2016年, 第56卷, 第2期　
刊出日期：2016-02-15

  

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汽车工程
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  闭环耦合模型中制动盘重根模态

  杜永昌, 高普, 王宇健, 吕英平

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 117-123. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.001

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  盘式制动器噪声闭环耦合模型中, 制动盘模态参数由有限元计算得出, 存在大量重根模态, 它们在物理本质上是一阶模态, 而子结构模态构成分析方法将重根模态视为独立模态进行计算, 导致其结果难以理解。该研究详细解释了重根模态现象, 通过对制动盘重根模态振型进行拟合处理, 根据模态构成系数的含义和拟合得到的振型表达式推导了表征重根模态整体对不稳定模态贡献的综合构成系数。算例结果表明: 应用该方法可清晰分析对比制动盘重根模态对制动噪声的影响, 从而为制定有效抑制噪声的措施提供依据。
  
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  基于车辆变形深度的汽车安全有效性的评价与预测方法

  陈龙, Robert Zobel, 李克强, 王宏雁, 陈君毅

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 124-129. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.002

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  事故数据库中的速度信息需要用基于能量守恒的事故再现方法来计算得到, 而不同车辆的刚度差异很难估计, 这导致所计算出的速度存在误差。这个问题直接影响到大部分用于估算驾驶员辅助系统有效性的方法的合理性, 因为这些方法需要使用事故所涉及的车辆的速度信息。该文提出了基于车辆变形深度的汽车安全有效性的评价与预测方法。通过分析德国事故数据, 证明了车辆变形深度相比于速度变化量能够更真实地反映事故严重程度。基于变形深度计算了过去30年汽车安全有效性的提高程度, 与历史数据吻合较好, 验证了基于变形深度的安全有效性评价方法的合理性。该文阐述了基于变形深度的驾驶员辅助系统安全有效性预测方法的思路。该预测方法仅需要事故数据库中准确的变形深度信息, 能够获得更多的事故数据支持, 从而可以更好地评价驾驶员辅助系统。
  
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  动态交通环境下的纯电动车辆多目标出行规划

  张书玮, 罗禹贡, 李克强

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 130-136. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.003

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  为缓解电动车辆出行过程中包括里程不足、充电时间长、充电站稀少以及电池循环寿命有限等固有问题, 提高电动车辆的行驶性能以及驾驶员的接受程度, 需要为其推荐合理的出行与充电方案。然而, 目前出行方案制定方法没有考虑到交通环境复杂多变的特性, 并且仅能提供在单一目标下的出行方案, 难以为驾驶员提供综合考虑多种因素的出行策略。该文提出了一种在动态随机路网环境下的考虑多目标多约束的电动车辆出行规划策略。该出行规划策略考虑到交通环境的时变随机特性, 利用多目标蚁群优化方法计算求解最优Pareto解集, 为驾驶员推荐包括出行路径、各路径上的行驶速度、充电位置与模式、空调使用等出行要素。研究结果表明: 基于动态随机路网的出行方案相比于基于静态确定性路网的出行方案更为优秀; 相比于单一目标出行方案, 基于多目标优化的出行策略综合性能更好。仿真结果证明了该方法能够协调各优化目标与约束条件, 合理推荐电动车辆的出行方案解集, 提升电动车辆的使用性能。
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  结合自然语言处理与改进层次分析法的乘用车驾驶舒适性评价

  卢兆麟, 李升波, Schroeder Felix, 周吉晨, 成波

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 137-143. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.004

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  为了有效和准确地评价乘用车驾驶舒适性, 构建了 “人-机-环境” 系统下的汽车驾驶舒适性本体模型, 并对驾驶舒适性的形成机制进行了阐述。通过用户访谈实验并基于改进的 “词频-逆向文件频率” (TF-IDF)方法对主题词进行提取, 获得影响驾驶舒适性的主要因素并进行分类, 在此基础上建立递阶层次结构; 针对传统层次分析法(AHP)的不足, 以三标度取代九标度以保证精确性, 通过Delphi实验, 构造两两比较判别矩阵后再进行处理, 以计算各评价指标的权重, 并对该指标体系进行一致性检验。以C级乘用车为例, 验证了该评价方法的有效性。该方法为乘用车的驾驶舒适性评价提供了一种可行的技术支持。
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  电机-变速器直连系统换挡过程建模及仿真

  陈红旭, 田光宇

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 144-151. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.022

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  相比于有离合器的电机-变速器耦合系统, 电机-变速器直连系统的特性发生了变化, 需要对其换挡过程的特性作深入分析, 并与有离合器系统进行比较。该文运用多体动力学和混杂系统理论建立了电机-变速器直连系统换挡过程的混杂自动机模型, 分析了在不同换挡力、接合套和接合齿圈相对角度和相对转速下, 直连系统换挡品质的变化。通过与有离合器系统进行对比发现, 通过电机的主动同步和对换挡力的控制, 直连系统的换挡品质可以优于有离合器系统。
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  电动汽车再生制动与液压制动防抱协调控制

  张雷, 于良耀, 宋健, 张永生, 魏文若

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 152-159. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.018

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  为了保证电动汽车防抱制动过程的稳定性并充分利用电机控制精确、响应迅速的优势, 提出一种基于路面附着的电动汽车再生制动与液压制动防抱协调控制策略。以分布式驱动电动汽车为研究对象, 利用电机扭矩和轮缸制动液压压力可实时测量的优势, 根据车辆动力学估计路面附着; 针对高、中、低3种路面附着采用不同的再生制动与液压制动协调控制策略, 并提出了再生制动退出过程中的协调机制。对该策略的仿真结果表明: 该协调控制策略可以在制动过程中兼顾制动稳定性和能量回收效率, 再生制动退出过程协调机制可以减小液压制动的压力波动, 有利于提高车辆的制动稳定性和舒适性。
机械工程
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  基于2维叉排管束模型的刷式密封介质流动计算

  黄首清, 索双富, 李永健, 杨杰, 刘守文, 王玉明

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 160-166. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.005

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  为了计算刷式密封的介质流动, 建立了刷丝束截面的2维紧凑叉排管束模型, 并利用计算流体动力学(CFD)方法求解。研究了刷丝束截面泄漏流的压力和流速分布及压差、刷丝轴向排数和管距对泄漏特性的影响。结果表明: 基于周向1排与周向6排刷丝的模型所计算的压力和流速基本吻合, 各数据点的误差均小于3%, 所计算的压力梯度结果与转子表面压力测量结果基本吻合。0.2 MPa下, 最下游刷丝的压降和最高流速增量分别大约是上游刷丝的6倍和8倍。压差增加会加剧最下游刷丝间隙处的压降和流速增量。出口平均轴向流速随着压差的增大而呈线性增长, 随着刷丝轴向排数的增大而呈自然对数下降。减小刷丝管距可以在常见的压差和刷丝排数范围内显著提高密封效果。
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  石墨垫片密封界面的力学特性

  贾晓红, 陈华明, 励行根, 王玉明

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 167-170. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.005

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  石墨垫片是一种广泛使用的静密封, 其良好的密封性能取决于密封界面的力学特性。为了研究石墨垫片密封界面的力学特性, 该文基于现有密封实验台结构和材料弹塑性, 建立了垫片系统有限元模型, 模拟实验台加卸载工况, 仿真研究垫片的力学特性。实验测量了垫片压缩回弹曲线。仿真结果给出了垫片在加载和卸载过程中接触压力、变形和压缩回弹曲线的变化情况, 与实验测量结果吻合, 验证了仿真方法的正确性, 进一步从理论上阐明了此类垫片实现高接触刚度、高动载稳定性和高安装重复性的工作机理。
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  横向振动作用下螺纹联接松动过程的实验研究

  李海江, 田煜, 孟永钢, 陈凯凯

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 171-175,184. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.006

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  横向振动作用下螺纹联接的松动是一个复杂的多阶段过程。该研究改造了Junker横向振动试验机, 研究了横向振动作用下螺纹联接夹紧力的衰减过程, 并对单个振动周期内夹紧力与横向振动位移之间的同步变化进行了实验测量。通过对夹紧力衰减曲线的数值拟合发现, 在松动初期夹紧力与横向振动次数之间满足双指数函数关系。该双指数函数反映了松动初期螺纹联接摩擦界面的应变松弛与接触状况的动态变化。该研究得到了该双指数函数的各个参数与横向振动的振幅以及初始预紧力之间的关系, 提出的夹紧力衰减函数为螺纹联接松动过程的定量预测提供了参考。
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  静载荷作用下偏心转子电磁振动特性

  徐学平, 韩勤锴, 褚福磊

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 176-184. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.007

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  偏心转子不仅受动载荷作用, 还受静载荷作用。该文推导了转子同时考虑动、静偏心的气隙长度统一公式, 利用数值方法计算出作用于转子的不平衡磁拉力(UMP), 建立了UMP、静载荷(重力)、不平衡质量激励力作用下转子系统的运动微分方程。分析了动偏心和动静复合偏心情形下不计静载荷时和考虑静载荷时转子系统的轴心轨迹和位移频谱, 讨论了静偏心方向、初始静偏心量对转子系统振动特性的影响。结果表明: 静偏心方向影响转子轴心轨迹的位置分布, 使位移频谱中幅值周期性变化, 静偏心量的增加使位移频谱中出现4倍旋转频率的振动分量。静载荷对转子系统的作用可视为该静载荷方向上大小恒定的静偏心。
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  3自由度硅片台解耦时变参数在线递推估计

  黄涛, 杨开明, 朱煜, 蒋毅, 胡楚雄

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 185-191. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.008

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  在光刻机硅片台高精度运动控制系统中, 线缆对硅片台运动产生的扰动是一个主要的扰动源。这是由于线缆部件附加在硅片台上的扰动力和力偶导致了系统的耦合问题, 恶化了系统运动控制的性能。该文通过对硅片台粗动台的力学建模, 分析附加力偶的影响, 引入广义质心偏移的数学描述, 通过时变参数在线递推估计算法获得广义质心偏移的参数, 该参数实时用于硅片台平面电机4组线圈水平推力的解耦。实验结果表明: 使用该参数递推估计算法实现实时动态解耦, 自适应能力强, 降低了系统3自由度之间的串扰, 提高了运动控制系统的性能。
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  “S”形试件间歇性切削温度场建模与分析

  关立文, 杨亮亮, 王立平, 陈学尚, 王耀辉, 黄克

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 192-199. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.004

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  切削温度场分析是“S”形试件切削热变形分析的基础。该文基于接触面瞬时相等原理建立了切削区域热量分配模型。结合热源法、热量分配模型和温度实验结果, 提出并建立了“S”形试件完整的间歇性切削温度场模型。通过热力耦合仿真实现了“S”形试件切削温度场预测, 给出了切削温度载荷和冷却液施加方法, 以及强制对流系数计算方法。在Parpas-PM20五轴数控加工中心上设计并搭建了基于热电偶法的“S”形试件加工过程温度场实验平台。切削热有限元仿真与实验研究结果验证了切削温度场分析方法和切削温度场预测结果的准确性。
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  基于GATE仿真的分光法探测器优化设计

  石涵, PENG Qiyu, 许剑锋, 都东

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 200-205. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.009

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  基于分光法的晶体阵列解码技术是正电子发射成像系统最为高效的探测器设计方案之一, 但目前基于分光法的晶体阵列解码设计依赖于经验和实验迭代, 晶体解码和分光层设计缺少有效的仿真方法。该文采用了GATE仿真软件, 对分光法的探测器进行建模仿真, 提出了逐列逼近的优化算法对分光层反光片进行长度优化设计, 且对优化仿真中主要参数进行了分析, 并组装4 mm × 4 mm×25 mm、12×12阵列实验模块对所提方法进行验证。实验结果表明: 该基于GATE仿真的优化设计方法能有效实现分光法探测器晶体阵列解码的仿真以及解码斑点均匀分布的反光片长度优化设计。
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  基于扭转向列型液晶的Stokes矢量测量

  郑军, 丁秋时

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 206-210. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.010

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  光线的Stokes矢量包含完整的偏振信息, Stokes矢量的测量在偏振成像技术中具有重要意义。传统测量方式一般采用手动旋转偏振片的方法, 测量效率低, 不能实时检测。该文提出了一种基于扭转向列型(TN)液晶的快速测量方法, 用已知偏振光对测量装置标定后, 可以得到TN液晶和固定偏振片组合的Mueller矩阵的第1行参量, 再对TN液晶施加不同的电压, 对入射光线进行测量, 可以得出入射光线的Stokes矢量。采用通过测量入射光入射角的实验方法验证Stokes矢量测量的准确性, 测量入射角10°~70°, 每隔10°测量一次, 得到结果分别为8.54°、18.47°、27.09°、38.93°、47.86°、60.27°、70.89°, 可见该方法最终测量精度与旋转偏振片法相似。
精密仪器
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  基于足绑式INS的行人导航三轴磁强计在线校准

  张新喜, 张嵘, 郭美凤, 程高峰, 牛树来

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 211-217. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.011

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  基于低成本微电子机械系统(MEMS)惯性传感器的足绑式惯性导航系统(INS)是行人自主导航常用的一种方式, 足绑式INS可与磁强计组合来约束航向角误差, 但磁强计存在误差需要校准。该文提出了适合行人导航的磁强计误差模型和在线校准算法。根据磁强计的误差特性和足绑式INS的机动性, 建立了磁强计误差变量的状态方程和观测方程, 利用扩展Kalman滤波器(EKF)对三轴磁强计误差进行在线估计和实时校准, 利用零速修正(ZUPT)算法和磁航向角约束算法对足绑式INS的误差进行约束。为验证算法的有效性, 在操场进行了一圈徒步行走实验。实验结果表明: 使用磁强计误差在线辨识和校准算法后, 与未进行磁强计误差校准相比, 行人导航东向终点误差由-110.7 m减小到1.8 m, 北向终点误差由37.8 m减小到5.2 m, 磁强计误差得到有效校正。该算法实现了基于足绑式INS的行人导航磁强计误差在线校准, 大幅提高了行人自主导航的定位精度。
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  基于Legendre正交矩的亚像素线宽测量方法

  王伯雄, 杨春毓, 李伟, 秦垚

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 218-222. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.012

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  线宽测量对弱小目标检测有重要意义。该文提出了一种基于Legendre正交矩的亚像素线宽检测方法。该方法将一般线宽分解为两个对称线宽之和, 通过推导0、2、4阶Legendre正交矩, 得到对称线宽的计算公式, 最后加和得到实际线宽。针对离散数字图像, 推导并给出了正交矩的模板系数, 并分析了离散带来的测量误差及其修正方法。采用该测量方法对安瓿内标准颗粒异物进行粒径测量, 实验结果表明该方法具有较高的测量精度和效率。
工程物理
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  排烟启动时间对烟气控制的影响

  王婉娣, 张辉

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(2): 223-228. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.023

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  建筑火灾排烟系统设计中, 有关排烟启动时间至今仍没形成统一的设计方法或分析方法, 目前主要依靠专家经验或者依据排烟系统产品的性能进行取值和校验, 存在很大主观性。 该文通过综合考虑建筑火灾发展各阶段的经验模型, 给出了计算烟气层高度的递推求解式, 在此基础上利用灵敏度分析方法揭示了排烟启动时间对烟气控制效果的影响, 提出了启动时间取值的最优区间、风险区间和失效界点。 该研究有助于提高火灾排烟系统的设计合理性和安全性。