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=201905000 2019年04月08 00:00 2019年05 0 405221 目录 /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905001 2019年04月08 00:00 2019年05 0 133011 <span>一种丝传动柔性手术器械的运动精度检测方法</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905002 <span>自然腔道手术是经过自然体腔进入人体进行诊断的一种新型手术模式,手术过程中使用的柔性微创手术器械的运动精度检测对术中操作质量具有重要意义.在复杂的自然体腔环境下,针对丝传动柔性手术器械存在末端控制不稳、腔内操作受限的问题,提出了一种非接触式运动精度检测方法.该方法以自然腔道手术器械为研究对象,基于光学成像原理及图像处理方法检测手术器械的位置信息,具有通用性和易操作性.在此基础上进行固定角度摆动的单目运动精度检测实验,发现获取目标的位置坐标具有分布趋势,因此在单目检测的基础上,增加光轴垂直布置的相机,改进了获取目标位置坐标的计算方法,搭建采用双摄像机的优化测量实验平台.与单目视觉检测相比,优化实验水平方向的平均精度从±1.19 mm 提升到±0.85 mm,方差从0.04 减小为0.02;竖直方向的平均精度从±1.28 mm 提升到±0.90 mm,方差从0.07 减小为0.04,说明测量结果彼此波动的程度减小,可以直观地对器械运动精度进行评价.最后,通过提出精度影响指标w 验证了图像处理过程的稳定性;通过全局误差点分布箱图说明了改进后的算法对相对误差点的集中化,进一步说明此方法优化提取数据,对运动精度检测具有可行性.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 449 458 2342499 <span>王树新<sup>1, 2</sup>,郭立瑶<sup>1, 2</sup>,李旭莹<sup>1, 2</sup>,王成龙<sup>1, 2</sup>,张国凯</span> <sup>1, 2</sup> <br /> <span>颅骨组织工程复合支架动态灌注装置的设计</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905003 <span>为了解决颅骨组织工程支架中存在的中心处细胞存活率低的问题,针对具有血管嵌入的颅骨复合支架研制动态灌注培养装置,为多孔支架内部细胞提供营养物质以提高细胞存活率,使复合支架达到体内整合的要求.基于颅骨复合支架结构特点,设计双通道循环分别对多孔支架和血管进行灌注,为颅骨复合支架中成骨细胞和内皮细胞提供物质传输,气体循环为循环培养液提供氧气、二氧化碳,保证了培养液氧气充足和pH 稳定;模拟人体自然颅骨组织中机械刺激,建立多孔支架、血管流体模型,根据灌注室和血管入口流量计算流体所需的剪切应力,据此确定流体流量和压力的控制范围与精度,为复合支架提供合适的流量;设计三因素三水平正交试验对灌注室的结构尺寸进行优选,确定关键部位灌注室的结构,通过硅胶管连接灌注室、储液瓶、蠕动泵形成循环系统,实现动态灌注装置的总体结构安装;建立流体仿真分析有限元模型,分析不同流速的流体培养液分别对颅骨多孔支架和血管结构的影响,结果表明灌注室和血管结构内流体速度、剪切应力、压力分布均匀,满足骨组织和内皮细胞的培养生理环境,验证了装置设计的合理性.该装置可用于骨组织体外细胞的动态培养,为骨组织工程支架体外构建及血管化奠定了基础.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 459 467 2221483 <span>李 佳,张崇越,郑淑贤,亓 剑,付志明</span> <br /> <span>基于预测控制的无人驾驶车辆爆胎转向控制</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905004 <span>针对无人驾驶车辆爆胎后的转向控制问题,考虑实时性和控制性能的要求,提出了连续时域自适应预测控制方法.爆胎使得滚动阻抗系数和侧偏刚度等轮胎参数在短时间内产生剧烈的变化,从而导致转向控制失灵,进而引起无人驾驶车辆偏离道路甚至侧翻.为此,对无人驾驶车辆标称动力学模型进行反馈线性化,结合泰勒展开预测无人驾驶车辆的运动趋势.在此基础上,将爆胎引起的参数变化转化为不确定,利用模糊系统万能逼近原理,通过设计自适应模糊观测器进行在线观测.并同时考虑控制输入的饱和约束,利用连续预测控制方法设计解析控制律,以满足系统控制的实时性要求.最后,与传统非线性预测控制以及PID 控制进行了仿真对比.从仿真结果可以看出,当车辆发生爆胎后,轮胎滚动阻抗系数瞬时增大了29 倍、侧偏刚度瞬时降低了72%,如不施加额外的转向控制作用,无人驾驶车辆将在1 s 内偏离原车道约5.5 m.而施加本文所提方法后,系统的实时性和控制性能均优于给定传统算法.一方面,与非线性预测控制和PID 控制相比,所提方法计算速度提高了约150 倍,计算时间缩短约50%;另一方面,在给定的控制输入饱和约束范围内,所提方法仍能够控制无人驾驶车辆在爆胎后只发生微小偏移,偏移量仅为传统算法的2.5%左右.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 468 474 1015062 <span>胡超芳<sup>1, 2, 3</sup>,曹 磊<sup>1, 2, 3</sup>,赵凌雪<sup>1, 2, 3</sup>,王 娜</span> <sup>3, 4</sup> <br /> <span>基于空间变换双线性网络的细粒度鱼类图像分类</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905005 <span>有效地识别水下各种鱼类目标具有重要的实际意义和理论价值.鱼类生存环境复杂,由于海洋的极端条件,水下鱼类图像的分辨率低,且图像类间相似度高、类内差异性大,并受光照、角度、姿态等的影响较大,这些因素使得鱼类识别成为一项具有挑战的任务.针对这些难点,提出了一个能够有效进行细粒度鱼类图像分类的深度学习模型.该模型包含空间变换网络和双线性网络两部分,首先利用空间变换网络作为注意力机制,去除图像背景中复杂的干扰信息,选择图像中感兴趣的目标区域,简化后续分类;双线性网络通过融合两个深度网络的特征图提取图像的双线性特征,使得对目标中具有判别性的特定位置有较强的响应,从而识别种类,该模型可以进行端到端的训练.在公开的F4K 数据集上,该模型取得了最好的性能,识别正确率为99.36%,较现有最好算法DeepFish 提高0.56%,此外,发布了一个包含100 类共6 358 张图片的新的鱼类图像数据集Fish100,该模型在Fish100 数据集上的识别正确率高出BCNN算法0.98%.多个数据集上的实验验证了模型的有效性与先进性.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 475 482 2419426 <span>冀 中<sup>1</sup>,赵可心<sup>1</sup>,张锁平<sup>2</sup>,李明兵</span> <sup>2</sup> <br /> <span>考虑流固耦合的拱坝抗滑稳定非概率可靠度分析</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905006 <span>拱坝抗滑稳定可靠度分析是大坝安全评价的关键组成部分,其结果直接关系到大坝正常运行与安全,具有重要研究意义.已有的研究多采用概率可靠度方法进行分析,然而实际拱坝工程统计信息较少,难以获得各参数变量的精确概率分布;另外,目前缺乏考虑坝基岩体流固耦合作用的拱坝抗滑稳定可靠度研究.针对上述问题,基于凸模型理论,提出了考虑流固耦合作用下的拱坝三维抗滑稳定非概率可靠度分析方法,并通过建立拱坝三维工程地质统一模型,分别采用超载法与强度折减法,对流固耦合作用下拱坝抗滑稳定非概率可靠度进行探究.实际工程应用表明:本研究能够在缺乏足够统计信息的情况下对拱坝抗滑稳定可靠度进行分析,同时,未考虑流固耦合作用将高估拱坝的抗滑稳定可靠度,对工程安全不利.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 483 491 2359964 <span>王晓玲,刘明辉,石祖智,朱晓斌,王 振,吕明明</span> <br /> <span>基于概念漂移检测的土石坝压实质量评价模型更新研究</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905007 <span>土石坝压实质量评价模型的更新对保证其长期高精度评价压实质量具有重要的意义,然而目前对于压实质量模型的更新还缺乏相应的研究.借鉴流数据中概念漂移检测的思想,同时针对碾压施工流数据具有不平衡数据、含有噪声且流速缓慢的特点,本文提出了一种基于概念漂移检测的土石坝压实质量评价模型更新方法.首先提出基于K-means 的下抽样技术处理不平衡数据;其次提出基于增强概率神经网络(enhanced probabilistic neural network,EPNN)和可变窗口技术(variable window technique,VWT)的碾压施工流数据概念漂移检测方法;最后若检测到有概念漂移则进行压实质量评价模型的更新.工程应用表明:基于K-means 的下抽样技术能保证分类器具有较高的一致性;基于EPNN 与VWT 的方法能有效地检测出碾压施工流数据概念漂移;同时以出现概念漂移为条件而更新的压实质量评价模型能够长期高精度评价压实质量.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 492 500 1344197 <span>王佳俊,钟登华,吴斌平,刘明辉,张宗亮</span> <br /> <span>铜片-纳米金表面增强拉曼基底的制备及检测应用</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905008 <span>SERS 因灵敏度高、制样简便等优势,在食品安全、环境监测等方面应用潜力巨大.SERS 技术实现商业化的关键在于如何低价、简便、快速得到重现性良好、可多次循环使用的SERS 基底.针对这一难题,开发了一种利用廉价铜片原位还原制备SERS 基底的简便新方法.经硝酸处理的铜片原位还原氯金酸,生成的纳米金则覆盖于铜片表面.经检测,所制得的铜片-纳米金基底(CuF-AuNPs)表面粗糙度均一.利用该基底检测不同浓度的罗丹明B(RHb),实验结果显示浓度和SERS 峰强度满足关系y=1 492x+12 435,R2=0.995,检测下限达到1×10-8,mol/L,表明该CuF-AuNPs 基底可用于目标物的定性及定量检测.选取1×10-6,mol/L 的RHb 样品4 次循环检测,结果表明该工艺条件下制备得到的CuF-AuNPs基底具有良好的重现性.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 501 507 1280075 <span>何志敏<sup>1</sup>,代叶梅<sup>1</sup>,曾 川<sup>2</sup>,赵文斌<sup>1</sup>,王梦凡<sup>1</sup>,齐 崴<sup>1</sup>,苏荣欣</span> <sup>1</sup> <br /> <span>光交联羧甲基壳聚糖衍生物水凝胶的制备及性能研究</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905009 <span>以叠氮基团的光耦合反应为交联反应制备了叠氮化羧甲基壳聚糖(AZ-CMCS)水凝胶。利用FT-IR 红外光谱、1H-NMR 核磁共振谱表征了AZ-CMCS 的结构,使用紫外可见分光光度计和流变仪跟踪了AZ-CMCS 凝胶的光交联过程,并验证了凝胶的可注射性. 使用水接触角测试仪表征了凝胶的亲疏水性. 以牛血清白蛋白(BSA)为模型药物研究了水凝胶在不同pH 值下的药物释放性能,并研究了人胚胎肺成纤维细胞(MRC-5)在水凝胶上的生长情况.结果表明:通过紫外光照射可快速得到AZ-CMCS 水凝胶,反应条件温和,易于控制;AZ-CMCS 水凝胶具有较好的可注射性,且具有一定的pH 响应性,其能够实现包载药物和药物控释的功能;此外AZ-CMCS 水凝胶对细胞无毒,可作为细胞支架,具有较好的应用前景.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 508 514 1245486 <span>姚芳莲,田欣露,孙 达</span> <br /> <span>PET 表面改性对PVDF/PET膜界面性能及力学性能的影响</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905010 <span>用碱液和硅烷偶联剂KH550 水解液先后对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺布进行表面改性处理,以提高聚偏氟乙烯(PVDF)膜与PET 支撑层间的界面性能.研究了改性处理条件对PVDF/PET 膜的界面黏合性和力学性能的影响,并探讨了界面黏合增强机制.结果表明:水解液中KH550 含量较少(≤3%)时,处理时间延长,PET 与PVDF 膜间的剥离强度增大;水解液中KH550 含量较多(>3%)时,处理时间延长,PET 与PVDF 膜间的剥离强度先增大后减小;PVDF/PET 膜的拉伸强度随水解液中KH550 用量的增加或处理时间的延长先增大后略减小.研究发现,适当改性处理后,PET 纤维的表面粗糙度增大,含氧官能团增多,PET 纤维表面的润湿性提高,增强了PVDF膜与PET支撑层间的机械锁合和分子结合力,从而使PVDF/PET膜的界面黏合性显著增强.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 515 521 2087140 <span>王志英<sup>1, 2</sup>,宁素素<sup>1, 2</sup>,韩承志<sup>1, 2</sup>,杨振生<sup>1, 2</sup>,李春利</span> <sup>1, 2</sup> <br /> <span>管道表面蚀坑-裂纹的应力强度因子分析</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905011 <span>针对在役的海底管道遭受腐蚀疲劳损伤时其管道表面出现点蚀坑问题,应力强度因子成为衡量蚀坑向裂纹转变的临界条件之一.断裂力学的腐蚀疲劳寿命分析的基础是腐蚀疲劳裂纹扩展,裂纹的不稳定扩展又由应力强度因子来判别.因此,在腐蚀疲劳破坏中,将点蚀坑和应力强度因子结合起来研究变得尤为重要.基于应力集中是导致裂纹萌生的主导因素,建立了双参数蚀坑模型,合理地解释了腐蚀疲劳裂纹在蚀坑处萌生位置差异的现象.在管道内流体压力的作用下,管道外表面轴向I 型裂纹在环向应力的作用下成为最为危险的一种裂纹型式.基于线弹性断裂力学,利用ABAQUS 软件,在管道内压作用下,采用二维模型,对管道表面的轴向I 型蚀坑+裂纹的应力强度因子展开了分析.结果显示,蚀坑对裂纹应力强度因子的取值产生明显影响,可显著降低裂纹扩展的门槛值.进一步采用三维模型,利用扩展有限元法,对影响轴向I 型蚀坑-裂纹应力强度因子的蚀坑参数开展了敏感性分析.结果显示,蚀坑参数的不同,对蚀坑-裂纹应力强度因子、裂纹形状因子的影响趋势各异.随着蚀坑参数深径比α、深度d 的增大,蚀坑-裂纹应力强度因子的取值也逐渐变大;蚀坑参数深径比α、深度d 对形状因子F 取值的影响存在一定的区间效应.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 522 528 1618143 <span>余建星<sup>1, 2</sup>,李修波<sup>1, 2</sup>,谭玉娜<sup>1, 2</sup>,金成行<sup>1, 2</sup>,冯志强<sup>3</sup>,韩翔希<sup>3</sup>,符 妃</span> <sup>3</sup> <br /> <span>考虑潮位变动的淹没水平板防波堤设置方案</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905012 <span>淹没水平板借助上部波浪破碎、端部涡旋脱落、底部脉动回流等机理能够较好地抵御波浪入侵,是一种富有开发价值的透空型防波堤.然而淹没水平板多采用桩柱支撑,结构高程不随潮位的变化而改变.在潮差较大的海域,低潮位时水平板可能位于水面以上,而高潮位时其浸没深度又可能过大,两种情况下水平板防波堤均不能有效抵御波浪.为此,本文探讨如何设置双层水平板防波堤来削弱潮位变动对消浪性能的不利影响.研究基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行,首先建立了模拟波浪与淹没水平板相互作用的二维数值波浪水槽,接着以文献中记录的物理模型实验为目标,重现了孤立波和规则波与单层淹没水平板的相互作用过程.数值计算得到的波面形态、结构波浪力、基倍频波浪透射系数均与实测结果吻合较好.随后应用验证过的数学模型,对单层水平板和两种形式的双层水平板的消浪性能进行了比较.一方面展现出在变潮位环境下采用双层水平板的必要性,另一方面从所提出的两种双层水平板设置方案中确定出较优的形式.进一步地,综合对波浪透射系数和水平板垂向波浪力的分析,得出双层水平板防波堤的最佳板间距.研究结果表明,在高低潮位下各设置一层水平板所组合而成的双层水平板防波堤能够有效克服潮位变动对消浪性能的不利影响,且双层水平板的最佳板间距宜与潮差相等.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 529 538 3960032 <span>高喜峰,王洪树,贺 铭,徐万海</span> <br /> <span>MOF 衍化TiO2修饰石墨相氮化碳的光催化性能研究</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905013 <span>石墨相氮化碳(g-C3N4)材料是一种极具潜力的有机光催化材料,尤其是在可见光驱动的光催化分解水制氢方面的应用.然而,较差的光生载流子分离效率严重制约了其光催化活性.选择TiO2 作为修饰材料,在g-C3N4 表面构建合理的异质结构可以有效解决该问题,但需要进行合理的设计.本文通过较为简单的工艺过程,以金属有机框架材料(MOFs)为牺牲模板,制备MOF 衍化TiO2修饰的g-C3N4复合光催化剂.制得的MOF 衍化TiO2的比表面积大,约为124.5 m2/g,并由锐钛矿相/金红石相两相混合组成,这会有效增加光催化剂的光生电子分离效率,并提供更多的催化反应活性位点.通过XRD、SEM、TEM、UV-Vis、PL 等表征手段,对材料的物相及相关的光谱学、电化学性质进行了详细的表征,并通过成分调控确定了优化工艺参数.通过相关表征结果可以看出,MOF 衍化TiO2 修饰的g-C3N4 复合光催化剂随着TiO2 的负载量提高而表现更好的载流子分离效率,但其可见光响应会随之降低.因此,存在一个最优的负载量可以均衡二者的影响,从而表现出最高的光催化活性.实验发现,TiO2 的质量分数为6%的光催化剂,其光催化制氢活性在可见光(λ≥420 nm)驱动下体现了最高的制氢速率,达836 μmol/(g·h).实验结果表明:由MOF 衍化TiO2与g-C3N4构建的异质结构可以有效地抑制光生载流子的复合,从而显著提高光催化分解水制氢的性能.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 539 544 2090781 <span>赵新宇<sup>1</sup>,何 芳<sup>1, 2, 3</sup>,师春生<sup>1, 2, 3</sup>,闫德道<sup>1</sup>,王晨露</span> <sup>1</sup> <br /> <span>充填骨料颗粒形态参数定量评价方法</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905014 <span>矿山充填骨料颗粒形态包括形状、棱角度及纹理是影响充填体力学、料浆管输特性及充填系统设计的重要因素.在混凝土及矿山充填领域往往仅考虑骨料颗粒大小及级配,而忽略颗粒形态的影响.针对目前对骨料颗粒形状及棱角度的定量表征评价方法不一、适用性不强、用法不明确的问题;在总结分析充填骨料颗粒形状和棱角度的8 种定量评价方法的基础上,结合矿山实际应用的7 种充填骨料,进行颗粒形态参数计算及对比分析,探讨各评价指标的优缺点及适用性.采用了计算机图像处理技术,计算充填骨料的颗粒形状和棱角度特征参数并进行相关性分析.结果表明:连续级配充填骨料不同粒径区间的颗粒形态参数差异不大,呈偏态分布并可用均值表示;圆形度R和周长-面积分形维数D 可用来表征颗粒形状,而不受颗粒棱角度的影响;腐蚀膨胀参数ED、分形棱角度FA 可用来表征颗粒棱角度,而不受颗粒形状的影响;而对于剩下的表征形状的球形度S、长宽比F、外形指数I 及表征棱角度的指数AI 这4 个参数相互之间存在关联,不能用于区分颗粒形状和棱角度.最后,为了去除这些指标之间的重复性信息,通过主成分分析的方法得到了两个互不相关的新指标,简化了颗粒形态参数的表征,并在矿山充填骨料分析中应用.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 545 553 1227781 <span>肖柏林<sup>1</sup>,杨志强<sup>1, 2</sup>,陈得信<sup>2</sup>,高 谦</span> <sup>1</sup> <br /> <span>外加磁场对TA1 工业纯钛电阻点焊连接质量的影响</span> <br /> /zrb/oa/darticle.aspx?type=view&id=201905015 <span>针对TA1 工业纯钛在电阻点焊时极易与氧气发生反应而导致接头局部脆化的情况,引入了外加横向磁场以改善其电阻点焊接头的连接质量.实验使用材料为1 mm 厚的TA1 工业纯钛薄板,在220 kW 的逆变直流电阻点焊设备上进行.电极采用端部直径为6 mm 的锥形电极头.外加磁场由一对环形钕铁硼永磁铁N40 产生.上、下永磁体S 极相对,沿电极臂中心线呈轴对称安装.上、下永磁体距两试件的接触面为9 mm.以熔核尺寸和接头在拉剪测试中表现出的峰值载荷为指标,分析了外加横向磁场对TA1 工业纯钛电阻点焊连接质量的影响.并且测量了点焊接头截面的显微硬度以判断熔核边缘的氧化程度.结果表明,在同等热输入前提下,外加磁场不影响TA1 熔核内部的结晶形态,但能够有效增加熔核直径,改善TA1 点焊接头的承载能力.并且在热输入较小的条件下,外加磁场对熔核直径生长的作用更明显.当接头熔核尺寸相近时,施加外部横向磁场的点焊过程所需热输入量更小.这也导致了在同等熔核尺寸和峰值载荷前提下,有外加磁场下的点焊接头断裂模式呈现对称纽扣断裂模式,无磁场的点焊接头呈现单侧纽扣断裂模式.同时外加磁场作用下的点焊接头拉伸断口的韧窝尺寸更大,表现出更好的塑韧性,这是因为较小的热输入能降低熔核边缘区域的氧化程度.</span> <br /> 2019年04月08 00:00 2019年05 554 558 937143 <span>张 旭<sup>1</sup>,罗 震<sup>1</sup>,毕 敬<sup>2</sup>,张 禹</span> <sup>1</sup> <br />