最新刊期
      2020 年 第 52 卷 3 期

        科学前沿

      • 谢和平,李存宝,孙立成,廖家禧,杨伟,马举昌,李碧雄
        2020, 52(3): 1-9. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000313
        摘要：随着探月工程规模的不断扩大，仅仅依靠太阳能电池或小型放射性同位素电源将难以为月基活动提供充足持续的能源供应，研发月球原位能源供给技术是各类月基活动的关键基础。月球表面昼夜温差极大且当月壤月岩埋深超过1 m时，月壤月岩层的温度基本恒定。本文基于月壤和月岩恒温层与月球表面存在巨大温差的特性，提出了利用该温差进行发电的月基原位能源支撑技术构想，设计了月球温差热电材料热伏发电技术和月球温差磁悬浮发电技术及实施构想。月球温差热电材料热伏发电系统直接利用热电材料实现昼夜连续工作的热电转换，该装置设计有由热管相连的3层均热板，解决月壤表层导热性差带来的换热不足问题，将月表辐射能（白天）以及月壤的热能（夜晚）连续转化为电能，几乎可以满足所有空间能源系统的需求。月球温差磁悬浮发电系统利用热管将月壤中的热量传入发生器，将循环工质加热蒸发，在磁悬浮透平发电机中做功发电，循环工质在表面换热器中与太空进行辐射换热而冷凝，经工质泵加压后回流到发生器再次吸收热管热量进行循环发电，从而将月球表面与月球月岩恒温层之间的温差转换为电能。两类月基温差发电技术具有无机械摩擦、效率高、寿命长、质量轻的优点，可为探月活动原位能源供给提供相关技术支撑。  
        关键词：月球;原位能源供给;极大温差;热伏发电;磁浮发电   
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        发布时间：2024-01-08

        水利与土木工程

      • 唐红元,范璐瑶,赵鑫,孙旭杰
        2020, 52(3): 10-20. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901101
        摘要：不锈钢管混凝土结构因具有良好的耐腐蚀性能和承载力高等优点，在海洋平台、桥梁、地下工程中具有极佳的应用前景。为了研究圆不锈钢管混凝土柱轴压承载力，对不同径厚比的奥氏体型无缝圆不锈钢管混凝土短柱进行轴压试验，得到圆不锈钢管混凝土短柱在轴压下的破坏模式、荷载–轴向变形曲线、荷载–环向应变曲线、荷载–纵向应变曲线、承载力与不锈钢圆管约束系数的关系、试件的延性与不锈钢圆管约束系数的关系；同时，通过拟合得到的圆不锈钢管混凝土短柱轴压承载力计算公式，与国内外主要规范的计算结果进行对比分析；最后，由拟合公式推导得出了圆不锈钢管混凝土抗压承载力模型，并与Mander模型、Li模型、Xiao模型、Teng模型进行比较。研究结果表明：圆不锈钢管混凝土短柱在轴压作用下，其典型的破坏形式为向外局部屈曲破坏，不锈钢管对核心混凝土的约束作用、试件的延性和承载力随约束效应系数的增加而增大；相关规程中普通钢管混凝土承载力计算方法应用于圆不锈钢管混凝土短柱承载力计算时偏小，采用本文拟合公式的计算结果更接近试验值；同时，本文的圆不锈钢管混凝土承载力模型、Xiao模型和Teng模型与试验结果较接近，但采用本文模型计算结果标准差更小，得出的圆不锈钢管混凝土短柱承载力较Xiao模型和Teng模型稍微偏大。  
        关键词：不锈钢管混凝土短柱;承载力模型;轴压承载力;延性;破坏模式   
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      • 李勇,蔡卫兵,朱维申,董振兴,吴冠男,李晓静,王汉鹏
        2020, 52(3): 21-31. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900652
        摘要：在地应力不断变化的过程中，裂隙水压力的作用机理会变得十分复杂，为阐述裂隙水压力对裂纹扩展规律的影响，基于离散元理论和室内试验，研究了含单裂隙的水泥砂浆试件在单轴压缩和内水压共同作用下的裂纹演化机理。结合岩石颗粒低渗透性的特点，修正了流体与颗粒之间相互作用的计算法则，并改进了流体域参数的计算方法，提出了一种更加适用于脆性岩石的流固耦合模型。研究结果表明：当裂隙倾角为450，内水压为1 MPa时，翼裂纹在初始萌生阶段时会沿着最大应力降方向扩展，其扩展方向基本与裂隙平面垂直，并在扩展的过程中使裂纹尖端附近的拉应力消散。试样轴向应力达到峰值后，次生裂纹大量萌生，微裂纹数目随轴向应变增加呈指数关系增长，同时预制裂隙尖端的压应力场得到释放。与传统水压致裂机理不同，水压力并不会沿着萌生的新裂纹一直扩散，在恒定内水压作用下，由于裂隙尖端一直存在部分压应力场，水压力只会沿着翼裂纹扩散，并没有扩散到已经贯通的次生裂纹中。在轴向应力不断变化的情况下，颗粒之间的孔径处于动态变化之中，反过来对水压力的变化规律产生影响，从而形成了3种不同类型的水压变化规律，类型Ⅰ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速下降，但下降幅度不大，之后水压会随轴向应变增加而上升；类型Ⅱ：水压力随轴向应变增加一直增加；类型Ⅲ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速跌落至0 MPa，水压力最终消散。  
        关键词：裂纹扩展;离散元;水力耦合;测量圆   
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      • 闻昕,孙圆亮,谭乔凤,雷晓辉,丁紫玉,刘哲华,王浩
        2020, 52(3): 32-41. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900965
        摘要：风电、光伏与水电（简称风光水）互补发电系统是提高清洁能源整体利用效益的重要创新模式，随着风电、光伏发电渗透率的增加，如何解决大规模风光接入所带来的不确定性是多能互补系统研究的核心和难点。作者重点探讨日前风光出力预测的不确定性对于多能互补系统风险和效益的综合影响。首先，从可靠性、稳定性和经济性3个方面提出风光水多能互补系统调度运行风险和效益评价体系；建立多能互补系统短期优化调度模型，在日前风光出力预测结果基础上，编制系统日前发电计划；根据风光实际出力情况，滚动更新和模拟水电站实际调度过程。最后，对比分析各电站计划和实际调度运行情况，评价日前风光出力预测不确定性对于多能互补系统风险与效益的综合影响。以接入209万 kW光伏和104.9万 kW风电的雅砻江流域锦屏一级多能互补系统为实例进行研究。相比风光水独立运行，风光水互补后系统的发电效益提高了37.13%，且系统出力过程更为稳定。互补系统在年尺度上具有良好的可靠性，但在水库低水位时期，系统失负荷天数明显增多，占全年失负荷天数的96%以上，系统可靠性降低；在汛期，互补后水库的下泄流量最大增加了47.06%，出现水量集中下泄的情况，这给电力部门、下游用水部门以及防护对象带来一定的防洪风险。  
        关键词：多能互补;发电调度;发电计划;风光水;风险分析   
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      • 李林林,夏军强,周美蓉,邓珊珊
        2020, 52(3): 42-51. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900572
        摘要：三峡工程运用后，下泄清水持续冲刷河床，造成长江中游河段床沙逐年粗化，对长江中游河段水沙输移及河床演变规律产生重要影响。为研究三峡工程下游宜枝河段、枝江河段卵石夹沙河床年际床沙粗化及年内床沙交换过程，基于Markov三态转移概率矩阵，引入非均匀沙隐暴系数，得到卵石夹沙河床上床沙级配、推移质级配及悬沙级配的概率计算模型（沙量平衡方程），能够同时考虑前期水沙条件、床沙起悬及冲淤过程对床沙交换过程的影响。结果表明：2003—2017年，枝城站床沙发生明显粗化，泥沙颗粒级配分布曲线左移，2003年床沙粒径范围为0.002～41.000 mm，2017年变为0.031～86.000 mm；此外，该断面床沙中值粒径总体呈上升趋势，并在2010年以后有一定波动，但波动幅度较小；并以汛初、汛末为时间节点，将枝城站年内月均床沙变化过程分为3类。通过枝城站2003—2009年实测资料验证，本文建立的概率模型计算结果与实测资料符合较好，能够应用于三峡工程下游宜枝河段及枝江河段卵石夹沙河床年际床沙粗化及年内床沙交换过程的预报，为今后非均匀沙运动及非平衡输沙机理的研究提供理论基础。  
        关键词：床沙交换;河床粗化;Markov随机过程;卵石夹沙河床;三峡工程   
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      • 梁志鹏,周华维,赵春菊,刘全,周宜红,龚攀
        2020, 52(3): 52-61. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900565
        摘要：分布式测温光纤连续监测大坝多仓混凝土温度时存在测温位置定位不准确的问题，精准定位光纤测点对获取混凝土坝真实温度分布具有非常重要的意义。为准确识别连续测温功能区间和定位有效测温光纤段，首先，结合混凝土坝分布式光纤双股绑扎埋设施工工艺，分析了光纤测温数据的结构特征；其次，建立了基于翻转、平移和曲线拟合的数据对称分析数学模型，确定了新浇仓双股光纤原始监测数据的对称中心；最后，结合浇筑仓埋设光纤关键测点米标记录值、每段有效测温光纤的实际埋设长度、混凝土平均浇筑温度、收仓后24 h内光纤测温原始数据及现场实测气温数据，确定了新浇仓有效测温光纤测点数量、光纤玻璃芯感温位置(Length)与仓内监测位置的对应关系，从而实现了新浇仓有效测温光纤段每个测点空间位置的精准定位。白鹤滩工程应用结果表明，利用该方法可准确确定新浇仓有效测温光纤测点空间位置，并利用点温度计与同位置光纤测点监测温度数据对比验证，结果表明21 d 龄期内两者绝对差值基本在0.8 ℃以内，同一位置处光纤测与点温度计测温值吻合较好，验证了本文提出的精准定位结果精度和可靠性高。目前已成功完成白鹤滩大坝5个典型坝段共计161仓光纤测点的精准定位，为获取精确可靠的混凝土坝光纤测温原始数据提供了技术保障。  
        关键词：混凝土坝;有效测温光纤;双股埋设;数据对称分析;精准定位   
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      • 申红彬,徐宗学,王海周,张书函
        2020, 52(3): 62-69. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900504
        摘要：模型适用性是水文模型应用需要考虑的一个重要问题。针对Clark分布式单位线模型，结合北京未来科技城北区城市路网降雨径流监测数据，通过模型模拟与效果评价（包括确定性系数R2、Nash–Sutcliffe效率系数NSE和总径流量相对误差RE），综合检验路网汇流的线性效应与Clark分布式单位线法的适用性。结果表明：径流流量模拟值与实测值变化趋势基本符合，确定性系数R2值在0.40～0.89之间，平均值为0.73；Nash–Sutcliffe效率系数NSE值在–0.77～0.87之间，平均值为0.26；总径流量相对误差RE值在–0.77～0.36之间，平均值为–0.18；总体模拟效果可以接受。其中，不同场次降雨径流模型评价指标变化与降雨强度密切相关，确定性系数R2值与Nash–Sutcliffe效率系数NSE值均随雨强的增大而逐步趋近于1，总径流量相对误差RE值则随雨强的增大而振荡趋近于0，说明模型效果随雨强增大而趋于优化、适用性程度不断提高，并间接反映出路网汇流的线性效应不断增强。  
        关键词：水文模型;城市路网;汇流;Clark单位线;线性效应   
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      • 张冠平,刘彦辉,谭平,金建敏
        2020, 52(3): 70-77. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901126
        摘要：针对隔震结构在超防烈度下隔震层位移响应过大问题，提出了基于主动控制算法优化被动黏滞阻尼器的策略。并将被动黏滞阻尼器安装于基础隔震结构形成被动混合控制结构，采用此被动混合控制能够基本实现主动混合控制的控制效果，实现以更加经济简便的方式解决隔震结构在超防烈度下隔震层位移响应过大问题。首先，将主动控制装置设置于隔震层形成主动混合隔震控制体系，采用主动控制算法获取隔震层主动控制力与速度特性；其次，利用主动控制力与速度关系曲线，通过最小二乘法拟合被动黏滞阻尼器的最优阻尼系数与速度指数，最后将设计出的被动黏滞阻尼器安装于隔震层，形成被动混合隔震控制体系。以1栋7层基础隔震结构为受控模型，通过对主动混合隔震控制体系与被动混合隔震控制体系的仿真分析可知：主动混合隔震控制对隔震层位移的减震率分别为39.41%、45.04%及55.54%；被动混合隔震控制对隔震层位移的减震率分别为36.40%、44.30%及52.51%。被动混合隔震控制对于隔震层位移的减震率能够达到主动混合隔震控制效果的90%以上，被动混合隔震控制对于隔震层加速度响应的减震率能够达到主动混合隔震控制的60%以上，被动混合控制也同样实现了减小隔震层地震响应的同时不增加上部结构的响应。依据主动控制算法设计的被动黏滞阻尼器形成的被动混合控制结构能够基本实现主动控制的效果，说明依据主动控制设计被动黏滞阻尼器实现主动控制效果的思想的可行性。  
        关键词：基础隔震结构;主动控制算法;被动黏滞阻尼器;混合控制体系   
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      • 杨升,李晓庆
        2020, 52(3): 78-85. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900111
        摘要：为能更好的揭示土石混合体的剪切特性与力学行为，以新疆博乐地区某土石坝坝料为研究对象，选取了3种不同含石量的室内混合料试样，通过导入随机多面体模板建立真实块体颗粒模型，并进行了不同含石量在不同围压下的3维离散元颗粒流（PFC3D）土石混合体室内大型直剪试验模拟，研究了含石量对试样抗剪强度的影响，分析了土石混合体在剪切过程中的体积变化以及不同含石量下土石混合体的力链网络分布。结果表明：模拟结果与室内试验的拟合度较好，二者具有良好的一致性；含石量对土石混合体的剪切特性有显著影响，含石量越高，土石混合体的抗剪强度越大；在相同法向应力下，试样的剪胀量随着含石量的增加而增大，低含石量试样表现出一定的“软化特性”，高含石量试样表现出“硬化特性”；不同含石量的土石混合体力链网络分布表现为各向异性，随着含石量的增加，强力链数目增多，分布更加集中，试样整体较为稳定，土石混合体在宏观上表现出更高的剪切强度。该研究可以更好的理解土石混合体的细观力学机理，可为相关岩土力学模拟提供参考依据。  
        关键词：离散元法;直剪试验;土石混合体;数值模拟;颗粒流   
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      • 董伟,肖阳,苏英,申向东
        2020, 52(3): 86-92. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900045
        摘要：风积沙混凝土的力学性能是表征风积沙混凝土性能优劣的重要指标，国内外学者对风积沙混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度及微观作用机制进行了广泛研究。关于混凝土轴心受压力学性能研究成果较少，而混凝土棱柱体受压更加接近于工程实际。因此，试验设计风积沙（替代率为0～40%）和粉煤灰（替代率为10%～20%）内掺替代等质量的河砂及水泥，制备了10组风积沙–粉煤灰混凝土，进行60 d风积沙–粉煤灰混凝土轴心抗压试验，开展风积沙–粉煤灰混凝土轴心受压破坏形貌、微观结构、应力–应变关系、轴心抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松比等内容的试验研究。结果表明：弹性阶段各掺量风积沙混凝土应力–应变曲线基本趋于一致，进入弹塑性阶段后，风积沙混凝土较基准混凝土应力增长较快，混凝土脆性增加。轴心抗压强度、弹性模量及泊松比随风积沙掺量增加呈现先增大后减小的变化趋势，随粉煤灰掺量增加在降低。最后，对过镇海经典模型上升段本构参数A进行二次演化，建立了本构参数与轴心抗压强度和风积沙掺量之间的演化模型，得出风积沙混凝土应力–应变上升段本构方程，其计算模型对风积沙混凝土的研究应用具有一定借鉴。  
        关键词：风积沙–粉煤灰混凝土;轴心受压;本构参数   
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      • 张彬,杨昆,赵艺颖,刘应明,张强永,刘尧兵,马昌慧,张嘎
        2020, 52(3): 93-99. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901024
        摘要：中国地质条件复杂，岩土工程问题复杂多变。随着工程建设开展，深部不均匀沉降条件下（如：地下煤炭开采、基坑开挖、地下水位变化等），上覆边坡及其上的基础容易发生严重的变形乃至破坏。桩基础是目前工程中常用的边坡加固方式，因此，边坡深部不均匀沉降条件下的桩基础破坏特性亟待研究。作者采用液压系统模拟深部不均匀沉降条件，进行不同范围的深部不均匀沉降条件下桩基础破坏特性的离心模型试验，探究不均匀沉降范围对桩基础变形破坏特性的影响机制，以及深部不均匀沉降条件下桩基础的破坏机理。研究结果表明：1）深部不均匀沉降条件下，桩基础所在土坡产生了3条主要的滑裂面，其中深部不均匀沉降区域附近的滑裂面是明显的滑动破坏，基础附近的滑裂面以张拉破坏为主；2）深部不均匀沉降首先导致了土体内部发生由下至上的滑动破坏，进而使桩基础发生了失稳，最终导致基础附近发生由上至下的破坏；3）深部不均匀沉降范围通过影响上部土体的变形局部化的时空分布情况改变了土坡滑裂面的位置与形状；4）深部不均匀沉降条件对土坡的影响存在一定的范围，影响区边界均呈绕桩分布。  
        关键词：深部不均匀沉降;桩基础;边坡;破坏;离心模型试验   
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      • 翟张辉,张亚国,李同录,黄沛
        2020, 52(3): 100-106. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900402
        摘要：为探究吸力效应对圆柱孔周围土体应力应变的影响，推导了非饱和土中的圆柱孔扩张有效应力析解。在弹性区和塑性区分别采用Hooke定律和修正剑桥模型，将非饱和吸力作为硬化参数，建立圆柱孔周围土体的应力应变控制方程。通过引入辅助变量，将欧拉坐标系下的平衡微分方程转至拉格朗日坐标系，非饱和圆柱孔扩张问题转换为以弹塑性边界为边值条件求解1阶常微分方程组的问题。以弹塑性边界上的应力和初始比体积作为初值，对非饱和土中圆柱孔扩张问题进行分析。结果表明：受扩孔压力作用，圆柱孔周围土体将从弹性状态进入塑性屈服状态，土体初始吸力的变化对塑性区应力状态影响显著。随着初始吸力的增加，圆柱孔周围相同位置处的土体各应力分量增大，极限扩孔压力也随之增大。对于初始孔隙比较大的疏松土体，吸力增大使得圆孔周围塑性区范围缩小；塑性区土体比体积沿径向呈单调减小，吸力越大，比体积减小越明显。对于初始孔隙比较小的密实土体，吸力变化对塑性区范围大小影响不明显；塑性区内土体比体积沿径向先增大后减小。这是因为在弹塑性边界附近处出现了剪胀现象，且吸力越大，剪胀现象越明显。最后，通过与原位旁压试验和已有数值模拟结果对比，对本文方法的可靠性进行了验证。  
        关键词：非饱和土;吸力;圆柱孔扩张;修正剑桥模型;旁压试验   
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      • 刘建锋,丁国生,张强星,武志德,邓朝福,廖益林,罗敏,周志威
        2020, 52(3): 107-114. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900439
        摘要：受储藏能源周期性注、采循环载荷作用影响，地下盐穴储气库围岩会产生拉伸循环疲劳损伤，甚至破坏。为研究拉伸循环荷载下杂质盐岩断裂力学行为及损伤演化规律，基于三点弯曲试验方法，利用四川大学MTS815岩石力学测试设备及3维声发射监测系统，开展了纯盐岩、含杂卤石盐岩及杂质盐岩拉伸加卸载及岩石损伤声发射监测试验。结果表明：1）杂卤石成分及泥质胶结提升了盐岩的韧性，纯盐岩的断裂韧度均值KIC=6.36 MPa·mm0.5，含杂卤石盐岩的断裂韧度较纯盐岩高43.08%，杂质盐岩的断裂韧度为纯盐岩的3.18倍。2）杂质导致盐岩脆性提高，纯盐岩声发射事件覆盖区域远大于含杂卤石盐岩及杂质盐岩；三点弯曲加卸载下岩石内部声发射事件由切槽尖端逐渐向荷载点扩散，直至岩石完全断裂。3）盐岩损伤程度随循环次数增长逐渐提高，但增长速度逐渐降低，损伤变量与切槽张开度符合指数函数关系，损伤变量–张开度曲线拐点对于研究岩石失稳倾向性具有一定的预测效果。4）声发射参数rc值能够反映盐岩弯曲加卸载破坏全过程中主裂纹与微裂纹的发展趋势。峰后残余阶段纯盐岩及含杂卤石盐岩rc曲线持续上升，微裂隙稳定发展；杂质盐岩表现出更强的脆性，峰后残余阶段其rc曲线表现出与纯盐岩及含杂卤石盐岩相反的变化趋势。  
        关键词：盐岩;弯曲加卸载;断裂韧度;声发射技术;岩石失稳   
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      • 田勇,俞然刚,张尹,赵新波
        2020, 52(3): 115-122. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900315
        摘要：岩石的损伤演化研究直接关系到重大地下工程的安全控制问题，特征应力作为岩石变形破坏过程中的阈值应力，其能否被准确识别将直接影响损伤评价效果。本文利用RMTTS应力测试系统和MISTRAS声发射试验系统，针对灰岩裂缝应力的识别及损伤定量评价问题开展相关研究。通过灰岩单轴压缩下的声发射试验，分析了与应力–应变曲线各阶段对应的声发射信号特征，当裂缝扩展由稳定阶段发展为不稳定阶段时，声发射信号在频率和能级上都有较大幅度提高。基于灰岩单轴循环加载过程中Felicity效应比值FR的变化规律，提出一种不依赖应变测量的裂缝损伤应力识别方法，并对3组灰岩岩芯进行识别，其结果为0.70${\sigma _{\rm{c}}} $～0.75${\sigma _{\rm{c}}} $ ，与已有的应力−应变曲线法识别结果0.73${\sigma _{\rm{c}}} $ 对比，验证了该方法的可靠性。Felicity效应识别法保证了求解结果的客观性，其识别范围可由循环加载间的应力增量大小决定。利用基于声发射能量值表征的损伤变量，对灰岩的损伤演化过程进行了定量评价，结果表明：在损伤稳定演化区间内，28.3％的应力范围损伤累积了17.4％；而在裂缝损伤应力之后的损伤加剧演化区间内，26.1％的应力范围内损伤累积了80％。研究成果可为深入认识工程领域中岩石的损伤演化机制提供技术支持。  
        关键词：岩石力学;声发射;裂缝损伤应力;损伤演化   
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      • 王立宪,周宇,狄生奎,项长生
        2020, 52(3): 123-132. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900316
        摘要：铁路桥梁多为装配式桥梁，因其边界条件介于理想铰支与固支边界间的非理想状态，而较难实现影响线分析与损伤识别。考虑装配式铁路桥的非理想支承特性，建立带转动约束和竖向弹性支承边界的主梁模型，以模拟实际预制装配式铁路桥梁主梁，并引入基于对数正态分布模型的主梁截面初始不确定性参数。通过力法原理推导了该主梁挠度影响线的解析表达式，进而提出考虑边界非理想的铁路梁损伤识别方法。采用实测某装配式3跨连续组合梁桥挠度影响线，评价该桥的承载能力，同时对所提方法进行验证，并研究了挠度影响线测点位置、局部损伤位置与程度、测试噪声对主梁挠度影响线的影响。结果表明：基于所提出的影响线指标可以定位、定量边界非理想的装配式铁路连续梁桥某跨及其临跨的局部损伤，且更易于识别主梁跨中与纵梁结构损伤，指标抗噪性良好；实测影响线可用于评价装配式连续梁桥中支座连续性的强弱，为实际铁路桥梁的挠度影响线分析与损伤识别提供理论借鉴。  
        关键词：铁路桥梁;非理想支承;挠度影响线;不确定性;损伤识别;测试噪声   
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      • 朱崇林,雷孝章,叶飞,符文熹
        2020, 52(3): 133-140. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900609
        摘要：坡面径流是松散介质斜坡上颗粒发生搬运滚动的水动力条件。为研究坡面径流对斜坡散粒体颗粒稳定性的影响，开展室内水槽冲刷试验。试验设置3种粒径和4种坡度，通过高速摄像仪捕获斜坡散粒体受水流冲刷起动过程，获得不同条件下颗粒冲刷起动的临界径流水深hcr。试验结果表明：在同一粒径条件下，起动水深hcr随着斜坡坡度的增大而减小；在坡度为20°、22°时，起动水深hcr随着粒径的增大，出现先增大后减小的情况，而在坡度为24°、26°时，起动水深hcr随着粒径的增大而增大，分析原因可能是当粒径增大引起坡体渗透性的改变是影响颗粒稳定性的主控因素时，颗粒更容易受水流的渗透作用而发生运移。为合理解释试验现象，建立斜坡径流–渗流耦合模型来分析坡面径流条件下颗粒的稳定性变化情况，通过将水流的流速特征与颗粒的受力起动特性结合起来，给出临界水深hcr的理论表达式，其主要受颗粒粒径、颗粒比重、孔隙率、坡体渗透率和斜坡坡度等因素共同控制。通过将试验结果与计算结果进一步对比发现，在同一粒径区间内，临界水深hcr的实测值与理论值均随坡度的增大而减小，而理论值与实测值之间的相对误差随坡度的增大而增大，但其均控制在35%以内，并对产生该误差的原因进行了分析。为修正实测值与计算值之间的误差，应用MATLAB的神经网络模块对数据进行拟合，建立含两个神经网络结构的临界水深hcr修正公式，精度较高。  
        关键词：斜坡散粒体;水槽试验;临界水深;径流–渗流模型;数据拟合   
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        网络空间安全

      • 陈兴蜀,蒋超,王伟,金鑫,兰晓
        2020, 52(3): 141-149. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900866
        摘要：为了规避使用外国密码算法带来的法律风险，满足中国《商用密码管理条例》的合规性要求，响应网络空间安全的自主可控要求，促进虚拟可信计算技术在国内云计算业务的大规模应用，本文对虚拟可信平台模块（virtual trusted platform module，vTPM）和虚拟机信任链相关组件添加了对中国国家商用密码算法（国密算法）的支持。首先，在vTPM中添加对密码算法工具包GmSSL（GM/T secure sockets layer）中散列密码算法（SM3）和对称密码算法（SM4）的调用接口，并利用GmSSL的大数运算模块实现国密算法中的非对称密码算法（SM2）的调用接口，从而为上层应用提供基于国密算法的可信计算功能。其次，在虚拟机信任链相关组件中添加SM3算法的实现代码，达成建立基于国密算法的虚拟机信任链的目标。最后，验证vTPM中调用接口的正确性和建立的虚拟机信任链的有效性，对比基于SM3算法和SHA–1算法虚拟机信任链的虚拟机开机时间。实验结果表明，添加的调用接口正确且有效，并且和基于SHA–1算法虚拟机信任链的虚拟机相比，基于SM3算法虚拟机信任链的虚拟机开机时间只增加3%，在安全性提升的同时其性能损耗在可接受范围。  
        关键词：云计算;可信计算;虚拟可信平台模块;虚拟机信任链   
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      • 杜瑞忠,许琨琪,田俊峰
        2020, 52(3): 150-158. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900893
        摘要：针对边缘计算环境中的设备资源受限、现有信任模型忽略计算负载与信任路径冗余的问题，提出了一种基于图论的边缘计算信任评估优化模型。首先，基于边缘计算构建信任模型的体系架构，将边缘设备间复杂庞大的信任关系抽象成有向加权图，并对设备间的信任关系进行定义说明，再采用基于信息熵理论的自适应聚合方法对信任值进行聚合计算，修正多源信任之间的差异度；其次，通过添加信任阈值、路径长度限制、滑动窗口等多重约束条件，事先过滤明显不符合信任要求的节点和信任边，降低不必要的计算消耗；最后，利用改进后的深度优先搜索算法（depth first search, DFS），在信任路径搜索过程中规避冗余信任边，从而避免环路以及节点绕路问题，并采用递归函数Combine聚合反馈信任值。使用MATLAB仿真软件确定实验参数，验证模型区分恶意节点与正常节点的能力。并在交互成功率、时间开销以及能量开销3个方面进行实验，将本文模型与PSM模型、RFSN模型以及随机选择模型进行对比。实验结果表明，相较于其他模型，本文模型在不同诚实程度的网络环境下都能快速达到稳定状态，且时间与能量开销均低于其他模型，证明该模型在保证有效性的同时，能够在一定程度上减轻边缘设备的资源开销，提高网络的生存周期。  
        关键词：边缘计算;信任模型;信任路径;冗余优化   
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      • 李想,杨瑞,陈兴蜀,刘垚磊,王启旭
        2020, 52(3): 159-167. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900429
        摘要：针对传统云服务安全评估方法中存在的评估指标粒度粗且难以量化以及评估方法主观依赖度高且效率低等问题，提出了一种基于标准化安全指标体系的云服务安全等级评估模型。首先，依据评估指标体系设计原则，以中国云计算服务安全能力要求标准为基础，借鉴国外机构有关云服务的安全控制框架及服务水平协议标准，提出了一种细粒度及可量化的标准化安全指标体系构建方法；然后，基于此指标体系提出了云服务安全等级评估模型，该模型在评估云服务的安全等级时，考虑到安全指标体系中指标类型的差异化及其属性对云服务安全性的影响，设计了一种基于客观指标权重分配的安全等级评估方法，对评估对象的安全等级进行量化评估；最后，分别通过应用案例和性能分析实验，验证了本文所提出的评估模型的有效性以及评估方法的效率。实验结果表明，本文提出的基于标准化安全指标体系的云服务安全等级评估模型不仅能有效、准确地评估不同云服务商的安全能力，而且其安全等级评估方法在性能方面优于传统的基于层次分析法的云服务安全评估方法。  
        关键词：云服务;安全指标;安全等级评估;客观权重分配;逼近理想解排序法   
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      • 房卫东,张武雄,潘涛,高智伟,倪业鹏
        2020, 52(3): 168-177. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900870
        摘要：用户认证协议可以确保无线传感网访问用户的合法性与传感器节点感知信息的接入安全。现有用户认证协议（Fan协议）存在各种安全缺陷，易遭受多种网络安全攻击，尤其是节点妥协攻击、口令猜测攻击、内部特权攻击等，也不支持用户的匿名性，无法保障用户的隐私。针对这些安全挑战，提出了一种分层无线传感网的匿名双因素用户认证协议，该协议在注册阶段以哈希隐藏方式传输口令，提高了口令传输的安全性；增大网关节点秘密参数与用户的相关性，实现了秘密参数的唯一性；在认证阶段，增大会话密钥与系统时间和用户的关联性，实现会话密钥的唯一性和动态性；引入口令更新机制，用户可以在不联系簇头节点的情况下，自由更新口令，保障了口令的新鲜性。逻辑分析与仿真结果表明，与Fan协议相比，本协议在仅增加少量计算开销的基础上，不仅可以防御节点妥协攻击、口令猜测攻击和内部特权攻击，而且实现了用户匿名性；与Nam、He–Kumar、Mir等协议相比，本协议采用了哈希函数、级联操作和异或操作等轻量级安全操作，减少了传感器节点计算开销，优化了传感器节点向网关节点的注册流程，综合性能优于上面提到的3种用户认证协议。因此，本协议不但适用于资源受限的传感器节点，而且显著提高了无线传感网安全性。  
        关键词：无线传感网;用户认证协议;双因素;匿名性   
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        发布时间：2024-01-08

        信息工程

      • 邵玉斌,唐传林,赵至柔,龙华,杜庆治
        2020, 52(3): 178-185. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900789
        摘要：为了解决广播音频中经常存在噪声干扰和时间延迟导致音频比对结果不准确的问题，提出具有延时自适应意识的音频比对算法。针对常用算法中测量音频特征距离抗噪性能差的不足，采用倒谱对两音频的混合信号分析，并利用倒谱对功率谱中的等距离频率成分有很强的分辨能力这一特性来进行自适应延时估计和比对；为比对不同情况的两音频都可得到准确的相似度，提出对其中一音频加入短延时，再将两音频叠加混合后做倒谱分析；并根据加入不同短延时的效果选择出最优短延时，进一步提升算法性能。使用真实广播不同节目中截取出来的多个音频，在无噪声和不同信噪比加性高斯白噪声条件下，通过仿真实验评估了所提出算法的性能，比较了不同信噪比下的延时估计结果和音频相似度。实验结果证明，所提出方法的延时估计结果和比对结果优于现有算法，在低信噪比（SNR=2 dB）下，也可以达到90.36%的音频比对匹配精度，且计算速度能够达到实时比对的要求。  
        关键词：音频比对;延时估计;倒谱分析;实时广播音频   
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        发布时间：2024-01-08

        化学工程与材料工程

      • 楚英豪,宋欣橙,冯欣怡,周晋帆,郭家秀,田红,胡翔
        2020, 52(3): 186-192. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900311
        摘要：挥发性有机物（VOCs）是形成雾霾和臭氧的主要前驱物，而且多数具有毒性，对人体有较大的危害，因此控制其污染排放十分必要。催化燃烧是一种有效处理VOCs的方法。本文研究了制备方法对CeO2及CeOx/CeO2催化燃烧甲苯的影响，并对性能差异的原因进行分析。采用热分解法、化学沉淀法和水热法分别制备CeO2，并通过浸渍—焙烧将15%的CoOx负载在不同方法制备的CeO2上，以甲苯为目标污染物，对CeO2及CoOx/CeO2催化性能进行评价，并通过XRD、BET、SEM、H2–TPR和Raman对催化剂进行物理化学性能表征。结果表明：在甲苯浓度为1 000 μL/L，空速为20 000 h–1测试条件下，化学沉淀法制备的CeO2–P具有最好的催化活性，在375 ℃达到80%的甲苯去除率；将其与Co物种复合后，Co/CeO2–P能在255 ℃达到90%的去除率。300 ℃下，经过78 h的长周期实验，Co/CeO2–P依然保持100%甲苯去除率。化学沉淀法制备的CeO2–P，具有更小的晶粒尺寸、较大的比表面积和更好表面氧化还原性能，因此其具有更好的催化活性。CeO2与Co物种复合后，得益于CeO2的大比表面积和优异氧化还原性能，形成更多Co3+，并且氧化铈能提供丰富的表面活性氧物种，使得CoOx/CeO2–P具有最佳的催化活性和稳定性。不同方法制备的CeO2拥有不同的比表面积和表面氧化还原性能，这是影响其催化活性的主要因素。  
        关键词：催化燃烧;挥发性有机物;制备方法;氧化铈   
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      • 吉华,蒋森,吴孙珂,陈胡炜,陈志
        2020, 52(3): 193-200. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900098
        摘要：现有对微织构的研究多采用数值法。相比于数值解，解析解有助于简单清楚的表达微孔活塞环润滑性能的主要影响因素和各物理量的潜在关系，提高设计者的认识。基于入口吸入理论和流量连续性条件，对均布无限个圆柱形微孔的活塞环的1维油膜的空化区分布、压力分布和承载力进行了解析计算，并将1维解析解积分得到了1个周期油膜的承载力。解析解表明：均布n个圆柱形微孔活塞环的前n–1孔的压力分布相似，最大压力相等，最大压力与进口压力，孔间间距和空化压力相关，在均布微孔时，孔内最大压力约为进口压力的两倍；第n孔的压力分布和最大压力还与出口压力相关，在均布微孔时，孔内最大压力约为进出口压力之和。同时，还揭示了孔深对空化分布和油膜承载力的影响机理，当孔深大于油膜厚度的一半时，随着孔深的增加，空化区面积减小。使用Fluent软件对均布4个孔的油膜进行了数值模拟，并与解析解作对比。在解析解有解，数值解收敛的范围内，解析计算和数值计算的结果规律一致，解析式能解释数值模拟得到空化区分布、压力分布以及油膜承载力的变化趋势，所获得的在最大油膜承载力时的微孔几何尺寸也与模拟计算一致，油膜承载力的解析解和数值解最大相差10%。  
        关键词：解析解;承载力;数值模拟;圆形微孔;活塞环   
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        发布时间：2024-01-08

        机械工程

      • 樊庆文,李海博,裴宏亮,王可,蒋汶莙,赵志键
        2020, 52(3): 201-205. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900643
        摘要：基于数字图像的空间测距技术是非接触测量，其中汇聚式双目视觉系统具有测量视野大、对相机空间布局没有具体要求的特点，是目前基于数字图像的空间测距技术的研究热点之一。根据相机小孔成像原理，利用双目相机采集被测物在空间坐标系的平面图像信息（像素坐标），标定相机内外部参数以及相机外部参数旋转矩阵，平移向量，确定像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系和世界坐标系之间的关系，构建测量对象平面图像像素坐标与世界坐标系中的坐标值之间的关系，建立基于数字图像的空间测距数学模型，通过平面图像上的像素坐标计算被测物两点之间的空间距离。按照便携式、低功耗、兼容性的原则，以RK3288为核心处理器，选用IMX–179作为图像传感器，基于Linux系统，研制基于数字图像的空间测距仪器，设计仪器的图像采集、数据传输、数据交换、数据处理模块，具有实时性好、测量效率高、系统结构简单、成本低等优点。实验证明，基于数字图像的空间测距仪器对10 cm的空间距离，在被测物位于相机前50～100 cm处的测量误差小于1% 。基于该算法的测量仪器在机器人视觉、非接触工程测量、智能制造等领域具有广泛的使用价值。  
        关键词：数字图像处理;机器视觉;空间测距;仪器设计   
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      • 田家林,何虹志,杨琳,杨应林,程进前,黎根银,胡书辉
        2020, 52(3): 206-213. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900068
        摘要：在油气开采过程中，随着钻井深度的增加，岩石硬度加大，井下摩擦阻力较大，钻柱系统易发生黏滑振动，将导致部件过早发生故障，钻井作业效率低下，因此对于黏滑控制技术的研究具有重要意义。结合钻井过程中的实际工况，提出了一种新型扭转振动工具，建立了基于该工具的钻柱系统扭转振动模型以及非线性动力学模型，分别进行了算例分析与实验测试以研究工具的降黏效果。算例分析时采用控制变量法，首先在给定转盘转速、钻压的情况下，对比分析了有或无工具时的钻柱系统各部件角速度，然后在相同钻压、不同转盘转速和相同转盘转速、不同钻压的情况下，分别对钻柱系统中有或无工具时的钻头角速度进行了求解；在实验过程中，对同一口井进行了有或无工具的测试，并结合未使用该工具的相邻井对照数据，分析了该工具的降黏效果。研究结果表明：在相同工况条件下，使用该扭转振动工具，可明显消除或抑制黏滑振动，同时，适当增大转盘转速，适当降低钻压可在一定程度上抑制钻柱的黏滑振动；在误差允许范围内，理论计算结果与测试结果相符合，验证了理论模型、求解方法以及算例分析的正确性。所提出的新型扭转振动工具、建立的动力学模型与研究结果对于减少黏滑振动、提高破岩效率具有重要参考意义。  
        关键词：钻井;扭转振动工具;黏滑;扭转振动;动力学   
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      • 吴旺青,刘毅,付继先
        2020, 52(3): 214-220. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900051
        摘要：针对原位注射成型树脂体系在熔融状态下的在线混合难题，依托自主搭建的原位注射成型系统平台，结合仿真和实验研究了一种新型低分子热塑性树脂体系环状对苯二甲酸丁二醇脂（CBT500）/二月桂酸二丁基锡（DBTL）的SK型静态混合过程，运用统计学理论中不均匀系数（COV）对混合质量进行定量表征，得到了SK型静态混合头的混料芯的单元个数、长径比、螺旋角对混合质量的影响机理和规律。结果表明，混合质量随着混料芯单元个数的增加而提高，并且随着单元数的增加，混合质量的提高的效果逐渐变小，当单元数从3提高到10时，不均匀系数由0.90降低至0.05；混料芯单元的长径比越小，达到同样混合质量所通过的混合头长度越短，当长径比由1.5减少为1.0时，不均匀系数达到0.05所需的混合头长度由116 mm减小至80 mm；混合物通过同样个数的混料芯时，混料芯单元的长径比增大，有助于提高混合质量；混料芯单元的螺旋角度越大，混合质量越好，通过10个混料芯之后，当螺旋角由120°增加至180°时，不均匀系数从0.05提高为0.08。研究结果为原位注射成型树脂体系的在线混合装置的研制提供了参考依据。  
        关键词：原位注射成型;混合头;低分子热塑性树脂;热塑性复合材料   
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        发布时间：2024-01-08
      • 王智明,张亚飞,宋亚龙
        2020, 52(3): 221-226. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900005
        摘要：为了评估圆柱蜗杆传动机构的可靠性，利用Taylor级数将蜗杆传动机构功能函数进行展开并得到其前四阶中心矩，以此作为约束条件，结合最大熵原理分别得到蜗轮齿面接触强度和齿根弯曲强度结构功能函数的概率密度函数，在此基础上，分析了蜗轮齿面接触和齿根弯曲两种失效模式的可靠性。另一方面，考虑蜗轮齿面接触和齿根弯曲两种失效模式之间的相关性，建立了其失效相关条件下的可靠性模型，给出了两种失效模式之间的相关系数和蜗轮总体可靠度。以某减速器蜗轮为例对所提方法通过蒙特卡洛仿真进行了验证。结果表明，基于四阶矩和最大熵原理的可靠性方法具有较高的精度，蜗轮两种失效模式之间存在一定的相关性。因此，考虑失效相关的蜗轮可靠性评估方法对于蜗杆传动的综合可靠性评估具有重要的意义。  
        关键词：圆柱蜗杆传动;可靠性;失效相关;四阶矩方法;最大熵原理   
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        发布时间：2024-01-08
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