上海交通大学学报

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附壁射流式多金属结核采集装置几何参数优化

张栢源, 赵国成, 肖龙飞

2025,59 (8): 1059-1066.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.470

摘要 ( 2474 )

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PDF(3985KB) ( 575 )

采集海底矿石颗粒是开发深海矿产资源的核心技术.基于康达效应的附壁射流式集矿技术被认为是一种具有工程应用潜力的集矿方法.基于实验验证的计算流体力学-离散元(CFD-DEM)数值模拟方法,以提高矿粒采集率为优化目标,开展集矿装置几何参数优化研究.探究集矿装置凸曲壁曲率半径与矿粒直径之比(R/d)、射流切向弧度(θ)和射流厚度与矿粒直径之比(b/d)对临界无因次射流流量(q₀)的影响规律,并对各参数影响的显著性进行了比较.同时,结合集矿流场流速分布特征阐释矿粒受力运动特性.研究结果表明,b/d对集矿效率的影响最大,R/d次之,θ的影响最小.对比工况中,当R/d = 9、θ = 1.05 rad、b/d = 0.26时,矿粒采集效果最佳.本研究可为设计研发高效低扰动集矿装置提供理论支撑.

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均匀流作用下并联悬垂双取水管涡激振动载荷特性试验研究

赵光义, 张萌萌, 付世晓, 许玉旺, 任浩杰, 白英利

2025,59 (8): 1067-1080.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.539

摘要 ( 2216 )

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悬垂取水管作为温差能发电平台等生产设施的核心部件,日益受到关注.悬垂连接双管结构较之单管有着更高的输送效率与更低的制造工艺要求,但是其涡激振动特性尚不明确.为此,开展了一系列悬垂连接双管模型试验,提出了一种针对大位移、小变形问题的涡激载荷识别方法,并对比分析了双管与单管的涡激振动特性.研究结果表明:在相同流速和流向条件下,悬垂双管和悬垂单管的涡激振动位移幅值在低流速时相似,但在高流速下存在差异;悬垂双管更易表现出涡激振动不稳定性,包括行波和多频响应等;双管结构可以采用与单管相同的斯特劳哈尔数进行涡激振动预报;此外,悬垂双管与悬垂单管在横向流动方向上的附加质量系数存在显著差异,其主要起到调节固有湿频率的作用,以使得双管发生涡激振动共振.

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海洋风电场尾流荷载作用下水平轴风力机结构动力响应

祝怡情, 吴锋, 周岱, 韩兆龙, 卓杨, 朱宏博, 张凯

2025,59 (8): 1081-1091.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.476

摘要 ( 2157 )

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研究串列布置水平轴双风力机动力响应对保障风力机结构安全至关重要.基于计算流体动力学(CFD)方法,分析处于上游风力机近尾流区的下游风力机尾流场特性,获取双风力机气动荷载时程曲线.进而结合结构动力学与有限元数值方法,分析上、下游风力机结构的风致动力响应特性.研究发现:近尾流区尾流速度亏损显著,导致下游风力机的推力和扭矩分别减少54.94%和91.89%;同时,尾流湍流加剧了下游风力机的气动荷载的周期性波动.气动荷载波动性对下游风力机动力响应影响较小,其整体动力响应较弱,表现为塔顶推力方向的位移减小50.79%.研究成果可为海洋风电场风力机群结构气动响应分析提供技术参考.

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面向船舶大型曲面薄板的装配形变TSM-TLHS预测方法

金轩铖, 洪舸, 高硕, 夏唐斌, 胡小锋, 奚立峰

2025,59 (8): 1092-1102.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.576

摘要 ( 2073 )

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船舶分段装配过程中,大型曲面薄板(如外板)放置在胎架上时,会受重力作用发生形变,将影响装配精度进而影响分段建造质量.为预测给定胎架布局下大型曲面薄板的形变,建立了一种基于两阶段拉丁超立方采样和Transformer神经网络结构的代理模型(TSM-TLHS).首先,设计了两阶段拉丁超立方采样,相较传统方法,能直接适用于形状不规则薄板的采样.同时,建立了包含多头注意力模块和位置编码的Transformer代理模型,综合考虑了胎架位置与胎架布置点位移对薄板形变的影响.实际案例结果显示,提出的TSM-TLHS方法的预测误差仅为61 μm,且满足现场装配对薄板形变的预测精度需求,便于船厂及时对分段进行反变形补偿,从而确保装配质量.

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基于拟物算法的脐带缆截面布局自动填充优化设计方法

殷旭, 曹冬辉, 田庚, 杨志勋, 范志瑞, 王刚, 陆俣丞, 汪慧

2025,59 (8): 1103-1113.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.588

摘要 ( 2015 )

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脐带缆是油气开采水下生产系统中的关键组成部分,其截面由光缆、电缆、钢管及填充材料等构成.由于构件的性能存在一定差异,所以其排布形式会使得脐带缆性能存在较大差距.综合考虑到截面紧凑性、平衡性和热源分散性,建立了多目标优化模型.基于该模型构建物理模型,并采用拟物算法对包含等径构件的脐带缆截面进行布局设计.前期研究表明,功能构件之间的相互约束会在优化后截面中产生空缺区域,为满足脐带缆设计规范中对截面布局密实的要求,提出基于图像识别的截面构件自动填充策略,并将其融入布局优化流程.最后,以一根脐带缆为例,通过拟物算法得到最优布局后,利用填充策略完成截面填充设计.通过与初始截面对比,验证了所提出的自动填充设计算法的有效性,为脐带缆截面填充设计提供有效参考.

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基于改进MCMC算法和代理模型的结构仿真模型更新

缪季, 段立平, 刘吉明, 林思伟, 赵金城

2025,59 (8): 1114-1122.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.584

摘要 ( 2308 )

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为提高有限元模型仿真精度,提出了一种基于贝叶斯理论的模型更新框架,并利用改进马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)算法和代理模型提升了更新效率.以待更新参数为输入、有限元模型模态响应为输出构建径向基函数(RBF)代理模型,将鲸鱼优化算法(WOA)引入MCMC算法,更新有限元模型的不确定参数.最后,通过一例简支梁数值算例和三层钢框架的试验研究证明了该算法的准确性.结果表明,WOA可以明显改善MCMC算法的采样平稳性和收敛速度,更新效率最高可提升13.9%,基于鲸鱼优化的Metropolis-Hastings(WO-MH)算法更新的简支梁模型和三层钢框架模型最大频率误差分别为0.009%和2.41%.所提模型更新方法在二维输入和八维输入的情况下均能有效提升有限元模型的仿真精度,为建筑结构的精益化仿真和优化设计提供技术参照.

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裂纹形态对SG夹层玻璃开裂后硬化效应的影响机制

彭沈楠, 杨健, 王星尔, 陆敏铖, 朱禹翰

2025,59 (8): 1123-1132.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.549

摘要 ( 1418 )

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SG离子型中间膜夹层热钢化玻璃(简称SG夹层玻璃)在拉伸硬化效应作用下,破坏后仍具有一定的残余强度,裂纹形态参数(如碎片密度和碎片分布)对其后破坏性能有显著影响.准确评估和预测夹层玻璃开裂后的性能,是提升其成本和性能综合效益的重要基础.目前,裂纹形态对夹层玻璃开裂后硬化效应及影响机制的研究尚显不足.首先通过SG夹层玻璃随机裂纹拉伸试验发现,碎片密度通过影响应力路径对夹层玻璃的开裂后性能产生影响,表现为抗拉强度和等效刚度随碎片密度增大分别呈线性和指数下降.随后,基于试验结果提出有效黏结区域假设,并建立精细化有限元模型,实现了对夹层玻璃开裂后抗拉性能的准确预测,同时探讨了碎片层交错程度对夹层玻璃开裂后硬化效应的影响规律.

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基于广义极值分布的实测地震动概率统计模型

冯鹏飞, 周敉, 李志烜, 朱国强

2025,59 (8): 1133-1144.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.558

摘要 ( 1349 )

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为建立地震动峰值加速度的概率分布模型,收集了500个台站的 255365 条地震动记录,构成初步的峰值加速度统计样本.首先,选用广义极值分布作为地震动峰值加速度的概率模型.基于此模型,分析了常用于估算极值分布模型参数的最大似然估计法和线性矩估计法的有效性.其次,依据最大似然估计的渐近正态性,提出了确定建立广义极值分布模型时所需最小样本长度的方法;分析表明,建立地震动峰值加速度的广义极值分布模型时,数据样本长度不宜小于120.对符合样本长度要求的地震动峰值加速度数据样本进行统计分析,发现其模型参数会随着样本长度的增加而收敛于一个较小的范围.最后,建立了不同类型场地的实测地震动峰值加速度的概率统计模型和地震危险性计算公式.

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过冷水-壁面接触面积对冰成核行为影响实验研究

陆晨律, 王利平, 孟航飞, 刘洪, 王福新

2025,59 (8): 1145-1155.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.569

摘要 ( 1331 )

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认知过冷水与固体表面接触对冰成核过程的影响对过冷物质储运以及防冰表面设计等工程应用非常关键,而接触面积变化对冰成核的影响尚不明确,尤其是当接触面积较大时.通过改变硅胶管和聚氯乙烯(PVC)纤维增强软管的长度改变过冷水与壁面接触面积的方式,研究了接触面积对结冰温度的影响.实验结果表明,接触面积变化将显著影响过冷水的结冰温度.根据所得变化规律建立了接触面积-过冷度预测模型,并利用实验结果对经典成核理论中的面积项进行了修正.修正后的成核率预测结果与实验中面积增长对成核的影响基本一致,且接触面积对成核率的影响并非目前认为的线性,而呈非线性.研究方法和所提出的模型为未来工程中过冷水的利用以及接触面积变化影响成核过程的进一步研究奠定了良好的基础.

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机匣组线加工装夹找正系统误差建模与精度优化方法

杜雪明, 向洋, 刘顺, 金隼

2025,59 (8): 1156-1168.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.511

摘要 ( 871 )

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在航空发动机机匣类零件自动化组线升级改造中,零点定位系统和辅助找正台等新设备的引入显著提升了生产效率,但同时也加剧了多工序加工中的系统误差累积.为降低新系统误差对加工精度的不利影响,研究了不确定性输入条件下找正系统的误差建模与精度优化方法.研究方法主要包括:首先,建立考虑零点定位系统子母盘装配差异的偏差分析模型,并采用K-S检验方法验证模型准确性;基于该模型,系统分析了多子盘-母盘互换过程中的精度损失规律.其次,创新性地提出基于输出分布差异与超差率差异的精度损失量化函数,通过对找正系统的基座结构进行优化,将系统精度损失由原先的11.53%降低至2.33%.同时,有效改善了由加工基准和定位基准不一致导致的工件径跳分布问题,其分布差异由 0.117 15 降至 0.039 54.本研究实现了零点装夹找正系统性能的显著提升,为产线的装夹定位精度分析和优化提供了理论支撑和实践指导.

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小型月面跳跃机器人设计及运动建模

严赫, 朱星月, 侯张俪, 王卫军, 张执南

2025,59 (8): 1169-1180.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.646

摘要 ( 1334 )

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跳跃是月面探测机器人的一种可行的运动方式.由于缺乏与月壤特性的耦合研究,跳跃机器人在月面探测中尚未有成熟应用.针对月面探测器5 kPa的承载指标要求,开展机器人与月面的耦合研究,提出跳跃机器人新型储能腿构型,实现起跳时初速度大小与方向可变的低承载跳跃;优化储能元件参数,实现机器人的近恒力起跳,并在动力学仿真环境中完成验证.为实现机器人在月球表面的精确跳跃目标,建立考虑阻尼特性的月壤力学特性模型,基于离散元仿真环境测定了模型的关键力学参数,进而构建月壤表面机器人跳跃动力学模型,并通过离散元-动力学耦合仿真验证了模型的精确性.基于所建立的动力学模型,实现了两种运动规划算法,验证了模型的应用可能性.

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淬火分配钢成形极限实验与晶体塑性模拟

杨浩, 唐伟琴

2025,59 (8): 1181-1191.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.260

摘要 ( 1004 )

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淬火分配(QP)钢因塑性变形过程会诱发马氏体相变,因而具有高强度和高延伸率的特点,但其成形性能目前尚未明确.通过Nakajima实验获得了QP1180钢板在不同应变路径下的极限应变,采用考虑相变的晶体塑性有限元模型耦合Marciniak-Kuczynski理论(CPFEM-PT-MK),分析了织构演化和相变对QP1180钢板成形极限的影响.结果表明:当应变路径ζ=0.1时,QP1180钢板的极限主应变最低,CPFEM-PT-MK模型能够较好地预测QP1180钢板的成形极限;不同应变路径下,QP1180钢各相的织构演化存在明显差异,考虑织构演化时,其成形极限更高;当不发生相变时,极限主应变最低点在应变路径ζ=0位置,与发生相变时明显不同.此外,相变并不总是提高QP1180的成形极限,其效果与应变路径有关.

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Fe-Mn合金及其螺旋弹簧的阻尼特性

涂田刚, 杨蔚涛, 杨旗, 徐斌

2025,59 (8): 1192-1202.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.272

摘要 ( 1029 )

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PDF(11755KB) ( 112 )

为改变传统螺旋弹簧的无阻尼现状,采用Fe-Mn合金研制了一种具有良好阻尼特性的螺旋弹簧.首先,研究了用于制作螺旋弹簧的Fe-Mn合金材料的最佳工艺参数;然后,制备了Fe-Mn合金螺旋弹簧,并采用优化的工艺参数对其进行处理,以实现高阻尼特性;最后,通过螺旋弹簧的功能原理和解析模型,进一步分析了Fe-Mn合金螺旋弹簧的阻尼性能.结果表明,在相同外部激励条件下,与65Mn螺旋弹簧相比,Fe-Mn合金螺旋弹簧表现出显著的耗能效果.在特定的加载位移下,其损耗因子随位移的增加呈非线性指数增长,而等效刚度随位移的增加呈线性下降,表现出明显的软化特性.特别地,当Fe-Mn合金螺旋弹簧的等效应变幅小于0.3%时,可以利用其扭转应变能预测耗能特性,为弹簧设计提供理论依据.该研究为减振与隔振产品的开发和应用提供了新的思路.

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基于等价输入干扰误差估计的欠驱动脉宽调制整流器自抗扰控制

黄自鑫, 于澄嵩, 汪伟, 林梦颖, 徐达

2025,59 (8): 1203-1215.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.508

摘要 ( 186 )

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针对电压变换和外部条件等因素引起三相电压型脉宽调制(PWM)整流器工作异常的问题,提出了一种基于等价输入干扰(EID)误差估计的自抗扰控制(ADRC)和新型终端模糊滑模电流控制的控制策略.通过对三相电压型PWM整流器系统的欠驱动特性分析,构建了基于等价输入干扰误差估计的新型终端模糊滑模控制的电流环控制器,以及基于等价输入干扰误差估计的自抗扰控制的电压环控制器的双闭环结构控制器.通过对滑模控制中存在的电流抖振和负序电流问题进行误差估计,提高控制器精度,优化控制效果,抑制电压环控制器系统谐波量,提升电压的响应速率,确保三相电压型PWM整流器在干扰情况下的稳定工作.最后通过仿真实验进行分析,验证了所提控制策略的有效性与优越性.

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注意力引导多任务学习的前列腺癌盆腔淋巴结转移预测

张志远, 胡冀苏, 张跃跃, 钱旭升, 周志勇, 戴亚康

2025,59 (8): 1216-1224.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.491

摘要 ( 232 )

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基于前列腺癌原发灶的术前磁共振影像定量特征预测盆腔淋巴结转移(PLNM)是治疗方案制定的重要参考依据.然而,现有预测方法对肿瘤原发灶内部的异质性信息提取不足,导致提取的图像定量特征与PLNM关联性较弱.针对这一问题,提出一种以肿瘤分割任务为辅助任务的注意力引导多任务学习网络用于PLNM预测.首先,在肿瘤分割网络中,提出多分支各向异性大核注意力模块,通过不同分支和各向异性大卷积核的融合扩大的感受野以有效捕获肿瘤的局部和全局信息.其次,在PLNM预测网络中,设计多尺度特征交互融合注意力模块,对多尺度特征进行层次化融合筛选.在320例数据集的实验中,所提方法的精度召回曲线下面积值和受试者操作特征曲线下面积值分别为(85.44±2.04)%和 (91.86±2.18)%,优于经典的单任务分类方法和多任务方法.

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