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关键词： 航空发动机   传动轴花键   微动磨损   失效分析   微观结构  

摘要： 航空发动机燃油泵传动轴花键在传递动力的过程中常常会由高频振动和循环扭矩的作用而产生微动磨损,严重者甚至失效,极大地制约了传动轴花键的使用寿命和可靠性,影响飞行安全。因此,本文从传动轴花键的设计、材料和制造工艺进行分析,找到微动磨损失效的主要原因,并掌握其磨损表面及亚表面的微观结构,有助于我们了解整个微动磨损过程,从而为后续提高传动轴花键耐磨性提供解决途径。根据结构设计计算、模拟仿真、材料实验、理论分析和实验验证,获得传动轴花键微动磨损失效的主要原因如下:工作100飞行小时后出现异常磨损的传动轴花键的主要损伤机理有粘着、严重变形、氧化和宏观裂纹。该传动轴是设计上和装配上出了一点问题导致花键的配合精度和装配精度不高,由此引起的倾角不对中是造成异常磨损的主要原因。以现有材料和传统工艺,未达到长寿命的传动轴花键的正常微动磨损的主要损伤机理有粘着、小变形、氧化和微裂纹。磨损表层形成的纳米等轴晶粒在后续塑性变形过程中产生的位错很容易被晶界所吸收,显著降低了位错塞积造成的微观应力集中,这对推迟裂纹的形成、扩展和材料剥离及其延长微动磨损寿命具有重要作用。而裂纹往往倾向于在磨损表层形成的短棒状纳米晶粒界面处由于位错塞积产生大的微观应力集中而形成,并沿着晶界扩展。当磨损表层形成的裂纹与磨损表面受外力形成的裂纹连接互通,会将由纳米等轴晶粒构成的摩擦转变结构(TTS)剥离,造成材料损失。此外,通过微动磨损验证试验,成功验证了正常磨损传动轴花键的微动磨损机理和磨损深度。根据磨损表面及亚表面微观结构分析表明,传动轴花键正常磨损的原因主要是与花键表层结构的强塑性能和裂纹形成剥离的难易程度有关。

关键词： 摩擦磨损   协同减磨   高分子复合材料   固体润滑   摩擦转移膜   电驱动系统  

摘要： 高转速化与轻量化是电驱动系统的重要发展方向。当功率相同时,纯电动汽车动力总成的功率密度会随着工作转速的升高而增大,不仅能改善车辆的行驶经济性,还能够提高驱动系统的布置灵活性。然而,传统的油润滑金属齿轮由于存在搅油造成的功率损失以及高频振动噪声性能恶化等问题,制约了电驱动系统极限工作转速的进一步提高。随着高分子基自润滑复合材料的机械性能与摩擦磨损性能不断提升,诸如聚醚醚酮(Polyetheretherketone,PEEK)等材料已初步具备作为齿轮、轴承等核心零部件在电驱动系统中应用的潜力。高分子复合材料在电驱动系统中的应用能够使其获得优异的自润滑性能,从而避免油润滑引发的搅油损失,提高系统功率传递效率,有望进一步突破电驱动系统的转速和功率密度极限。然而,真正实现高分子复合材料在电驱动系统中的应用仍然面临巨大挑战:(1)摩擦磨损性能是制约复合材料应用的关键因素。当其作为齿轮使用时,较大的摩擦系数会引发齿轮功率传递效率降低;剧烈的磨损则会导致啮合齿形发生变化,进而引发断齿失效、传递误差增大等问题。(2)通过与固体润滑剂熔融共混的方式虽然能够极大地改善高分子材料的摩擦学性能,但是也会削弱其优异的机械性能,进而损害复合材料齿轮的扭矩承载能力,极大制约了齿轮副性能。本文针对上述高分子复合材料在电驱动系统中应用时存在的挑战性问题,提出了复合材料“协同摩擦”减磨方法。该方法旨在不牺牲聚醚醚酮(PEEK)优异机械性能和可加工性能的前提下,改善其摩擦学性能以满足电驱动系统的应用要求。利用自行设计开发的“双销-盘”式摩擦磨损实验机从润滑剂供给条件、接触温度、填料特性、对磨面粗糙度四个方面分别探究了协同减磨系统的载荷条件选取问题、承载能力问题、配方优化方法以及对磨表面选用方法。在进行基础摩擦磨损机理研究的基础上,进一步开展了将协同减磨方法应用于电驱动系统中作为齿轮和轴承部件的工程应用工作。本论文的具体研究内容包括:(1)针对将PEEK与聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)直接熔融共混所引发的问题,本论文提出了利用多个独立的不同类型高分子复合材料协同工作的减磨方法,设计了其在电驱动系统中的齿轮与轴承应用构型。该方法通过将PTFE(固体润滑部件)从PEEK(机械承载部件)中独立剥离并共同工作在同一个滑道中,以实现在不牺牲PEEK优异机械性能和可加工性能的条件下,显著改善其摩擦学性能。自行设计开发了“双销-盘”式摩擦磨损实验机以验证协同减磨方法的有效性及其相应的基础摩擦学机理。(2)建立了考虑协同摩擦系统中多个热源之间相互作用关系的接触温度理论分析模型。该温度模型不仅探究了在微观真实接触区域内的瞬态闪温,还充分考虑了宏观热行为所引发的稳态基体温升的影响。通过实验验证了该温度模型具备良好的预测精度。理论及实验研究结果表明峰值接触温度是制约协同摩擦系统承载能力的关键因素。(3)考虑到添加剂特性对复合材料摩擦学性能以及摩擦转移膜生成能力的显著影响,探究了微米黄铜颗粒、纳米氧化铝颗粒、石墨、二硫化钼、碳纤维等不同类型添加剂对协同摩擦系统性能的影响。通过对比相同材料在单销-盘工况和双销-盘工况下的性能差异,探究了协同摩擦系统中各部件的功能以及相互间的影响作用机理。为复合材料协同摩擦系统的材料选型与配方设计奠定基础。(4)采用不同的磨抛工艺制备了具有不同粗糙度的金属对磨表面。探究了对磨面粗糙度对协同摩擦系统性能以及摩擦转移膜生成情况的影响。将具备不同磨粒尺寸的砂纸作为对磨面,利用图像处理技术定量探究了微米添加剂颗粒在复合材料磨损面上的颗粒沉积行为,为复合材料协同摩擦系统中的对磨面设计提供指导。(5)基于对复合材料协同摩擦系统的探究与认识,设计开发了应用协同减磨原理的复合材料齿轮副与滑动轴承。通过对机械强度、接触温度、磨损寿命的理论计算对协同减磨复合材料齿轮在机械性能、承载能力、使用寿命上的提升进行验证。通过实验的方法对协同减磨复合材料轴承的有效性及失效机理进行探究。通过对以上内容的深入探索,本文指导了高分子复合材料协同减磨系统的润滑补给条件设置、极限承载能力预估、配方优化设计以及对磨面选用等问题,并实现了从摩擦学基础理论机理到电驱动系统工程实践应用的系统研究,提出的复合材料协同减磨方法的有效性得到了明确的验证。

关键词： 低温环境   制动盘   磨损   温度场   应力场  

摘要： 随着哈大线的开通,极端的低温环境对我国家高速铁路的发展带来了考验。制动盘及闸片作为制动系统中的关键部位,其性能的好坏对列车的安全起着至关重要的作用,而极端低温环境又对制动盘及闸片材料带来更大的考验。因此研究高寒地区低温环境下列车制动盘的制动摩擦性能对列车在高寒地区的安全运行有重要意义。课题开展了环境温度（-20℃、-10℃、0℃、20℃）,以及低温环境中制动速度（77.39km/h、69.65km/h、61.88km/h、54.15km/h）对列车制动摩擦特性影响的模拟实验研究,分析了制动盘及闸片的磨损及损伤形式并记录了制动盘温度场,同时对制动盘的温度场以及应力场进行了有限元仿真分析。主要内容如下:（1）为了探究温度对制动材料热力学性能影响,开展了制动盘材料热力学性能试验,得到了制动盘材料-40℃、-20℃、0℃、20℃、200℃、400℃温度下的导热系数、热扩散系数、比热容、泊松比以及密度,同时发现这些参数值在0℃左右波动较大。（2）为了研究环境温度对制动及摩擦性能影响,建立了仿真模型,结合试验研究发现制动盘表面最高温度随着环境温度的降低而降低,大致呈现出线性关系,在不同环境温度下盘面温升值基本稳定,在0℃时出现温升异常。同时盘面最大热应力与最高温度呈现出同样趋势。闸片和制动盘的损伤会随着环境温度的降低而加剧,闸片的损伤直接影响着制动盘的损伤。当环境温度降至0℃及以下时,闸片试样表面开始出现大量的石墨颗粒,并伴随着裂纹以及剥落等现象。剥落颗粒在高温高压的状态下形成硬质颗粒对制动盘造成更严重的损伤,盘面也因此出现了点蚀、剥落以及裂纹等损伤,结合材料的热力学性能分析,这可能是因为制动材料在0℃附近性能会发生改变,由韧性材料逐渐转变为脆性材料,从而导致在0℃时材料脱落激增,使得盘面升温异常。（3）为了分析低温下制动材料损伤性能,在20℃下开展了制动速度对制动材料摩擦磨损性能试验,结果表明制动盘的最高温度随着制动速度的降低而降低,大致呈现出线性关系,盘面最大应力值呈现出同样的变化趋势。在相同环境温度及制动压力下,制动速度是影响制动盘及闸片损伤的主要原因,制动速度的降低使得闸片表面损伤减小,突出石墨颗粒数量减小,盘面损伤也因此减弱。课题对高速列车制动材料在低温环境下的损伤特性做了相关研究,并就其温度场及应力场进行了仿真分析,为高速制动材料性能的低温摩擦特性及改进性研究提供了一定的基础。

关键词： 刀具磨损预测   金属陶瓷刀具   热-力耦合   切削仿真  

摘要： 为满足生产生活各领域中难加工材料的机械加工要求,刀具应该具有高速切削难加工材料的能力。金属陶瓷刀具兼具传统陶瓷刀具硬度高、耐高温和硬质合金刀具强度好的优点,在高速切削难加工材料时能够保持良好的切削能力,成为今后重点研发的刀具材料。但刀具材料研发目前仍采用试验法,存在成本高、费时费力等缺点。此外,试验中是以刀具磨损作为评价刀具切削性能最直观的标准,因此本课题结合仿真技术和刀具磨损相关理论进行刀具磨损预测,揭示刀具材料组分及其体积分数对磨损的影响规律,从而指导金属陶瓷刀具材料的设计,减少刀具的研发时间和成本,提高刀具的研发效率。研究了高速切削过程中刀-屑间的热-力耦合作用关系。分析了高速切削时06Cr19Ni10不锈钢材料的变形失效特点,选取了合理的本构模型、损伤模型、失效准则及摩擦模型。以Ti(C,N)/Ti B/WC金属陶瓷刀具为研究对象,分析了刀-屑接触面间的传热、受力关系,使用刀具前刀面平均温度计算方法,提出了切削仿真中刀-屑接触面摩擦热分配系数求解方法。考虑上述切削过程热、力相互作用关系的影响因素,建立了06Cr19Ni10不锈钢切削过程的热-力耦合模型。提出了微观尺度下的金属陶瓷刀具磨损预测方法。建立考虑组分及其体积分数的刀具材料微观结构模型,通过子程序对材料属性进行赋值;结合金属陶瓷刀具微观结构模型和切削过程的热-力耦合模型,对不同组分的刀具进行切削过程有限元仿真;根据刀具磨损模型编译了刀具磨损子程序,将切削仿真中获取的刀具温度、接触应力和滑动速度输入刀具磨损子程序中,得到刀具模型各节点的磨损率,由节点位移法生成刀具磨损形貌;通过对比不同组分的刀具磨损形貌变化情况,发现当Ti B占比为20%、WC占比为15%时,Ti(C,N)/Ti B/WC刀具的磨损变化最小,并分析了刀具材料组分及其体积分数对切削过程中峰值温度、切削力和接触应力变化的影响情况,揭示了刀具材料组分及其体积分数对刀具磨损演变的影响规律。基于磨损预测结果确定刀具材料的最优组分。采用等离子烧结工艺制备Ti(C,N)/Ti B/WC刀具材料,并对刀具材料的烧结工艺参数进行了优化,最佳烧结温度和保温时间分别为1550℃、30 min。对研制的刀具材料进行力学性能测试,其抗弯强度为1096.45 Mpa,硬度为18.9 Gpa,断裂韧性为9.85 Mpa·m。通过06Cr19Ni10不锈钢切削实验研究了制备的刀具的切削性能,并与商用金属陶瓷刀具SNMN120708进行对比。结果表明,两刀具最佳切削速度为150 m/min,当切削速度为100 m/min和150 m/min时,制备的刀具切削距离大于SNMN120708;当切削速度为200 m/min和250 m/min时,SNMN120708刀具的切削距离较大。Ti(C,N)/Ti B/WC和SNMN120708刀具主要的磨损机理为粘结磨损,未发现磨粒磨损的痕迹。

关键词： 智能机床   刀具磨损预测   工艺参数优化   深度学习   多传感融合  

摘要： 智能机床通过应用新一代信息技术改进数控机床,以实现切削过程中的自感知、自学习和自决策等智能化功能,其对于提升我国装备制造体系现代化水平具有重要意义。刀具健康运维以及加工性能优化是实现智能化切削过程的关键技术,其核心在于开展刀具状态监测和工艺参数优化技术研究。本文以数据驱动的方法,从多传感融合技术、监测传感信号类型、深度学习理论和多目标优化方法等方面,面向上述智能化关键技术开展深入系统研究,通过开发智能化应用算法,积极探索提高数控机床的智能化水平。本文所做的主要研究工作概括如下:针对刀具磨损准确预测的问题,提出了一种新颖的基于多传感特征融合和贝叶斯优化堆叠降噪自编码器的刀具磨损预测模型。通过对切削力、振动和声发射这三种常用监测传感信号分别进行时域、频域和小波域特征量提取,相关性分析用于挑选对刀具磨损变化敏感的特征量组合,再将其输入堆叠降噪自编码器进行深层融合特征学习,通过贝叶斯优化模型超参数以构建刀具磨损预测模型。不同预测模型的对比性验证分析表明所提模型对刀具磨损预测的准确性和稳定性表现更优。针对刀尖温度信号很少被用于刀具状态监测研究的问题,提出了一种新型的基于刀具切削区域温度监测信号和堆叠稀疏自编码器的刀具磨损预测模型。通过对刀尖区域嵌入有薄膜热电偶的刀具进行磨损实验,来获取刀具全生命周期内的切削区域温度信号以及对应刀具磨损值,堆叠稀疏自编码器以温度原始信号为输入进行深层特征学习,其用于建立刀具磨损预测模型。不同预测模型的对比性验证分析表明所提模型能实现对刀具磨损的准确预测,其预测性能优于其他对比模型。为了进一步提升基于刀具切削区域温度监测信号的刀具磨损预测精度,提出了一种基于集成堆叠稀疏自编码器的刀具磨损预测模型。通过选取不同激活函数配置下的堆叠稀疏自编码器,构建不同预测性能的刀具磨损预测模型。采用基于Stacking学习法的集成策略对不同堆叠稀疏自编码器模型进行融合集成,预测精度更高的刀具磨损预测模型被建立,预测误差平均降低了14.01%。针对刀具磨损是切削加工中的重要优化变量这一要点,为了进一步提高加工性能,提出了一种多目标粒子群优化神经网络系统用于工艺参数多目标优化研究。综合考虑精密零件制造过程中的材料去除阶段以最大化材料去除率和最小化刀具磨损以及表面成型阶段以最小化刀具振动幅度和最优表面质量获取为优化变量,设计正交实验用于获取不同切削工况下对应切削相关变量的实验结果。所提优化系统通过人工神经网络建立切削参数与切削相关变量的映射模型,改进多目标粒子群优化算法用于求解多目标优化问题,以获取工艺参数帕累托解集,并通过最大偏差理论确定各加工阶段的最优工艺参数组合。最后,本文对全文的主要研究内容进行了系统性总结,并对智能机床关键技术的下一步研究趋势和未来工作重点进行了展望。

关键词： Lie group integrators   mechanical systems   adaptive time stepping   hamiltonian systems   multibody systems  

摘要： Since they were introduced in the 1990s, Lie group integrators have become a method of choice in many application areas. These include multibody dynamics, shape analysis, data science, image registration and biophysical simulations. Two important classes of intrinsic Lie group integrators are the Runge-Kutta-Munthe-Kaas methods and the commutator free Lie group integrators. We give a short introduction to these classes of methods. The Hamiltonian framework is attractive for many mechanical problems, and in particular we shall consider Lie group integrators for problems on cotangent bundles of Lie groups where a number of different formulations are possible. There is a natural symplectic structure on such manifolds and through variational principles one may derive symplectic Lie group integrators. We also consider the practical aspects of the implementation of Lie group integrators, such as adaptive time stepping. The theory is illustrated by applying the methods to two nontrivial applications in mechanics. One is the N-fold spherical pendulum where we introduce the restriction of the adjoint action of the group SE(3) to TS2, the tangent bundle of the two-dimensional sphere. Finally, we show how Lie group integrators can be applied to model the controlled path of a payload being transported by two rotors. This problem is modelled on R-6 x (SO(3) x so(3))(2) x (TS2)(2) and put in a format where Lie group integrators can be applied.

关键词： 载流摩擦磨损   滑动电接触   铜银合金接触线   浸金属碳滑板   神经网络  

摘要： 地铁因其便捷性、准时性、安全性成为我国城市居民出行的主要交通工具。地铁受电弓/接触线系统(下称弓网系统)是地铁供电系统的核心部件,因此弓网系统能否稳定正常工作决定了地铁能否安全运行。然而弓网系统在实际运行过程中,可能会因为所受载荷不停波动使受电弓碳滑板发生异常烧蚀、断裂、脱落现象,接触线也会出现波磨现象导致弓网系统受流质量严重下降同时使用寿命急剧缩短。研究如何降低弓网系统磨损对提升列车运行安全性以及降低运营公司运维成本具有重要意义。本文以国内地铁中常见的受电弓浸金属碳滑板材料与铜银合金接触线作为研究对象,使用环-块式载流摩擦磨损试验机模拟了地铁实际运行时弓网系统载流摩擦磨损特性,研究了在长时间周期(滑动距离为6000 km)电火花放电工况下以及不同滑动速度、法向载荷、电流大小等工况下弓网系统的载流摩擦磨损性能,最后使用MATLAB软件建立了接触线磨损率预测模型。主要结论如下:(1)在电火花放电工况下,接触线和浸金属碳滑板均会产生严重机械磨耗与电气磨耗以及电弧放电,从而导致滑板温度较高;载流效率出现较大波动,最低下降至86.57%;摩擦副之间电容性接触增多导致接触电阻较大。(2)观察接触线宏观形貌和浸金属碳滑板宏观微观形貌,发现电火花放电工况下浸金属碳滑板表面材料会因为机械作用产生大面积剥落,同时电弧放电情况较为剧烈时产生的高温使得滑板表面产生热应力裂纹且使得原有裂纹扩大,出现大量烧蚀坑。(3)弓网系统有电流通过情况下发现增大法向载荷可以降低接触线磨损率,降低电弧能量;增大滑动速度时,弓网摩擦副摩擦因数会下降。但是接触线磨损率会因摩擦副高速滑动产生的机械作用而上升,且滑动速度较法向载荷对接触线磨损率影响程度较弱;载流效率会随速度增加出现先减小后增大的趋势。(4)当弓网系统间无电流通过时,摩擦副温度较低无法产生氧化膜保护摩擦副,此时接触线会产生大量机械磨耗;当电流增大时,接触线表面黑色氧化物薄膜面积越来越大,该氧化物薄膜在一定程度内能够有效润滑摩擦副,降低电弧对接触线表面破坏,同时降低接触线磨耗率和弓网摩擦因数。(5)使用MATLAB软件中神经网络拟合工具证明了电流、法向载荷以及滑动速度与接触线磨损率有较强相关性,相关性系数均大于0.9,拟合生成的接触线磨损率预测模型的预测误差小于10%的结果百分比大于75%,具有一定的准确性。(6)通过神经网络得到的接触线磨损率预测模型来预测某一工况下不同法向载荷、电流和滑动速度下的接触线磨损率,可以得知法向载荷为45 N,滑动速度为80 km/h电流为320 A时接触线磨损率最小,仅为0.00259 g/km。

关键词： 假体周围骨溶解   磨损颗粒   GSK-3β   Hedgehog-Gli1信号通路   成骨细胞  

摘要： 目的:假体周围骨溶解(Periprosthetic Osteolysis,PPO)和随后发生的无菌性松动(Aseptic Loosening,AL)是人工关节置换术后植入假体失效的主要原因。破骨细胞过度激活与局部异常炎症反应在PPO中的作用及机制已有广泛研究,而成骨细胞骨形成抑制在PPO中的作用及机制错综复杂,尚有待进一步阐明。转录因子Gli1是Hedgehog(Hh)信号通路的下游效应转录因子,研究表明,其参与了骨组织的胚胎发育与骨形成过程。而其是否参与磨损颗粒诱导的假体周围骨溶解尚不明确。因此,我们以成骨细胞为切入点,拟探讨转录因子Gli1在磨损颗粒诱导的骨形成抑制中的作用及调控机制,明确Hh-Gli1信号通路在PPO疾病过程中的关键作用,以期为PPO的临床治疗提供新的潜在靶点。方法:利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对钛颗粒进行形貌表征分析。随后,分别在体外与体内实验中进行钛颗粒对成骨细胞骨形成的作用及机制探讨。在体外实验中,以小鼠胚胎成骨前体细胞(MC3T3-E1)为研究对象,建立体外钛颗粒干预成骨细胞分化模型,利用实时荧光定量PCR(Quantitative Real-time PCR,qRT-PCR)、蛋白质免疫印迹实验(Western blot)和细胞免疫荧光染色等方法,观察成骨分化相关蛋白和Hh-Gli1信号通路下游转录因子Gli1的表达变化;通过细胞碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase,ALP)和茜素红染色(Alizarin Red Staining,ARS)等方法,检测成骨细胞内碱性磷酸酶活性与体外骨矿化能力。同时,采用糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)特异性抑制剂TWS119和Gli1特异性抑制剂GANT58进行药物分组干预,再次检测上述指标的表达水平,综合探讨钛颗粒对成骨细胞分化与骨形成的作用及调控机制。在体内实验中,以C57BL/6小鼠为研究对象,建立体内小鼠颅骨骨溶解模型。按照随机数字表法分为假手术组(Sham组)、模型实验组(Vehicle 组)、TWS119(1 Omg/kg)和 TWS119(1 0mg/kg)联合 GANT58(20mg/kg)药物治疗组。术后第21天留取小鼠颅骨组织标本,进行微计算机断层扫描(Micro-CT)分析及三维重建,组织苏木精—伊红(Hematoxylin-Eosin,H&E)染色,马松三色(Masson)染色等方法进行体内效果验证和机制探讨。结果:SEM扫描结果显示,钛颗粒形貌为不规则形,粒径大小与假体磨损产生的颗粒相一致。在体外实验中,钛颗粒呈剂量依赖性下调MC3T3-E1细胞成骨分化过程中Runt相关转录因子2(Runx2)、骨钙蛋白(OCN)和成骨细胞特异性转录因子(Osterix)的蛋白表达,抑制碱性磷酸酶活性与体外骨矿化能力。同时,细胞内Gli1蛋白表达减少,核易位水平下降,Hh-Gli1信号通路被显著抑制。这一过程中,观察到GSK-3β的活性明显增强。抑制GSK-3β活性后发现,细胞内Gli1蛋白表达显著增加,核易位水平上升,Hh-Gli1信号通路被显著激活,同时伴随成骨细胞分化与骨矿化能力的明显增强。而抑制Gli1则显著逆转了这些变化。在体内实验中,TWS119药物治疗可显著减轻钛颗粒诱导的小鼠颅骨骨溶解,减轻局部纤维化程度,促进体内新骨形成;而这一治疗效果被联合GANT58治疗显著逆转。结论:我们的研究表明,钛颗粒干预通过调控Hh-Gli1信号通路抑制成骨细胞骨形成。机制上,钛颗粒通过上调成骨细胞分化过程中GSK-3β的活性,负调控Gli1导致Hh-Gli1信号通路下调。该项研究揭示了 GSK-3β调控Gli1在磨损颗粒诱导的骨形成抑制中的作用及机制,提示Hh-Gli1信号通路有望成为PPO的全新治疗靶点,为其临床转化和应用提供了理论基础。