最新刊期
      2024 年 第 56 卷 第 4 期
      本期电子书

        科学前沿

      • “全球气候变暖导致山丘区极端降雨事件多发，中国山洪灾害研究取得显著成效。专家采用多学科知识，系统探究中国重灾省区重大山洪灾害事件的强降水时空演变规律，为山洪灾害防治提供解决方案。”
        王协康
        2024, 56(4): 1-9. DOI: 10.12454/j.jsuese.202400218
        摘要：全球气候变暖导致山丘区极端降雨事件多发，降雨强度与量级不断突破区域历史极值，同时叠加区域脆弱环境和强人类活动影响，致使山洪形成及演进致灾成因复杂多变，由此加重了暴雨山洪引发的人员伤亡和财产损失。山洪灾害具有显著的自然和社会双重属性，其形成发展是山丘区环境孕灾承灾因子复合作用的结果。中国山丘区局地气候独特，地质地貌类型众多，溪河水系复杂，人类活动影响突出。大量重大山洪灾害事件表明，极端降雨诱发的山洪过程及致灾特征各异，给山洪灾害预报预警防御造成极大困扰，山洪灾害研究仍是当前重大自然灾害防控的重点和难点。长期以来，中国山洪灾害研究多偏重于雨水情时空变化规律，着重研究降雨影响的山洪洪水淹没特征，据此推算山洪灾害防治区的临界雨量与水位阈值，在山洪灾害防治实践应用中取得了较为显著的成效，山洪灾害事件导致的人员伤亡数总体显著下降。然而，受山丘区降雨特征、下垫面组成、溪河形态及人类活动等多因素影响，山洪洪水形成演进时挟带大量泥沙，从而表现为山洪水沙、山洪泥石流等物理过程，导致的局地冲毁、淤埋、淹没等致灾成因及阈值与山洪洪水致灾也存在本质差异，这也是近年来中国重大山洪灾害事件多发的主要原因。针对极端降雨诱发多类型山洪形成演进与强人类活动复合作用致灾防御难题，亟需利用气象学、水文学及河流动力学等多学科知识，采用现场调查、物理试验、数值模拟及理论分析相结合的方法，从传统单一的山洪洪水灾害研究扩展为全类型山洪灾害（山洪洪水灾害、山洪水沙灾害、山洪泥石流灾害）研究，开展全类型山洪引发的冲毁—淤埋—淹没等复合致灾研究，系统探究中国重灾省区重大山洪灾害事件的强降水时空演变规律，剖析极端降雨与强人类活动复合作用下多类型山洪形成及其演进致灾范围、规模特征，揭示气象水文溪河响应与强人类活动影响的不同类型山洪灾害致灾成因，建立气象水文水沙动力过程模拟方法，辨识山丘区流域全类型山洪冲毁—淤埋—淹没风险，提出不同类型山洪灾害易发区识别方法，构建山洪洪水灾害、山洪水沙灾害及山洪泥石流灾害分区分级多指标预警防御方法。该研究有利于提升中国山洪灾害理论技术研究水平，进一步完善中国山洪灾害防治对策。  
        关键词：山区流域;极端降雨;强人类活动;山洪灾害;致灾成因   
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        发布时间：2024-11-15

        高级氧化技术在新污染物治理中的未来

      • “在人工智能领域，专家建立了深度学习体系，为解决复杂问题提供解决方案。”
        赖波
        2024, 56(4): 10. DOI: 10.12454/j.jsuese.202400459
          
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        发布时间：2024-11-15
      • “在绿色发展理念推动下，研究人员探索了以纳米材料为核心的环境纳米技术，特别是金属有机骨架材料（MOFs）与木材的耦合策略，为环境修复领域提供了新视角。”
        彭荣富,朱新锋,王军宁,张金辉,王超海,翟尚儒
        2024, 56(4): 11-23. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300393
        摘要：在中国积极倡导“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念下，开发高效、低成本、零污染的先进可循环污染物去除技术，对于实现“绿水青山”目标至关重要。然而，当前主流的污染物去除技术，如活性炭吸附、高级氧化、膜分离等，虽具备成本优势，却常伴随去除效率低、能耗高及二次污染等问题。在此背景下，以纳米材料为核心的环境纳米技术（涵盖吸附、催化、膜分离等领域）凭借其高效性和功能多样性，在环境修复领域引发了广泛关注。金属有机骨架材料（MOFs）作为一类由金属离子与有机配体构筑的、具有1～3维结构的多功能晶态材料，因其有序的孔道结构、丰富的化学组成及高比表面积，在环境修复领域展现出良好的应用前景。然而，MOFs的粉末形态及其固有的易碎性、不宜加工性及低相容性，限制了其在回收、成型等方面的应用，从而阻碍了其在实际场景中的广泛推广。生物质材料，特别是木材，因其种类丰富、成本低廉及天然的高孔隙率等特性，在环境修复领域备受青睐。木材的多维孔道结构、丰富的羟基/羧基官能团以及良好的加工性能，使其成为固定粉末状MOFs的理想载体。近年来，国内外学者利用木材的这些本征特性，将MOFs作为新型载体，引入功能化纳米粒子或非均相催化剂等活性组分，构建了一系列新型复合结构体系，这些体系在木材、纤维素、凝胶等生物质及其衍生物基复合材料的制备和生物质催化转化中展现出巨大潜力。本文系统阐述了MOFs与木材的耦合策略，包括混合浸泡法、真空浸渍法、溶剂热法及原位生长法等，并深入解析了MOFs负载于木材表面形成MOFs/木材复合材料的机理，如物理吸附、润湿作用、毛细现象及构造成核位点等。同时，梳理并总结了当前MOFs材料在生物质及其衍生化学品领域的研究进展，重点讨论了MOFs/木材复合材料在气相污染物吸附、重金属离子去除、有害颗粒物过滤及高级氧化等环境修复领域的应用现状，并阐明了MOFs微观结构设计与复合材料宏观性能之间的内在联系。最后，展望了MOFs/木材复合材料未来发展所面临的机遇与挑战，为构建面向环境实际应用的MOFs基复合材料提供了新视角，有望进一步推动其在环境修复领域的广泛应用。  
        关键词：金属有机骨架材料（MOFs）;木材;环境修复;水处理   
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        发布时间：2024-11-15
      • “最新研究利用太湖蓝藻制备生物炭，开发出高效电化学系统，成功去除水中抗生素SMX，为水处理技术提供新思路。”
        张晴,赵丽娜,蒋欣,边博,杨维本,赵俭波,杨朕
        2024, 56(4): 24-34. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300498
        摘要：遵循“以废治废”理念，以机械打捞后的太湖蓝藻这一典型固废为原料，采用高温热解和酸/碱处理的方法制备了环境友好的蓝藻基生物炭，并将其作为3维电化学系统（3DES）中的粒子电极，用于高效催化氧化降解去除水中的典型抗生素磺胺甲恶唑（SMX）。经过热解及酸/碱改性后，生物炭更大的比表面积和更丰富的孔道结构提高了SMX在粒子电极表面的富集能力；而蓝藻中原有的铁、氮等元素掺杂在热解生物炭中有效提高了体系中活性氧物种的产生量，使得体系对SMX的去除率和矿化率均显著提高。在最佳制备和运行条件下（粒子电极制备条件：700 ℃热解和碱改性；3DES运行条件：电流600 mA、溶液pH为6、粒子电极用量1.00 g/L、水流速300 mL/min、电解质Na2SO4浓度50 mmol/L），SMX在120 min内去除率可达96%以上；6 h后，水体总有机碳（TOC）去除率可达94%。机理研究表明，3DES中，SMX降解的间接氧化作用（占比84.32%）大于直接氧化作用（占比15.68%）；间接氧化中，${\mathrm{HO}}^{\;\cdot} $和${\mathrm{SO}}_{4}^{\;\cdot - } $在体系中均被检出，但是，未检测出超氧自由基和单线态氧；而相较于${\mathrm{SO}}_{4}^{\;\cdot - } $，${\mathrm{HO}}^{\;\cdot} $对SMX的降解占主导地位（间接氧化中${\mathrm{HO}}^{\;\cdot} $占比87.31%）。在连续循环使用6次后，3DES对SMX的去除效率仍能保持在85%以上。研究结果为基于蓝藻生物炭粒子电极的3DES在水处理领域的应用提供了技术支撑和理论依据。  
        关键词：蓝藻基粒子电极;3维电化学系统;抗生素;降解;生物炭   
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        发布时间：2024-11-15
      • “最新研究发现，硫化零价铁与过二硫酸盐结合，可高效降解水体中的四环素污染物。”
        叶秋月,胡正春,王紫宜,胥雯,赵施怡,邓旭盈,郭明浩,郭娜,廖兵
        2024, 56(4): 35-45. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300510
        摘要：硫化零价铁（S–nZVI）因其电子传递效率高、选择性好，近年来在水处理领域应用广泛。将S–nZVI与高级氧化技术结合，可发挥材料优异的催化性能，实现对污染物的高效降解。本文以硫脲为硫源制备高活性S–nZVI，构建S–nZVI活化过二硫酸盐（PDS）高级氧化体系实现对四环素（TC）的高效降解。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、比表面积（BET）、X射线光电子能谱仪（XPS）等表征方法分析S–nZVI的组成结构和表面形貌，考察硫铁物质的量的比（S/Fe）、硫化时间、S–nZVI投加量、PDS浓度、溶液初始pH和共存离子对TC降解的影响作用，通过活性物种淬灭实验和电子顺磁共振实验（EPR）探究自由基和非自由基活性物质对TC的降解作用，利用液相色谱–质谱联用（LC–MS）分析TC降解的可能路径。结果表明：纳米零价铁（nZVI）经硫化改性后，比表面积增大，Fe和S均匀地分布在材料表面；S/Fe对TC降解的影响作用较小，TC降解率与S–nZVI投加量和PDS浓度呈正相关，但随着硫化时间增加呈现降低趋势；S–nZVI/PDS体系在较宽pH范围（pH=5～9）内均具有较优的TC降解效果；反应溶液中存在不同阴离子时，TC降解率受到不同程度抑制作用，其中$\mathrm{HCO}_3^- $抑制作用最为显著；当S/Fe为0.028、硫化时间为2 h、S–nZVI投加量为1 g/L、PDS浓度为2 mmol/L，不调节初始溶液pH时，反应120 min后TC降解率可达94.6%；S–nZVI/PDS体系的活性物种除常见自由基（$\mathrm{SO}_4^{\cdot -} $和HO·）外，还包括非自由基活性物质Fe（Ⅳ），但Fe（Ⅳ）对TC的降解作用较小；TC降解主要通过特定官能团裂解和开环反应进行，最终氧化降解成CO2和H2O。  
        关键词：硫化纳米零价铁;过二硫酸盐;四环素;影响因素;降解机理   
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        发布时间：2024-11-15
      • “最新研究突破：开发出高结晶度三维多孔Fru-ATO阳极，有效提升阿特拉津电化学降解效率，为环境治理提供新思路。”
        王雪,谢佳芳,张健,李丁,赵全保,董四君
        2024, 56(4): 46-56. DOI: 10.12454/j.jsuese.202400133
        摘要：阿特拉津（ATZ）作为农业领域广泛应用的除草剂，其分子结构稳定，残留周期长，难以通过自然途径有效降解，长期积累对生态环境及人类健康构成显著威胁。当前，Sb掺杂SnO2（ATO）电极被广泛应用于电化学氧化降解污染物领域，但目前基于ATO材料制备电极通常是在平面基底上涂覆催化剂层，由于传质受限且电荷转移阻抗较大，ATO电极的反应速率受限，有机污染物去除速率较慢。鉴于此，开发新型高效稳定的电极材料成为解决上述问题的关键。为提升ATO电极的传质性能与结构稳定性，以果糖为成孔剂，采用压片成型与高温烧结技术，成功制备了一体成型的自支撑3维多孔ATO（Fru–ATO）阳极。利用扫描电子显微镜（SEM）与X射线衍射分析仪（XRD）等设备对电极的形貌特征与结晶性能进行详尽表征，并系统研究了不同烧结温度对阳极结构及其性能的影响。此外，通过调整溶液初始pH值、电解质浓度及施加电流密度等条件，进一步优化了ATZ的电化学降解效果。结果表明，随着烧结温度的升高，Fru–ATO阳极材料的颗粒尺寸逐渐增大，XRD图谱显示其结晶度显著提升，峰形更尖锐且峰强增强，同时析氧电位正向移动，对ATZ的降解效率也显著提高。在优化的实验条件下（pH=6，Na2SO4电解质溶液浓度为0.1 mol/L ，电流密度为10.0 mA/cm2），1 000℃下烧结6 h所得Fru–ATO（1 000–Fru–ATO）阳极在30 min内可降解90%的ATZ（20 mg/L），60 min内降解效率达到99%，且经10次循环实验后仍保持优异的循环稳定性。进一步通过液相色谱–三重四极杆质谱联用技术，鉴定出ATZ降解过程中的17种中间产物，并据此提出了3条可能的降解路径。成功制备了具有高结晶度与3维多孔结构的Fru–ATO阳极，该电极不仅内部氧化锡结构排列有序，促进了电催化氧化过程中的电荷转移，而且其多孔结构有效暴露了更多活性位点，显著提高了传质效率。这种传质与电荷转移的双重增强机制，极大地促进了活性氧物种（尤其是单线态氧1O2）的生成，从而实现了ATZ的快速高效降解。  
        关键词：SnO2–Sb;电催化;阳极氧化;阿特拉津（ATZ）;废水处理   
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        发布时间：2024-11-15
      • “煤化工废水处理领域取得新进展，专家提出Fe3+/H2O2体系，有效降低运行成本，为工程应用提供理论基础。”
        丛伯一,刘杨,殷浩翔,张恒,周鹏,李伟,赖波
        2024, 56(4): 57-65. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300391
        摘要：煤化工废水水质复杂，难降解有机物及氨氮含量高，给废水处理带来较大难度。现有的煤化工废水处理技术（混凝法、吸附法、膜生物反应法等）具有成本高、运行不稳定、预处理效果差等缺陷，难以满足煤化工行业发展的需要。为了高效处理煤化工废水，本文利用煤化工废水中酚类有机物的还原性促进Fe3+/Fe2+的循环，提出了一种利用Fe3+/H2O2类芬顿体系处理煤化工废水的方法。实验结果表明：Fe3+/H2O2体系中COD、TOC、TN、NH3–N的去除率可以达到74.63%、52.62%、10.46%、15.11%；相比于其他体系，Fe3+/H2O2体系出水色度明显降低，UV–Vis光谱下降幅度最大，铁泥量也明显减少。Q–TOF分析结果表明：废水中主要的8种有机物为酚类或具有醛基、羰基、羧基、碳碳双键或者酯基等还原性的官能团。通过测定COD去除率和pH、Fe3+/Fe2+、H2O2等含量随时间的变化趋势，提出了Fe3+/H2O2体系去除有机物的机理：废水中的还原性有机物将Fe3+还原为Fe2+，促进Fe3+/Fe2+循环，生成的Fe2+与H2O2发生芬顿反应，实现废水中有机污染物的去除。利用控制变量法，确定了最佳运行工况为：Fe2（SO4）3添加量为1.0 g/L、H2O2添加量为50 mmol/L、反应温度为30 ℃、初始pH为6.8。在此工况下，反应60 min后，煤化工废水的COD、TOC、TN、NH3–N去除效果良好，色度明显降低，BOD5和COD的比值（B/C）从0.17提升至0.47，可生化性大幅提高。本文证实了利用含酚类煤化工废水自还原Fe3+/H2O2体系的可行性，降低了运行成本，可为后续研究及工程应用提供理论基础。  
        关键词：Fe3+;H2O2;类芬顿;煤化工废水;酚类化合物   
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        发布时间：2024-11-15

        人工智能

      • “在离群点检测领域，研究者提出了KLOD方法，有效改善K-means聚类效果，提高局部离群点检测精度和性能。”
        周玉,夏浩,岳学震,王培崇
        2024, 56(4): 66-77. DOI: 10.12454/j.jsuese.202201398
        摘要：离群点检测任务是指检测与正常数据在特征属性上存在显著差异的异常数据。大多数基于聚类的离群点检测方法主要从全局角度对数据集中的离群点进行检测，而对局部离群点的检测性能较弱。基于此，本文通过引入快速搜索和发现密度峰值方法改进K-means聚类算法，提出了一种名为KLOD（local outlier detection based on improved K-means and least-squares methods）的局部离群点检测方法，以实现对局部离群点的精确检测。首先，利用快速搜索和发现密度峰值方法计算数据点的局部密度和相对距离，并将二者相乘得到γ值。其次，将γ值降序排序，利用肘部法则选择γ值最大的k个数据点作为K-means聚类算法的初始聚类中心。然后，通过K-means聚类算法将数据集聚类成k个簇，计算数据点在每个维度上的目标函数值并进行升序排列。接着，确定数据点的每个维度的离散程度并选择适当的拟合函数和拟合点，通过最小二乘法对升序排列的每个簇的每1维目标函数值进行函数拟合并求导，以获取变化率。最后，结合信息熵，将每个数据点的每个维度目标函数值乘以相应的变化率进行加权，得到最终的异常得分，并将异常值得分较高的top-n个数据点视为离群点。通过人工数据集和UCI数据集，对KLOD、LOF和KNN方法在准确度上进行仿真实验对比。结果表明KLOD方法相较于KNN和LOF方法具有更高的准确度。本文提出的KLOD方法能够有效改善K-means聚类算法的聚类效果，并且在局部离群点检测方面具有较好的精度和性能。  
        关键词：离群点检测;K均值聚类;最小二乘法;密度峰值;目标函数值   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在隧道缺陷检测领域，专家提出了受监督热图算法的隧道衬砌线关键点识别算法，有效提升了识别准确性和鲁棒性，为工程建设领域探地雷达无损检测数据解译工作提供技术支撑。”
        宋恒,张宜声,耿天宝,王东杰
        2024, 56(4): 78-87. DOI: 10.12454/j.jsuese.202201161
        摘要：衬砌线识别作为隧道缺陷检测分析的关键步骤，长期面临检测数据解析困难问题，为突破传统解析方法的局限性，提高解析结果的准确性、鲁棒性，本文对CenterNet算法进行改进，提出了受监督热图算法的隧道衬砌线关键点识别算法。该算法主要分为关键点检测和曲线拟合两个阶段，包括网格分类任务、外围点监督、抗噪声扰动3种改进方法。双阶段共同训练时，在关键点检测阶段，首先，新增网格分类任务，依据分类结果监督热图拟合过程，以改进CenterNet算法对于密集关键点的热图拟合能力；其次，在训练的前10轮中额外输出一定数量外围点热图，通过外围点监督热图拟合，配合网络分类任务改进热图拟合能力。曲线拟合阶段微调训练时，对该阶段的输入加入抗噪声扰动，以缓解图像噪声干扰。为验证本文算法的改进效果，构建了隧道衬砌数据集，先验证单独使用网格分类任务、外围点监督、抗噪声扰动3种具体改进方法对衬砌线识别的影响；再通过消融实验，进一步展示3种改进方法的组合对算法识别结果的影响。实验结果表明：本文算法对比CenterNet和CornerNet算法识别效果提升明显，使用网格分类任务识别的曲线间距误差均降低约0.4个像素点；训练过程前10轮使用8～10个外围点监督模型学习，识别效果提升最大；抗噪声扰动强度$\sigma $为0.08时识别效果最佳，且抗噪声扰动强度不宜过大；此外，以上3种改进方法的任意组合均能有效提升识别效果。本文提出的受监督热图隧道雷达数据衬砌线识别算法可为工程建设领域探地雷达无损检测数据解译工作提供技术支撑。  
        关键词：探地雷达;衬砌线检测;网格分类任务;外围点监督;抗噪声扰动   
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        发布时间：2024-11-15

        土木工程

      • “在建筑结构领域，专家通过混合连接方式，有效提升冷弯薄壁型钢组合墙体的抗破坏能力，为地震作用下的结构安全提供新方案。”
        褚云朋,伏金蓉,钟志豪,陈晓强
        2024, 56(4): 88-97. DOI: 10.12454/j.jsuese.202201073
        摘要：为改善自攻螺钉连接的构件在地震作用下易发生拉脱导致结构严重破坏的缺点，提升冷弯薄壁型钢组合墙体抗破坏能力，分析了组合墙体层间连接处的传力机理，针对自攻螺钉的破坏模式，提出拉铆钉与自攻螺钉混合连接。为研究混合连接的抗剪性能，共进行了48组连接接头抗剪性能试验，包含冷弯薄壁型钢结构常用的5种连接板厚度，不同搭接板厚比（变化范围1.0～2.0），包含纯自攻螺钉连接、纯拉铆钉连接及混合连接的连接方式。观察混合连接的破坏模式，自攻螺钉未发现拉脱破坏，其破坏模式主要表现为：板承压破坏与螺钉倾斜组合破坏、铆钉剪断破坏及板承压与铆钉部分剪断组合破坏3种；相较单一连接方式，混合连接荷载–位移曲线表现出更长的塑性阶段；当板厚比大于1.5且组合板厚小于3.0 mm，混合连接的承载力及延性较单一连接增长明显；利用现有计算方法对混合连接的承载力进行累加计算，与试验结果对比，计算结果偏保守。研究发现：混合连接能较好地弥补拉铆钉和自攻螺钉受剪过程中的缺陷，有效改善自攻螺钉拉脱破坏，从而提升连接的承载力及延性；板厚和板厚比是影响混合连接破坏模式及承载力的重要因素，与单一连接相比，板厚比越大，承载力提升越大；排布方式对混合连接的力学性能及破坏机理影响有限；在本文试验工况下，结合混合连接的破坏模式，在现有计算方法的基础上，提出改善后的计算方法，其计算结果更合理。  
        关键词：拉铆钉连接;拉铆钉–螺钉混合连接;组合墙体;受剪性能;抗剪承载力计算方法   
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      • “在桥梁工程领域，专家提出了一种新型装配式主梁连接方案，通过剪力键和横向预应力筋混合连接，有效提高了结构整体性和施工便利性，为飞机荷载桥梁的主梁拼装提供技术支撑。”
        王琳,白增庆,江辉,曹铁志,宋光松,吴松华,任阳
        2024, 56(4): 98-107. DOI: 10.12454/j.jsuese.202300495
        摘要：针对既有装配式主梁铰缝连接强度弱、湿连接施工复杂等问题，充分考虑飞机荷载桥梁荷载集度大、空间受力显著等特点，提出一种剪力键和横向预应力筋混合连接的装配式主梁连接方案。该方案通过剪力键与键槽实现相邻主梁拼接，采用横向预应力筋为接缝界面提供压应力储备，具有结构整体性好、施工方便等优点。以某机场滑行道桥为对象，基于ABAQUS平台建立新型连接装配式主梁的非线性数值模型，开展静、动力学性能分析以验证方案的可靠性，揭示了剪力键位置、数量、高度及初始预应力对主梁力学行为和抗震性能的影响规律。结果表明：飞机静载作用下，该方案能够满足规范对于主梁挠度限值的要求且具有可观的安全储备。增设跨中剪力键及增加其数量可显著降低主梁跨中挠度和弯矩；相较于仅设置梁端剪力键，加设3道跨中剪力键可使静载下力学响应分别降低19.92%、23.35%，使地震下力学响应分别降低17.29%、40.12%。剪力键倾角和高度对主梁受力影响较小，增大横向预应力筋初始张拉力可有效提高主梁接缝界面的预压应力，静载、地震下的最大增幅分别为45.31%、46.51%。研究成果可为飞机荷载桥梁的主梁拼装提供重要的技术支撑，并可拓展应用于重载公路、铁路桥梁。  
        关键词：飞机荷载桥梁;装配式主梁;剪力键;横向预应力筋;静力性能;抗震性能   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在深部巷道围岩稳定性控制领域，专家研究了温度与压力耦合作用下锚杆杆体-树脂锚固剂界面变形破坏机理，为锚固支护参数设计提供理论依据。”
        刘小虎,姚直书,程桦,查文华
        2024, 56(4): 108-119. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201075
        摘要：深部地层高地温、高地应力环境使巷道围岩树脂锚固支护结构稳定性降低，围岩变形有效控制问题亟待解决。因此，研究温度与压力耦合作用下锚杆杆体–树脂锚固剂界面变形破坏机理十分必要。首先，根据两淮矿区深部支护工程现状并结合室内不同温度环境下拉拔试验结果，发现高地温环境下树脂锚固体变形破坏加剧；进一步分析锚固体受拉拔荷载作用轴向、径向破坏模式，将第一锚固界面破坏分为弹性围岩–剪切–滑移型、未贯穿–剪胀滑移破坏及贯穿–剪胀滑移破坏等3种模式。其次，基于弹塑力学分析受围岩应力作用锚固界面不同破坏类型的界面受力状态，考虑高温环境下树脂锚固剂层力学强度弱化，建立温度–围岩应力耦合作用的第一界面失效破坏力学计算模型；分析围岩应力、环境温度及弹性模量比等因素变化对第一界面锚固性能影响的规律，发现第一界面极限轴向荷载随温度升高而降低，围岩处于裂隙发育或裂隙贯穿状态时，围岩应力对第一锚固界面剪切破坏影响程度较未产生裂隙时大幅度增高。最后，结合室内拉拔试验数据对比验证所推导计算方程式的合理性。研究可为深部巷道围岩稳定性控制及锚固支护参数设计提供理论依据。  
        关键词：温度–压力耦合;树脂锚固体;锚固界面;失效机理;因素分析   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在深覆土梯形拱明洞领域，专家采用模型试验和数值模拟方法，分析了其静力特性及卸荷效果，为设计和施工提供理论指导和技术支持。”
        马莉,禄云华,王起才,马晓波,李盛,张克勋
        2024, 56(4): 120-129. DOI: 10.12454/j.jsuese.202301041
        摘要：为研究深覆土条件下梯形拱结构–填土相互作用对周围土压力的影响机制和卸荷机理，明确梯形拱明洞相较于传统矩形明洞的优势，采用室内模型试验和数值模拟相结合的方法，对深覆土梯形拱明洞静力特性及卸荷效果进行分析。结果表明：无减载时，梯形拱明洞两侧回填土沉降大于上方回填土沉降，两侧回填土土压力向明洞上方转移，土压力随着填土高度的增大而增大，基本呈线性变化趋势；减载时，明洞上方回填土沉降大于两侧回填土沉降，回填土内部产生土拱效应，明洞上方回填土土压力向两侧转移，铺设减载层不会改变深覆土明洞结构受力分布，但会极大地减小其内力及变形，并提高结构安全系数；减载后，梯形拱明洞的最大轴力、最大正弯矩和最大负弯矩分别减少17.5%、34.1%、29.9%，最大变形减小32.9%。矩形和梯形两种截面形式下明洞的最大轴力均出现在中隔墙底部，最大正弯矩、最小安全系数和最大变形均出现在顶板中央位置；铺设减载层后两种截面形式拱明洞最小安全系数分别增大42.6%和100.0%，梯形拱明洞安全系数提高的比例更大，效果更显著。该研究可为深覆土梯形拱明洞结构的设计和施工提供理论指导和技术支持。  
        关键词：深覆土;梯形拱明洞;静力特性;卸荷效果   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在工程领域，专家建立了碎石桩-排水板复合地基固结模型，有效提高固结速率，具有经济价值。”
        李传勋,刘聪,陆向综
        2024, 56(4): 130-140. DOI: 10.12454/j.jsuese.202201136
        摘要：碎石桩–排水板组合型复合地基以成本低、固结速率快及加固效果好等优势被广泛应用于工程实际。虽然目前竖井地基或碎石桩复合地基固结理论已较为完善，但同时包含以上两种排水体的复合地基固结理论还鲜见报道。此外，以往固结模型中土体内孔隙水在径向仅发生单向渗流，这与实际情况存在差别。基于此，以碎石桩–排水板组合型复合地基为研究对象，考虑外荷载作用下土中孔隙水分别向碎石桩和排水板发生径向渗流，在复合地基顶面排水、底面不透水条件下建立碎石桩–排水板复合地基固结模型。利用桩体、桩周土体和竖井间流量相等的连续条件，获得该模型的解析解答。在一定条件下，该解答可退化为碎石桩复合地基固结解或竖井地基固结解，表明该解答的普适性及正确性。将该解答应用于工程实例及室内模型试验的沉降计算，计算结果与实测值吻合较好。开展大量计算研究此类复合地基不同工况下的固结性状，结果表明：在碎石桩桩间打设排水板，能有效提高复合地基固结速率，复合地基固结速率随排水板数量增加而加快；排水板渗透系数对复合地基固结速率及沉降速率的影响较大；与传统复合地基技术相比，碎石桩桩间增设排水板的工法具有更好的经济价值。  
        关键词：碎石桩;排水板;组合型复合地基;固结;解析解;双向渗流   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在高放废物地质处置领域，专家构建了裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型，准确描述蠕变破坏全过程，为处置库长期稳定性提供解决方案。”
        王春萍,刘建锋,陈亮,刘健,赵星光,马洪素
        2024, 56(4): 141-149. DOI: 10.12454/j.jsuese.202201384
        摘要：裂隙花岗岩的蠕变特性对高放废物地质处置库的长期稳定性和安全性至关重要。本文基于裂隙花岗岩在不同应力条件下的蠕变试验结果，结合蠕变过程中应力产生的损伤累积的影响，提出一种考虑损伤的弹黏塑性体。通过将经典Burgers模型的黏性元件替换为分数阶黏弹性元件，将黏弹性体替换为考虑损伤的弹黏塑性体的方法，构建了裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型，并推导出模型在3维应力状态下的本构方程。通过对倾角30°及45°单裂隙花岗岩在不同应力条件下蠕变试验数据的拟合分析，确定了模型参数，验证了模型的适用性和合理性，获得了各模型参数随应力水平的变化规律。通过模型参数的敏感性分析，揭示了分数阶导数、损伤参数，以及应力水平对裂隙花岗岩蠕变应变的影响规律，并验证了裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型在特殊条件下可退化为经典Burgers模型。研究表明，本文提出的裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型能够准确地描述裂隙花岗岩蠕变破坏全过程的3个阶段，尤其是加速蠕变阶段应变随时间非线性增长的过程。  
        关键词：裂隙花岗岩;蠕变;非线性模型;分数阶导数;参数分析   
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        发布时间：2024-11-15
      • “青岛地铁TBM隧道项目通过地质雷达测试和数值模拟，揭示了豆砾石分布特征及其对管片受力的影响，为TBM隧道施工提供指导。”
        吴圣智,赵洪海,谢宏强,董宇苍,方霖,王明年,刘越
        2024, 56(4): 150-160. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201182
        摘要：作为管片与围岩间的连接层，TBM隧道中的豆砾石对管片受力具有重要意义。受施工技术、地质条件等影响，豆砾石填充不密实、分布不均匀的现象时常发生，导致管片出现错台、开裂、渗漏水等灾害，故探明豆砾石分布特征是分析管片受力的基础。对此，依托青岛地铁TBM隧道项目，采用地质雷达对管片壁后豆砾石分布特征进行现场测试，并进行单环管片豆砾石吹填数值模拟，分析了隧道直行段、转弯段豆砾石在管片壁后的迁移过程，讨论了地质条件、吹填压力、塌方等因素对吹填质量的影响规律。结果表明：在TBM隧道施工中，拱顶、隧底及转弯段外侧下部为豆砾石空洞多发部位，拱顶与隧底空洞长度大于1 m，主要表现为层间脱空，转弯段外侧下部豆砾石空洞规模较小且不密实；地质条件越差，豆砾石出现空洞的概率及规模越大，强风化地层表现最为明显；塌方通过阻碍豆砾石迁移路径、增加碰撞耗能影响豆砾石吹填质量，但影响范围仅在塌方处；提升豆砾石吹填压力可以改善拱顶和隧底豆砾石填充状态，地质条件越好，改善程度越明显，强风化地层豆砾石吹填质量改善不明显；管片壁后豆砾石空洞按照形成原因分为3类：碰撞耗能、塌方掉块和转弯段间隙变小，并给出了3类空洞的多发部位、特征及施工控制建议。  
        关键词：隧道工程;全断面隧道掘进机;管片;豆砾石;分布特征   
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        发布时间：2024-11-15
      • “最新研究揭示了3维压剪应力下岩石剪切损伤破坏特征，为岩石工程稳定性分析和支护设计提供重要参考。”
        林志南,冯世宏,王家全,张强,龙海锋
        2024, 56(4): 161-172. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201120
        摘要：为研究3维压剪应力状态下岩质边坡中完整岩石的剪切损伤破坏特征，采用 Rock Top–50HT全应力多场耦合三轴试验系统，对成分简单、结构均质及饱和完整的细粒石英砂岩进行16组不同围压的三轴剪切试验，获得相应的三轴剪切应力–应变曲线和含有原岩屑碎片的剪切破坏裂隙面，分析三轴剪切应力作用下石英砂岩的非线性强度变化特征，探究石英砂岩的三轴剪切破坏模式和裂隙结构面形态粗糙特征。基于德洛内（delaunay）点云离散算法重构石英砂岩破坏裂隙结构面，分析剪切破坏结构面的潜在接触部分随着表面有效倾角门槛值的变化特征。结果表明：1）随着围压逐渐增大，石英砂岩的三轴剪切破坏模式先由脆性破坏转变为塑性破坏，再逐渐转变为塑形流动破坏；2）石英砂岩的三轴剪切强度随着围压的递增呈现出明显的非线性变化特征，可用幂函数描述，并采用摩尔–库仑准则（Mohr–Coulomb）对石英砂岩的三轴剪切强度进行分段线性拟合，可知随着围压的增大，黏聚力逐渐增大，内摩擦角逐渐减小；3）剪切破坏裂隙面3维粗糙特征可用传统的Grasselli模型评估，其非线性拟合参数$\theta _{\max}^*$和粗糙度参数c能充分描述三轴剪切破坏裂隙的粗糙度特征。研究成果对岩石在复杂应力状态下的三轴剪切强度评价、岩石工程中边坡的稳定性分析和支护设计方案优化具有重要意义。  
        关键词：岩石力学;三轴剪切试验;破坏模式;非线性剪切强度;裂隙面形态特征   
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        发布时间：2024-11-15
      • “最新研究揭示深部煤炭开采顶板岩石拉伸破坏特性，为煤矿灾害防治提供指导。”
        孙紫琬,张泽天,张茹,任利,刘小玲,张安林,张朝鹏
        2024, 56(4): 173-181. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300145
        摘要：深部煤炭资源开采常面临复杂的赋存及采动力学环境，冒顶等灾害事故风险激增。顶板拉破坏是其中一个重要诱因，故亟需深入探究顶板岩石拉伸破坏力学特性及损伤演化规律。通过开展顶板砂岩单轴直接拉伸试验和全过程同步声发射测试，探究了砂岩的直接拉伸力学特性和声发射时空演化特征，对比分析了顶板砂岩与煤的直接拉伸破坏差异性过程规律，同时发展并对比验证了煤岩拉伸全应力应变损伤本构模型。结果表明：1）顶板砂岩平均直接抗拉强度为5.01 MPa，约为煤体直接抗拉强度的7.6倍；顶板砂岩直接拉伸力学参数变异性强，反映出砂岩易产生破坏局部化而导致顶板拉破坏。2）砂岩在直接拉伸峰后的弹性能释放速率显著高于煤体，表现出明显的脆性特征。3）声发射空间定位演化分析揭示了顶板砂岩不同拉伸加载阶段的微裂纹扩展与空间集聚成核过程机制，同时发现峰值应力前仅有少量随机分布的微裂纹产生，主要发生基质的弹性变形；峰值后应力下降20%时，微裂纹局部化，此后宏观裂纹出现并快速扩展，直至破坏。4）构建了基于声发射特征参数的煤岩拉伸损伤本构模型，砂岩和煤的直接拉伸和声发射试验数据的验证显示其具有良好的拟合效果，可较好地表征岩石在直接拉伸作用下的峰后应变软化特征。研究成果对巷道支护结构设计优化，以及煤矿灾害防治具有重要指导意义。  
        关键词：砂岩;煤;直接拉伸;声发射;损伤本构模型   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在山区泥石流灾害早期识别和监测预警领域，专家验证了深度全连接神经网络模型，为提高泥石流评价精度提供新思路。”
        郭鹏宁,邢会歌,李从江,吴雨鑫,李海波
        2024, 56(4): 182-193. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201138
        摘要：提升易发性评价精度有助于山区泥石流灾害早期的识别和监测预警。大部分机器学习模型在训练、测试集合上表现良好，但实际应用过程精度较差，不利于工程选址规划和防灾减灾，如何提高机器学习模型评价精度与泛化性具有重要意义。选取深度全连接神经网络，与梯度提升树、随机森林模型和贝叶斯网络等机器学习方法共同进行模型精确性评价和OOD（out–of–distribution）泛化性验证，从而找出在训练、预测和应用中均具有较高精度的方法。以四川省雅安市为例，采用小流域单元进行区域网格划分，将数据集合按7∶3比例随机分为训练集和测试集，使用经验法则（3–sigma）剔除异常数据，并基于多变量（IterativeImputer）和K–近邻法对缺失值填充进行泥石流灾害易发性评价。在泥石流易发性因子的共线性、敏感性和预测能力的分析结果基础上，选定14个易发性因子构建模型评价指标体系，进行泥石流易发性评价与对比。通过对模型的精确性评价及OOD泛化性验证发现：深度全连接神经网络模型曲线下的面积（AUC）、准确率（Acc）、召回率（Recall）的值比梯度提升树等的计算结果分别超出了0.027、0.02、0.02，而平均绝对值误差（MAE）降低了0.003；OOD泛化性验证准确度超出了0.056。研究表明，深度全连接神经网络对于泥石流易发性评价的预测效果较好，能够提高泥石流评价的精度，增加评价的适应性，可为泥石流易发性评价提供新思路。  
        关键词：泥石流灾害;易发性评价;深度学习算法;OOD泛化性验证;深度全连接神经网络   
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        发布时间：2024-11-15

        水利工程

      • “在景观水体设计领域，专家采用2维浅水数值模拟，探索了植被覆盖变化下的水流特性，为优化景观池塘、湖泊和湿地设计提供解决方案。”
        吕君楠,蒋雨轩,姚致东,叶晨,闫旭峰
        2024, 56(4): 194-204. DOI: 10.12454/j.jsuese.202300827
        摘要：研究浅池水体流态水力学特性有助于优化景观池塘、湖泊和湿地等设计，提高水体连通性，改善流态。挺水植被与景观水体结合不仅能提高景观美学性，而且具有改善水体连通性的作用。本文采用2维浅水数值模拟，探索了植被覆盖变化下的水流沿中轴线槽道进入和推出矩形浅池的水体流态特性，并进行了基于水力特性的定量分析。研究发现：植被具有均化浅池水体流速和稳定流动的作用，非对称流态转变为对称流态；当植被密度≥5 m–1时，两侧分离回流区完全消失，水体连通性最佳，形成平推流。基于场景模拟后发现，紧邻入口植被局部覆盖能达到浅池植被全覆盖的改善流态的效果；进一步分析表明，浅池流态与中轴线流速及流速梯度分布相关。表征水体流通性的流通水体占比与表征水流调整的无量纲平均流速梯度存在显著的对数相关，提出的预测模型可用于矩形浅池类景观的水力设计。  
        关键词：浅池流态;挺水植被;浅水模拟;分离回流区;水流连通性   
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        发布时间：2024-11-15
      • “地震波入射方位和斜入射角度对沥青混凝土面板地震响应影响显著。专家基于波场叠加原理，推导了P波任意入射方位角和斜入射角空间斜入射下弹性半空间自由场计算公式，建立了P波空间斜入射波动输入模型。考虑16种不同入射方位角和斜入射角下的P波空间斜入射工况，分析了入射方位角和斜入射角对沥青混凝土面板地震响应特性的影响，并提出了考虑应变率效应的沥青混凝土面板破坏评价方法。”
        李闯,宋志强,王飞
        2024, 56(4): 205-215. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201174
        摘要：地震波入射方位和斜入射角度对于沥青混凝土面板堆石坝地震响应结果有着显著影响。本文从地震动传播机制出发，基于波场叠加原理，推导了P波以任意入射方位角和斜入射角空间斜入射下弹性半空间自由场计算公式，建立了P波空间斜入射波动输入模型。以不同应变率下的沥青混凝土单轴动态拉伸试验结果为基础，提出了考虑抗拉强度随应变率实时变化的沥青混凝土面板破坏评价方法。考虑16种不同入射方位角和斜入射角下的P波空间斜入射工况，从面板应力和加速度两方面分析了入射方位角和斜入射角对某实际沥青混凝土面板地震响应特性的影响，并进行了沥青混凝土面板的抗拉破坏评价，分析了静态评价方法与动态评价方法的差异。结果表明：所建立的P波空间斜入射波动输入模型能够准确模拟半空间自由场，波动输入数值解与解析解符合良好；与垂直输入射相比，面板顺水流向、垂直水流向加速度峰值最大分别增加135.9%和92.7%，竖向加速度峰值最大减少68.3%；空间斜输入导致面板动应力增大，主拉应力和主压应力最大分别增加3.6倍和2.7倍，忽略入射方位角和斜入射角可能会严重低估面板的地震响应。传统将静态强度提高30%作为动态强度的面板抗拉破坏判别方法过于严格，本文提出的考虑应变率效应的沥青混凝土面板破坏评价方法较为符合实际。  
        关键词：沥青混凝土面板堆石坝;空间斜入射;地震响应;抗拉破坏   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在深厚覆盖层上建造面板堆石坝领域，专家改进H-KS流变模型并建立流固耦合模型，分析坝基流变对大坝及防渗体系的影响，为大坝安全稳定体系建立提供理论支持。”
        王璠,毛海涛,王晓菊,侍克斌
        2024, 56(4): 216-228. DOI: 10.12454/j.jsuese.202201095
        摘要：在深厚覆盖层上建造面板堆石坝，除考虑水–土流固耦合外，还应考虑坝基流变的影响。为了更好地模拟坝基流变对大坝及渗控体系的真实受力，基于深厚覆盖层所呈现出的层状特性，首先改进新的流变元件模型H–KS以适应层状覆盖层，然后借助Comsol建立流变与流固耦合模型，最后按时间顺序计算了河口村面板坝各阶段的力学指标，分析了坝基流变对大坝及防渗体系的影响。结果表明：对于各向异性明显的层状坝基，采用H–KS流变模型能较好反映大坝各阶段的应力、变形和渗流实际情况，误差均在5%以内；计算结果相比不考虑流变的Duncan E–B模型，应力和变形均增大11.8%以上，部分增量对大坝结构的安全稳定造成影响；填筑期的沉降和应力总量占比达70%以上，但单位时间增量却较小，如沉降增量仅为0.015 m/月；蓄水期的岩土体流变及流固耦合作用对大坝各部位强度和刚度影响最大，应力及沉降增长率分别为0.02 MPa/月、0.038 m/月；运行期的各指标增长率逐渐趋缓，最终趋于稳定，但变形和应力增量可能会导致主要结构失稳或破坏。混凝土面板–趾板–连接板–防渗墙是完整、有效的渗流控制体系，坝基流变导致防渗墙上部水平位移增大，整体强度降低；趾板和面板在中部有受弯破坏的趋势。层状岩土体流变具有时效性，该层状坝基的流变在蓄水后2～3 a间基本完成，相应指标也趋于稳定。研究结果对层状覆盖层上的面板坝安全稳定体系的建立提供了理论支持。  
        关键词：深厚覆盖层;坝基流变;流变模型;防渗系统   
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        发布时间：2024-11-15

        机械工程

      • “在航空钣金机匣材料成形领域，专家基于GH3030材料，建立了冷态强旋仿真模型，探索了旋压参数对成形回弹与载荷的影响规律，为精确成形提供理论指导和技术支持。”
        束学道,郑家斌,刘艳丽,徐海洁,谢超
        2024, 56(4): 229-237. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201017
        摘要：针对航空钣金机匣材料难于成形，且成形后的产品精度难以控制等问题，本文以高温合金GH3030为材料，在阐明钣金机匣冷态强旋成形回弹理论与载荷作用机制基础上，使用SIMUFACT.FORMING有限元软件，导入实验室之前所得到的GH3030的本构方程，在软件中建立了航空机匣锥形件冷态强旋的仿真模型，分析了旋轮间隙、旋轮进给比、芯模半锥角等旋压参数对钣金机匣冷态强旋成形回弹与载荷的影响规律；采用正交实验得到了各工艺参数对回弹角度影响的主次规律，并在此基础之上得到最优工艺参数组合；采用BBD（Box–Behnken design）响应曲面设计实验方法，得到旋压过程中最大成形力与旋压参数的量化回归模型，并对回归方程进行方差分析，计算回归方程的多元相关系数、可信度以及精确度。最终结果表明：所得到的模型的可信度和精准度较高；在最终实验结果与仿真结果中取点验证，发现误差在10%以内，因此，回归模型较为精准。最后，进行了旋压实验，对比分析了仿真结果与旋压实验实测结果的回弹角度，其平均误差在6.2%以内，验证了仿真结果及回归模型的可靠性。研究表明：仿真分析的回弹角度与实验测得回弹角度变化趋势几乎相同，并且误差较小，控制在12%以内，表明仿真分析的结果能够较准确地展现旋压件的回弹规律。本文的研究结果为实现高温合金钣金机匣锥形件冷强旋的精确成形提供了理论指导和技术支持。  
        关键词：钣金机匣;高温合金GH3030;冷强旋;回弹;成形力   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在数控机床铣削稳定性领域，专家提出了基于Bagging与NSGA-II算法的预测与优化方法，为提高加工效率和质量提供解决方案。”
        邓聪颖,游倩,赵洋,林丽君,殷国富
        2024, 56(4): 238-249. DOI: 10.12454/j.jsuese.202201000
        摘要：数控机床铣削过程中出现的颤振失稳是影响数控机床加工效率和加工质量的关键因素。铣削稳定性与工艺参数、工艺系统动力学特性密切相关，而工艺系统动力学特性又随加工位置、刀具悬伸量的变化或刀具的更换而变化。因此，针对多因素影响下的铣削稳定性预测和无颤振工艺参数选择问题，本文以数控机床各向移动部件位置、刀具直径、刀具悬伸量和切削参数为变量，提出一种基于引导聚集算法（Bagging）与带精英策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA–Ⅱ）的切削稳定性预测与工艺参数优化方法。该方法首先采用正交实验设计离散数控机床的工作空间，在每个加工位置对不同悬伸量下的刀具进行锤击实验，由此得到各把铣刀对应的刀尖点频率响应函数；然后，在不同工艺参数方案下进行铣削稳定性理论预测，进而引入Bagging算法建立以各向运动部件位置(x, y, z)、刀具直径d、刀具悬伸量h、主轴转速n、切削宽度ae、每齿进给量fz为输入的极限切削深度aplim预测模型；在此基础上，采用该Bagging模型作为铣削稳定性约束，以加工位置和工艺参数(x, y, z, d, h, n, ap, ae, fz)为优化变量，建立最大材料切除率和刀具寿命的多目标优化模型，采用NSGA–Ⅱ算法求解该模型得到Pareto最优解集，并结合熵权法和优劣解距离法（TOPSIS）选出Pareto解集中的最佳解。以一台三轴立式加工中心展开实例分析，所建极限切削深度Bagging模型的预测误差为2.99%，且铣削加工实验表明获取的(x, y, z, d, h, n, ap, ae, fz)最优配置可实现稳定铣削，验证所提方法的可行性和有效性。  
        关键词：铣削稳定性;工艺参数优化;多目标优化模型;刀具悬伸量;引导聚集算法;NSGA–Ⅱ遗传算法   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在高速列车动力学参数匹配领域，专家引入基于距离相关系数的多输出灵敏度分析技术，建立了Kriging模型，并通过多峰优化算法优化超参数，为动力学参数匹配提供解决方案。”
        姜杰,杨旭锋,丁国富
        2024, 56(4): 250-260. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201078
        摘要：高速列车动力学参数较多，有多个动力学性能的评价指标。综合考虑这些动力学指标进行参数灵敏度分析，对高速列车动力学参数的恰当匹配具有重要意义。现有的单输出灵敏度分析技术难以准确度量参数对车辆动力学综合性能的影响。为避免这一缺陷，本文引入了一种新的基于距离相关系数的多输出灵敏度分析技术。该方法通过求解单个输入与多个输出变量之间的距离相关系数，实现多输出全局灵敏度分析的目的。为提高灵敏度分析的效率，建立了多个动力学指标与输入参数的Kriging模型；为提高近似模型的精度，引入了一种新颖的多峰优化算法对Kriging模型的超参数进行全局寻优。与传统单目标智能优化算法不同，该优化算法通过引入种群差异指标，将单目标优化问题转化为双目标优化问题，从而增加了子代种群的多样性，避免了传统优化算法易于陷入局部最优解的问题。基于所提方法，以和谐号动车组动车为例，研究了多个动力学指标的多输出全局灵敏度。结果表明：由于增强了种群多样性，所提的超参数优化方法对Kriging模型精度和稳定性提升效果明显；基于距离相关系数的灵敏度分析方法能够更加合理地识别出对车辆动力学综合性能影响较大的参数，排除几乎没有影响的参数。  
        关键词：演化的多模优化;Kriging模型;多输出灵敏度分析;距离相关系数   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在微细电火花微孔加工精度提升领域，专家提出集成正交试验与卷积神经网络的新方法，通过优化参数组合，显著提高了加工精度，为实际生产加工提供了指导。”
        莫远东,王雅芝,黄舒琦,钟佳俊
        2024, 56(4): 261-272. DOI: 10.12454/j.jsuese.202300765
        摘要：针对改善微细电火花微孔加工精度问题，提出一种集成正交试验与卷积神经网络的方法。首先，利用正交试验研究进给速度、主轴转速、脉冲占空比和脉冲频率4个因素对微细电火花加工H62黄铜微孔入口过切（EnOV）、出口过切（ExOV）和锥度（TA）的影响规律及其最优加工工艺参数。然后，采用基于PyTorch框架的卷积神经网络对试验结果进行预测。结果表明：对于微孔加工入口过切，各因素按影响程度由高到低依次为脉冲占空比、脉冲频率、进给速度和主轴转速；对于微孔加工出口过切，各因素按影响程度由高到低依次为进给速度、主轴转速、脉冲占空比和脉冲频率；对于微孔加工锥度，各因素按影响程度由高到低依次为进给速度、脉冲占空比、主轴转速和脉冲频率。综合考虑并分析各因素之间关系，通过验证实验得到微孔加工精度最优组合参数：进给速度为0.02 mm/s、主轴转速为1 000 r/min、脉冲占空比为60%、脉冲频率为3 000 Hz。微孔加工入口过切、出口过切和锥度的预测值与试验真实值吻合程度较高，两者相对误差均小于12%。基于PyTorch框架的卷积神经网络（CNN）具有较高的预测准确性，满足实际生产加工需求，为微细电火花微孔加工精度预测研究提供了新方法，也为实际生产加工指导提供了依据。  
        关键词：微细电火花加工;正交实验;卷积神经网络;H62黄铜;微孔   
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        发布时间：2024-11-15
      • “最新研究突破，提出了策略梯度Informer模型，有效提高了滚动轴承剩余寿命预测的精度和计算效率。”
        熊佳豪,李锋,汤宝平,汪永超,罗玲
        2024, 56(4): 273-286. DOI: 10.12454/j.jsuese.202300136
        摘要：典型的编码器–解码器——Transformer存在二次时间复杂度、高内存使用及模型结构复杂等固有限制，造成Transformer用于滚动轴承剩余寿命（RUL）预测会表现出较低预测精度和较低计算效率的问题。为此，提出一种新型编解码器——策略梯度Informer（PG–Informer）模型，并将其应用于滚动轴承RUL预测。首先，在PG–Informer的新型编解码器体系结构——Informer中设计了概率稀疏自注意力（PSSA）机制替代Transformer中原有的自注意力机制，以提高非线性逼近能力并减少时间和空间复杂度；然后，PG–Informer采用自注意力蒸馏（SAD）操作减少参数维度和参数量，并提高了对时间序列的预测鲁棒性；此外，PG–Informer的生成式解码器对解码输入进行一步解码输出预测结果，无需动态多步解码，提升了对时间序列的预测速度；最后，构造了策略梯度学习算法来提高对PG–Informer参数的训练速度。PG–Informer的以上优势使所提出的基于PG–Informer模型的滚动轴承RUL预测方法可以获得较高的预测精度、较好的鲁棒性和较高的计算效率。对辛辛那提大学智能维护系统中心的1号滚动轴承的RUL预测实验结果表明，所提出方法预测得到的RUL值为963 min，其RUL预测误差仅为6.50%，比基于Transformer的RUL预测方法预测精度更高、预测误差更小、鲁棒性更好；所提出方法所耗费的RUL预测时间仅为132.37 s，比基于Transformer的RUL预测方法的预测时间更短。以上实验结果验证了所提出方法的有效性。  
        关键词：Informer模型;概率稀疏自注意力机制;策略梯度;滚动轴承;剩余寿命预测   
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        发布时间：2024-11-15

        电气工程

      • “在高速铁路信号设备领域，专家提出了一种雷击过电压损伤检测及判定方法，优化了通信接口雷击试验及检测技术，为信号设备安全运行提供了科学依据。”
        王州龙,徐金鹏,靳邵云,麦瑞坤
        2024, 56(4): 287-296. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300316
        摘要：本文提出一种关于高速铁路信号设备通信接口雷击过电压损伤检测及判定方法，是对当前高速铁路信号设备通信接口雷击试验及检测方法的优化和完善。首先，对雷电波频谱进行了分析，确定了信号设备通信接口雷击试验波形和检测电路。然后，选取ZPW–2000A轨道电路系统的CAN通信接口器件PCA82C250和编码读取电路的光耦TLP621–4作为试验对象，按电压幅值由低到高分别对其进行雷电冲击试验。试验结果表明：PCA82C250横向雷电冲击损坏电压约为88 V，纵向雷电冲击损坏电压约为48 V；光耦采集电路中，直接对光耦进行雷电冲击时，雷电冲击损坏电压约为140 V；在雷电冲击点与光耦间串入4.7 kΩ电阻后，雷电冲击损坏电压约为800 V，故增加器件的输入阻抗，可以提高耐雷电冲击水平。最后，讨论分析了信号设备通信接口器件的雷击过电压损伤特性，分析结果表明：信号设备通信接口器件的雷击过电压损伤特性分为3个阶段，即正常阶段、临界损伤阶段和损坏阶段；信号设备通信接口器件存在冲击损坏积累效应，当器件处于临界损伤阶段时，仍可进行数据传输，但输出信号与正常阶段不一致。信号设备通信接口器件雷击过电压损伤检测，应按电压幅值由低到高进行雷电冲击试验，以冲击时是否有击穿现象和通信线上信号电平是否发生异常作为损伤判定的基本依据，并结合相应测试标准等，做出科学准确的判断。  
        关键词：高速铁路;信号设备;通信接口;雷击过电压;损伤   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在电机散热领域，专家提出了优化通风槽钢结构设计，有效降低电机内部温升，为电机散热研究提供新方向。”
        彭德其,曾航,殷伟,周晓辉,李广,艾润,谭卓伟
        2024, 56(4): 297-306. DOI: 10.12454/j.jsuese.202201329
        摘要：为降低YJK450–6、400 kW中型高压电机的通风散热性能，本文对该电机不同通风槽钢结构进行了散热性能研究。首先，在现有电机的直线标准型通风结构基础上，提出单列缩放型、双列直线型、双列缩放型3种轴–径向混合通风结构形式；在SpaceClaim软件中建立电机3维温度场数值计算模型，根据基本假设和边界条件结合电机内部热量传递公式计算出电机仿真设置参数，并导入Fluent软件进行仿真模拟，其中，计算温度场所用热源通过Ansoft Maxwell平台计算的电机损耗值获取。其次，通过网格无关性和温升试验验证本文建立的电机3维温度场数值计算模型；通过仿真模拟对比分析3种轴–径向混合通风结构与直线标准型结构对电机流场和温度场的影响；采用正交试验法对轴–径向混合通风结构进行参数优化，得到最佳散热结构和参数方案；进一步探究冷却风速对双列缩放型槽钢的电机换热性能的影响；结合定子绕组温升和电机整体的温升均匀性系数，对最佳散热结构和参数方案电机进行散热效果评价。仿真结果表明：本文建立的计算模型是有效的；双列缩放型通风槽钢结构的各项散热性能指标均最好，是最优通风槽钢结构；径向风道高度为6 mm且数量为13的双列缩放型通风槽钢结构为最佳散热结构和参数方案；双列缩放型通风槽钢结构两侧的平均对流换热系数随冷却风速增大而增大，且槽钢迎风面的平均对流换热系数明显大于背风面；径向风道高度为6 mm且数量为13的双列缩放型通风槽钢结构电机的内/外层绕组温升分布均匀性系数比直线标准型电机分别提高88.13%、20.11%。因此，优化设计通风槽钢结构有利于电机内部空气流动和散热，可实现有效降低电机内部温升的目的。  
        关键词：中型高压电机;轴–径向混合通风结构;通风槽钢;径向风道;温升   
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        发布时间：2024-11-15

        信息工程

      • “在数字信息与云存储技术领域，专家提出了一种基于差分编码和块压缩的密文域可逆信息隐藏算法，有效提升了嵌入容量和安全性。”
        葛国庆,葛斌,夏晨星,王智盟
        2024, 56(4): 307-315. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201128
        摘要：随着数字信息与云存储技术的发展与成熟，密文域可逆信息隐藏算法正逐渐成为通信传输中数据隐私保护的研究热点。如何根据不同载体图像像素的分布特征，对局部区域内像素进行自适应识别编码，实现对载体更彻底的压缩以提升嵌入容量仍具有较大挑战。本文针对密文域可逆信息隐藏算法因载体图像冗余空间压缩不充分而导致嵌入容量较低的问题，提出一种基于差分编码和块压缩的密文域可逆信息隐藏算法。首先，根据自然图像局部区域内像素强相关性邻位作差，并基于块内最大差值对差值图像矩阵进行分类和自适应编码，同时设计分块置乱和块内像素扩散加密机制保证图像信息安全。然后，将自适应编码结果在对应的密文图像块上进行标记，压缩冗余空间。最后，通过位替换嵌入秘密信息。不同于其他算法，本算法对差分编码后的图像进行比特位重排列，从密文图像像素最低有效位开始，标记差值像素的符号位，其余各位面依次标记最小差值比特位。由于加密操作与自适应编码的可逆性，合法接收者可实现对原始明文图像的无损重构和秘密信息的无误提取。实验结果表明，与现有的几类算法相比，本文提出的算法具有更高的嵌入率和更好的安全性，在BOSSbase和BOWS–2两个数据集上的平均嵌入率达到3.027 位/像素和2.937 位/像素，在测试图像上平均嵌入率也均提高了0.57 位/像素以上。  
        关键词：可逆信息隐藏;密文域;隐私保护;差分编码;块压缩   
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        发布时间：2024-11-15
      • “在智慧用电领域，专家提出了基于SOINN的非侵入式负荷识别方法，有效识别单电器与多电器，具有实际应用可行性。”
        胡正伟,王志红,畅瑞鑫,谢志远,曹旺斌
        2024, 56(4): 316-324. DOI: 10.12454/j.jsuese.202201264
        摘要：随着电子技术智能化的发展，对实现电器负荷使用情况的精准识别在智慧用电领域将有广泛的用户需求。为了实现对电器设备的实时在线精确监测，本文提出了一种基于在线自组织增量学习（SOINN）的非侵入式负荷识别方法。该方法包含负荷特征提取、负荷特征分类及电器识别2个步骤。在负荷特征提取步骤中，提出了包含奇次谐波、均值、方差、3阶矩、4阶矩、电流有效值、功率谱峰值、功率谱谷值在内的共12维特征的特征提取方案。在负荷特征分类及电器识别步骤中，提出了结合SVM的SOINN的负荷特征分类及电器识别方法，以克服传统的SOINN算法不能实现电器类型识别功能的缺陷。通过C++语言将所提方法中的功能算法编写成微处理器系统的可执行功能模块，将功能模块移植部署在SoC FPGA的HPS端运行，实现了FPGA和HPS之间的协同高速数据通信。选取了8种常规家用电器作为负荷识别对象，搭建了基于SoC FPGA的硬件实验平台，进行了最优负荷特征选取，并采用本文方法对单电器与多电器的在线负荷进行了识别。实验结果：选取12维特征为本文方法的最优特征组合；本文方法的单电器与多电器的识别率均在95%以上。本文提出的负荷识别方法能够有效、准确地识别单电器与多电器；系统可实施性强，灵活性高，具有在线学习的优越性与实际应用的切实可行性。  
        关键词：增量学习;负荷识别;12维样本特征;FPGA   
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        发布时间：2024-11-15
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