2016年, 第56卷, 第6期　
刊出日期：2016-06-15

  

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汽车工程
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  轴系的热膨胀对于锥齿轮错位量的影响

  田程, 周驰, 丁炜琦, 桂良进, 范子杰

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 565-571. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.013

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  错位量对锥齿轮传动性能影响显著, 而轴系的热膨胀会影响传动系统刚度, 进而影响错位量。该文针对现有锥齿轮校核和分析时没有考虑轴系的热膨胀对错位量的影响这一问题, 详细推导了热膨胀与轴承刚度、轴系变形之间的关系, 建立了一种考虑热膨胀的锥齿轮传动系统非线性有限元模型, 并用于计算锥齿轮错位量。算例结果表明, 热膨胀会使锥齿轮错位量减小。进一步研究了不同工作温度下错位量的变化情况, 结果表明, 系统工作温度越高, 热膨胀的影响越明显。该研究为锥齿轮校核和分析中如何考虑和利用热膨胀提供了依据, 对其他传动系统的分析也具有一定借鉴意义。
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  基于子结构方法的离散结构协同优化

  钟薇, 苏瑞意, 桂良进, 范子杰

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 572-579. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.014

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  针对复杂离散结构优化存在设计变量多、寻优困难等问题, 提出一种基于子结构方法的分解协调策略, 并采用基于子结构分解协同优化框架求解。将大规模结构分解为多个不重叠的、规模较小的子结构, 每个子结构对应一个学科。将原优化问题的设计变量、优化目标以及约束分配至各个学科。每一轮系统迭代中, 系统层仅进行一次完整结构的有限元分析, 学科层执行子结构优化和有限元分析。耦合状态变量由系统层输入, 在学科层作为定值。系统层进行整体结构分析后更新耦合状态变量值, 以协调学科之间耦合状态变量的差异。该方法将复杂的整体结构优化问题分解为多个并行、独立的子结构优化问题。算例表明: 相比于整体结构优化, 该协同优化方法显著降低了整体结构分析次数, 能够更加稳定地找到更优解。
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  基于最优控制理论的电动汽车机械式自动变速器换档控制

  方圣楠, 宋健, 宋海军, 台玉琢, TRUONG Sinh Nguyen

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 580-586. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.015

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  提出了一种用于电动汽车的动力保持型二档机械式自动变速器, 该变速器主要由行星齿轮系统、离心摩擦离合器、带式制动器构成, 可以在两个档位之间进行无缝切换。解决了传统机械式自动变速器(AMT)在换档过程中存在的动力中断问题。建立了电动汽车动力传动系统的动力学模型, 采用基于动态规划和带约束的凸优化的变速器换档过程的最优控制方法, 以冲击度和滑摩功为评价指标, 求解换档过程的最优控制量, 实现变速器的最优换档控制。通过动力学建模与仿真, 对基于最优控制的变速器换档控制进行分析和优化, 对普通分段控制方法和最优控制方法进行对比。仿真结果表明: 该最优控制方法能够有效提高电动汽车的换档舒适性, 并在保证动力性能不降低的前提下减少离合器和带式制动器的摩擦损失。
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  质子交换膜燃料电池氢气渗透电流及电子电阻检测方法

  徐华池, 裴普成, 吴子尧

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 587-591. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.016

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  该文根据燃料电池在线性电位扫描下的响应特征, 建立了等效电路模型, 以区分电池内部的电化学过程, 包括氢脱附、双电层电容充电、电子内部短路以及氢气渗透。基于该模型, 改善了线性电位扫描的分析方法, 消除了扫描速率对结果的影响, 并解析得到了氢气渗透电流和电子电阻。根据模型假设, 详细阐述了恒电流扫描测量氢气渗透电流和电子电阻的分析方法。在一个34 cm²的单体电池上应用两种方法进行测量对比, 结果表明: 线性电位扫描得到的氢气渗透电流为1.19 mA·cm^-2, 电子电阻为479 Ω·cm²; 恒电流方法得到的氢气渗透电流为1.25 mA·cm^-2, 电子电阻为413 Ω·cm²。该模型可用于分析燃料电池各种电化学测量过程, 线性电位扫描方法和恒电流方法为燃料电池不同场合的测量和分析提供了参考。
热能工程
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  塔式尿素造粒粒径分析

  刘孝弟, 朱余乐, 吕俊复, 弭艳, 顾学颖

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 592-597. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.017

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  塔式造粒是当前生产中小颗粒尿素的主流工艺。根据塔式尿素造粒的物理过程, 分析了形成液滴的液柱的受力情况, 建立了液柱临界长度、 最大液滴直径的计算模型。模型计算与实验数据吻合得较好, 可以用于工程计算。利用该模型, 分析了喷口直径和各种操作条件对液滴直径的影响, 发现喷孔直径和喷孔所在处切向旋转速度对最大液滴直径的影响明显, 而喷孔液流速度影响较弱。塔体通风气流速度在低于1.5 m·s^-1时影响较小, 高于1.5 m·s^-1时影响显著。在一定范围内, 可以通过调整喷孔直径和喷孔所在处切向旋转速度来提高液滴最大直径, 但是液滴在造粒塔中下落冷却固化过程中可能出现二次分裂, 根据临界Weber数发现塔式尿素造粒的最大直径约是4 mm。
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  单颗粒煤焦在大空间中燃烧的数值模拟方法及实验验证

  刘雨廷, 何榕

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 598-604. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.018

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  为了对煤焦颗粒的燃烧过程进行更精确的预测, 该文从多组分混合反应系统守恒方程出发, 构建了一套能够精确模拟煤焦颗粒燃烧过程的数值方法。该方法细致描述了煤焦颗粒边界层内发生的一系列物理化学过程, 有助于煤焦燃烧机理的研究, 计算量也不大。该方法还可以用于对流动形态较为简单的实际工况的模拟, 如煤焦颗粒在沉降炉内燃烧等。通过实验测得4种煤焦在沉降炉中燃烧的最终转化率, 并运用该方法对其进行预测, 证明了该方法的可靠性。模拟结果表明: 随着环境温度的升高, 煤焦燃烧速率加快, 颗粒边界层中O₂摩尔分数下降更多, 而产物CO和CO₂的摩尔分数却明显上升。
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  单颗粒煤粉热解时焦油的二次反应和扩散

  张盛诚, 何榕

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 605-610. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.019

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  建立了数学模型来研究单颗粒煤粉热解时焦油的生成规律。该模型基于碎片化与扩散(FD)煤热解模型, 考虑了一次气体产物在颗粒内部的二次反应和扩散, 用沉降炉热解实验验证了模型的正确性。用该模型研究了热解终温、加热速率和颗粒粒径对杨村煤热解时焦油生成的影响。结果表明: 二次反应和扩散之间的竞争对焦油的生成有很大影响。热解终温和加热速率的上升会促进焦油的二次反应和扩散, 对二次反应的促进作用更强。颗粒粒径的增大会促进二次反应, 阻碍扩散, 因此对二者之间的竞争影响更大。热解终温的上升、加热速率的上升和颗粒粒径的增大都会降低最终的焦油产率。
精密仪器
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  感应同步器测角系统误差测试及补偿

  李海霞, 张嵘, 韩丰田

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 611-616. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.020

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  工程实用的高精度感应同步器测角系统因安装及校准等条件的限制, 有时难以应用圆光栅进行误差密集测补来提高精度。针对该问题研究了一种稀疏误差采样及补偿方法。在分析感应同步器测角系统误差特性的基础上, 提出先测补零位误差引起的细分误差成分, 再处理剩余细分误差的方式, 给出了由棱体获取全面、有效零位误差的方法及应用稀疏误差数据补偿的具体过程。实验表明: 应用该方法后某测角系统精度由最大误差峰峰值11.7″提升至 2.9″。该方法零位误差剔除充分, 实现了稀疏采样条件下感应同步器测角系统误差的全范围有效补偿。
  
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  残余奥氏体含量涡流检测仿真与特征提取

  韩赞东, 李永杰, 李晓阳

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 617-621. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.021

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  钢中残余奥氏体对材料的机械性能及热稳定性有很大的影响, 由于奥氏体相的相对磁导率远小于铁磁性相, 而相对磁导率是影响涡流检测的重要因素, 因此可以采用涡流检测的方法对钢中残余奥氏体的含量进行检测。利用有限元分析方法对不同相对磁导率的试样进行涡流检测仿真, 仿真结果表明: 交流电桥的输出信号的幅值和相位与试样的相对磁导率有很好的对应关系, 输出信号的幅值和相位可以作为特征量, 与经过适当处理的相对磁导率有很好的线性相关性。利用相对磁导率与残余奥氏体含量的关系即可实现对残余奥氏体含量的检测。
机械工程
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  基于参考电压相量法的涡流检测提离效应抑制

  孙振国, 蔡栋, 李东, 张文增, 陈强

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 622-625,632. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.022

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  为了有效抑制涡流检测的提离效应对缺陷信号的干扰, 在分析提离效应对探头线圈电压影响的基础上, 提出并实现了一种基于参考电压相量法的提离效应抑制电路, 并采用移相和幅值放大电路以实现相位和幅值的解耦调整, 使相位和幅值的调整相互独立, 从而提高参考点的调整效率, 并设计试块对该提离效应抑制方法进行实验验证。实验结果表明: 提离效应经过参考电压相量法抑制后, 缺陷信号幅值可达到提离信号的20倍, 可忽略提离效应对缺陷信号的影响。
  
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  基于重复滑模观测器的直线电机系统干扰估计

  李方, 叶佩青, 严乐阳, 张辉

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 626-632. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.023

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  采用常规滑模观测器(SMO)进行干扰估计时, 对时变干扰无法实现无静差跟踪, 并且估计信号存在抖振。针对一种重复运动直线电机系统, 同时存在周期性和非周期性干扰, 该文提出一种重复滑模观测器(R-SMO), 能够有效克服常规SMO的不足。它将周期性干扰的动力学模型(即内模)引入到观测器中, 能够渐近收敛于周期性干扰; 而滑模切换项只需针对非周期性干扰进行设计, 可以大幅度削减抖振。该文给出了R-SMO的渐近收敛性证明。实验结果表明: R-SMO能够有效地估计出直线电机系统的干扰, 用于前馈补偿后提高了跟踪精度, 并且在收敛精度和抑制抖振方面均优于常规SMO。该方法还可以扩展到多周期干扰系统和非重复运动领域。
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  平面柔性铰链机构的柔度计算方法

  杜云松, 李铁民, 姜峣, 张京雷

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 633-639. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.024

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  作为一种高精度的微动机构, 柔性铰链机构已经在多个工业领域得到应用。该文针对平面柔性铰链机构, 对机构设计中柔度计算方法进行了研究。在分析了一般柔性铰链的柔度计算方法的基础上, 利用虚功原理, 推导出单个铰链的变形/受力相较于整个机构的变形/受力的关系; 利用矩阵分析方法, 结合串联机构和并联机构的单元与终端的变形/受力的互逆形式的传递规律, 分别获得了简洁的串并联柔性铰链机构的柔度计算公式。针对3种典型的串并联柔性铰链机构, 进行了柔度计算和不同机构参数与各方向柔度关系的分析, 并利用经典的有限元法进行了对比仿真实验。实验结果表明: 该方法的计算结果与有限元法最大相差7%, 平均相差3%。这表明该方法能够为平面柔性铰链机构的设计和结构优化提供参考。
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  圆柱透视投影轮廓的隐式方程描述和拟合方法

  谢颖, 杨向东, 芮晓飞, 任书楠, 陈恳

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 640-645. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.025

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  为了提高从视觉图像中识别并提取圆柱透视投影轮廓的鲁棒性和精度, 将由直线和椭圆组成的投影轮廓曲线用含约束的二元高次隐式方程进行描述。采用该描述方式可将轮廓曲线拟合问题通过线性近似转化为含有非线性约束的非线性优化问题。针对该问题求解时, 先粗略地估计出曲线参数的初值, 再利用初值筛选出内点, 最后采用罚函数法将问题转化为求解无约束问题从而求得该优化问题的解。由于该描述方式引入了轮廓中直线和椭圆的相互约束, 采用该描述方式的轮廓曲线拟合方法比采用独立的直线或椭圆识别方法提取轮廓, 具有更强的抗噪能力。仿真和实物图像的实验结果表明, 该方法能有效提高圆柱投影轮廓曲线拟合的鲁棒性和精度。
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  大口径阀门阀体多向模锻成形的模具优化设计

  胡福生, 张磊, 林峰

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 646-649,655. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.026

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  多向模锻是现阶段大口径阀门阀体生产工艺。多向模锻冲头存在过早断裂以及表面压溃变形等问题, 冲头使用寿命较短。锻件金属流动的不均匀性是导致冲头受力偏载发生断裂的首要原因, 冲头材料热强性较低导致表面发生压溃变形。该文通过优化模具设计改善锻件金属流动趋势, 改变冲头与压机的连接方式以减少冲头根部应力集中, 采用FGH96高温合金作为锻压冲头材料, 提高冲头的高温变形抗力。工艺分析及实验表明: 优化模具圆角, 水平冲头表面采用光滑化设计, 可有效降低冲头连接部位应力集中水平, 防止冲头在生产中发生断裂; 采用FGH96材料制造的水平冲头在连续生产时, 冲头应力水平低于屈服强度, 冲头未发生压溃现象。所设计的锻压3吋(7.62 cm)旋塞阀用压机水平冲头, 经现场实验, 其冲压次数达到100件, 未发生断裂及表面压溃, 冲头的使用寿命有较大幅度延长。
航天航空
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  微纳卫星编队的欠采样传输无源定位方法

  李振强, 黄振, 陈曦, 葛宁

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 650-655. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.027

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  基于微纳卫星编队的到达时差(TDOA)/到达频差(FDOA)无源定位系统中, 定位精度的提高需大幅度增加链路传输数据量, 在星间链路带宽受限情况下将严重制约系统的工作效率。该文提出了一种欠采样传输时频差估计方法, 在不增加传输数据量条件下, 保持TDOA估计精度不变, 且FDOA估计精度随欠采样所形成的时间扩展显著提升。分析了欠采样传输的时差估计精度, 以及最大欠采倍数约束条件。仿真表明: 对于宽带信号, 该方法在传输数据量相同条件下, 定位性能相对于压缩感知(CS)方法可提升6倍以上。
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  卫星高速数传系统多码率融合LDPC编码器设计

  葛广君, 殷柳国

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 656-660. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.028

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  针对卫星高速数传系统的高增益、多码率、高可靠性通信编码应用需求, 提出了一种低密度奇偶校验(LDPC)码组的低实现复杂度、高速的编码器设计实现方案, 通过高效复用不同码率和不同扩展因子的编码硬件资源, 并采用低存储和局部三模冗余设计, 有效降低了多码率高速LDPC编码器的整体硬件规模并显著提升了编码速率和可靠性。现场可编程门阵列(FPGA)实现结果表明: 该方法设计的融合28种码字的航天加固编码器可基于单片Xilinx XC2V3000 FPGA芯片实现, 最高编码速率可达3.2 Gb/s; 其触发器、查找表和存储器资源与已有方案相比, 分别降低了24.5%、34.4%和11.1%。该编码器设计方案在当前及未来的卫星数传系统中具有较高应用价值。
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  加力燃油离心泵关死点工况引射冷却分析

  范红雨, 陆奇志, 龚景松, 朴英

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 661-665. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.029

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  针对加力燃油离心泵关死点工况存在燃油温升高的问题, 采用从泵入口引入一小股旁路燃油引射冷却叶轮腔室的设计。运用Reynolds时均(RANS)方法, 结合剪切应力输运(SST)湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型, 对加力燃油离心泵引射冷却降温进行了分析。结果表明: 采用旁路燃油引射冷却叶轮腔室的设计, 可以有效解决加力燃油离心泵关死点工况燃油温升高的问题。采用引射装置的加力燃油离心泵, 在叶轮中心存在气心, 使加力燃油离心泵消耗的功率减小, 叶轮摩擦产生的热量也变小, 因此燃油温升降低。
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  能见度对垂直收发模式紫外散射信道的影响

  孙禹, 詹亚锋

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 666-671. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.030

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  基于光子计数检测信道模型与光子多次散射大气传播模型, 通过定量仿真, 研究大气能见度对不同收发间距下垂直收发模式紫外散射信道的路径损耗、多径时延扩展与二进制启闭键控(OOK)调制方式下系统可达速率的影响。仿真结果表明: 在给定收发间距下, 随着天气条件改善、能见度上升, 多径时延扩展随之增大, 光子在大气传播过程中的多径效应更显著; 当收发间距确定后, 存在最佳能见度使路径损耗最小, 当收发间距增大时, 该最佳能见度也随之上升; 当收发间距给定时, 存在最佳能见度与波特率使系统可达速率最大, 当收发间距增大时, 最佳能见度逐渐上升, 最佳波特率以及对应的可达速率最大值逐渐减小。
工程物理
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  用单一光源标定光子计数探测器

  冯初晴, 沈淇, 康克军, 邢宇翔

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 672-676. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.031

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  光子计数探测器在X光能谱CT成像中应用越来越广泛。受到脉冲堆叠、 电荷共享等物理作用的影响, 目前的光子计数探测器的能量标定方法具有一定的局限性。该文提出了一种只用一个单能光源对探测器进行标定的方法, 通过充分挖掘及利用有限的数据, 运用迭代的方法, 最终确定探测器各阈值所对应的能量。该方法不仅实验量小, 操作简单, 标定结果较准确, 还考虑了对小像素探测器标定有较大影响的电荷共享问题, 且具有普适性, 对其他光子计数探测器的标定也有一定的帮助。
经济与管理
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  谁在中国股票市场中“博彩”?——基于个人投资者交易数据的实证研究

  廖理, 梁昱, 张伟强

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(6): 677-684. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.037

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  在股票市场中, 具有低价格、 高换手率以及高历史极端正收益等特征的股票符合博彩活动的特点, 投机性较强, 被称为博彩型股票。一些投资者更倾向于持有此类股票, 表现出较强的博彩性投资偏好。该文使用个人投资者的股票交易数据, 对投资者的博彩性股票交易行为进行研究, 结果发现: 1) 个人投资者存在明显的博彩性投资偏好, 其投资组合中博彩型股票的比重(14%)显著高于市场平均水平(9%); 2) 从投资者个人特征看, 具有年轻、 男性、 投资经验少、 换手率高以及处于西部地区等特征的个人投资者更偏好博彩型股票; 3) 在牛市期间, 个人投资者的投机性更强。