絞吸式挖泥船電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真研究*

胡 佳 高 嵐 范世東 司宇航 劉恩東

(武漢理工大學(xué)船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430063)

絞吸式挖泥船電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真研究*

胡 佳 高 嵐 范世東 司宇航 劉恩東

(武漢理工大學(xué)船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430063)

為了研究直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)調(diào)速策略在電力驅(qū)動(dòng)絞吸式挖泥船上的適用性，基于飽和沙二維切削理論建立絞刀切削模型，基于泥泵特性及管道流體力學(xué)理論建立泥漿輸送系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上基于異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型和直接轉(zhuǎn)矩控制理論建立絞刀和泥泵電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型.根據(jù)施工實(shí)際建立仿真模型并基于典型工況對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析絞吸式挖泥船在典型工況下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速性能和船舶電站的穩(wěn)定性.仿真結(jié)果表明，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，同時(shí)能保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在絞吸式挖泥船疏浚設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有良好的適用性.

絞吸式挖泥船；電力驅(qū)動(dòng)；絞刀和泥泵；直接轉(zhuǎn)矩控制

0 引 言

絞吸式挖泥船作為一種主要的疏浚設(shè)備在港口航道的改良以及各種吹填作業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用.其主要施工設(shè)備為絞刀和泥泵，在施工作業(yè)過(guò)程中需要對(duì)絞刀和泥泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式包括液壓驅(qū)動(dòng)、柴油機(jī)直驅(qū)和柴油發(fā)電機(jī)組電驅(qū)，而如今電力驅(qū)動(dòng)已逐漸成為設(shè)計(jì)的主流方向[1].相較于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，采用全電力驅(qū)動(dòng)既節(jié)省了挖泥船布置空間，又提高了能源利用效率，但是同時(shí)也帶來(lái)了絞刀和泥泵電機(jī)的控制問(wèn)題.由于絞吸式挖泥船經(jīng)常需要在不同水域施工作業(yè)，因而其施工工況不是一定的，為了保障挖泥船在各種工況下都能有良好的疏浚效率，需要絞刀和泥泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩跟隨性能[2].因而研究分析絞吸式挖泥船電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)性能對(duì)保障其正常作業(yè)并提高疏浚效率有很大的意義.

為了研究基于直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的異步電動(dòng)機(jī)絞刀和泥泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在絞吸式挖泥船上的驅(qū)動(dòng)性能，本文基于飽和沙切削理論及流體力學(xué)相關(guān)理論分別搭建了絞刀與泥泵及泥漿輸送管道數(shù)學(xué)模型，基于異步電動(dòng)機(jī)特性和直接轉(zhuǎn)矩控制理論建立了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型.在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建全電力驅(qū)動(dòng)絞吸式挖泥船電力系統(tǒng)仿真模型，基于典型工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能和控制效果.

1 絞刀模型

當(dāng)絞刀切削速度在0.5～5 m/s之間時(shí)，此時(shí)膨脹現(xiàn)象為影響切削過(guò)程的主要因素[3]，可以建立此切削過(guò)程的平衡方程：

(1)

(2)

(3)

式中：km為平均滲透率,km≈0.5ki+0.5kmax,ki為初始滲透率,kmax為最大滲透率;Fh為切削力水平分量;Fv為切削力垂直分量;ρw為水密度;g為重力加速度;vc為切削速度;hi為初始切割層厚度;b為刀片寬度;e為體積應(yīng)變系數(shù).

系數(shù)c1，c2為切削系數(shù)，其表達(dá)式為

c1=

(4)

c2=

(5)

式中：φ為土壤的內(nèi)摩擦角；δ為泥土表面摩擦角；α為刀片切削角；hb為刀片高度；h為土層厚度.

當(dāng)切削速度大于5 m/s時(shí)，此時(shí)切削力取決于開(kāi)挖水域水深，氣隙壓力和切削力始終保持相等，因此可以得到兩個(gè)切削方程：

Fh=d1ρwg(z+10)hib

(6)

Fv=d2ρwg(z+10)hib

(7)

式中：d1,d2為此時(shí)切削系數(shù)

為了應(yīng)用二維切削理論對(duì)絞刀進(jìn)行建模分析，需要進(jìn)行一些假設(shè)[4]：①在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中參數(shù)c1,c2,d1和d2為定值，即平均切削層厚度不變；②絞刀是頂角為ξ的冠狀型絞刀，刀片和絞刀軸之間夾角為ι.

切削層厚度可表示為

hi=himaxsinΩsinξ

(8)

(9)

式中：hi為初始切割層厚度;himax為最大切割層厚度;Ω為絞刀切削元件覆蓋角；vs為橫移速度；n0為絞刀轉(zhuǎn)速；p為絞刀刀片數(shù).

絞刀頭的假定刀片寬度為

bpr=bcosιcosξ

(10)

式中：bpr為絞刀投影在軸上的刀片寬度.

絞刀切削速度為

vc=vciRcosι+vs

(11)

(12)

式中：vciR為絞刀圓周速度.

絞刀在各個(gè)方向的受力情況為

Fa=Fhsinιcosξ-Fvsinξ

(13)

橫移擺動(dòng)方向的受力為

Fs=FhcosιcosΩ±

(-Fhsinιsinξ+Fvcosξ)sinΩ

(14)

與擺動(dòng)方向和軸向垂直方向的受力為

Fv=±FhcosιcosΩ-

(-Fhsinιsinξ+Fvcosξ)sinΩ

(15)

對(duì)于半徑為R，刀片投影寬度為bpr的絞刀，其瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩為

M=FhcosιR

(16)

平均切削力可以對(duì)切削范圍角Ω0內(nèi)絞刀瞬時(shí)切削力進(jìn)行積分再與刀片數(shù)相乘獲得[5]，即

(17)

由以上可以得出，當(dāng)切削速度在0.5～5 m/s范圍內(nèi)時(shí)，可得絞刀轉(zhuǎn)矩為

(18)

由于絞刀橫移速度vs較小，在計(jì)算切削速度vc時(shí)可將其忽略不計(jì)，此時(shí)

vc≈vciRcosι

(19)

(20)

2 泥漿管道疏浚系統(tǒng)模型

絞吸式挖泥船所使用的泥泵一般為離心泵，它靠葉輪帶動(dòng)液體高速旋轉(zhuǎn)而將機(jī)械能傳給液體.具有結(jié)構(gòu)緊湊、揚(yáng)程范圍廣、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn).

離心泵相似關(guān)系為

在進(jìn)行輸排泥作業(yè)過(guò)程中，泥漿輸送管道的水頭損失包括四個(gè)部分[6]：

1) 吸排泥前后由排高會(huì)造成一部分的水頭損失：

H1=Zdβ m

(21)

式中：dβ m為泥漿相對(duì)密度；Z為排高.

2) 當(dāng)泥漿輸送管道在輸送清水時(shí)，由水流與管壁相互作用形成的沿程阻力損失為

(22)

式中：λ為磨阻系數(shù)；L為管道長(zhǎng)度；D為泥泵直徑；v為泥漿流速；g為重力加速度.

對(duì)于均勻流體來(lái)說(shuō)，輸送泥漿時(shí)的沿程阻力損失H21可以在輸送清水的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算.

H21=H×dm

(23)

式中：H為泥泵的總揚(yáng)程.

當(dāng)管道中泥漿為非均勻流體時(shí)，單位長(zhǎng)度管道的水頭阻力損失為

(24)

式中：vs為顆粒沉降速度；m為根據(jù)土質(zhì)及泥漿濃度所得系數(shù)；ds為顆粒直徑；Kd為試驗(yàn)系數(shù).

3) 由管道鋪設(shè)情況引起的局部阻力水頭損失H3為

(25)

式中：ξj為局部阻力系數(shù).

4) 由于管路出口流速大于入口流速，即泥漿在疏浚管道中動(dòng)能增加，此部分水頭損失H4為

(26)

式中：v2為管道排泥管泥漿流速.

綜上，絞吸式挖泥船輸排泥管道滿足如下方程

∑Δpi=ρmgHt+Δpm+

(27)

由伯努利方程可得

(28)

式中：γ為重度;p1,p2為泥泵進(jìn)、出口壓力，v1,v2為泥泵進(jìn)、出口流速;Z1,Z2為泥泵進(jìn)出口位置距水平面的高度.

通常絞吸式挖泥船泥漿輸送管道出口管徑大于入口管徑，因此泥漿進(jìn)出口流速不同，但同一管道中流量相同[7]，即

v1A1=v2A2

(29)

式中：A1,A2為不同管段的橫截面積;v1,v2為泥漿流速.

由離心泵性能曲線可知,揚(yáng)程和管道流量的平方成正比，即

H=kQ2

(30)

挖泥船瞬時(shí)產(chǎn)量為

(31)

式中：W為產(chǎn)量值;D1為輸泥管內(nèi)徑;ρw為水的密度;ρ0為原狀土的密度.

3 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

對(duì)基于三相靜止坐標(biāo)系的異步電動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行Clark變換后可得其電壓公式[8]

(32)

式中：α,β對(duì)應(yīng)三相坐標(biāo)系中空間矢量的α分量和β分量.

由式(32)可得定子磁鏈公式

(33)

電極電磁轉(zhuǎn)矩公式

Te=np(isβψsα-isαψsβ)

(34)

或：

(35)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機(jī)極對(duì)數(shù);θ為磁通角(rad).

運(yùn)動(dòng)公式：

(36)

式中：TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2).

電磁轉(zhuǎn)矩的生成可看成是定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果，電磁轉(zhuǎn)矩可表達(dá)為

(37)

式中：ψs為定子磁鏈；θ為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角.轉(zhuǎn)子磁鏈ψr與負(fù)載有關(guān)，而為保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能，定子磁鏈幅值通常保持不變，則可以通過(guò)控制磁通角θ控制電磁轉(zhuǎn)矩的大小[9].

電機(jī)定子電壓方程為

(38)

忽略定子電阻的影響，則有

(39)

所以可以通過(guò)外加電壓us來(lái)控制定子磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)速.在很短時(shí)間內(nèi)依靠us的作用使定子磁鏈加速旋轉(zhuǎn)，而這期間轉(zhuǎn)子速度來(lái)不及變化，由此可加大磁通角θ，若保持定子磁鏈的幅值不變，就可以使電磁轉(zhuǎn)矩增大；若使定子磁鏈反向旋轉(zhuǎn)，可使電磁轉(zhuǎn)矩減小.

圖1 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

本文擬用異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC)，見(jiàn)圖1.系統(tǒng)組成為速度調(diào)節(jié)器、滯環(huán)比較器、電壓矢量開(kāi)關(guān)表、Clark變換、磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，角度傳感器、電壓源逆變器和異步電動(dòng)機(jī)(ASM).系統(tǒng)將檢測(cè)的定子三相電流iABC經(jīng)過(guò)Clark變換后輸入磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，估算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小分別與磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定值做比較，其差值分別經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較器得到磁鏈控制信號(hào)Dψ和轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)DT，然后根據(jù)定子磁鏈位置、轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)DT和磁鏈控制信號(hào)Dψ，利用電壓矢量開(kāi)關(guān)表選擇響應(yīng)的電壓矢量控制逆變器開(kāi)關(guān)的通斷，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行.其中磁鏈給定信號(hào)為常數(shù)，轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)由實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)速度調(diào)節(jié)器得到的.該過(guò)程將轉(zhuǎn)矩和磁鏈作為反饋信號(hào)，省去復(fù)雜的矢量變換，直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到調(diào)速的目的.

4 仿真分析

基于以上分析所得數(shù)學(xué)模型，在仿真平臺(tái)建立全電力驅(qū)動(dòng)絞吸式挖泥船電力系統(tǒng)仿真模型見(jiàn)圖2.

圖2 全電力驅(qū)動(dòng)絞吸式挖泥船電力系統(tǒng)仿真模型

本文以某3 500 m3/h絞吸式挖泥船為母型船，具體參數(shù)設(shè)置如下：船舶電站由兩臺(tái)功率為3 388 kVA的柴油發(fā)電機(jī)組組成，額定電壓6.6 kV，額定頻率50 Hz，功率因數(shù)0.8.絞刀和泥泵電機(jī)額定功率為1 500 kVA，額定電壓3.3 kV，額定頻率50 Hz，靜態(tài)負(fù)載功率為600 kW.疏浚作業(yè)系統(tǒng)參數(shù)：絞刀為冠狀型，絞刀半徑R=1.34 m，刀片寬度b=0.07 m，刀片與絞刀軸夾角ι=80°，切削系數(shù)c1=0.3，體積應(yīng)變系數(shù)e=1，平均滲透率km=10.5×10-5m/s，吸排泥管徑D=900 mm，泥漿體積分?jǐn)?shù)為20%.

4.1 理想工況

圖3 理想工況下挖泥船主要參數(shù)曲線圖

當(dāng)疏浚條件較好且不需要大排距時(shí)，此時(shí)認(rèn)為疏浚過(guò)程中絞刀的機(jī)械轉(zhuǎn)矩保持不變，吸排泥管中泥漿為均勻流移.仿真時(shí)間設(shè)為7 s，在1 s時(shí)投入靜態(tài)負(fù)載，在3 s時(shí)投入絞刀電機(jī)，在5 s時(shí)投入單臺(tái)水下泥泵電機(jī).仿真結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3a)可知，在理想的施工條件下，t=3 s時(shí)絞刀電機(jī)啟動(dòng)，絞刀轉(zhuǎn)速上升，在t=3.1 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值，此時(shí)絞刀轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在31 r/m.同時(shí)隨著絞刀轉(zhuǎn)速的增加，其機(jī)械轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值Tc=5 200 Nm.由圖3d)可知，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩隨著絞刀機(jī)械轉(zhuǎn)矩的建立在短暫波動(dòng)后保持在5 200 N·m附近波動(dòng).運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)定子磁鏈幅值穩(wěn)定在設(shè)定值1.5 Wb左右.

由圖3e)可知，在t=3 s時(shí)水下泥泵電機(jī)啟動(dòng)，在經(jīng)0.6s后，在t=5.6 s時(shí)管道中泥漿流速達(dá)到穩(wěn)定值vm=3.6 m/s，同時(shí)挖泥船的瞬時(shí)產(chǎn)量達(dá)到W=1 310 m3/h，由于挖泥船實(shí)際產(chǎn)量受到不同施工區(qū)域土質(zhì)影響很大，以本文施工對(duì)象砂土為例，其孔隙率一般為0.3～0.8，即使是在輸送同樣密度的泥漿時(shí)，由于土層孔隙率的差異其產(chǎn)量也大不相同.因而本文仿真實(shí)驗(yàn)中關(guān)于挖泥船瞬時(shí)產(chǎn)量值只能用來(lái)反映其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效果，不能精確表示此種工況下的產(chǎn)量值.

以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在理想工況下，絞刀和泥泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效果良好，由于直接轉(zhuǎn)矩控制具有快速響應(yīng)性能，電機(jī)啟動(dòng)性能良好，在絞刀和泥泵機(jī)械轉(zhuǎn)矩建立時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩能快速響應(yīng).

4.2 實(shí)際工況

在實(shí)際施工過(guò)程中，疏浚條件往往比較惡劣并且需要大排距.此時(shí)疏浚作業(yè)過(guò)程中，由于開(kāi)挖條件惡劣，使得絞刀機(jī)械轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，同時(shí)由于此時(shí)管道內(nèi)泥漿為非均勻流移，因此在吸排泥過(guò)程中泥泵也受到擾動(dòng).1 s時(shí)投入靜態(tài)負(fù)載，3 s時(shí)投入絞刀電機(jī)，5 s同時(shí)投入水下泵和艙內(nèi)泵電機(jī)，在絞刀和泥泵運(yùn)行時(shí)對(duì)其施加隨機(jī)附加轉(zhuǎn)矩，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 實(shí)際工況下挖泥船主要參數(shù)曲線圖

由圖4a)可知，在t=3 s時(shí)絞刀電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)在絞刀開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其機(jī)械轉(zhuǎn)矩受到來(lái)自開(kāi)挖土層的擾動(dòng)，由于絞刀的機(jī)械轉(zhuǎn)矩受到擾動(dòng)，而機(jī)械轉(zhuǎn)矩由切削力和切削力臂決定，較刀的切削力臂長(zhǎng)度由絞刀的外徑和其形狀決定，在施工過(guò)程中可以看作定值，因此當(dāng)絞刀機(jī)械力矩受到擾動(dòng)時(shí)，土壤對(duì)其切削反作用力也受到擾動(dòng)，從而引起絞刀轉(zhuǎn)速的變化.因此可以得出絞刀的轉(zhuǎn)速變化與其機(jī)械轉(zhuǎn)矩的變化相反，圖4a)和圖4c)反映出了這一變化關(guān)系.由圖4c)～d)可知，當(dāng)絞刀機(jī)械轉(zhuǎn)矩受到隨機(jī)擾動(dòng)在5 000 N·M附近波動(dòng)時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也隨著絞刀機(jī)械轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方向在5 000 N·M附近波動(dòng)，說(shuō)明絞刀電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)跟隨性能良好.當(dāng)t=5 s時(shí)泥泵電機(jī)起動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)泥泵轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速附近，由于受到管道內(nèi)非均勻流移對(duì)泥泵葉片產(chǎn)生的作用力持續(xù)改變的影響，管道內(nèi)泥漿流速在6.5 m/s附近小幅波動(dòng)，對(duì)應(yīng)的疏浚系統(tǒng)瞬時(shí)產(chǎn)量在3 300 m3/h附近波動(dòng)，如前所述，此產(chǎn)量值只能反映其驅(qū)動(dòng)特性.圖5為實(shí)際工況下絞吸式挖泥船電站主要參數(shù)曲線.

圖5 船舶電站主要參數(shù)曲線圖

由圖5a)可知，隨著負(fù)載的依次投入，發(fā)電機(jī)組輸出功率依次增加.由圖5a～c)可知，在絞刀和泥泵投入時(shí)，電網(wǎng)頻率和發(fā)電機(jī)端電壓均發(fā)生短暫的突降，并快速回復(fù)穩(wěn)定.在發(fā)電機(jī)端電壓降低的同時(shí)，勵(lì)磁控制系統(tǒng)提高發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓以補(bǔ)償端電壓的壓降.當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于負(fù)載的投入使得電網(wǎng)電流增大，從而使得電阻壓降增大，發(fā)電機(jī)端電壓出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)偏差.以上電網(wǎng)主要參數(shù)的變化情況均符合文獻(xiàn)[10]，可以得出異步電動(dòng)機(jī)DTC系統(tǒng)在全電力驅(qū)動(dòng)絞吸式挖泥船中作為絞刀和泥泵的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有一定的適用性.

5 結(jié) 論

1) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有良好的快速響應(yīng)性能，能較好的適應(yīng)絞吸式挖泥船施工作業(yè)過(guò)程中工況的變化.

2) 采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略能在保證船舶電網(wǎng)穩(wěn)定性的前提下有效的提高疏浚效率，在全電力驅(qū)動(dòng)絞吸式挖泥船上有較好的適用性.

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The Modeling and Simulation Research on the Electric Drive System of Cutter Suction Dredger

HUJiaGAOLanFANShidongSIYuhangLIUEndong

(KeyLaboratoryofMarinePowerEngineeringandTechnology,MinistryofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

To study the applicability of direct torque control (DTC) strategy in electric drive cutter suction dredger, a cutting model of the cutter based on saturated sand two-dimensional cutting theory and a mud transporting model based on mud pump characteristic and pipeline fluid mechanics theory are established, respectively. Based on the mathematical model of asynchronous motor and direct torque control theory, the cutter and mud pump electric drive system model is established. According to the construction practice, the simulation model is built and simulation experiment is carried out on the DTC system based on typical conditions. The speed performance of electric-drive system and stability of the power station has also been analyzed. The results show that the DTC system has a good speed performance and can maintain the stability of the power system. It’s applicable on the driving system of the dredging equipment of the cutter suction dredger.

cutter suction dredger; electric drive; cutter and mud pump; direct torque control

U664

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.032

2017-08-15

胡佳(1991—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)檩啓C(jī)仿真及自動(dòng)化

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51179144)