最新刊期
      2019 年 第 51 卷 3 期

        聚焦国家重点研发计划

      • 谈广鸣,姚仕明,黎礼刚
        2019, 51(3): 1-8. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900265
        摘要：河湖岸线和内河洲滩既是自然界中陆生与水生系统之间重要的过渡地带，也是维系河流、湖泊系统生态健康的关键区域，又是沿岸经济社会发展的重要基础依托。在动态演化中河湖岸线和洲滩的保护与利用之间矛盾突出：岸线抢用与无序利用、占而不用与深水浅用、河道侵占与正常行洪、自然演变与河势控制、刚性护岸与物质连通等，尤其是不合理开发利用的累积效应对防洪、供水、航运和生态环境等的影响严重，甚至难以修复。随着协同推进生态优先和绿色发展理念的提出，研究河湖岸线和内河洲滩资源高效利用与保护关键技术，是当前的迫切需求和发展趋势。国家重点研发计划项目“河湖岸线和内河洲滩资源高效利用与保护关键技术研究”以提出中国河湖岸线分类与功能影响评估理论方法、协调生态环境保护–经济发展二元需求的河湖岸滩保护与利用模式，研发河湖水域及岸线动态监管与功能评估技术，构建河湖岸线动态监管模式与服务平台，为建设生态岸线、平安岸线提供科技支撑为总目标，项目将采取多学科交叉、多手段结合、多方法综合的技术路线，从基础理论、关键技术和示范应用3个层次开展研究。通过项目研究，预计将提出3种中国河湖保护岸线分类、确定和功能评估理论等新方法，研发建立 4 套河湖水域及岸线地物态监管技术与功能评估体系、协调生态环境保护和经济发展的河湖岸线与洲滩保护与利用技术及其评价指标体系等新技术体系，构建1个满足4级“河湖长制”管理需求的河湖岸线动态监管服务平台，在城市江滩、农村滩区、三角洲河网区、高原城市湖泊、重要水源地等5 种代表性河湖库开展示范。成果还将推动河流湖泊动力学、河床演变学、水生态学、水利规划学等学科进步，促进水利与互联网的深度融合，为河湖岸线和内河洲滩资源高效利用与保护及河湖水域岸线科学管理提供有力技术支撑，具有显著的社会经济与生态环境效益。  
        关键词：河湖岸线;高效利用;保护   
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        发布时间：2024-01-05

        科学前沿

      • 杜开峰,乔亮智
        2019, 51(3): 9-16. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801006
        摘要：纤维素是地球上最为丰富的生物质资源，具有易降解、可再生、无毒性且廉价易得等优点，可以代替石化资源生产各种高附加值功能材料。从纤维素资源利用出发，综述了近年来纤维素基功能材料的最新研究进展，重点介绍4种主要形态纤维素材料的功能及其应用。内容包括：纤维素多孔微球合成和孔结构调控，及其在吸附分离和药物释放领域的研究进展；纤维素水凝胶和气凝胶及其在医用、诊断、电极、分离材料领域的最新开发与应用进展；其他纤维素基功能材料，如高透光度和高韧性的纤维素膜、高韧性和可编织性的纤维素纤维材料，以及在纺织、光电及智能材料领域的应用。最后对纤维素基功能材料的未来发展提出一些设想，并讨论了在发展过程中面临的关键科学问题，为纤维素基功能材料下一步的研发和应用提供有价值的参考和指导。  
        关键词：资源开发;纤维素微球;凝胶材料;吸附分离;智能诊断   
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        发布时间：2024-01-05

        水利与土木工程

      • 刘道川,游勇,杜杰,柳金峰,关辉,刘洋
        2019, 51(3): 17-25. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801042
        摘要：传统的泥石流冲击力计算方法仅仅考虑泥石流作用于刚性拦挡坝时的瞬间冲击过程，并没有考虑泥石流与坝体相作用时，冲起部分对坝体的影响。实际上，当泥石流与坝体相作用而冲起爬高时，所受泥石流冲击力的空间分布决定了其结构的稳定性。本文开展了系列泥石流冲击实验，并利用Tactilus内置式压力分布测量传感器测量冲击力数据，以此来探究不同密度泥石流作用于坝体时冲击力的时空分布特性。实验结果表明，低密度泥石流冲起爬高时，在坝体范围内冲击力时程变化的波动更为剧烈，持续时间也更长。低密度泥石流与坝体作用时，最大冲击力主要来自于流体中颗粒与坝体的撞击作用，并存在于整个冲击过程，而高密度泥石流与坝体作用时，最大冲击力出现在与坝体刚接触的时候，这主要是由于不同密度下流体内部颗粒间作用力变化引起的。当密度较低时，泥石流冲起部分的冲击力的纵向衰减模式为对数函数形式；当密度较大时，其衰减模式为线性函数形式。泥石流冲击力的横向分布波动并不大，基本可以看成是等值分布。为便于计算，泥石流冲击力的纵向分布可以简化为三角形分布。对坝趾处来讲，考虑泥石流冲起时，所受弯矩为不考虑流体冲起时的2～3倍。  
        关键词：泥石流;冲击力;时空分布;刚性坝体   
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      • 程强,郭喜峰,杨莹辉
        2019, 51(3): 26-35. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800635
        摘要：川藏高速公路泸定大渡河桥康定岸为巨厚层冰碛土。为研究冰碛土剪切蠕变特性和桥梁重力锚长期变形，采用自动数据采集系统开展现场剪切蠕变试验。基于试验成果，分析冰碛土剪切蠕变特性、蠕变模型和重力锚长期变形。研究表明：冰碛土瞬态蠕变持续时间一般不超过0.1 h，且具有加载后延迟变形的现象；减速蠕变阶段蠕变速率呈波动性下降；稳态蠕变阶段往往表现出阶梯状增长和多段变化特征，在剪切变形时间曲线上出现跳跃现象，反映了土体骨架颗粒的变形调整作用。在冰碛土剪切蠕变试验中，当剪应力低于长期强度时蠕变变形量较小，呈蠕变速率逐步减小的收敛型蠕变特征；当接近及超过长期强度时，蠕变变形量快速增大。针对冰碛土收敛型蠕变特征，采用非线性修正的Burgers模型描述冰碛土的剪切蠕变特征。根据泸定大渡河桥重力锚应力水平对应的试验成果拟合模型，预测泸定大渡河桥重力锚长期变形为毫米量级，并采用时序InSAR技术和深部位移监测结合的方法进行初步验证，给出了利用剪切蠕变试验成果分析构造物长期变形的方法，可供设计参考。  
        关键词：冰碛土;剪切蠕变;长期剪切强度;蠕变模型;长期变形预测   
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      • 张庆贺,杨科,袁亮,段昌瑞
        2019, 51(3): 36-42. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800973
        摘要：相似模拟试验是研究采动覆岩垮落带和裂隙带特征的有效方法，岩层位移的准确监测是采场两带高度试验研究的关键。为实现准确、连续、实时地监测采动覆岩位移，提出模型内部位移测试原理，研发了以微型多点位移计、光栅尺和可视化软件等组成的光栅位移连续监测装置。借助此装置并基于相似模拟试验，研究了工作面采动覆岩两带变形垮落特性。研究表明：1）光栅位移连续监测装置可连续监测模型内部测点位移，结果与模型表面散点位移结果吻合。2）在试验模型表面不暴露的情况下，本文方法可有效监测试验模型内部的测点位移。3）基于位移连续监测模拟试验得到了某煤矿采煤工作面采场两带高度，其中：垮落带高度为8.0 m，约为采高的6.3倍；裂隙发育高度为30.0 m，约为采高的24倍。4）采场垮落带垂直位移具有阶梯状的变化规律，裂隙带垂直位移变化相对平缓，可据此判断垮落带和裂隙带的分界，为工程现场两带高度鉴定提供参考。  
        关键词：煤与瓦斯共采;裂隙;冒落带;模拟试验;位移采集   
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      • 董建华,刘超,陈建叶,张林,陈媛,刘玉琨
        2019, 51(3): 43-51. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800869
        摘要：叶巴滩拱坝作为混凝土双曲拱坝，坝高达到217 m，坝址区断层、挤压破碎带密布交错，且两坝肩在各高程范围均有深卸荷岩体分布，特别是在2 750 m高程，左右坝肩均存在强烈松弛岩体，由于其自身强度较低，可压缩性较强，对工程的稳定安全存在较大影响。针对上述问题，本文以地质力学模型试验为研究方法，对含深卸荷岩体的坝肩稳定及变形特性开展研究。首先建立叶巴滩拱坝2 750 m高程平面地质力学模型，通过超载法试验获得坝体变位和应变、坝肩及抗力体变位分布规律以及模型破坏过程和失稳形态等，数据分析得到起裂超载安全系数K1为1.6～1.8、非线性变形超载安全系数K2为2.4～2.6、极限超载安全系数K3为3.8～4.2，揭示了深卸荷岩体变形特性及对拱坝工作性态的影响。对试验数据的综合分析得出，在叶巴滩拱坝2 750 m高程中，左岸松弛带Ⅳ s类岩体距离拱端更近，变形较右岸更大，对变位、荷载的传递具有更加明显的衰减作用，对工程稳定安全的不利影响作用显著。  
        关键词：深卸荷岩体;坝肩稳定;地质力学模型试验;叶巴滩拱坝   
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      • 刘鑫,王波,张建民,陈云良,伍超,刘文军,宋家俊
        2019, 51(3): 52-58. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800689
        摘要：基于MATLAB图像处理和计算机视觉模块函数库，开发了一种无干扰全流程水深测试方法：首先利用Camera Calibration工具箱标定摄像机以得到标定代码；其次，将记录水流运动的视频文件逐帧保存，利用标定代码消除每帧图片中由于广角镜头产生的桶形畸变，并对图片灰度化和二值化，同时加入中值滤波消除噪声；最后，读取二值图黑色像素点，将其转换为实际水深，从而获取其时空分布特性。运用该方法对强非恒定流–溃坝水流进行了试验测量，研究工况为上游水深500 mm，水深比（初始时刻下游与上游水深之比）为0～0.9。观测发现，溃坝水流可大致分为3种演进模式：简单波（水深比为0）、间断波（水深比为0~0.4）、起伏波（水深比为0.4～1.0）。分别选取3种典型工况（水深比为0、0.3、0.6）数据与波高仪测量结果进行了对比，结果表明，除上下游静水区二者数据吻合良好外，下游水面光滑平顺的渐变流区、激波前锋与下游出现强间断的激波区及水面起伏明显的起伏波区，波高仪较图像技术都有不同程度的壅高，水流演进越剧烈，壅高越明显。本文建立的测量方法无需在水流中安放测量仪器，具有无侵入性，对流场无干扰，不仅能够获取全流程水深数据、重现水流完整演进过程，还能很好地捕捉到诸如水流跃起、翻滚、波动、空气卷吸等流态细节。另外，试验中保持稳定光照及染色浓度，有助于降低图片噪点、改善图片质量，从而进一步提高测量结果的精度。  
        关键词：水深测量;无干扰;全流程;图像处理;溃坝水流   
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      • 许泽星,郑媛予,关见朝,方春明,王协康
        2019, 51(3): 59-66. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800927
        摘要：明渠河流交汇常形成复杂的水流结构，从而影响该区域的水沙运动及河床变形。采用实测资料验证的平面2维数学模型，对白沙河支流与岷江干流交汇区的水流运动进行了模拟分析。结果表明：干支来流变化将形成不同的壅水低速区、干支流掺混区、挤压高速区和水流分离区。随着汇流比（支流白沙河流量与岷江干流流量比值）的增大，入汇口干流上游受到支流顶托作用增强，产生的壅水低速区水位偏高；掺混区内，干支来流相互顶冲作用增强，流速降低，挤压高速区内支流对干流的挤压也增强，最高流速出现的位置越靠右岸，高速带越窄。直角入汇的白沙河支流受到干流的挤压作用，入汇后流向发生显著改变，而白沙河的弧形左岸使支流沿岸线流动的同时不断调整流向，降低了支流脱壁流动的可能性，可有效抑制分离区的形成。在支流白沙河流量不变，岷江干流流量改变的情况下，干支流量差越大，干流对支流的顶托作用越强，即干流向支流上游顶冲的距离越长，产生的壅水范围越大。通过揭示白沙河入汇岷江时干支流相互顶托、挤压和掺混的水流运动特征，可为都江堰河段的防洪及河道整治等提供理论依据。  
        关键词：河流交汇区;都江堰河段;数值模拟;汇流比   
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      • 王明,张新华,张淼,刘昌军,孙东亚
        2019, 51(3): 67-76. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800686
        摘要：近年来，山丘区小流域山洪灾害频发，给当地经济社会造成了严重破坏和影响。为了山洪灾害防治，对山丘区小流域沟道洪水的准确预报预警尤为重要。但因缺乏沟道断面和洪水等基础资料使得山洪演进分析变得非常困难。为此，首先针对山丘区小流域地形数据缺失的问题，基于研究区域的DEM数据概化河道或沟道走向，并依据河道（网）分级理论和稳定河宽概念，提出了两种河宽计算公式的适用性选择指标，以此确定沟道河宽与河槽深度；其次，为了解决沟道因规模小、不规整容易发生漫滩和提高山洪演进中的模拟效率等问题，基于扩散波理论构建并开发了1、2维耦合的山洪模拟模型（1–2D）。为了验证该模型的预测精度和运行效率，以北京房山区漫水河流域作为研究对象，选取了该流域3场典型洪水进行数值模拟并将该1–2D模型的模拟结果与实测资料和2维浅水模型（2D）的模拟结果等进行了对比分析。结果表明：从流量、水位、洪水总量及峰现时间多角度分析，1–2D模型具有较高的模拟精度，模拟成果与2维浅水模型的结果也比较接近，且计算效率更高，适合山丘区小流域沟道洪水的数值模拟分析与预警预报。  
        关键词：山丘区;1、2维耦合;洪水演进;沟道   
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      • 豆红强,孙永鑫,王浩,聂文峰
        2019, 51(3): 77-84. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800308
        摘要：广泛应用于路堑、路堤以及滑坡等特殊路基支挡工程的桩板式挡土墙目前多采用桩后搭设直板的结构形式，致使设计严重偏于保守。为明确不同挡土板布设位置下桩板式挡土墙桩–板土压力的传递特性及其分布规律，基于相似原理采用室内物理模型试验，开展桩前置板、桩后置板以及桩间无挡板3种典型工况的室内模型试验研究，获取桩–板后填土在水平推力作用下的整体变形及其典型破裂面特征，监测并确定抗滑桩两侧、桩间挡土板背侧以及填土跨中土压力的分布规律。试验结果表明：在水平推力作用下，桩前置板、桩后置板以及桩间无挡板3种典型工况的桩–板后填土均产生一条横跨加载面的整体裂缝。抗滑桩和桩间挡土板的背侧土压力大致分别呈“勺子型”和“梯形”分布，且相较于桩后置板工况而言，尽管桩前置板工况下抗滑桩所承担的土压力较大，但桩间挡土板所对应的土压力则显著降低。由于桩间挡土板的存在，尤其是桩后置板工况，在一定程度上削弱了桩–板后填土的土拱效应，但桩前置板工况仍为桩–板后侧填土土拱效应的形成和发展提供了空间；相较而言，桩前置板工况可利用桩–板后填土土拱效应的发挥显著减少作用于挡土板上的土压力，设计时宜采用桩前挂板或板搭设在桩翼缘板上的结构形式。研究成果可为桩板式挡土墙的合理设计提供参考。  
        关键词：桩板式挡土墙;模型试验;土压力;布设位置;土拱效应   
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      • 曾寅,刘建锋,徐慧宁,裴建良,徐杨梦迪,李志成
        2019, 51(3): 85-91. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800183
        摘要：利用THMC岩石试验系统与工业CT，对不同杂质含量盐岩进行加载全过程气体渗透测试及加载前与破坏后的细观扫描，探讨了围压与杂质含量对含杂质盐岩加载过程渗透特性的影响。研究表明：杂质盐岩在5 MPa围压时的渗透率整体呈增大—平缓变化特征，但高杂质下的平缓期明显滞后杂质含量低的盐岩；在10 MPa围压时的渗透率具有下降过渡点，整体表现为增大—降低—上升至平缓的变化特征；围压对加载破坏过程中的渗透性具有显著影响，含杂质盐岩在10 MPa围压下破坏过程的渗透性，均比5 MPa围压状态下低约2～3个数量级。杂质含量低于45%时，杂质含量越高，破坏过程中渗透率越低；杂质含量超过45%时，破坏过程中的渗透率较高，量值与纯盐岩相当。杂质盐岩加载前的孔隙率约为1%，渗透破坏后增大了约10倍，加载破坏后高杂质盐岩与纯盐岩的孔隙率接近，杂质含量低的盐岩的孔隙率相对较低。研究获得了不同围压和杂质含量影响下渗透性差异的裂纹分布细观特征。低围压下的杂质含量低的盐岩呈单剪切面破坏特征，纯盐岩和高杂质盐岩呈共轭双剪切面破坏特征。导致破坏过程的渗透性较高；高围压下呈横向大变形特征，其破坏特征为裂纹方向与$\sigma_1$方向一致的密集型微裂纹，破坏后的渗透性较低。  
        关键词：杂质含量;盐岩;渗透率;体积应变;CT扫描;孔隙率   
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      • 刘国庆,肖明,陈俊涛
        2019, 51(3): 92-100. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800776
        摘要：近年来随着地震灾害的频繁发生，强震区的地下结构屡屡遭受破坏。长大隧洞作为中国实施西部大开发战略的重要基础工程，其抗震安全问题尤为突出。通过引入增量动力分析（IDA），结合地震易损性分析方法，提出基于损伤系数指标的隧洞结构抗震性能评估方法。该方法以震后衬砌结构特征部位的损伤系数为性能参数，以地震峰值加速度为强度参数，并建议了适用于隧洞结构抗震安全评价的5级震害划分标准和4级抗震性能水平。针对某隧道工程实例，通过大量非线性动力时程计算，得到了各抗震性能水平下衬砌结构特征部位的地震易损性曲线，进而分析了不同抗震设防水准下衬砌结构发生破坏的概率。结果表明：在8度多遇地震作用下，衬砌结构基本无破坏；在8度设防地震作用下，拱腰处于基本完好状态的概率为87.6%，处于轻微破坏状态的概率为10.72%；在8度罕遇地震作用下，拱腰处于轻微破坏状态的概率为68.7%，处于中等破坏状态的概率为20.8%。在横向和竖向地震动输入下，衬砌结构特征部位的抗震性能由小到大依次为拱腰、拱肩、拱脚、顶拱和仰拱，拱腰、拱肩和拱脚为抗震设计的薄弱部位。该方法较好地考虑了地震动的随机性，可为隧洞结构抗震安全评价提供一种有效思路，研究成果也能为隧洞结构的抗震减震设计提供参考。  
        关键词：隧洞结构;抗震性能评估;增量动力分析;地震易损性;破坏概率   
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      • 杨立军,邓志恒,陈卫,杨海峰
        2019, 51(3): 101-107. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800464
        摘要：为了在提高加固钢筋混凝土梁承载力的同时具有很好的延性和耗能能力，特别是满足侵蚀环境及寒冷环境中加固工程的需要，采用铝合金板加固钢筋混凝土梁是一个很好的解决办法。铝合金板通过粘贴层将力传给钢筋混凝土梁，故铝合金板与混凝土的粘贴粘结性能决定了铝合金板加固钢筋混凝土梁的效果。铝合金板与混凝土的粘贴粘结强度作为铝合金板加固钢筋混凝土梁连接设计的基础，对其开展试验和理论研究。开展105个试件的铝合金板与混凝土面内单剪试验发现：对粘贴界面没有进行粗糙处理的试件发生了界面剥离破坏，其他试件均发生了混凝土层剥离破坏；界面剥离破坏的粘结性能远差于混凝土层剥离破坏，说明了对粘贴界面进行处理的必要性。通过试验得到铝合金板和混凝土连接的极限粘结荷载，根据铝合金板正应力的变化率与粘贴界面剪应力的关系，得到剪应力的分布曲线和有效粘结长度；假设剪应力沿有效粘结长度处处相等，得到了铝合金板与混凝土的粘贴试验粘结强度，并基于此讨论了界面处理、混凝土强度、铝合金板宽度、厚度和粘贴长度等因素对试验粘结强度的影响。结合试验数据的统计回归分析，提出计算铝合金板与混凝土的粘贴粘结强度的修正Niedermeier模型，得到了铝合金板与混凝土的有效粘结长度和粘贴粘结强度的理论计算公式，其理论值和试验值吻合较好，误差最大值为8.98%，平均值为0.004，标准差为0.041。研究成果为铝合金板加固钢筋混凝土梁的粘贴设计提供了理论基础。  
        关键词：铝合金板;混凝土;粘贴粘结强度;面内单剪试验;剪应力   
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        发布时间：2024-01-05
      • 张东亮,张晓燕,莫军,王清远
        2019, 51(3): 108-113. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800447
        摘要：混凝土的弹性模量是结构设计中最基本的参数，在计算方法上需要保证足够的准确性。基于现有的3层球壳解析模型，将骨料、界面过渡区和薄层砂浆组成的整体先行处理为等效夹杂体，并根据解析模型获得相应的弹性模量，随后将混凝土视为由此等效而来的夹杂体与基体砂浆组成的二相复合材料。在固定背景网格体系中，采用无附加自由度的扩展有限元方法计算不同级配和骨料含量的混凝土等效弹性模量。当混凝土的骨料分布发生变化时，无附加自由度的扩展有限元方法能够在程序设计上避免整体刚度矩阵的维度变化问题。此外，为了能在获得不同的骨料分布的同时获得较高的骨料含量，混凝土的级配采用固定的粒径分布形式。结果表明：骨料含量同为47.12%的3种级配的混凝土弹性模量基本相同，说明级配对混凝土弹性模量的影响可以忽略；解析解可较准确地预测稀疏骨料分布情况下的混凝土等效弹性模量，但骨料增加后其预测值出现较大偏差；混凝土弹性模量随硬骨料含量的增加线性增大，随软骨料含量的增加线性减小。  
        关键词：混凝土;界面过渡区;扩展有限元方法;等效弹性模量   
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      • 金保明,高兰兰,李光敦
        2019, 51(3): 114-122. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800961
        摘要：洪水预报通常基于降雨径流模拟进行。以山坡水文学理论的蓄满产流机制为出发点，展开了对山区流域降雨径流模拟的研究，以此建立分布式三水源产汇流模型。首先，对研究流域进行离散化，以数字高程数据为基础提取流域的地形数字特征，使离散化坡面单元的数据同时完成自动匹配，实现参数的空间离散化，为模型的应用提供参数支撑。其次，采用水流连续方程和达西公式计算单元坡面内的产流量；以圣维南方程组简化的运动波方程为控制方程，推导出坡面流近似的偏微分方程，利用特征线法对每一单元坡面进行汇流计算。所建分布式水文模型可模拟从非饱和壤中流漫溢到坡面单元上形成饱和坡面流的暴雨径流过程。同时借由马斯京根–康吉法衔接了坡面离散单元水文子过程与主河道的汇合。最后选取美国古德温河流域典型的降雨过程进行次洪过程模拟，采用确定性系数、相关系数来评定模拟精度，结果表明其模拟精度达到了径流过程模拟和作业预报的精度要求。总体来说，所建分布式产汇流模型不但适用于单一坡面的径流分析，且能够应用于一般流域以进行降雨径流过程的模拟，在一定程度上可为防洪调度提供参考依据。  
        关键词：分布式;蓄满产流机制;坡面流;马斯京根–康吉法;美国古德温河流域;降雨径流模拟   
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      • 彭清娥,刘兴年,黄尔,杨克君
        2019, 51(3): 123-129. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801031
        摘要：山区流域极端强降雨导致的山洪灾害频发，造成生命损失和经济活动的巨大破坏。科学的认识这类极端天气下灾害的发生、发展过程，对实现灾害监测和风险管理十分重要。山洪过程的模拟是认识这一灾害的重要科学手段，而模型计算精度是山洪模拟的关键。将超渗、蓄满产流模型与运动波地貌瞬时单位线水文模型（简称KW–GIUH模型）进行融合，优选出适合山区流域强降雨情况下的产流模式，从而提高山洪过程的模拟精度。以典型山区流域涪江一级支流平通河为研究对象，选取了两场次历史强降雨过程进行模拟。研究结果表明：无论超渗或蓄满产流模型与KW–GIUH模型进行融合后，其模拟精度比KW–GIUH模型所模拟的径流过程更接近实际情况；而先超渗后蓄满的混合产流模式较单一的超渗或蓄满产流模式模拟效果更优。适合山区流域强降雨情况下的产流模式为先超渗后蓄满的混合产流模式，其中产流模式的转变出现在第一次连续降雨基本结束之时，即在第一次洪峰之前基本以超渗产流为主，随后的产流方式以蓄满产流为主。  
        关键词：山区流域;强降雨;产流模式;KW–GIUH模型   
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      • 冀前锋,王远铭,梁瑞峰,李永,冯镜洁,王旭,李克锋
        2019, 51(3): 130-137. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801341
        摘要：高坝泄水产生的总溶解气体（total dissolved gas，TDG）过饱和会使下游鱼类患气泡病甚至死亡。为减缓TDG过饱和对鱼类的影响，有必要探究河流中鱼类对TDG过饱和的耐受性。针对河道中TDG过饱和变化特征，以长江上游特有的齐口裂腹鱼为研究对象，通过室内试验开展了TDG过饱和恒定胁迫和TDG过饱和渐变式胁迫下齐口裂腹鱼的耐受性研究，并利用半致死时间评价试验鱼在各工况下对过饱和TDG的耐受性，利用生存分析方法来分析不同试验工况结果的差异性。结果表明：齐口裂腹鱼在TDG饱和度维持在120%下胁迫24 h，其半致死时间为27.7 h；在TDG饱和度时均值相近的情况下，受TDG过饱和110%～130%渐变式胁迫24 h试验鱼的半致死时间较TDG过饱和120%恒定胁迫24 h降低58.2%，而先承受115%TDG过饱和胁迫72 h后，再经历110%～130%渐变式胁迫24 h的试验鱼较TDG过饱和恒定胁迫24 h降低了72.5%；低水平TDG过饱和胁迫对齐口裂腹鱼具有一定的损伤作用，与健康试验鱼直接进行110%～130%渐变式胁迫24 h相比，先经历115%TDG过饱和胁迫72 h后再受TDG过饱和渐变式胁迫24 h，试验鱼的半致死时间降低25.4%；齐口裂腹鱼在TDG过饱和恒定胁迫和TDG过饱和渐变式胁迫下均会患气泡病，症状以胸鳍气泡、背鳍气泡、尾鳍气泡较为明显。研究揭示了TDG过饱和渐变条件下齐口裂腹鱼的耐受性和气泡病特征，有助于下一步开展水库生态调度优化方案研究及鱼类受TDG胁迫的气泡病响应研究。  
        关键词：总溶解气体过饱和;渐变;长江中上游;齐口裂腹鱼;耐受性   
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      • 槐文信,梁雪融
        2019, 51(3): 138-143. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800633
        摘要：在天然河道中，离散主要是由纵向流速在横断面分布的不均匀所引起，当河道中存在部分挺水植被时，流速分布的不均匀性更加明显。为了研究部分挺水植被水流中的纵向离散，假设各变量在垂向是不变的，模拟一个由流向和横向组成的二维域，引入了基于拉格朗日观点的随机位移模型，该方法直接使用独立运动的离散颗粒来描绘物质的输移，不再需要求解随流扩散方程。随机位移模型主要根据水深平均流速和横向紊动扩散系数的横向分布来确定污染物的分布。其中，流速横向分布公式采用了基于剪切涡的简化经验公式，该公式的优点在于不用对二次流系数进行率定，且物理意义明确；另外，利用量纲关系及遗传算法给出了剪切涡外层宽度的显性经验公式，分析可得剪切涡外层宽度主要由水深和河床阻力决定，植被的直径和密度对于涡旋外层结构影响较小；根据以往实测资料，提出了横向紊动扩散系数的横向分布模型，揭示了横向紊动扩散系数在交界处远大于稳定区的动力特性。为了验证随机位移模型预测的准确性，在长直部分植被水槽进行了室内试验，流场中不同点的浓度过程线的实测值与模拟值吻合良好，表明随机位移模型可以有效地模拟部分挺水植被水流纵向离散，为生态河道污染物混合输移的评估提供了新的方法。  
        关键词：部分挺水植被;随机位移方法;横向紊动扩散系数;流速分布;纵向离散   
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        可信计算与信息安全

      • 陈兴蜀,何涛,曾雪梅,邵国林
        2019, 51(3): 144-150. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801053
        摘要：针对现有攻击场景重构方法中存在关联规则挖掘不充分、攻击场景链断裂的问题，以及安全设备的误告警影响攻击场景重构准确性的现状，提出一种基于告警属性聚类的攻击场景关联规则挖掘方法。该方法能够有效挖掘攻击场景关联规则，减少攻击链断裂，还原实际的多步攻击，更好地帮助安全管理员深入理解攻击者入侵行为并掌握攻击全貌。以真实网络中的安全设备的原始告警为数据源，首先，对原始告警数据进行预处理，实现告警数据的归一化。然后，通过构建告警时间序列，利用FFT和Pearson相关系数对误告警周期特性进行分析，生成误告警过滤规则。接着，提出一种基于动态时间阈值的告警属性聚类方法，通过告警属性相似性刻画告警间相似度，并根据告警发生的时间间隔结合动态时间阈值方法更新聚类时间，对属于同一攻击场景的告警进行聚类。最后，利用Apriori频繁项挖掘算法生成攻击场景序列模式，并对具有重复攻击步骤的攻击场景序列模式进行融合生成关联规则。在四川大学校园网真实环境中进行实验，结果表明所提方法可有效缓解攻击链断裂问题和误告警的影响，相较于对比方法可有效提升生成的攻击场景关联规则的完整性。  
        关键词：攻击场景重构;告警关联;属性相似度;误告警   
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      • 阮鸥,王子豪,卢永雄
        2019, 51(3): 151-157. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801058
        摘要：针对集合问题安全计算方案在实际应用中的低效率及存在安全漏洞等问题，利用多项式表示技术将集合问题转化为多项式求值问题，结合离散对数问题提出了集合成员关系以及集合交集问题的安全两方计算协议。首先，从最近一个高效的集合成员关系计算协议的安全缺陷出发，分析存在的安全漏洞是在一定条件下可以通过穷举攻击获得参与方输入的元素信息，导致参与方的隐私信息得不到保障。为克服该安全漏洞，将集合表示为多项式，并对多项式进行随机化，以确保参与方交互过程中不会发生任何泄漏；然后，结合离散对数问题，提出了安全的集合成员关系计算协议。该协议能够快速判断输入的元素是否属于一个集合，并且除了集合的势，没有泄露参与双方的任何其他信息。接着，将完善后的集合成员关系计算协议进一步扩展，提出了能够解决集合交集问题的安全两方计算协议。利用该协议，互不信任的参与方能有效计算集合的交集，而不泄露自身的隐私信息。最后，在半诚实模型下，结合概率多项式时间模拟器，给出了两个协议的安全性证明，证明了模拟器视图与原协议执行视图在计算上无法区分；详细分析了本文协议的性能，结果表明提出的集合成员关系计算协议及集合交集安全计算协议比其他相关协议效率更高，具有较小的通信复杂度及计算复杂度。  
        关键词：交集安全计算;集合成员关系安全计算;离散对数问题;安全两方计算   
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        发布时间：2024-01-05
      • 朱辉,张业平,于攀,张之义,武衡,赵海强
        2019, 51(3): 158-166. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801057
        摘要：针对无人机在组网过程中面临的密钥管理与身份认证问题，面向不同应用场景分别提出了有控制站支持的无人机网络认证方案（ASUSG）和无控制站支持的无人机网络认证方案（ASWGS），实现了无人机间的信任建立与安全通信。ASUSG基于椭圆曲线密码体制设计，充分利用控制站计算资源充足、通信链路稳定的特点，将控制站作为密钥生成中心，令控制站实时分发无人机公钥，并辅助无人机完成身份认证、建立安全的通信链路，减少了无人机承担的计算任务。ASWGS基于身份密码体制设计，通过门限密钥技术实现了网内节点在无控制站支持下的身份认证与密钥协商。具体组网时，节点采用遮蔽密钥的方式在公开信道传输用于生成节点私钥的秘密份额，实现了节点私钥的分布式生成。该过程通过预置节点公钥份额的方式能够以较少的计算开销有效阻止恶意节点的干扰行为。安全性分析显示，所提方案能够有效抵御无人机网络面临的身份假冒、消息重放、中间人攻击等多种典型的安全威胁。同时，基于国密算法在Linux平台上对上述两种认证方案进行了仿真实现，实验结果表明，相比于现有方案，本方案中的无人机节点在密钥管理的过程中所需计算开销更少。本文方案能够实现无人机在资源受限条件下的安全组网认证与会话密钥协商。  
        关键词：无人机组网;认证方案;椭圆曲线;基于身份密码体制;门限密钥   
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        发布时间：2024-01-05
      • 张琳,李麟俊,李丽,张昀,王汝传
        2019, 51(3): 167-174. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801055
        摘要：为了深入研究无线传感网中恶意软件程序的传播过程，探讨存在时间滞留的情况下恶意软件的传播模型并分析其传播行为，建立了基于时滞的无线传感网恶意软件传播模型。该模型引入传染病学理论，结合传感器节点能量有限、存在时延等特性，对传播过程和特征进行了具体的分析，并对模型系统中状态转换关系、平衡点的存在性以及局部和全局稳定性进行了正确性和完备性分析证明。基于理论分析，建立仿真模型，设置相应的传播比率，对传播过程中各状态节点数量的变化进行仿真实验，进行了系统稳定性分析；对传播过程中时滞的取值和变化进行仿真，进行了系统时滞影响的分析和阈值的确定；与具有代表性的稳定的延迟网络蠕虫传播模型进行对比，给出了不同传播模型的数据分析。实验验证了稳定性理论分析的正确性，确定了影响传播稳定性的参数阈值及其对传播的影响，与其他模型进行了比较，分析了时滞对系统的影响。提出的模型为恶意软件的传播和控制提供了分析和研究思路，对于建立遏制恶意程序在移动无线传感网中扩散传播的安全策略具有指导意义。  
        关键词：无线传感网;传染病模型;时滞;Lyapunov稳定性;恶意软件   
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        发布时间：2024-01-05

        机械工程

      • 王秋晓,谭健,张光艳,付晓艳
        2019, 51(3): 175-183. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800339
        摘要：传统双面立式平衡机由于摆架结构关系，振动中心不固定，往往导致实际测量误差较大，静偶分离效果不佳。通过对传统双面立式平衡机振动模型的理论推导，建立了传统双面立式平衡机振动中心的位置公式，计算出簧板绕振动中心的扭转刚度。依据振动中心和扭转刚度的相关参数变化趋势图，分析出传统平衡机测量误差来源。以误差来源提出一种能够保持振动中心固定的静偶分离摆架结构，同样基于振动模型推导了振动中心位置公式，验证了振动中心的不变性；依据静偶分离摆架系统的扭转刚度公式，得到常量刚度值，实现了传感器的测量稳定。另一方面通过对不同结构参数下静偶分离摆架的模态分析，发现了摆架结构的独特分离性。即柔性铰链只传递摆动信号而平动簧板只传递平动信号，两者在功能上相互独立从根本上决定了摆架的静偶分离。同时模态分析结果与不同形状柔性铰链的静力分析结果为摆架结构的优化设计提供了参考依据。最后动平衡测量实验表明，静偶分离摆架有效的提高了对低速旋转载荷的静偶分离能力。  
        关键词：双面立式;振动中心;静偶分离;扭转刚度;模态分析   
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        发布时间：2024-01-05
      • 邓聪颖,苗建国,殷国富,王玲,冯义,赵洋
        2019, 51(3): 184-191. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800510
        摘要：切削加工过程中出现的颤振失稳现象，是限制机床加工质量和加工效率的主要因素。传统切削稳定性预测模型大多基于机床静止状态下的动力学特性，并采用恒定的切削力系数表征不同的切削条件。但在加工过程中，系统动力学特性和切削力系数会随着主轴转速等影响因素而变化，导致预测的切削稳定性叶瓣图在实际工程运用中出现偏差。针对机床运行状态下切削稳定性的准确预测问题，提出一种切削稳定性叶瓣图修正方法。该方法以刀具系统动力学特性与切削力系数为研究对象，首先建立主轴转速样本信息，将考虑转速效应的主轴轴承运行刚度写入机床有限元模型中，获取刀尖频率响应函数及其对应的各阶模态参数，以此结合模态拟合法和插值算法重构任意转速下的刀尖频响函数，同时以各切削参数为变量构建切削力系数响应面预测模型，进而将与转速对应的刀尖频率响应函数和不同切削条件下的切削力系数作为传统切削稳定性预测模型的输入，并通过结合自适应粒子群算法共同求解各转速下的极限切削深度，从而在全转速范围内绘制切削稳定性叶瓣图。将该方法应用于1台3轴立式加工中心的实际工序中，采用多组预测的无颤振切削参数进行切削实验，并通过切削力信号的频谱分析判定切削过程中未出现颤振，验证了稳定性叶瓣图修正方法的有效性，为无颤振切削参数的合理选择奠定了技术支持。  
        关键词：切削稳定性;稳定性叶瓣图;运行状态;切削参数   
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      • 李炎炎,杜玉龙,龙伟,赵瑞朋,陈金戈
        2019, 51(3): 192-197. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800563
        摘要：为解决雾天环境下车辆环境感知困难的问题，针对车行视程去雾算法无法自动获取能见度、复原图像色彩过饱和、细节丢失严重等情况，克服传统器测法和目测法对能见度获取的非实时性及主观性，提出了一种改进的非线性二分求根算法，利用无参考图像空域质量评价指标（BRISQUE）对能见度进行实时修正，最终实现了能见度的自动估值。作者改进了大气能见度与车行可视距离的关系函数，由改进后的车行可视距离求出的透射率值与实际透射率相比误差减小，降低Halo效应的产生、增加了图像细节信息。实验表明，利用能见度求出的透射率估值在大气光散射模型下能够自适应的处理雾霾视频，复原出的视频图像画质清晰，色彩鲜艳亮丽不失真且能保留大量的图像信息，处理过程视频流畅无卡顿，对于在雾天环境中交通场景不断变化的车载视频也有良好的去雾效果。  
        关键词：车行视程;二分法;能见度;视频去雾   
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      • 杨闪闪,殷鸣,徐雷,殷国富
        2019, 51(3): 198-204. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800340
        摘要：为保证机床加工时的切削稳定性，获得准确的稳定性叶瓣图（切削速度–切削深度关系图），需要得到机床刀具刀尖点的频率响应函数(FRF)。刀尖在加工时处于旋转状态，无法通过粘贴式传感器直接获取其频率响应函数。针对这一问题，提出了通过准确辨识刀柄结合部间动力学参数来预测刀尖频响。为实现刀柄结合部的动态参数识别，提出了基于模态分析理论的联合仿真寻优法的辨识方法。该方法通过均布弹簧–阻尼单元模拟结合部接触特性，以模态实验测得前2阶模态固有频率及其对应的振幅为目标约束，以结合部间的刚度和阻尼为变量进行有限元分析，采用最小二乘法构建二者的多目标优化函数，并在MATLAB–ANSYS集成环境下建立非线性规划函数寻优任务实现结合部动力学参数的辨识。为了提高辨识效率减少调用有限元分析的次数，采用了样本点构造的方法；为了避免因采样点选取不合理而造成计算量增加，采用了采样区间归一化的处理方式。最后，将优化识别结果通过弹簧单元指令代入有限元模型进行谐响应分析来预测刀尖FRF，对比有限元仿真与模态试验对应测点的频响数据。结果表明，二者的频率响应函数曲线拟合度较高，且前2阶的固有频率误差分别仅为0和0.04%。验证了该方法的可行性，为进一步获得稳定叶瓣图提供支持。  
        关键词：联合仿真;优化;刀柄;结合部;参数识别   
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        发布时间：2024-01-05
      • 张敬孜,王进戈,杨捷,周亮,彭瑞
        2019, 51(3): 205-211. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800303
        摘要：将鼓形蜗杆传动装置设计为机器人减速器并应用于机器人的转动关节，有利于机器人减速器的国产化。以变齿厚内齿轮齿面为工具齿面，通过分析鼓形蜗杆副的内啮合运动规律，建立6个标架。通过内齿轮上的辅助标架和工作标架，确定蜗轮转动角度、蜗杆转动角度及工作角度之间的关系。根据啮合原理，建立鼓型蜗杆副的啮合方程、二类界限曲线方程及一类界限曲线方程，再通过MATLAB R2013b绘制图像。依据U10PLUS KV170型电机参数，确定鼓型蜗杆传动装置的设计参数，通过MATLAB绘制蜗杆齿面螺旋线并输出ibl文件，再通过Creo2.0绘制鼓形蜗杆传动装置的3维模型。研究发现：1) 变齿厚内齿轮具有对称的楔形轮齿，在安装过程中可调节内齿轮的相对轴向位置，实现内齿轮与蜗杆在Creo虚拟环境下无干涉装配。2) 鼓形蜗杆副中心距为100 mm，与中心距为220 mm的相同设计参数的环面蜗杆副相比，鼓形蜗杆副的中心距减小，结构更加紧凑。3) 内齿轮设计宽度为110 mm，依据鼓型蜗杆副的接触线在蜗轮甲、乙两齿面的分布范围，确定内齿轮的工作宽度为75 mm。4) 分析一类界限曲线及蜗杆齿根线的空间位置关系，一界曲线分布在蜗杆齿根内部，确定无根切发生。5) 结合传统设计方法，设计具有驱动、传动及支撑一体化结构的变齿厚内齿轮平面包络外转子鼓形蜗杆传动装置。在驱动方面，电机安装在蜗杆内部，实现蜗杆与电机一体化；在传动方面，通过调整内齿轮的相对轴向位置，实现蜗杆副的侧隙调整和磨损补偿；在支撑方面，采用支撑轴进行定位安装，无需安装箱体，实现装置结构的简化。结果表明：内齿轮轮齿的对称楔形结构有利于蜗杆副的安装与调整，可实现蜗杆副的侧隙调整和磨损补偿，提高蜗杆传动副利用率；依据工作宽度设计内齿轮，有利于降低内齿轮制造成本；通过对蜗杆副的接触线、二类界限曲线、一类界限曲线及蜗杆齿根线的空间位置的分析，验证啮合传动的合理性；提出应用于机器人转动关节的驱动、传动及支撑一体化结构设计方案，实现变齿厚内齿轮平面包络外转子鼓形蜗杆传动装置的设计。  
        关键词：变齿厚;平面包络;外转子;机器人减速器   
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        发布时间：2024-01-05

        化学工程与材料工程

      • 杨维,王海波,成煦,杜宗良
        2019, 51(3): 212-220. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800394
        摘要：为了制备兼具优异疏水性能和力学性能的水性含氟聚氨酯（WFPUs），合成了3种含氟侧链长度不同的端羟基含氟聚丙烯酸酯（P3FMA、P6FMA和P12FMA），将其引入水性聚氨酯（WPUs）分子链中，分别制备了3种WFPUs：WFPUs–P3FMA、WFPUs–P6FMA和WFPUs–P12FMA。傅里叶红外光谱（FTIR）分析表明成功将以上3种端羟基含氟聚丙烯酸酯引入了WPUs的分子链中，FTIR分峰结果显示，随着含氟侧链长度增加，硬段氢键化羰基含量增加，这表明较长的含氟侧链能促使WFPUs硬段氢键作用增加，从而使硬段间的相互作用增加。静态接触角测试和表面自由计算表明:3种WFPUs乳胶膜的静态接触角均随着氟含量增加先增加，随后再继续增加氟含量，静态接触角不变。此时，3种WFPUs乳胶膜的表面自由能分别为34.78、32.41和15.94 mN/m，由此可知，含氟侧链最长的WFPUs乳胶膜的表面自由能最低，疏水性能最好。X光电子能谱分析（XPS）显示，氟表面含量随氟本体含量增加而增加，含氟侧链最长的P12FMA在WFPUs乳胶膜表面的富集性能最好。X射线衍射（XRD）分析表明，氟含量相同时，WFPUs乳胶膜硬段的结晶度随含氟侧链长度增加而增加。力学性能测试结果表明，在氟含量相同的条件下，含氟侧链长度最长的乳胶膜WFPU2–P12FMA的断裂强度和断裂伸长率最大，并且高于WPUs乳胶膜。因此，采用P12FMA改性WPUs，可制备具有较好疏水性能和力学性能的WFPUs乳胶膜。  
        关键词：水性含氟聚氨酯;含氟侧链长度;表面自由能;氢键   
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        发布时间：2024-01-05
      • 刘燕,史晓滔,乔琦,王海军,刘杰,王储,林建荣,张爱民,武建勋
        2019, 51(3): 221-226. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800850
        摘要：以中海油绥中36–1环烷基原油为原料，通过常减压蒸馏工艺和高压加氢工艺技术，研制出了符合HG/T 5085—2016化工行业标准的橡胶增塑剂海疆N4006和N4010基础油，油品具有优异的紫外光安定性和热稳定性，适合用作SBS类苯乙烯热塑性弹性体的填充油。研究了两种油品填充的SBS体系的力学性能，耐热性能以及耐紫外光老化性能，并通过红外光谱分析研究了充油体系的老化机理。结果表明充油体系的力学性能良好：拉伸强度>10 MPa、断裂伸长率>900%，耐光热老化性能优异，热老化后的强度保留率>90%，24 h紫外老化后的强度保留率>60%。经紫外光辐照试样表面的红外图谱在3 300、1 720和1 170 cm–1附近出峰，显示老化降解后新增基团主要为羧酸类和脂肪族酯类。热氧老化后充油SBS试样的红外光谱与未老化试样的无差别，表明其优异的耐热氧老化性能。  
        关键词：环烷油;橡胶增塑剂;光安定性;热稳定性   
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        发布时间：2024-01-05
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