华南理工大学学报(自然科学版)

内置高强钢管的圆钢管混凝土柱轴压性能试验研究

吴波叶文杰

2020, 48(4): 1-8. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190502

摘要 ( 400 )

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开展了 12 根内置高强钢管的圆钢管混凝土柱的轴压试验，考察了内钢管屈服强度、内外钢管净距、内钢管取钢率、废旧混凝土块体取代率等因素对柱轴压性能的影响。研究表明: 在总用钢量基本不变的情况下，通过适当减薄外钢管并在其内部设置高强内钢管，可使圆钢管混凝土柱的轴压承载力明显提高，同时柱的初始刚度也有所提高; 适当增大内外钢管净距，可使柱的轴压承载力进一步增大; 内钢管取钢率的改变以及废旧混凝土块体的采用，对该类柱的轴压行为影响不大; 针对该类柱提出的改进的轴压承载力计算方法具有很好的预测精度。

重放方式对老年人语言清晰度评价的影响

彭健新赵磊蒋燕梅

2020, 48(4): 9-14. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.180627

摘要 ( 317 )

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在不同混响时间、不同信噪比、不同噪声方位角条件下，通过对 60 岁以上老年人的听音评价，探讨扬声器重放和耳机重放方式对老年人语言清晰度的影响，并与听力正常的年轻人得到的结果进行对比。结果表明: 采用扬声器重放得到的汉语语言清晰度得分比采用耳机重放得到的汉语语言清晰度得分略高，但两种重放方式下的汉语语言清晰度得分无显著性差异; 老年人在两种重放方式下的得分差异比年轻人的得分差异略高; 采用人工头录音再通过耳机重放由老年人进行室内汉语语言清晰度评价，得到的结果与直接在厅堂现场评价得到的结果基本一致。

基于三维离散元的大直径钢圆筒下沉侧摩阻力

丁小彬施钰陈俊生

2020, 48(4): 15-27. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190454

摘要 ( 389 )

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基于三维离散元方法 (DEM)，采用颗粒流程序 (PFC3D) 对大直径钢圆筒在砂土中的贯入过程进行了数值模拟分析。分别建立了基于离心机原理的缩尺模型和调整细观参数的足尺模型，分析了圆筒贯入过程中的侧壁摩阻力分布以及土颗粒间的接触关系。将数值结果与理论值、相关试验现象进行对比，验证了离散元模型的有效性。通过进一步的参数分析，研究了不同细观参数对侧摩阻力的影响。研究发现: 与桩的贯入机制不同，大直径钢圆筒下沉过程中几乎没有土塞效应; 内侧摩阻力接近总侧摩阻力的一半，侧摩阻力均存在侧阻疲劳效应; 与缩尺模型相比，调整细观参数的足尺模型有更高的计算效率; 细观参数与宏观反应存在密切联系。

深埋巷道地应力特征及优化支护设计

陶文斌, 陶杰, 侯俊领, 等

2020, 48(4): 28-37. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190517

摘要 ( 472 )

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针对深部巷道地质环境复杂及围岩变形剧烈、巷道变形量达数百毫米的现状，提出以地应力测量为前提、测力锚杆全程监测为基础、高预紧力全长锚固技术为核心、通过数值模拟加以修正的动态支护优化设计方案。以淮南潘三煤矿 1621(1)工作面运输巷道为例，采用应力解除法对地应力进行实测，在巷道关键位置安装测力锚杆实时监测并记录锚杆轴力，结合数值模拟对优化前后的支护方案进行对比。结果表明，深部巷道以水平应力为主，随着巷道掘进方向与最大水平主应力方向夹角的增大和主应力差的增加，巷道变形迅速增大; 采用现有全长锚固支护时施加的预紧力较低，巷道浅部顶板变形剧烈，未能发挥全长锚固的优势; 采用高预紧力结合全长锚固优化支护来提高围岩的抗变形能力，改善围岩特性，增加围岩有效应力，可减小巷道变形，优化支护效果比较显著。

不锈钢丝网多孔材料的孔隙特征及渗透性能分析

周照耀卢煌军王郡文

2020, 48(4): 38-44. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190447

摘要 ( 562 )

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采用 304 不锈钢丝网为原材料，经过卷绕、压制、轧制、真空烧结工艺，制备了不锈钢丝网多孔板，利用扫描电镜观察板材形貌，分析了金属间的连接及孔隙的形成，获得了不锈钢丝网多孔材料的孔隙大小、孔隙分布及孔隙率。以改进的达西定律为依据，设计了一套检测多孔板渗透性能的装置，利用粘性渗透系数和惯性渗透系数作为多孔板的空气渗透性能指标，评价了不锈钢丝网多孔材料的渗透性能，确定了孔隙率对不锈钢丝网多孔材料渗透性能的影响规律。研究表明，不锈钢丝网多孔板孔隙分布均匀，金属骨架连续，孔隙大约在 0 ～60μm 之间，孔隙率在 20% ～40% 之间，其渗透性能和孔隙率、厚度有着密切的关系，孔隙率越大、厚度越小,其气体渗透性能越好。

基于稀疏算法的大型转子多工况轴心轨迹提纯

郭明军, 李伟光, 杨期江, 等

2020, 48(4): 45-53. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190622

摘要 ( 292 )

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针对转子直接合成的轴心轨迹杂乱无章的问题，提出一种基于稀疏分解理论的故障特征频率提取算法 (简称稀疏算法)，该算法结合旋转机械的信号特征，采用余弦波模型构建过完备字典集，并采用匹配追踪算法求解稀疏系数。采用该算法对受高斯白噪声污染的仿真轴心轨迹进行提纯，得到和理想轴心轨迹几乎完全相同的结果，验证了算法的有效性。最后，将所提出的稀疏算法用于提纯大型滑动轴承试验台主轴升速过程中各工况下的轴心轨迹，成功识别了转子对应的故障类型，并结合动压润滑理论及主轴位置变化规律对故障原因进行了分析。

基于 Chebyshev 零点多项式区间不确定的可靠性拓扑优化设计#br#

苏海亮, 兰凤崇, 贺裕雁, 等

2020, 48(4): 54-64. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190275

摘要 ( 379 )

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传统的结构拓扑优化分析和设计都是基于特定参数确定性的物理模型。然而，在实际的结构设计中存在着广泛的不确定性，这种不确定性严重影响结构的物理性能。文中基于多椭球凸模型的非概率可靠性来量化结构参数的变化，研究存在不确定但有界的参数的连续体结构的拓扑优化问题。首先，建立变量具区间不确定性的可靠性拓扑优化模型，以结构设计区域质量最小为目标函数; 然后，根据可靠性指标的几何意义，应用非概率模型寻求满足目标可靠性指标约束的设计点; 在此基础上，应用区间 Cheby-shev 零点多项式逼近归一化随机变量的真实极限状态函数，并利用单环可靠性算法计算相应目标可靠性指标下的最佳设计点值，从而使得非概率可靠性优化问题可以转化为确定性优化问题。两个数值例子说明了方法的有效性。结果表明，与确定性的结构拓扑优化设计相比，考虑变量随机性的可靠性拓扑优化能够获得更加可靠的拓扑结构。

基于增强响应灵敏度法的分数阶系统参数识别

刘广刘济科吕中荣

2020, 48(4): 65-72,94. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190117

摘要 ( 892 )

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与整数阶微分算子相比，分数阶算子可以更加准确地描述系统的某些特性，如遗传和记忆功能。为了更加准确和高效地求解分数阶系统，文中首先提出了一种基于Adams 离散和 Newmark-β 法的数值方法来获得系统的响应。对于分数阶系统的参数识别反问题，将其归结为一类非线性的优化问题，然后采用增强响应灵敏度法对识别方程进行求解。算例表明，文中提出的正问题计算格式可以快速、准确地得到系统的响应，增强响应灵敏度法能准确识别出系统的参数，并且对模拟的测量噪声不敏感。

四元共聚热塑性聚酰亚胺的合成与表征

曹贤武, 韦创, 何光建, 等

2020, 48(4): 73-79. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190724

摘要 ( 506 )

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为了提高聚酰亚胺的热塑性，制备兼具优异热塑性与耐热性的聚酰亚胺材料，以均苯四甲酸二酐 (PMDA) 与 3, 3', 4, 4'-联苯四羧酸二酐 (s-BPDA) 为二酐、4,4'-二氨基二苯醚 (ODA) 与 2,2'-二［4-(4-氨基苯氧基)苯基］丙烷 (BAPP) 为二胺，通过两步法成功制备了一系列四元共聚热塑性聚酰亚胺，并研究了刚性联苯基团与柔性单体、侧甲基的协同作用对聚酰亚胺材料性能的影响。利用 FTIＲ、XRD、DMA 和 TGA 等测试手段对材料的分子结构、热塑性和耐热性等进行了表征。结果表明: 该系列四元共聚聚酰亚胺具有良好的热塑性与耐热性，其中当二酐与二胺的摩尔分数比 (PMDA ∶s-BPDA∶ ODA ∶ BAPP) 为 70 ∶ 30 ∶ 70 ∶ 30 时，该材料表现出优异的热塑性和耐热性，同时在非质子极性溶剂中表现出较好的溶解性，极大地提高了聚酰亚胺在溶剂或熔融状态下的加工性能。

IRMOF- 3 接枝柠檬醛的合成与抗菌性能

苏健裕, 管靖玮, 方立明, 等

2020, 48(4): 80-86. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190588

摘要 ( 572 )

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由于耐药菌的增加与新药研发进度的缓慢，需要开发新的抗菌替代物。柠檬醛是一种天然广谱抗菌剂，但其稳定性和适用性欠佳。金属有机框架材料比表面大，其金属离子可抗菌、有机配体官能团丰富。鉴于此，文中采用醋酸锌法合成带有氨基的纳米级金属有机框架材料 (IRMOF-3) 颗粒，并在其表面接枝柠檬醛 (IRMOF-3-C)。傅里叶红外光谱与电喷雾质谱分析表明，柠檬醛与 IRMOF-3 形成了具有酸响应的席夫碱键。抗菌实验结果显示，和柠檬醛、IRMOF-3 相比，IRMOF-3-C 对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌和杀菌性能均显著提高，表现出较好的抗菌性与稳定性。

铜基超疏水表面的制备及防腐蚀特性

蒋翔, 田蒙蒙, 雷瑜, 等

2020, 48(4): 87-94. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190569

摘要 ( 1572 )

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针对铜极易被含 Cl^－溶剂腐蚀的问题，以 NaOH 和( NH₄ )₂S₂O₈ 的混合水溶液为氧化剂、十七氟癸基三甲氧基硅烷 ( FAS-17) 为低表面能改性剂，在铜表面制备得到超疏水涂层。利用 X 射线衍射 ( XＲD) 、扫描电子显微镜 ( SEM) 、X 射线光电子能谱( XPS) 对涂层表面的结构、形貌及组成进行了表征，通过 Tafel 极化曲线和 EIS 谱图分析了样品在 3. 5% ( 质量分数，下同) NaCl 溶液中的防腐蚀特性。结果表明: 浸渍10 min 的铜表面生长出了致密均匀的 CuO 纳米线结构; 化学改性后表面的水接触角( CA) 大于 160°，滚动角 ( SA) 小于 3°。相比裸铜基板，生长有超疏水 CuO 纳米线结构的表面表现出较低的腐蚀电流密度 ( I_corr= 3. 285 × 10^-6 A/cm² ) ，抑制腐蚀的效率达到 99. 65% ，而且在 3. 5% NaCl 溶液中浸泡 6 d 仍保持超疏水性。与当前使用缓蚀剂抑制铜腐蚀的方法相比，文中方法更加环保且廉价。

内锥旋流器的流场特性及颗粒分级性能分析

应锐, 蒋劲, 李燕辉, 等

2020, 48(4): 95-103. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.180623

摘要 ( 434 )

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內锥旋流器 ( ICH) 是一种锥段结构倒置的新型旋流器，目前主要用于液－液的相分离。为了探索用 ICH 进行颗粒分级的可行性，通过雷诺应力湍流模型与 Eulerian双流体模型耦合 (RSM + TFM) ，构建 ICH 和常规旋流器的气－液－固三相流场，从流场压降、速度分布、颗粒运动行为以及分离效率 4 个方面进行对比分析。模型有效性的验证结果显示: 文中构建的 CFD 数值模型与相关的实验结果吻合度较高，对切向速度、轴向速度以及分离效率的预测可靠。研究结果表明: 与常规旋流器相比，ICH 的流场压降更低，有利于减少分离作业的能耗，但也导致其离心力场强度处于较低水平; 另一方面，ICH 对粗颗粒的分离效果较好，溢流输出的细化产物质量较高，而对细颗粒的回收能力较差，底流流失的细颗粒数量较多。

高速公路连续长下坡路段大型货车专用缓速车道研究

张驰, 胡涛, 林宣财, 等

2020, 48(4): 104-113. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190341

摘要 ( 518 )

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为降低大型载重货车的下坡风险，提升我国高速公路连续长下坡的行车安全性，研究了连续长下坡路段货车专用缓速车道。分析了大型货车在发动机辅助制动下坡时的行驶特性，基于货车制动毂温度和速度特性，提出长下坡路段应在必要时增设货车专用缓速车道。以六轴铰接列车为设计主导车型，从铰接列车下坡安全性入手研究了缓速车道的架构体系，明确了缓速车道的设置方法，提出了包括渐变段、缓冲区和稳速区等在内的车道架构及其线形指标，分析了缓速车道的合理限速值以及推荐挡位。最后以G5 京昆高速某长大下坡为例，通过多种通行方式下的货车制动毂温升数值模拟，对比验证了缓速车道的安全通行性。结果表明: 相较于自由流速度下坡和分车道限速下坡，设置缓速车道后坡底制动毂温度分别降低了 114 和 79 ℃，降温幅度分别达到 32. 9% 和 25. 3% ，且缓速车道路段内最高温度低于安全临界温度，表明在连续长下坡内增设缓速车道可显著缓解制动毂温升态势，降低货车制动失效概率。

数据不完备下基于特征识别的公交客流短时预测

方晓平, 林美, 陈维亚, 等

2020, 48(4): 114-122. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190465

摘要 ( 354 )

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识别公交客流特征是提高短时预测质量的关键。但由于设备故障、数据收集受限等原因，客流数据属性往往是不完备的，这给特征识别和客流预测带来了挑战。文中以缺少乘客属性数据的长沙市 104 路公交卡数据为样本，利用卡号与出行时间的关联性识别乘客出行频次，以此作为区分出行特征的变量，将客流总集划分为不同的特征子集，依据子集规模、方差确定变量最佳取值，推断客流特征。与直接预测客流总集相比，文中为每类子集建立季节性差分自回归滑动平均 ( SARIMA) 模型分别进行预测，整合后得出的样本外平均绝对误差改善了 36. 11% ，依据乘客出行特征建立的预测模型拟合度为 0. 95，可有效识别公交客流特征。

自动驾驶环境下的路网混合流量日变模型

田晟, 许凯, 朱泽坤, 等

2020, 48(4): 123-131. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190413

摘要 ( 289 )

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为研究自动驾驶车辆投放对路网流量演化的影响，建立了包含传统车辆和自动驾驶车辆的混合流量日变模型。分析两类流量不同的演化目标，采用前景理论描述传统车辆出行者的出行行为，以路径前景值最大为目标建立传统车辆流量日变模型，以路径的边际阻抗最小为目标建立自动驾驶流量日变模型，最后通过算例模拟路网混合流量的逐日演化过程。结果表明: 传统车辆与自动驾驶车辆流量达到稳定的时间及演化的趋势显著不同，两者相互影响并构成混合流量演化; 自动驾驶车辆比例越高，系统总时间就越少，不同比例下路径流量演化为不同的稳定状态; 流量转移阈值影响混合流量的稳定条件，且其稳定状态不同于无阈值情况; 自动驾驶车辆会影响短期事件发生前后的流量分布。

基于图像配准与融合的胎 /路接触应力测试方法

陈搏, 张肖宁, 虞将苗, 等

2020, 48(4): 132-141. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190459

摘要 ( 489 )

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提高路面抗滑性能是解决道路交通安全问题的关键，而轮胎与路面粗糙构造的接触行为本质上是接触力学问题。为获得轮胎与粗糙路面的完整接触应力信息，文中采用柔性薄膜压力胶片传感技术，并借助医学图像处理技术，提出一种基于图像配准与融合的胎/路接触应力测试方法，并进行了配准与融合效果评价、适应性分析。结果表明:基于轮胎与路面的接触印痕的双目标特征，采用进化算法可以解决多规格胶片图像配准收敛与最优解问题; 文中提出的动态参考图像配准 ( DRIＲ) 算法具有较高的配准精度和运算效率，在不同沥青路面均具备良好的适应性，路面的接触应力集中分布指标相对误差可控制在 5% 以内。文中测试方法操作简单、测量精度高、数据三维直观，为轮胎接地特性与路面抗滑性能研究提供了一种新的技术手段。

混有网联车队的高速公路通行能力分析

常鑫, 李海舰, 荣建, 等

2020, 48(4): 142-148. doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190371

摘要 ( 416 )

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智能网联环境下车辆跟车间距减小，连续行驶的网联车辆可以组建为柔性车队，车队内车辆可以保持更小的车头间距行驶，进而有效提高道路通行能力。文中针对高速公路基本路段传统车辆和网联车辆混行交通流，提出了交通流稳态条件下 4 种可能的车辆跟驰特性及其空间分布概率，进而建立了高速公路基本路段的基本图模型和车辆换算系数 ( PCE) 计算方法，并进行了网联车辆渗透率和车队规模等参数的敏感性分析。研究结果表明，网联车辆渗透率的提高和车队规模的增加有利于提升通行能力和减小车辆换算系数，且网联车辆渗透率越大正面影响愈明显。另外，当车队规模大于4后，车队规模的增加对通行能力的提升和换算系数的降低作用明显减弱。

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