《上海交通大学学报》2021年12期专题汇总专辑
该专辑汇总了2021年《上海交通大学学报》出版的12期文章，依据中图分类号，分为电气工程、自动化技术和计算机技术、交通运输工程、土木建筑工程、机械工程、能源与动力工程、海洋科学与工程、水利工程、航空航天科学技术、工程力学、金属学与金属工艺、材料科学、化学化工、无线电电子学与电信技术、工业工程与管理15个类别。以期更好的服务高校师生及众多研究所科研人员，促进最新学术成果的传播。
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波浪数值模拟一直是船舶海洋工程领域非常重要的研究课题．该研究基于开源计算流体力学分析平台OpenFOAM对Stokes五阶波进行模拟．由于几何流体体积(VOF)方法中的几何重构处理能够实现对自由液面更精准的捕捉，所以该研究采用了OpenFOAM内置几何VOF方法——isoAdvector方法，进行自由液面捕捉，通过二次开发引入松弛区方法进行消波处理．对几何VOF方法下网格密度及库朗数进行了收敛性分析，发现可用较大库朗数获得较好的波浪模拟结果；在不同波陡和波频情况下，对几何VOF方法和代数VOF方法模拟波浪的波高及相位进行分析，并与Stokes五阶波理论值进行了对比，研究表明几何VOF方法能更好地对波高进行模拟．最后探讨了松弛区方法中消波区长度及权重分布对消波效果的影响，结果显示大于2倍波长的消波区长度配合指数权重分布可达到最佳消波效果．
在半潜平台初始设计阶段，平台主尺度是影响平台水动力性能和建造成本的关键性因素．因此，对半潜平台主尺度进行多目标优化是一项极具工程意义的研究工作．首先，采用试验设计法确定平台的设计变量和样本数据库．其次，对半潜平台采用面元法和莫里森公式结合的方法进行水动力特性分析．同时在静水面上布置波面升高监测点，计算平台气隙值．根据数值模拟得到的数据库建立基于径向基函数的代理模型，并通过缺一交叉验证法得到径向基函数中的形参数值．所建立的代理模型可以极大提高优化效率．最后，采用多目标粒子群优化算法，以平台安全性和经济性作为两个优化目标，以平台稳性、气隙高度、水平方向运动性能作为约束条件，得到半潜平台的优化方案．通过对半潜平台多目标优化方案的分析，最终提出三立柱半潜平台最高效的优化策略．
为了实现单柱型浮式风力机在中等深度海域的实际规模应用，以新型6 MW单柱型浮式风力机为研究对象，在极限海况下对风力机的生存能力进行模型试验和数值模拟．模型试验采用缩尺比为1∶65.3的模型在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行，得到风力机的六自由度运动响应、锚泊系统的受力情况以及危险受力点的受力情况．通过数值模拟软件对风力机的时域耦合运动响应进行了仿真计算．对数值模拟和模型试验的数据进行时域和频域分析，结果表明：数值模拟与模型试验结果最大偏差小于12%，吻合良好；风力机运功响应的能量主要集中在低频和波浪频率处；整个浮式风力机系统在极限海况下可可靠生存．通过数据分析对风力机的载荷极限状态进行了预报，为结构强度计算提供必要的理论依据和计算参数．
为解决立管等水下细长体作业的安全问题，并提高其作业效率，将悬垂型水下细长体离散为多个分段．根据力学平衡条件和变形协调条件列出每个分段的平衡方程，然后通过 MATLAB软件编程求解．当上端水平周期运动时，分别改变上端运动幅值、上端运动周期和下端吊重质量，获得细长体的运动响应幅值包络线．根据数值计算结果，分析得出悬垂型水下细长体响应幅值包络线特性．细长体响应幅值包络线上的最大幅值点一般在上端，随着参数的改变可以转捩为下端．上端运动幅值和周期的变化对最小幅值点的影响较大，而下端吊重质量对其影响较小．通过调整这些参数的取值范围可以控制细长体幅值包络线上最大幅值点和最小幅值点的位置．
为了合理解释并控制大型油轮操纵过程中出现的船首异常摆动现象，采用驾驶员模型替代原有的比例模型，结合非线性响应型数学模型，建立了驾驶员操纵大型油轮的闭环系统数学方程，发现其与Duffing方程形似，且在一定的参数配置下系统的Lyapunov指数为正，说明可以用混沌理论解释船首异常摆动的现象．为实现航向保持的稳定控制并增强对参数不确定的鲁棒性，基于反步法提出了与模型对应的滑模控制率．仿真结果表明，当混沌艏摇处于理论最大值时，受控系统的稳态舵角仍小于5°，航向偏差小于0.07°，所设计的控制器很好地消除了混沌现象．建立人在回路中的混沌系统的思路较为新颖，借助滑模解决反步法参数不确定的方法简单而有效．
为了改善有砟铁路路基结构受力状况和降低维修费用，需要研究列车荷载作用下路基结构参数对路基动力响应的影响．采用正交试验设计分析了铁路路基结构动力响应与道床弹性模量、基床表层弹性模量、基床底层弹性模量、道床厚度、基床表层厚度、基床底层厚度以及地基弹性模量等各结构层参数的敏感性关系，并结合层次分析法和线性评价指标确定了有砟铁路路基结构的最优参数组合．结果表明：道床厚度是影响道床动应力、基床表层动应力以及基床表层振动加速度的主要因素；地基的弹性模量是影响轨枕竖向位移的主要因素；确定有砟轨道结构的力学最优参数组合为道床弹性模量250 MPa，基床表层弹性模量120 MPa，基床底层弹性模量115 MPa，道床厚度0.35 m，基床表层厚度1.1 m，基床底层厚度2.3 m，地基弹性模量70 MPa.
为了克服汽车动力总成在启停工况下的大幅抖动和转矩激励使得车辆平顺性变差的缺点，设计了一种应用于汽车启停等低频工况的流动模式磁流变悬置．考虑激励电流对磁流变液黏度以及液阻效应对阻尼通道内液体流量的影响规律，建立磁流变悬置阻尼力数学模型和磁路的多目标优化函数；利用Isight和ANSYS软件搭建协同仿真优化平台，采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行磁路的优化设计；分别进行磁流变悬置单体动态性能测试以及整车启停工况下的隔振性能测试．试验结果表明：优化后的磁流变悬置可控阻尼力相对于优化前增加了111.71%，恢复力相对于优化前增加了21.99%；汽车在启停工况下，当激励电流为1.0A时，安装优化后的磁流变悬置时悬置被动侧(与车身相连接的一侧)的振动加速度峰值相对于优化前减小了33.3%，驾驶员座椅导轨处的振动加速度减小了21.6%，改善了车辆的平顺性．
为了研究倾斜放置的圆柱体垂直入水过程流体动力特性，针对低弗劳德数条件下的圆柱体入水开展实验研究．采用高速摄像技术记录圆柱体入水过程空泡演化以及圆柱体的位置．基于数字图像处理技术，提取圆柱体入水过程的运动轨迹以及倾角变化．对数据进行五阶光滑样条拟合处理，获得圆柱体的速度和加速度，进而开展圆柱体的运动特性和动力特性研究．研究结果表明：倾斜放置圆柱体垂直入水过程形成空泡分离、双空泡等独有的流动现象．圆柱体砰击自由液面后加速度快速增加，并在空泡分离后达到最大值，随后迅速减小并逐渐趋向于0.倾角越大的圆柱体入水后竖直速度衰减越快，而水平速度则快速增加．然而不同初始倾角圆柱体的轨迹均呈现先向迎流方向运动后向背流方向运动的特征．圆柱体的角加速度对水动力的响应非常快，整体呈现先增加后减小的变化特性．初始倾角越大的圆柱体入水后角速度增加越快且达到的最大值也越大，其倾角增加也越快．圆柱体的阻力系数和升力系数在入水后快速增加，而在空泡闭合后增加缓慢，且初始倾角大的圆柱体入水后力系数增加较快．
在自然环境和水利工程中，异重流现象广泛存在．现实工况中，大多数底床覆盖砾石及不同粒径大小的泥沙颗粒，可视为粗糙底床，因此研究异重流流过粗糙底床的动力学特性具有实际科学意义及工程应用价值．本文利用持续入流式异重流水槽试验，综合考虑底床粗糙度和异重流初始质量分数，分析异重流头部位置、头部速度、掺混系数等扩散特性，不同断面的湍流强度及雷诺应力等湍流特性，结合雷诺应力法和湍动能法计算底床剪应力．结果表明： 异重流头部速度与底床粗糙度呈负相关，与初始质量分数呈正相关；在高粗糙度、高初始质量分数工况时，底床粗糙度是控制其运动特性的主要因素；当粗糙度增加到一定程度时，异重流纵向时均流速剖面(沿水深分布)的峰值点出现“爬升现象”；湍流强度剖面(沿水深分布)出现一个极小值及两个极大值，其中纵向湍流强度是异重流湍流结构的主导，粗糙底床上的垂向湍流强度相比于光滑底床增加幅度明显；靠近底床附近，雷诺切应力为正值，远离底床区域，雷诺切应力为负值；利用湍动能法计算的底床剪应力均小于同粗糙度下的雷诺应力法；在总体理查森数相同情况下，异重流掺混系数与底床粗糙度呈正相关．最后总结出粗糙底床对异重流的主要影响为：摩阻力增加、掺混作用强化、近底床区域密度重分布、湍流边界层变厚及纵向时均流速剖面峰值点“爬升现象”的出现．
本文对层状周期结构的能量传输谱预测方法进行了研究．在考虑几何参数、物理参数单独变化以及同时变化3种情况下，通过构建深层反向传播(BP)神经网络，实现层状周期结构能量传输谱的精准预测．与径向基函数(RBF)神经网络进行对比实验，实验结果验证了所提方法的有效性．
研究铜的表面微纳米结构制备工艺并进行了优化．使用碳酸钠和钼酸钠的水溶液作为电解液，在恒定电压下对铜表面进行阳极氧化，在铜表面生成一层氧化膜．使用磷酸和磷酸二氢钠的水溶液作为腐蚀液，对铜表面进行腐蚀处理，以在铜表面获取微纳米结构，并在扫描电镜下观察其形貌．统计分析扫描电镜图片，计算得到铜表面的微纳米结构的孔隙率．结果表明：阳极氧化电压为15 V，阳极氧化时间为20 min，磷酸质量分数为20%，腐蚀时间为30 min时，铜的表面形貌较为平整，孔隙率达到25.77%.根据正交实验结果，腐蚀液种类、浓度以及腐蚀时间对孔隙率的影响较大，而阳极氧化电解液、电压以及电解时间影响不明显．使用阳极氧化和化学腐蚀相结合的方法可以在铜表面制备出均匀、孔隙率高的微纳米结构．
针对某转子生产车间设备可靠性低导致的工件加工质量差这一问题，研究带有设备可用性约束的单机调度问题．通过设备的可靠性定义其可用性，而设备可靠性可以通过预防性维护得以恢复．在建模时考虑了多种不同改进效果的预防性维护，以最小化总拖期时间为优化目标，并设计了遗传算法对模型进行求解．算例结果表明，所提出的决策模型能够有效应对设备可用性对生产调度带来的影响．通过敏感性分析为实际车间调度提供决策支持．
设计了一种基于膨胀-收缩运动规则的晶格型自重构模块化软体机器人．机器人由多个软体模块组成，每个软体模块由呈正六面体构型的硅胶主体和主从对接面组成．软体模块内部的凸起设计使其具有良好的膨胀性能，主从对接面是由与硅胶主体螺纹连接的铁盘、吸盘式电磁铁组成．基于软体模块体积变化与内部压强的关系式，对软体模块的充气膨胀进行分析，建立了充气气压与软体模块膨胀量之间的映射关系，获得相邻两软体模块连接所需的充气气压．每个软体模块在工作气压为30 kPa的情况下能够膨胀1.5倍，使用电磁铁连接及软体模块的膨胀-收缩运动规则实现相邻两软体模块的对接与分离，多个相邻软体模块的依次对接和分离可以实现模块化软体机器人的自重构．通过软体机器人自重构实验验证机器人自重构的可行性．
自动提取企业年报关键数据是企业评价工作自动化的重要手段．针对企业年报领域关键实体结构复杂、与上下文语义关联强、规模较小的特点，提出基于转换器的双向编码器表示-双向门控循环单元-注意力机制-条件随机场(BERT-BiGRU-Attention-CRF)模型．在BiGRU-CRF模型的基础上，首先引入BERT预训练语言模型，以增强词向量模型的泛化能力，捕捉长距离的上下文信息；然后引入注意力机制，以充分挖掘文本的全局和局部特征．在自行构建的企业年报语料库内进行实验，将该模型与多组传统模型进行对比．结果表明：该模型的F1值(精确率和召回率的调和平均数)为93.69%，对企业年报命名实体识别性能优于其他传统模型，有望成为企业评价工作自动化的有效方法．
在利用卷积神经网络模型对短时交通拥堵情况等预测场景进行预测时，由于模型的卷积池化操作过程会丢失部分数据，使得目标位置的信息出现丢失及特征的分辨率持续下降，导致模型的预测能力降低．针对此，本文提出一种空洞-稠密神经网络模型．首先，利用空洞卷积用较少的网络参数获取更大感受野的特点，充分提取出复杂多变的数据时空特征．其次，通过下采样及稠密网络的等值映射，解决参数在神经网络层数增加过程出现退化的问题．最后，取实际的城市道路平均车速数据块对网络结构的有效性进行验证．结果表明：同卷积神经网络模型相比，该网络结构预测平均绝对误差降低3%～23%.
针对有限样本情况下，多次训练模型时容易出现不稳定和偏差问题，提出一种基于Gaussian混合的距离度量学习数据划分方法，通过更合理地划分数据集来解决该问题．距离度量学习依靠深度神经网络优异的特征提取能力，将原始数据提取的特征嵌入到新的度量空间中；然后，在该新的度量空间中基于深层次特征使用Gaussian混合模型进行聚类分析和样本分布估计；最后，依据样本分布特点进行分层采样对数据进行合理划分．研究表明，该方法可以更好地理解数据分布的特点，获得更加合理的数据划分，进而提升模型的准确性和泛化性．
为了改进漂浮独立式垂直轴风力机的气动和稳定性能，提出风力机的新型结构设计理念，即同轴对转式垂直轴风力机．基于计算流体力学理论，借助雷诺时均剪切应力传输RANS SST k-ω湍流模型对风力机进行数值模拟，并结合涡流理论，比较对转式与独立式垂直轴风力机在不同叶尖速比(TSR)时的气动和稳定性能．结果表明，相同流场条件下，对转式风力机浮式平台的稳定性更强．当TSR<1.3时，长时间的失速状态使得对转式风力机的脱涡现象更严重，风能利用效率更低；当TSR>1.3时，外流场的风能更多地被对转式风力机转子吸收，风力机的远端涡流长度更短且脱涡强度更低，风能利用效率更高．同轴对转式的结构设计理念和分析方法对海上垂直轴风力机的性能优化有一定的参考价值.
高效计算并整体分析软体尺蠖机器人的运动规律和行进步态是个具有挑战性的难题．在准静态条件下，建立了一个由刚性滑块和曲梁构成的简化力学模型，对该类机器人进行准静态的建模与仿真分析．首先基于欧拉-伯努利梁理论，给出了曲梁的总势能表达式．其次，利用变分原理，由总势能推导出控制方程，联立边界条件，建立了常微分方程组，并对其进行离散化以及无量纲化，给出了用于数值求解的非线性代数方程组．然后，根据曲梁和地面的接触情况以及系统的黏滞与滑移状况，将机器人的整个运动过程分为三个阶段，通过数值计算，得到在不同阶段下曲梁随初始曲率幅值变化的不同构型，描述出软体机器人在一个周期内的运动规律、步态变化和净位移量，解决了软体机器人在不同阶段的运动衔接问题．准静态方法的特点是计算效率较高，更加适用于对软体机器人的运动构型进行分析．
为了预报真实液化天然气(LNG)船液舱的共振频率，采用基于直角网格的三维多相流模型，模拟了不同充液水深和激励频率的菱形液舱剧烈晃荡问题．该数值模型采用时间半隐式有限差分法在交错直角网格上求解不可压缩两相流Navier-Stokes(N-S)方程，采用径向基函数虚拟网格法(RBFGCM)处理不规则舱壁结构和，用三维梯度增量水平集(GALS)方法捕捉强非线性自由表面．基于该模型，模拟了横摇激励下的菱形液舱晃荡问题，满意的网格和时间收敛性验证了该方法的高精度和可靠性．而且，不同充液水深下本文冲击压力和波浪爬高结果与实验数据较好地吻合，捕捉到了剧烈的晃荡波浪现象如波浪翻卷．进一步研究了不同水深下舱壁局部位置压力幅值与激励频率之间的关系，确定了菱形液舱共振频率，以期为LNG液舱的结构设计提供理论参考．
为了改善骨折愈合过程中因金属接骨板弹性模量过大引起的应力屏蔽效应问题，基于拓扑优化与有限元建模技术设计一种面向3D打印的点阵结构接骨板．以钛合金胫骨接骨板为例，建立简化有限元模型，结合有限元法及数据采样方法，分别对实体接骨板系统和点阵接骨板系统进行仿真，并对比其力学性能上的异同点．基于点阵接骨板系统的力学性能分析，实现接骨板的轻量化设计，改善骨骼应力屏蔽效应．计算结果表明：在保证强度的情况下，点阵结构的接骨板设计可减小40%左右的接骨板质量；点阵接骨板对厚度较为敏感，通过小范围减小接骨板的厚度，可明显降低接骨板刚度；点阵接骨板的应用可以有效提高4%左右的骨骼平均应力，减小骨骼的应力屏蔽效应．仿真分析结果可为低应力屏蔽接骨板的设计提供一定的参考依据．
在焓差实验室中研制了一套车用二氧化碳(CO2)喷射制冷空调系统，在标准汽车空调性能实验台上对不同工况参数下的CO2制冷系统性能进行评估，并对比分析了CO2喷射制冷系统的性能优势．研究结果表明：车用CO2喷射制冷空调系统制冷量与车用CO2常规制冷系统制冷量相当；增大室内侧风量与提高压缩机转速能够有效提升CO2喷射制冷系统的制冷量，喷射器在不同工况下能够提升系统能效比(COP) 1.65%～12.60%；室外温度对车用CO2喷射制冷系统的性能影响显著，该系统在高温环境下会出现明显的性能衰减．
针对低温热泵用压缩机存在的问题，研究分析压缩机容积比对其性能的影响，提出一种新型三缸双级变容积比压缩机，并结合实验对搭配同一末端的传统双级压缩系统与三缸双级变容积比压缩系统的性能进行对比分析．研究结果表明：三缸双级系统可在－30 ℃环境正常运行，系统的性能系数(COP)为1.52，而传统双级系统在该种情况下无法运行；三缸双级系统的COP在任何环境温度下均比传统双级系统高1.25%～12.41%.当环境温度一定时，随着供水温度的升高，末端散热量增加，外机最大制热量衰减，COP下降；当环境温度分别为7 ℃和－25 ℃时，供水温度从40 ℃升至55 ℃的过程中，三缸双级系统的COP分别比传统双级系统高1.15%～8.86%和4.32%～7.33%.所有实验工况下，三缸双级系统单位时间耗电量均比传统双级系统低3.78%～16.67%.
研究了一种经皮无线供能系统．首先通过电路分析得到系统电压增益和传输效率等特性函数，同时根据经皮无线供能典型技术参数进行特性分析，在此基础上设计了基于能量注入的变频恒压控制方案，使得无线供能系统在负载和传输距离变化时始终高效率运行．搭建了经皮无线供能的实验系统，实验结果验证了理论分析和设计方案的正确性，在固定传输距离的整个负载变化范围内整机效率基本保持恒定，典型传输距离内的整机效率达到83%以上．利用多物理场仿真软件进行人体组织安全性仿真实验，仿真结果表明最大电场强度、比吸收率和最高温度均低于限值．
针对增程器转速功率动态协调控制问题，提出了一种基于混合励磁电机的新型电动汽车增程器，阐述了其控制系统结构及工作原理．根据混合励磁增程器整体效率特性确定了多转速点工作区域，基于混合励磁电机气隙磁场的柔性可调特性，设计了围绕工作区域的增程器转速-功率解耦发电双闭环控制算法．利用MATLAB/Simulink搭建控制策略模型，基于自行开发的混合励磁增程器原理样机进行了试验验证．试验结果表明，混合励磁增程器输出发电功率动态响应快，转速、功率控制稳态误差小，稳态及瞬态运行工况均位于设定工作区域内，发电控制策略可行．
田新亮研究小组提出了一种简称为“软尾减阻”的新型流动控制方法，即通过在钝体后侧构造柔性封闭体来调节其所受流体载荷及周围流动形态．相比于传统流动控制方法，该方法无需改变控制对象的结构，具有良好的工程应用前景．同时，“软尾减阻”引出了一种新的“流-固-流”耦合问题，亟待进一步研究．
针对现有无人海洋探测船续航时间短，在复杂海洋环境干扰下易发生传感器失效导致感知能力受限等问题，研发了一种风能太阳能混合驱动的长航程无人海空立体探测船．开发了升降式的导管型高效低风速风力机和可展式的太阳能光伏发电系统，利用风能和太阳能实现了混合能源动力供给，克服了单一能源供电的不稳定性，有效保证无人探测船的续航能力；开发了可自主起降的艇载系留无人机系统，结合船载和机载传感器信息融合技术，大幅提升了无人船对周围环境的感知能力，具有了海空立体探测功能．该无人探测船可根据任务场景搭载不同负载设备执行指定任务．
研究一种基于机器视觉的砂轮磨损在线检测和补偿方法，介绍基于工件局部轮廓图像的砂轮磨损在线检测原理，分析了由砂轮磨损引起的轮廓误差在线补偿方法．在此基础上，在所开发的复杂轮廓磨削平台上进行了试验研究．研究结果表明：所提出的砂轮磨损检测和误差补偿方法可以有效地进行实时在线检测砂轮的磨损程度，并能补偿主要由砂轮磨损引起的轮廓加工误差，提高工件的加工精度，为砂轮磨损的在线检测以及砂轮修整预报提供了一种新的方法．
针对制造系统中设备数量与输入的不确定性，考虑制造过程中的不良品以及不良品的返工情况，分析系统可靠性与各设备数量、设备输入的关系，建立基于随机流网络的制造系统可靠性评价模型．采用齐次Markov过程对系统衰退和维护进行状态分析，以最小化维护成本为目标，以系统可靠性为约束，建立系统设备的维护模型．通过算例分析，验证该模型的有效性和先进性．
大型齿轮增速箱的行星齿轮轴常采用过盈配合的双悬臂梁柔性销轴结构，而该处的过盈配合结构易产生微动疲劳．通过理论计算获得有效过盈量的最值，再利用有限元软件Abaqus模拟柔性销轴的弯曲受载过程，分析弯曲载荷、过盈量和渗碳层深度3个因素对接触应力、摩擦剪切应力以及滑移幅值的影响情况，探究各因素对微动疲劳损伤的影响程度，并使用SWT(Smith-Watson-Topper)临界平面法对销轴结构的疲劳寿命S-N曲线进行预测．对多组试件进行弯曲载荷疲劳加载试验，获得柔性销轴试验S-N曲线，并分析了试验后的构件表面微动疲劳损伤形貌．研究结果表明：弯曲载荷对疲劳寿命的影响大于过盈量的影响，也大于渗碳层深度的影响．采用SWT法预测的疲劳寿命与由试验获得的疲劳寿命吻合得较好．因此，在工程设计中可采用数值仿真分析对柔性销轴的疲劳寿命进行辅助校核.
合金元素能够以固溶态或纳米颗粒析出形态影响铝合金变形过程中微观组织演化，但哪种形态对铝合金微观组织影响更显著仍有争议．以Al-1%Si合金为研究对象，通过在变形前改变硅原子析出态与固溶态的比例，利用多道次累积叠轧焊方法实现大变形，对比研究了在微观组织和力学性能达到饱和状态过程中纳米析出硅颗粒、晶粒尺寸和位错密度的演化，以比较固溶原子与析出颗粒对铝合金变形过程中组织及性能的影响．结果表明，初始样品中固溶原子越多，析出颗粒越少，变形后饱和位错密度更高，晶粒尺寸更小，对应屈服强度更高．Al-1%Si合金中弥散分布的固溶硅原子比同质量的纳米析出硅颗粒阻碍位错动态回复的总效果更好，与位错理论分析相符．材料内位错回复能力也会影响饱和晶粒尺寸，位错回复能力越强，饱和晶粒尺寸更大.
采用自制板带式高温摩擦磨损试验机模拟实际热冲压条件下22MnB5硼钢裸板的高温摩擦过程，对模具进行预热，模拟了热冲压过程中的模具升温，并通过硼钢热冲压的摩擦因数、表面磨损形貌和截面图及基体组织图研究模具升温对硼钢裸板摩擦行为及机理的影响．结果表明：模具升温较低时，硼钢裸板与H13钢之间的摩擦因数基本稳定在0.5，其磨损机理以磨粒磨损和黏着磨损为主．当模具升温超过100 ℃，硼钢裸板摩擦因数随温度升高呈现下降趋势，在150 ℃和200 ℃分别为0.474和0.414，黏着磨损作用减弱．硼钢基体维氏硬度在室温至100 ℃基本稳定在430，随温度进一步升至150 ℃和200 ℃，硬度分别降至413.5和399.7，表明模具升温对成型件机械性能有显著影响．
针对强震下海洋导管架平台的弹塑性失效问题，提出一种基于性能设计的海洋导管架平台改进模态推覆抗震分析法，获得强震下平台结构的弹塑性抗震性能及其失效模式，解决强震下海洋导管架平台的弹塑性抗震性能评估难题．通过对比分析设防和罕遇烈度8度地震下平台结构弹塑性地震响应的差异性，探讨平台结构的参振振型、振型形状向量以及地震动不确定性对平台结构弹塑性抗震性能的影响．研究结果表明：高阶振型和振型形状向量对导管架平台弹塑性抗震性能的影响较大，需考虑前9阶或9阶以上的模态振型及振型形状向量变化的影响；设防和罕遇烈度8度地震下，平台结构弹塑性抗震薄弱环节均位于导管架顶部，需重点关注；具有相同峰值加速度的不同地震时程下的平台结构地震响应表现出明显的离散性和差异性，建议采用改进模态推覆法评估强震下平台结构弹塑性抗震性能．
为解决上承式拱桥跨径增大后自振频率快速下降的问题，提出一种新的上承式加V拱桥结构体系．将V形构件设于主梁和拱圈间以增大拱桥的刚度，进而提高结构的自振频率．通过适时的结构体系转换，实现一期恒载由拱圈承担，二期恒载及活载由一个主梁为上弦杆、拱圈为下弦杆、V形构件为腹杆并带多点弹性约束的变高桁架来承担，整个结构同时兼具拱和桁架的优点．为验证上承式加V拱桥动力特性研究和计算的正确性，修建跨径为10 m的试验桥，通过脉动试验测试桥梁首次发生面内竖弯的自振频率；利用有限元软件对其刚度和动力特性进行计算，分析V形构件刚度对结构动力特性以及V形构件数量对结构温度应力的影响，并研究体系转换的必要性．结果表明：结构首次发生面内竖弯的自振频率试验值与计算值相差较小，且振型与有限元分析相吻合．在增加材料很少甚至不增加材料的情况下，结构的自振频率得到明显提高，尤其是面内自振频率．V形构件的刚度存在一个合理的设置范围，V形构件的个数应以能使其与主梁或拱圈所构成的三角形的内角在45°～60°之间为宜．加V形构件后的上承式拱桥结构刚度大幅提高，且在L/4(L为桥梁跨径)处，列车静活载所产生的上挠度几乎为0.经过体系转换后二次成桥的成桥方法可使上承式加V拱桥充分发挥拱受力的优越性．
为提高自主水下机器人(AUV)下潜的安全性和稳定性，需对AUV自航下潜操纵运动进行精确预报．为此提出建立载体全物理模型，模拟螺旋桨运动，编写用户自定义函数(UDF)，求解雷诺平均N-S方程，实时预报载体强制自航下潜运动受力和流动特性的类物理数值模拟方法．该方法采用多块混合网格和动区域法，能提高动网格数值模拟的精度和计算效率．数值方法通过AUV自航试验的速度对比进行了验证．将该方法应用于AUV强制自航下潜模拟，结果表明：初始启动时，载体加速度较大，将导致AUV有较大纵向和垂向阻尼；在载体纵倾变化过程中，载体垂向力幅值较大且振荡，螺旋桨尾迹有扭转趋势，螺旋桨推力变化；在载体定向直航下潜中，螺旋桨推力和载体阻力较为稳定．
为了提高货主满意度的同时船公司能获得更好的经济效益，对不定期船调度与航速联合优化问题进行了研究，利用模糊时间窗刻画货主满意度，考虑自有船舶与租用船舶配置情况、航速等因素对船舶调度计划的影响，以航行成本、港口成本、时间成本、租船成本之和最小为目标，建立模糊时间窗下多船型不定期船调度与航速优化模型．提出一种变邻域遗传模拟退火算法进行求解：先将船型与货物匹配，再根据时间约束生成路径，最后采用邻域搜索策略提高求解质量．算例验证表明：船舶调度与航速联合优化可降低航行成本；注重货主的时间要求可提高其满意度．研究成果拓展了船舶调度及航速优化的相关理论，可为船公司优化不定期船调度及航速提供理论指导．
软式飞艇作为一种低刚度、具有充气结构的飞行器，其流固耦合特性明显．结合参数化截面(PARSEC)方法、径向基函数(RBF)和Delaunay映射方法，构建对软式飞艇的非定常显式动力学流固耦合分析框架．借助平板冲击和NACA0014机翼气动弹性案例验证该数值方法的可靠性和精度．该计算框架也同样适用于高空气球等薄膜类浮空器的非定常双向流固耦合分析．最后，应用上述框架对某软式飞艇在不同压差下的结构响应进行分析．研究结果表明，飞艇振动主频与飞艇的内外压差之间呈现近似线性关系．
针对编队卫星在遭遇空间碎片威胁时的规避决策问题，改进并采用非支配排序遗传算法(NSGA-II)对卫星进行编码，以改进的差分进化算法作为轨道生成模型，以Pareto支配筛选出最优解集，通过引入编队卫星的机动消耗、碰撞概率、工作效率等指标，对卫星的规避轨道进行筛选，保证编队卫星的各项指标得到兼顾．最后以三星编队的海洋侦察卫星为例，引入相位调整、概率计算、水平方向精度因子(HDOP)计算等模型，通过多目标优化算法获得规避轨道的最优解．仿真结果表明，在不同任务目标下，该方法可以更有针对性地制定编队卫星规避策略．
针对建筑运行能耗非线性和不确定性强的特点，提出一种基于支持向量机的办公建筑逐时能耗预测方法. 采用单变量模型检验法确定模型输入变量，引入网格搜索方法优化模型超参数. 使用模型拟合误差的置信区间来描述建筑运行能耗的不确定性. 采用实际办公楼案例对所提出的预测方法进行验证. 结果表明：网格搜索优化后的模型平均绝对百分比误差(MAPE)降低31.3%, 取得更高的模型精度； 加入置信区间后不同季节中MAPE均低于1.5%, 体现了建筑的运行波动. 该方法可为建筑运行诊断及优化提供参考．
考虑实际海域普遍存在的波流相互作用现象，研究均匀流对不规则波的波浪特性和不确定度的影响规律．首先，在上海交通大学循环水槽中开展不规则波与均匀流相互作用试验并测量波面升高时历数据；然后，基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程对波流相互作用问题进行数值模拟；最后，将不规则波的有义波高和平均周期作为研究对象，开展包括网格收敛性和时间步长收敛性在内的不确定度分析．研究结果表明：顺流及无流时波高概率分布符合Rayleigh分布；不规则波能量谱峰值在顺流作用下向低频移动；不规则波有义波高对网格尺寸更加敏感，平均周期则更依赖于时间步长；均匀顺流能降低有义波高对时间步长的依赖程度，但对平均周期的影响则相反．
针对三叶片H型垂直轴风机风振与减振问题,基于计算流体动力学(CFD)方法,采用数值方法模拟获得风机在转动周期内的叶片风压分布.将风压力时程荷载施加于风力机叶片表面,分析风机结构风振响应.在风力机不同位置处分别布置阻尼器,并数值模拟阻尼器耗能减振能力.结果表明:在垂直轴风力机主轴与支杆连接处布置阻尼器可降低结构位移响应,总位移最大降幅达44%.阻尼器位置与结构位移降低率密切相关,在近风机叶片顶端连杆处布置阻尼器,结构最大位移发生在风机叶片底端.在近风机叶片底端连杆处布置阻尼器,最大位移则发生在风机叶片顶端,下降达40.7%.研究成果可为垂直轴风力机减振研究提供技术参考.
《上海交通大学学报》2021年12期专题汇总专辑
