2016年, 第56卷, 第10期　
刊出日期：2016-10-15

  

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机械工程
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  基于白化变换及曲率特征的3维物体识别及姿态计算

  郑军, 魏海永

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1025-1030. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.033

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  为解决3维物体识别及姿态计算问题，提出了一种基于白化变换和改进U弦长曲率特征的图像识别及姿态计算方法。该方法首先提取物体的2维形状特征，然后使用白化变换对模板物体图像轮廓和目标物体图像轮廓进行处理，使处理后的轮廓点集仅存在旋转关系；根据改进后的U弦长曲率方法，求取两轮廓的曲率，并进行匹配。实验结果表明：该方法具备较好的仿射不变性，其识别速度达到58 ms/帧（CPU：2.3 GHz；内存：4 GB），识别率在无遮挡情况下达到了100%，姿态检测精度达到了1.5°。
  
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  复杂空间轨迹焊接过程运动规划方法

  曾锦乐, 都东, 常保华, 洪宇翔, 常树鹤, 潘际銮

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1031-1036. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.034

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  在复杂空间轨迹构件自动焊接场合，对执行机构运动参量的合理、准确规划是保证良好焊缝成形质量和冶金质量的前提。针对已有的运动规划方法未能在空间轨迹焊接中满足焊接速度和位姿恒定等工艺要求问题，该文提出了一种适用于任意复杂空间轨迹焊接的运动规划方法。该方法首先对待焊轨迹上的离散点进行B样条插补，然后建立空间轨迹焊接运动学模型并进行逆运动学求解，获得每个时刻各关节的位移和瞬时速度。仿真计算结果表明：该方法可保证在整个焊接过程中焊接区始终处于水平状态，且焊接速度、焊炬倾角、焊炬末端与焊接区距离保持恒定的预设值。该文提出的焊接运动规划可应用于复杂空间轨迹电弧焊、激光焊和搅拌摩擦焊等自动焊接场合。
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  2219铝合金VPTIG焊接残余应力的数值分析

  李艳军, 吴爱萍, 刘德博, 赵海燕, 赵玥, 王国庆

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1037-1041,1046. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.035

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  2219铝合金经过焊接后出现了严重的软化，为了阐明焊后软化对焊接残余应力计算精度的影响，采用热-弹-塑性有限元计算方法模拟了2219铝合金平板变极性惰性气体保护对接单道焊时的温度场和应力场，并考虑了加工硬化和退火效应的影响。结果表明：软化现象对焊接残余应力的计算结果有显著影响，不考虑焊后软化时会高估焊缝区及其附近的残余应力水平。通过对比计算结果与实验测量结果可知，综合考虑加工硬化、退火效应及接头软化的情况下，数值模拟结果与实测结果吻合较好，说明该数值模拟方法具有较高的计算精度。
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  诱导脑部损伤患儿主动训练的电子手套

  刘亚丽, 关鑫宇, 季林红, 董婕

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1042-1046. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.036

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  多数脑部损伤患儿患侧手指肌张力大，拇指呈内收状态，无法完成手指的张合动作，存在着手功能损伤。然而，临床上患儿手功能康复训练方式单调枯燥，不符合患儿的心理特点。该文设计了一种基于患儿心理特点的利用声、光信号诱导患儿主动训练的电子手套，并在中国康复研究中心进行了临床实验。实验表明：患儿患侧手指表面肌电信号的中位频率在康复训练后增大，说明用手套进行康复训练使患儿患侧肌肉耐力提高；静息状态下，患侧大鱼际肌与拇长伸肌表面肌电信号均方根与平均幅值在康复训练后减小，表明静息状态下大鱼际肌与拇长伸肌肌张力下降，患儿患侧手指运动控制能力增强。实验结果验证了该电子手套在脑部损伤患儿手功能康复训练中的有效性。
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  5轴混联机床运动学标定的测量轨迹评价及误差补偿

  刘宇哲, 吴军, 王立平, 汪劲松

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1047-1054. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.037

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  该文以一台5轴混联机床为对象，对运动学标定中的测量轨迹评价和误差补偿进行实验研究。根据矢量闭环方程和一阶摄动法，分别建立了混联机床的运动学模型和误差模型。基于向量非正交度的描述方法，提出了一种用于评价测量轨迹的指标。利用该指标设计两个不同测量轨迹，并分别进行了标定实验研究，验证了指标的有效性。分析和比较了基于运动学正解和逆解的误差补偿方案，并通过标定实验验证了基于运动学逆解的误差补偿方案更能有效提高该机床的精度。“S”形试件切削实验结果显示94%的测点合格，验证了该指标和误差补偿方案的有效性。
精密仪器
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  非线性振动条件下估算谐振梁品质因数

  严斌, 刘云峰, 董景新

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1055-1060. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.038

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  硅微谐振式加速度计在真空封装后出现非线性振动，导致测量品质因数的常规方法失效。为了能对真空封装的加速计进行精确监测，提出了一种品质因数测量方法。该方法基于谐振梁的非线性振动模型，通过将扫频数据按照模型公式拟合得到品质因数，适用于非线性振动时的情况。利用谐振式加速度计进行实验，验证了该方法的一致性和准确性，测得加速度计品质因数均在2×10⁵以上。使用该方法对真空封装的气压与品质因数的关系进行了研究，表明真空封装的气压保持在0.1 Pa左右；并对真空封装进行了温度实验和长期跟踪，证明了真空封装的可靠性。
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  基于AlN/α-SiC的声表面波谐振器应变响应特性

  陈硕, 尤政

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1061-1065. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.039

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  面向高温环境应用的微纳传感器在燃气轮机健康监控、地热井环境监控等领域具有广泛的应用前景。该文主要介绍了一种基于AlN薄膜和α-SiC衬底的声表面波谐振器，讨论了谐振器的应变敏感性来源，提出了一种基于应变场-波速关系计算谐振器应变敏感系数的方法。采用微纳米加工工艺加工了谐振器，并进行了材料表征。测量了谐振器的应变敏系数：具有1.5 μm厚AlN压电薄膜的AlN/α-SiC基声表面波谐振器在298 K下应变敏感系数为0.515×10^-6/με，与计算结果具有较好一致性。
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  基于北向陀螺零偏自观测的捷联惯性导航系统双位置初始对准方法

  彭卓, 郭美凤, 张嵘, 罗寿红

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1066-1071,1078. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.040

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  传统捷联惯性导航系统单位置初始对准系统不完全可观测，不可观测的东向陀螺零偏造成航向估计的主要误差。双位置初始对准可以改善系统的可观测性，但一般需要精确的转位机构，不便于工程应用。该文提出一种基于北向陀螺零偏自观测的双位置初始对准方法，只需陀螺载体在近似水平的任意两个位置停留片刻，从第1位置提取北向陀螺零偏信息传递给第2位置作为观测量，即可提高东向陀螺零偏的可观测度并提高航向对准精度。为了寻找最优转角，提出一种全面可观测度分析方法，将可观测度细分为表征不同条件下同一状态可观测程度的相对可观测度和表征状态收敛速度的可观测阶两部分，利用相对可观测度分析得出最佳转角为±90°，并进行了仿真实验验证。实测实验结果表明：相比于单位置对准，双位置对准将航向误差由0.268°降低到0.041°，并可估计出水平陀螺零偏。
热能工程
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  不同酸体系对微波消解法测量燃煤副产物中痕量元素的影响

  朱振武, 禚玉群

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1072-1078. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.041

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  微波消解法是测定飞灰和脱硫石膏等燃煤副产物中痕量元素含量的常用前处理方法。该文对现有微波消解方法进行总结分析，基于美国环保局Method 3052标准消解程序，研究了HNO₃、HNO₃-HCl和HNO₃-HF-H₃BO₃ 3种酸体系对脱硫石膏标准物质（FGD-2）的消解，采用电感耦合等离子质谱仪对As、Be、Cd、Co、Cr、Mn、Pb和Se含量进行测量，结果表明：采用HNO₃-HF-H₃BO₃消解效果最好，Cr、Mn、Se等元素的回收率分别为93.5%、88.0%、97.7%。采用该方法对飞灰标准物质（GBW 08401）进行消解，As、Co、Cr、Mn、Pb和Se等元素的回收率也在90.6%~101.8%，Be和Cd的回收率较差。建立了采用HNO₃-HF-H₃BO₃进行微波消解后，通过电感耦合等离子质谱仪测量燃煤副产物中痕量元素含量的方法。
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  基于显微CT技术的结焦砂3维孔隙结构精细表征

  史琳, 许然, 许强辉, 须颖, 郑立才

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1079-1084. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.042

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  结焦带的结焦情况是影响稠油火烧油层技术开发成效的重要因素。目前该领域对于焦炭分布情况和结焦量的研究停留在2维表面观察和宏观实验参数测定，无法深入描述稠油火烧过程作用机理和进行较准确的数值模拟。显微CT技术作为一种无损获得材料内部微观结构信息的技术已经开始应用于石油地质领域。该文利用油层高温高压反应模拟实验装置在实验室环境下获得结焦砂样品，并利用显微CT技术得到结焦样品孔隙尺度的3维重构图像。该研究通过选择适当的扫描参数获得相对较高对比度的灰度图，再通过分水岭分割法和Chen-Vese模型算法对CT灰度图进行图像分割，得到表征孔隙、焦炭和模拟砂的3维重构图。为了验证图像的真实性，采用TGA热重分析仪和真密度计进行实验验证，并通过建立表征函数证明显微CT 3维重构图像的真实性和合理性。该研究为稠油火烧油层领域结焦量、结焦量与孔隙度关系以及多孔介质渗流模拟研究提供基础。
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  ADN基液体推进剂空间发动机工作过程模拟

  景李玥, 霍佳龙, 姚兆普, 游小清, 朱民

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1085-1090. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.043

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  二硝酰胺铵（ADN）基液体推进剂是一种绿色环保的新型推进剂，可在小型空间推进系统中使用。该文通过数值模拟对ADN基液体推进剂空间发动机的工作过程进行热流仿真。使用Euler-Lagrange方法描述推进剂的蒸发过程，使用多孔介质局部非平衡模型描述催化床内的传热过程，同时考虑气、液、固三相之间的耦合。使用包含18组分40步反应的ADN-CH₃OH简化反应机理来模拟气相物质的燃烧反应。数值计算所得发动机的宏观运行参数与实验值相符。结果表明：多孔介质会将催化床下游和燃烧室内反应所释放热量传导到催化床上游，强化推进剂的蒸发过程。在发动机内部，ADN与CH₃OH的反应并不同步。ADN的热解反应发生在入口附近，而CH₃OH的氧化反应发生在催化床中下游和燃烧室中。
汽车工程
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  汽车电子电器网络的全等双余度中央协调器

  苗丰, 连小珉

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1091-1096. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.044

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  汽车电子电器网络中的中央协调器负责全车电器的协调控制。为了保证汽车电子电器系统的安全性，需要提高中央协调器的可靠度。该文提出了一种主控辅助的全等双余度方案。设置两个硬件、软件均完全相同的中央协调器，通过控制器区域网络（CAN）总线收发仲裁帧进行随机竞争，完成主控协调器和辅助协调器的角色划分；通过收发状态帧进行在线实时故障互监测，并在检测到中央协调器一次故障时完成任务接替和驾驶员预警。实验证明：该全等双余度中央协调器系统可以良好运转。全等双余度方法可以在不增加设计制造成本的条件下有效提高系统可靠度，延长系统平均寿命。
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  考虑舒适性的电动汽车制动意图分类与识别方法

  潘宁, 于良耀, 宋健

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1097-1103. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.045

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  液压执行机构（HCU）在电动汽车上被广泛用作电液复合制动系统的液压力精确调节机构。为改善制动舒适性，需要采用合适的制动意图分类与识别方法。提出一种以提高舒适性为目的的制动意图分类方法，将制动意图分为常规减速、紧急制动和压力跟随，并根据分类结果控制液压执行机构；提出一种制动意图在线识别方法，用于在制动过程中在线识别制动意图的类别。该方法利用多传感器数据融合，使用神经网络对制动意图进行识别。仿真及试验结果表明，采用所提出的制动意图分类与识别方法后制动舒适性及安全性得以改善。
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  扁长杆的冲击弹塑性屈曲特性分析的仿真有限元模型

  刘赛, 吕振华

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1104-1108. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.046

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  已有文献进行了微弓形扁长金属杆在轴向重物冲击下的动态屈曲实验研究，得到了扁长杆冲击屈曲响应的典型结果，但已有文献及后来相关论文的模拟计算精度较低。为了提高典型扁长杆的冲击屈曲特性的计算分析精度，该文研究了扁长杆的冲击屈曲特性分析的有限元建模方法，改进了有限元模型边界条件的建模仿真度（考虑了转动铰配合间隙、摩擦等），并探讨了有限单元型式及尺度的选择，以壳单元或实体单元模型代替梁单元模型。研究表明：采用改进边界条件（考虑转动铰配合间隙、摩擦等）和薄壳单元或厚壳单元或实体单元的仿真模型比采用理想边界条件和梁单元的原模型的计算结果精度显著提高；基于改进模型的计算分析结果，揭示了该扁长杆受冲击载荷作用时的3维动态反向屈曲行为。
航天航空
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  电控单缸柴油机燃烧室设计与实验研究

  兰旭东, 潘春雨, 周明

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1109-1113. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.047

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  为了满足发动机动力性、经济性和排放的要求，设计与进气系统和燃油喷射系统相匹配的燃烧室构型至关重要。采用数值模拟和实验验证相结合的方法，对电控单缸柴油机的燃烧室进行设计和优化。参考基准机型的主要结构参数，完成燃烧室结构设计，采用Euler-Lagrange联合仿真法对发动机标定点和扭矩点的性能进行计算，并与实验结果对比；对燃烧室结构进行参数化建模，研究标定点和扭矩点工况下燃烧室缩口比、燃烧室深度、燃烧室内径3个关键结构参数对发动机耗油率和排放的影响。结果表明：Euler-Lagrange联合仿真法满足燃烧室设计要求；在进气系统和燃油喷射系统确定的情况下，燃烧室的3个关键结构参数对发动机性能有显著影响。
  
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  重油航空活塞发动机技术路线分析

  冯光烁, 周明

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1114-1121. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.048

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  分析了重油航空活塞发动机的两条技术路线：点燃式（Otto循环）和压燃式（Diesel循环）。点燃式重油航空活塞发动机功重比较高，但是燃油消耗率高，存在爆震、起动困难、电磁兼容性较差、可靠性较低、功率覆盖范围较小等弱点。缸内直喷、气动喷嘴和高能点火技术是点燃式发动机需攻克的关键技术。压燃式重油航空活塞发动机燃油消耗率低、续航能力强、电磁兼容性较好、可靠性高、功率覆盖范围较大，但是功重比较低、振动较大。高功重比、先进电控及燃油喷射、可调高压比增压技术是压燃式发动机需攻克的关键技术。研究了目前重油航空活塞发动机的主要案例，结果表明：点燃式和压燃式方案均是可行的，且各有一些关键技术需要攻克，压燃式技术路线将是未来主流。
信息工程
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  Suomi-NPP夜间灯光数据与GDP的空间关系分析

  郭永德, 高金环, 马洪兵

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1122-1130. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.049

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  夜间灯光的遥感图像可去除大部分的自然干扰，使人类活动获得有效的反映，为社会经济空间化研究提供技术支持。该文用Suomi-NPP卫星获取的夜间灯光数据与GDP数据建立多种空间关系模型，以探索两者的空间分布规律，并对其中的影响因素进行分析。文中先对中国内地各省级行政区进行灯光信息统计，并计算各灯光指标，从而选取最佳灯光指标。实验结果表明，灯光区域的归一化总辐射指数与统计GDP的相关性更强。再以其作为灯光指标与统计GDP建立线性与非线性空间模型，最后选出较好的模型对GDP进行预测，其中线性、幂指数和Logistic曲线模型的拟合优度均达0.8以上。采用幂指数模型对2014年各行政单元的GDP进行预测，其平均相对误差为26.0%。
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  不同语种及非言语情感声音的ERP研究

  畅江, 张雪英, 张奇萍, 陈宏涛, 孙颖, 胡凤云

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(10): 1131-1136. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.050

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  事件相关电位（ERP）技术是一种研究人脑对声音运行机制的有效方法。该文从语言种类出发，研究语义理解程度在情感语音感知中是否存在显著性影响；从言语和非言语角度出发，研究言语是否对情感声音感知存在影响。实验中，首先采用端点检测法对声音信号进行预处理，使它的起始位置和内容在时间进程上基本一致，便于ERP波形的叠加；再根据实验设计进行ERP实验。实验结果发现：在ERP波形距离起始点200 ms左右出现在颞区的负走向波形可能与韵律感知和语义理解相关。根据该波形的潜伏期及波幅推测，人脑对熟悉的情感语音更具有敏感性，且对非言语情感声音处理的时间进程相对较快。