最新刊期
      2021 年 第 53 卷 2 期

        水利与土木工程

      • 王东坡,瞿华南,沈伟,何思明
        2021, 53(2): 1-9. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000449
        摘要：“5·12”汶川强烈地震导致山体破碎，激发大量崩滑体堆积于坡面、沟道中，为震后泥石流的形成提供了巨量松散固体物源，使得泥石流起动临界雨量大幅降低，爆发频率急剧增加，成为震后主要的次生灾害类型。在多期泥石流作用下，拦挡工程会部分或全部淤满，从而逐渐失去减灾能力。然而，关于坝后淤积体对泥石流拦挡坝减灾效果影响仍缺乏定量研究。为此，基于弱可压缩光滑粒子流体动力方法（smoothed particle hydrodynamics，SPH），采用德鲁克−普拉格模型（Drucker−Prager，DP）准则及Herschel−Bulkley−Papanastasiou（HBP）流变模型模拟泥石流与坝后淤积体相互作用的动力过程。用该方法模拟了泥石流水槽物理模型试验，验证数值模拟方法的可靠性。在此基础上，进一步开展坝后淤积工况下红椿沟泥石流灾害的动力过程数值模拟研究。结果表明：在空库工况下泥石流过坝速度减小率为31.6%，半库工况下过坝速度减小率为16.4%，满库工况下过坝速度减小率为6.5%，坝后淤积使拦挡坝削峰效应降低，显著降低其拦挡效果；同时坝后淤积改变泥石流冲击拦挡坝动力响应过程，空库工况下泥石流表现出触坝、爬高、淤积等过程，满库工况表现为泥石流夹带淤积体过坝过程。半库工况坝体底部所受到的冲击力峰值相比空库工况减小13.25%，满库工况坝体顶部受到的冲击力峰值是空库工况的1.75倍。研究成果可为泥石流拦挡坝工程设计提供理论及技术支持。  
        关键词：泥石流;拦挡坝;坝后淤积;冲击动力过程   
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        发布时间：2024-01-10
      • 张艳军,邹薏轩,王协康,张平仓,许文盛
        2021, 53(2): 10-18. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000427
        摘要：水文模型在山洪预警中得到了广泛应用，但由于传统的模型评定指标着重于从数理统计上判断模拟预报的精度，认为真值两侧的误差影响相同，易造成山洪虚警、漏警同概率出现。山洪灾害防治以人民生命安全为首要问题，山洪漏警带来的人员伤亡比虚警导致的经济损失更值得关注。因此，“优先减少漏警”应为山洪模拟的重要原则。在综合考虑立即转移预警时刻、准备转移预警时刻和成灾水位出现时刻对预警的影响后，提出了“山洪预警时效差”评定指标，对山洪预警中的水文模型进行评判。以官山河流域1975年以来的较大山洪为例，分别以“山洪预警时效差”以及洪峰流量相对误差、峰现时间绝对误差和纳什效率系数3个传统方法为评判指标，分别采用TOPMODEL模型、TVGM模型和新安江模型对各场次洪水进行模拟和山洪预警，然后对预警结果进行评定。结果表明，“山洪预警时效差”和传统指标的评定结果存在明显差异：通过传统的评定指标，认为TVGM模型最优；而山洪预警时效差指标却认为TOPMODEL模型最优。这是因为TVGM模型虽然准确度更高，但会造成更多的漏警，符合传统数理评定标准但不符合山洪预警要求。因此，依据“山洪预警时效差”对水文模型进行评定，可有效提高山洪预警的有效性和可靠性，比传统评定指标更符合山洪预警要求。  
        关键词：山洪灾害;水文模型;山洪预警时效差;山洪预警;官山河流域   
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      • 杨庆华,张宇倩,杨乾,王子聪
        2021, 53(2): 19-27. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000508
        摘要：水下穿越管道在常年服役过程中由于自然、人为等因素易产生裸露、悬空等现象，使得管道部分或全部暴露于水流中，其受力状态发生改变，甚至断裂，严重威胁着管道安全与河流生态健康。为了研究水下穿越管道经水流冲刷露出的悬空段所受水流作用力的受力特性，开展了水工物理模型试验，探究了在流量一定时，流速、管流夹角、管径以及间隙比4种因素对穿越管道悬空段所受水力荷载的影响。试验结果表明：管道迎水面部分受压，部分受拉，管道背水面全部受拉，管道迎水面中点处压力值最大，管顶拉力值约为管底拉力的1.05～1.25倍，管道表面各点压力值与流速、管径、管流夹角呈正相关，与间隙比呈负相关，管道压力分离点位置随流速、管流夹角、管径的增大而前移，随间隙比的增大而后移。单位长度管道所受上升力大小约为水平拖曳力的1/10～1/20，二者均随流速、管流夹角、管径的增大而增大，随间隙比的增大而减小。根据试验数据，结合多元回归模型拟合得到单位长度管道所受水平拖曳力和上升力的计算公式，其公式计算结果与试验结果基本一致，且在实际工程算例中具有良好的普适性。研究成果将为水下穿越管道的布线设计、冲刷防护及运营管理提供一定的理论参考。  
        关键词：穿越管道悬空段;受力特性;表面点压力;水平拖曳力;上升力   
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        发布时间：2024-01-10
      • 雷小芹,刘恩龙,何思明,吴礼舟,杨宗佶
        2021, 53(2): 28-37. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000001
        摘要：西部山区的松散堆积土是一种宽级配弱固结土，其内部细小颗粒易随降雨入渗在粗颗粒土骨架间孔隙发生迁移，改变土体水力特性，诱发堆积土边坡降雨失稳。为定量研究降雨作用下堆积体内在的渗流潜蚀耦合演进规律及其斜坡失稳机理，对降雨作用下非饱和堆积土边坡中坡体及孔隙尺寸的细颗粒迁移现象进行了分析概化，并基于多孔介质力学及混合物理论构建了描述非饱和堆积土中细颗粒侵蚀—运移—沉积全过程的渗流潜蚀模型。该模型被植入有限元程序，模拟了降雨作用下1维非饱和堆积土柱内部的渗流潜蚀耦合响应过程，并结合无限边坡模型定量分析了细颗粒迁移引发的土体渗透性、持水性及强度演化对非饱和堆积土边坡降雨入渗过程及稳定性的影响。通过数值模拟，阐释了松散堆积土边坡中细颗粒迁移引发边坡局部土体渗透性变化，形成相对不透水层，诱发浅层坡体失稳现象的内在机理；并指出堆积土中细颗粒的侵蚀流失将减弱土体持水性及抗剪强度，加速边坡内的降雨–渗流潜蚀进程，加速边坡的浅层失稳。鉴于由降雨–渗流潜蚀过程引发的土体渗透性、持水性及强度演化均会对堆积土边坡稳定性造成不利影响，对松散堆积土边坡进行降雨稳定性分析时应充分考虑其内在的细颗粒迁移效应。  
        关键词：堆积土;降雨入渗;潜蚀;细颗粒迁移;边坡稳定性;数值模拟   
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      • 戴靠山,赵志,孟家瑶
        2021, 53(2): 38-44. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000323
        摘要：对某在役风电塔进行了地震和风荷载下的失效概率对比。首先，结合风电塔特有的设计使用年限对于特定地区下的地震和风的发生概率进行概率分析，得到灾害危险性曲线。接着，以壳体单元和梁单元建立了包含叶片和塔体的有限元模型，以地震反应谱和风谱为基准选择和生成多组时程记录，使用增量时程动力时程分析的方法，分别在地震和风荷载下，进行非线性有限元计算，得到该风电塔在两个灾种下的易损性曲线。最后，根据危险性和易损性分析结果，使用全概率公式，比较在地震和风两种不同灾种下的总体失效概率。结果表明，采用特定设计使用年限对风电塔危险性进行评估可以避免计算过于保守的问题。由于可变桨距，在风荷载和运转工况范围内，风电塔响应大致保持不变。另外，风荷载下风电塔的失效概率大于地震，一方面，因为风电塔的固有周期相对较长，位于地震反应谱的下降段，实际的地震响应比较低；另一方面，风电塔建设在风能的充沛区域，强风荷载的发生概率较大。本文考虑风电塔特有设计使用年限的概率分析对风电领域在多灾种下的概率评估提供了有益指导。  
        关键词：风电塔;有限元;危险性分析;易损性分析;地震;风荷载   
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      • 宋丹青,黄进,刘晓丽,张鲁军,王恩志
        2021, 53(2): 45-53. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000422
        摘要：由于地震波的随机性及地质构造的复杂性，导致岩质边坡的地震响应特征变得十分复杂。以金沙江地区某跨江桥梁岩质岸坡为例，采用有限元方法研究了地震波在岩质边坡内的传播特征，分析了不同类型结构面对边坡动力响应特征的影响；采用振动台模型试验验证了数值计算结果，探究了边坡的动力变形演化规律及其破坏机制。研究结果表明：软弱结构面对岩质边坡的波传播特征影响较大，在波传播过程中结构面使坡内出现局部的放大效应，相同条件下边坡的动力放大效应为：块状边坡>顺层边坡>反倾边坡；边坡高程、坡表微地貌及结构面对边坡的动力放大效应具有较大的影响，边坡动力放大系数随高程增加而增加，坡表微地貌变化使平台区域出现局部放大现象，块状边坡中放大效应主要集中于最上层顺向结构面以上的表层坡体；地震作用下块状边坡的动力放大效应随激震强度的增加而增加，边坡动力变形演化过程主要包括弹性变形、塑性变形和滑动破坏3个阶段；软弱结构面对块状边坡的地震破坏模式具有控制性作用，最上层顺向结构面为潜在滑面，其地震破坏模式为拉裂—滑移—倾覆式破坏。  
        关键词：软弱结构面;岩质边坡;波传播特征;动力响应;变形演化规律;地震   
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      • 卢波,张玉峰,邬爱清,董志宏
        2021, 53(2): 54-65. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900922
        摘要：高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素，初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面；地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值及围岩所承受偏压的程度。为量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间，推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律，并提出极大值和极小值贡献度两个指标，以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的应力椭圆特征随洞室轴线方位变化的方式，获得了围岩所承受偏压程度的变化规律；通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式，从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时，地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行案例分析，结果表明：当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时，开挖释放荷载取最小值；但一般情况下，很难使开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优。对地下工程围岩稳定的影响而言，地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征，因此，应注重对地应力张量空间特征的全面解析。  
        关键词：岩石力学;地下洞室;地应力;特征平面投影应力椭圆;洞室轴线选择;锦屏一级地下厂房   
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        发布时间：2024-01-10
      • 崔凯,汪小海,谌文武,冯飞,程富强
        2021, 53(2): 66-74. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901036
        摘要：既往研究表明以生石灰为掺料的浆液与土遗址兼容性良好，并且发现在此类浆液中添加微型石灰桩能够更好地消除浆–土界面的干缩分异现象。因此，为探究桩–浆协同作用下裂隙的加固效果与机制，开展单独注浆工艺和宽径比（裂隙宽度与石灰桩直径的比值）为1.5、2.0、2.5和3.0的桩–浆协同工艺下室内遗址土裂隙注浆试验。首先，在浆液养护63 d后，对裂隙两侧等距土体的宏观性质指标（贯入阻力、密度、液塑限和颗粒组成）进行测试；然后，利用扫描电子显微镜图像、比表面积（SSA）、阳离子交换量（CEC）及土体孔隙相对变化率（Pr）对裂隙注浆后加固效果进行定性和定量联合分析。结果表明：桩–浆协同作用下，宽径比小于2.5时，裂隙两侧土体的加固效果均优于单独注浆条件。土体被加固效果随着宽径比增加先增加后减小，宽径比为2.0时效果最佳；宽径比大于3.0时，加固效果弱于单独注浆条件。结果反映了分属于石灰桩和浆液的膨胀和离子迁移对裂隙两侧土体的挤密和团聚作用不是简单的线性叠加，而是当宽径比超过2.0时，出现浆液对石灰桩的挤密和团聚作用产生了明显的抑制反馈。  
        关键词：土遗址裂隙;桩浆协同;宽径比;膨胀挤密;离子迁移   
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      • 邓云叶,文畅平
        2021, 53(2): 75-83. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000141
        摘要：基于椭圆–抛物线弹塑性本构模型，研究了干湿循环条件下石灰粉煤灰改良膨胀土的双屈服面弹塑性应力–应变本构关系。首先，通过一系列三轴固结排水剪切试验，分别得到不同干湿循环次数下石灰粉煤灰改良膨胀土的偏应力q与轴向应变ε1、剪应变εs，以及轴向应变ε1与体应变εv的试验曲线；然后，根据三轴试验结果拟合本构模型中的各参数与干湿循环次数之间的关系表达式；最后，引入考虑干湿循环次数的因子，建立考虑干湿循环的双屈服面弹塑性本构模型。研究表明：1）干湿循环作用下，偏应力q与轴向应变ε1关系表现为应变硬化，与体应变εv表现为应变剪缩；q–ε1、q–εs试验曲线都呈现出近似双曲线特征。2）干湿循环作用下，土体的偏应力q不断减小，体应变εv不断增大；干湿循环作用显著降低了石灰粉煤灰改良膨胀土体的抗剪切、抗压缩能力。3）体积屈服面、剪切屈服面在p–q平面上分别为椭圆、抛物线。干湿循环作用下，体积屈服面不断向原点靠近，剪切屈服面不断向p轴靠近；前9次干湿循环作用的影响较为显著，之后屈服面的变化趋于稳定。4）通过引入考虑干湿循环次数的因子所建立的双屈服面本构模型，可定量反映干湿循环作用对石灰粉煤灰改良膨胀土应力–应变关系的影响，以及双屈服面演化过程。该双屈服面本构模型的应力–应变预测值与试验值吻合度较高。  
        关键词：石灰粉煤灰改良膨胀土;干湿循环;椭圆–抛物线本构模型;双屈服面应力–应变关系   
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      • 王钰轲,黄文清,万永帅,余翔,韩沐森,郭成超
        2021, 53(2): 84-94. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901151
        摘要：土体在受波浪、地震及交通荷载等荷载作用时，其相应的应力状态较为复杂，因此，在实际工程中偏应力和主应力轴方位角同时变化的情况普遍存在。目前，关于这种应力条件下原状软黏土的物理力学特性的研究尚处于起步阶段。主应力轴耦合旋转是指在主应力轴方向旋转的同时，偏应力不断增大，平均主应力、中主应力系数均保持不变。为研究主应力轴耦合旋转时原状软黏土的变形和孔压特性，基于空心圆柱扭剪控制系统（HCA），对原状软黏土进行了一系列不同初始状态的扭剪试验，探讨了不同固结倾角、中主应力系数在主应力轴耦合旋转条件下对原状软黏土的变形、孔压等特性的影响。结果表明：不同初始固结状态对软黏土的变形特性有明显的影响；主应力轴耦合旋转过程中，软黏土试样在主应力系数b = 0和0.5时的轴向变形以受压为主，在 b = 1.0时主要表现为受拉状态。不同初始固结倾角下，主应力轴耦合旋转下试样的轴向、环向和剪切变形趋势均有明显的不同；径向应变值差别不大，在b = 0.5时，试样的径向应变值接近于0。不同初始固结倾角条件下，试样的孔压峰值对应的大主应力方位角也不同，孔压累积与应变开展并不一一对应；应力和应变的变化与偏应力和主应力方位角的增加不同步，即存在明显的非共轴现象。  
        关键词：软黏土;主应力轴耦合旋转;固结倾角;中主应力;变形;孔压   
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      • 代仲海,胡再强
        2021, 53(2): 95-102. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000008
        摘要：随着地下空间进一步的开发与利用，盾构施工面临的地质条件更加复杂多样。盾构在复合地层中掘进时，因地层间力学性质差异，易因开挖面支护力确定不当而造成失稳破坏，给工程带来负面影响。针对盾构隧道穿越复合地层较穿越均质土体时，由于上下地层间力学性质差异而导致的开挖面支护压力难以确定的问题，基于组合对数螺旋线破坏模式的复合地层中盾构开挖面失稳模型，利用极限分析上限定理推导了复合地层盾构隧道开挖面极限支护力上限表达式，结合非线性优化技术，求得极限支护力最优解，并通过与现有文献进行对比，验证了采用组合对数螺旋破坏模式的合理性；同时，讨论了不同参数对极限支护力及临界破坏模式的影响，给出了破坏时临界滑动面示意图。结果表明：当上部地层内摩擦角和黏聚力一定，极限支护力随下部地层内摩擦角和黏聚力的增大而降低；随着隧道直径的增大，极限支护力显著增大。定义上层地层深度与隧道直径之比为深度系数，对于复合地层，深度系数越小，极限支护力对于地层抗剪强度参数的变化越敏感；但对于单一地层，深度系数的变化对极限支护力没有影响。所得结论对实际工程具有一定的指导意义。  
        关键词：盾构隧道;复合地层;极限上限分析法;开挖面稳定性   
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      • 石宵爽,张宽裕,栾晨晨,代金芯,杨富花
        2021, 53(2): 103-109. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000557
        摘要：为实现污泥在混凝土中的资源化利用，试验研究了掺加质量分数为0、1%、3%和5%的污泥灰作为补充凝胶材料对普通混凝土和再生混凝土的坍落度、抗压强度和劈裂抗拉强度的影响规律。研究结果表明：坍落度随污泥灰掺量的增加而下降，当污泥灰掺量为1%、3%和5%时，普通混凝土坍落度分别下降20%、24%和28%，再生混凝土坍落度分别下降0、25%和67%。掺加污泥灰的混凝土，其抗压强度和劈裂抗拉强度随龄期增加而提高。掺加3%污泥灰对普通混凝土抗压强度起到促进作用，其7、14和28 d的抗压强度分别提高14.12%、12.97%和9.09%。掺加1%和5%的污泥灰对普通混凝土抗压强度起到不利作用。掺加污泥灰提高了再生混凝土的7 d抗压强度，但28 d抗压强度没有明显增长。与对照组相比，掺加污泥灰的普通混凝土和再生混凝土的7 d抗拉强度平均下降19.17%和15.53%。相比对照组，掺加3%污泥灰的普通混凝土28 d抗拉强度提高3.19%，掺加3%污泥灰的再生混凝土提高了18.72%。可见，掺量为3%的污泥灰能提高普通混凝土和再生混凝土的抗压强度和抗拉强度，是较优掺量。微观结构分析表明，再生混凝土中由于旧砂浆的存在提高了污泥灰的利用率，使得污泥灰再生混凝土的早期强度增长明显，当污泥灰掺量较大时，多余的污泥灰降低了混凝土的均匀性从而影响强度发展导致28 d抗压强度没有明显增长。  
        关键词：再生混凝土;污泥灰;抗压强度;劈裂抗拉强度;微观结构   
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      • 徐方,陈乐,赵春彦,叶新宇,郎锋,冷伍明
        2021, 53(2): 110-117. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000479
        摘要：黏土–水泥土接触面的剪切特性及土体运移规律是研究水泥土桩、墙等结构物承载和变形机理的关键。对黏土与不同粗糙度水泥土接触面的力学特性进行直剪试验研究，探讨黏土–水泥土接触面抗剪强度、破坏规律及变形特性。结果表明：黏土–水泥土接触面的剪切破坏强度服从摩尔–库伦强度准则，接触面摩擦角随粗糙度的增加而增大，但增长速率逐渐减缓，而接触面黏聚力与黏土黏聚力大小相当；黏土–水泥土接触面的法向应变–剪切位移曲线整体表现为剪缩型，且剪缩量随法向应力和粗糙度的增加而增大。归一化的接触面强度有效系数Es随粗糙度的增加而增大，且当粗糙度R超过1.0 mm后，Es大于1.0，说明由于“被动阻力”的存在使得黏土–水泥土接触面的抗剪强度得到提升，从而出现大于黏土自身抗剪强度的情况。不同法向应力下，各接触面的剪应力–剪切位移关系曲线均服从指数分布，据此建立了描述接触面粗糙度、剪应力、剪切位移、法向应力、摩擦角和黏聚力关系的复合指数模型，该模型对接触面剪应力–剪切位移关系曲线具有良好的拟合效果。此外，随剪切过程的持续进行，剪切破坏区逐步由剪切前方扩展至剪切后方。研究结果对揭示黏土–水泥土接触面的力学特性及水泥土桩、墙等的设计具有参考和指导意义。  
        关键词：接触面;剪切特性;粗糙度;黏土;水泥土;直剪试验   
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      • 张芮椋,薛新华
        2021, 53(2): 118-124. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000405
        摘要：纤维增强复合材料（fiber-reinforced polymer，FRP）已被广泛应用于混凝土加固工程中。FRP与混凝土界面间的粘结性能是影响加固效果的重要因素之一，为准确预测FRP嵌入式加固（near-surface-mounted，NSM）NSM FRP–混凝土的粘结强度，运用基因表达式编程（gene expression programming，GEP）方法，选取混凝土抗压强度、粘结长度、槽深宽比、FRP轴向刚度、FRP抗拉强度及环氧树脂抗拉强度等6个参数作为粘结强度的影响因素，建立了NSM FRP与混凝土粘结强度的预测模型，提出了具体的计算公式。通过比较粘结强度预测值与实验值，发现二者较为接近，说明该模型具有一定的可靠性。对该模型进行敏感性分析，发现其可以反映粘结强度与单因素之间的内在关系，即粘结强度随着粘结长度、混凝土抗压强度、槽深宽比及FRP轴向刚度等因素的增大而增大。将该GEP模型与经验模型及小波神经网络模型进行比较，并选取6个统计指标对模型进行评价。结果表明，GEP模型与小波神经网络模型的精度较高，各项误差指标均较小，决定系数分别为0.793和0.787。总体而言，GEP模型的精度略优于小波神经网络模型，二者的精度均远高于经验模型。  
        关键词：粘结强度;基因表达式编程;纤维增强复合材料;混凝土;预测模型   
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        发布时间：2024-01-10

        物联网

      • 魏连锁,韩建,金涛,苏扬,郭媛
        2021, 53(2): 125-132. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000752
        摘要：为了高效地利用网络资源，均衡网络拓扑能耗，剔除网络拓扑冗余链路，以降低节点负载及最大化的延长网络的生命周期。通过势博弈和最优刚性子图的概念，综合考虑节点的剩余能量、节点的负载及网络拓扑链路的冗余性，作者设计了一种基于最优刚性子图的势博弈无线传感器网络拓扑优化算法（PGOSG）。首先，根据节点间通信的功率变化，构造节点的功率集合作为博弈的策略集，利用势博弈理论以均衡能耗均衡为目标构建势博弈函数，并使其收敛至纳什均衡点，进而构建初步的网络拓扑结构。然后，利用最优刚性图全局链路数较少，且不损坏网络拓扑结构的特性，在上一步构建的网络拓扑结构上，利用最优刚性子图逐层剔除网络拓扑中的冗余链路，得到最终的网络拓扑结构。仿真实验分析了PGOSG算法的网络拓扑图、链路通信质量、网络鲁棒性以及网络生命周期，并将其与现有的DEBA算法进行了对比。从仿真结果可知：在拓扑结构上，PGOSG算法在网络的通信链路上剔除了网络中的冗余链路，降低了网络中部分节点的负载。在能耗均衡上，PGOSG算法在博弈阶段制定了节点数据转发规则有效地利用了网络资源，均衡了节点能耗，避免了节点间冗余转发。因此，提出的算法能够剔除网络中的冗余链路，降低节点的负载和链路权值，延长网络生存时间。  
        关键词：冗余链路;无线传感器网络;势博弈;最优刚性子图;网络拓扑   
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        发布时间：2024-01-10
      • 舒坚,李睿瑞,熊涛,刘琳岚,孙利民
        2021, 53(2): 133-140. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000781
        摘要：为了探索便携交换网络的演化规律，研究其网络行为预测中的链路预测问题。便携交换网络具有节点移动性、节点间间歇性连接、高延迟等特点，其链路预测面临的挑战是节点相遇的机会性和拓扑的时变性，获得其高质量链路预测的关键是如何较全面地获取节点的属性。作者提出基于学习自动机和萤火虫算法的链路预测方法（link prediction approach for pocket switched network based on firefly algorithm, FA-LP）。采用学习自动机对节点进行自适应聚类，完成网络的社区划分；定义社区属性影响系数和移动行为影响系数，构建反映便携交换网络社区属性、节点移动性和节点间间歇性连接的相似性指标；将该指标与CN、RA、AA等指标融合，得到便携交换网络的相似性指标向量；借助差分整合移动平均自回归模型的时间序列分析能力，提取相似性指标向量序列的演化规律；采用萤火虫算法优化所构建的二分类器，预测节点对下一时刻的连接状态。INFOCOM2006和MIT两个真实数据下的实验结果表明，与受限玻尔兹曼机、弱评估器等方法相比，FA-LP具有更高的准确率和更好的稳定性。  
        关键词：便携交换网络;链路预测;学习自动机;萤火虫算法   
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        发布时间：2024-01-10

        信息工程

      • 王茂宁,李钟麒,张建伟,钟羽中
        2021, 53(2): 141-150. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000301
        摘要：分布式光纤传感系统（distributed acoustic sensing, DAS）具有可获取连续分布信息、受环境影响小、成本低等优势，作者提出了一种利用DAS系统进行车辆轨迹提取的方法，为实现智慧化高速公路环境中全时空交通状态感知提供基础。首先，利用基于Φ-OTDR原理的DAS检测设备和高速公路通信光纤中的空闲纤芯，实时地采集车辆行驶时引发的地面振动信号；然后，利用S变换在检测扰动方面的优势，逐通道地将振动信号变换到时–频域，累积车辆振动信号所处频域区间内的能量，并堆积所有通道的振动能量形成时空2维振动能量响应；最后，通过Radon变换将多条增强后的车辆轨迹转化为距离–速度域中多个奇异点，通过提取距离–速度域的奇异点无监督地分离及提取车辆行驶轨迹。在双向三车道的真实高速公路环境中对车辆轨迹提取方法进行了验证和测试。实验结果表明：与经典的小波变换去噪算法相比，所提基于S变换的方法在抑制噪声的同时增强车辆行驶产生的振动信号，增加了车辆轨迹与背景之间的对比度，更利于后续提取车辆轨迹；与Hough变换相比，所提基于Radon变换的方法能更好地聚集DAS时空2维振动信号中的车辆轨迹，且提取轨迹受干扰小。该文所提方法能实现高速公路DAS车辆检测信号的轨迹提取。  
        关键词：分布式光纤传感系统;S变换;Radon变换;车辆轨迹提取   
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        发布时间：2024-01-10

        化学工程与材料工程

      • 鲍泽威,朱泽志,牟晓锋,闫栋
        2021, 53(2): 151-157. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000315
        摘要：为了研究金属氢化物储氢反应器放氢过程的热质传递特性，建立了金属氢化物反应器的2维轴对称数学模型。此反应器内装填了Ti0.95Zr0.05Mn1.55V0.45Fe0.09储氢合金和膨胀石墨组成的复合压块。通过与文献中实验数据的对比验证了所建立模型的有效性。考察了换热流体温度、流体平均流速和氢气排出压力变化对金属氢化物反应器放氢过程的影响，比较了优化操作参数和基准操作参数下的放氢性能。并对优化操作参数下放氢反应过程特征进行了分析。模拟结果表明：换热管附近床层区域的换热效果更好，放氢反应进行得更快。当换热流体温度从313.15 K升高到353.15 K时，放氢时间从17100 s降低到了6700 s。虽然提高换热流体平均流速可以缩短反应器的放氢反应时间，但其强化效果是很有限的。当换热流体流速超过3 m/s时，氢化物床与换热管壁之间的接触热阻成为整个传热过程的主要热阻，增加流速的强化效果已不明显。优化后的操作参数为：氢气排出压力为0.3 MPa、换热流体温度为353.15 K、换热流体平均流速为3 m/s。与基准操作参数相比，放氢反应时间缩短了约56%，对操作参数的优化能够显著地提高反应器的放氢速率。Ti0.95Zr0.05Mn1.55V0.45Fe0.09合金的放氢反应过程仅仅在前4 s内主要受氢气压力的控制，而随后的反应过程主要是受传热过程控制。  
        关键词：金属氢化物;储氢;反应器;放氢过程;数值模拟   
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      • 马丽芳,李燕,陈凯,汪伦
        2021, 53(2): 158-163. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000036
        摘要：姜科是多年生草本植物的一个大科，其成员因其可食用性、生物活性和药用活性而引起人们对植物化学的兴趣。姜科植物土田七的根茎在传统医学中一直被用于治疗炎症、疼痛和发烧。为阐明土田七的作用机制和对其进一步开发利用，系统研究土田七的化学成分具有重要意义。目前已经从土田七中分离出卡丹烷二聚体、倍半萜类等化合物，为进一步研究土田七的化学成分，利用半制备型高效液相色谱、柱色谱等多种色谱分离技术对土田七进行了系统分离纯化，并利用高分辨质谱和核磁共振波谱鉴定了所得单体化合物的结构。从土田七75%乙醇提取物的乙酸乙酯部位和正己烷部位中，分离鉴定出了11个化合物，分别为豆甾醇（1）、5，5'–二羟甲基糠醛（2）、顺式–6–甲基–5–亚甲基–3–亚乙基–6–乙酰氧基己二酸（3）、反式–（2R，3S）–2，3–二甲基–5–亚乙基–2–乙酰氧基己二酸（4）、反式–（2R，3S）–2，3–二甲基–5–亚乙基-2-羟基己二酸（5）、2，5–二羟基甲苯（6）、2–乙基–2–丁烯酸（7）、糠酸（8）、反式–4–羟基肉桂酸（9）、千里光宁碱（10）、乙酰化千里光菲林碱（11）。其中化合物3为新化合物，其余化合物为已知化合物。化合物3为无定型粉末，通过质谱数据[M+Na]+=279.0841可确定化合物的分子式为C12H16O6。根据13C NMR谱图和HSQC数据可确定C–H关系，再结合COSY谱可以推断出该化合物的结构。通过1H NMR谱图数据中C–2烯烃质子的化学位移可推测C–2和C–3之间的烯烃为Z型，故命名为顺式–6–甲基–5–亚甲基–3–亚乙基–6–乙酰氧基己二酸。  
        关键词：姜科;土田七;化学成分   
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        发布时间：2024-01-10
      • 黄健盛,郭银应,刘德绍,陈双扣,陈秋竹,温馨,郑昊天,谭俊峰,唐倩
        2021, 53(2): 164-170. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000286
        摘要：为了解决单一负荷或逐步提高负荷下培养颗粒污泥所需时间较长、污染物去除不稳定的问题，提出采用交替改变进水碳氮负荷方式，研究好氧颗粒污泥形成过程及污染物去除效果。通过设计进水—曝气—沉淀—排水（S1反应器）和进水—曝气—停曝—曝气—停曝—曝气—沉淀—排水（S2反应器）两种运行方式培养好氧颗粒污泥，对比分析颗粒污泥形成过程中污泥形态变化、污泥沉降性能及对污染物去除情况。结果表明，S1反应器在84 d、S2反应器在78 d均可形成平均粒径为0.5 mm的颗粒污泥，115 d时两个反应器内颗粒污泥的平均粒径分别为0.85、0.97 mm。S1、S2反应器内的MLSS浓度达到了4.94、5.895 g/L和SVI浓度达到80、46 mL/g，S2运行方式下，形成的颗粒污泥更有利于微生物的生长，使反应器内维持较高的生物量且沉降性能更优。两种运行模式下COD、NH4+–N的去除效果变化甚微，TN、PO43––P去除效果差异较明显。S1运行方式下COD、NH4+–N、TN、PO43––P去除率分别为90.0%、99.7%、74.5%和85.0%，S2运行方式下COD、NH4+–N、TN、PO43––P去除率分别为94.0%、99.9%、94.35%和95.0%，与前者相比COD、NH4+–N、TN、PO43––P去除率分别增加了4.0%、0.2%、19.9%和10.0%。因此，进水碳氮负荷同步交替变化–进水—曝气—停曝—曝气—停曝—曝气—沉淀—排水方式可在更短的时间内培养出粒径更大、污染物去除性能更优的好氧颗粒污泥。  
        关键词：好氧颗粒污泥;负荷交替变化;运行方式;去除率   
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        发布时间：2024-01-10

        机械工程

      • 麻宏强,王丽,厚彩琴,韩喜莲,罗新梅,李绍勇
        2021, 53(2): 171-177. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000281
        摘要：为进一步探究气液分离闪蒸撬分液侧内部构件对其分离性能的影响规律，提高分液侧分离效率，基于标准k–ε模型和欧拉–欧拉方法，建立了分液侧流体流动特性分析模型，对分离腔内流场进行了数值模拟，将结果与文献实验数据进行了模拟对比，验证了模型的准确性，优化分析了分液侧内部构件结构参数对分离性能的影响。分析了分离腔内连通管、捕雾器、导流板及折流板结构参数对分液侧分离效率的影响，得出连通管对于分液侧整体分离效率影响很大，其直径和分布位置变化都会引起分离腔内流体的扰动；捕雾器厚度的增加会提高对于微小液滴的捕集作用，而其直径对分离效率影响较小。导流板主要影响入口流体的速度大小，改变其深度和角度均使得分离效果变化明显；折流板主要起到整流作用，其结构尺寸对分离效果影响很小。优化了分液侧分离腔内部的结构参数，结果表明：分离腔与集液筒之间至少要有两根连通管，并分别布置于分离腔的积液区和气相区，可以有效提高分离腔排液，避免集液筒发生气塞现象；当捕雾器厚度在60～120 mm时，分液侧分离效率波动很小，其整体分离效率可高达98%以上；导流板角度在90°～135°，深度在385～647 mm范围时，分离腔内部积液区流体流速较小，排液顺畅，分离效率提高。研究成果为新型气液分离闪蒸撬分液侧结构参数设计提供了理论依据。  
        关键词：气液分离闪蒸撬;流场;结构优化   
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        发布时间：2024-01-10
      • 王民,孙铁伟,董朝阳,孔德顺,高相胜
        2021, 53(2): 178-186. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000443
        摘要：在滚珠丝杠副运动过程中，滚珠与滚道之间的摩擦和磨损导致滚珠丝杠副精度衰退，降低其精度保持性。针对高速滚珠丝杠副螺旋线滚道接触区域的非对称性，采用传统的赫兹接触理论对丝杠和螺母滚道接触几何形状和关系的计算存在较大误差，提出了一种基于最小余能原理对高速滚珠丝杠副滚珠与滚道之间的法向接触应力进行分析计算的方法。首先，基于Frenet−Serret坐标转换公式建立滚珠丝杠副坐标系，对滚珠与滚道接触点处的接触情况进行几何描述，并通过2维插值算法重新进行网格划分以便于后续的接触力学分析；对滚珠与滚道之间的接触区域和控制方程进行离散化分析，提高数值计算的精确性；为了解决接触问题计算求解过程复杂、收敛速度缓慢，通过运用变分原理将接触问题转成极值问题，采用共扼梯度法进行循环迭代来实现快速收敛求解，提高接触数值解法的计算效率，求解出滚珠与滚道之间的接触应力分布；由于接触表面变形的计算相当于求影响系数矩阵与法向压应力之间的卷积，2维卷积运算和对应的2维快速傅里叶变换被用于求解接触问题的数值解。在数值求解中，主要的计算量集中在弹性变形的计算上，使用2维快速傅里叶变换（FFT）技术方便快速地计算接触区域弹性变形。将最小余能原理与赫兹接触理论分别用于求解光滑的球与平面之间的弹性接触应力分布，将两种计算方法得出的结果进行对比，计算数值重合度很好，验证了基于最小余能原理求解接触应力分布的正确性；基于最小余能原理分析螺旋升角对滚珠与滚道接触点处的接触面积和弹性变形的影响，并将该方法所得结果与赫兹接触理论计算结果进行对比分析，发现赫兹接触解与最小余能非赫兹接触精确解相比，随着滚珠丝杠副滚道螺旋升角的增大，丝杠与滚珠接触点A处的误差始终大于螺母与滚珠接触点B处的误差，丝杠滚道与滚珠接触点A处非赫兹解接触应力峰值逐渐变小，螺母滚道与滚珠接触点B处非赫兹解接触应力峰值逐渐增大，且接触点A处应力峰值始终大于接触点B处峰值，计算所得滚珠与滚道接触区域的面积和长短轴有所不同。最小余能原理非赫兹接触计算方法可以准确计算滚珠和滚道接触区域应力分布，并且可以全面和准确的计算滚道磨损带的宽度和深度。研究结果表明，采用最小余能非赫兹接触解可以有效提高滚珠丝杠副接触应力分布计算精度，保证滚珠丝杠副的精度保持性。  
        关键词：滚珠丝杠副;接触应力;最小余能原理;共轭梯度法;赫兹接触   
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        发布时间：2024-01-10
      • 李超,姚进,李华,胡波
        2021, 53(2): 187-194. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000031
        摘要：无级变速器（CVT）是一种理想的机械传动方案，随着现代工业和车辆技术的发展，希望CVT的变速机构对于负载改变能够实现自动/自适应变速，针对典型的同轴移动类牵引式CVT—滚轮平盘牵引式CVT，提出了一种基于螺纹–弹簧力封闭的自适应变速机构，并对其进行动力学研究。首先，给出具有螺纹–弹簧式自适应变速机构的滚轮平盘牵引式CVT结构模型；然后，分别对该CVT进行了运动学分析并给出运动学参数计算模型，根据赫兹接触理论建立其牵引点接触模型，采用分离体分析法建立了其动力学模型；最后，重点分析了变速过程中滚轮与平盘之间侧滑力的变化规律，分析出滚轮自适应负载变化的变速运动规律，研究了弹簧刚度系数对变速过程的影响，并对自适应变速过程的滚轮偏移规律进行了仿真实验验证。结果表明：自适应变速过程中，当侧滑率系数大于0.55时，侧滑力大小基本恒定；自适应变速过程为一振动过程，且变速机构中弹簧的刚度系数和负载力矩会直接影响变速响应时间和变速稳定时滚轮侧滑量大小；在同样大小的负载作用下，不同的初始负载条件会影响到变速振动的振幅，但对于变速稳定时滚轮的偏移量无较大影响；自适应变速过程的滚轮偏移规律的仿真结果与计算结果趋势吻合，但变速稳定时间有明显区别，仿真结果更接近实际情况。  
        关键词：滚轮平盘;牵引式无级变速器;自适应变速;动力学分析;侧滑力   
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      • 毛文元,宋鹏云,邓强国,许恒杰,孙雪剑
        2021, 53(2): 195-202. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000152
        摘要：干气密封螺旋槽槽深和槽底表面的加工精度将对密封性能产生重大的影响，但精准控制槽深和槽底表面的加工精度仍有挑战。以槽深hg=10 μm、槽底表面粗糙度Ra≤0.8 μm为设计控制目标，开展了干气密封螺旋槽激光加工工艺的优化研究。选取标刻次数、激光功率、填充间距、扫描速度4个对槽深hg和槽底表面粗糙度Ra有显著影响的因素作为设计变量，每个因素均取12个水平，通过均匀试验分别得到12组工艺参数下的螺旋槽深度hg和槽底表面粗糙度Ra；然后，利用ACE非参数回归建立工艺参数与槽深hg、槽底表面粗糙度Ra的映射关系，并采用蒙特卡洛法随机生成大量的工艺参数样本，再通过插值算法和样本筛选得到了3组满足设计控制目标下的工艺参数及其预测结果，并根据实际情况对3组工艺参数微调后进行试验，获得3组实际工艺参数下的槽深hg和槽底表面粗糙度Ra。试验结果表明：3组实际工艺参数下的槽深hg和槽底表面粗糙度Ra均满足设计控制目标，且预测值和试验值吻合。最后，以加工效率和槽底加工质量为优化目标，优选出满足设计控制目标下的螺旋槽激光工艺参数。  
        关键词：干气密封;螺旋槽;激光加工;优化   
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