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2019年  38卷  第6期

机械动力学
温变工况下的EMI螺栓松动损伤识别
詹阳磊, 肖黎, 屈文忠
2019, 38(6): 821-827. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180247
摘要(204) HTML (147) PDF 1039KB(51)
摘要:
环境温度变化易引起机电阻抗方法(EMI)结构健康监测的损伤误报,以螺栓组连接的铝板为对象,分别进行了温度对导纳信号的影响实验及温变工况下的螺栓松动损伤识别实验,采用平均绝对偏差与相关系数偏差量化表征导纳信号改变程度,利用信号互相关迭代算法分段补偿温度影响。结果表明,温度变化引起导纳信号的水平偏移,且偏移量随频率与温差的增加而增大,引起损伤指标变化,影响螺栓连接状态判定。通过迭代算法进行温度补偿后,极大程度消除了温度影响,有效提高了螺栓松动损伤识别的敏感程度,避免温度变化引起损伤误报。
一种改进型Canfeild结构设计与运动学解算
HayatMuhammadKhan, 杨建华, 姜霞兵, 贺亚男
2019, 38(6): 828-832. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180258
摘要(236) HTML (129) PDF 929KB(38)
摘要:
设计了一种改进型Canfield机械结构,该机械结构采用旋转副代替移动副,采用扭力弹簧消除了旋转副引入的奇点,减小了结构尺寸,增强了伸缩性能,能实现全半球运动。针对这种设计利用机构的对称性,给出了一种运动学解算的简便方法,在进行运动学解算时不需要考虑奇异性问题,减少了未知数个数,简化了计算。给出了结构3D打印的实物模型及基于模型顶部安装的惯性测量单元(IMU)的模型运动姿态测试方案和带集成光电编码器的直流伺服驱动电机电机转角反馈运动姿态解算方案。对比了基于MapleSIM和Matlab的结构运动仿真计算结果和结构模型实际运动控制实验效果。结果表明,实验和仿真解算数据吻合程度好,验证了所设计结构的合理性和所提出的运动学解算方法的有效性。
参数不确定性车辆的复合随机振动分析
易科虹, 陈晓育, 华春蓉, 董大伟
2019, 38(6): 833-838. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180266
摘要(311) HTML (129) PDF 947KB(32)
摘要:
提出了虚拟激励-快速摄动法来研究路面随机激励和不确定车辆系统的复合随机振动问题。采用虚拟激励法将随机激励转化为简谐激励,推导了车辆振动响应功率谱密度的表达式,然后基于快速摄动法计算垂向加速度均方根值的变异系数,由响应的变异反映复合随机对车辆结构振动响应的影响。对参数不确定1/4车辆模型的仿真分析表明:当悬架结构参数和轮胎刚度变异系数为0.1时,垂向加速度均方根值的变异达到18.81%,与蒙特卡洛法相比,本文方法计算速度显著提高,且误差在5%内。
动力学参数辨识的SCARA机器人PTP加速度优化
林建雄, 白瑞林, 王延玉
2019, 38(6): 839-845. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180253
摘要(287) HTML (215) PDF 1105KB(30)
摘要:
针对SCARA机器人高速运动时驱动力矩超限对减速机造成损伤的问题,提出一种基于动力学参数辨识的PTP加速度优化方法。通过对粘滞+库伦摩擦模型进行改进得到更好的表征高速运动时的摩擦模型,并由激励轨迹最小二乘法完成SCARA机器人改进后动力学模型参数辨识。进一步通过改进的动力学模型对SCARA机器人的PTP运动进行力矩预测,选取合适的迭代步长通过寻优算法得到最优的PTP加速度。ADAMS仿真和力矩预测实验表明,改进后的SCARA机器人动力学模型具有更高的力矩预测精度,加速度寻优算法平均耗时8 ms满足工程实时性要求,所得最优加速度在保证运行效率不降低的同时使得多点位PTP运动峰值转矩从112.2 N·m降低到了84.19 N·m,有效的提高减速机的使用寿命。
EMD辅助相关系数SVD的单向阀故障诊断
张丹威, 王晓东, 黄国勇, 范玉刚, 周成江
2019, 38(6): 846-854. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180250
摘要(205) HTML (227) PDF 1303KB(23)
摘要:
单向阀是往复式高压隔膜泵的关键部件,其故障振动信号常遭受强噪声污染,导致故障特征难以检测。针对这一问题,提出一种经验模态分解(EMD)辅助相关系数奇异值分解(SVD)的单向阀故障诊断方法。该方法首先将单向阀振动信号进行EMD分解,并将分解得到的本征模态函数(IMF)进行重构;然后将重构信号输入到相关系数SVD系统中进行二次分解,并用相关系数法筛选出包含故障特征信息的分量信号;最后对有效分量信号进行希尔伯特包络谱分析,实现单向阀故障诊断。仿真结果表明,提出方法解决了强噪声背景下故障特征提取困难的问题;实测数据表明,该方法能够有效检测出单向阀故障。
应用神经网络和粒子群算法的振动式分选机参数优化研究
金磊, 杨金堂, 周泽, 田万智, 王烨堃
2019, 38(6): 855-862. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180255
摘要(181) HTML (104) PDF 1104KB(19)
摘要:
针对废旧铅酸蓄电池回收预处理工艺中极群分离问题设计了振动式分选机,并应用椭圆基神经网络近似模型和粒子群算法研究了振动式分选机参数优化问题。首先,以降低质量、降低应力和提高第3阶固有频率为目标,利用灵敏度分析获得影响程度最高的结构参数;其次,采用具有最高拟合度的椭圆基神经网络构建试验设计样本的最佳近似模型,并采用优化效果更佳的粒子群算法进行数值优化;最后,对优化前后的结构进行可靠性分析。结果表明:优化后结构质量降低了9.7%,最大等效应力降低了36.7%,第3阶固有频率提高了12.9%,结构可靠度提高了5.9%。
非局域热平衡理论下斯特林热机回热器温度场分布数值分析
刘繁茂, 蒋彭, 刘永祥
2019, 38(6): 863-869. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180249
摘要:
如何获得较为准确的回热器温度场分布,一直是碟式太阳能斯特林热机研究中的热点问题。本文构建了基于非局域热平衡理论的三维多孔介质动量方程与能量方程,以数值模拟的方法,探讨了回热器长度和分层、入口速度、填充介质孔隙率、气体工质材料及填充丝网目数等因素对于斯特林发动机回热器温度场分布的影响规律。结果表明:金属丝网孔隙率和气体工质流动速度对于金属丝网回热器的换热性能影响较大,适当地延长回热器长度能有效提高回热器的换热性能。
一种电动汽车差速控制的建模与分析方法
杨鹏, 张恒, 孙昊, 张高巍, 韩雪晶
2019, 38(6): 870-876. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180246
摘要(593) HTML (278) PDF 1122KB(35)
摘要:
将双轮毂电机电动汽车作为研究对象,以简易实用为目标,基于传统阿克曼转向模型,提出了一种基于轮胎滑移率的改进阿克曼转向模型。通过Matlab/Simulink建模工具完成了对于差速模型的搭建,并且基于该模型对双轮毂电机的轮胎转速以及对应的滑移率、横摆角速度进行了仿真分析,进而根据理想二自由度线型整车动力学模型得到的理想横摆角速度进一步完善了此改进阿克曼转向模型。最后通过实际的整车试验,得到了相应的数据曲线,与仿真结果对比表明有效地实现了提出的差速控制模型。
国六排放标准下的缸内直喷汽油机颗粒捕集器精度碳载模型建立及验证
李祥, 熊锐, 吴坚, 吕永, 苏庆鹏, 刘巨江
2019, 38(6): 877-883. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180262
摘要(403) HTML (150) PDF 1024KB(18)
摘要:
为了验证发动机不同修正参数对发动机电子控制单元(ECU)计算汽油机颗粒捕集器(GPF)碳载量的影响,优化和改进国六标准下的汽油机颗粒捕集器控制策略。基于GPF的碳烟加载质量流量模型,利用Simulink进行建模,搭建GPF精度碳载计算仿真模型,通过发动机原排质量流量、不同工况下发动机的空燃比修正参数、PM过滤效率修正参数、发动机运行水温修正参数、发动机负荷修正参数计算模块模拟出GPF碳载量。并通过搭载一款自主研发的1.5T缸内直喷发动机进行台架和整车道路试验,对比验证了缸内直喷汽油机颗粒捕集器精度碳载模型的准确性。通过对GPF载体进行称重,可分析出发动机各修正参数对模型碳载量计算的影响效果。通过对模型进行优化,使仿真结果更接近整车表现。研究结果有利于实现GPF离线标定功能,提升GPF的控制策略,降低相应的开发成本。
二次喷射策略对GDI发动机微粒排放影响规律的仿真研究
崔爽, 汪安东, 曲大为, 范茜
2019, 38(6): 884-891. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180267
摘要(255) HTML (101) PDF 1351KB(16)
摘要:
为降低GDI发动机微粒排放,搭建了某型缸内直喷汽油机的三维数值模型并利用AVL-Fire对发动机微粒生成过程进行仿真模拟,探究缸内微粒的生成机理和两次喷油策略对微粒生成的影响规律。首先对原机喷油参数下的单次喷射策略进行了仿真研究,其次,在单次喷射的基础上进行了燃油两次喷射,探究喷油时刻及喷油比例对微粒生成的影响规律,得到了如下的研究结论:原机喷射策略下未完全蒸发的油膜遇到火焰时在油膜表面产生扩散燃烧导致微粒大量生成;二次喷射策略下,随第二次喷油时刻推迟,最终微粒质量分数和数量浓度均先减小后增加,优化后的二次喷油策略最终微粒质量分数为1.28×10-11,最终微粒数量浓度为2.99×1013,较单次喷射策略分别降低了46.89%和31.42%。因此,合理的制定二次喷油策略可以减少微粒的产生。
精密制造与加工
一种被动柔顺控制的平面研磨力/位控制方法
闫雯, 黄玉美, 林文周, 穆卫谊
2019, 38(6): 892-896. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190049
摘要(298) HTML (131) PDF 964KB(17)
摘要:
针对平面研磨的加工特点和工艺要求,提出了一种基于被动柔顺控制的立式数控平面研磨机力/位控制方法。通过分析被动柔顺控制原理,建立了平面研磨加工的阻抗模型,进而得出能够使研磨加工处于动态平衡状态的工艺参数组,消除平面研磨中力与位的相互影响。试验结果表明该方法能够稳定控制研磨压力,定位精度良好,被加工件获得了较好的表面粗糙度,能够满足一般研磨的加工要求。与常用立式研磨机的控制方法相比,该方法能够在位置伺服状态下,避免使用专门的研磨压力控制设备,简化机床硬件和操作流程,提高加工效率,降低生产成本,具有良好的推广和应用前景。
液体磁性磨具固相颗粒表面改性及稳定性研究
桑媛园, 孙桓五, 段海栋, 纪刚强, 侯治秀
2019, 38(6): 897-901. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180261
摘要(183) HTML (80) PDF 987KB(10)
摘要:
针对液体磁性磨具的沉降稳定性差,提出了采用羧基化多壁碳纳米管和聚二甲基二烯丙基氯化铵水溶液以及水溶性聚合物对磨具中的固相颗粒进行表面改性,提升液体磁性磨具的沉降稳定性。对改性前后的固相颗粒的结构、形貌、电位以及磁性粒子的磁饱和强度的表征和分析表明:改性后的羰基铁粉颗粒外表面吸附有碳纳米管,颗粒密度由4.3 g/cm3降低到1.55 g/cm3且改性后的羰基铁粉不易氧化,电位绝对值提升到15.3 mV,饱和磁强度提升了26%;改性后的碳化硅表面吸附一层有机物,电位绝对值提升到68.7 mV;磨具的稳定性有了很大的改善,静置20 h到40 h达到稳定,沉降率低于1%。改性剂的添加会增大磨具的黏度,但对其流变性能的影响较小。经过表面改性固相颗粒,液体磁性磨具的沉降稳定性有了较大的提升。
等静压支撑单点增量成形力的研究
姚志远, 杨明顺, 李言, 袁启龙, 郑海洋, 姚梓萌
2019, 38(6): 902-908. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180264
摘要(290) HTML (106) PDF 1205KB(11)
摘要:
在单点增量成形过程中,板料背面悬空不受任何支撑,仅依靠工具头和板料之间的挤压作用对板料进行无约束成形,易造成板料成形精度不高。本文提出了一种等静压支撑单点增量成形新技术,在成形过程中为板料提供有效支撑。以1060铝板为研究对象,分析等静压参数对成形力的影响规律。结果表明:静压支撑单点增量成形,水平方向的力FxFy较传统的单点增量成形有一定的增加,但增加幅度不大,轴向力Fz变化比较大,随着静压的不断增加,轴向力不断增大。设计开发静压系统,通过实验验证,获得静压条件下成形力的变化规律,并验证了仿真的正确性。
工业机器人抛光作业的主动柔顺控制系统
张继尧, 韩建海, 刘赛赛, 李向攀
2019, 38(6): 909-914. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180245
摘要(315) HTML (230) PDF 1003KB(26)
摘要:
针对抛光作业过程中的恒力问题,研究了工业机器人恒力抛光作业的主动柔顺控制系统。通过六维力传感器对采集到的力信号进行了滤波、重力补偿,得到抛光工具与工件间的实际接触力;采用模糊PID控制策略,控制恒力补偿装置实现柔顺位置补偿,保证抛光工具与工件间恒定的接触力,从而完成机器人对工件柔顺恒力抛光作业的要求。该方案可以满足抛光机器人对位置和力分别控制的要求。
仪器、仪表科学与技术
六分量车轮力传感器结构多目标优化设计
贺辉, 李响, 马洪强
2019, 38(6): 915-921. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180263
摘要:
以六分量车轮力传感器为研究对象,进行考虑一致灵敏度和低耦合度的传感器结构多目标优化设计。首先利用有限元分析确定应变计位置,并设计测力电桥。采用最优拉丁超立方实验设计方法分析传感器结构参数对灵敏度和耦合度的影响程度。建立起考虑一致灵敏度和低耦合度的多目标结构优化设计模型,并采用NSGA-Ⅱ遗传算法求解该优化设计问题。优化设计后的传感器最大耦合降到3.8%,条件数降低到2.39,在一致灵敏度和低耦合度两个相互矛盾的性能间取得了较好的平衡。
太阳能硅片焊接质量参数在线视觉测量
武星, 李林慧, 陈智强, 楼佩煌
2019, 38(6): 922-929. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180260
摘要:
针对硅电池片高速串焊系统,根据焊接质量参数在线检测的技术指标对视觉测量系统的核心部件进行了选型计算;对视觉测量系统的内部参数进行了标定,完成了畸变校正与像素当量计算;设计了焊后硅片视觉检测流程,研究了图像预处理、图像掩膜ROI提取、改进双阈值Otsu图像分割技术;建立了硅电池片焊带偏移参数测量模型,提出了一种硅电池片焊接质量参数在线视觉测量方法。最后将该在线视觉测量方法应用于某硅电池片高速串焊生产线,其综合检测率和单帧检测时间满足焊接质量在线检测的精度和实时性要求,为提高太阳能电池组件的焊接质量和生产效率打下了良好的技术基础。
Rife和Quinn算法在多通道数据采集系统中的应用研究
李翔, 袁仲云, 桑胜波
2019, 38(6): 930-935. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180254
摘要(256) HTML (179) PDF 949KB(11)
摘要:
针对传统振弦式传感器采集系统精度低,通道数少,实时性差的缺点设计了一种基于ARM和AD9833多通道数据采集系统。该系统将采集调理电路、数据存储、电源供电集成化,具备精度高,实时性强等特点。系统以ARM处理器为核心,结合改进的Rife和Quinn算法对经过FFT变换后的信号得到精确频率,并根据输出信号频率与待测量之间关系进行计算,系统将计算处理后的数据通过无线或有线传输方式将监测数据传输至监测后台,实现实时在线监控监测点的相关信息,上位机解析显示数据并存入数据库。分析实验数据可知,该采集系统与传统采集系统相比精确度更高,采集速度更快,能够提高振弦式传感器的实用性。
雷达天线稳定平台轴倾补偿研究
朱鸿健, 周志峰, 俞竹青
2019, 38(6): 936-941. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180269
摘要(342) HTML (222) PDF 992KB(13)
摘要:
雷达天线稳定平台是合成孔径雷达清晰成像和目标跟踪的关键设备。稳定平台零件的加工与装配误差会造成方位与横滚轴倾。根据测得的轴倾角,计算出陀螺仪安装载机内部情况下的矢量变换数学模型,使得伺服控制系统反馈给直流无刷电机的角速度更为精准,雷达天线稳定平台稳定性和可靠性得到提升。雷达天线稳定平台旋转变换模型根据轴倾角进行修正,根据雷达天线稳定平台旋转变换模型在MATLAB中计算出雷达波束指向角度,最终提高合成孔径雷达成像的定位精度,并对雷达波束指向进行误差分析。
运载工程
典型工况下动车组设备舱气动载荷与损伤规律
张一喆, 李强, 何德华
2019, 38(6): 942-946. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190062
摘要(302) HTML (890) PDF 996KB(15)
摘要:
京广高铁武广段运用的CRH-3C型高速动车组设备舱内支架、裙板吊挂等焊缝位置以及其它应力集中点常有疲劳裂纹出现,而该现象在京津城际上运用的同型号动车组中却比较罕见。针对这种现象,考虑是武广段大量的隧道群所致。为了对此进行验证,在某动车组设备舱内裙、底板布置了大量气压和应变传感器,在沪昆高铁南昌西-宜春段进行了不同速度下大量的隧道通过、交会等典型工况测试,获得了丰富的气动载荷和动应力数据。以此试验为基础,对若干工况下,关键位置气动载荷和动应力的变化规律进行研究发现,伴随气压幅值突变,大多位置应力水平均有提高,裙板中央以及靠近车头的前部底板等处尤为明显。上述结论对武广段的CRH-3C型动车组设备舱疲劳破坏现象给出了合理解释,并对今后基于不同线路特点,有针对性的动车组型号选择和设备舱结构的优化设计提供了建议。
快速特征金字塔和Soft-Cascade在折角塞门图像故障检测中的应用
孙国栋, 林凯, 高媛, 张杨, 赵大兴
2019, 38(6): 947-952. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190078
摘要(270) HTML (95) PDF 987KB(12)
摘要:
为了提升列车折角塞门的故障检测效率,提出了一种基于快速特征金字塔和Soft-Cascade的故障图像检测算法。首先,构建快速特征金字塔模型来提取图像多尺度聚合通道特征;其次,利用向量化后的多尺度聚合通道特征来训练Soft-Cascade故障分类器;最后,利用训练好的分类器来判断待检折角塞门是否含有故障。实验结果表明:该算法的故障检测正确率为97.33%,离线检测速度高达43 fps(每张图像仅需23 ms),检测效率高于其他算法。该算法训练时间短,检测速度快,硬件要求低,能满足列车折角塞门的故障检测要求。
工程车辆翻新轮胎温升特性研究
王强, 齐晓杰, 王云龙, 杨兆, 王国田
2019, 38(6): 953-958. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180256
摘要(222) HTML (202) PDF 1090KB(11)
摘要:
为了进一步明确工程车辆翻新轮胎的温升特性,利用Creo及ANSYS Workbench软件构建了计算机几何模型及有限元分析模型,确定了稳态温度场有限元分析的边界条件,构建了工程车辆翻新轮胎滚动工况稳态温度场测试系统,获得了胎面层、缓冲层、带束层、胎体层、胎侧层、趾口胶层沿轮胎宽度方向及径向方向的温度场分布特性和热通量分布特性。仿真及试验结果均表明:胎体层胎肩两侧温度最高,带束层、缓冲层及胎面层宽度方向两侧温度最低;翻新轮胎内部温度随着车速的增加而逐渐升高,其中缓冲层和胎面层的温度增大幅度较大,胎体层次之,带束层的温度增大幅度最小;胎体层在靠近胎肩部位热通量最大,带束层和胎面层宽度方向两侧部位热通量最大,缓冲层宽度方向两侧部位热通量最大,胎侧层与胎体层交界处热通量最大,趾口胶层与胎体层交界处热通量最大,钢丝圈中间部位热通量最大。
航空、宇航工程
模拟退火算法在预连接孔排布中的应用研究
周叔阳, 韩志仁, 郭喜锋, 梁文馨
2019, 38(6): 959-962. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180252
摘要:
飞机蒙皮自动制孔技术得到广泛应用,预连接孔的工艺设计是自动制孔工艺设计中的重要环节。为了解决预连接孔工艺设计的不稳定性及提高其效率,把预连接孔的排布问题抽象为数学模型,应用并改进模拟退火算法,给出预连接孔排布优化算法及流程,解决算法收敛问题,利用CATIA二次开发技术开发出预连接孔快速排布模块,通过典型蒙皮件数模验证该方法的可行性。结果表明,该方法稳定可靠,运行效率高,有助于提升预连接孔工艺设计效率,提高飞机数字化装配水平。
机载离心式制冷压缩机叶轮级流动仿真研究
高峰, 潘晓燕, 朱德润
2019, 38(6): 963-969. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180248
摘要(222) HTML (113) PDF 1229KB(16)
摘要:
离心式制冷压缩机对机载蒸汽压缩制冷系统有重要影响;大流量离心制冷压缩机的运行效率远大于小流量压缩机效率,针对现有的双级小流量离心制冷压缩机,通过实验测试和CFD仿真,对制冷剂R134a在泵式叶轮内的流动进行了分析。结果表明:在所测试参数条件下,叶轮进口靠近压力面处的制冷工质出现明显的二次流现象,气体流动出现盖面分离,叶轮内部损失较大;改变叶轮叶片出口安装角可提高效率及压比;针对不同叶轮叶片数的仿真计算对比,可确定在所设计模型中最佳叶片数。
气动边界不确定条件下离心压气机叶轮优化设计
唐新姿, 王喆, 肖鹏, 彭锐涛
2019, 38(6): 970-976. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180265
摘要(188) HTML (282) PDF 1026KB(14)
摘要:
以某小型离心压气机为研究对象,基于非嵌入式概率配置点法和数值分析研究气动边界不确定性对离心压气机气动性能的影响规律,量化转速波动不确定对离心压气机压比的影响程度;提出一种基于不确定分析方法、代理模型、多目标优化算法的离心压气机气动稳健设计方法,为离心压气机及其他叶轮机械设计及应用提供重要参考。研究结果表明,优化后叶轮压比增大4.1%,压比方差降低13.52%,叶轮气动稳健性增强。
Kriging模型改进的多目标优化算法研究
余竹玛, 李梅
2019, 38(6): 977-984. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190056
摘要(235) HTML (224) PDF 1110KB(24)
摘要:
将基于模糊C均值聚类改进的多目标优化算法(A fuzzy c-means clustering based evolutionary algorithm,FCEA)与高价单目标优化算法(Efficient global optimization,EGO)进行融合,基于Kriging模型提出了一种改进的多目标优化算法(FCEA-EGO)。在FCEA-EGO算法寻优过程中,利用模糊C均值聚类算法从整个种群中选择相似个体进行遗传操作,引导算法进行寻优;基于EGO算法的校正点选择机制,逐步修正校正点,提高Kriging模型精度。实验结果表明,FCEA-EGO算法相对于典型的高价多目标优化算法MOEA/D-EGO、ParEGO、SMS-EGO具有更优异的求解能力。最后,基于FCEA-EGO算法对某轻型飞机的齿轮减速器进行了优化设计,验证了其求解实际工程优化问题的能力。