最新刊期
      2020 年 第 52 卷 2 期

        科学前沿

      • 谢和平,张国庆,罗通,高明忠,李存宝,刘涛
        2020, 52(2): 1-9. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000082
        摘要：开展月球取芯是人类探索月球、获取月球地质信息、了解地月系及太阳系起源与演化的重要举措。针对目前人类月球取芯存在的“取不深”“取不真”的技术瓶颈，从月球月壤/月岩地质成分与特性入手，在国际上首次提出月球大深度保真取芯探矿思路，在综合考虑大深度取芯钻杆搭接、取芯机器人构型设计、取芯过程自掘进与支撑、原位保真取芯控制、样本原位封装与返回等要素的基础上，提出月球大深度保真取芯探矿机器人系统构想。针对所提出的构想进行机器人系统实施技术方案设计，具体设计了多级分段式取芯器、自掘进取芯机器人、柱坐标取芯器存储机器人、气压轴向推进与气压支撑、旋转复合超声冲击钻进、保真膜及微流道原位环境控制、蜂窝状样本保真腔、月球样本保真返回等技术实施方案。基于上述构想及技术实施方案，本文系统总结了月球大深度保真取芯机器人系统设计需解决的关键技术问题及解决思路。本研究将为人类进行月球及其他行星大深度保真取芯探矿提供技术方案参考。研究成果将有助于人类真实地了解月球深部原位地质信息，为月球演化科学探索提供技术支撑。  
        关键词：月球;大深度保真取芯;机器人;月球探测   
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        发布时间：2024-01-08

        聚焦国家重点研发计划

      • 蔡耀军,杨兴国,张利民,周家文,彭文祥,范刚
        2020, 52(2): 10-18. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900918
        摘要：中国堰塞湖灾害具有发生频率高、分布范围广、受灾群众多、经济损失大的特点，提升堰塞湖灾害防灾、减灾、救灾能力是国家重大需求。目前，中国堰塞湖风险快速评估与应急抢险技术和装备研究尚处于起步和探索阶段：理论方面，对堰塞坝成生机制及溃决机理的认识尚不够清晰；技术方面，目前已有的堰塞湖风险快速评估方法及应急处置装备尚不能满足堰塞湖高效应急抢险的需求。针对堰塞湖风险快速评估与应急处置这一国家重大需求，拟运用现代地质学、水沙动力学与信息学等多学科综合交叉与融合的手段，以解决基于岸坡地质和运动过程分析的堰塞体形成机理和不同结构及变化环境下的堰塞体溃决机理两大关键科学问题，突破堰塞湖多源信息快速感知与动态识别和结构探测技术、基于携砂水流的堰塞体溃决过程模拟技术、考虑结构形态要素的堰塞湖致灾风险评估技术、堰塞湖高效排水疏通及堰塞体流道控制技术等四大关键技术，形成完善的堰塞湖风险评估体系及应急抢险成套技术和装备。通过开展堰塞体形成与溃决机理及溃决过程、多源信息快速感知与探测、险情应急监控与预警、致灾风险评估、高风险堰塞湖应急处置技术及应急抢险关键装备研发等6个方面的系统研究工作，破解堰塞湖成生机制及溃决机理研究难题，构建堰塞湖风险评估理论体系，最终形成成套的堰塞湖应急处置技术和装备，并进行示范应用，以期通过协作攻关研究提升中国堰塞湖应急处置与抢险水平，并为保障人民生命财产安全提供科技支撑。  
        关键词：堰塞湖;溃决机理;多源信息;风险评估;应急处置;装备研发   
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        发布时间：2024-01-08

        堰塞湖灾变机理与模拟

      • 郑鸿超,石振明,彭铭,周圆媛
        2020, 52(2): 19-28. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900946
        摘要：堰塞坝是由崩塌、滑坡、泥石流等斜坡失稳体堵塞河流而形成的天然坝体。中国是堰塞坝的高发区，在作者团队所统计的全世界范围内堰塞坝案例中，发生在中国的高达758例，占比59%。近年来，频发的地质构造活动和极端气候灾害（台风、暴雨、融雪等）诱发了大量的堰塞坝，严重威胁所在流域的生命财产安全。崩滑碎屑体堵江形成的堰塞坝通常结构松散、稳定性差、溃决程度大、溃决速度快，容易形成巨型洪灾，对下游生命财产造成更大危害。本文首先简要总结了一般堰塞坝堵江研究与崩滑型堰塞坝成坝特点，然后归纳了崩滑碎屑体运动及破碎机理和碎屑体堵江成坝机理，重点关注成坝过程中的颗粒分选和堆积形态规律。在此基础上，明确颗粒破碎和水流条件对坝体形态特征、物质组成和稳定性作用的研究较少。经过本文初步研究，得出崩滑碎屑体堵江通常有3种成坝模式：滑入型、爬高型和折返型，不同类型堰塞坝的稳定性具有显著差异。堰塞坝的稳定性与坝体关键特征参数（几何形态、坝体结构和物质组成）密切相关，而坝体特征参数又主要由崩滑体在运移过程中碰撞破碎和入河堵江时的固液耦合作用共同决定。考虑上述两种因素，结合物源性质、边坡地形、河谷及水流条件，拟开展成坝影响因素与堰塞坝的空间形态、结构特征及稳定性的内在关系研究，以便建立基于坝体稳定性快速评价的坝体特征预测模型。研究的开展可为堰塞坝形成前坝体特征的事先预测及堰塞坝形成后坝体稳定性的快速评估等方面的研究与实践提供重要理论依据。  
        关键词：堰塞坝;崩滑碎屑体;碰撞破碎;成坝特征;堰塞坝稳定性   
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      • 钟启明,陈生水,单熠博
        2020, 52(2): 29-37. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900830
        摘要：2018年10月10日和11月3日，在中国四川省与西藏自治区交界处的白格村同一位置连续发生两次滑坡，完全堵塞了金沙江形成堰塞湖。由于“10·10”滑坡形成的堰塞湖水位抬升迅速，堰塞湖于10月12日自然漫顶溃决。“11·3”滑坡堵塞了“10·10”堰塞体溃决形成的流道，形成了更大的堰塞湖，鉴于客观条件允许，采取了开挖泄流槽降低堰塞湖溃决水位的措施，至11月12日，堰塞湖发生漫顶溃决，溃口洪水峰值流量为31 000 m3/s。由于“11·3”白格堰塞湖溃决案例拥有较为完整的实测资料，为堰塞湖溃决过程的研究提供了宝贵的基础数据。基于堰塞体的溃决机理，建立了可考虑堰塞湖的水动力条件、堰塞体的形态和材料特征的堰塞湖溃决过程数学模型。该模型采用宽顶堰公式模拟溃口洪水流量，并根据堰塞湖入湖和溃口流量以及堰塞湖的水位–湖面面积关系曲线确定堰塞湖水位的变化；采用基于水流剪应力和堰塞体材料临界剪应力、可考虑宽级配堰塞体材料特性的冲蚀公式模拟材料的冲蚀过程；假设溃口在纵向下切和横向展宽过程中坡角保持不变，采用极限平衡法分析溃口在发展过程中发生的边坡失稳；采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟堰塞湖溃决时的水土耦合过程。采用作者建立的模型对“11·3”白格堰塞湖溃决案例进行反演分析后发现，本模型计算获得的溃口流量过程、堰塞湖水位变化过程、溃口发展过程与实测值基本吻合。参数敏感性分析表明：冲蚀系数对溃决过程具有重要的影响；残留坝高通过影响下泄库容也对溃决过程产生作用；开挖泄流槽可降低堰塞湖溃决时的库容，从而对溃口流量过程产生影响，是降低灾害损失的有效手段。  
        关键词：白格;堰塞湖;溃决;数值模拟;参数敏感性分析   
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      • 刘威,何思明
        2020, 52(2): 38-46. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901119
        摘要：滑坡诱发灾害链演化过程复杂，相比于单一滑坡灾害其危害性可通过时间和空间上的延拓得到极大增加，目前针对滑坡诱发灾害链演化动力特征的定量研究仍较为匮乏。为此，以滑坡—堰塞湖—溃决洪水灾害链为例，采用多物理模型耦合方法反映灾害链多物理过程特点，通过开展金沙江沃达滑坡诱发灾害链演化过程的预测模拟，定量评价了灾害链各阶段的动力特征，计算结果显示：滑坡起动后滑动速度高达38 m/s，入水后可诱发次生涌浪灾害，并在狭窄地形作用下最终堵塞河道，形成高69 m、长1.8 km的堰塞坝，滑坡影响范围可达2.1 km2，所形成的堰塞湖最大水深可达54 m；当堰塞湖水位超过坝顶高度时，发生漫顶溢流，进而引发漫顶溃决，可形成洪峰流量高达1.2×104 m3/s的溃坝洪水。此外，通过分析滑坡摩擦阻力系数和溃口侧面稳定系数两个关键因素变化对灾害链演化过程的影响，研究了灾害链各阶段之间的关联性。结果表明：滑坡摩擦系数变化不仅对滑坡运动的动力特征产生显著影响，还会影响后续所形成堰塞湖的特征，如水位高程及溃口位置等；坝体稳定性系数在影响滑坡坝溃决速度的同时，也会对后续溃决洪水的动力特征如峰值流量及最大流深等产生影响。由此可见灾害链阶段关联性是影响灾害链演化的重要因素。研究结果对滑坡诱发灾害链的防灾减灾具有重要支撑作用。  
        关键词：滑坡诱发灾害链;沃达滑坡;成灾过程;数值模拟;定量分析   
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        水利与土木工程

      • 薛素铎,鲁建,李雄彦,刘人杰
        2020, 52(2): 47-53, 94. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900197
        摘要：索桁张拉结构是索杆张拉结构中最有竞争力的空间结构型式之一，其形状判定和自应力模态求解是设计时的两个关键问题。通过对前人研究成果的整理与分析可知：索杆张拉结构的形状判定大都根据平衡矩阵理论进行求解，而平衡矩阵理论一般需要编程，不易被掌握；已有的求解自应力模态方法大都不能在有限元软件上直接应用。针对这些问题，提出基于合理位形改进的逐点去约束法以求解索桁张拉结构的合理形状和自应力模态。该方法首先基于索桁张拉结构所具有的独特的拓扑关系，从合理位形出发推导了形状判定的简洁判断公式。然后 ，通过对逐点去约束法的研究，提出改进的逐点去约束法以求解索桁张拉结构的自应力模态。本文方法基于先形状判断后自应力模态求解的思路，可一次性确定结构的合理形状和自应力模态，回避了原方法中先求解自应力模态后判断形状的反复求解的缺点；同时不使用原方法中的生死单元技术，保证了求解过程的收敛；消除了因生死单元技术而产生的累计误差，提高了计算精度；避免了坐标转换，简化了求解流程；改进的方法可在有限元软件上直接应用。算例表明改进的方法具有系统的求解流程，且收敛快、精度高，为索桁张拉结构的形状判定与自应力模态求解提供了一种思路。  
        关键词：索桁张拉结构;改进的逐点去约束法;有限元软件;形状判定;求解自应力模态   
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      • 焦华喆,刘晨生,吴爱祥,沈慧明,杨亦轩
        2020, 52(2): 54-61. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900175
        摘要：资源绿色开采是矿业可持续发展的必然需求，随着深部井下开采技术的提高，充填采矿法已成为矿山开采领域必不可少的有效手段。全尾砂絮凝脱水作为充填采矿法的核心，以深锥浓密机探究全尾砂絮凝沉降规律是目前全尾砂浓密理论发展的前沿技术，深锥浓密过程中给料井初始湍流强度与耙架转速是影响全尾砂絮团尺寸与沉降行为的关键因素。利用自制智能连续浓密试验平台，对深锥浓密机内真实沉降环境进行模拟。结合高速摄像与粒子追踪技术，深入研究给料井内的絮团形成过程与沉降柱内的絮团沉降过程。采用MATLAB及ImageJ分析软件，研究了给料井（高度10 cm，横截面直径分别为4、5、6 cm）内初始湍流强度对絮团尺寸的影响，分析了不同剪切环境下絮团沉降行为规律。结果表明：在固体絮凝剂单耗（20 g/t）、入料浓度（10%）和固体通量（0.1～0.3 t/(h·m2)）一定的条件下，给料井横截面直径分别为4、5、6 cm时，对应的最大初始湍流强度分别为28.66%、25.99%、23.16%。絮团尺寸随初始湍流强度的增加而先增加后减小；当初始湍流强度为25.99%时，全尾砂絮团尺寸达到最大6.21 mm。剪切作用可加速絮团的沉降，相同条件下，耙架转速为0时，絮团沉降速度为1.23 cm/s；耙架转速为4 r/min时，絮团沉降速度为4.92 cm/s；耙架转速为8 r/min时，絮团沉降速度为3.36 cm/s。  
        关键词：全尾砂絮团;初始湍流强度;絮团尺寸;剪切作用;絮凝沉降   
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      • 刘鑫,孙东宁,盛柯,洪宝宁,濮仕坤
        2020, 52(2): 62-69. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801434
        摘要：基于声波透射测试原理，针对气泡混合轻质填料路基的验收评估，探索建立适用气泡混合轻质填料的无损测试方法，采用ZBL–U510型非金属超声检测仪对不同龄期、不同配合比、不同裂缝分布的气泡混合轻质填料进行超声检测试验。试验结果表明：超声检测仪输入脉冲宽度0.04 ms，采样长度512点，采样周期0.4 μs，发射电压500 V时，检测速度及检测结果的稳定性较好；波速与龄期呈正相关，波幅随龄期增长先减小后增大，主频与龄期无明显相关性；波速与填料强度呈正相关，波幅和主频与填料强度无明显相关性；气泡混合轻质填料试块内部存在单条裂缝时，沿裂缝法向检测，波形图呈畸变现象，频谱图呈多峰现象，主频值衰减，沿裂缝切向检测，仅波形图呈畸变现象；存在多条裂缝时，裂缝数越多、裂缝形式越复杂，波形图越紊乱，主频值越低；建立了基于波速的强度预测模型、基于波速、龄期的强度预测模型和基于波速、配合比的强度预测模型，3种模型的强度预测值和实测值的误差均满足正态分布，并通过现场测试试验对模型进行了验证。基于声波透射原理建立的无损测试方法，可通过声参量判断气泡混合轻质填料强度以及填料内部是否存在裂缝等缺陷，该测试方法适用于室内测试试验，为气泡混合轻质填料路基现场测试中的应用提供了试验研究基础。  
        关键词：气泡混合轻质填料;声波透射法;超声检测;抗压强度;裂缝;强度预测模型   
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      • 李晓英,郑浩然,吴淑君,娄健
        2020, 52(2): 70-77. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900441
        摘要：为协调流域洪水资源利用与洪水资源调控利用能力和下游生态需水量两个约束之间的关系，在现有研究的基础上，进一步提出基于二元极限理论的流域洪水资源利用现状与潜力分析方法：1）认为洪水资源可利用量是洪水资源调控利用能力和下游生态需水量的函数；2）认为洪水资源利用潜力也是洪水资源调控利用能力和下游生态需水量的函数。对其概念和方法进行阐述，并通过二元极限理论分析两个因变量和两个自变量之间的关系。以淮河流域吴家渡水文站以上区域为例计算相关指标，结果表明：1956—2016年区域平均洪水资源利用率为24.7%，利用率波动幅度较大，但是随着时间的发展，整体趋势在不断提高。平均现状可利用量和理论可利用量分别为72.4×108 m3和183.53×108 m3，平均现状利用潜力和理论利用潜力分别为34.76×108 m3和145.89×108 m3。说明吴家渡以上区域，现状条件下存在大量洪水资源待开发利用，理论条件下更多。洪水资源调控利用能力每增加20×108 m3，洪水资源可利用量增加15×108 m3，利用潜力增加16×108 m3；下游生态需水量每增加20×108 m3，洪水资源可利用量减少5×108 m3，利用潜力减少3×108 m3。说明洪水资源可利用量和利用潜力主要受洪水资源调控利用能力约束，提高调控利用能力是提高该区域洪水资源利用水平的关键。通过二元极限理论分析流域洪水资源利用现状和利用潜力，可以为洪水研究和流域管理提供参考。  
        关键词：洪水资源可利用量;洪水资源利用潜力;下游生态需水量;二元极限理论;淮河流域   
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      • 高永胜,叶龙,王以逵,许泽星,王协康
        2020, 52(2): 78-85. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900422
        摘要：河流交汇区干支来流的混掺作用，致使该区域水流结构呈现显著的3维特征。基于都江堰深溪沟与白沙河交汇河段的物理模型资料，利用3维数值模拟技术，探讨了深溪沟与白沙河交汇区的水流结构特性。结果表明：干流汇口处断面的水面线在入汇右侧出现突变，下游附近水面线呈现左岸高于右岸的趋势；支流流量越大，交汇区下游断面的流速就越大，水位就越低；无论支流是否来流，在交汇区入汇下游右岸附近都会形成不同范围的水流分离区，各流量组合条件的分离区顶端形状变化明显，且分离区的几何尺寸参数随水位高程的降低而减小。  
        关键词：河流交汇;物理模型;数值模拟;水流结构;分离区   
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      • 陈栋,渠庚,郭小虎,余明辉
        2020, 52(2): 86-94. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900385
        摘要：自然通江的洞庭湖与长江间复杂的关系影响着下荆江尾闾河段的水文情势变化。三峡建库后洞庭湖出口基准面的变化，使得湖对江的顶托与消落关系发生调整，进而影响防汛抗旱与生态保护。从水面比降变化出发，以顶托消落比表征湖对江的顶托消落作用，利用1991—2017年监利站、螺山站、七里山站水文资料，分析洞庭湖对下荆江顶托、消落作用及其变化规律，并根据平衡比降公式，从理论上解释了蓄水前后比降变化的合理性。结果表明：蓄水后监利—城陵矶、城陵矶—螺山水面比降均有所增大。3个时期即：1991—2002年、2003—2007年、2008—2017年以来，监利—城陵矶河段年内月最小水面比降的出现时间有所推迟，对应的城陵矶水位有所升高，汇流比有所减小，湖对江的顶托作用有所减弱。1991—2017年湖对江综合表现为顶托作用，3个时期顶托消落比减小的原因为顶托作用减弱而非消落作用增强。从年内变化看，湖对江表现为消落作用出现在汛后（9—10月）及2008—2017年枯水期（1—3月）。3个时期顶托消落比均受汇流比的影响，当汇流比小于0.5，洞庭湖易产生消落作用；当汇流比大于1，洞庭湖顶托作用增强。当长江流量小于6 000 m3/s，湖对江均表现为顶托作用。1991—2002年顶托消落作用主要受洞庭湖出流的影响，而2008—2017年主要受长江干流流量的影响。研究结果可为江河湖泊治理与保护提供科学依据。  
        关键词：顶托消落比;洞庭湖;下荆江;水面比降   
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      • 朱自强,祁玲,杨宝全,陈媛,张林
        2020, 52(2): 95-102. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900809
        摘要：地质力学模型试验是研究大坝稳定安全的重要手段之一，其通过选择一定的超载频度进行逐级超载，获得模型大坝的变位、应变、破坏过程和破坏形态等结果，从而综合评价原型大坝工程的稳定安全性。因此，超载频度的选择直接影响试验结果的可靠性，需要进行深入研究。针对超载频度对模型试验成果的影响程度及超载频度的合理取值等问题，开展了不同超载频度（ΔP=0.2P、0.5P、1.0P）的地质力学模型试验，研究超载频度对大坝稳定地质力学模型试验结果的影响。结合数值计算和刚体极限平衡法的结果，确定了超载频度的合理取值，即ΔP=0.2P。在此基础上，将研究结果运用到丹巴水电站典型坝段坝基稳定分析中，通过模型试验获得了坝与地基的变位分布特征、变位关系曲线规律、破坏过程及破坏形态，提出了丹巴水电站典型坝段超载稳定安全系数，评价了丹巴水电站典型坝段的坝基稳定性和安全性，研究结果为大坝稳定地质力学模型试验的加载方式提供科学依据。  
        关键词：大坝稳定;地质力学模型试验;超载频度;影响程度;合理取值;工程应用   
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      • 王建新,杨贵,刘汉龙,唐新军
        2020, 52(2): 103-109. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901097
        摘要：混凝土–堆石组合坝主要由上游混凝土墙与下游俯斜式堆石体构成，作为一种新型坝体结构，目前对其地震土压力的研究鲜有报道。对此，开展混凝土–堆石组合坝大型振动台物理模拟试验研究，分析地震作用下墙体的位移、动土压力及合力作用点的分布规律等。研究结果表明：1）混凝土–堆石组合坝中上游墙体的位移量相对较小，墙体顶部位移比墙底大，呈现出RBT（绕墙体底部转动）的位移模式。2）墙底动土压力与输入的地震波相比具有明显的滞后性。3）墙背的总动土压力随着峰值加速度（PGA）的增大而增大，当PGA ≤ 0.2g时，总动土压力沿墙高近似呈线性分布；当PGA ≥ 0.4g时，总动土压力呈现出明显的非线性分布规律。4）受俯斜式堆石体及墙体位移模式的影响，在地震烈度8度以下，混凝土–堆石组合坝中上游墙体合力作用点普遍低于M–O理论规定的0.33H；但在地震烈度8度以上，合力作用点趋近又高于0.33H。试验结果初步揭示了混凝土–堆石组合坝中上游墙体的位移及动土压力响应特征，为其在地震作用下的抗震设计等提供参考。  
        关键词：水利工程;混凝土–堆石组合坝;大型振动台;位移模式;动土压力   
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      • 王媛,李泽发,吴震宇,范雪枫,田紫圆
        2020, 52(2): 110-120. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900952
        摘要：由于结构损伤状态的演变是一个逐渐过渡的过程，以及分析认知的模糊性，重力坝地震损伤状态的阈值具有模糊性，会影响重力坝损伤状态的评价结果。本文提出了损伤状态阈值的模糊区间和损伤指标隶属度函数的构建原则，构建了描述重力坝损伤状态阈值模糊性的数学模型，结合坝与地基系统的非线性有限元地震动力分析和Hariri–Ardebili的损伤状态量化方法，提出了重力坝模糊地震易损性分析方法。将提出的方法应用于Pine Flat重力坝，从地震记录数据库中选取60条地震波，对Pine Flat重力坝进行增量动力分析，计算不同地震动输入下坝体损伤指标并确定相应的损伤状态，研究了隶属度函数形式和损伤状态阈值模糊区间的大小对Pine Flat重力坝地震易损性的影响。结果表明：损伤状态阈值模糊区间的大小对Pine Flat重力坝地震易损性的影响较大，而隶属度函数形式的影响较小。受坝体损伤指标随机分布特征影响，损伤状态阈值的模糊性导致Pine Flat重力坝轻度损伤状态的超越概率明显增加，而接近倒塌损伤状态的超越概率有所降低。因此，在重力坝地震易损性分析中应该考虑损伤状态阈值模糊性的影响。  
        关键词：重力坝;地震易损性;损伤状态模糊性;非线性动力分析;动力响应   
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        机械工程

      • 吕志忠,张成维,钟功祥,张伟杰
        2020, 52(2): 121-129. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801377
        摘要：为实现爬壁机器人在不同曲率的铁基壁面上可靠吸附和自由运动，设计了一种能够全方位运动的四足磁吸附爬壁机器人。首先，运用修正的Grübler–Kutzbach（G–K）公式对机器人进行了自由度分析。然后，采用Denavit–Hartenbery(D–H)法建立了机器人行走腿的连杆坐标系，分析了行走腿的正逆运动学。接着，将机器人视为并联机构，分析了运载平台的正逆运动学，给出了逆运动学的解析解，并使用了一种基于牛顿法求解含有冗余方程的数值算法得到了正运动学的数值解，建立了完整的机器人运动学数学模型。为了验证所建数学模型的正确性，使用 MATLAB根据所建数学模型编写计算程序，在 MATLAB和Adams中分别做了相同的正逆运动学仿真对比验证。最后，使用螺旋理论得到了机器人的雅可比矩阵，结合Grassmann线几何理论分析了机器人的正逆运动学奇异位形，并验证了非冗余驱动时的一种正运动学奇异位形，给出了避免奇异性发生的方法。自由度分析结果表明，运载平台具有6个自由度，能够完成空间全方位运动，机器人的结构设计合理；MATLAB和Adams的仿真结果一致，并且正逆运动学能够相互验证，说明了所建的数学模型的正确性，为机器人的运动控制、轨迹规划提供了理论基础；奇异性分析得出了机器人的奇异位形，为避免机构奇异性的发生提供了方向，利用逆运动学奇异性实现了无功耗静止。  
        关键词：四足机器人;并联机器人;运动学;数值解;螺旋理论;奇异性   
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      • 郭世杰,张东升
        2020, 52(2): 130-139. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801440
        摘要：五轴机床旋转轴之间装配所导致的位置无关几何误差（position independent geometric error，PIGEs）是决定机床精度的关键因素，如何量化PIGEs对位姿精度的影响程度以及误差项之间的耦合作用强弱，从而合理地确定补偿值的权重系数是目前机床误差补偿技术所关注的热点问题。为降低五轴机床装配导致的PIGEs对机床精度的影响，首先，基于多体系统理论及齐次坐标变换方法建立了混合式五轴机床几何误差综合模型，表征了空间误差向量与几何误差项之间的映射关系。其次，考虑几何误差的分布特性，引入Morris全局灵敏度分析方法量化几何误差的作用效果及误差参数间的耦合强弱，通过灰色关联度分析表征误差的敏感性系数与位置向量、姿态向量间的关联程度，基于分析结果确定位置无关几何误差补偿值的权重系数。最后，以摆头–转台为特征的混合式五轴机床为例，进行基于球杆仪(double ball bar，DBB )的几何误差测量辨识实验，利用辨识值进行虚拟圆锥台轨迹测量、误差补偿和复杂曲面零件加工实验。结果显示：10项几何误差对姿态误差的直接作用效果最为明显，利用基于敏感性分析的修正补偿值进行误差补偿后，虚拟圆锥台测量轨迹的半径偏差减小了65.1%，圆度误差降低了58.8%。基于误差分析实施误差补偿后，“S”型工件的轮廓精度平均提升了49.9%，误差补偿结果验证了误差分析结果的准确性和有效性。  
        关键词：五轴机床;旋转轴;位置无关几何误差;误差分析;误差补偿   
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      • 赵京,王炎,陈雨青
        2020, 52(2): 140-147. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801317
        摘要：PD控制是在工业生产过程控制中，应用比较广泛，结构最简单的控制策略之一。传统的PD控制侧重于控制系统的稳态性能，而对系统的动态性能（包括超调量和收敛速度等）控制不够，如果想要提高响应速度就会使超调量变大，加剧响应振荡；如果想要超调量小，可能又会使响应速度变慢。响应速度与超调量似乎是一对比较矛盾的性能参数，单纯使用传统的PD控制，很难做到提高响应速度的同时降低超调量。所谓预设性能控制，指的是控制误差的收敛速度及超调量满足预先设定的条件，同时把控制误差收敛到一个预先指定的比较小的区域内。本文将PD控制与预设性能控制相结合，利用简单的PD控制结构和以对数形式误差变换为基础的预设性能函数来设计机械臂运动控制器， 该控制器在设计的过程中可以预先设定稳态误差，而不像传统的PD控制器要通过多次的参数整定及调试后才能逐步减少控制误差。因此，本文提出的控制算法设计过程较简洁方便，具有较精确的控制精度和较快的响应速度，同时还能把超调量控制在合理的范围内。通过空间三关节机械臂的建模仿真分析，改进后的预设性能PD控制与传统PD控制相比，响应速度提高了40%左右，超调量减少了10%左右。通过4自由度Dobot机械臂的样机实验分析，改进后的预设性能PD控制与传统PD控制相比较，响应速度提高了20%左右，超调量减少了5%左右，因此该算法对控制系统动态响应性能的改善是比较明显的。  
        关键词：机械臂;预设性能函数;运动控制;PD控制   
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      • 王立平,段飞宇,佀 　昊,杜丽,袁星
        2020, 52(2): 148-152, 191. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801384
        摘要：在五轴侧铣加工铣削力建模中，瞬时未变形切屑厚度的计算是铣削力预测的关键环节，直接影响着铣削力预测的精度与效率。为了提高铣削力的预测精度与效率，基于五轴机床空间运动分析，并考虑刀具径向跳动因素，提出了一种五轴侧铣加工瞬时未变形切屑厚度模型。首先，分析了五轴侧铣加工中铣削刃随刀具旋转、摆动与平移的复合运动规律，得到在不同刀位点处各切削刃的坐标位置；其次，考虑刀具径向跳动因素，提出了一种瞬时未变形切屑厚度的快速计算方法；最后，结合参数化厚度补偿的思想，对求解出的瞬时未变形切屑厚度进行修正，建立了一种等效厚度模型。将本文提出的等效厚度模型与现有的圆弧模型和线性迭代精确模型应用于算例中进行仿真。结果表明：等效厚度模型更加接近迭代精确值，平均误差率仅为1.37%，其与圆弧模型的平均误差率相比降低了8.35%，一定程度上提高了瞬时未变形切屑厚度的预测精度；在保证了预测精度的前提下，该模型相比于线性迭代模型将瞬时未变形切屑厚度的预测效率提高了10倍以上，在五轴侧铣加工铣削力预测中具有良好的应用前景。  
        关键词：瞬时未变形切屑厚度;五轴侧铣加工;刀具径向跳动;参数化误差补偿   
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      • 殷勤,王玲,殷国富,廖启豪
        2020, 52(2): 153-157. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801357
        摘要：数控旋压机床是集旋压、自动化机械、液压伺服控制等多项先进技术为一体的机床产品。数控旋压机床进行旋压件加工时的精度取决于加工过程中旋轮与芯模的相对间隙。随着数控旋压机床在加工过程中旋轮空间位置姿态的不断变化，旋轮架结构构形及轴间耦合作用也随之发生改变，导致旋压机机床动态特性预测具有复杂性和不确定性。针对企业提升大型双轮数控旋压机床动态性能的需求，基于虚拟样机技术，构建了考虑机床结合部动态特性参数的旋轮架系统动力学有限元模型，并基于实际加工工况进行模型边界条件设置。以1阶固有频率为主要参考指标，基于有限元分析模型修正法对旋轮架在广义加工空间中的不同位置进行了模拟模态分析和实验模态分析，研究了旋轮架的动态特性与广义加工空间位置姿态变化之间的关系。数字仿真分析和实验结果表明：对旋轮架1阶固有频率来说，不同位置点的模拟模态值与实验模态值总体吻合较好，平均误差率为2.21%；系统的1阶固有频率、振型及阻尼比随位置姿态的改变而变化；不同位置之间的最低与最高固有频率相差26%左右；X轴坐标越居中，Z轴坐标越大，旋轮架固有频率越低，旋轮振幅越大。证明旋轮架的不同空间位置姿态对旋压机床的动态特性影响较大。所得结论可以用于研制新型旋压机床、优化加工路线和设计最优加工位置。  
        关键词：机床动态特性;旋轮架;广义加工空间;固有频率   
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        发布时间：2024-01-08
      • 吕金洲,陈光雄,朱琪,赵晓男,吴波文
        2020, 52(2): 161-170. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801324
        摘要：测力系统（FMS）在脉冲燃烧风洞中试验时，天平刚度会对其输出结果产生重要影响。为研究该问题，首先对测力系统进行了简化，并给出了相应的动力学方程；其次，对不同刚度的测力系统（FMS–A、FMS–B和FMS–C）进行了虚拟标定和模态分析，获得了两者的刚度矩阵和模态参数；最后，对FMS–A、FMS–B和FMS–C进行了瞬态仿真分析，获得了相应的动态输出。计算结果表明：惯性补偿前，测力系统均值测量精度普遍高于93.00%，惯性补偿后均值测量精度超过99.60%，但相同加载时测力系统均值输出结果相差很小，证明天平刚度对测力系统均值测量精度的影响较小。同时，瞬时输出结果与输入载荷基本一致，FMS–A轴向力、法向力和俯仰力矩的瞬时测量精度分别高于85.13%、80.14%和68.40%，FMS–B各分量的瞬时测量精度分别高于85.90%、83.48%和69.90%，FMS–C各分量的瞬时测量精度分别高于85.91%、89.05%和74.67%，表明在一定范围内，测力系统瞬时测量精度随着天平刚度的增大而提高。  
        关键词：测力天平;测力系统;刚度;惯性补偿;测量精度   
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        发布时间：2024-01-08
      • 郑涛,郑飞,芮喜,季祥,牛魁,何洁
        2020, 52(2): 171-179. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801424
        摘要：视日追踪系统能够显著地提高光伏板接收太阳能的效率。相较于串联式，并联式视日追踪系统以其追踪精度高、功耗小和耗材少等优点在太阳能追踪中具有很大的应用潜力，但相关研究尚属起步阶段且并不能满足实际需求。基于3-RPS并联机构，提出了一种新型三伸缩杆驱动的光伏板视日追踪系统。其中，三根伸缩杆结构相同，且呈正三角形布置；每根伸缩杆的上端通过复合铰链与光伏板相连，下端通过转动铰链与基座相连；通过改变三根伸缩杆的长短驱动光伏板运动，实现对太阳的实时追踪。首先，结合太阳运动规律和3-RPS的机构性质，根据空间几何学，建立了追日过程中的相关数学模型。在此基础上，针对特定的追踪地点、日期和机构尺寸，对系统分别在夏至日和冬至日当天进行了仿真分析。进而，针对每条支链所需伸缩杆节数过多的问题，提出了动平台质心高度可动的控制策略。对于目前商业化球铰转动范围不足的问题，采用虎克铰链加转动铰链组成的复合铰链代替球铰的结构方案，同时，得到了复合铰链绕其各转动轴线的转动角度。然后，由于追日过程是一个缓慢的过程，通过建立系统的瞬时静力学模型，仿真得到了系统所需的驱动力和驱动功率，最大驱动力为164.65 N，总的最大驱动功率为2.94×10–3 W。最后，实施了系统的追日实验，验证了理论和仿真分析的正确性，同时得到了系统的追踪精度在±0.4°以内。  
        关键词：光伏板;三根伸缩杆;视日追踪;驱动系统   
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        发布时间：2024-01-08

        信息工程

      • 熊小峰,刘啸婵,郭肇禄,张文生
        2020, 52(2): 180-191. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900420
        摘要：针对传统差分进化算法在解决复杂优化问题时存在收敛速度慢的问题，提出了一种余弦适应性骨架差分进化（CABDE）算法，算法设计了一种新的变异策略适应性机制。该机制引入一个余弦适应性因子，实现高斯变异策略和DE/current-to-best/1变异策略的优势互补，以平衡算法的勘探能力和开采能力。其中，高斯变异策略具有较强的全局搜索能力，有利于维持种群多样性。DE/current-to-best/1变异策略具有较强的局部搜索能力，能够加快对较优区域的开采。同时，高斯变异策略和DE/current-to-best/1变异策略都利用当前最优个体来引导算法搜索方向，从而尽可能地加快收敛速度。余弦适应性因子在进化过程中随迭代次数的增加而波动性调整，为不同进化阶段适应性地选择变异策略。设计的变异策略适应性机制能够在维持种群多样性的同时加快收敛速度。为测试算法性能，采用18个不同特性的测试函数对算法进行数值实验。对CABDE算法的变异策略和参数动态变化进行了分析，实验结果验证了变异策略和参数动态变化的有效性。此外，CABDE算法分别与新近的骨架算法变体、差分进化算法变体、粒子群优化算法变体和人工蜂群算法变体进行了比较。实验结果表明，CABDE算法获得了较高的求解精度，加快了收敛速度，整体上优于其他比较算法。  
        关键词：差分进化;骨架算法;高斯变异;余弦适应性因子   
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        发布时间：2024-01-08
      • 吴文渊,郑嘉彤,冯勇
        2020, 52(2): 192-199. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900040
        摘要：采用可否认加密方案可以有效解决因敌手胁迫导致的信息泄露问题。目前，国内外学者提出的可否认加密方案，大多不能抵御量子计算机的攻击，且没有对方案的性能进行分析和实现。针对该问题，本文提出并实现一种基于容错学习困难问题（LWE）构造的可否认加密方案。该方案在具有抵抗量子攻击能力的同时，还可以将明文否认成任意的假明文，使得发送方可以抵御敌手的胁迫攻击。首先，利用LWE问题中的不可区分性质，在均匀空间中构建了一个密度很小的子集“模糊集”；利用低密度的“模糊集”构造比特0和1的密文，实现对明文比特的单向否认，同时降低了单比特解密时的误码率。然后，通过提出的一种明文编码方法，实现了对单个比特的双向可否认，使得发送方将原明文抵赖为任意的假明文。经理论分析可知，该方案具有可否认性，是IND–CPA安全的，且误码率和密文膨胀率不高。采用C++语言对该方案进行了实验实现。通过对大量比特流的加解密实验得到的平均误码率、密文膨胀率与理论分析相符合；与基于二次剩余的可否认加密方案进行对比，本方案在抗量子攻击上有着明显优势，加密效率提高了70%，密文膨胀率约减小了3倍。  
        关键词：抗量子攻击;可否认加密;公钥加密;模糊集   
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        发布时间：2024-01-08

        化学工程与材料工程

      • 苏福永,宋锐,温治
        2020, 52(2): 200-206. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801389
        摘要：在实际生产过程中，由于生成的氧化铁皮未能彻底清除，超低碳IF钢表面极易存在“丝斑缺陷”，严重影响了其表面性能。作者通过热重实验对超低碳IF钢在轧制过程中空气气氛下的氧化特性进行了实验研究，研究结果表明：超低碳IF钢的氧化程度与温度呈指数关系，且IF钢的氧化反应对温度的敏感性很高。在实验中，超低碳IF钢在炉温868、977、1 087和1 200 ℃，钢温868.4、976.9、1 087.4、1 199.5 ℃下，单位面积氧化增重分别为24.46、108、220和355 mg/cm2。通过对4种不同温度下氧化层的形貌和成分进行分析，发现钢温为868.4 ℃下氧化层表现出参差不齐的内外表面，界面处粗糙，且氧化层内部无孔隙。钢温为976.9 ℃时氧化层内部出现孔隙，氧化层与钢基体结合较紧密。钢温为1 087.4 ℃时氧化层表面平整，氧化层内部未出现孔隙，但钢基体表面出现明显氧化情况。钢温为1 199.5 ℃时氧化层内外表面平整，氧化层致密，内部未出现孔隙。氧化层的成分主要为FeO，Fe2O3和Fe3O4较小。  
        关键词：超低碳IF钢;氧化增重;形貌分析   
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      • 高贵,李瑞红,龚俊,王宏刚,杨东亚,任俊芳,陈生圣
        2020, 52(2): 207-214. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801441
        摘要：为了研究干摩擦条件下对偶面粗糙度对纳米粒子填充改性聚四氟乙烯（PTFE）摩擦学性能的影响，采用冷压成型、热烧结的工艺方法制备nano-SiO2填充改性PTFE复合材料；采用LSR–2M型往复摩擦磨损试验机评价了nano-SiO2改性PTFE复合材料与具有3种不同表面粗糙度的对偶钢块（GCr15）之间的摩擦学特性；利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）分别表征了转移膜及磨屑的形貌、微观结构以及化学成分，从微观角度揭示nano-SiO2改性PTFE复合材料的摩擦转移机理。试验结果表明：纯PTFE及不同含量nano-SiO2改性PTFE复合材料的摩擦系数随着对偶钢块表面粗糙度的增大整体呈现增大趋势，在粗糙度Ra为0.1的对偶表面上复合材料的摩擦系数随着nano-SiO2含量的增加变化相对较小；在3种不同粗糙度对偶表面上，nano-SiO2的加入均有效降低了PTFE的磨损体积，当填充比例为0.5%时复合材料在粗糙度Ra为1.2的对偶面上摩擦学性能最佳，磨合时间比纯PTFE缩短了近10 min，耐磨性比纯PTFE提高了33.3%；复合材料中nano-SiO2的含量与对偶表面粗糙度存在一定的协同效应，即填充适量nano-SiO2的PTFE复合材料与具有一定表面粗糙度的对偶钢块组成的摩擦配副能有效促进复合材料的摩擦转移，并能在对偶表面形成覆盖率高、均匀、连续、表面较粗糙且与摩擦方向趋向一致的转移膜，有利于降低材料的磨损。  
        关键词：聚四氟乙烯;nano-SiO2;对偶表面粗糙度;摩擦转移;转移膜   
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