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2022, 43(5):449-460. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05001
摘要:结构保护法、保护层法、防护层材料法、电化学保护法和介质处理法等是金属防腐蚀的主要方法,在诸多缓蚀方法中,防护层材料法是一种经济高效且广泛使用的防腐方法。环氧树脂是一种高效的防护层材料,需经过常温固化或加热固化后使用。然而,其固化过程存在的微孔会弱化环氧涂层的耐蚀性。将纳米材料加入环氧树脂中形成环氧树脂复合涂层,可填补环氧涂层中的微孔,提升环氧涂层的防腐效率。首先,详细讨论了影响纳米材料/环氧复合涂层耐蚀性能的因素,探讨了纳米材料/环氧复合涂层的防腐机理。其次,简要介绍了用于环氧涂层的2种纳米材料(石墨烯和金属有机框架材料),总结了石墨烯和金属有机框架材料的改性和修饰方法。最后,从树脂成分、填料成分、机理探究以及开发自愈合涂层等方面对纳米材料/环氧复合涂层应用存在的问题和发展前景进行了展望,提出纳米材料/环氧复合涂层是一种长期防护金属免受腐蚀的方法,未来应致力于研发用于环氧涂层的二维和三维材料。
2022, 43(5):461-472. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05002
摘要:针对现有单行星排混联式混合动力汽车存在的功率循环问题,以提高整车动力性和经济性为目标,提出了一种结合自动离合器、自动制动器和减速齿轮副的新型单行星排混联式混合动力构型。对关键总成参数进行匹配和对行星排齿轮结构进行设计,基于ANSYS进行强度分析;以发动机燃油经济性最佳为目标控制策略,基于AVL Cruise和MATLAB/Simulink/Stateflow搭建联合仿真平台,对整车动力性和经济性进行验证。结果表明,与现有行星排混联式混合动力构型相比,采用新构型汽车的最高车速提高了3.8%,0~100 km/h加速时间缩短了7.64%,最大爬坡度提高了18.09%,WLTC工况下100 km综合油耗降低了14.88%。使用新构型能消除功率循环,有效提高整车动力性和经济性,可为其他混合动力构型设计提供参考。
2022, 43(5):473-480. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05003
摘要:针对目前Stewart平台位姿正解难以兼顾高精度和实时性的问题,设计出满足平台精度要求且运算时间尽量少的正解方法是研究并联平台运动学的关键。首先建立平台运动学反解模型求得BP神经网络(BPNN)的训练集,然后调整步长策略和引入惯性权重改进天牛须搜索算法(improved BAS,IBAS),提升算法性能,通过改进后的算法优化BP神经网络的初始权阈值,反复学习训练至最小误差,最后选取一段位姿变化进行仿真验证。仿真结果表明,IBAS-BPNN正解法在选取的100组位姿点中的最大位姿误差小于0.6%,运算时间为31.9 s,通过与遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)和天牛须搜索算法(BAS)优化的BP神经网络模型进行对比分析,验证了IBAS-BPNN模型在精度和运算速度方面具有优越性。算法模型有效提升了Stewart平台位姿正解的精度和实时性,为平台的运动学和控制提供了理论和方法参考。
2022, 43(5):481-494. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05004
摘要:为提高传统六边形蜂窝结构的抗冲击特性,基于仿生学原理,考虑层级因子的影响,在六边形蜂窝基础上提出了一种形内自相似层级类蜂窝结构。以比吸能(SEA)、初始峰值力(PCF)、载荷效率(CFE)为冲击特性评价指标,根据简化的超折叠单元理论建立一种理论模型,对类蜂窝结构的冲击特性指标进行预测,在此理论模型基础上,研究了胞元壁厚t、胞壁长度l以及胞元数目n对类蜂窝结构面外冲击平均压缩反力和比吸能的影响。结果表明,在等相对密度条件下,比吸能及载荷效率随着层级的升高而提升,其中,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升21%和40%,比吸能分别提升11%和28%;在等壁厚条件下,随着层级的提升,初始峰值力明显提高,但是比吸能及载荷效率的提升更为显著,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升77%和115%,比吸能分别提升72%和116%。所提理论模型能有效预测类蜂窝结构能量吸收性能参数,可为蜂窝结构冲击动力学研究提供理论参考。
2022, 43(5):516-527. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05007
摘要:针对医用缝合针缝合过程产生的刺穿阻力会对软组织造成损伤且刺穿阻力越大损伤程度越高的问题,提出了低阻力医用缝合针仿生模型。以鼠李科植物酸枣树(Ziziphus jujube)钩刺为仿生原型设计针尖锥度/半径、针体曲率等,并在针体表面设置竖条纹凹槽,形成仿生低阻力医用缝合针;采用LS-DYNA软件与库伦摩擦模型进行仿生低阻力医用缝合针刺穿皮肤软组织过程的数值模拟。结果显示,竖条纹凹槽针体可使仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针的刺穿阻力降低34.24%~58.48%,仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针的刺穿阻力降低30.26%~49.86%;采用数控精细加工技术制备仿生低阻力医用缝合针并进行功效测试,其刺穿带皮猪肉过程的刺穿阻力可降低43.02%。研究结果明确了医用缝合针形貌结构特征对刺穿阻力的影响规律,为低阻力医用缝合针仿生设计提供了理论参考。
2022, 43(5):528-537. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05008
摘要:针对数字化主动电网中电力实体行为复杂化、攻击手段隐蔽化等问题,提出了一种基于模糊聚类的多类别归属异常检测算法。首先,对电力实体行为相似性的度量方式进行优化,并基于优化后的度量方法构建模糊聚类算法,通过多次迭代得到实体行为对应各类别的隶属度矩阵;其次,根据类别软划分隶属度矩阵,分别计算实体在各个类别内的近邻距离、近邻密度与近邻相对异常因子等参数;最后,分析实体在各类簇内的相对异常情况,判断该电力实体行为是否属于异常行为。结果表明,与LOF,K-Means和Random Forest算法相比,新方法具有更高的异常行为检出数量和更优的异常检测评价指标,解决了传统异常检测算法样本评价角度单一的问题,进一步提高了数字化主动电网抵御未知威胁的能力。
2022, 43(5):495-504. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05005
摘要:为了拓展分数阶微分方程边值问题的基本理论,研究了共振情形下double-order Hilfer分数阶微分方程在Riemann-Stieltjes积分边界条件下解的存在性。首先,构造2个合适的Banach空间;然后,在Banach空间中定义恰当的算子并使用Mawhin重合度理论,获得double-order Hilfer分数阶共振边值问题解的存在性;最后,通过例子验证结果的正确性。结果表明,在合适的Banach空间中,double-order Hilfer分数阶共振边值问题的解具有存在性。采用Mawhin重合度理论方法研究double-order Hilfer分数阶共振边值问题解的存在性,扩展了微分算子阶数的取值范围,丰富了分数阶微分方程的可解性理论,为微分方程在空气动力学、经济学、控制理论等领域的应用提供了理论参考。
2022, 43(5):505-515. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05006
摘要:为了丰富分数阶(p,q)-差分方程边值问题的基本理论,研究了一类非线性分数阶(p,q)-差分方程非局部问题的可解性。首先,计算线性分数阶(p,q)-差分方程边值问题的Green函数并研究其性质;其次,运用基于定义在有序集上增的ψ-(h,r)-凹算子的不动点定理,证明分数阶(p,q)-差分方程解的存在唯一性定理;再次,通过选取初值,构造单调迭代序列,获得边值问题的唯一迭代解;最后,给出实例,验证本文研究结果的正确性。结果表明,在赋予非线性项f一定的条件下,非线性分数阶(p,q)-差分方程具有唯一非平凡解。研究结果拓展了分数阶量子差分方程的可解性理论,可为分数阶(p,q)-差分方程的进一步应用提供有力的理论基础。
2022, 43(5):538-549. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05009
摘要:为了对制革废水中Cr(Ⅲ)进行有效处理,减少制革废水中Cr(Ⅲ)的含量,研究了巯基功能化纤维素气凝胶的吸附作用。首先,以脱脂棉为原料、NaOH/尿素/H2O为溶剂、CS2为改性剂,对纤维素分子中羟基进行功能化改性,经溶剂置换与冷冻干燥制备出巯基功能化纤维素气凝胶材料(CS2-MCC),通过单因素试验及正交试验确定最佳制备条件,并对材料的官能团结构与表面形貌等进行分析;其次,研究了CS2-MCC对Cr(Ⅲ)的吸附能力。结果表明:CS2-MCC的最佳制备条件是CS2用量为0.5 mL/g、硫酸镁用量为20 mL/g、改性时间为6 h、改性温度为40 ℃;CS2-MCC对Cr(Ⅲ)的最大吸附容量为75.792 mg/g,吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir模型,ΔGθ<0,表明CS2-MCC对Cr(Ⅲ)吸附为自发进行的单分子层吸附及化学吸附;经处理后的Cr(Ⅲ)含量降至1.470mg/L,可达标排放。所制备的巯基功能化纤维素气凝胶材料三维网络丰富,吸附性能优异,克服了纤维素基吸附材料多呈现粉末难以循环利用和吸附选择性较差的缺点,可对制革废水中的Cr(Ⅲ)进行有效吸附。
2022, 43(5):550-559. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05010
摘要:为提高交通流预测的准确度,结合城市道路交通的特点,提出一种融合多因素的“时间齿轮”交通流预测模型(TGM),将模型分为2个模块对交通流的影响因素进行特征挖掘。模块1通过深度分析天气因素的影响,挖掘提取天气因素的特征信息;模块2仿照转轴与齿轮的关系,将目标路段及其邻近交叉口各个方向路段的交通流量数据作为时间轴上的轮齿。模型框架采用正反2个方向都加入注意力机制(attention mechanism)的双向门控循环网络(bidirectional gated recurrent unit,Bi-GRU)。结果表明,TGM模型明显优于多种现有模型;与Bi-GRU模型相比,TGM模型对5,15,25 min的预测精度分别提高了4.75%,6.37%和6.73%。因此,TGM模型能够有效提高交通流预测的准确度,具有更优的中长时预测能力,可为交通组织的优化和交通流理论的研究提供帮助。
2022, 43(5):560-570. DOI: 10.7535/hbkd.2022yx05011
摘要:针对目前玻璃纤维增强塑料(glass fiber reinforced polymer,简称GFRP)-木组合梁组合形式单一、材料利用不充分等问题,提出了板型GFRP-木组合梁、槽型GFRP-木组合梁和倒T型GFRP-木组合梁3种组合形式,以GFRP生产工艺、组合截面形式为参数变量,设计制作了6组受弯试验梁并进行了试验。结果表明,GFRP-木组合梁按破坏现象可分为受拉区GFRP和木材被拉断、受压区木材褶皱失稳、组合梁纵向剪切破坏3种;GFRP-木组合梁较基准木梁和基准GFRP梁极限承载力平均提高了67.04%和26.43%,组合效应显著,其中以槽型GFRP-木组合梁的组合效果最优,但处于梁腹部的缺陷对组合梁刚度和强度的削弱不可忽略。研究结果丰富了GFRP-木组合梁的截面形式及制作方式,提升了组合梁的组合效果,可为同类型的工程应用提供参考。