2020年, 第60卷, 第11期　
刊出日期：2020-11-15

  

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汽车工程
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  带式制动器动态制动力矩特性

  李飞, 宋健, 方圣楠, 卢正弘, NGUYEN Truong Sinh

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 887-894. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.21.005

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  带式制动器作为动力保持型三挡自动变速器（automatic mechanical transmission，AMT）换挡执行元件之一，其动态力矩特性对换挡品质至关重要。为进一步研究带式制动器的动态力矩特性，论文建立了带式制动器有限元模型，设计了样机实验台架，完成了不同工况的实验测试。结果表明：动态制动力矩不仅与制动鼓转速、制动力大小、制动力作用半径等因素有关，同时也取决于制动力加载的速度；相同条件下，制动力加载速度越快，制动带产生的动态制动力矩越小，并从动水升力角度作了定性分析。依据实验结果，提出等效动摩擦因数、等效力矩输入系数及补偿系数的概念，得到动态制动力矩的经验公式，从而将制动力加载速度融入到动态制动力矩中。
  
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  锌空燃料电池老化实验研究与机理分析

  陈东方, 裴普成, 宋鑫

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 895-901. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.022

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  耐久性不足严重制约了锌空燃料电池的商业化发展，对电池的老化特性及机理进行实验研究和分析十分必要。该文基于电池应用时面临的单次稳定运行、长周期连续稳定运行、停机储存和周期性启停循环等主要工况提出了锌空燃料电池的耐久性测试评价方法，开展了老化实验。研究了不同工况下电池的老化特性，并结合实验结果分析了老化机理。最后，从电解液管理、延长空气电极寿命和电池管理3个方面提出了延缓电池老化的方法。实验结果表明：该文提出的耐久性测试评价方法可用于锌空燃料电池的老化特性及耐久性提升方法的研究。
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  底部爆炸条件下车内乘员损伤风险仿真评估

  王波, 何洋扬, 聂冰冰, 许述财, 张金换

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 902-909. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.021

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  在近年来发生的几场局部战争中，地雷及简易爆炸物造成了大量人员伤亡。为了解车辆底部爆炸条件下车内乘员的损伤特点，构建了包含乘员、车体结构及爆炸流场的仿真模型，研究了车辆乘员身体主要部位损伤风险。利用LS-DYNA的流固耦合算法求解爆炸流场与车体结构的相互作用，分析了爆炸冲击的传递路径及乘员典型运动姿态。基于人体有限元模型，以6 kg及8 kg TNT 2个爆炸当量工况为研究对象，对车辆乘员头部、脊椎、骨盆及下肢等身体部位进行损伤风险评估。仿真结果表明：对于佩戴安全带的乘员，其足踝部及胫腓骨损伤的风险最高，其次为骨盆及胸腰椎。研究结果可为车辆防护设计提供参考，从而提高乘员安全性。
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  无同步器的电机-变速器直连系统换挡过程建模与控制

  曾远帆, 陈红旭, 王立军, 田光宇, 周伟波

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 910-919. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.018

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  换挡过程的动力中断和冲击是制约多挡位变速器系统在纯电动汽车中大规模应用的主要原因。该文以无同步器的电机-变速器直连系统为研究对象，运用多体动力学原理建立能够准确描述其换挡过程动力学特性的混杂自动机模型；基于该模型各个阶段的动力学特性，设计了转速主动同步与转角主动同步协同的换挡控制策略，在换挡过程中实现了接合套和接合齿圈的转速与转角的精确同步。仿真实验结果表明：换挡过程的混杂自动机模型与实际过程相符，换挡控制策略能够使无同步器的电机-变速器直连系统实现快速、无冲击的换挡，将动力中断时间缩短到350 ms内。
机械工程
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  基于个性化导联选择策略的脑机交互康复训练临床初步研究

  贾天宇, 钱超, 李翀, 季林红, 刘爱贤, 方伯言

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 920-926. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.017

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  脑机交互（BMI）技术可识别人体运动意图，并控制机器人辅助卒中患者患肢动作，有效刺激肢体运动及感觉反馈神经环路。卒中患者的损伤类型、损伤程度和损伤部位极具个性化，大脑皮层中运动意图的表达可能会出现不同程度的迁移现象。该文提出一种基于个性化导联选择策略的脑机交互康复训练方法，将患者运动意图表达脑区作为BMI系统信号采集点。该研究共纳入3位卒中患者，分别完成10 d的康复训练，采用基于个性化导联选择策略的BMI康复训练方法，所有患者分别在训练前、后进行临床量表评价和脑电信号（EEG）评估。结果显示：受试者在训练后Fugl-Meyer量表评分提升，其中1位出现运动诱发电位，表征神经通路激活。该基于个性化导联选择策略的脑机交互康复训练方法应在大量患者样本中进一步验证。
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  基于飞轮转速自适应规划的伺服线能量管理

  彭发忠, 张朋, 王立平, 邵珠峰, 杨迪, 杨快

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 927-933. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.014

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  大型伺服冲压线中的主驱动电机功率通常达到MW量级，由于需要驱动滑块频繁加减速，容易造成巨大的电网冲击和电能损失。为了保证大型伺服冲压线的平稳高效运行，能量管理系统是不可或缺的重要功能模块。该文针对采用飞轮储能的大型伺服冲压线的能量管理方法展开研究，基于梯度投影算法和B-样条曲线速度规划，提出了一种半周期飞轮转速自适应规划算法。该算法在引入约数周期正弦扰动时表现出较好的抗干扰能力，避免了飞轮转速突变的问题。利用Simulink建立了伺服冲压线的理论仿真模型，仿真结果表明：所提出的飞轮转速自适应规划算法能够显著改善进线功率和母线电压的波动，为大型伺服冲压线的能量管理提供了一种有效方法。
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  上楼自然行走质心机械能分配与代谢消耗规律

  兰箭, 张继文, 付成龙, 陈恳

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 934-942. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.017

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  上楼自然行走的质心机械能分配和代谢消耗对于深入研究上楼行走的机理具有重要的意义。该文建立了上楼行走模型，定义了反映质心机械能分配和代谢消耗的相关参数，建立了这些参数与垂直地面反力之间的数学关系，通过实验测试和讨论分析，得到质心机械能分配的规律为：在双腿支撑期和单腿支撑期内，单腿做功的平均功率均小于一步内的平均质心功率，双腿支撑期前腿和后腿做功比较均衡，前腿略大，能量分配的规律使垂直地面反力曲线形状变化小，并有利于单腿支撑期时保护膝关节。质心机械能代谢消耗的规律为：上楼自然行走比较节能，但并非最节能，表现为垂直地面反力曲线略凹，这种能耗方式可以避免踝关节提前跖曲和产生过大的跖曲角度。
水利水电工程
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  项目工作扰动下的项目型组织人力资源管理制度

  安楠, 强茂山, 郑俊萍, 温祺

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 943-950. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.012

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  项目型组织的人力资源管理制度配置应充分考虑项目频繁发起和结束带来的扰动。该研究通过问卷调研了155个中国项目型组织的人力资源管理制度配置和项目工作扰动程度，构建了两者关系的定量分析模型，揭示了项目工作扰动对人力资源管理制度配置的两方面影响：提高能力、增强激励和提供机会的人力资源管理制度是应对项目工作扰动的有效响应机制；项目工作扰动会影响人力资源管理制度的实施条件和发挥效果。
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  青藏高原典型流域河网特性及控制因素

  李敏慧, 陈毅, 吴保生

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 951-957. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.030

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  青藏高原地区由于地质构造运动活跃、高原气候独特，导致河网水系具有一定的空间差异性与发育程度多样的特点。该文以洮河、雅砻江和拉萨河3个典型流域为代表，对青藏高原的河网水系特性及控制因素进行了研究。基于90 m分辨率的SRTM DEM数据，利用DEMRiver程序提取了青藏高原3个子流域的河网与干流纵剖面。计算得到雅砻江、洮河和拉萨河流域分支比分别为4.46、5.00和4.37，河长比分别为2.35、2.71和2.30；洮河和拉萨河的纵剖面凹度值分别为-0.129和-0.082，呈下凹形态，雅砻江的纵剖面凹度值为0.009，呈上凸形态。对比原始定义和斜率法得到的Horton比，结合流域气候条件和构造活动，分析了不同级别河流特性的控制因素。结果表明，气候作用在青藏高原河网低级别河流的平面结构及纵剖面形态中得到了较好地体现；而雅砻江流域构造运动强烈，区域河网被破坏，河网试图通过河流袭夺以恢复平衡状态，构造运动控制着该区域高级别河网的平面结构及纵剖面的演变。
  
航空航天与工程力学
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  入口空气参数分布对薄膜式全热交换器性能影响的数值研究

  沈志杰, 闵敬春, 段江菲

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(11): 958-966. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.010

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  薄膜式全热交换器是一种可同时回收热量和湿份的空气-空气热回收装置，其换热芯由具有良好透湿性的膜材料制成，通常用来减少建筑能耗并改善室内空气品质。由于全热交换器内部通道分布不均或外部干扰，全热交换器入口空气可能存在分布不均的情况。该文采用数值计算研究了薄膜式全热交换器入口空气参数分布对全热交换器传热传质特性的影响，包括入口空气温度、含湿量和速度分别呈线性和抛物线分布的情况。建立了全热交换器传热传质模型，通过数值计算得到了不同入口条件下全热交换器的显热效率、潜热效率和全热效率以及全热交换器薄膜两侧的温、湿差分布云图。结果表明：入口空气参数的线性分布对全热交换器效率影响较为明显，而抛物线分布对效率影响很小，但二者对薄膜两侧的温、湿差分布均有影响；传热传质相互影响并存在耦合，但传热对传质的作用很弱；入口空气温度和含湿量分布越不均匀，越容易出现反向传热传质现象，从而恶化传热传质。