J Shanghai Jiaotong Univ Sci

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林焰1, 2, 卞璇屹1, 董宗然3

2024 (5): 737-746.
doi: 10.1007/s12204-022-2530-6

摘要 ( 97 )

PDF(1456KB) ( 84 )

船舶管路的布局优化是船舶智能化生产设计中的难点和热点之一。通过对现有管路编码和船舶管路布局特征的研究，提出了船舶管路的高维向量编码。该编码方式的优点为：结构简洁，直接关联于管路的弯头数量；通用于成熟的优化算法；不依赖于网格化空间。基于所提编码实现了粒子群算法，并通过预选路径策略和分支管路处理策略对算法进行了改进，得到了基于分阶段粒子群算法的船舶管路布局优化方法。最后，通过仿真算例和海水冷却系统管路实例的布局优化，证明了所提编码和算法具有可行性和工程实用性。

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海洋平台人员疏散试验与仿真模拟研究

张菁菁1, 赵金城1, 2, 3, 宋振森1, 2, 3, 段立平1, 2, 3

2024 (5): 747-758.
doi: 10.1007/s12204-023-2629-4

摘要 ( 62 )

PDF(4007KB) ( 36 )

随着海上油气开发的快速发展，关于海洋平台的人员疏散问题越来越受到人们的关注。本文首先在实地海洋平台上针对120名人员开展疏散实验，并运用Pathfinder对该疏散实验场景进行模拟，软件疏散模拟数据与实验结果匹配度高。其次，参考IMO疏散导则和使用实验速度数据，针对平台上四种典型疏散场景进行仿真模拟研究。仿真结果表明，海洋平台疏散场景的出口利用率和人员疏散效率有待提高。最后，针对四种疏散场景下的人员疏散路径进行优化，并用多个数学指标来评价优化后的不同场景的人员疏散性能。最终结果表明，人员按照优化路径进行疏散有助于提高出口使用率，缩短疏散时间。本研究对IMO疏散导则的修订工作有一定参考价值，并为海洋平台紧急疏散提供了有效疏散策略。

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基于知识的船舶曲面分段建造调度及应用

蒋祖华1, 周宏明2, 陶宁蓉3, 李柏鹤1

2024 (5): 759-765.
doi: 10.1007/s12204-022-2544-0

摘要 ( 39 )

PDF(1037KB) ( 21 )

为了在激烈的竞争中提高效率，提高造船企业的生产计划水平是十分必要和迫切的。弯曲砌块的施工是提高造船效率的瓶颈。因此，研究弯块生产是提高船舶生产效率的关键突破口。通过对曲面块生产调度问题的分析，提出了一种基于知识库的智能曲面块生产调度方法及其系统，并给出了系统的主要过程。该系统的功能包括数据管理、装配计划生成、计划调整和计划评估。为了处理实际情况和继承经验知识，系统提取了一些规则来控制分块选择、算法选择和评价阈值，从而构建了曲线分块调度系统的生产决策知识库。提出的知识库可以被用户引用和修改，特别是在用户和知识库之间进行少量交互之后。最终的装配计划可以可视化和评估，以方便观察计划的实施和过程中的决策效果。最后，在上海某大型船厂进行了实际数据验证，结果表明所提出的方法能够有效地实现曲面块的知识调度。

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水下无人平台载荷释放过程中的姿态镇定控制

邓旭a, 冯正平a, b, 何晨璐a, 崔振华a

2024 (5): 766-772.
doi: 10.1007/s12204-023-2598-7

摘要 ( 39 )

PDF(765KB) ( 25 )

大型的水下无人平台可以携带大的无人载荷执行多样的任务，同时希望在释放载荷后自身仍能保持竖直状态。然而在载荷释放之后，其自身姿态很难保持不变。从本体上释放载荷不但会引起刚体参数的不确定度变化，如由于质量分布改变引起的转动惯量的变化，而且还会因为几何外形的变化引起水动力参数的不确定度改变。本文提出了一种对上述模型不确定度具有鲁棒性的非线性姿态镇定控制器。其稳定性可以通过李雅普诺夫稳定性理论证明。仿真结果验证了该方法的有效性。

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基于神经网络优化多元 KDE 带宽的浮标空间信息分析

徐良坤1, 2, 薛晗2, 金永兴1, 周世波2

2024 (5): 773-779.
doi: 10.1007/s12204-022-2466-x

摘要 ( 41 )

PDF(731KB) ( 19 )

确保灯浮标位置正确，为船舶航行提供尽可能准确的位置信息，是航海保障部门的职责之一。如果灯浮标位置偏差过大，向船舶发送错误的助航信息，将影响船舶的航行安全，同时也会增大管理部门的压力。因此，掌握灯浮标的偏移特性对灯浮标的维护和提高灯浮标的助航效能具有重要意义。灯浮标位置的核密度估计能够直观地反应灯浮标位置的空间分布特征以及浮标位置的密集区域。为提高计算速度和核密度估计的精度，降低核密度估计过于平滑的风险，采用分数阶递归神经网络优化核密度估计带宽的方法，设计了一种自适应带宽核密度估计器。

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波浪能转换器平台几何布局设计的数值研究

裴斐a, 林焰b

2024 (5): 780-790.
doi: 10.1007/s12204-022-2483-9

摘要 ( 35 )

PDF(2088KB) ( 15 )

目前的工作旨在确定波能转换平台的最佳几何布局，以实现平板能量收集性能。采用线性势流体理论分析了平台与平板之间的相互作用。测试了布置几何的三个因素，并分析了板的性能。采用试验设计法确定因子显著性，建立响应面模型。建立了一阶模型和二阶模型来描述各因素与板材性能之间的关系。揭示了两个因素的显著性及其相互作用，并找到了最优参数集。板前的波形证实了这种相互作用。很明显，宽阔的入口和封闭的通道可以最大限度地提高板的性能。

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关键车道优先下的港区公铁平交道口优化研究

张赫, 周正凯, 林环宇, 王天慈

2024 (5): 791-800.
doi: 10.1007/s12204-022-2553-z

摘要 ( 36 )

PDF(689KB) ( 17 )

为保障进港集卡车队在港区经过公铁平交道口时不受列车的影响直接进入港口，减少车辆在港口前的排队，赋予进港集卡优先通行权。基于关键车道优先思想，依靠车速引导信息引导车队合理变速，推迟或提前到达铁道闸口，同时以交叉口延误、排队长度以及停车次数最小为优化目标，重新优化港区公铁平交道口信号配时方案。选取大连市大窑湾港区公铁平交道口实测数据，在VISSIM环境下对COM进行二次开发实现了车速引导下的信号优化控制，对原配时方案、多目标配时优化方案以及关键车道优先下的优化方案进行仿真实验。结果表明：多目标优化方案和关键车道优先下的优化方案总体上均可提高公铁平交道口通行能力。关键车道优先下的多目标优化方案效果更加适应公铁平交道口，较原方案延误降低了33.3%，停车次数降低了25%，车辆尾气排放量降低了31.3%，证明了关键车道优先下的港区公铁平交道口优化方案的有效性。

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基于交通大数据的集装箱码头外集卡作业时长仿真预测

杜晔1, 赵一飞2, 高德毅1

2024 (5): 801-808.
doi: 10.1007/s12204-022-2415-8

摘要 ( 33 )

PDF(620KB) ( 12 )

集装箱码头外集卡作业时长是港口运营方、外集卡运营商和相关政府机构共同关注的港口运营关键绩效指标之一。通过交通大数据结合集装箱码头的运营特点，采用了系统动力学方法建立外集卡作业时长的系统动力学模型。该模型对外集卡作业时长的仿真结果与实际数据具有一致性，提供了一种有效方式来消除外集卡作业时长的“黑箱”情况。该模型可利用交通大数据在多种作业场景下进行应用，模型的仿真结果可用于相关机构作为预测数据。

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畸形波与底部固定垂直圆柱相互作用的CFD研究

高宁波1, 张永涛2, 3, 张鸿4

2024 (5): 809-816.
doi: 10.1007/s12204-022-2527-1

摘要 ( 31 )

PDF(1668KB) ( 13 )

研究了异形波与底部垂直圆柱的相互作用。通过线性叠加法产生异常波，满足波高至少为有效波高两倍的定义。基于FLUENT软件，采用有限体积法对波浪槽进行空间离散，开发了数值波浪槽。首先在二维模型中进行网格敏感，然后在三维模型中模拟异常波。计算了垂直圆柱上的异形波荷载，并与Morison方程的计算结果进行了比较。数值结果与Morison方程的预测结果相比，峰大谷浅。同时，研究了垂直圆柱周围半径范围内的自由面波高程。垂直圆柱附近异常波引起的最低波高约为最高波高的55%，波传播方向约为45˚。

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玻璃纤维复合材料胶栓混合节点在拉伸荷载下的静力与疲劳力学性能

王进潇1, 程斌1, 2, 3, 向升1, 李思达1, 闫兴非4

2024 (5): 817-830.
doi: 10.1007/s12204-023-2650-7

摘要 ( 23 )

PDF(1892KB) ( 6 )

本文针对9个单搭接玻璃纤维复合材料（GFRP）胶栓混合节点试件，开展了静力和疲劳试验。首先通过单轴拉伸的静力试验，得到了节点的静力极限承载力，随后开展了高周疲劳试验，得到了节点的疲劳失效模式、疲劳寿命和刚度退化。在试验过程中采用了声发射监测和三维数字图像相关法等监测技术记录了节点损伤发展过程。试验结果显示，该类GFRP节点的静力和疲劳性能主要由螺栓连接控制。基于试验和声发射信号结果发现疲劳失效过程可以分为4个阶段：胶层的累积损伤，胶层的完全损伤，GFRP板的累积损伤和GFRP板的完全损伤。增加螺栓数量可以提高节点疲劳寿命，并减少刚度退化速率。本文还提出了单搭接GFRP混接节点在单轴拉伸载荷下的疲劳S-N设计曲线。

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基于激光扫描系统的刚性膜法测定膜结构应力分布

张翔宇1, 王沙沙1, 龚景海1, 邱国志1, 纪腾飞2

2024 (5): 831-844.
doi: 10.1007/s12204-022-2472-z

摘要 ( 24 )

PDF(9136KB) ( 7 )

应力分布确定对于膜结构在工程实践中的安全使用至关重要，然而现有的测量方法和分析方法难以获得准确的应力分布。提出了一种刚性膜法来确定膜应力分布，该方法通过扩大膜刚度，将平衡状态下的膜荷载施加到平衡状态的膜形状上，并进行非线性有限元分析。刚性膜法仅基于水荷载作用下膜结构的平衡形状和荷载分布，通过数值模拟反向获取膜应力分布，并确定了刚化膜面所需的模量大小和网格尺寸。通过比较该方法获得的应力分布与数值模拟结果之间的微小差异，验证了刚性膜法的准确性。实际工程中的平衡膜形状可以通过激光扫描系统进行扫描和重建，无需任何预处理，而荷载则由水位、内压等因素决定。基于实际膜面形状和水荷载分布，刚性膜法确定了平面膜承受积水试验中的实际应力分布，证实了该方法是一种仅通过膜形状和外部荷载分布就能确定应力分布的实用方法。

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多因素耦合下尾砂胶结充填体强度优化与预测

胡亚飞, 李克庆, 韩斌, 吉坤

2024 (5): 845-856.
doi: 10.1007/s12204-022-2409-6

摘要 ( 25 )

PDF(2252KB) ( 9 )

为解决低温环境下（≤20℃）尾砂胶结充填体强度不稳定问题，开展了多因素影响下尾砂胶结充填体强度优化与预测。采用响应面法进行试验设计，分析了固化温度、砂灰比和料浆质量分数耦合作用下充填体强度的发展规律，并对配合比进行了优化；采用人工神经网络算法（ANN）和粒子群优化算法（PSO），建立了充填体强度预测模型。根据响应面法试验结果，得到了不同固化温度下的最佳配比。固化温度为10 ~ 15℃时，砂灰比最佳配合比为9，料浆质量分数为71%；固化温度为15 ~ 20℃时，砂灰比最佳配合比为8，料浆质量分数为69%。ANN-PSO智能模型能够准确地预测尾砂胶结充填体强度，其平均相对估计误差值和相关系数值仅为1.95%和0.992，可以快速准确地预测不同混合比例下的尾砂胶结充填体强度。

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岩层复合式隧道掘进机中心滚刀和边缘滚刀的荷载特征及优化布置

张康健, 胡哲钏, 张志强

2024 (5): 857-875.
doi: 10.1007/s12204-022-2532-4

摘要 ( 21 )

PDF(7928KB) ( 7 )

全断面隧道掘进机的滚刀布置直接影响其掘进效率。中心滚刀的旋转直径较小，且采用双刃设计，导致其破岩机理和受力特征与单刃滚刀有显著差异。边缘滚刀安装在刀盘的过渡弧上，安装倾角的存在使其运动和受力复杂。以砂岩为研究对象，基于三维颗粒离散元法，分别建立复合式隧道掘进机中心滚刀群和边缘滚刀群的复合破岩模型。全尺寸旋转切削室内试验结果验证了数值模型的正确性。研究了单滚刀的受力特征、相邻滚刀间岩石裂缝的扩展、刀盘的整体力学性能、双刃中心滚刀的载荷特征和布置形式、以及边缘滚刀的安装倾角范围。结果表明：十字形中心滚刀布置可以减少单刀圈的受力和刀盘的整体载荷，有利于隧道掘进机掘进的稳定。建议岩层复合式隧道掘进机的双刃中心滚刀采用十字形布置。为提高刀具的稳定性和使用寿命，建议岩层复合式隧道掘进机最内侧边缘滚刀的安装角度约为9º，最外侧边缘滚刀的安转角度不应超过70º。

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隧道掘进机刀盘主要参数抗损伤抗裂纹设计方法

朱晔, 陈向禹

2024 (5): 876-888.
doi: 10.1007/s12204-022-2520-8

摘要 ( 19 )

PDF(2755KB) ( 4 )

在隧道掘进机刀盘的实际使用过程中，盘体的疲劳失效较为严重。针对隧道掘进机刀盘的极端使用环境和复杂结构导致刀盘过早失效的问题，结合以往的隧道掘进机刀盘失效数据，建立了一种计算空间裂纹扩展的方法。在隧道掘进机刀盘本身结构的基础上，研究了加筋板的形状和参数对裂纹扩展阻力的影响规律，进而提出了隧道掘进机刀盘的抗损伤和抗裂纹方法。研究结果为隧道掘进机刀盘结构设计提供了依据和方法。

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钢筋混凝土梁格支撑的交叉连接砖砌体填充墙板的受弯性能

BAYOUMI EL-Said Abd-Allah1, 2∗, MAHMOUD Mahmoud Hassan3, ARIF Mohammed1, 4

2024 (5): 889-899.
doi: 10.1007/s12204-022-2404-y

摘要 ( 23 )

PDF(3708KB) ( 6 )

对墙上、墙下由钢筋混凝土梁格支撑的交叉连接砖砌体填充墙板的受弯性能进行了试验研究。实验方案由6个墙面系统组成。研究了下梁相对于墙的刚度变化和主墙的几何形状的影响。从测试结果来看，下梁格栅深度的增加减小了挠度，导致墙体承载能力的增加；主墙的刚度对横墙的挠度和破坏荷载也有影响。

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响应面法优化活性粉末混凝土的强度性能

SAKTHIESWARAN N. a, MOORTHY N. b, RENISHA M. a, CHINNADURAI M. c

2024 (5): 900-908.
doi: 10.1007/s12204-023-2612-0

摘要 ( 27 )

PDF(595KB) ( 4 )

本研究的主要目的是通过响应面法设计实验方法优化活性粉末混凝土的新拌和强度性能。该活性粉末混凝土利用超细矿渣等工业副产物替代混凝土，加入粉煤灰和再生混凝土粉末部分替代石英砂。28天的养护期后共考虑了4个响应，即坍落度、抗压强度（C-28）、弯曲强度（F-28）和劈裂抗拉强度（S-28）。活性粉末混凝土的统计研究包括回归建模、正态概率图、曲面图分析和过程变量优化。对考虑的响应（坍落度，C-28，F-28和S-28）进行回归模型检验。采用方差分析（ANOVA）和帕累托图来确定过程变量的统计显著性。通过曲面图分析研究各变量对响应的影响。通过优化响应得到变量相对于响应的最优比例。所得回归方程为二阶多项式方程，强度性能的预测结果与实验结果基本一致。方差比例的差异表明，只有0.43%、6.42%、5.15%和9.7%的偏差不能通过分析来表达。ANOVA和帕累托图反映了滑塌响应线性项和强度响应双向交互项的高显著性和适合性。优化响应结果表明，再生混凝土粉末和粉煤灰的最优配比分别为19.15%和7.02%。

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压头半径对岩石点荷载试验影响的数值仿真研究

王智1, 欧阳义平1, 杨启1, 2

2024 (5): 909-918.
doi: 10.1007/s12204-023-2583-1

摘要 ( 19 )

PDF(2604KB) ( 5 )

为探明点荷载试验中压头半径对试验结果的影响，采用基于平直节理接触的离散元模型进行数值仿真研究。研究结果表明：基于平直节理的离散元模型能够准确呈现岩石在点荷载作用下的破坏过程和尺寸效应；在不同半径的压头加载作用下，岩样破坏形式均为竖向劈裂破坏，且压头半径越大，破坏面积越大；岩样点荷载强度的测量值随着压头半径的增大而增大，服从幂函数关系。研究结果可为点荷载试验中压头的选择、机械破岩中刀具的设计提供理论依据。

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双排桩桩间土加固影响的有限元分析

聂东清1, 翟之阳1, 张威1, 李志2

2024 (5): 919-929.
doi: 10.1007/s12204-022-2501-y

摘要 ( 24 )

PDF(1562KB) ( 11 )

双排桩支护系统在中国深基坑工程中得到了广泛的应用。在软土地基地区，常对前后排桩桩间土进行改良，以减小双排桩的位移，但其改良效果研究较少。以某大深基坑为例，通过有限元分析与监测结果对比，讨论了前后排桩桩间土体改良的效果。在此基础上，采用考虑土体小应变的有限元法进行了双排桩参数化研究，探讨了前后排桩桩间改良土体的效果。结果表明：改良前后排桩桩间土后，桩身挠度和弯矩减小。同时，改善开挖水平周围的前后排桩桩间土是减小桩身挠度和弯矩的最有效途径。在桩顶以下2~4 m处进行前后排桩桩间土改良对减小桩挠度作用不大，在桩位移限制不是很严格的情况下可以消除。

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干密度及含水量对膨润土膨胀过程影响的机理解释

李晓月1, 郑新江2

2024 (5): 930-939.
doi: 10.1007/s12204-023-2668-x

摘要 ( 27 )

PDF(1148KB) ( 9 )

膨润土的膨胀过程对于判断膨胀完成所需时间、评估工程安全和组织施工计划至关重要。影响膨胀过程的因素很多，其背后机理尚需明确解释。本文通过一维自由膨胀试验和常体积膨胀压试验，研究了商用膨润土在不同浓度盐溶液中的膨胀过程。用双曲线模型拟合了膨胀随时间变化的曲线，并提取了两个参数以定量反映膨胀速率和最终膨胀应变或膨胀压。试验结果表明：最终的膨胀应变或膨胀压是由膨润土的膨胀能力决定的，而膨胀速率则受土体膨胀能力和渗透性的耦合影响。通过考虑膨胀过程中孔隙结构的变化过程，将不同因素对膨润土膨胀过程的影响机理统一为对土体渗透性和膨胀能力的影响。所提出的机理也可以合理地解释现有文献中初始含水量的影响。本文从孔隙结构角度揭示的膨胀过程影响机理，为分析膨润土的膨胀过程提供了合理的理论依据。

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预应力矩形钢管混凝土简支梁的自振特性

叶俊贤, 黄维璇, 李四平

2024 (5): 940-944.
doi: 10.1007/s12204-023-2617-8

摘要 ( 22 )

PDF(835KB) ( 11 )

基于D'Alembert原理推导了新型部分填充混凝土的预应力矩形钢管混凝土梁动力学控制方程，并求解得到了预应力矩形钢管混凝土简支梁动力特性的解析结果。同时应用ABAQUS软件建立有限元模型进行了仿真分析。结果表明，理论公式计算的预应力矩形钢管混凝土简支梁的自振频率和振型是可靠的，不同的预应力水平下一阶频率较有限元结果相对误差均在6%以内。进一步采用理论公式进行了预应力参数分析，其中预应力水平、布筋偏心距和预应力筋抗拉刚度等因素对自振频率均有不同程度的影响，为预应力矩形钢管混凝土梁动力设计提供了理论依据。

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