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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/N
创刊于 1915 年 (月刊)
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  • 清华大学学报(自然科学版)
      2017年, 第57卷, 第5期 上一期    下一期
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    机械工程
    基于局部-整体有限元法的薄壁筒焊接变形计算  收藏
    赵海燕, 吴骏巍, 陆向明, 简波, 李宏伟
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 449-453.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.019
    摘要 ( 3 )   HTML    PDF (1549KB)
    焊接变形会对焊接件的应用造成很大影响,进行结构件焊接变形的高精度和高效率预测具有重要的工程意义。该文针对大型薄壁圆筒件,应用局部-整体映射法对其环焊缝的焊接过程进行了有限元分析,得到了3种不同焊接顺序下的筒体变形结果。计算结果表明:相比于环缝一段焊和环缝两段焊,对环缝分成四段焊接情况下圆筒变形量最小,其数值相比于环缝一段焊减少约17%。将局部-整体法计算结果与热弹塑性法和实验方法所得结果进行了对比,三者吻合较好,但局部-整体法的计算用时仅为热弹塑性法的约1/6。
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    陶瓷涂层结合质量的超声斜入射检测  收藏
    韩赞东, 李永杰, 陈以方
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 454-458.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.020
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (1816KB)
    金属基体表面涂覆的非金属涂层可以提高基体的耐腐蚀、耐高温等性能,涂层的结合质量是涂层性能的重要指标。传统的超声透射和反射方法可以实现对涂层脱粘的检测,但是对于非脱粘涂层结合质量的检测较为困难。该文采用超声斜入射反射检测法,对不同结合质量的非金属涂层进行检测,利用频谱分析技术计算得到斜入射非线性系数。检测结果表明:斜入射非线性系数可以反映非金属涂层的结合质量,涂层的脱粘情况可以通过基频的幅值判断,而在非脱粘情况下,斜入射非线性系数越大,则涂层结合质量越差。
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    基于非定常机电转换系数的超磁致伸缩换能器输出振幅模型  收藏
    蔡万宠, 张建富, 郁鼎文, 吴志军, 冯平法
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 459-464.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.021
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (2146KB)
    为实现对超磁致伸缩超声换能器输出振幅的准确预测,由换能器的等效电路推导得到输出振幅模型,并通过阻抗分析辨识出模型中的等效参数。为提高模型的准确性,研究了激励信号的频率和电压幅值对机电转换系数的影响。通过实验建立机电转换系数与激励频率的关系曲线,插值得到不同频率激励下换能器的机电转换系数,由振幅模型得到换能器输出振幅与激励电流幅值的关系曲线。结果表明:基于阻抗分析结果建立的振幅模型能够较准确地预测换能器在谐振状态下的输出振幅,验证了振幅模型的正确性。基于插值法得到的振幅-电流幅值曲线与实验结果一致,验证了所建立的机电转换系数与激励频率之间关系的正确性,提高了振幅模型在不同频率下的准确性。
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    2219-T8铝合金搅拌摩擦焊接头在酸性介质中的腐蚀行为  收藏
    康举, 梁苏莹, 吴爱萍, 王国庆
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 465-470.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.022
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1963KB)
    2219铝合金可作为火箭燃料贮箱的主要结构材料,搅拌摩擦焊是其理想的焊接方法之一。目前对2219铝合金搅拌摩擦焊接头在酸性介质中的腐蚀问题鲜有报道。该文采用极化曲线和浸泡腐蚀实验对2219-T8铝合金搅拌摩擦焊接头在0.5 mol/L NaCl溶液(pH 2)中的腐蚀行为进行了研究,并通过光学轮廓仪分析了腐蚀形貌、腐蚀深度和密度。结果表明:与母材相比,热影响区的腐蚀行为出现了分化,远缝区耐蚀性能下降,而近缝区耐蚀性能提高;热机械影响区和焊核区的耐蚀性能提高。由于母材和热影响区远缝区的腐蚀电位更负,对接头其他区域起到了阴极保护作用。与中性介质相比,酸性介质中主要的阴极反应为析氢反应,降低了接头各区的腐蚀电位和点蚀电位。
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    稳压式变极性焊接电源中的IGBT功率损耗和温升模型  收藏
    杨中宇, 朱志明, 刘博, 汤莹莹
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 471-475,482.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.023
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2316KB)
    在稳压式变极性焊接电源的输出电流极性变换过程中,加载在绝缘栅双极型晶体管(IGBT)上的瞬间脉冲功率损耗可能会使IGBT结温发生突变,可能超过最高结温允许值,进而影响其安全工作。该文利用热-电等效的局部网络模型,导出了在电源给定输出电流和再燃弧电压等参数条件下的IGBT最高结温计算公式,并将计算结果与仿真结果进行对比,证明了导出公式的正确性。分析了主要运行参数对IGBT最高结温的影响,获得了在选定IGBT型号时将其结温控制在安全范围的约束条件,为变极性焊接电源二次逆变电路设计时合理选择IGBT器件和优化运行参数提供了参考。
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    汽车工程
    增程式城市客车能量的分段跟踪优化方法  收藏
    谢海明, 林成涛, 刘涛, 田光宇, 黄勇
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 476-482.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.024
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (1517KB)
    为在保证动力性的条件下提高增程式城市客车的燃油经济性,提出了一种基于电池荷电状态(SOC)消耗管理和功率分配的能量分段跟踪优化方法。该方法通过在每个控制周期内构建一个短期的需求功率预测序列,并设计参考曲线以实现SOC消耗管理的方式,建立了以费用最小为目标的动力系统功率分配的阶段性优化模型。引入模型预测控制方法,滚动优化并调整功率分配策略。基于该方法,一辆12 m增程式城市客车在中国城市公交工况下的100 km油耗为21.8 L,电耗为25.4 kWh,优于CDCS策略的结果(100 km油耗24.1 L,电耗25.4 kWh)。该方法能通过防止SOC在行程中被过早耗尽并使其在行程结束时降到最低,保证增程式城市客车的动力性并提高燃油经济性。
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    枪弹穿甲过程仿真的有限元接触模型与分区并行计算误差特性  收藏
    吕振华, 刘赛
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 483-490.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.025
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1364KB)
    为了提高小口径普通钢芯弹和穿甲燃烧弹侵彻均质钢靶板的仿真分析精度,分析了接触力罚函数算法的接触刚度参数和接触摩擦系数对弹道极限速度计算值的影响,分析了通过不同的并行计算系统得到的弹道极限速度计算值的差异及其统计规律。研究结果表明:多部件间的接触力罚函数的接触刚度参数分别设置与优化方法可以提高弹道极限速度值的计算精度;接触摩擦系数的不同设置值对穿甲燃烧弹侵彻较厚靶板的弹道极限速度计算值有显著影响,需探索多部件间的接触摩擦系数的准确定义方法;由于分区并行计算过程中多个区域的数据交换及参与计算的顺序的随机变化会导致计算结果的不一致,并行计算的弹道极限速度值存在离散性,需在同一入射速度下进行多次重复计算,并基于统计分析确定可靠的弹道极限速度值。
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    基于候选区域选择及深度网络模型的骑车人识别  收藏
    李晓飞, 许庆, 熊辉, 王建强, 李克强
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 491-496.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.026
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (2881KB)
    基于骑车人目标识别的骑车人保护系统是保护道路环境中骑车人的重要手段。该文提出了骑车人目标的候选区域选择方法,并结合基于深度卷积神经网络的目标分类与定位方法,实现了骑车人目标的有效识别。候选区域选择方法可分为3部分:骑车人共有显著性区域检测、基于冗余策略的候选区域生成和基于车载视觉几何约束的候选区域选择。在公开的骑车人数据库上进行的对比试验表明:相对于现有的目标候选区域选择及目标识别方法,该方法显著提升了骑车人目标的识别率及识别精度,进而验证了该方法的有效性。
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    液压混合动力履带推土机行星齿轮传动系统的设计  收藏
    秦兆博, 罗禹贡, 张东好, 陈龙, 李克强
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 497-503.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.027
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (1584KB)
    为提升液压混合动力履带车辆综合传动效率,以履带推土机为例,提出了一种传动系统设计方案。搭建表征行星传动系统动力学特征的矩阵。分别依据物理可行性、系统特性对动力学特征矩阵进行筛选,对比现有履带推土机的直线行驶及转向性能筛选出更优的结构。根据履带推土机典型循环工况,运用全局动态规划方法确定燃油经济性最优结构方案。结果表明:相比于现有的液压传动方案,该方案提升了牵引性能、转向性能及燃油经济性。
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    铝型材防撞梁的碰撞断裂失效表征  收藏
    赖兴华, 王磊, 李洁, 姜亚洲, 夏勇
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 504-510.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.028
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (3566KB)
    作为汽车轻量化的重要材料,铝合金的脆性断裂问题不可忽视。该文以某汽车铝型材防撞梁为研究对象,开展了铝合金静态和动态拉伸、静态剪切、静态缺口、静态拉剪以及穿孔等力学性能试验,获取了铝合金材料在不同应变率下拉伸应力状态的力学特性,以及准静态拉压剪等不同应力状态下的力学属性数据,使用Swift-Hockett-Sherby本构描述铝合金材料应变硬化特性,基于LS-DYNA有限元法模拟对标拉压剪等不同应力状态试验,获得不同应力状态试验的失效单元的应力三轴度和Lode角信息,标定了铝合金材料的修正的 Mohr-Coulomb(MMC)断裂准则。通过铝型材动态三点弯结构试验和模拟,验证了MMC断裂模型对于表征铝合金材料在不同应力状态下断裂失效的有效性。
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    热能工程
    基于大涡模拟的圆管脉动湍流减阻数值分析  收藏
    宁涛, 顾春伟
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 511-515.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.029
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1438KB)
    该文利用商业软件ANSYS-CFX对圆管中的脉动湍流进行了大涡模拟,分析了脉动流的减阻特性和总能耗。文中的脉动流算例包括稳态流主控和振荡流主控两种流态。结果表明:脉动流通过叠加适合的振荡流来改变稳态流的边界层特性,脉动幅值为5.5时得到最佳减阻率为25%;当脉动流的流态由振荡流主控且振荡流分量的边界层为层流时,减阻效果较好;简单正弦形式脉动流的总能耗高于相应的稳态流。
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    航天航空
    组合循环推进系统燃料消耗模型及优化分析  收藏
    计自飞, 王兵, 张会强
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 516-520.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.030
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1332KB)
    根据飞行任务要求,准确计算出飞行器所需的燃料消耗是推进系统设计的前提。该文针对火箭基组合循环动力(RBCC)推进方式,并以“地面起飞—巡航—滑翔着陆”的高超音速飞行器为研究对象,采用理论分析的方法建立了燃料消耗的计算模型,并提出一种以最小燃料消耗为目标的多参数优化方法。周期跳跃式巡航飞行器燃料消耗的研究结果表明:随着巡航初速度、爬升段航迹倾角、巡航轨迹角的增加,燃料消耗量增加;随着飞行动压的增加,燃料消耗量先减小后阶跃式增加。优化分析结果表明:对于起飞质量100 t、2 h全球到达的RBCC组合动力高超音速飞行器,在升阻比为4时巡航跳跃周期数为46,最小燃料消耗量约为32 t。研究结果表明该燃料消耗分析方法合理、可行,为高超音速飞行器及组合循环动力推进系统的工程设计提供了依据。
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    工程物理
    高计数率下的实时梯形成形算法  收藏
    黄宇雁, 宫辉, 李荐民
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 521-524.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.031
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (1123KB)
    针对常见的指数型核脉冲信号,研究了高计数率下的梯形成形算法,特别针对计数率增大所带来的堆积问题进行了研究。提出了一种利用反卷积定位信号到达时刻的算法,有效提升了对堆积脉冲的识别能力,降低了堆积效应对能量分辨率的影响。结合上位机中用LabVIEW编写的采集软件,搭建了一套完整可靠的脉冲幅度分析系统,将梯形成形、堆积判别、能谱构建等一系列功能在现场可编程门阵列(FPGA)中实时实现。将该系统实际应用于使用硅漂移探测器的X射线衍射仪上,获得了良好的结果,在1.8×105 cps(每s计数)的条件下,所得能量分辨率达2.46%。
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    介质尺寸对水中γ射线吸收剂量累积因子的影响  收藏
    李华, 赵原, 刘立业, 肖运实, 李君利
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 525-529.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.032
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1670KB)
    目前所使用的累积因子是在无限大介质模型下计算得到的,与现实模型差异较大。为了提高累积因子在实际计算中的精度,基于Monte Carlo方法和圆柱模型对水中的γ射线吸收剂量累积因子随介质尺寸的变化进行了研究。结果显示:水中的累积因子值会随着圆柱半径的变大而先增大,后趋于稳定。其在趋于稳定值时对应的圆柱半径数值与能量和介质厚度无关,仅与点源和测量点到介质表面的距离有关。在累积因子达到稳定值之前,其大小随圆柱半径的变化较大,在一定自由程数范围内符合线性变化规律,并且随着介质厚度的增大,符合线性规律对应的自由程数范围也会增大。该研究可为使用点核积分方法进行屏蔽设计时分析计算误差提供参考。
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    核能与新能源工程
    竖直管道内强迫循环下非凝性气体对蒸汽冷凝的影响  收藏
    马喜振, 贾海军, 刘洋
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 530-536.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.033
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (1336KB)
    非凝性气体对蒸汽冷凝具有重要影响作用,能够大大增加蒸汽冷凝过程的传热热阻,减小传热系数。为研究非凝性气体对竖直管道内蒸汽冷凝的影响,基于Nusselt理论建立了强迫循环条件下蒸汽冷凝的传热传质类比模型。将模型的计算结果与实验数据进行了对比,结果表明:模型能够准确地预测竖直管道内蒸汽冷凝传热系数。模型中非凝性气体为空气,空气的入口质量分数对蒸汽冷凝传热系数具有较大影响。当入口空气的质量分数从8.73%到 22.45% 变化时,入口处冷凝传热系数从4.8 kW/(m2·K)到1.2 kW/(m2·K)变化,且沿着管道轴向冷凝传热系数逐渐减小。当入口温度从100 ℃到140 ℃变化时,传热系数逐渐减小。该研究表明非凝性气体的种类、质量分数和入口温度为影响蒸汽冷凝传热的重要因素。
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    空间反应堆Brayton循环的热力学特性  收藏
    李智, 杨小勇, 王捷, 张作义
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 537-543,549.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.034
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (2013KB)
    地面Brayton循环系统具备高效、紧凑的特点,经过优化后,可适用于空间反应堆。该文利用Fortran语言对空间Brayton循环进行数学建模,以循环工质为基础对系统进行改进,对氦氙混合工质下闭式Brayton循环进行热力学分析,讨论混合工质成分变化对Brayton循环的综合影响。研究结果表明:加入氙气降低了Brayton循环热力学性能,循环效率和比功均有降低;但氙气的加入有效降低压气机膨胀功,改善循环气动性能。氦气与氙气在热力性能与气动性能中表现互补,纯氦工质中加入适量氙气可使Brayton循环系统减少压气机、换热器数量,从而具备空间应用的潜力。
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    经济与管理
    国债期货交易对利率市场波动性影响的实证检验  收藏
    何平, 刘泽豪, 范中杰
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 544-549.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.035
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (974KB)
    该文研究了中国于2013年9月重启国债期货交易对利率市场波动性的影响。基于双重差分模型和双向集群标准误差调整,实证检验了国债期货对于利率波动性的影响,并应用倾向得分匹配方法进行了稳健性检验。结果发现:国债期货正式交易的推出显著降低了利率市场的波动性;国债期货仿真交易的推出也降低了波动性,但是降低幅度小于国债期货的正式推出。据此,加快国债期货市场建设,推出更加多元化的国债期货合约,能提高利率市场的稳定性。
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    计算机科学与技术
    基于小波分析的云计算在线业务异常负载检测方法  收藏
    刘金钊, 周悦芝, 张尧学
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 550-554.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.036
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1253KB)
    随着越来越多的在线业务被迁移到基于云的平台上,如何检测云平台上在线业务的异常运行状态成为了一个重要的问题。现有方法通过分析在线业务的实时负载数据来判断业务是否存在异常,在应对由程序异常或突发用户访问引起的异常负载时存在准确率低、误报率高的问题。该文提出并实现了一种面向云计算在线业务的异常负载检测方法。该方法利用小波分析技术,将原始负载数据分解成频率不同的多条曲线,并利用统计分析技术,通过检测各个频率上的异常增长或降低来判断负载是否存在异常。实验结果表明:同现有方法相比,该方法更准确,同时可以大大降低误报率。
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    土木工程
    基于协同Kriging插值和首尾分割法的PM2.5自然城市提取  收藏
    刘钊, 谢美慧, 田琨, 谢晓晓
    清华大学学报(自然科学版). 2017, 57 (5): 555-560.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.037
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (1897KB)
    PM2.5空气污染问题目前是社会关注热点以及学术研究重点。该文对PM2.5污染的自然城市提取进行了研究,结合PM2.5的站点监测数据和气溶胶遥感数据并采用协同Kriging插值实现了PM2.5数据空间化,然后采用首尾分割分类方法实现了PM2.5污染分布的分类和污染自然城市的提取。对中国大陆PM2.5自然城市的提取结果进行了分析和讨论。结果表明:采用适当的分割阈值,首尾分割分类方法可以有效进行PM2.5污染自然城市提取工作,有助于决策者合理划分PM2.5联合治理的区域范围。
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