开口率(ξ) 转速(r/min) z数值 开口率(ξ) 6 100 29.7 6 108 31.8 7 100 28.9 7 108 30.9 8 100 28.5 8 108 30.6 表9. 刀盘转速、排土率和开口率的对应关系 通过表9可知：刀盘转速为6 r/min时，刀盘开口率处于29.7%~31.8%之间；刀盘转速为7 r/min时，刀盘开口率处于28.9%~30.9%；刀盘转速为8 r/min时，刀盘开口率处于28.5%~30.6%之间。因为考虑到刀盘开口率为整数，所以选择刀盘开口率为30%。这样既能保证盾构机挖掘过程中不发生地面隆起和沉降现象，又能快速的对土体进行挖掘。
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user: 5. 结论 本文通过EDEM离散元软件对刀盘开口率进行数值仿真模拟研究，并得出以下结论： 1) 介绍EDEM离散元软件的基本原理，并对离散元软件进行介绍。在盾构施工时，掘进面压力和土舱压力应保持平衡状态，掘进面土压力应介于主动土压力和被动土压力之间 [ 15 ]。 2) 针对粉砂层土体进行三轴试验应力–应变数值模拟的对比试验，在围压为200 kPa条件下模拟结果和通过查找文献的实际结果曲线基本保持一致，说明这种方法进行盾构挖掘模拟是可行的。 3) 运用回归分析对挖掘面土体进入土舱的质量料率进行拟合，得到不同刀盘开口率及转速下的数学模型。最后得出刀盘开口率、刀盘转速和挖掘面土体进入土舱的效率的函数关系式为 z = − 74 + 4.9 x + 14.3 y − 0.03 x 2 − 0.87 y 2 。结果表明：在同一刀盘开口率下，随着刀盘转速的增加，刀盘挖掘面土体进入土舱的土体质量越大；在同一刀盘转速下，随着刀盘开口率的增加，挖掘面土体进入土舱的土体质量越大。考虑到刀盘转速的选择范围为6~8 r/min和螺旋输送机入口处的压力，以及刀盘开口率的排土量应介于100%~108%之间，最后选择刀盘开口率为30%。
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user: 摘要 新旧动能转换及新经济建设要求高校主动优化专业结构，积极开展多学科交叉融合。工程训练中心作为实施工程教育的实践教学平台，具备开展多学科交叉融合的优势；另一方面，学科专业交叉也促进新工科建设。北华大学工程训练中心从实践课程体系、平台建设、教学团队、评价体系等方面开展改革与实践，打破学科壁垒，培养交叉复合型高素质应用型人才，取得了良好的建设成效。