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当期目录

    2019年, 第53卷, 第7期 刊出日期:2019-07-28 上一期    下一期
    学报(中文)
    基于HSV颜色空间的快速边缘提取算法
    王红雨,尹午荣,汪梁,胡江颢,乔文超
    2019,53 (7):  765-772.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.001
    摘要 ( 1014 )   PDF(4938KB) ( 363 )  
    针对当前无人机障碍物检测能力较弱的问题,基于图像快速边缘提取算法,提出一种改进型局部二值模式(I-LBP)算子来增强边缘提取效果.在HSV (Hue, Saturation, Value)颜色空间中,利用I-LBP算子描述像素点的局部纹理特征,并采用Hausdorff距离确定边缘点,最后用矩形框圈出障碍物轮廓.该算法根据模糊集理论对传统LBP算子进行改进,通过将简单的二值化描述方式扩充到三维向量,增强了LBP算子对局部纹理特征的描述能力及其抗噪声的能力.利用MATLAB软件进行仿真验证的结果表明:I-LBP算子具有良好的稳健性,在光照条件较差并有噪声污染的情况下依旧可以准确地识别障碍物;同时,I-LBP算子还具有良好的实时性,可以满足无人机的避障要求.
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    考虑能耗和准时的混合流水线多目标调度
    周炳海,刘文龙
    2019,53 (7):  773-779.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.002
    摘要 ( 641 )   PDF(759KB) ( 156 )  
    针对加工时间和交货期模糊的混合流水线,考虑阶段内并行机互不相关、换模时间与工件加工次序相关等约束,面向降低生产能源消耗和保证准时交货的双目标调度问题,提出一种改进型差分进化算法.首先,以最小化系统能耗和准时交货惩罚为优化目标建立双目标优化数学模型;在此基础上,使用NEH(Nawaz, Enscore, Ham)方法获得优质初始解,并利用优质解挑战机制进行有效的邻域挖掘;同时,引入混沌搜索策略以保证算法的全局搜索能力;最后,将数值实验与有代表性的算法的计算结果进行对比,以验证所提算法的可行性与有效性.
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    船舶组合分段堆场调度方法
    孟令通,蒋祖华,陶宁蓉,刘建峰,李柏鹤
    2019,53 (7):  780-788.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.003
    摘要 ( 1044 )   PDF(1175KB) ( 184 )  
    针对船舶分段堆场调度中的堆场空间利用率低和作业调度效率低的现状,建立以最小阻挡分段移动数量为优化目标的组合分段堆场调度模型;提出一种基于位置权重的进场及阻挡分段堆位的分配策略;采用深度优先搜索与分段移动方向相结合的方式获取路径,并用遗传算法与禁忌搜索相结合的混合启发式算法优化任务分段的执行顺序;分析验证调度周期、场地规格及通行能力对调度结果的影响.实验结果表明:考虑组合分段的堆场可以处理的分段数量更多;优化堆位分配策略与混合启发式算法可以明显地提高堆场空间的利用率和调度效率,并能够有效地减少堆场调度中的阻挡分段数量.
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    山区地形条件下塔式仿古建筑风压与风场绕流分析
    李煜,周岱,汪汛,韩兆龙,包艳,毛璐璐,马宁,马晋
    2019,53 (7):  789-796.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.004
    摘要 ( 604 )   PDF(13490KB) ( 125 )  
    利用计算流体动力学方法并引入RNG (Renormalization Group) k-ε湍流模型,以山区复杂地形条件下的高层塔式仿古建筑为研究对象,分析了高层塔式仿古建筑表面的风压分布和风场绕流特性,以及建筑高度、建筑与山脚之间距离、山地地形等因素对风压和风场绕流的影响.结果表明:在不同的地形条件下,建筑表面的风压分布具有差异性;建筑表面风压绝对值随着建筑高度的增长而增大,随着建筑与山脚之间距离的缩短而减小;山地地形及其参数对建筑表面上部风压的影响明显大于对建筑表面下部风压的影响.
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    双应力变量的饱和介质非线性体积本构关系
    胡亚元,王超
    2019,53 (7):  797-804.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.005
    摘要 ( 512 )   PDF(1054KB) ( 129 )  
    为获得考虑组分基质变形的饱和多孔介质体积本构关系,根据混合物理论,把饱和多孔介质的固相体应变分为固相体积分数应变与固相基质体应变之和.通过推导和分析体积变形功守恒方程,在小应变条件下揭示了Terzaghi有效应力唯一决定固相体积分数应变和固相基质压力唯一决定固相基质体应变的变形规律,并据此提出双应力原理:Terzaghi有效应力与固相基质压力共同决定饱和多孔介质的固相体应变.当忽略固相基质压缩性时,双应力原理退化为有效应力原理.根据上述理论研究成果,结合Lade和De Boer模型试验数据建立了饱和多孔介质非线性体积本构关系式,以验证上述理论的可行性及正确性.最后,基于双应力变量模型讨论了Biot系数、孔压系数和孔隙比随Terzaghi有效应力的变化规律.
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    浅层淤泥质土固化剂
    徐日庆,王旭,文嘉毅,朱兵见
    2019,53 (7):  805-811.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.006
    摘要 ( 804 )   PDF(3900KB) ( 193 )  
    滨海地区广泛分布高含水率、高压缩性、低强度的淤泥质土,为了提高地基的早期强度,采用固化剂对淤泥质土进行浅层加固.通过混料试验设计,发现以粉煤灰和生石灰作为基础固化材料,硅酸钠、硫酸钙、氯化钙为添加剂的固化剂能够显著提高固化土的早期强度.以固化土的无侧限抗压强度作为强度指标,得到不同龄期下的强度响应.通过综合分析得到最优的添加剂配比,结合扫描电子显微技术,从反应机理和微观形态进行分析,验证了该固化剂的加固效果且满足工程需要.
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    管夯深层加固方法的软基现场工艺试验
    唐建辉,李平,王新浪,金奕潼
    2019,53 (7):  812-818.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.007
    摘要 ( 967 )   PDF(1724KB) ( 137 )  
    为了克服传统强夯法加固软土地基的局限性,提出了一种管夯深层加固方法,并介绍了管夯深层加固方法所用机械设备、加固原理和施工工艺,同时,在福建省某软土地基处理项目中开展了管夯深层加固方法的现场工艺试验,分析了管夯填料用量和深层降水方式等影响因素.结果表明:所提出的管夯深层加固方法能够有效避免管内夯击过程中超静孔隙水压力的积累,且在夯后静置约1d即可消散超静孔隙水压力;采用管夯深层加固方法加固后,增加了淤泥质土中粗粒填料比例,使得地基土体的锥尖阻力和锥侧阻力均成倍增长,地基有效处理深度可达15m以上,从而克服了采用传统强夯法出现的超静孔隙水压力消散周期长、有效加固深度浅的缺陷.
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    基于功能基元拓扑优化法的任意正泊松比超材料结构设计
    杨德庆,秦浩星
    2019,53 (7):  819-829.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.008
    摘要 ( 968 )   PDF(9176KB) ( 229 )  
    采用功能基元拓扑优化设计方法,以超材料结构的承载能力为目标,选取功能基元结构刚度最大化为目标函数,以指定泊松比值作为约束条件,建立了任意正泊松比超材料结构拓扑优化设计模型并求解.提取拓扑优化得到的功能基元最优构型,建立有限元模型,验算了功能基元的泊松比值.计算了基于功能基元周期性序构形成的超材料结构的面内、面外结构承载性能.结果表明,设计的超材料结构与传统多孔材料结构相比,具有更好的承载能力,具备轻量化优势.
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    结构方程模型与人工神经网络结合的用户感知建模方法
    颜波,褚学宁,张磊
    2019,53 (7):  830-837.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.009
    摘要 ( 1263 )   PDF(1420KB) ( 399 )  
    针对现有研究方法难以描述用户使用产品过程中会产生的多种感知之间的非线性关系和影响路径而导致用户感知建模不够真实准确的问题,提出了一种结构方程模型(SEM)与人工神经网络(ANN)相结合的用户感知建模方法.该方法首先利用SEM确定用户感知之间的因果关系和影响用户感知的主要因素;然后将SEM分析的结果转换为ANN模型的拓扑结构,建立结构化的神经网络模型,利用BP(Back Propagation)算法训练模型得到各网络节点间的连接权重,实现了用户感知建模;最后以智能手机用户感知建模为例验证了方法的有效性.分析结果表明,SEM-ANN模型具有良好的拟合优度和可解释性,并能准确地定量表达用户感知之间的相互关系和影响用户感知的因素.
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    基于稀疏自编码神经网络的产品再设计模块识别方法
    马斌彬,马红占,褚学宁,李玉鹏
    2019,53 (7):  838-843.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.010
    摘要 ( 626 )   PDF(894KB) ( 112 )  
    提出了基于性能时变数据分析的再设计模块识别方法.利用产品在健康状态下的性能时变数据构建无监督学习的稀疏自编码神经网络(SAENN)模型,以用于健康状态下产品性能数据的特征提取以及产品功能退化程度的评估;将产品在健康状态下的性能数据用于训练SAENN模型,使用运行期间的性能时变数据更新产品的状态特征,以反映功能的退化过程;通过对比功能间的退化差异来识别需要再设计模块;同时,以某制造企业水平定向钻产品再设计功能模块的识别为例验证了所提方法的可行性.结果表明,所提出的再设计模块识别方法具有较好的准确性,能够识别需改进的功能模块,识别结果可作为产品再设计的依据.
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    基于卷积神经网络的用户感知评估建模
    颜波,张磊,褚学宁
    2019,53 (7):  844-851.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.011
    摘要 ( 1038 )   PDF(1453KB) ( 201 )  
    提出了一种基于卷积神经网络的用户感知评估建模方法,充分利用产品使用数据来定量地建立用户感知评估和产品性能参数之间的映射关系,以支持产品设计改进.首先,利用滑动窗口技术将时间序列形式的使用数据转换为一系列数据单元,并在此基础上建立适用于用户感知评估模型的卷积神经网络结构;然后,通过K-折交叉验证分析确定模型的最优超参数并改善模型的过拟合问题;最后,以智能手机用户感知建模为例验证了方法的有效性.结果表明,所提出的方法能够自动从使用数据中提取出有效特征,用于用户感知评估预测,减少了建模过程中对用户和设计师的依赖,可以帮助设计师及时准确地评估产品表现,为产品设计改进提供决策支持.
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    余弦形预制双曲梁非线性隔振器的隔振性能
    任晨辉,杨德庆
    2019,53 (7):  852-859.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.012
    摘要 ( 778 )   PDF(1604KB) ( 110 )  
    设计了中点固结的余弦形预制双曲梁非线性隔振器,以用于船舶设备的主动与被动隔振.给出了余弦形预制双曲梁隔振器所受横向压力-位移关系解析表达式,分别建立了主动与被动隔振系统的非线性振动微分方程,利用谐波平衡法求得近似解析解,并与龙格-库塔法的数值解进行比较,给出了力传递率与位移传递率的表达式.同时,研究了在不同的非线性刚度系数、激励幅值、阻尼系数条件下,余弦形预制双曲梁隔振器的力传递率与位移传递率的变化规律.结果表明:谐波平衡法的解析解与龙格-库塔法的数值解基本吻合;所设计的非线性隔振器具有优良的低频隔振效果,其响应和隔振性能与激励幅值和阻尼有关.
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    两相流CO2喷射器内部流场的数值模型
    王雨风,王丹东,胡记超,陈亮,陈江平
    2019,53 (7):  860-865.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.013
    摘要 ( 874 )   PDF(1286KB) ( 157 )  
    利用计算流体动力学模拟软件Fluent建立两相流CO2喷射器非均相模型,基于非均相模型对CO2喷射器的内部流场进行数值模拟,分析喷射器内部流场的相变、压力和速度变化情况,通过实验验证了模型精度;通过改变喷嘴段结构参数,探究了喷嘴设计对于喷射器性能的影响,并对喷射器结构进行优化.结果表明:喷射器喷射流量以及引射压力的模拟值与实测值的误差分别为 6.5% 和 5.0%,即所建模型具有较高的精度;当喷射器喷嘴段出口出现激波现象时,流体的压力和速度均出现波动,并且存在明显的边界层;喷嘴发散段的长度越长,喷射流量越小,喷射速度越高;通过优化喷嘴段结构参数,可使喷射器的效率提高 10.5%.
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    跨临界CO2电动汽车空调系统性能分析
    俞彬彬,王丹东,向伟,余浩弘,陈江平
    2019,53 (7):  866-872.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.014
    摘要 ( 944 )   PDF(1093KB) ( 280 )  
    为了满足环境保护的需要,紧跟电动汽车发展潮流,在传统燃油车空调系统的基础上开发了一套二氧化碳(CO2)电动汽车空调系统,在标准汽车空调性能实验台上研究了不同运行参数对其性能的影响和CO2电动汽车空调的内在规律.结果表明:所开发的CO2系统在标准工况下与如今仍在普遍使用的传统制冷剂R134a系统性能相当;在研究的所有运行参数中,室外温度对系统性能的影响最大,高温下性能衰减明显,采用电动压缩机可以满足车辆的实际车冷量需求,而现有的CO2电动压缩机排气压力和排气温度的限制致使系统性能在一些恶劣工况下无法达到最优,因此系统性能仍有较大的提升空间;在相同的换热面积内,气冷器出口制冷剂与环境温差每下降 1℃,系统能效比(COP)可以提升2%~5%,同时系统最优高压得到降低,蒸发温度每提升5℃,系统COP可以提升15%左右.
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    设计科学专栏
    论设计科学
    谢友柏
    2019,53 (7):  873-880.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.015
    摘要 ( 1090 )   PDF(1462KB) ( 222 )  
    基于代表性学术观点的变化对设计,特别是以设计科学为命题的研究的发展历程进行了分析.该历程表现为从关注设计方法到研究知识在设计中的行为,从研究物质产品的设计到认为物质产品、精神产品和社会产品都应该遵循同样的公理进行设计.进一步的研究表明:设计本质上是一个知识流动、集成、竞争和进化的过程,而知识在社会上流动所产生的对设计竞争力的影响大于其在设计师(或团队)头脑中流动所产生的影响,特别是对于创新的影响;完成一个成功的设计,不仅仅需要设计的过程知识,而且需要设计的构成知识,因而提出了知识供给和知识高效运用的诸多问题;设计不仅仅是技术问题,更是具有极其重要社会影响的问题,设计有必须共同遵守的原则.在此基础上,针对一个需求-功能-结构-行为(RFSB)设计模型展开研究,其中:功能知识集成算法已经取得较大的进展;而结构知识集成则由于结构知识十分复杂而尚未获得合适的知识表达方案,需要人工参与.
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    面向环境的设计——一个创新设计的理论与方法
    曾勇, 张执南
    2019,53 (7):  881-883.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.016
    摘要 ( 1577 )   PDF(344KB) ( 268 )  
    创新设计旨在创造新产品以满足人类尚未满足的新需求.产品从广义上讲包括仪器、机器、软件、规划以及法规等,因此开发具备普适性的设计理论和方法对于支持高效的创新产品设计具有重要意义.面向环境的设计(EBD)为创新设计提供了一种系统化的设计理论和方法.本文主要介绍EBD的基本内涵、构成要素和实施过程.
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    基于环境设计理论的灼伤瘢痕冷冻治疗仪创新设计
    陈诗元, 张雨捷, 林海阳, 郭峰, 张执南
    2019,53 (7):  884-890.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.07.017
    摘要 ( 824 )   PDF(9897KB) ( 156 )  
    为解决目前临床灼伤瘢痕治疗仪疗效差、使用体验不佳的问题,本文基于环境设计方法学,分析了治疗需求及技术现状,通过建立灼伤瘢痕冷冻治疗仪的设计迭代对象模型和识别重要冲突,针对主要矛盾进行方案求解,探明了刺入式冷冻机制.此外,设计了适用于该治疗仪的前端冷冻枪与通用的液氮控温供冷装置,能够根据瘢痕形状实时调整刺入阵列,并实现需求精度内的恒低温控制.仿真结果和动物实验表明,环境设计理论在生物医学工程领域产品创新设计方面具有可行性.
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