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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)
      2020年, 第60卷, 第12期 上一期    下一期
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    北京大兴国际机场
    北京大兴国际机场鼓形焊接空心球节点力学性能  收藏
    陈志华,温锁林,刘红波,王小盾,高昊天,王留成,朱邵宁
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 967-976.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.033
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (17062KB)

    北京大兴国际机场被英国《卫报》评选为“新世界七大奇迹”榜首。该文以北京大兴国际机场航站楼屋盖钢结构所采用的新型鼓形焊接空心球节点为研究对象,完成了鼓形焊接空心球节点足尺模型的抗拉和抗压破坏试验,揭示了节点的受力特点和失效机理;建立了精确的有限元数值模型,经试验数据验证后,研究了鼓面位置、是否加肋、鼓面数、壁厚、球径等因素对鼓形焊接空心球节点极限承载力的影响规律。在足尺试验和数值模拟研究成果基础上,提出了鼓形焊接空心球节点轴压和轴拉承载力计算公式与设计方法,为今后鼓形焊接空心球节点的分析与设计提供了技术支撑。

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    我国航站楼用能和室内环境质量调研与实测分析  收藏
    余娟,林波荣,黄彦祥,赵海湉,朱颖心
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 977-984.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.037
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (2663KB)

    了解和掌握航站楼用能和室内环境运行特征,对于指导绿色机场节能和服务品质提升建设具有重要意义。该文通过对我国不同气候区22座航站楼用能情况函调和9座航站楼室内环境品质实测,获得了我国航站楼能耗与室内环境现状特点,主要包括:1)航站楼单位建筑面积年电耗为129~281 kWh/(m2·a),均值为180 kWh/(m2·a),单位旅客电耗为0.79~3.15 kWh/人,均值为1.90 kWh/人;2)空调系统和照明系统运行电耗最大,占比航站楼电耗分别为61%和17%;3)在夏季公共区域空气温湿度相比设计的Ⅰ级舒适度等级标准,达标率不足50%,在冬季基本能够达到设计的Ⅱ级舒适度等级以上标准,达标率约71%~96%,不达标时段主要为室内偏热,尤其夏季室内太阳辐射直射区域热舒适状况有待改善;4)航站楼室内CO2质量分数平均值不高于700×10-6;5)航站楼日间大部分公共区域天然采光照度值可达到300~500 lx,夜间照度远不足标准要求的200 lx;6)室内噪声强度处于较高水平,平均值在55~70 dB,去除广播时段最低值也高于60 dB。结合4 500位旅客的主观问卷回访,研究共归纳总结了10项关键问题,并从航站楼节能和室内环境品质及功能服务提升方面,提出了11条针对性的技术和管理优化建议。结合现阶段航站楼节能和室内环境提升实践及研究趋势,验证了研究成果的时效性。研究成果可为我国绿色机场的建设和发展提供翔实的数据基础、科学的技术支撑和保障。

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    机械工程
    基于椭圆双β喷枪模型的喷涂轨迹优化  收藏
    华霄桐,张思敏,刘兴杰,陈志良,王国磊,陈恳
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 985-992.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.020
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (6849KB)

    喷涂轨迹优化是保证最终涂层高质量的重要环节,直接作用于涂层的成形过程。该文针对平面喷涂提出一种轨迹优化方法,通过互补喷枪模型的优化求解,实现高效、高质量的平面喷涂,并在此基础上针对NURBS(non-uniform rational B-spline)自由曲面喷涂,受启发于绘画时人们采用不同尺寸的画笔描绘不同精细程度的物体,提出可变尺寸画笔的喷涂概念,利用喷涂距离的变化实现喷幅尺寸大小的变化,同时利用变速喷涂,增强喷涂优化方法对各种复杂曲面的处理能力。通过仿真与实验验证,该文提出的方法喷涂平面时,膜厚均匀度损失了1.64%,而漆料利用率提升了13.54%;喷涂自由曲面时,膜厚均匀度由31.68%提升到4.79%。实验结果验证了该文提出方法的有效性。

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    基于虚拟现实的自动驾驶模式中晕动受试者的脑电特征  收藏
    赵蕾蕾,李翀,季林红,杨铁牛
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 993-998.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.001
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1288KB)

    晕动症是旅行中的一个普遍问题,研究显示近1/3人群在乘坐海、陆、空各种交通工具时受此困扰。晕动症的发病机制较为复杂,尚无统一定论,其中感觉冲突假说认为晕动症主要由人体前庭、视觉及本体感受不匹配引起。自动驾驶模式时司机不操纵汽车,感觉冲突加剧,更容易受晕动症的影响。该文通过模拟驾驶实验研究自动驾驶对受试者生理状态的影响。实验招募了11名健康受试者参与模拟驾驶实验,通过结合虚拟现实(virtual reality,VR)技术的6自由度驾驶模拟器平台向受试者同时提供视觉和前庭刺激,并同步采集受试者在自动驾驶和主动驾驶时的主观晕动评分以及脑电信号,对比受试者在自动驾驶和主动驾驶时的晕动状态差别,分析晕动评分与脑电特征值的相关性。结果表明:自动驾驶时受试者的自主晕动评分平均比主动驾驶时高2分,且随着晕动程度的增加,大脑运动中枢(FC2,Cz)、感觉中枢(CP5,P3)和视觉中枢区域(POz)的脑电信号中θ波功率谱密度的重心频率有升高的趋势,且自动驾驶比主动驾驶模式下高。将受试者在主动驾驶和自动驾驶下的脑电图(electroencephalogram,EEG)重心频率数据进行配对t检验(p < 0.05),结果表明受试者在自动驾驶模式下更容易产生晕动症状,并初步验证了脑电信号量化评估晕动程度的可行性。

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    经颅直流电刺激对注意力广度的影响  收藏
    王建凯,吴方芳,狄雅政,张洁,李翀,季林红
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 999-1006.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.025
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2754KB)

    该文探讨经颅直流电刺激(transcranial direct-current stimulation,tDCS)是否能提升注意力广度,并通过脑电(electroencephalogram,EEG)分析探讨其中的机理。实验招募7名健康被试,每名被试完成3次实验,每次实验接受不同的tDCS刺激方案并完成注意力广度任务。3种tDCS刺激方案分别为:对背外侧前额叶皮层进行阳极tDCS、阴极tDCS以及假刺激。结果显示:相较于假刺激组,阳极tDCS组被试的注意力广度有显著地提升(p=0.034 7),而阴极tDCS组则有显著降低(p=0.029 4)。脑电分析显示:在字符串长度为3~5的难度下,阳极tDCS组被试的刺激前Alpha波功率(prestimulus Alpha power)有显著地降低,阴极tDCS组无此现象。本研究验证了tDCS提升注意力广度的有效性,以及分析了其如何影响脑电。

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    针对关节限位优化的7自由度机械臂逆运动学解法  收藏
    胡奎,张继文,董云飞,吴丹
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 1007-1015.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.019
    摘要 ( 3 )   HTML    PDF (2065KB)

    为解决机械臂运行过程中避让关节限位的问题,该文以S-R-S构型的7自由度机械臂为对象,提出了一种机械臂逆运动学优化算法。首先,引入臂角变量,推导得到含臂角变量的逆运动学封闭解,并在此基础上,将关节限位和臂角可行范围进行映射;其次,定义一种包含权重函数的避限位优化目标函数,其中权重函数取值与关节实际位置有关;最后,通过线性展开方法简化臂角与关节位置的关系式,从而将原有复杂形式的优化目标函数简化为二次函数,结合求得的臂角可行范围完成优化求解,实现关节避限位。计算结果表明:该算法可以有效避让关节限位,且直观、简单、运算效率较高,可以进行实时运算。

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    基于分层结构的伺服压力机滑块轻量化设计  收藏
    彭发忠,王传英,柴恒辉,邵珠峰,王帅奇,王博文
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 1016-1022.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.016
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (7671KB)

    滑块是伺服压力机的重要组成部分,滑块质量直接影响压力机制造成本和精度。针对目前大型伺服压力机的滑块仍然存在结构不尽合理和质量过大的问题,该文以滑块结构轻量化为目标,结合滑块的结构特点和不同优化方法的优缺点,提出了一种基于分层结构的滑块轻量化设计方法。给出了实用的载荷分析模型以及边界条件的确定方法,作为ANSYS优化分析的基础。考虑到滑块上半部分所起的连接和支撑作用,在保证功能约束的前提下,采用拓扑优化实现其材料的最大化切除;对参数结构较为明确的滑块下半部分展开参数优化,优化隔板的厚度以及布局。利用ANSYS软件对整体优化方案进行了验证,在保证刚度要求的基础上,整体优化方案降低了滑块质量,实现了滑块轻量化。该文所提方法为机械产品的轻量化设计提供了一种有效途径。

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    一种新型数控机床可靠性试验加载机构动力学评价方法  收藏
    王煜天,丘嘉豪,吴军,张彬彬
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 1023-1029.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.031
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (3220KB)

    针对数控机床可靠性快速试验过程中缺乏多维力加载装置的问题,该文提出了一种具有高刚度、高加载能力的新型三轴加载机构,并研究其动力学建模及评价方法。在机构运动学分析的基础上,分析了机构奇异性,并建立其动力学模型。基于Jacobian矩阵,给出了加载机构速度传递性能的评价方法。基于动能方法,求解了加载机构的惯性矩阵,并给出了三维加载机构的加速性能评价方法。对加载机构的动力学模型、速度传递性能及加速性能进行了仿真研究。仿真表明加载机构在XY平面加速性能的各向同性较好,Z向加速性能优于XY向,满足加载机构在Z向需要快速运动的需求。

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    物理与物理工程
    含坡度隧道车辆阻塞下全尺寸火灾实验  收藏
    杨宇轩,刘畅,仇培云,龙增,钟茂华
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 1030-1038.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.028
    摘要 ( 2 )   HTML    PDF (5881KB)

    针对含坡度隧道火灾烟囱效应和阻塞效应对烟气扩散影响机理欠明确等问题,该文以国内某城市轨道交通线路为研究对象,开展了车辆阻塞下的全尺寸火灾实验研究。通过改变通风方式和车辆的阻塞状态,重点研究了气流速度、烟气温度竖直分布、烟气层分布和烟气蔓延时间等问题。结果表明:通风方式和车辆阻塞效应均会使火灾区域的流场产生变化,进而对气流速度、烟气分布和烟气蔓延时间造成影响。此外该文建立了烟气蔓延速度模型,揭示了车辆阻塞条件下含坡度隧道的火灾烟气特性和运移扩散规律,可为地铁火灾烟气控制和人员疏散提供数据和理论支撑。

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    引入熔融糊状区的PMMA逆流火蔓延数值模拟  收藏
    罗圣峰,谢启源,张辉,王光健
    清华大学学报(自然科学版). 2020, 60 (12): 1039-1046.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.21.013
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (5135KB)

    该文通过数值模拟研究了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板材逆流火蔓延过程,将PMMA火蔓延过程中的糊状区熔融相变传热过程引入到材料的能量方程,并建立气相燃烧反应的组分方程和传热微分方程。通过在材料上边界局部位置施加固定热流以实现点火过程,研究相变材料由点火、非稳定火蔓延到稳定火蔓延过程中的典型特性。基于凝聚相温度场,获得了糊状区和熔融相界面的形态。结果表明:火焰前缘附近的糊状区较薄,火焰前锋下游糊状区呈缓慢增厚趋势,火焰前锋附近的液相熔融界面较浅;随着与火焰前锋距离的增大,熔融深度逐渐加深。基于模拟结果和尺度分析,表明熔融界面形态近似呈二次函数发展。

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