2015年, 第55卷, 第7期　
刊出日期：2015-07-15

  

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机械工程
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  动态飞行模拟器实时运动规划算法

  关立文, 刘慧, 付萌

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 709-715.

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  动态飞行模拟器是一种以离心机作为运动平台的持续过载模拟设备, 其运动规划直接影响过载模拟精度。该文主要针对动态飞行模拟器实时运动规划问题进行研究, 建立了过载模拟模型, 分析了卸载段动态飞行模拟器运动参数无法计算的原因, 在此基础上提出了基于2维插值法的实时运动规划算法, 解决了动态飞行模拟器实时运动规划问题。为了验证算法的准确性, 分别针对纯z向梯形过载曲线和3轴过载曲线进行模拟仿真, 分析算法对过载模拟误差的影响。仿真结果表明: 模拟过载能较好地跟踪理论过载, 算法具有较好的准确性和实用性。
  
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  扫描干涉光刻机光束位姿自动准直系统设计

  朱煜, 王磊杰, 张鸣, 祁利山

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 716-721,733.

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  针对扫描干涉光刻机对干涉光束的高精度位姿准直需求, 设计了高精度光束自动准直系统; 基于该系统提出了利用每步迭代调节后的位姿实测值作为下一步迭代的起始值进行迭代准直和正交平面内位姿交替准直的光束位姿迭代准直策略, 解决了迭代过程误差积累问题和正交平面内电机耦合问题。实验结果显示: 该光束自动准直系统能够实现两个位置准直精度均优于5 μm和两个角度准直精度均优于3 μrad, 满足扫描干涉光刻机光束位姿准直精度需求。
  
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  扫描干涉光刻机相位锁定系统设计

  王磊杰, 张鸣, 朱煜, 鲁森, 杨开明

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 722-727.

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  针对扫描干涉光刻机干涉图形相位锁定需求, 提出并设计了干涉图形相位锁定系统。该系统采用零差相位干涉仪实现干涉图形相位漂移的高速高精测量, 采用声光调制器以高速高精移频的方式进行干涉图形相位调制, 并通过闭环反馈控制实现相位锁定。实验结果显示: 系统闭环控制可实现±1/25个干涉图形周期的锁定精度, 系统具有良好的相位锁定性能。该系统具有光路短、易于装调、激光利用率高等优点, 未来用于扫描干涉光刻机更具优势。
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  超声振动系统非接触式高效电能传输的电路补偿

  申昊, 冯平法, 张建富, 郁鼎文, 吴志军

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 728-733.

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  为提高超声振动系统的非接触式电能传输效率, 对系统的电路补偿网络进行了研究和设计。结合压电振子的等效电路和松耦合系统的互感模型, 阐明了电路补偿的理论依据, 提出各自独立地对原、副边回路进行补偿, 以消除互感的影响。结合理论和仿真计算的结果, 设计并建立了超声振动系统非接触式电能传输的电路补偿网络。对系统的输出振幅进行实验测量, 结果显示: 补偿后的振幅得到了大幅提升, 且气隙值越大、电功率越大, 补偿效果越显著。对于超声振动系统的非接触式电能传输, 所建立的补偿方法能够显著地减小无功损耗, 提高能量传输效率, 补偿网络设计合理、有效。
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  低气压对自保护药芯焊丝电弧特性的影响

  朱志明, 范开果, 刘晗, 王永东

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 734-738.

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  为了研究气压降低对电弧特性的影响, 对不同大气压情况下的焊接工艺数据进行研究和机理分析。研究结果表明: 自保护药芯焊丝的电弧静特性呈下降趋势; 随着焊炬高度(电弧长度)的增加, 电弧静特性曲线上移。在低气压环境下, 电弧空间的气体密度和温度降低, 导致导电粒子密度降低, 焊接电流减小; 焊接电弧的扩展, 导致弧柱直径增大、电场强度降低, 但阴极和阳极压降增加, 仍使总电弧电压增加。由于低气压时的弧柱电场强度降低, 电弧的自身调节能力减弱, 电弧稳定性和弧柱挺度下降, 从而影响焊缝成形和接头质量。在低气压地区进行自保护药芯焊丝电弧焊接时, 必须严格控制焊接工艺参数, 尽可能采用低电弧电压进行焊接。
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  金属蠕变的实时超声检测实验研究

  原可义, 韩赞东, 钟约先, 陈以方

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 739-743.

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  目前绝大多数蠕变超声检测研究都是使用常温且无应力的蠕变试样进行检测实验, 在该条件下测得的超声检测参数值与实时(维持蠕变温度和蠕变应力)测得的蠕变参数值有一定的差异, 影响对检测对象蠕变程度的准确判断。该文使用纯铅进行连续蠕变实验, 并在实验过程中进行实时超声检测, 获得了蠕变过程和松弛过程中的超声实时检测信号, 对此信号进行处理, 得到了衰减、声速、时间衰减等参数随蠕变程度的实时变化曲线。实验结果表明: 实时条件下测得的蠕变超声检测参数相对于无应力条件下测得的参数具有更高的检测灵敏度; 如果以无应力检测参数值作为评定标准, 则需对实时检测参数值作出修正才能准确评价被检测目标的蠕变程度; 时间衰减参数与衰减参数具有相同的蠕变变化趋势, 但时间衰减参数不需要对被检测目标进行几何尺寸的测量, 因此时间衰减参数更适用于实际检测, 可以作为金属蠕变检测中衰减参数的替代参数。
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  确定旋转放疗设备等中心点的平均矢量算法

  张翔, 樊文刚, 史少华, 叶佩青, 张辉

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 744-749.

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  对于旋转放射治疗设备, 其等中心点位置对治疗精度存在重要影响。针对设备负载引起的机械结构变形对等中心误差的影响, 提出了一种确定旋转放疗设备等中心点的平均矢量算法。以等中心点位置为优化变量, 通过限定等中心点与不同位置射线向量的最大距离建立约束条件, 以满足约束条件的等中心点与射线向量的平均距离为目标函数, 得到最优等中心点位置和等中心包络线。 实例分析验证了平均矢量算法的正确性和有效性。平均矢量法与矢量法得出的等中心包络线半径均为0.311 mm, 比节点法降低约15.5%; 平均矢量法给出的等中心点距各射线向量的平均距离为0.206 mm, 比矢量法降低约11.2%, 比节点法降低约28%。
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  CMP多区压力定量解耦协同控制

  门延武, 张辉, 姜文雪, 周凯, 叶佩青

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 750-755.

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  化学机械抛光(CMP)过程中由于柔性弹性隔膜的存在使得各区之间压力相互耦合, 导致多区压力控制变得复杂化。该文提出了一种基于工作点线性化方法的离线辨识+定量耦合度分析+定量解耦控制的方案。利用工作点线性化方法, 离线获得多区压力系统的3输入3输出模型; 通过相对增益矩阵方法定量分析出各区之间的耦合程度; 采用前馈补偿解耦控制器实现各区压力之间的定量解耦控制。仿真以及实验结果表明:该方案在工程实践中能够实现各区压力的定量解耦控制, 使得系统在相同控制算法下获得更快的响应速度以及更小的超调量。
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  静电卡盘与晶圆之间稀薄气体传热的影响因素

  孙钰淳, 程嘉, 路益嘉, 侯悦民, 季林红

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 756-760.

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  通过在晶圆背面填充稀薄气体的方式来对晶圆进行冷却或加热是等离子体刻蚀工艺中的一项关键技术。该文对晶圆与静电卡盘之间的稀薄气体传热问题进行了解析建模, 给出了一个适用于整个气压范围的气体导热解析表达式, 并用直接模拟Monte Carlo方法验证了其准确性。基于该解析模型, 还对气体压强、狭缝距离、热适应系数和气体温度等影响传热系数的参数进行了研究, 发现狭缝距离和气体温度对传热系数影响较弱, 即静电卡盘表面形貌(如凸台高度等)和刻蚀温度对于静电卡盘与晶圆之间的传热效果影响不大; 而气体压强和热适应系数都表现出对传热系数有明显的影响。因此, 在实际的刻蚀工艺中, 可以通过调节气体压强来改变静电卡盘与晶圆之间的传热效果。
汽车工程
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  智能车辆运动控制系统协同设计

  郭景华, 罗禹贡, 李克强

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 761-768.

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  该文建立可准确表征智能车辆横纵向动力学行为特性的数学模型, 揭示智能车辆行驶过程中的耦合机理。在此基础上, 针对智能车辆具有强耦合、非线性和参数不确定等特点, 提出一种由协调控制层、控制分配层和伺服执行层构成的协同控制策略, 通过横纵向动力学系统之间的动态耦合及协同进行能量的传递、转换及演变, 完成智能车辆横纵向运动一体化控制。通过仿真试验进行验证和评价, 试验结果表明: 所设计的控制系统不仅具有良好的稳态精度和动态响应性能, 而且可显著提高智能车辆行驶过程中的稳定性、舒适性和安全性。
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  驾驶人换道决策分析及意图识别算法设计

  丁洁云, 党睿娜, 王建强, 李克强

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 769-774.

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  为设计一种能在保证准确率的条件下提高识别效率的驾驶人换道意图识别算法, 分析驾驶人的换道决策, 使用对驾驶人换道决策有影响的环境参数, 设计了基于模糊逻辑理论的综合决策因子, 反映驾驶人做出换道决策的可能性。提出一种基于隐Markov模型的换道意图识别算法, 以综合决策因子与表征车辆横向运动的特征参数为观测变量, 以驾驶人意图为隐状态, 搭建并训练隐Markov模型, 通过其解码方法实现驾驶人的换道意图识别。使用真实驾驶人在驾驶模拟器上进行换道的数据进行算法验证。结果表明:引入综合决策因子作为观测变量之一时, 该换道意图识别算法能保证准确性并提高识别效率。
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  基于眼动跟踪特征的汽车造型评价方法

  卢兆麟, 李升波, 徐少兵, 成波

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 775-781.

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  为了弥补主观性评价方法的不足, 以获得用户对于汽车造型设计的客观性评价, 提出了一种基于眼动跟踪特征的汽车造型评价方法。以眼动热点图为基础构建车型评价指标体系, 包括对热点图进行背景剥离, 通过“色度-饱和度-亮度(HSV)”模型提取其颜色特征, 并计算其灰度直方图的各项统计值;进一步将汽车造型的评价定义为二分类问题, 运用Fisher判别建立函数模型。通过实例验证了该方法的可靠性与实用性。结果表明: 该方法总体上具有较高准确度, 为实现汽车造型评价提供了一种可行的技术途径。
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  基于代理模型的复合材料带加强筋板铺层优化

  刘哲, 金达锋, 范志瑞

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 782-789.

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  该文基于遗传算法对复合材料带加强筋板中加强筋的铺层顺序进行了优化, 使结构在质量一定的情况下结构屈曲载荷最大。为了减少优化过程中有限元模型的调用次数, 引入径向基神经网络作为代理模型对结构屈曲载荷进行估计, 并且将铺层参数作为其输入以降低目标函数的非线性。由于设计空间形状不规则, 采用D-optimal实验设计方法确定训练径向基神经网络的采样点集。考虑到代理模型存在估计误差, 提出了加强代理模型在暂定最优区域估计精度的方法。算例表明: 以铺层参数为输入的径向基神经网络在建立代理模型方面具有较高的精度和效率; 代理模型的局部精度加强可进一步提高代理模型在暂定最优区域的精度。
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  发动机前端附件带传动系统功率损失的仿真分析

  陶润, 侯之超

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 790-796.

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  为了深入理解发动机前端附件带传动系统功率损失及其影响因素,通过多体动力学仿真计算某附件传动系统的功率损失。通过试验测定了某型皮带的力学特性参数,据此在Adams软件中建立了系统仿真模型。结合模型阐述了计算附件传动系统功率损失的基本方法与过程。通过仿真计算得到了系统功率损失,研究了预张力、负载、转速和加速度等因素对功率损失的影响。结果表明: 功率损失随预张力、负载、转速单调递增,随加速度的变化较小。推算了该系统在一种典型工况下因功率损失造成的油耗。通过开展空载台架试验对比证实了计算模型与方法的正确性。
热能工程
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  求解势流的正则化快速多极子边界元法

  翟杰, 祝宝山, 曹树良

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 797-802.

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  该文将快速多极子算法和处理强奇异积分的正则化算法应用于传统边界元法中, 开发了正则化快速多极子边界元法。该方法既可以解决传统边界元法计算量和存储量会随着单元数量的增加而快速增加的问题, 也可以处理边界元法求解势流速度和速度梯度时产生的强奇异性积分问题。将所开发的方法应用于绕球势流的数值计算中, 计算结果证明了方法的可靠性和高效性; 对相关计算参数影响的分析为复杂边界流动问题的计算提供了参考依据。
工程物理
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  基于建筑结构破坏的地震伤亡评估方法及应用

  李媛媛, 陈建国, 张小乐, 袁宏永

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 803-807,814.

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  震后的人员伤亡评估对启动应急预案和组织开展应急救援工作具有重要指导意义。美国地震评估软件 HAZUS 采用了基于建筑易损性的人员伤亡评估方法, 但该模型主要基于美国加利福尼亚州的建筑结构。为进行以震后应急为目的人员伤亡快速评估, 该文通过假设条件对模型进行简化, 以汶川地震为案例对人员伤亡情况进行了预测, 验证了该方法的有效性和对中国建筑结构的适用性。预测的受伤人员数与实际统计数据接近, 遇难人员较实际人数偏低, 原因是模型严重低估了极震区的遇难人数。预测结果与实际情况基本吻合, 能够反映地震导致人员伤亡的严重程度, 简化的模型更加适用于震后应急响应阶段的人员伤亡快速评估, 具有一定的实用价值。
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  重大核事故情景库建立及应用

  赵全来, 苏国锋, 陈建国, 袁宏永, 张小乐, 陈鹏, 倪顺江

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 808-814.

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  突发事件的应对方法主要被分为两类, 即传统的“预测-应对”模式和新兴的“情景-应对”模式。近年来随着社会的进步和发展, 非常规突发事件的罕见性、演化过程的复杂性及不可预测性, 造成后果的严重性及不确定性愈发明显, 决策者逐渐发现传统的“预测-应对”模式已经无法满足现代应急需求, 因此“情景-应对”模式被越来越多的学者和应急指挥人员所广泛接受并得到了大量研究。该文以非常规突发事件中较为罕见但影响重大的核事故为研究对象, 采用后果评价的方法分别针对简单风场和复杂风场进行研究并建立重大核事故情景库, 通过风场分析的方式缩小情景库规模, 最后利用情景比对的方法实现重大核事故源项反演。通过情景库进行源项反演的方法具有速度快、效率高的特点, 能够为核事故应急救援工作的开展节省宝贵的时间。
核能与新能源工程
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  纳米流体沸腾模型中某些物理参数的理论探讨

  袁杨, 李祥东, 屠基元

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(7): 815-820.

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  纳米流体核态沸腾理论预测模型的缺乏阻碍了其作为高效换热介质在工业系统中的应用。为实现对纳米流体核态沸腾的准确预测和计算, 该文在现有实验基础上对纳米流体核态沸腾的特有现象进行了机理分析, 建立了一系列的封闭方程来修正和完善经典的壁面热通量拆分模型, 将模拟结果与纳米流体及纯工质核态沸腾的实验数据进行了对比, 对模型中的一些物理参数进行了理论探讨。研究表明: 采用壁面热通量拆分模型模拟纳米流体核态沸腾的关键在于准确模拟纳米包覆层对汽泡成核、生长及脱离规律的影响, 特别是要准确把握壁面润湿性及壁面形态变化对核态沸腾特征的影响。