2025年, 第51卷, 第03期　
刊出日期：2025-03-10

  

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  面向筋板布局的机床基础件立柱的多目标拓扑优化

  牛鹏, 程强, 杨聪彬, 刘志峰

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 241-249.

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  为提高机床关键基础大件立柱的综合性能，通过振动噪声测试分析系统，开展不同方向上某机床立柱的敲击测试实验，以得到其全部模态。在实验结果分析基础上，利用Abaqus软件进行面向筋板布局的立柱多目标拓扑优化分析。根据分析结果，修整并重构新的立柱筋板布局。优化前后立柱有限元分析对比显示，其质量减轻10.09%,最大变形量减少5%,固有频率亦有一定程度提升。优化结果表明所进行的工作，既减轻了立柱整体质量，节省了立柱工程用料，又在一定程度上提升了其动静态性能。
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  基于级联森林的水泥熟料f-CaO含量预测

  李小青, 张海博, 龚先政, 邓全亮, 马忠诚, 叶家元

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 250-257.

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  在水泥熟料性能的控制和优化中，需要及时有效地检测水泥熟料f-CaO含量。目前，水泥厂多采用人工取样和实验室检测的方法来检测熟料中的f-CaO含量，测量结果有很大的滞后性。针对水泥熟料f-CaO含量检测结果滞后的问题，基于水泥熟料生产数据，利用级联森林算法建立了预测模型。首先，通过对水泥熟料生产工艺和f-CaO产生原因机理进行分析，选择了模型的14个输入变量，如生料喂料量、分解炉出口温度、回转窑电流等。其次，采用滑动时间窗口方法构建时间序列，使模型输入包含更多的时序信息。最后，将提出的预测方法与3种传统机器学习模型进行对比。结果表明：该方法具有更高的预测精度和更强的泛化能力，为水泥熟料生产过程中的f-CaO含量预测提供了一种新的解决方案，对于水泥生产过程的控制和优化具有重要意义。
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  锂离子电池荷电状态和内部缺陷的超声透射特性仿真研究

  张斌鹏, 吕炎, 宋国荣, 高杰, 李永春, 何存富

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 258-268.

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  采用有限元法分别对锂离子电池的荷电状态(state of charge, SOC)、内部缺陷(气泡缺陷、析锂缺陷和浸润不完全缺陷)与超声透射特性之间的影响规律进行了仿真分析。首先，利用Voronoi多边形建立了锂离子电池内部的多层多孔结构；其次，在仿真过程中，通过改变正负极材料的力学参数(杨氏模量和密度)实现了锂离子电池不同荷电状态下超声透射特性的提取。仿真结果表明，随着荷电状态的增加，快纵波的声强幅值和慢纵波的声强幅值均呈现线性增加的规律，慢纵波的渡越时间呈现线性减小的规律。随后，对锂离子电池内部不同缺陷形式进行仿真分析。通过对比正常电池和缺陷电池的声透射信息可以发现：当锂离子电池底部存在气泡缺陷时，透射信号的声强幅值显著衰减，且随着气泡厚度的增加，声强幅值的衰减也在增加；此外，随着气泡位置的改变，透射信号的声强幅值也呈现规律性变化；当锂离子电池内部存在析锂缺陷时，透射信号的声强幅值和渡越时间均随着析锂厚度的增加而逐渐减小；当锂离子电池内部存在浸润不完全缺陷时，仿真模型将退化为单相多孔介质，频域中也只存在一个频率成分，且声强幅值存在衰减。研究内容解决了用有限元法对锂离子电池荷电状态、内部缺陷进行模拟处理的问题，且慢纵波波速的仿真结果与理论结果吻合良好。
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  HfO₂基铁电材料准静态负电容机理

  尹志岗, 董昊, 程勇, 吴金良, 张志伟, 张兴旺

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 269-276.

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  HfO₂基铁电薄膜的负电容现象提供了解决微纳电子器件功耗问题的可行策略，但其物理图像却一直饱受争议。基于Landau-Devonshire和Landau-Khalatnikov方程，对铁电HfO₂/介质双层体系开展了理论模拟。结果表明：根植于零场吉布斯自由能及准静态极化-电场曲线的准静态负电容理论，难以如实反映极化-电场动态演化轨迹。与准静态负电容理论的预言不同，HfO₂/介质体系的负电容强烈依赖于介质层分压效应，具有瞬态属性。回滞现象与Landau-Khalatnikov方程中的阻尼系数相关，本质上起源于热耗散过程，基于电容匹配原理很难完全消除回滞。与阻尼系数相关的热耗散随频率增大而急剧增加，因此负电容场效应晶体管并不适用于高频应用领域。该研究有助于深入理解HfO₂基体系中的负电容物理起源。
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  迁移增量启发式动态规划及污水处理应用

  王鼎, 李鑫

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 277-283.

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  针对污水处理系统中的溶解氧(dissolved oxygen, DO)质量浓度控制问题，提出一种迁移增量启发式动态规划(transferable incremental heuristic dynamic programming, TI-HDP)算法。针对污水处理过程的特性，该算法通过将控制变量的更新方式改进为增量形式，提升了算法的抗干扰能力，并弱化了与增量式比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)算法之间的结构差异。基于数据驱动的思想，通过利用PID算法所产生的历史数据，成功地将传统控制领域中的专家经验迁移到TI-HDP算法框架中，保证了TI-HDP算法前期控制策略的稳定性。仿真结果表明：与PID算法和传统的启发式动态规划算法相比，所提算法对DO质量浓度具有更高的控制精度。
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  挑战性环境下基于双尺度CBAM的毫米波雷达与视觉特征融合目标检测

  任坤, 李盼, 韩红桂

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 284-294.

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  针对恶劣天气和低光照对基于深度学习的视觉目标检测算法带来的挑战，提出一种基于双尺度卷积注意力模块(convolutional block attention module, CBAM)的双模态目标检测算法，旨在通过视觉与毫米波雷达数据的特征融合，提高目标检测算法在挑战性环境下的鲁棒性和准确性。该算法采用双分支的一阶段检测结构，图像分支采用预训练的CSPDarkNet53骨干网络提取图像特征，雷达分支采用基于体素的雷达特征生成网络提取雷达特征。然后，分别在颈部网络前后利用提出的基于双尺度CBAM的特征融合模块进行雷达-视觉特征融合。最后，使用解耦检测头实现目标的分类和定位。在nuScenes数据集上，利用对比实验和消融实验验证了该特征融合检测算法在挑战性环境下的有效性和优越性。
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  基于改进蝴蝶优化算法的移动机器人路径规划

  魏博, 汤荣杰, 郑英豪, 路嘉锴, 郑凯, 罗久飞, 曾海

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 295-307.

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  针对蝴蝶优化算法(butterfly optimization algorithm, BOA)在复杂环境路径规划过程中求解最短路径时存在收敛速度慢、易陷入局部最优等缺点，提出一种改进的蝴蝶优化算法。首先，在初始化蝴蝶种群时，为保证初代种群多样化，避免陷入局部最优解，通过Tent映射生成初代种群位置；其次，在蝴蝶香味计算阶段引入动态感觉模态，随着迭代过程的持续推进逐步增强蝴蝶的香味值，以缩短收敛时间；再次，为进一步缩短收敛时间，在全局搜索阶段引入遗传算法中的选择因子加快蝴蝶在全局搜索时向最优蝴蝶移动的速度；然后，在局部搜索阶段引入动态变异因子，有效避免在路径规划时陷入局部最优；最后，使用一种基于视线(line of sight, LOS)检测方法的初始种群生成策略，以进一步减少路径中断点的生成，同时确保由BOA算法生成的路径可行解的多样性。实验结果表明，改进的蝴蝶优化算法具有较快的收敛速度，且规划出来的路径在保证路径长度合理的情况下具有更高的平滑度。
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  变坡点两侧不同的坡度构成对人字坡隧道内火灾环境的影响研究

  李俊梅, 鲁慧敏, 李炎锋, 欧阳力, 康偲妍, 郭志成

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 308-316.

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  为研究人字坡变坡点两侧不同的坡度构成对人字坡隧道内火灾环境的影响，通过数值模拟分析了火源位于人字坡隧道变坡点时，外界无风条件下不同隧道坡度组合和火源功率对烟气蔓延和温度分布的影响。结果表明，小坡度侧隧道坡度为1%时，隧道内的自然诱导气流流速和火灾环境受变坡点两侧的坡度组成影响较大，且诱导气流流速与量纲一的火源热释放速率与高度乘积（Q^*_wH′^*）的0.113 6次方成正比；当小坡度侧的坡度在3%以上时，隧道内的自然诱导气流流速和火灾环境受变坡点两侧的坡度组成影响较小。提出了人字坡隧道内的最高温升模型，人字坡隧道内的最高温升要远高于水平隧道，火源上方及附近的顶棚结构安全应该予以重视。
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  能源地铁车站物化阶段碳排放计算方法

  赵旭, 孟亚娟, 张国柱, 陶连金, 任泽森, 孙凯悦

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 317-326.

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  能源地铁车站是一种利用地温能对地铁车站进行温度控制的新型能源地下结构。选取能源地铁车站为研究对象，结合建设特点对其施工过程进行分部分项划分，以排放因子法为基础，建立了考虑地源热泵的盐水管系统施工的能源地铁车站物化阶段碳排放计算方法。并以北京市某地铁车站为例，计算了地铁车站加设地源热泵的盐水管系统后物化阶段的碳排放，最后对结果进行分析验证。目前尚缺乏地下结构的碳排放细化计算方法，该方法的建立不仅可以为类似工程碳排放核算工作提供理论和计算参考，还能满足基础设施建设行业发展需求，对推动我国碳排放核算体系的建立与完善有重要意义。
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  超弹性液态金属基摩擦电纤维和织物

  潘胜利, 何蕙羽, 程昭晨, 辛利桃, 李彪, 王璞

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 327-336.

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  为了解决摩擦电纤维在制备工艺、柔软性、灵变性等方面的问题，以液态金属EGaIn作为导电电极、热塑性弹性体材料作为纤维套管，采用挤压-填充技术研制了超弹性摩擦电纤维。该纤维能够承受2 200%的应变，并表现出优异的电输出性能。以5 cm的单根纤维作为介质进行摩擦电能采集，当纤维与纸接触时可提供7 V的未饱和平均开路电压；同时在200 MΩ的外部负载电阻下，瞬时功率密度可达1.6μW/m。将该纤维编织成8 cm×8 cm织物，电输出可达120 V、280 nA、28 nC。研究表明，挤压-填充技术为研制可拉伸摩擦电纤维提供了一种有效的新途径，该超弹性纤维有望应用于多功能可穿戴智能织物。
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  区块链赋能联邦学习：方法、挑战与展望

  孙恩昌, 董潇炫, 张卉, 李梦思, 张冬英

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 337-349.

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  针对区块链技术与联邦学习(federated learning, FL)结合后在安全、隐私等方面存在的问题，对区块链赋能FL中的相关方法进行综述与分析。首先，分别阐述了FL和区块链，并在此基础上总结了区块链赋能FL的前沿通用架构；其次，研究了目前安全、隐私、激励以及效率方法的进展，分析了各方法的优缺点；最后，指出了区块链赋能FL目前存在的问题，提出了解决方案，并进行了展望。
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  膜曝气生物膜反应器污水处理过程N₂O排放特性及减排策略

  王亚宜, 贺泰来, 李佳, 吴巧玉, 汪涵, 赵立功

  北京工业大学学报. 2025, 51(03): 350-358.

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  膜曝气生物膜反应器（membrane aerated biofilm reactor, MABR）作为一种新型的污水处理技术，因其高效的氮去除能力和较低的N₂O排放水平而受到广泛关注。传统污水处理脱氮过程中，硝化反硝化阶段主要通过羟胺氧化、AOB反硝化、异养反硝化以及化学变化途径产生N₂O。MABR处理市政污水较传统曝气方式具有更低的N₂O排放潜力，主要得益于MABR特殊的底物异向扩散模式和无泡曝气方式，这会减少N₂O产生潜力及排放水平。该文总结了MABR在运行过程中N₂O产生与降低途径，讨论了N₂O产生和排放的影响因素及控制策略，并对今后研究MABR体系中N₂O排放进行了展望，以期说明MABR进一步工程应用在碳减排方面的优势。