最新刊期
      2020 年 第 52 卷 1 期

        科学前沿

      • 谢和平,张国庆,李存宝
        2020, 52(1): 1-8. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901181
        摘要：开展月球资源探测与地下空间利用是人类探索月球、将月球纳入人类活动范围的重要举措。本文从月球地质结构特性及月球表面温度变化特征入手，综合考虑月球纬度、月壤/月岩导热性能等要素，针对月球恒温层的恒温特性及随纬度变化的温度涵盖范围，提出了在月球恒温层开发月球地下人类基地、月球地下轨道交通、月球生命体存储、月球原位热能存储等月球地下空间利用构想。针对所提出的月球恒温层利用构想，设计了月球地下人类基地空间支护与搭建、基于电磁技术的月球地下飞行式轨道交通、可温度调节式月球战略储备库、基于月岩/月壤导热差异的原位热能存储等技术实施方案。基于上述构想及技术方案，本文系统总结了月球恒温层地下空间利用需突破的技术挑战和面临的关键科学问题。本研究将为未来建立月球人类基地及月球地下空间利用提供技术参考。  
        关键词：月球恒温层;地下空间;月球基地;轨道交通;热能存储   
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        发布时间：2024-01-08
      • 郭孝东,徐春柳,向伟,吴振国,钟本和
        2020, 52(1): 9-17. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900876
        摘要：随着便携式电子产品和电动车领域的高速发展，对高能量密度锂离子电池的性能提出了更高的要求。相比传统的钴酸锂正极材料，富镍层状金属氧化物具有较高能量密度和较低的原料成本，被视为理想的锂离子电池正极材料。然而，其结构缺陷和不稳定的界面化学特性会恶化材料的电化学性质、热力学稳定性和安全性能。本文主要回顾了近年来关于富镍三元正极材料的改性研究进展，旨在为今后富镍三元正极材料的设计提供重要思路，并实现其工业化应用。首先，介绍了富镍正极材料本身存在的固有缺陷和电化学性能衰减机制。其次，讨论了通过调控表界面结构提升富镍材料性能的改性策略，包括包覆电化学惰性物质、设计元素全浓度梯度及核壳结构、构筑核壳异质结构和调控包覆物质厚度等。然后，总结了通过元素的体相掺杂提升富镍正极材料性能的策略，包括碱金属位掺杂、过渡金属位掺杂、氧位掺杂和复合共掺杂。最后，对该领域的未来发展进行了总结和展望，希望能激发更多创新性的见解和策略，以促进富镍三元正极材料的实际应用。  
        关键词：锂离子电池;三元正极;富镍;表面包覆;元素掺杂   
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        发布时间：2024-01-08

        水利与土木工程

      • 张新华,邓晴,文萌,王明
        2020, 52(1): 18-28. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900982
        摘要：长江上游弯曲分汊浅滩较多、碍航问题突出，同时该河段也是濒危鱼类中华鲟的主要繁衍水域。针对当前航道整治工程大都缺乏考虑其对水生生物栖息地的影响和现有栖息地评价仅依据河道内流量增加法中的加权可利用面积这两方面的问题，本文以长江上游弯曲分汊浅滩作为研究对象，考虑中华鲟产卵场功能区的分区特征，基于斑块面积比、栖息地破碎性指数、栖息地连通性指数，构建了鱼类栖息地综合评价模型，研究了淹没式丁坝（潜坝）布置形式对中华鲟栖息地的影响。结果表明：适当的潜坝布置形式对整治河段内中华鲟栖息地环境质量有明显改善作用；研究区域内中华鲟栖息地斑块个数与潜坝坝长成正比，斑块面积比和栖息地破碎性指数与坝体数量成反比，栖息地连通性指数主要受坝体数量的影响。从保护珍稀物种的角度出发，长江上游弯曲分汊浅滩治理中应控制整治建筑物的数量与长度。此外，本文基于濒危洄游型鱼类繁衍及生活习性提出的栖息地综合评价模型，能克服仅根据栖息地加权可利用面积评价的片面性，更适合鱼类栖息地环境质量评价。  
        关键词：弯曲分汊河道;潜坝;中华鲟;产卵场功能区;栖息地综合评价   
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        发布时间：2024-01-08
      • 韩宇,孙志鹏,黄睿,郭珊珊,易康,陈建
        2020, 52(1): 29-37. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900196
        摘要：随着西北大型灌区水资源供需矛盾日益加剧，粮食生产安全逐渐存在重大威胁，传统优化渠系配水模型主要基于目标函数对作物需水量进行优化配置，而目标函数参数及约束条件较为复杂，难以实现全局优化配水。本文以黑河流域西浚灌区西洞渠系为例，采用“定流量，控开启”原则，在干渠设计流量恒定条件下，以剩余流量最小原则建立回溯搜索算法优化配水方程，通过回溯搜索算法求解下级渠道阀门开启及关闭配水时间图，并进一步求得阀门控制时间点偏态系数，同时将所得结果与向量评估遗传算法、粒子群算法的配水时间、阀门时间控制偏离程度进行比较，在此基础上结合小河站渠系弃水情况评估模型适应性。结果显示：回溯搜索算法、向量评估遗传算法、粒子群算法配水时间分别为12.70、14.38和15.50 d，阀门开启时间点偏态系数分别为0.093、0.328、0.217，相比回溯搜索算法配水模型具有明显的时间优越性及稳定性；回溯搜索算法在渠系水利用率较低的西洞渠系弃水为零，而在渠系水利用率较高的小河站渠系弃水现象严重，该算法普遍适用于渠系水利用率较低地区。利用回溯搜索算法对灌区进行优化配水，在合理适用条件下，不仅能够保证灌溉时间较优，满足渠系灌溉制度要求，而且能够维持流体输送相对稳定性，达到渠系优化配水目的。  
        关键词：渠系配水;回溯搜索算法;向量评估遗传算法;粒子群算法   
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      • 胡亚元
        2020, 52(1): 38-45. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900150
        摘要：为解决饱和多孔介质的建模问题，采用工程混合物理论建立了饱和多孔介质体积本构理论框架。首先，假定多孔固相与流相基质体积变形功相互独立，采用Terzaghi有效球应力、孔压和流体基质压力作为本构模型的应力状态变量，获得了固相、固相基质和流相基质体应变的余能表达式。其次，根据Lade和de Boer模型试验测试数据，建立了加卸载阶段饱和多孔白塞木立方体流固两相体积本构方程，推导了固相体积切线模量、Biot切线系数和流相Biot切线模量等力学参数计算公式；分析了加载阶段固相体积切线模量、Biot切线系数、流相Biot切线模量等力学参数随Terzaghi有效球应力和孔压的变化规律。最后，根据本文体积本构模型和静力平衡方程建立了饱和多孔介质的1维固结方程，数值分析了饱和多孔白塞木立方体的固结特性，获得了固结度和沉降随时间的变化曲线。研究表明：固相体积切线模量随Terzaghi有效球应力的增大而增大，随孔压u的增大而减小。Biot切线系数介于0.42～0.95之间，随Terzaghi有效球应力和孔压的增大而减小。流体Biot切线模量随Terzaghi有效球应力的增大先减小后增大，随孔压增大而减小。孔压切线系数在大多数情况下小于1.0。考虑固相基质变形时饱和多孔介质的初始孔压不等于外荷载，因此饱和多孔介质在外荷载作用下存在瞬时沉降。本文的建模方法可用于非线性饱和多孔介质的建模和数值分析工作。  
        关键词：工程混合物理论;饱和多孔介质;固相体应变;固相基质体应变;流体渗出量   
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      • 岳建伟,林健,王永锋,刘天军,张焱飞,王思远,王巍智
        2020, 52(1): 46-55. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900370
        摘要：黄河泛滥造成开封地域水位较低且含盐量较高，毛细作用下使以土为主建造而成的开封城墙底部处于潮湿干燥交替的状态。在盐渍、冻胀等作用下引起城墙的不断劣化，如何控制毛细作用的发生为历史建筑保护的关键问题。为探究城墙土的保护和修复方法，本文确定4类16种试样的仿遗址土，分别含有0、1%、3%、5%质量比的有机硅憎水剂SHP–60改良仿遗址土的毛细吸水和浸水崩解试验，探究不同SHP–60含量下仿遗址土水理性质的改良效果，并利用扫描电镜拍摄SEM图片，观察土样的微观结构，发现SHP–60分子吸附土颗粒表面发生团聚和连接作用，内部孔隙减少形成防水膜，增加土样的耐水性。揭示SHP–60改良仿遗址土的作用机理。结果表明：土颗粒孔隙周围的SHP–60覆膜可以产生较大的疏水力，有效增强土颗粒的疏水特性，仿遗址土随着SHP–60掺量的增加，水理性质改良效果越好，其中SHP–60掺量为5%的仿遗址土较改良前毛细吸水质量降低92.34%，有效地降低了仿遗址土的毛细作用力，使土的耐水性提高。浸水试验发现，气泡产生的多少与反应剧烈程度随SHP–60掺量的增加而降低。少量SHP–60的掺量可以有效提高仿遗址土的耐崩解性能。3%～5%掺量的有机硅憎水剂能够改变仿遗址土的微观结构界面特性，减少内部孔隙，增加土样密实度，形成的防水膜改变了颗粒间表面张力的作用方向，形成的疏水力阻止了水的浸入，进而有效地提高了仿遗址土的耐水性能，阻挡地下毛细水对遗址土的侵蚀，研究结果为土遗址修复提供了新思路。  
        关键词：仿遗址土;改良;毛细吸水;浸水试验   
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      • 谢生荣,王龙,陈冬冬,王恩,李辉,何尚森
        2020, 52(1): 56-65. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801393
        摘要：针对基于平面力系建立的承载区理论未能反映四柱支撑掩护式支架顶梁全范围的承载特性问题，提出采用承载体理论分析四柱式支架顶梁全范围的空间承载特性。通过构建四柱式支架顶梁分离体空间力学模型，得到空间力系表达式并推导出承载曲面解析式；根据曲面判定原则进行取舍得到支架处于最大支撑高度时的承载体即极限承载体，其外形与“三角曲面锥”体类似，呈现四周低、中心高的特点。对四柱式支架极限承载体做垂直及水平切面得到纵、横向承载区以及承载力等值面，分析得到纵向承载区在顶梁纵向中部的支架合力以及面积最大，并沿两侧衰减，与平面承载区理论研究结果相同；横向承载区以极限承载点m0为界差异显著，承载区面积在m0处最大，并向前后两侧减小；承载力等值面呈三角形分布，承载力越大三角形越小。提出了量化支架承载能力的体积计算法；分析了极限承载体体积的关键影响因素为支架单立柱工作阻力和立柱定位尺寸，结果表明：单立柱工作阻力异常下降会影响支架的额定工作阻力，减小承载容量，影响支架的整体承载性能，削弱支架对顶板的适应能力；适当增大立柱间距能够增加支架的承载容量，扩大支架的有效支护面积，增强支架对顶板载荷变动的适应性，提高控顶效果，而支架的整体支撑效率并不改变。  
        关键词：四柱支撑掩护式液压支架;极限承载体;纵、横向承载区;承载容量   
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      • 王力,王世梅,李高,王琳
        2020, 52(1): 66-74. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900878
        摘要：水库滑坡土体的变形主要是流固耦合作用的结果，但是变形并不是立刻发生的，大都经历了一个时间发展的过程，具有典型的流变特性。本文基于某滑坡土体的蠕变试验结果，推导了扩展的Burgers蠕变模型M–2K，并将其推广至3维形式，应用蠕变试验数据对推导的M–2K蠕变模型进行拟合，求得了蠕变模型参数。在传统的流固耦合分析中引入了时间变量关系，构建了渗流与蠕变耦合作用的数学模型，对其进行有限元求解，并应用MATLAB软件编写了有限元程序。以三峡库区白家包滑坡为例，应用该程序分别对滑坡体进行了考虑蠕变及不考虑蠕变的流固耦合计算。研究结果表明：3维形式的M–2K蠕变模型拟合程度较高，能反映土体的蠕变性质；有限元计算结果说明考虑渗流与蠕变耦合作用下孔压减少值大于不考虑耦合作用下时孔压减小值；选取关键点的耦合及非耦合条件位移计算结果与实际的GPS位移进行比较，两种计算值与实际监测值变形趋势基本一致，考虑渗流与蠕变耦合条件下两个监测点的位移值比不考虑耦合时大，而且与实际值比较接近。研究结果表明：所建立的渗流与蠕变耦合数学模型是合理的，有限元数值求解程序是正确的，该成果为水库滑坡的预测与预报提供了新途径。  
        关键词：滑坡;流固耦合;蠕变模型;渗流   
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        发布时间：2024-01-08
      • 叶晨,许泽星,关见朝,方春明,王协康
        2020, 52(1): 75-81. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900435
        摘要：山区河流受水沙条件和河流形态影响，植被洲滩发育丰富，显著改变局部河段的水沙运动及其演变特征。基于室内洲滩模型自然生长植被的水沙试验，探讨了植被与泥沙补给对洲滩河段水流结构及冲淤变形的影响。试验结果表明：植被茎叶加大了对水流的扰动，减缓水流流速，上游补给泥沙在植被周围形成小型沙丘，以波状输移为主；大量来沙条件下，泥沙多落淤洲头及洲尾，促使洲滩快速发育；淹没植被枯萎，茎叶凋落，加剧洲头及洲滩两侧冲刷；植被与上游来沙显著影响洲滩汊道分流特性，加沙和植被茎叶促使左汊分流比降低。因此，山区河流植被与上游泥沙补给调整洲滩汊道过流能力及发育过程，对植被洲滩河段的水沙运动产生较大影响。  
        关键词：山区河流;植被;泥沙补给;汊道分流;洲滩发育   
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      • 姚强,杨兴国,柴明海,李洪涛
        2020, 52(1): 82-90. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900133
        摘要：随着水利、铁路、公路和城市建设等工程越来越多，邻近人群聚居区的爆破作业日益增多，由爆破作业诱发的爆破地震效应所导致的居民的抱怨、投诉和民事纠纷也日益增多。爆破作业产生的振动会对临近建筑物的舒适性造成影响，由此引起居民的烦恼效应、惊扰效应和对建筑物破坏的担忧。利用建立在心理物理学方法上的烦恼率计算方法定量评价爆破振动舒适度问题，针对目前实践中大多是开展爆破质点振动速度历程监测而非加速度监测的现状，给出了一种基于爆破振动速度推求加速度的四点向前差分方法。根据人体对不同方向、不同频率范围和不同振动持续时间爆破振动的敏感程度不同，对振动加速度按不同方向进行频率计权与时间计权以获得计权均方根加速度，再计算3个方向的折算总计权均方根加速度并应用于烦恼率模型。结合某水电工程基坑爆破开挖工程，获得了39组爆破质点振动速度监测数据和舒适性调查数据。通过对比分析可知：39次试验中居民没有明显反应的场次为23，对应最大烦恼率上限约为0.06；居民有反应的场次为11，对应的烦恼率取值范围约为0.077～0.164；居民出现激烈反应的场次为5，烦恼率值约为0.17～0.31。综合爆破振动的特点，建议以烦恼率不大于0.07作为设计爆破方案的依据和控制标准，可有效减少居民对爆破振动的抱怨和投诉。  
        关键词：水电工程;爆破振动;舒适性;加速度;烦恼率;评价方法   
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      • 徐汉勇,余志武,李玲瑶
        2020, 52(1): 91-101. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900097
        摘要：Rayleigh阻尼模型广泛应用于结构地震响应计算，致使Rayleigh阻尼系数计算方法显著影响结构响应，而地震多维激励是同时作用于结构，且应变能响应能较好地反映结构力学行为，因此，对基于多维激励应变能响应的Rayleigh阻尼系数计算方法进行了研究。根据单维地震激励时应变能响应的计算公式，构建出用于计算应变能响应的合理虚拟激励形式，应用于多维激励体系，提出计算多维激励时应变能响应的虚拟激励法；并构建出振型阻尼比变化量平方的新型权重系数，提出基于多维激励应变能响应的Rayleigh阻尼系数计算方法。分别以不带楼板的双向对称、单向偏心和双向偏心的大跨空间钢结构，以及带楼板的对称双塔、非对称双塔和非对称三塔钢筋混凝土结构为工程案例，以多条实际地震波作为激励，对提出的算法进行验证。结果表明：对于双向对称空间钢结构，基于各类阻尼系数计算方法求得的结构响应误差均较小；对于单向偏心和双向偏心空间钢结构，基于2阶振型阻尼系数计算方法求得的结构响应误差最小值和最大值分别为5.89%和19.64%，基于多维激励应变能响应阻尼系数计算方法求得的结构响应误差最小值和最大值分别为0和6.10%；对于对称双塔、非对称双塔和非对称3塔结构，基于2阶振型阻尼系数计算方法求得的结构响应误差最小值和最大值分别为5.76%和51.17%，基于多维激励应变能响应计算求得的结构响应误差最小值和最大值分别为0.07%和4.48%，证明该计算方法是合理的。  
        关键词：Rayleigh阻尼系数;应变能;多维激励;虚拟激励法;计算方法   
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      • 崔新男,汪旭光,王尹军,张小军
        2020, 52(1): 102-109. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900448
        摘要：爆破抛掷物能否按照设计运动直接决定着爆破工程的成败。为进一步研究爆破抛掷作用过程，量化研究抛掷物运动状态，采用数字图像相关和立体视觉原理，建立爆破抛掷物运动观测系统。应用该系统观测混凝土模型爆破试验过程，通过数字图像相关匹配算法进行抛掷物的跟踪；通过立体视觉技术计算抛掷物3维运动轨迹坐标，进而得到其运动速度。结果表明，抛掷物的运动过程可分为整体加速运动和分散减速运动两个阶段。第1阶段：在爆生气体推动下，抛掷物以一整体做加速运动，此阶段持续时间9 ms，在6.5 ms时抛掷物脱离爆破漏斗，最大速度可达16.63～19.65 m/s。第2阶段：抛掷物逐渐破裂，分散成块，处于不同区域、不同形状的碎块运动状态均不同。表面碎块的速度最大，可达26.24 m/s，是潜在的爆破飞石，其只受到重力和空气阻力作用，做减速运动；中下部碎块在残余气体推动下，同样做减速运动，但减速缓慢，速度为9～16 m/s；薄片状碎块在飞行中不断翻转，消耗自身动能，其中速度最小的仅为5～6 m/s。整体运动阶段简单，而分散运动过程较复杂，除爆破参数、介质自身性质外，抛掷物碎块的形状、所处位置也会影响其运动状态，抛掷物表面碎块速度最大，更易形成爆破飞石。本文为量化研究爆破抛掷作用和预测爆破飞石提供了一种有效的方法。  
        关键词：数字图像相关;抛掷作用;立体视觉;爆破飞石   
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      • 杨曦,张云鹏,甘德清,贾玉娜
        2020, 52(1): 110-117. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801169
        摘要：铁尾矿砂渗透特性是影响其坝体稳定性的重要因素之一。而渗透系数是表征其渗透性的重要指标。国内外学者均对渗透系数进行了广泛的研究，分别建立了相应渗透系数的计算公式。但这些公式多适用于粗粒土，其对铁尾矿砂的适用性尚不明确。因此，有必要对现有公式准确性进行验证，并建立适用于铁尾矿砂的渗透系数计算模型。通过室内变水头试验，从FC值、级配、粒径、比表面积和粉粒间孔隙比等多个角度出发，对铁尾矿砂原状样的渗透性质进行了分析。结果表明：原状铁尾矿砂的渗透系数受细粒含量影响明显，细粒含量的临界值在40%左右；应用传统渗透系数计算公式对原状铁尾矿砂渗透系数进行计算，结果并不准确；受细颗粒含量影响，原状铁尾矿砂的渗透系数与不均匀系数Cu、曲率系数Cc、平均粒径、加权平均粒径、体积比表面积和粒间孔隙比es之间呈现明显的非线性关系，应用这些参数难以表征细粒含量较大时的渗透系数变化；但是，有效粒径和粉粒间孔隙比与原状铁尾矿砂的渗透系数呈现出了较好的相关性，据此建立铁尾矿砂渗透系数计算公式，其计算结果较为准确。这对陈坑尾矿坝的渗流场分析与稳定性计算具有一定意义。同时，所取尾矿砂试样主要为磁铁矿尾砂，这对类似铁尾砂渗透性计算也有一定借鉴意义。  
        关键词：铁尾矿砂;细粒含量;渗透系数;有效粒径;粉粒间孔隙比   
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        发布时间：2024-01-08
      • 汪进超,王川婴,胡胜
        2020, 52(1): 118-125. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900165
        摘要：在大型水利水电、能源交通等基础设施的建设中，查明岩体结构中存在的不良地质特征是保证工程顺利开展的重要基础，而常规物探方法很难探测到钻孔围岩结构的精细特征及异常区域的范围和走向。为此，在实验室岩样缺陷检测方法的基础上，提出一种基于定向声波扫描的钻孔围岩结构探测方法，该方法为了适用于钻孔围岩结构特征探测，采用定向声波探头、旋转部件及定位装置相结合的技术方法来实现。首先，根据扫描探测数据建立环形扫描矩阵，提出构建环形扫描图的数据处理方法；随后，构建声波数据和环形扫描矩阵的映射关系，将对应的声波处理数据按照映射关系进行对应匹配，形成钻孔围岩结构断面图，在叠加深度信息之后实现了钻孔围岩结构的立体图重建；最后，针对钻孔围岩缺陷区域的岩石声速及缺陷位置参数难确定的问题，利用不同频率声波在岩石中传递的相位特征关系，构建声速维和距离维2维扫描向量，采用数值分析方法求解岩石的声速及异常区域的位置，实现了钻孔围岩的结构特征立体呈现和参数提取，并将该方法应用于实际工程，验证了该方法的可行性和准确性。  
        关键词：钻孔探测;围岩结构;声波扫描;围岩缺陷;围岩声速   
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        发布时间：2024-01-08

        机械工程

      • 杨荣松,张益铭,孙少强
        2020, 52(1): 126-133. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801041
        摘要：为了准确计算摆线针轮分形面的接触刚度，提出了一种考虑摩擦系数的分形模型。采用修正后的Weierstrass–Mandelbrot函数和微分几何建立了一种2阶抛物线法修形的摆线轮齿与针齿的2维粗糙表面的几何模型，该模型体现了在宏观和微观视野中以独特地形式表达摆线轮齿完全共轭齿廓与针齿的形貌特征；在啮合载荷作用下摆线针轮处于弹性变形阶段，引入了摩擦因子，计算微观层面中的两个粗糙接触面的接触刚度。计算实例结果表明：摆线针轮分形面的接触刚度Kn随着轮廓上的啮合力F的增大而先保持平稳，再快速增长，最后向下倾斜状态。其中，表面粗糙度Ra增加和摩擦因子μ增大，导致接触刚度Kn减小；修形系数a1的增加会放缓接触刚度Kn的增加。以LTCA模型建立的赫兹接触刚度相比，验证了摆线针轮分形模型的正确性，体现了接触刚度Kn求解时，从静态转化为动态过程，单一性转化为连续性的优势。  
        关键词：摆线轮;分形理论;表面粗糙度;摩擦系数;接触刚度   
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      • 向召伟,殷鸣,殷国富,王玲
        2020, 52(1): 134-142. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801176
        摘要：激光选区熔化（selective laser melting，SLM）采用激光束将金属粉末等分层熔融成形，在制造业中具有重要价值。然而成形过程中的热物理现象及各工艺参数对热物理过程的影响有待进一步研究。在综合考虑SLM成形过程中材料相变、粉体—实体不可逆转变等过程的基础上，建立了SLM成形316L不锈钢的多道扫描温度场数值模拟模型。研究了激光功率、扫描速率和激光束有效直径对SLM温度场、熔融时间、冷却速率和熔池尺寸等的影响，并通过实验验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明：熔融时间易受激光功率和扫描速率的影响，而最大冷却速率更易受激光束有效直径的影响。激光功率较低或扫描速率较大时，熔池尺寸较小，易形成孔穴类缺陷；激光束有效直径对熔池尺寸影响较小。随着激光功率增加，熔池稳定性先无确定变化趋势后增加；随着扫描速率增加，熔池稳定性不断降低；激光束有效直径对熔池稳定性的影响不确定。实验结果与数值模拟分析结果基本一致，研究结果可为SLM工艺参数调整与优化提供参考。  
        关键词：激光选区熔化;工艺参数;数值模拟;温度分布;熔池特性   
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      • 汤亮,卢文政,龚发云,张董洁,徐光辉
        2020, 52(1): 143-152. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801277
        摘要：为了提高滚珠丝杠副激光切割平台的切割速度控制性能，基于双幂次趋近律滑模和模糊控制原理，提出了一种增益模糊自适应双幂次趋近律滑模控制方法。考虑到滚珠丝杠副存在各种轴向振动与扭转振动，采用集中参数方法建立了滚珠丝杠副运动系统的拉格朗日动力学模型，同时摩擦力的高度非线性对高精度的控制系统存在较大的影响，因此引入了Stribeck摩擦模型估计摩擦力；由于传统双幂次趋近律滑模控制存在抖振，引入饱和函数代替符号函数，在一定程度上抑制了控制系统的抖振；针对传统双幂次趋近律滑模控制的控制增益的动态调整性能不足，即固定增益很难保证激光切割的最佳动态控制效果，分析并建立了激光切割深度、速度与双幂次趋近律滑模控制增益之间的模糊关系，以激光切割深度作为自适应参考依据，采用基于模糊规则表的模糊控制方法自适应调整控制增益，增强了系统的鲁棒性和自适应性；经过与PI控制方法和传统双幂次趋近律滑模控制方法进行仿真实验比较，结果表明本文所提出的控制方法不仅解决了控制系统超调问题，而且提高了系统的响应速度和鲁棒性，有效地削弱了系统的抖振；同时搭建激光切割实验平台，通过在滚珠丝杠副激光切割平台上的激光切割实验，发现最佳的激光切割深度范围为电池片厚度的1/2～2/3，最佳的激光切割速度为200 mm/s。在此基础上，采用PI控制方法、传统双幂次趋近律滑模控制方法和本文所提出的控制方法进行电池片激光切割，实验结果表明，通过对比分析由金相显微镜获得的切割后电池片切缝图像，由本文所提出控制方法所得的电池片切缝平整，验证了本文所提控制方法在激光切割速度控制性能上的优越性。  
        关键词：PI控制器;滑模控制;增益;双幂次趋近律;模糊控制;激光切割   
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        发布时间：2024-01-08
      • 胡琼,朱敏俊,王衍,唐晓康,徐维聪,郑小清
        2020, 52(1): 153-160. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801283
        摘要：为进一步提升双向旋转干气密封的密封性能，设计了一种在流体动压型槽槽底开设径向有序微造型的枞树型槽干气密封。基于气体润滑理论，建立3维润滑气膜模型，采用Fluent软件进行流体仿真，对不同结构和工况参数下有无微造型的流体型槽端面密封性能参数（开启力Fo和压漏比Fo/Q）进行对比分析。研究结果表明：径向有序微造型设计在低速时具有良好的开启性能提升作用，有助于改善启停阶段的端面磨损问题，在小槽深高转速时还可以较大提升Fo/Q；有序微造型的存在可以减小气流振荡，提高了运行的稳定性；微造型宽间比Bm/Cm=1时的密封性能最好；膜厚δ=2 μm时，微造型深度ε取1.0～1.3 μm，可使激光开槽效率最高且兼具优良密封性能；微造型设计在进出口压差（∆P）较大时能够更有效地提升Fo和Fo/Q；有序微造型的存在几乎不影响δ、hg、N和∆P对枞树型槽干气密封作用效果的总体规律。  
        关键词：有序微造型;激光加工;干气密封;数值模拟   
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        发布时间：2024-01-08
      • 蒋进科,方宗德,刘红梅
        2020, 52(1): 161-167. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801093
        摘要：斜齿行星传动在高速重载场合中应用越来越广泛，其动载特性研究对减振降噪具有重要意义。正确地描述行星齿轮系统的啮合刚度和啮合误差是进行动力学分析的前提。为此，紧密结合齿轮几何分析与力学分析，提出行星齿轮承载接触分析技术，获得各齿轮副的耦合时变啮合刚度，并计算其啮合冲击力，为行星齿轮动力学深入分析奠定基础；其次，应用集中参数法建立考虑齿轮副安装误差、刚度激励及啮合冲击激励的斜齿行星传动啮合型弯–扭–轴动力学模型，采用数值法求解系统的动载特性。结果表明：考虑啮合冲击激励时，随转速的增加动载荷增加更为明显；共振转速附近，啮合冲击对动态啮合力的影响较小；安装误差特别是中心距误差是引起各齿轮副啮合刚度不同的主要原因，其进一步导致了系统的共振转速变多；行星轮浮动可以明显降低共振转速处的动载荷，由于各外（内）齿轮副刚度的不同，随转速的增加行星轮浮动使得部分齿轮副的动态啮合力明显降低。  
        关键词：斜行星齿轮;动载荷;承载接触分析;啮合冲击;啮合刚度;均载系数   
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        发布时间：2024-01-08

        化学工程与材料工程

      • 曲兵,康禄华,李忆雯,严岩,孙维义,苏仕军
        2020, 52(1): 168-174. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801099
        摘要：利用软锰矿进行烟气脱硫或湿法冶金技术研究时，因其既可控制大气污染物二氧化硫亦可回收锰资源而备受关注。然而，反应过程会生成影响脱硫尾液中硫酸锰品质的副产物连二硫酸锰（杂质），如何回收或去除该杂质是新技术研发和推广的难题。作者提出了连二硫酸锰先经碳酸氢钠碳化得到连二硫酸钠和碳酸锰，两产物分离后，结合低温热解的方法将连二硫酸钠制备成无水硫酸钠；实验考察了热解制备过程的各产物和控制反应步骤的温度，进而推理出动力学参数和反应机理。热解实验结果表明：255 ℃是连二硫酸钠热解制备无水硫酸钠的最佳热解反应温度，并且热解反应过程经历脱硫和脱水两大步骤；热解产物的X射线衍射（XRD）和离子色谱（IC）表征结果表明：最终产物为单一相的立方体结构硫酸钠晶体。利用热重示差扫描热分析（TG–DSC）对连二硫酸钠热解过程进行表征，结合Kissinger微分法和Coats–Redfern积分法对热解法脱水和脱硫过程中的活化能进行推算，脱水和脱硫活化能分别在14.75～18.11 kJ/mol和132.61～137.18 kJ/mol范围内。热解尾气测定结果表明：连二硫酸钠热解制备无水硫酸钠时释放出的尾气主要为二氧化硫。因此，经低温热解工艺处理软锰矿脱硫尾液中连二硫酸根的方法是可行的，不仅可以避免液相处理工艺中酸性废水产生的问题，还可以利用热解制备过程中的尾气去除残留的碳化剂（碳酸钠），以达到资源化回收目的。  
        关键词：连二硫酸锰;硫酸钠;碳化;热解过程;回收   
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        发布时间：2024-01-08
      • 杨继,杨柳,汤建国,刘志华,陈永宽,缪明明,唐彬,李晖
        2020, 52(1): 175-183. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801047
        摘要：利用分子荧光光谱法、紫外可见吸收光谱法结合分子模拟对接技术，重点围绕烟碱（NIC）两种对映体S–NIC和R–NIC对胃蛋白酶（PEP）的荧光猝灭机理、结合常数、结合模式及对酶的活性和二级结构的影响等展开了研究。Stern–Volmer方程拟合结果显示，S–NIC和R–NIC两种对映体与PEP作用时的猝灭常数（Ksv）均随温度的增大而增加，表明二者均通过动态猝灭方式使PEP的内源性荧光强度降低，R–NIC对PEP荧光的猝灭能力明显比S–NIC强，此结果得到紫外可见吸收光谱实验的进一步验证。有效结合常数（Ka）分析可知，R–NIC与PEP的结合明显优于S–NIC。由Arrhenius方程求得S–NIC和R–NIC两种对映体与PEP相互作用的活化能（Ea）分别是12.67 kJ/mol和2.65 kJ/mol，表明R–NIC与PEP碰撞结合更强烈，疏水作用力在此过程中均起主要作用。同步和3维荧光结果表明，NIC两种对映体均诱导PEP的微环境和构象发生部分变化。酶活性研究发现，PEP活性随S–NIC及R–NIC浓度的增加而逐渐降低，相同浓度下R–NIC的抑制比S–NIC更为显著。分子对接结果是：两种对映体在PEP分子中具有相同的结合位点，二者均结合在蛋白分子N端和C端之间的沟槽内。  
        关键词：烟碱对映体;胃蛋白酶;作用机理;分子光谱;分子对接   
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      • 梁龙强,黄微波,武迪,吕平,丁国雷
        2020, 52(1): 184-190. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900318
        摘要：隔离自由阻尼是在传统的自由阻尼结构上建立的一种减振处理方法。以隔离自由阻尼理论为基础，提出以硬质聚氨酯泡沫作为隔离层、橡胶为阻尼层制备用于抑制结构振动的聚氨酯–橡胶隔离复合阻尼材料。利用模态叠加原理和Lagrange方程，在考虑阻尼层剪切变形的基础上，推导出隔离自由阻尼悬臂梁的控制方程。在钢板悬臂梁上敷设隔离层与阻尼层厚度比值为1～3以及具有分段式隔离层的聚氨酯–橡胶复合阻尼材料，并通过单点锤击实验从幅频曲线、复合损耗因子、模态频率等方面对悬臂梁模型的减振性能进行对比分析。结果表明：隔离层与阻尼层的厚度比值由1增加至3时，模型的振动响应峰值降低了13%～62%，同时损耗因子明显升高；当厚度比超过1.5时，材料对模型低阶模态的减振效果持续提高，而高阶模态的减振效果趋于稳定；分段式隔离层的设计降低了隔离层的抗弯刚度，扩大了阻尼层的处理面积，模型振动响应峰值降低了16%以上，且并未显著增加阻尼处理的附加质量。研究结果表明：在聚氨酯–橡胶隔离复合阻尼材料的阻尼层厚度不变的情况下，增大隔离层与阻尼层的厚度比有助于提高复合阻尼材料的减振性能；分段式隔离层的设计能够进一步改善复合材料的阻尼性能。  
        关键词：隔离阻尼;分段式隔离层;自由阻尼;减振   
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        发布时间：2024-01-08

        信息工程

      • 阮树骅,潘梵梵,陈兴蜀,罗永刚,吴天雄
        2020, 52(1): 191-197. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900255
        摘要：Spark的配置参数对作业运行性能有较大影响，针对配置参数种类多、参数搜索空间大、参数间相互影响导致人工配置参数调优效率低下的问题，提出了一种Spark作业配置参数智能优化方法。首先，在Spark众多配置参数中选择对作业运行性能影响较大的关键配置参数，建立典型Spark作业的运行数据集，利用支持向量回归算法，构建作业性能预测模型，通过改变数据集的规模，对比分析了模型预测值和作业的真实运行时间，模型评估指标证明了作业性能预测模型的有效性和准确性。其次，基于作业性能预测模型，设计并实现了基于爬山算法、模拟退火算法、递归随机搜索算法以及粒子群算法的配置参数优化算法，并对4种算法的求解质量进行对比分析，实验表明递归随机搜索算法在3种不同类型的作业上收敛结果较优且标准差较小，证明该算法对不同类型作业的适应性较强、稳定性较好。将本文的智能优化配置与传统经验优化配置相比，实验结果表明，智能优化配置为典型Spark作业分别带来了4%、15%、22%的平均性能提升，证明智能优化配置能够高效地获取到具备较好作业适应性的配置，提升作业运行性能。  
        关键词：Spark;配置参数;性能预测;智能优化   
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        发布时间：2024-01-08
      • 岳希,唐聃,舒红平,安义文
        2020, 52(1): 198-202. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900205
        摘要：针对根据用户的活动行为向其推荐感兴趣项目的协同过滤推荐算法，随着用户数量和项目数量增多，用户在单一项目上的活动行为减少，导致推荐质量不佳的问题，本文提出了在数据稀疏的情况下提高推荐质量的优化算法。将基于项目和基于用户的推荐方法相结合，根据用户之间的相似度初步预测用户对项目的评分，再基于项目之间的相似度产生推荐；在填补未评分的空缺值时，将平均值与预测值相结合；在计算相似度时，考虑用户之间共同评分的项目数权重和项目之间被用户共同评分的用户数权重。实验首先对比了几种基本推荐算法的推荐效果以选取较佳的基本算法进行研究，接着将本文提出的优化算法与其他算法进行了对比，最后不同程度地增加数据稀疏性进一步进行对比。结果表明：在优化算法的实验中，本文提出的优化算法一直具有较好的推荐效果；在数据稀疏性改变的实验中，随着数据稀疏度的增大，本文提出的优化算法推荐效果更具有明显优势。  
        关键词：稀疏性;推荐算法;相似度;优化   
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