2024年, 第45卷, 第07期　
刊出日期：2024-07-15

  

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  基于变参数模型的智能车辆转向执行器故障诊断

  王宏伟, 李磊, 刘晨宇, 汪洵

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 913-920.

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  为解决传统车辆研究将纵向车速设为定值的问题，设计一种基于观测器的鲁棒增益调度故障诊断算法.首先，以纵向车速为调度变量，同时考虑执行器故障、模型不确定性以及外部干扰，在传统车辆模型基础上建立四轮转向线性变参数（linear parameter varying,LPV）数学模型.然后，对执行器故障进行状态重构，设计具有可变权重因子的鲁棒增益调度观测器，实现对车辆状态信息及执行器故障信号的双重估计.最后，选取双移线和蛇形工况，通过MATLAB/Simulink和Carsim联合仿真，结果表明，所设计的执行器故障诊断算法能有效处理车辆纵向车速的时变特性，在复杂工况下能及时快速地跟踪车辆的状态及故障信息，突破了原有传统车辆故障诊断算法的局限性.
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  一种细胞荧光显微图像饱和伪影修复算法

  刘纪红, 张律恒, 杨海旭

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 921-927.

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  细胞的荧光显微镜图像包含丰富的表型特征，这些表型特征被用于研究细胞内物质的吸收和运输、化学物质的分布和定位等.这些分析需要高质量的细胞图像，然而饱和伪影会导致生物表型特征的严重丢失，这将影响形态学分析和一些分类实验.从数据的后处理角度出发，提出了一种基于生成对抗网络的两阶段细胞图像修复模型，以解决饱和伪影导致的表型特征丢失问题.该模型能够修复大面积的缺失表型特征区域.通过4组实验测试了修复图像的有效性和可信度.结果表明，修复结果填补了丢失的表型特征，提高了分析中的图像质量.使用分类实验作为细胞形态学分析实验的代表，对修复前后的细胞图像进行分类实验，结果证明修复饱和伪影后的图像可以提高基于细胞形态分析的实验准确性.
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  基于多维特征矩阵和改进稠密连接网络的情感分类

  李红利, 刘浩雨, 张荣华, 成怡

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 928-935.

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  情感脑电信号是一种低信噪比的非平稳时间序列，传统的特征提取与分类方法难以提取不同情感状态时的有效特征并进行分类.针对以上情况，提出一种自动融合脑电信号不同频段和时频域特征的深度学习模型.首先，对预处理后的数据进行分频段处理，提取各频段的微分熵特征.然后，在网络中接入的挤压激励模块，对不同频段特征的微分熵特征赋权值，来获取输入数据的有价值信息，再利用改进的稠密连接网络进行特征融合并分类识别，保证了网络层之间最大程度的信息传输.最后，利用SEED情感脑电信号三分类数据集对算法进行了验证，分类正确率可达96.03%，高于现有的基线学习算法，所提算法可进一步增强网络特征提取能力，具有较快的收敛速度，对提升分类器的性能研究具有重要意义.
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  一种基于编解码结构的多尺度边缘检测方法

  田岸霖, 雷为民, 张鹏, 张伟

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 936-943.

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  针对传统边缘检测算法易出现边缘线断裂、不连续的情况以及基于深度学习的方法无法保证边缘清晰性和准确性且容易丢失边缘细节信息的问题，提出了一种基于编解码结构的轻量级的边缘检测方法 .通过编码器提取图像的边缘特征，在解码端恢复编码器下采样时丢失的边缘信息，编解码器之间采用跳跃连接方法实现低层特征和高层特征之间的融合,采用具有注意力机制的深监督模块，进一步学习多尺度多层次的边缘特征生成精细的图像边缘.该网络模型在BSDS500S数据集上进行训练，实验结果表明，本文方法ODS(optimal dataset scale)与OIS(optimal image scale)分别达到0.808和0.830，在GTX 1060机器上帧率达到60帧/s，超过了基于卷积神经网络的主流边缘检测方法，具有较好的效果.
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  基于生成对抗网络的人脸年龄渐进合成算法

  杨晓雨, 王爱侠, 杨钢, 李晶皎

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 944-952.

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  人脸年龄合成（face age synthesis,FAS）的目标是根据源人脸图像合成指定年龄人脸图像，同时保留人脸的个人特征和身份信息.针对年龄变换时无关特征容易改变和产生伪影鬼影的问题，提出一种基于生成对抗网络的人脸年龄渐进合成算法.采用基于门控循环单元的年龄编辑模块自适应地过滤或加入特征，并使用属性解耦模块在潜在空间进行对抗学习，通过生成器和判别器的对抗策略保证了真实自然的人脸合成，使用年龄分类约束拟合特定年龄分布，为了保证年龄无关属性的保留，还在生成对抗网络中引入了重建学习.在跨年龄名人数据集（cross-age celebrity dataset,CACD）下的实验结果表明，对比其他基于条件生成对抗网络的算法，提出的算法生成的人脸图像伪影失真有所减少，年龄显著性增强，具有较好的年龄准确性和较高的身份一致性.
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  激光熔覆(Ti,W)C增强镍基涂层的性能

  杨尚武, 瞿海霞, 黎恒君, 刘常升

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 953-959+1019.

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  为了提高热轧高速钢工作辊的耐磨性，通过激光熔覆技术，在球墨铸铁基体上制备了（Ti,W）C质量分数分别为0%,10%,20%,30%的Inconel 625合金涂层.研究了（Ti,W）C颗粒对涂层微观结构、硬度和耐磨性的影响.（Ti,W）C颗粒均匀分布在涂层中，并与Inconel 625有良好的结合；涂层的硬度随着（Ti,W）C颗粒含量增加从HV0.2280提高到HV0.2424；在摩擦磨损过程中，（Ti,W）C颗粒作为硬质相抑制了磨损中基体材料的局部塑性变形，质量分数30%(Ti,W)C颗粒的Inconel 625合金涂层磨损量仅为0.015 mm3，平均摩擦系数为0.061 6.证明添加适量的（Ti,W）C颗粒会显著提高Inconel 625合金涂层的硬度及耐磨性，并降低了摩擦系数.
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  复合纳米流体在歧管微通道内的流动传热数值模拟

  董辉, 于珂凡, 赵亮, 王进

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 960-966.

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  对歧管微通道散热器中复合纳米流体的流动与传热特性进行数值模拟.以水基Al2O3-CuO复合纳米流体为工质，探讨纳米颗粒混合比例、体积分数（φ）、雷诺数（Re）以及引入凹槽对散热器流动换热的影响.结果表明，复合纳米流体在较高的体积分数和雷诺数下具有较好的热力学性能，但相应的压降也会增大.混合比例1∶4的复合纳米流体整体性能最优，在Re=100，φ=6%时，泵功消耗比单一的水基Al2O3纳米流体降低18.9%，综合性能指标提高21.7%.在歧管微通道的侧壁上添加不同形状的凹槽与光滑歧管微通道的换热效果基本相当.
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  镁处理对TiN液析行为的影响

  张永余, 马崑, 闵义, 刘承军

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 967-973.

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  为研究镁处理对钛微合金钢在凝固过程中TiN液析行为的影响，采用真空感应炉冶炼了试验钢.利用SEM-EDS结合图像处理软件，分析铸坯径向不同位置处镁处理钢对比非镁处理钢中夹杂物的成分和尺寸变化，并用FactSage软件对夹杂物的形成和析出进行了计算.结果表明：钢中TiN夹杂均在凝固前沿的液相中生成.氮含量增加，凝固过程中TiN的析出温度升高和析出量增加，并对后续Ti₄C₂S₂和MnS的析出产生影响.非镁处理条件下，铸坯1/4处和中心处TiN夹杂的平均粒径分别为2.48和2.11μm，镁处理后，尺寸分别降为1.50,1.45μm和1.48,1.38μm，数密度也有所增大.添加微量Mg,MgO·Al₂O₃即可稳定存在于钢中并在钢液降温过程中成为TiN的凝固核心，促使TiN夹杂分布弥散，减少了大尺寸TiN的生成.
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  上肢康复机器人模糊自适应交互控制研究

  单泉, 张顺, 黄建聪, 陈砚

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 974-983.

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  为解决脑卒中患者在主动康复训练过程中因患者个体差异导致的训练强度不足或过强问题，提出了一种基于模糊规则的上肢康复机器人自适应交互控制系统.针对不同病情患者的肌力差异，设计模糊自适应阻抗控制器.控制器基于人机交互力和系统误差，利用模糊推理对阻尼和刚度系数进行自适应调节，改变训练强度，实现康复机器人按需辅助控制.为保证康复训练过程中运动轨迹的准确跟踪，设计GAFuzzyPID控制器，基于改进遗传算法对模糊规则隶属度函数和规则库进行优化，降低康复机器人轨迹跟踪误差.基于Matlab/Simulink对系统进行轨迹跟踪和自适应阻抗控制仿真实验.结果表明，轨迹跟踪实验中，GA-FuzzyPID控制器的轨迹误差相较于PID控制器和FuzzyPID控制器分别降低了55.9%和34.0%，有效提高了轨迹跟踪精度；自适应阻抗控制实验通过与固定阻抗方法进行对比，验证了所提自适应交互控制系统的有效性和可行性.
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  指尖自锁欠驱动机械手设计与研究

  郭立新, 李泽豪, 赵明扬

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 984-991.

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  欠驱动机械手结构简单、成本低、易于控制、自适应能力强，但欠驱动机械手是通过机械限位与弹簧约束来完成抓取，抓取稳定性差，无法输出较大的指尖抓取力.本文提出一种新型的指尖可自锁的欠驱动三指机械手，在抓取时远指节与中指节可实现自锁，增加了抓取的稳定性.同时建立了单指的D-H运动学模型，利用MATLAB分析了机械手的工作空间，对手指进行了静力学分析，利用ADAMS软件对机械手进行仿真分析，最后进行抓取测试，结果表明指尖自锁机械手能输出更大抓取力，从而验证了指尖自锁机械手结构的合理性与可行性.
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  基于Kriging模型的螺旋波纹管流动换热特性及结构优化

  郑智群, 黄贤振, 姜智元, 苗兴琳

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 992-1001.

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  在螺旋管式换热器的基础上结合波纹结构，设计出一种新型的螺旋波纹管换热器.通过数值计算研究了不同波纹深度和波纹节距对其流动换热的影响.以数值计算结果训练Kriging模型，训练后的Kriging模型可预测大量不同螺旋波纹结构特征样本的流动换热特性.通过筛选摩擦系数较低且换热效率较高的结构参数以实现螺旋波纹管换热特性优化.结果表明，波纹结构产生的流速突变和螺旋结构产生的二次流提高了换热效率和流动阻力.通过与数值计算结果的对比，Kriging模型预测换热特性具有较高的效率和精度.在所选定的参数范围内，当波纹深度、波纹节距、螺旋中径、螺旋节距分别为1.32,27.99,86.49,57.85 mm时，螺旋波纹管具有较低的摩擦系数和较高的换热效率.
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  基于改进YOLOv5的退役轴类零件表面损伤检测方法

  刘伟嵬, 邱佳鹤, 胡光大, 刘泽远

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 1002-1010.

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  针对传统检测方法在对退役轴类零件进行损伤检测时存在效率低、结果一致性差等问题，提出了一种基于改进YOLOv5的退役轴类零件表面损伤检测方法 .首先，将注意力机制嵌入检测算法中，增强了损伤在图像中的特征表示；然后，采用重复加权双向特征融合方法改进了检测模型的网络结构，有效提升了网络特征提取能力；最后，使用Ghostconv卷积模块代替普通卷积，大幅度降低了模型参数量.实验结果显示，改进后的算法模型精度比原始YOLOv5提升了6.9%，达到88.4%，同时模型参数量减少了6.1%，保证了检测速度与YOLOv5持平.与YOLOv3,SSD,Faster-RCNN等主流检测方法相比，在保证较高检测速度的同时，检测精度也有着明显优势.
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  单颗CBN磨粒超声振动辅助磨削AISI 304材料去除机理

  杨震宇, 邹平, 周亮, 王安琪

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 1011-1019.

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  为了解释超声作用下磨粒切削材料的去除机理，对单粒磨削过程进行了分析，建立了未变形切削厚度和磨粒与试件的固定速度比（vs/vw）的数学模型.在AISI 304试件上进行了固定速度比的普通磨削（conventional grinding,CG）、切向超声振动辅助磨削（tangential ultrasonic vibration assisted grinding,TUVAG）以及径向超声振动辅助磨削（radial ultrasonic vibration assisted grinding,RUVAG）的单颗粒试验.结果表明，在固定速度比条件下，试件在CG与TUVAG作用下都是以塑性变形的形式去除，但超声辅助显著提高了材料去除率.试件在RUVAG作用下材料的去除方式与未变形切削最大厚度a_gmax的值息息相关. a_gmax小于0.8μm时，试件表现为脆性断裂的形式去除；之后随着a_gmax逐渐增大，试件转变为塑性变形的形式去除.
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  自膨胀管缝锚杆力学性能现场试验研究

  杨正明, 徐帅, 纪旭波, 王瑞强

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 1020-1027.

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  管缝锚杆的锚固力受管径差、岩体条件等因素影响，导致输出锚固力波动较大.自膨胀管缝锚杆可改善常规管缝锚杆的锚固性能，成倍提高锚杆的负载能力和吸能能力，但其在不同岩性区域和不同安装角度下的锚固力学特性尚不明确.采用锚杆智能拉拔测试系统，开展了在破碎软岩和完整硬岩两种极端工况下，不同安装角度和药卷长度对自膨胀管缝锚杆力学特性的影响规律研究.结果表明：锚杆锚固力与药卷长度线性正相关，围岩强度越高，锚固力增长速率越快；相同工况下，锚杆锚固力与安装角度正相关，垂直安装时锚固力最大，且围岩强度越低，锚固力受安装角度影响越大.在两种极端岩体条件下，与常规管缝锚杆相比，自膨胀管缝锚杆锚固力分别提高1.88倍和3.15倍，吸能能力分别提高143.7%和259.6%，在滑移变形的基础上显著提高锚固效果.
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  不同活化方式下硅质铁尾矿的粉磨特性与胶凝活性

  王述红, 刘长宇, 侯钦宽, 曹莹

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 1028-1036.

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  机械活化是提高尾矿活性的常用方法，将化学活化剂加入粉磨体系中的机械-化学活化方式是更为有效的手段.使用5种活化剂，采用了单掺和复配的方式对硅质铁尾矿（iron ore tailings,IOTs）粉磨特性及早期胶凝活性的影响进行对比分析.通过机械活化、机械-化学活化2种方式制备铁尾矿粉，测定2种活化方式磨细后IOTs的粉磨特性——比表面积、颗粒粒径分布（PSD）及3,7,28 d胶凝活性，利用XRD和SEM分析水化产物.结果表明：在相同的粉磨时间内，各活化剂的加入均能提高IOTs比表面积，粉磨90 min时添加复合活化剂的机械-化学活化与机械活化相比最多提高30.43%；活化剂的加入提高IOTs粉磨效率使PSD区间更窄；水化早期胶凝体系的强度提高主要是活化剂可促进钙矾石形成，后期强度提高是因为尾矿活性提高.本研究对硅质铁尾矿的高效利用具有重要意义.
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  混凝土三点弯曲梁随机骨料模型的开裂模拟

  王青原, 许颖, 钱胜

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 1037-1046.

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  在试验表征及工程实践中，仿真可以准确反映裂缝的发展规律.采用内聚力模型来研究混凝土梁三点弯曲试验的宏观力学性能和细观开裂损伤破坏行为.在三点弯曲试验中的受力破坏的全过程研究中，对I型断裂能、II型断裂能、抗剪强度、抗拉强度及弹性模量（刚度）这5个控制单元开裂的关键参数进行了反演研究.通过宏观力学性能和细观开裂的试验结果，对一组试件的试验结果与参数化模型结果进行逆推分析，得到了控制因素在模拟中适用的参数范围.然后结合不同配合比试件的骨料定量化信息，对3个骨料面积不同的模型，应用已得到的参数范围中值来模拟获得裂缝扩展的定量结果，并对照模拟与试验的力学性能和裂缝量化结果验证参数范围的准确性.
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  环境友好淋洗材料研选及对棕壤Cd污染修复作用

  李英华, 吴纪国, 刘司南, 钱杰

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 1047-1056.

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  生物表面活性剂具有两亲性，常用于土壤重金属淋洗.为进一步提升其对土壤Cd的去除率，将生物表面活性剂分别与乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMPA）、聚酰胺酸（PAA）及柠檬酸（CA）联用，采用水平实验法探究单独及复配材料对Cd污染土壤的淋洗特征，用响应面法进行参数优化；对比复合淋洗Cd与单一淋洗、不同复合材料、淋洗顺序对土壤Cd去除作用.结果表明，表面活性剂单独淋洗Cd去除率<16.69%. EDTMPA与皂素混合淋洗对Cd去除率提升显著，比皂素单独淋洗提升49.28%.参数优化结果表明，对淋洗效果影响显著顺序为：淋洗时间>复配比>温度>pH，两两因素存在交互作用. EDTMPA与皂素混合淋洗最佳参数条件为：复配比1.3∶1,pH 7，温度22 oC，淋洗时间240 min，此时Cd去除率为65.16%.
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  乌龙茶叶粉尘爆炸特性实验研究

  许开立, 陈西萌, 刘博

  东北大学学报(自然科学版). 2024, 45(07): 1057-1064.

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  选取某茶叶公司的乌龙茶叶粉尘为研究对象，用激光粒度分析仪对其粒径分布进行表征.在粉尘层着火温度实验装置、高德伯尔格-格润瓦尔德炉、哈特曼管爆炸实验装置、Siwek 20 L球形爆炸系统中测试研究了粉尘着火敏感度及爆炸猛度.实验结果表明：粉尘层的最低着火温度为250℃，粉尘云的最低着火温度为510℃，最小点火能>1 000 mJ，爆炸下限为120 g/m3，粉尘云的最大爆炸压力达0.82 MPa，最大压力上升速率达63.002 8 MPa/s，爆炸指数达17.1 MPa·m/s，乌龙茶叶粉尘爆炸等级为St-1.借助热重分析和工业分析，对其爆炸特性进行了理论分析.研究结果对了解茶叶粉尘爆炸危险性、加工车间的安全管理以及防爆设计具有一定的参考价值.