陳益苞, Subhash Rakheja, 上官文斌
(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州 510641)
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罐體橫截面形狀對液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性影響分析
陳益苞, Subhash Rakheja, 上官文斌
(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州510641)
摘要:提出液罐車罐體截面形狀設(shè)計方法,研究液罐橫截面形狀對半掛式液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性影響,分析廣泛使用的圓形截面液罐、改進(jìn)的橢圓截面液罐及錐形截面液罐特點。提出兩種改進(jìn)的液罐截面形狀,給出液罐中液體晃動產(chǎn)生的側(cè)向力、側(cè)傾力矩準(zhǔn)靜態(tài)條件的計算方法。以6軸半掛式液罐車為例計算液罐車模型的側(cè)翻閾值、變道時橫向負(fù)載轉(zhuǎn)移及側(cè)傾角響應(yīng)峰值?;跍?zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)兩類指標(biāo)分析該半掛式液罐車裝載不同截面液罐時側(cè)傾穩(wěn)定特性。結(jié)果表明,兩種改進(jìn)的液罐截面形狀可在較大充液比范圍內(nèi)提高液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞:液罐車;液體晃動;側(cè)傾穩(wěn)定性;聯(lián)合仿真
79%的危險品由液罐車運輸,而大多液罐車為半掛式[1]。事故統(tǒng)計表明,側(cè)翻事故中83%由液罐車引起[2],說明液罐車較普通貨車側(cè)翻率更高,此因車罐與晃動的液體間相互作用所致[3]。部分充液罐車轉(zhuǎn)彎時由于罐內(nèi)液體晃動會對液罐產(chǎn)生附加力及力矩,會降低液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性[4]。液體晃動引起的附加力、力矩大小及其對車側(cè)傾穩(wěn)定性影響取決于罐車的行駛工況、車速、軸重、尺寸、充液比及液罐橫截面形狀等。諸多因素中液罐橫截面形狀及充液比對液體晃動及側(cè)傾穩(wěn)定性影響最大。
目前廣泛使用的兩種液罐為圓形及改進(jìn)的橢圓形,改進(jìn)橢圓液罐又分為水平軸對稱、不對稱兩種結(jié)構(gòu)形式。不同截面的液罐會對部分充液罐車產(chǎn)生不同側(cè)傾特性[5]。充液罐車的側(cè)傾特性主要取決于液罐液體質(zhì)心高度及側(cè)傾平面液面長度,此兩因素亦決定側(cè)傾力矩大小。圓形截面液罐因其寬度較小,液體晃動亦較?。桓倪M(jìn)的橢圓截面液罐因其寬度較寬,充液比相同時液體質(zhì)心高度更低,但液體晃動會更大,尤其充液比低于70%時會顯著降低液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性。研究表明,圓形截面液罐更適合低充液比下使用,改進(jìn)的橢圓截面液罐適合高充液比下使用[6]。
針對傳統(tǒng)圓形液罐質(zhì)心高度較高及改進(jìn)橢圓液罐液體晃動過大問題,林永智等[7-8]對矩形截面液罐及橢圓截面液罐形狀進(jìn)行改進(jìn),但改進(jìn)后液罐寬度仍較寬,液體晃動仍較大。Kang[9]提出的優(yōu)化錐形截面液罐具有改進(jìn)橢圓液罐質(zhì)心較低、圓形截面液面長度較小等特點,且可在一定充液比范圍內(nèi)提高液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性,但液罐底部相對較平,不能與支撐座形狀匹配,因此液體質(zhì)心高度尚有進(jìn)一步降低空間。
本文提出的2種改進(jìn)的錐形截面液罐均滿足容積、最大總寬度約束,且液體質(zhì)心高度較低、液面長度較短,可提高液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性,并通過不同充液比及側(cè)向加速度下用準(zhǔn)靜態(tài)方法分析改進(jìn)的錐形截面液罐與傳統(tǒng)液罐質(zhì)心轉(zhuǎn)移特性及側(cè)傾力矩特性。
液罐中液體的晃動為高度非線性,液體產(chǎn)生的最大壓力及力矩可用流體動力學(xué)(CFD)精確計算[10],而準(zhǔn)靜態(tài)方法可快速計算出穩(wěn)態(tài)的力及力矩[11]。為此,本文用準(zhǔn)靜態(tài)方法對裝載不同液罐的半掛式罐車側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行評估。液罐車模型搭建于TruckSim平臺,由于TruckSim軟件不能使貨物質(zhì)心轉(zhuǎn)移,為此用TruckSim與Matlab聯(lián)合仿真,將因液體晃動產(chǎn)生的力、力矩作為TruckSim模型輸入。在相同負(fù)載下利用所建車-液罐系統(tǒng)模型通過仿真評估不同充液比下兩種改進(jìn)的錐形截面液罐及傳統(tǒng)液罐的準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定特性。結(jié)果表明,本文的兩種改進(jìn)的錐形截面液罐較傳統(tǒng)液罐,均可在較大充液比范圍內(nèi)提高罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性。因此,本文建模方法及分析思路對改進(jìn)、優(yōu)化液罐橫截面形狀、提高罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性具有指導(dǎo)意義。
1液罐模型
針對圓形截面液罐及改進(jìn)的橢圓截面液罐各自缺點,Kang通過優(yōu)化提出錐形截面液罐。該液罐底部接近平底,不能與向下彎曲的支撐座匹配,因此會增大液罐質(zhì)心高度,對此,本文提出2種改進(jìn)的錐形截面液罐,不僅滿足國家關(guān)于液罐形狀的規(guī)定,且具有可生產(chǎn)性。為分析液體質(zhì)心轉(zhuǎn)移及側(cè)傾力矩大小,建立液罐橫截面模型及側(cè)傾平面準(zhǔn)靜態(tài)模型,分析、比較載荷相同時各充液比下2種改進(jìn)的錐形截面液罐與傳統(tǒng)液罐的優(yōu)缺點。
1.1液罐截面形狀表征
通用液罐橫截面模型見圖1,由8段圓弧組成,左右對稱,相鄰兩段圓弧在交點處相切,每段圓弧的方程為
式中:Ri為i圓弧半徑;Yci,Zci為i圓弧圓心坐標(biāo);H1為液罐總寬度;H2為液罐與支撐座總高度;Zl0為液罐充滿液體時液體質(zhì)心高度。
大部分液罐橫截面形狀均可用該模型表示。液罐為對稱的改進(jìn)橢圓截面液罐時,可令R1=R5,R2=R4(圖1(a))。液罐為圓形截面液罐時可令R1=R2=R3=R4=R5;液罐為錐形截面液罐時(圖1(b)),可通過改變R1~R5的任意值改變液罐寬度、高度及形狀等。由于已使用的改進(jìn)橢圓液罐由8段圓弧組成,錐形截面液罐相同,說明錐形截面液罐具有可生產(chǎn)性,僅各段圓弧半徑不同而已。
圖1 液罐橫截面模型Fig.1 Roll plane models of tanks
1.2液罐橫截面模型設(shè)計方法
3種已用液罐橫截面簡圖見圖2(a),參數(shù)見表1。圖中標(biāo)出液罐充滿液體時液體質(zhì)心位置。3種液罐約束為:①液罐橫截面積S=S0=3.258 6 m2,源于某款已生產(chǎn)的改進(jìn)橢圓截面液罐;②總寬度H1不大于國家規(guī)定值2.5 m[12];③液罐支撐座相同且底部在同一平面上。A、B、C液罐橫截面對比見圖2(b)。A為圓形截面液罐,總寬度H1較小,故在側(cè)傾平面的液面長度較短,利于減小液體晃動。B為對稱的改進(jìn)橢圓截面液罐,其上下兩部分關(guān)于水平軸對稱,較A液罐其總寬度H1大,液體質(zhì)心較低,但液體晃動也較大。C為非對稱的改進(jìn)橢圓截面液罐,與B液罐區(qū)別在于其上下部分關(guān)于水平軸不對稱,頂部半徑較底部大,可一定程度降低液罐質(zhì)心高度Zl0。
圖2 液罐橫截面簡圖Fig.2 Schematics of tank cross-sections
D、E、F液罐橫截面對比見圖3,約束同A,B,C,參數(shù)同表1。D液罐是Kang通過優(yōu)化得出的液罐形狀,其特點為上窄下寬,稱為錐形截面液罐。下部分較寬,H1基本達(dá)到國家規(guī)定最大值,利于降低液體質(zhì)心高度;上部分較窄可減小液面長度,從而減小液體晃動。研究表明,D液罐在一定充液比范圍內(nèi)可提高罐車側(cè)傾穩(wěn)定性;但其底部較平,不能與支撐座向下彎曲形狀匹配,會提高整個液罐高度。
圖3 錐形液罐橫截面簡圖Fig.3 Schematics of reuleux triangle tank cross-sections
液罐類型R1R2R3R4R5H1H2Zl0A1.021.021.021.021.022.042.241.23B1.780.391.780.391.782.441.861.04C1.780.301.780.303.502.441.831.03D27.00.392.760.392.002.442.151.12E1.780.392.760.702.002.442.051.06F1.780.392.600.701.702.142.211.13
對此,本文提出在D液罐基礎(chǔ)上改進(jìn)的E液罐,其S,H1同D液罐。將E液罐底部圓弧半徑R1由2.7 m改為1.78 m等于支撐座圓弧半徑(圖3),并調(diào)整液罐參數(shù)。建立S的表達(dá)式。需先確定該液罐模型的獨立設(shè)計變量,本文R1~R5及Yc3、Zc3、Zc5作為獨立設(shè)計變量。由于液罐的對稱性,Yc1=Yc5=0。Zc1=R1+Zb,Zb為液罐底部到支撐座底部高度,本文選Zb=155 mm。
圓弧2因與圓弧1、3相切,圓弧2圓心坐標(biāo)Yc2、Zc2可通過聯(lián)立方程求出,即
(2)
Yc4、Zc4也可通過相同方法求出。圓弧i與圓弧i+1交點Yi、Zi(i=1, 2,…, 5)可由聯(lián)立該兩段圓弧方程求出。
由于液罐最寬處切線與Z軸平行,當(dāng)某圓弧圓心縱坐標(biāo)Zci(i=2, 3,4) 在Zi-1與Zi之間時,液罐總寬度為
H1=2(Yci+Ri)
(3)
液罐橫截面積S表達(dá)式為
(4)
式中:fi(z)為液罐右邊圓弧橫坐標(biāo)y關(guān)于z的函數(shù),表達(dá)式為
(5)
由于圓弧3質(zhì)心坐標(biāo)(Yc3,Zc3)對S及H1均影響較大,除R1外保持其它設(shè)計變量與D液罐相同,用迭代法求出Yc3、Zc3的值,迭代約束為
(6)
式(6)中α值不能太小,否則會無解,且耗時。通過微調(diào)R4大小及圓弧5圓心縱坐標(biāo)Zc5使E液罐的S及H1同D液罐,從而獲得橫截面形狀。
由圖3(b)可知,E液罐較D液罐,其底部多出部分弓形容積,因S保持不變,使液體質(zhì)心高度降低;但其上部保持錐形,故稱改進(jìn)的錐形截面液罐,并利于減少液面長度。而在低充液比下液罐寬度仍較大。對此,本文在E液罐基礎(chǔ)上改進(jìn)F液罐。由于E罐H1= 2.44 m,A罐H1=2.04 m,為使F罐具有較小寬度,且不使液體質(zhì)心過高,取F罐H1=2.14 m,并保持S及R1與E罐相同。由于F罐H1變小,若只改變Yc3及Zc3大小,較難求出其解,因此同時改變R3、Yc3、Zc3、Zc5的值,其它變量與E罐相同。迭代約束為
(7)
通過調(diào)節(jié)R5的值使F罐S=S0,可見F液罐底部與E液罐相同(圖3(b)),能與支撐座形狀相匹配,并有效降低液體質(zhì)心高度,且H1明顯小于D、E液罐,利于減小液體晃動,尤其在低充液比下。
由表1知,6個液罐中A罐Zl0最大,B、C的Zl0小很多,此因B、C的H1較A罐大。由于C罐上部分較B罐寬,其Zl0較B罐更小。D罐的Zl0介于A、B之間,因其在液體質(zhì)心高度與液體晃動間妥協(xié)的結(jié)果。E液罐Zl0較D液罐小,因其在D罐基礎(chǔ)上增加底部與支撐座相匹配的弓形部分,從而降低液體質(zhì)心高度。F液罐的Zl0幾乎與D液罐相同,但其寬度H1顯著小于D液罐,可有效減小液體晃動。
1.3液罐在側(cè)傾平面準(zhǔn)靜態(tài)分析
液罐在側(cè)傾平面的準(zhǔn)靜態(tài)模型見圖4。其中Wl為液體貨物所受重力,單位N;ay為側(cè)向加速度,單位g;θ為液罐側(cè)傾角,單位度。坐標(biāo)系ΣOYZ原點O位于支撐座底部中心,Z軸與液罐垂直對稱軸相重合,Y軸向右。Cl0為不考慮液體晃動時貨物質(zhì)心位置;Cl(坐標(biāo)Yl,Zl)為考慮液體晃動時貨物在側(cè)向加速度ay及側(cè)傾角θ共同作用下液體質(zhì)心位置。由圖4看出,由于液體的晃動,貨物質(zhì)心發(fā)生偏移。A、B分別為液面線與液罐交點;h0為液面線在Z軸的截距。
圖4 液罐在側(cè)傾平面的準(zhǔn)靜態(tài)模型Fig.4 Roll plane model of the tank vehicle
液體所受側(cè)向力為
Fyl=Wlay
(8)
液面線AB方程為
z=ky+h0
(9)
式中:k為液面線斜率,計算式為
(10)
此時罐內(nèi)液體質(zhì)心坐標(biāo)為
(11)
式中:Q為積分區(qū)域,即液面線與液罐下方所圍區(qū)域;Af為區(qū)域面積。
由圖4,晃動液體關(guān)于坐標(biāo)原點O的側(cè)傾力矩為
Mxl=Wl[(Ylcosθ-ayYlsinθ)+
(Zlsinθ+ayZlcosθ)]
(12)
當(dāng)Wl相同時,令Lxl=Mxl/Wl,則有
Lxl=Ylcosθ-ayYlsinθ+Zlsinθ+ayZlcosθ
(13)
式中:Lxl稱為有效側(cè)傾力矩臂,意義與側(cè)傾力矩Mxl相同,但不受載荷大小影響,只與液體質(zhì)心位置、掛車側(cè)傾角及側(cè)向加速度有關(guān)。
2側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標(biāo)
為分析液罐橫截面形狀對車側(cè)傾穩(wěn)定性影響,本文從兩方面對車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行測量、評估。即①準(zhǔn)靜態(tài)評價指標(biāo):有效側(cè)傾力矩臂Lxl(其值越小液體晃動產(chǎn)生的側(cè)傾力矩越小)及準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻閾值SRT (Static Rollover Threshold);②動態(tài)評價指標(biāo):負(fù)載轉(zhuǎn)移率LTR(Load Transfer Ratio)、掛車側(cè)傾角最大值θ2max、掛車側(cè)傾角速度最大值δ2max。兩類指標(biāo)中SRT、LTR、θ2max、δ2max是評價重型商用車操縱穩(wěn)定性通用指標(biāo)。
SRT測試方法有兩種,即通過側(cè)傾平臺及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎測出[13]。用側(cè)傾平臺測量時定義為隨側(cè)傾平臺側(cè)傾角增大,第二軸外側(cè)輪胎垂直負(fù)荷為0時側(cè)傾角正切為SRT值。通過穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎測量SRT方法為:車輛以100 km/h行駛,以2°/s速率增大轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角,直到第二軸外側(cè)輪胎垂直負(fù)荷為0,此時半掛車側(cè)向加速度為SRT值,液罐車此時為臨界側(cè)翻狀態(tài),其值越大說明液罐車側(cè)傾穩(wěn)定極限越好。本文取第二種,因該方法更符合實際。
測量LTR工況采用軌跡跟蹤法單移線行駛,車速88 km/h,運行軌跡見圖5[14]。
圖5 單移線行駛路徑Fig.5 Path coordinates of single lane change
LTR的值為
(14)
式中:FLi,F(xiàn)Ri為第i軸左、右車輪垂直負(fù)荷。
由式(14)看出,LTR值越小車輛越穩(wěn)定。車輛在平面上靜止時LTR=0;LTR=1時車輛處于臨界側(cè)翻狀態(tài)。
3液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性分析
3.1液罐車系統(tǒng)建模
為測量、評估液罐車的SRT及LTR,建立某款6軸半掛式液罐車準(zhǔn)靜態(tài)聯(lián)合仿真模型,見圖6。在TruckSim軟件中建立車輛模型,由于TruckSim中貨物模型為剛體,質(zhì)心位置不能變動,故通過TruckSim與Matlab聯(lián)合仿真反映準(zhǔn)靜態(tài)下液體晃動對車的影響。仿真的每個步長TruckSim均輸出液罐車動態(tài)響應(yīng),并將掛車的側(cè)向加速度Ay2、側(cè)傾角θ2輸入Matlab的液體晃動模型中,通過計算獲得液體晃動產(chǎn)生的側(cè)向力Fyl及側(cè)傾力矩Mxl,并輸入TruckSim車輛模型。
圖6 液罐車準(zhǔn)靜態(tài)聯(lián)合仿真流程Fig.6 Flow chart of Quasi-static co-simulation of tank vehicle
車輛模型建立于TruckSim平臺,包括牽引車、掛車及貨物模型,基本參數(shù)見表2,其中圓形液罐滿載時的側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量Ixl據(jù)液罐橫截面形狀及充液比計算,近似等于靜態(tài)時貨物關(guān)于其質(zhì)心的側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量。質(zhì)量取滿載時貨物重量。
車輛用輪胎模型為TruckSim自帶、額定載荷3 500 kg的輪胎模型,輪胎縱向力、側(cè)向力及回正力矩為滑移率、垂向載荷函數(shù),其值由實驗室或道路測得。所用懸架模型為TruckSim自帶的鋼板彈簧懸架。
3.2結(jié)果分析
設(shè)液罐側(cè)向加速度為0.3 g,側(cè)傾角為8°,6種液罐在不同充液比下的有效側(cè)傾力矩臂Lxl見表3。由表3可知,A罐Lxl不隨充液比變化;而B、C罐Lxl隨充液比增大而減小,因液面長度隨充液比增大而減小,從而減小液體晃動。D、E、F液罐Lxl在充液比40%~80%之間亦隨充液比增大而減小,但在100%充液比的值較80%大,此由液體質(zhì)心高度增大所致。F液罐Lxl在40%~ 80%的充液比之間均最小,尤其80%充液比處,其值較A液罐減小12%。E液罐Lxl在60%~100%之間均小于平均值,與A液罐相比,其值在60%、80%、100%分別減小1.2%、11%、13%。
表2 液罐車模型參數(shù)
表3 有效側(cè)傾力矩臂Lxl
6種液罐不同充液比的SRT值見表4。由表4知,A液罐SRT幾乎不變,F(xiàn)液罐SRT在40%~80%的充液比之間為最大值,較A液罐其值在70%充液比下增大9%;E液罐在60%~100%充液比間SRT均大于平均值,與A液罐相比E液罐SRT在100%充液比下增大11%。因此,Lxl越小SRT越大,說明要提高液罐車的側(cè)傾穩(wěn)定性,設(shè)計液罐時需減小Lxl。
表4 側(cè)翻閾值SRT
6種液罐在各充液比下最大值LTRmax見表5。該值反映液罐車負(fù)載轉(zhuǎn)移的大小。由表5可知,A液罐LTRmax隨充液比增大稍有增大,此由液罐側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量Ixl隨充液比增大而增大所致。F液罐較其它5種液罐, LTRmax在40%~80%的充液比之間為最小值,尤其70%充液比下其值較A液罐減小8%。E液罐LTRmax在60%~100%充液比之間均小于平均值,與A液罐相比在90%充液比下其值減小7%。
表5 負(fù)載轉(zhuǎn)移率最大值LTRmax
6種液罐在不同充液比下半掛車側(cè)傾角θ2max及側(cè)傾角速度δ2max的最大值見表6、表7??梢奆液罐θ2max、δ2max在40%~80%的充液比之間為最小值,與A液罐相比,其值在70%充液比下分別減小11%、14%。E液罐θ2max、δ2max在60%~100%充液比之間均小于平均值,與A液罐相比其值在90%充液比下分別減小12%、15%。與表5相比,θ2max、δ2max曲線與LTRmax相似。
表6 掛車側(cè)傾角最大值θ2max
表7 掛車側(cè)傾角速度最大值δ2max
通過對Lxl、SRT、LTRmax、θ2max、δ2max分析看出,E液罐在60%~100%充液比之間具有較小的Lxl、LTRmax、θ2max及δ2max值、較大的SRT值,說明更適合在中、高充液比下使用;F液罐在40%~80%的充液比之間具有最小的Lxl、LTRmax、θ2max及δ2max值、最大的SRT值,說明更適合在低、中充液比下使用。
4結(jié)論
通過建立半掛式液罐車準(zhǔn)靜態(tài)聯(lián)合仿真模型,對液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性仿真分析,結(jié)論如下:
(1)本文所用靜態(tài)評價指標(biāo)Lxl、準(zhǔn)靜態(tài)評價指標(biāo)SRT、動態(tài)評價指標(biāo)LTRmax、θ2max、δ2max均可表征液罐橫截面對液罐車側(cè)傾特性影響。
(2)負(fù)載質(zhì)量一定時圓形液罐在所有充液比下,對液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性影響幾乎相同,可作為其它液罐的比較對象。
(3)E液罐因其底部可與支撐座形狀匹配,故可降低液體貨物質(zhì)心高度,提高液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性。E、F液罐均可在較大充液比范圍內(nèi)提高液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性。
(4)本文對液罐車建模及液罐截面設(shè)計方法,對改進(jìn)、優(yōu)化液罐橫截面形狀,提高液罐車側(cè)傾穩(wěn)定性具有指導(dǎo)意義。
參 考 文 獻(xiàn)
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Modified design and safety analysis of tank cross section based on roll stability
CHENYi-bao,RAKHEJASubhash,SHANGGUANWen-bin
(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)
Abstract:The effect of tank cross-section on relative roll stability limits of a partially-filled tank trailer combination was investigated. The study includes the widely used circular and modified oval cross-sections in addition to a Reuleux triangle and two proposed modified Reuleux triangle cross-sections. The results were obtained for a six-axle tank-semitrailer combination using the TruckSim platform. The additional lateral forces and roll moment caused by the liquid cargo movement were evaluated using a quasi-static approach and integrated into the TruckSim model as an external force and a moment. The relative roll dynamic responses were evaluated, in terms of static rollover threshold, as well as the lateral load transfer and peak roll angle responses during a lane-change maneuver. The results suggest that the proposed modified Reuleux triangle cross-sections yield enhanced roll stability and roll directional performance over a wide range of fill levels.
Key words:tank vehicle; liquid sloshing; roll stability; co-simulation
中圖分類號:U469.5
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.06.027
通信作者上官文斌 男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,1963年生
收稿日期:2015-01-04修改稿收到日期:2015-03-30
基金項目:國家自然科學(xué)基金(51475171)
第一作者 陳益苞 男,碩士生,1991年生
E-mail:shangguanwb99@tsinghua.org.cn