天津大学学报(自然科学与工程技术版) /zrb/oa 封一 /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909000 2019年07月10 00:00 2019年09 0 541646 <span>目录</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909001 2019年07月10 00:00 2019年09 0 116319 <span>应用于机器人辅助微创外科手术的术前规划方法</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909002 <span>机器人辅助微创外科手术(RMIS)技术可帮助外科医生有效克服传统微创外科技术的不足,提高外科医生对手术的执行能力,其所带来的良好的临床效果已被广泛接受.对于机器人来说,术前规划工作相对于传统微创外科手术更为复杂,合理的术前规划可以有效避免机器人末端执行器之间的相互干涉,提高机器人辅助微创外科手术的可操作性、可达性和可视性等,这对手术效果至关重要.本文将微创外科手术规划临床经验与机器人操作性能知识相结合,提出了一种基于多目标粒子群优化算法(MOPSO)的术前规划方法,从机器人有效工作空间、碰撞干涉检测、机械臂与器械末端运动灵活性及手眼协调性几个方面入手,对机器人进行综合性的定量评价,并以此为依据通过计算求解得出以合理的患者体表手术切口位置与机器人初始设置位置为主要目标的方案.为验证该方法的有效性,以机器人辅助腹腔镜胆囊切除术为实验范例,应用“MicroHand S”手术机器人系统为实验设备,针对同一名病患,将外科医生的经验方案和由算法计算得出的术前规划方案进行比较分析,其结果证明了该方法的优越性.实验结果表明,由优化算法得到的术前规划方法优势明显,有效地解决了以往仅依靠临床经验进行机器人辅助微创外科手术术前规划所带来的问题,提高了手术的安全性和效率.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 889 899 2531627 <span>梁 科<sup>1, 2</sup>,王树新<sup>1, 2</sup>,刘瑞达<sup>1, 2</sup>,李建民</span> <sup>1, 2</sup> <br /> <span>后装机源缆传送机构的改进设计及精度研究</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909003 <span>本文旨在改善近距离后装式放射治疗机在使用过程中易出现的放射源卡源的问题,同时为了提高后装治疗机放射源的源到位精度,针对后装放射治疗机的关键治疗机构——源缆传送机构,进行了结构改进设计.首先,针对机构中的关键零部件绕丝轮的槽形进行了改进设计,经过对比分析,选用三角形槽的设计方案,并通过计算60°夹角的三角槽对源缆的摩擦驱动力,证明三角形槽能够提供足够的摩擦驱动力.基于以上所做出的改进,实现了源缆传送机构中片基带对源缆的完全包覆,保证了源缆在出丝和收丝的过程中不出现乱丝的问题;其次,对源缆传送机构的弹簧张紧力进行了设计与计算,通过摩擦传动受力模型计算出张紧弹簧的最小张紧力值,确定了片基带与绕丝轮之间不出现滑移的条件;再次,设计了一种浮动导向管用于辅助源缆的出丝、收丝过程,分析了浮动导向管对提高源到位精度的影响;最后,基于电磁定位仪、光纤传感器以及直线导轨等元器件,创新搭建验证改进结果的实验平台,通过设置使用不同的弹簧张紧力、绕丝轮槽形以及浮动导向管的实验组别,进行对照实验.实验得到的数据显示,改进后的后装治疗机的源到位精度得到了提升,其精度为≤±0.6 mm,同时,后装治疗机出丝、收丝过程中的卡源现象显著减少.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 900 907 1308308 <span>杨志永,谢贤诗,李思远,姜 杉</span> <br /> <span>一类大转角两转动并联机构的构型分析与运动学优化设计</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909004 <span>面向航空航天和仿生设计等领域对大转角两转动并联机构的应用需求,围绕一类新型两自由度转动并联机构——2-RRRR&amp;2-RSR 机构的构型分析与运动学优化设计问题展开研究.首先,以投影关系为基础分析2-RRRR&amp;2-RSR 并联机构在给定工作空间内实现两自由度转动运动所需满足的几何条件,并针对两种投影情况分析机构的参数特解.其次,基于闭环矢量法求解2-RRRR&amp;2-RSR 并联机构的位置逆解,推导机构驱动角度与动平台姿态角之间的映射关系,继而利用RRRR 支链与RSR 支链的运动特点,获得机构动平台姿态角的正解模型.以此为基础,借助螺旋理论建立2-RRRR&amp;2-RSR 并联机构的速度映射模型,构建机构的广义雅可比矩阵,并通过软件仿真验证机构位置正、逆解及速度映射模型的有效性.再次,根据2-RRRR&amp;2-RSR 并联机构的运动特性,以奇异性、铰链许用转角范围、连杆安全距离为约束条件,借助极限边界搜索法求解机构动平台中心点的位置工作空间,进而对应位置工作空间等效获得机构的转角工作空间.最后,借助螺旋理论中运动与力的互易积的物理含义定义可描述2-RRRR&amp;2-RSR 机构瞬时功率传递特性的无量纲运动学性能评价指标,并结合工程实际需求设定机构的约束条件,实现机构的尺度参数的运动学优化设计.研究成果可为大工作空间两自由度转动并联机构的样机设计与控制策略制定奠定理论基础.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 908 916 2265891 <span>宋轶民<sup>1</sup>,周 培<sup>1</sup>,齐 杨<sup>2</sup>,霍欣明</span> <sup>1</sup> <br /> <span>固结磨料确定性研磨表面生成建模与实验分析</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909005 <span>基于CCOS 技术原理,提出高效、高可控性的固结磨料确定性研磨工艺.通过线研磨实验发现采用中心供给研磨液方式相比于传统四周供液方式有利于提高加工效率及表面质量.分析了工艺参数对加工后表面硬度的影响,通过扫描电镜观察研磨后的表面形貌,分析固结磨料研磨的材料去除机制.通过不同参数线研磨实验验证了材料去除率与工具转速、载荷、时间呈线性关系,表明固结磨料研磨工艺的材料去除过程符合CCOS 的卷积迭代原理.基于晶胞理论和磨粒粒径均匀的假设,建立了固结磨料研磨垫表面形貌的仿真模型.同时,模型考虑了磨粒浓度、磨粒粒度、研磨垫形状参数的影响.在固结磨料研磨垫形貌仿真数据的基础上,基于硬脆材料去除机理以及研磨垫与工件微观接触模型,考虑工件表面的力学性能,建立了一定参数条件下研磨垫与工件的接触间隙计算模型,进而建立了单点研磨去除斑模型.通过定点研磨实验验证了不同压力、转速、时长条件下单点研磨去除斑模型的准确性.将连续的研磨轨迹进行离散,考虑研磨垫形状、磨粒的尺寸和浓度、研磨工具的转速和承受的载荷、轨迹参数建立了总去除量与单点研磨去除量的卷积运算关系,提出固结磨料确定性研磨表面生成模型.开展不同参数下面研磨实验与表面仿真.结果表明,固结磨料确定性研磨表面生成模型能很好地预测不同参数下研磨去除的深度和研磨表面的残留误差,提高固结磨料研磨工艺的可控性.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 917 931 4716494 <span>林 彬<sup>1, 2</sup>,李凯隆<sup>1, 2</sup>,曹中臣<sup>1, 2</sup>,姜向敏<sup>1, 2</sup>,黄 田</span> <sup>2</sup> <br /> <span>基于BP神经网络的产品性能满意度预测分析</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909006 <span>为了解决传统性能设计缺乏复杂场景要素、忽略用户个性化行为等问题,提出一种用户体验评论数据驱动的产品性能满意度预测分析模型.通过分析在线评论数据,获知用户使用产品后的体验满意程度,在此基础上构建由产品结构配置和实际使用工况向性能满意度映射的神经网络模型,分析使用工况作用下的性能满意度影响因素及其影响方式.首先,结合领域本体知识概念和产品使用说明书,整理影响产品性能的相关结构配置要素.之后,以用户感知产品属性后发布的在线评论为数据源,借助自然语言处理技术进行评论内容的细粒度识别,获取产品的实际使用工况,包括使用的环境条件及用户的行为习惯;利用情感分析技术对用户在线评论内容的情感正负倾向进行标定,叠加到用户主观选择的产品评分上,作为用户对该项性能的满意度评分.接着,构建由结构配置要素、使用环境条件和用户行为习惯向性能满意度评分映射的BP 神经网络模型,训练后的模型具有较好的预测功能,可以给定新的配置方案,进行不同使用工况下的满意度评分预测.最后,对不同性能结构配置组合方案进行用户满意度预测,分析其中的关键因子及因子间的交互效应.以汽车产品动力性属性为例,进行模型验证,对汽车动力性指标设计和改进提供参考和帮助.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 932 940 1055812 <span>邵宏宇<sup>1</sup>,孟 琦<sup>1</sup>,赵 楠<sup>1, 2</sup>,陈 辰<sup>1</sup>,郭 伟</span> <sup>1</sup> <br /> <span>燃烧边界条件对异辛烷自燃及爆震的影响</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909007 <span>爆震现象是限制现代高强化内燃机热效率大幅度提高的关键技术瓶颈,而目前其机理尚不完全清楚.针对高强化内燃机在低速大负荷条件下存在的爆震及超级爆震异常燃烧现象,基于一台重复性良好的可视化快速压缩机,以自燃理论与现有爆震机理为理论基础,以测量燃烧室内瞬态压力以及分析高速摄影燃烧图像为主要研究手段,开展了燃烧边界条件对异辛烷-空气混合气自燃及爆震影响的试验研究,量化研究了有效能量密度、自燃模式与爆震强度之间的影响关系,初步探索了壁面温度对爆震强度的作用机理.结果表明:在当前试验工况下,随着初始温度的提高,异辛烷自燃时刻逐渐提前,爆震强度逐渐增强并出现了超级爆震;与初始温度对自燃时刻及爆震的影响规律类似,自燃时刻、爆震特性与初始压力呈正相关性;在当量比趋近于1 时,异辛烷爆震强度显著增强并出现了超级爆震,而在当量比稍浓时有所减弱;但是综合而言,相较于初始温度,爆震强度对初始压力和当量比更加敏感;同时,爆震强度与可燃混合气有效能量密度密切相关,随着有效能量密度提高,正常燃烧逐渐向强烈爆震和超级爆震转移;另外,壁面温度对爆震强度也具有重要影响,相同有效能量密度条件下,壁面温度越高,爆震强度越强,甚至会诱发超级爆震.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 941 948 1904181 <span>刘昌文,马国斌,潘家营,卫海桥,胡 祯</span> <br /> <span>单液滴撞击不同黏度液膜特性研究</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909008 <span>为了更好地理解单液滴撞击不同物性流体湿壁面现象,采用激光诱导荧光(laser induced fluorescence,LIF)方法研究了不同入射液滴韦伯数、无量纲液膜厚度及液膜黏度对撞壁现象的影响规律.研究表明,液滴撞击后液膜可分为稳定冠状、飞溅冠状和剧烈飞溅冠状3 种形态,入射液滴韦伯数越大,液膜形态变化越剧烈.相同液膜黏度和无量纲液膜厚度下,无量纲冠顶高度随入射液滴韦伯数的增大而升高,且韦伯数越大,到达冠状顶点所需时间越长,冠状维持时间越久.保持入射液滴韦伯数和无量纲液膜厚度不变,随液膜黏度升高,无量纲冠顶高度降低,且到达冠状顶点的时间提前,冠状维持时间缩短;保持入射液滴韦伯数和液膜黏度不变,随无量纲液膜厚度增加,无量纲冠顶高度先升高后降低,但冠状达到顶点的时间以及冠状维持时间均持续增加.相同无量纲液膜厚度和液膜黏度下,无量纲冠顶直径随入射液滴韦伯数的增大而增大.保持入射液滴韦伯数和无量纲液膜厚度不变,无量纲冠顶直径随液膜黏度升高而降低;保持入射液滴韦伯数和液膜黏度不变,无量纲冠顶直径随无量纲液膜厚度的增大而降低.根据试验数据拟合出了冠状形态的临界韦伯数与无量纲液膜厚度的关系式,以及无量纲冠顶高度和冠顶直径与入射液滴韦伯数的关系式.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 949 958 3254249 <span>裴毅强<sup>1</sup>,朱庆洋<sup>1</sup>,彭志军<sup>1</sup>,秦 静<sup>1, 2</sup>,卢莉莉<sup>1</sup>,彭振山<sup>1</sup>,刘 懿</span> <sup>1</sup> <br /> <span>注浆对邻近土体水平变形影响的原位试验研究</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909009 <span>城市环境中,隧道常因邻近基坑等施工活动产生水平变形,然而注浆在建筑物的竖向位移控制方面的研究较多,而在水平变形控制方面研究较少.依托天津地区某工程,通过袖阀管注浆原位试验研究了注浆过程中邻近土体的水平变形模式,并进一步研究了注浆量、注浆距离、注浆顺序、注浆深度范围、注浆时间间隔及注浆速率对邻近土体水平位移的影响.试验结果表明,注浆引发邻近土体的水平变形沿深度方向上的分布模式类似于弓形,最大水平位移位置在深度上位于注浆范围上边界附近,并且随注浆距离的增大逐渐上移.因此,注浆设计时宜根据注浆距离将注浆深度范围的上边界设置在纠偏对象所在深度或以下,以提高位移控制效果.随着注浆量的增大,土体最大水平位移及注浆效率逐渐增大;注浆距离增大,土体最大水平位移及注浆效率逐渐减小,所以为保证注浆效果,注浆距离不宜太大.双孔间隔注浆引起的土体位移比双孔同时注浆略大,其原因是双孔间隔注浆时,先行注浆处硬化后的土体限制后续注浆浆液的扩散.随着注浆速率的提高,注浆结束时土体水平位移大幅提高,但注浆速率较高时,变形稳定后位移无明显增大,即注浆效率降低,为避免对纠偏对象扰动过大,应控制注浆速率.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 959 968 913015 <span>郑 刚<sup>1, 2</sup>,王若展<sup>2</sup>,程雪松<sup>1, 2</sup>,潘 军<sup>2</sup>,杜一鸣<sup>1, 2</sup>,白如冰<sup>2</sup>,王凡俊</span> <sup>2</sup> <br /> <span>基坑开挖对既有临近滩涂铁路路基影响规律及安全措施研究</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909010 <span>既有滩涂铁路路基因基坑开挖卸荷产生过大沉降差,对铁路正常使用和安全运营产生影响,对变形控制提出了更高要求.针对临近既有滩涂铁路的基坑工程,结合工程地质条件和施工要求,利用有限元方法对既有临近滩涂铁路路基影响规律及安全措施开展系统研究.针对滩涂铁路路基的影响规律,分析了不同基坑开挖深度、不同既有铁路路基至基坑距离等因素对路基的沉降差、坡脚水平位移和围护结构水平位移的演化规律影响.结合工程需求,针对危险的铁路路基工况,提出了围护结构的刚度、打设隔墙和增加支撑个数3 种安全优化措施,确定了最优施工方案.研究表明:基坑开挖深度越深和基坑距离路基越近,铁路路基施工风险越高,临近滩涂铁路路基施工安全控制距离应大于5.0 m;此外,针对危险的铁路路基施工工况,进行优化方案对比分析.单纯增加围护结构的刚度,无法保证安全施工;打设隔墙使得围护结构承受的土压力减小,具有良好的加固效果;增加支撑使围护结构的水平位移最小,加固效果最佳.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 969 978 1246378 <span>雷华阳<sup>1, 2</sup>,冯双喜<sup>1</sup>,万勇峰<sup>3</sup>,加 瑞<sup>1, 2</sup>,韩 均<sup>4</sup>,靳海彦</span> <sup>4</sup> <br /> <span>改进二进制-实数编码混合蛙跳算法在水电机组短期发电调度中的应用</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909011 <span>本文将改进实数编码混合蛙跳算法(IR-SFLA)和二进制编码的(IB-SFLA)方法分别应用到水电站经济负荷分配(ELD)和机组组合(UC)问题,提出解决STHGS 问题的IBR-SFLA 方法.实数编码版本IR-SFLA 利用混沌学遍历性、随机性特征生成初始种群,采用更新的局部搜索和位置更新策略实现青蛙更新换代,并在迭代后期通过自适应青蛙激活机制重新激发青蛙搜索能力;在二进制编码IB-SFLA 中引入改良青蛙子种群分组方式,将青蛙种群分为领导蛙、追随蛙和变异蛙3 类蛙群,各类蛙群分别基于正态云模型的精英进化策略、改进的局部搜索机制和混沌理论的蛙群变异操作进行更新迭代.运行结果显示IBR-SFLA 相较对比算法,在低、中、高水头下最高缩减耗水量1.14×10<sup>7</sup>、1.22×10<sup>7</sup>、7.52×10<sup>6</sup> m<sup>3</sup>,有效提升水能资源利用效率;在保证运算精度、稳定性的同时,平均运行时间最高缩减178、173 和172 s,进一步,改进策略性能分析显示,各改进策略可有效增强搜索性能,提升精度,且耗时增幅较小,在较小种群规模下便可获取较高质量的解,为解决大规模机组短期电力调度优化课题提供有效了新思路.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 979 989 1959890 <span>杨 哲<sup>1</sup>,杨 侃<sup>1</sup>,吴 云<sup>2</sup>,夏 怡<sup>1</sup>,齐伟擎<sup>1</sup>,张天衍<sup>1</sup>,仲晓林</span> <sup>3</sup> <br /> <span>基于融合算法优化的卷积神经网络预测方法</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201909012 <span>由于不同气象条件会影响太阳辐照度的有效利用,这制约了太阳能的应用和发展.为了基于不同站点不同采样时刻的气象属性预测中尺度站的太阳能辐照度,依据传统卷积神经网络的框架,建立了一种新型的卷积神经网络结构并用于太阳能辐照度预测.为了缓解新型网络由超参数选取不当导致预测性能差的问题,利用融合算法对新型网络的超参数进行优化.为了提高融合优化算法的全局搜索能力,引入帐篷映射对粒子的初始位置和初始速度进行混沌初始化.首先,导入训练集更新新型卷积神经网络框架,训练结束后导入验证集检验当前模型参数下新型卷积框架的性能.其次,混沌融合算法依据新型卷积神经框架在验证集上的预测性能更新模型的超参数.对更新模型的超参数多次检验,直至最优的预测模型在验证集上的性能趋于收敛.最后,输出模型的最优超参数,建立太阳能辐照度预测模型.基于气象实测数据建立太阳能辐照度预测实验,引入其他两种预测方法进行对比仿真研究,并尽可能复现了Eustaquio and Titericz 团队的预测方法(GBRT)作为太阳能辐照度预测性能的评估基准.实验数据表明:混沌融合算法可以有效地提高新型卷积神经网络的预测性能,所提出预测方法的全年太阳能辐照度的均方误差较GBRT 降低25.9%,绝对平均误差较GBRT 降低了10.7%;全年太阳能辐照度平均误差率降低了18.4%,误差率小于<br />0.1 的样本量增加了21.1%.</span> <br /> 2019年07月10 00:00 2019年09 990 998 1963466 <span>董 娜,常建芳,吴爱国</span> <br />