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关键词： 多相流量计   动力学参数   磨损特性   计量精度  

摘要： 多相流量计是计量流量必不可少的设备,广泛应用于陆上油田和海上石油工业等领域。目前主要对多相流量计内部气液两相流进行了研究,尚未考虑固相的影响,但由于原油中掺杂固体颗粒等杂质,造成设备变形,导致计量精度降低,因此研究多相流量计的磨损意义重大。本文基于动态及固定边界磨损预测方法,获得动力学参数对固液两相工况和气固液三相工况下多相流量计磨损特性的影响,进一步揭示磨损特性对计量精度的影响规律,为提高多相流量计的可靠性提供参考,主要研究结论如下:(1)基于动态边界磨损预测方法,研究颗粒动力学参数对固液两相工况下多相流量计磨损演变特性的影响。结果表明,颗粒来流速度、颗粒体积分数和颗粒直径与平均磨损率之间呈现幂函数关系;在本文选择的四种颗粒球形度工况(0.58、0.76、0.86和1)中,颗粒球形度与相对磨损率之间呈现Lorentz函数关系,且当颗粒球形度为0.76时,平均磨损率最大。(2)基于动态边界磨损预测方法,获得颗粒动力学参数对计量精度的影响规律。结果表明,颗粒来流速度、颗粒体积分数、颗粒直径以及颗粒球形度与流量系数之间均呈现三次函数关系。因此,在研究磨损破坏时,应重点考虑对流量系数影响较大的参数,确保多相流量计的计量精度。(3)基于固定边界磨损预测方法,研究不同动力学参数对气固液三相工况下多相流量计磨损特性的影响。结果表明,颗粒来流速度、颗粒体积分数和颗粒直径与平均磨损率之间呈现幂函数关系;在本文选择的四种颗粒球形度工况(0.58、0.76、0.86和1)中,颗粒球形度与相对磨损率之间呈现Lorentz函数关系,且当颗粒球形度为0.76时,平均磨损率最大;气相体积分数与平均磨损率呈现三次函数关系,平均磨损率随着气相体积分数的增加呈现减小的趋势。(4)基于固定边界磨损预测方法,获得不同动力学参数对多相流量计计量精度的影响规律。结果表明,不同动力学参数下,磨损时间与流量系数之间呈现一次函数关系。因此,在实际工程中,应对不同动力学参数下多相流量计流量系数随磨损时间的变化规律进行探讨,提高多相流量计的计量准确性。

关键词： 工业机器人   动力学模型   参数辨识   免疫克隆选择算法   自适应阻抗  

摘要： 随着工业机器人的应用场景日益复杂,对机器人性能和精度的要求也越来越高。一方面,工业机器人动力学模型具有高度不确定性和时变性,而保证高精度的轨迹跟踪性能必须要对动力学参数进行准确识别。另一方面,对于抛磨、装配、焊接等接触式作业任务,要求机器人必须具备一定柔顺性从而避免零件和自身的损坏。为此,本文主要从工业机器人动力学参数辨识以及阻抗控制两个方面展开研究。主要研究内容及创新点如下:(1)利用修正D-H法对六自由度工业机器人进行了运动学分析,基于牛顿-欧拉法构建了考虑关节摩擦特性的动力学模型。为了保障模型参数的唯一可辨识性,利用平行轴定理对模型进行了线性变换并对辨识参数进行重组。最后,通过Adams和Matlab联合仿真分析对重组后模型的准确性进行了验证。(2)针对辨识过程易受噪声干扰而导致参数精度较低的问题,提出了基于改进免疫克隆选择算法(ICSA)的动力学参数辨识方法。首先,为了降低噪声对辨识过程的干扰,以辨识观测矩阵条件数最小为准则优化了轨迹常系数。然后,为了提高参数辨识精度,通过改进克隆复制策略并引入自适应变异机制来提高算法全局搜索能力。最后通过实验对不同算法辨识结果进行验证,结果表明所提方法能够降低关节力矩误差均方根,提升动力学辨识参数的精度。(3)针对工业机器人在环境位置和刚度变化下的接触力控制问题,设计了一种学习率模糊调整的自适应阻抗控制器。首先基于辨识模型设计了结合前馈补偿的自适应阻抗控制器,其次为了降低变环境刚度下的力超调与跟踪误差,引入模糊控制思想对学习率进行在线调整。同时采用变尺度状态转移算法对阻抗控制参数进行优化。实验结果表明,所提方法能够提高变环境刚度下恒力和变力的控制精度与动态响应性能。在以上理论方法研究的基础上,研发了基于APP Designer的工业机器人动力学参数辨识及控制仿真软件,实现了激励轨迹求解、采集数据预处理、参数辨识与结果显示、控制仿真等功能,有效提高了辨识和控制仿真过程的可操作性。论文共计图40幅,表10个,参考文献67篇

关键词： 参数振动   平方阻尼   平均法   主共振   跳跃现象  

摘要： 参数激励摆是一类典型的参激振动系统,具有丰富的动力学现象和广阔的应用前景,受到国内外学者的广泛关注。本论文基于传统参数激励摆模型和斜置弹簧构型,提出一类具有无理非线性特征的参数激励摆系统,即“无理参数激励摆系统”。无理参数激励摆有别于传统参激摆系统,其动力学方程为含有三角函数项、无理项和分式项的二阶常微分方程,呈现出传统参数激励摆和SD振子的耦合动力学行为。本文通过理论分析和数值验证,研究无理参数激励摆系统在线性阻尼/平方阻尼作用下的非线性动力学行为。 首先,基于非线性动力学基本方法,分析无理参数激励摆未扰系统的复杂动力学行为,展现出标准柱面双阱动力学行为和非标准柱面双阱动力学行为的转迁特性。 其次,通过三角函数项局部截断近似,将无理参数激励摆系统简化成标准Mathieu方程和耦合SD振子方程。基于广义平均法,借助局部截断近似系统,解析得到无理参数激励摆系统在线性阻尼/平方阻尼下的平均方程。通过平均方程,厘清无理参数激励摆系统内部参数和外部参数对幅频特性曲线和幅幅特性曲线的影响趋势。 最后,基于相轨迹和时间历程图数值分析,分析无理参数激励摆系统的零解稳定性和稳定周期解,验证无理参数激励摆系统的幅频特性曲线和幅幅特性曲线的准确性。研究发现,在线性阻尼扰动下幅频特性曲线为常见的开口曲线,而在平方阻尼扰动下幅频特性曲线存在闭口现象。

关键词： 滚筒   参数化   动力学分析   二次开发   系统开发  

摘要： 采煤机滚筒是进行煤炭开采工作的主要部件,采煤机的开采效率和截落煤炭的质量基本由滚筒的截割性能和装载性能决定。因此,滚筒设计的合理性影响着采煤机的截割性能,验证滚筒设计是否合理的有效方法之一就是对其进行截割动力学分析。现阶段很多企业以及相关设计人员已普遍使用动力学分析软件来进行采煤机滚筒的设计,但设计时不仅存在着冗余复杂的动力学分析模型建立过程,而且需要进行重复的仿真前处理、后处理设置,降低了动力学分析过程效率。本文依靠计算机辅助工程的二次开发技术为此类问题提供了解决方法,以Visual Studio2022为开发平台,运用C#为编程语言,通过对Solid Works、PFC3D、Excel的二次开发,开发了采煤机滚筒参数化截割动力学分析与设计系统,实现了集采煤机滚筒的参数化设计和动力学分析为一体,本课题的主要研究内容如下:首先对参数化设计思想以及计算机软件二次开发技术进行了研究,根据采煤机滚筒设计过程的需求制定了本系统的设计目标和技术路线,选择了系统的开发语言以及开发环境,然后对系统每个子系统的功能模块进行了阐述。根据滚筒参数化设计中建模过程构建子系统,针对采煤机滚筒采取模型驱动的参数修改法建模,将建模过程中相关结构尺寸和位置参数进行全局变量定义,通过系统连接Solid Works二次开发接口,实现参数驱动滚筒三维模型构建和模型文件导出功能。根据参数化设计中动力学分析过程构建子系统,对离散元模型建立和仿真设置过程进行参数化,将相关定义和特性参数提取作为参数化设计的可变参数,通过对PFC代码的二次开发实现参数化截割仿真。根据截割性能指标将仿真分析部分分为三向力、三相力矩、截割比能耗、载荷波动系数四个后处理分析指标,通过对Excel的二次开发实现相关后处理结果的计算和动力学分析结果显示。最终完成采煤机滚筒参数化截割动力学分析与设计系统的开发,通过滚筒截割煤层仿真测试验证了系统的可靠性。本系统通过对Visual Studio中项目代码的编写实现了参数化建模、参数化动力学分析的有机结合,满足了对采煤机滚筒整个设计周期内的需求,方便了设计人员的使用,提高了设计过程的效率。

关键词： 跑步   可穿戴惯性传感器   步态数据同步   人工神经网络模型   vGRF  

摘要： 研究目的本研究旨在建立基于可穿戴惯性传感器（IMU）预测跑步垂直地面反作用力（vGRF）的人工神经网络模型。vGRF是跑步损伤研究的重点监测指标之一,但长期依赖测力台测量,不易获取。目前,基于可穿戴传感器建立人工神经网络模型,为便捷准确地获取跑步vGRF提供新方法。为此目标,本研究目的包括:（1）针对IMU与测力台的同步问题,提出时间窗口同步算法。（2）基于单个IMU采集的小腿三维加速度数据,探讨小波神经网络模型（WNN）与前馈神经网络模型（FFNN）对跑步vGRF的预测效果;在此基础上,进一步探讨基于IMU采集的小腿一维（矢状面）加速度数据预测vGRF的可能性,建立基于IMU预测跑步vGRF的人工神经网络模型适用方法。研究方法通过单个IMU和测力跑台采集15名跑者在12、14和16 km/h速度跑步中小腿三维加速度数据和vGRF值。利用跑步步态周期的变异性特征,提出时间窗口同步算法。一个或多个跑步周期时间为时间窗口,以时间窗口划分IMU和vGRF数据曲线,得到两组时间窗口数列集;在IMU时间窗口数列集中选取中间时间窗口作为基准时间窗口,和vGRF时间窗口数列集计算均方根误差（RMSE）,得到一组RMSE数列集;最小RMSE对应的IMU时间窗口和vGRF时间窗口,即为同步点,经过核算确认同步点;截取同步点前后所有一一对应的同步数据;采用平均绝对和相对误差,最大绝对和相对误差以及Bland-Altman方法计算同步数据的误差,验证同步算法的准确性和有效性。利用着地角将跑者区分为前足着地（FFS）、中足着地（MFS）和后足着地（RFS）者,其中将MFS和FFS跑者划为一类,分别在FFS和RFS跑者数据集里随机挑选1人的数据作为测试集,其余人的数据作为训练集。分别以Morlet函数与Sigmoid函数作为3层WNN与3层FFNN的激活函数。本研究优化模型输入,将跑步支撑期整个阶段数据作为一个样本输入,以便于模型识别完整信息,找到准确规律。此外优化损失函数,在均方误差损失函数的基础上,加入L2范数正则化缓解模型过拟合。本研究使用复相关系数（CMC）、误差值和Bland-Altman方法评估模型。研究结果通过时间窗口同步算法,15名受试者在各个速度下的同步数据中跑步周期时间的平均绝对误差（0.003～0.027 s）均小于0.03 s、平均相对误差（0.4～4.1%）均小于5%,且Bland-Altman一致性结果显示复步时间的平均误差均接近于0（-0.002～0.002 s）,最大误差（-0.055～0.055 s）均在95%置信区间内,表明时间窗口同步算法可有效实现IMU与测力台之间的数据同步。基于单个IMU采集的小腿三维或矢状面加速度数据建立的WNN模型,对FFS和RFS跑者在12、14和16 km/h速度下vGRF值预测的CMC均大于0.99、标准均方根误差（NRMSE）均小于7%,对vGRF峰值的NRMSE和平均绝对百分比误差（MAPE）均小于8%,且Bland-Altman结果显示对vGRF峰值预测的平均误差均接近于0且最大误差值均在95%置信区间内,表明WNN模型对跑步vGRF曲线和峰值的预测具有极高相似度和极高精确度。而基于单个IMU采集的小腿三维或矢状面加速度数据建立的FFNN模型,对FFS和RFS跑者在各个速度下vGRF值预测的CMC大于0.97、NRMSE为5.70～9.21%。其中,基于小腿三维加速度数据建立FFNN模型,对RFS跑者在12和14 km/h下蹬伸力峰值的预测除外,对RFS跑者冲击力与蹬伸力峰值预测的平均误差（-0.31～0.50 BW）略偏离0,且对14 km/h下冲击力峰值预测有5.56%的误差值在95%置信区间外;基于小腿矢状面加速度数据建立FFNN模型,对FFS跑者在16 km/h下蹬伸力峰值预测有3.85%的误差值在95%置信区间外,对RFS跑者在12 km/h下冲击力峰值预测有9.09%的误差值,和14 km/h下蹬伸力峰值预测有11.11%的误差值在95%置信区间外,表明FFNN模型对跑步vGRF曲线的预测具有较高相似度但对vGRF峰值的预测具有一般精确度。研究结论首先,本研究提出时间窗口同步算法,实现IMU与测力台之间的数据同步,为解决可穿戴传感器与其他测量系统之间的同步问题提供了新途径。其次,本研究建立WNN模型仅基于单个IMU采集的小腿矢状面加速度数据,准确预测跑步vGRF的新方法。该方法具有较准确、稳定、廉价、便携等特点,在跑步损伤预防及康复治疗等方面具有较重要的应用价值。

关键词： 小学数学   美育   实现策略  

摘要： 美育是全面发展教育中的重要组成部分，也是数学教学的重要内容。本文基于美育和数学美育的基本内涵，分析了小学数学学科的美育特征，并在此基础上进一步分析小学数学美育的内在要求和实践策略，以期为小学数学教师在课堂教学中渗透美育提供理论依据和借鉴。

关键词： 训练冲量   最大心率   运动手表   跑步   信度   效度  

摘要： 目的:可穿戴式设备使运动中负荷监控变得更加便捷,基于光电容积扫描技术（Photoplethysmography,PPG）技术的智能运动手表深受广大跑者喜爱,训练冲量是运动手表提供的主要负荷指标。然而,训练冲量的计算与心率区间有关,运动中心率波动区间较大,对于不同的心率区间,智能运动手表的测试有效性和准确性有待探究。方法:招募17名男性大学生跑者参加了一次递增负荷力竭测试和三次不同强度的场地跑步测试。在四次测试中,受试者需全程佩戴四块手表（2款×2个,品牌A和品牌B）。在递增负荷力竭测试时,受试者还需全程佩戴气体代谢仪,可测得真实最大心率(HRmax)和四块手表记录的HRmax。三次不同强度的跑步测试内容为:低强度8km自配速跑步测试(强度:50-70%HRmax)、中强度30min自配速跑步测试(强度:70-80%HRmax),高强度5×800m自配速间歇跑步测试(强度:80-100%HRmax)。在实验中,POLAR TEAM pro2团队系统可通过蓝牙终端实时显示受试者心率,以确保受试者的心率始终保持在要求范围内。信度检验采用组内相关系数（ICC）和平均值的标准误差（SEM）对同款2个运动手表记录HRmax和训练冲量的信度进行评价。效度检验采用配对样本t检验比较真实HRmax和公式预测以及两款手表记录HRmax的差异,同时检验两款手表计算的训练冲量和心率带计算的训练冲量的差异,通过效应量显示差异大小,并通过线性回归和Bland-Altman一致性分析评价其相关性和一致性。结果:信度结果表明,在HRmax测试时,品牌A手表信度极高（ICC=0.928,SEM=2.46）,品牌B手表信度中等（ICC=0.676,SEM=2.45）,在三次跑步测试时,50%-70%HRmax和80%-100%HRmax强度区间,品牌A（ICC分别为0.970、0.967,SEM分别为4.60、5.91）和品牌B（ICC分别为0.970、0.995,SEM分别为5.58、2.54）的设备间信度都极高,在70%-80%HRmax区间,品牌A（ICC=0.796,SEM=11.78）的设备间信度为高,品牌B（ICC=0.962,SEM=5.11）的设备间信度为极高。效度结果表明,在HRmax测试时,公式预测HRmax表现为中等的效应量（ES=0.69）,且具有极弱的相关性（r=0.149）和一致性（r2=0.802,Lo A=-12.7～19.7）;品牌A手表表现为小的效应量（ES<0.2）和极强的相关性（r=0.909）,但一致性较低（r2<0.001,Lo A=-6.83～7.18）;品牌B手表表现为小的效应量（ES<0.2）和中等的相关性（r=0.691）,但一致性较低（r2=0.50,Lo A=-10.70～13.58）。在50%-70%HRmax强度区间,品牌A手表表现为小的效应量（ES<0.2）且具有极高的相关性（r=0.989）和一致性（r2=0.134,Lo A=-9.56～6.93）,品牌B手表表现为小的效应量（ES<0.2）且具有极高的相关性（r=0.977）和一致性（r2=0.057,Lo A=-15.26～8.78）;在70%-80%HRmax强度区间,品牌A手表表现为较大的效应量（ES>0.8）且具有极低的相关性（r=0.196）和一致性（r2=0.049,Lo A=-2.52～6.06）,品牌B手表表现为小的效应量（ES<0.2）但具有中等的相关性（r=0.419）和一致性（r2=0.527,Lo A=-4.67～8.12）;在80%-100%HRmax强度区间,品牌A手表表现为较小的效应量（ES<0.2）且具有极高的相关性（r=0.971）,但一致性较差（r2<0.001,Lo A=-7.54～15.98）,品牌B手表表现为小的效应量（ES<0.2）且具有极高的相关性（r=0.965）但一致性较差（r2=0.97,Lo A=-25.94～21.15）。结论:两款手表实测HRmax设备间信度在中等到高之间,但是两款手表在HRmax测量的效度方面均存在不足,公式“HRmax=220-年龄”预测HRmax低估了受试者的HRmax;在实际的跑步测试中,低强度区间两款手表测量的TRIMP信度和效度都高;在中高强度区间,两款手表测量TRIMP信度在中等到高之间,但TRIMP测量的效度均存在不足。

关键词： 高速列车   液压减振器   热流固耦合建模   振动特性分析   悬挂参数优化设计  

摘要： 二系垂向液压减振器是高速列车悬挂系统中重要的阻尼元件,对于列车系统的动力学特性有至关重要的影响。当前国内外关于高速列车的垂向动力学分析以及悬挂参数优化的研究,在车辆建模时通常将液压减振器理想化为线性元件,既无法反映液压减振器真实的工作特性,又不能揭示减振器与车辆系统间的复杂耦合关系,致使车辆模型响应存在一定误差,不利于开展列车系统的动力学分析及悬挂参数的全局优化。本文考虑二系垂向液压减振器的非线性阻尼特性,采用数值模拟的方法对高速列车进行耦合建模,针对减振器参数化建模、高速列车垂向动力学建模以及悬挂参数优化设计中所存在的问题进行了研究,主要工作及创新成果如下:(1)建立了考虑温变效应的阀片式液压减振器参数化模型。考虑环境温度的影响,基于高速列车二系垂向减振器的实际结构参数,利用流体力学理论及油液模型建立了考虑温变效应的减振器参数化模型,并通过台架试验验证其正确性,丰富了减振器建模的既有理论,为热流固耦合高速列车参数化建模奠定了模型基础。(2)建立了热流固耦合高速列车参数化模型。利用达朗贝尔原理,建立了考虑减振器节点刚度的列车垂向动力学模型,遵循系统工程的理念,建立了热流固耦合高速列车参数化模型;基于Newmark-β隐式积分法,给出了轨道随机激励作用下,耦合列车模型动力学响应的求解方法;采用Morris灵敏度分析方法,考察了减振器阀系参数对列车动力学响应的影响规律,为高速列车的垂向动力学分析提供了一种有效的模型工具。(3)构建了基于热流固耦合高速列车参数化模型的减振器阀系参数优化设计方法。结合Morris灵敏度分析结果,以高速列车的运行平稳性为目标,以运行安全性、机车减振器特性要求为约束,利用遗传算法对减振器阀系参数进行了优化设计,为高速列车的悬挂参数优化设计提供了可靠的技术借鉴。通过软件仿真验证,对基于热流固耦合高速列车参数化模型的减振器阀系参数优化设计方法的可靠性进行了验证,结果表明,所建立的优化设计方法是可靠的。该研究为高速列车的垂向动力学分析以及悬挂参数优化设计提供了有益参考。

关键词： 快电子碰撞   动力学参数   非共振非弹性X射线散射   核-电子轨道方法   振动效应  

摘要： 原子分子的动力学参数,包括原子分子与电子和X射线的弹性和非弹性散射截面、振子强度和积分截面等,一直是原子分子物理的重点研究内容之一。动力学参数包含了原子分子基态和激发态的波函数信息,而对原子分子波函数的理解和精确描述是研究更大体系以及更复杂物理化学过程的基础。因此,获得原子分子精确的动力学参数有助于我们深入认识物质结构并理解相关物理化学效应。另外,由于原子分子动力学过程普遍存在于核聚变、等离子体、星际空间、化学反应过程中,精确的振子强度和积分截面等动力学参数对理解以及建模这些过程也至关重要。本论文基于上海光源BL15U线站非共振非弹性X射线散射谱仪研究了 N2和CO2分子的内壳层激发广义振子强度,基于高分辨快电子能量损失谱仪研究了 H2S和CCl4分子的价壳层激发动力学参数,并在核-电子轨道框架下发展了NEO-CISD（-）方法,进而开展了 HF2-分子的价壳层激发动力学参数的研究。本论文的具体工作如下:1.在调试成功上海光源BL15U线站非共振非弹性X射线散射谱仪的基础上,测量了 N2分子1s→1πg和CO2分子C1s→2πu*的广义振子强度。由于非共振非弹性X射线散射方法测量的广义振子强度总是满足一阶玻恩近似,本实验结果可以作为电子散射方法测量结果的高能极限,对此前的电子散射测量结果以及理论计算结果进行严格检验。通过与此前的实验及理论结果对比,我们发现对于N2分子的1s→1πg跃迁,3.4keV入射电子能量还不满足一阶玻恩近似。对于CO2分子C1s→2πu*的广义振子强度,此前的理论计算结果在大动量转移区间都偏高,这说明以前所用的波函数精度仍需提高;2.在入射电子能量1500eV且能量分辨70 meV条件下,测量了 H2S分子价壳层激发的广义振子强度。通过分析H2S分子第一个谱峰的中心能量随动量转移的变化,我们发现该峰同时包含了光学允许跃迁4sa11B1和光学禁戒跃迁3b2～1A2,并通过拟合得到了3b2～1A2态的激发能和半高全宽分别为5.85±0.01 eV和0.80±0.01 eV。利用快电子散射方法在非零散射角不受电偶极选择定则限制的优点,本工作还探测到了两个此前在光吸收方法中没有观察到的禁戒跃迁,它们的激发能分别位于7.85eV和8.04eV。通过将广义振子强度外推至动量转移为零,我们得到了 H2S分子价壳层激发的光学振子强度,该结果与dipole（e,e）方法测得的结果符合较好。利用BE-scaling方法我们还得到了 H2S分子价壳层各激发态从激发阈值到5000eV能量区间的积分截面,补充了此前研究中积分截面数据的缺失;3.在入射电子能量1500eV且能量分辨70 meV条件下,测量了 CCl4分子价壳层激发的广义振子强度。实验结果中第一个位于6.15eV的宽峰表现出禁戒跃迁的特性,结合理论计算,我们发现该谱峰对应a1σ←2t1跃迁,并分析了该跃迁中的振动耦合效应。实验发现激发能位于7.0eV附近谱峰的极大值会随动量转移的增大向着低能方向移动。结合理论计算,我们发现该区间存在偶极允许跃迁a1σ*←2e和偶极禁戒跃迁a1σ*←7t2。此外,在大动量转移的电子能量损失谱中,我们还观察到了位于9.97eV和10.26eV处的两个新跃迁。通过将广义振子强度外推至动量转移为零,我们得到了 CCl4分子价壳层激发的光学振子强度,该结果与此前的光吸收方法测量结果以及dipole（e,e）方法测量结果符合较好。利用BE-scaling方法我们还得到了 CC14分子价壳层各激发态从激发阈值到5000eV能量区间的积分截面,补充了 CC14分子的基础物理数据库;4.在核-电子轨道框架下发展了 NEO-CISD（-）方法,在此基础上计算了 HF2-分子的光学振子强度密度谱,从中观察到明显的振动耦合效应。另外,我们还利用该方法计算了HF2-分子Πg态的广义振子强度,并和多项式拟合方法的结果做了对比,证明了 NEO-CISD（-）方法可以计算包含振动效应的动力学参数。该方法为处理原子分子激发态动力学参数中的振动耦合效应提供了一种新思路。