2023年, 第42卷, 第05期　
刊出日期：2023-10-15

  

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  基于多波束激光测高卫星ICESat-2观测的垂线偏差解算

  刘新, 回桂华, 周爱民, 郭金运, 宋孟昊, 张聪, 刘亚亭

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 1-11. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.001

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  卫星测高技术中，传统的微波雷达海洋测高卫星轨道倾角近90°,且只能利用沿轨海面高数据计算垂线偏差，导致其解算垂线偏差卯酉分量比子午分量精度差。ICESat-2搭载的ATLAS系统可同时发射6条激光波束测量海面高，有望通过计算跨轨垂线偏差来提高卯酉分量精度。本研究以中国南海(0°N～30°N,105°E～125°E)为研究区域，基于ICESat-2海面高产品ATL12计算沿轨垂线偏差和跨轨垂线偏差，并利用最小二乘配置法反演1′×1′规则网格垂线偏差。实验结果表明：ICESat-2沿轨海面高数据解算的子午分量和卯酉分量与XGM2019e＿2159-DOV模型的验证精度分别为0.90″和1.91″,子午分量精度明显高于卯酉分量。而跨轨海面高数据解算的子午分量和卯酉分量与XGM2019e＿2159-DOV模型的验证精度分别为2.63″和1.66″,卯酉分量精度明显提高且高于子午分量。
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  附加物方长度约束的三维坐标交会测量

  黄赫, 范百兴, 陈哲, 段童虎, 邹方星

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 12-21. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.002

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  大型粒子加速器等精密工程在加工制造及设备安装等方面对空间三维坐标精度提出了极高的要求，在利用多路绝对激光测距仪进行多边交会测量空间点三维坐标的基础上，在物方(目标点所在物体)上附加高精度长度约束以进一步提高点位精度。以多路绝对激光测距仪的高精度绝对测距性能为基础，通过已建立的三维测边网及免自标定的激光多边交会测量平差模型，得到高精度的目标点空间三维坐标。在此基础上，附加涵盖目标点信息的物方长度约束，建立对应的附有条件的参数平差模型，进行平差解算。实验分析表明，在多边交会测量基础上附加物方长度约束，可提高物方目标点坐标的精度，在8 m×3.5 m×2.5 m的整体实验范围内，点位精度最高提升0.74μm,较原精度提升27.0%。该方法可操作性强，可用于现代装备制造业中高精度大尺寸坐标测量。
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  砂型3D打印成型方向对含裂隙软岩试样力学特性的影响研究

  蒋力帅, 李春盎, 徐清, 牛庆佳, 张哲

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 22-29. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.003

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  高效、精准、可重复地制备与软岩力学特性、结构特性相符的试样，是突破传统软岩力学试验瓶颈的关键。本研究通过砂型3D打印技术研究了成型方向对试样力学特性的影响。以石英粉砂作为原材料，制备了沿长边成型和以短边成型的两种试样。进行单轴压缩试验并结合数字图像分析(DIC)观察，分析加载期间试样的力学性能和变形破坏特征。试验结果表明：相较于沿长边成型，沿短边成型时试样强度出现一定程度的折减，对裂隙的影响更为敏感。沿长边成型其破坏形式主要为剪切破坏和拉剪混合破坏，沿短边成型时破坏形式主要为劈裂破坏、沿层理面破坏。
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  基于Pile单元改进模型的锚杆锚固角度效应数值模拟研究

  左海峰, 蒋宇静, 李春平, 刘光饶, 张孙豪, 管彦太, 栾恒杰, 刘建荣, 李鑫鹏

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 30-39. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.004

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  为探究锚杆在不同锚固角度下的受力特征和作用机制，采用Pile单元改进模型建立具有不同锚固角度的锚固结构面数值模型，并开展一系列的单轴压缩数值试验，对锚杆的锚固角度效应进行了系统研究。结果表明：当锚固角较大时，锚固结构面试件加载过程分为4个阶段，而当锚固角较小时仅为3个阶段；随着锚固角的增加，峰值应力整体上先恒定后减小，弹性模量呈非线性降低；锚杆与试件力的相互作用主要分布在结构面与锚杆相交处以及锚杆两端；锚杆的显著变形和受力主要分布在结构面附近，大致为锚杆直径的3～4倍；随着锚固角的增大，锚杆轴力的贡献呈非线性减小，锚杆剪力的贡献呈线性增大，锚杆抗剪力呈非线性减小。
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  基于CT技术的喷射混凝土粗骨料与孔隙分布规律研究

  潘刚, 李春岿, 雅各布·拉日诺夫斯基, 托马斯·齐克蒙德, 彼得·奥伯塔, 约瑟夫·凯泽, 李鹏程, 陈连军

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 40-47. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.005

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  混凝土粗骨料和孔隙是影响其力学强度的重要因素，本研究基于CT扫描技术，对浇筑和喷射两种工艺制作的混凝土试件的粗骨料、孔隙分布和力学强度进行研究，分析混凝土粗骨料和孔隙分布规律。结果表明：浇筑和喷射混凝土骨料存在分层现象，但呈现规律不同，浇筑混凝土粗骨料呈两层分布，分层临界点大约在试件50 mm处，靠近试件底部粗骨料体积增加16%;喷射混凝土粗骨料呈三层分布，临界点位于试件30、70 mm处，在近壁面30 mm区域粗骨料回弹严重，体积减少50.45%,试件中部30～70 mm区域，粗骨料分布均匀且密集，但仍少于浇筑混凝土，喷射试件末端70～98 mm区域骨料数量和体积有所下降，但高于近壁面区域；孔隙分布受骨料分布影响，大孔隙主要沿骨料边缘分布，总体上喷射混凝土孔隙率高于浇筑混凝土且形状不规则，0.1～0.4 mm孔径孔隙数量较多。结合骨料分布和孔隙率的特点，分析了粗骨料分布、孔隙率对混凝土抗压强度的影响。
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  地铁移动荷载作用下准饱和地基振动特性及隔振研究

  王滢, 姚真, 宋永山, 赵礼治

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 48-57. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.006

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  根据2.5维有限元理论，将地基假设为准饱和地基，建立地铁列车-轨道-隧道衬砌-分层准饱和地基2.5维有限元模型，研究准饱和地基饱和度变化对地铁列车运行产生的地面振动响应的影响规律，并分析了准饱和地基饱和度对波阻板隔振性能的影响。结果表明：准饱和地基饱和度减小使地面振动加速度、水平x方向、竖向z方向位移幅值有一定程度减小；随着距离轨道中心距离增加，饱和度对地面振动响应的影响越明显；准饱和地基饱和度减小，波阻板对x方向隔振性能增强，对z方向隔振系数减弱；波阻板对地铁移动荷载产生的低频振动有较好隔振性能。
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  脉动风作用下塔线体系的风致响应特性分析

  朱岚康, 沙沐, 徐万海, 李丹煜, 朱晔, 崔力

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 58-67. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.007

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  塔线体系是输电系统的基础，风载荷作为塔线体系所受的主要载荷，在风载荷下塔线体系的结构安全分析十分重要。考虑脉动风载荷的影响，采用Kaimal风谱与谐波叠加法，拟合确定了脉动风速，并考虑了风速沿高度的变化情况。基于ABAQUS有限元软件，建立“四塔五线”的典型耐张段模型，分析不同风速、风向角对于塔线体系结构动力响应的影响机制。通过对杆塔塔头位移、杆塔底座支反力以及塔线体系的应力集中部位的分析得出：随着风速的增大，重力塔与张力塔在两个方向的塔头位移幅值增大；随着风向角的增大，张力塔在两个方向的塔头位移幅值增大；重力塔在垂直于塔线体系方向的位移幅值增大，沿塔线体系方向的位移幅值先增大后减小，在45°时达到最大幅值。杆塔的应力集中点基本位于杆塔的钢材集中处。
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  微胶囊橡胶改性沥青混合料自修复性能研究

  杨祥, 乔智健, 苗永哲, 田稳苓, 卿龙邦, 姜磊

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 68-76. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.008

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  为促进微胶囊沥青混合料的路面工程应用，研究了微胶囊对橡胶改性沥青及橡胶改性沥青混合料基本性能和自修复性能的影响。通过对比微胶囊橡胶改性沥青基本参数及动态剪切流变(DSR)两阶段疲劳加载试验结果，分析了微胶囊对橡胶改性沥青基本性能及自修复性能的影响；通过车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、四点弯曲疲劳试验研究了微胶囊对橡胶改性沥青混合料路用性能及自修复性能的影响。结果表明，橡胶改性沥青掺加微胶囊后，针入度及延度略有降低、软化点略有提高；不同微胶囊掺量的橡胶改性沥青自修复指数提升了1.9～2.7倍，试验条件下微胶囊掺量为0.55%时橡胶改性沥青的自修复能力最强；橡胶改性沥青混合料掺加微胶囊后，其高温性能、低温性能和水稳定性能略降低，但四点弯曲疲劳试验结果显示，掺加微胶囊的橡胶改性沥青混合料经过两次自修复后，其弯曲劲度模量恢复率分别提升了11%和8%,疲劳寿命恢复率分别提升了6%和2%。合理应用微胶囊，能够有效提高橡胶改性沥青混合料的自修复能力，延长路面服役期限。
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  基于EWT-GRU-RR的配电网短期电力负荷预测模型

  白星振, 赵康, 葛磊蛟, 王慧, 李晶, 李华, 牛峰

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 77-87. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.009

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  随着间歇分布式电源的大规模并入，电力负荷的波动性和非线性特征日益明显，现有单一预测模型较难实现精准预测。本研究提出一种经验小波变换(EWT)、门控循环单元(GRU)和岭回归(RR)相结合的短期电力负荷预测模型EWT-GRU-RR。首先，应用灰色关联度选取与负荷高相关性的气象耦合因素，作为相似日的分类指标；然后，采用皮尔逊系数法对类别内的负荷进行最佳相似日选取以减小计算规模；接着，采用EWT将相似日负荷数据分解得到不同频率的负荷模态序列；最后，采用GRU与RR分别对不同频率模态序列进行多步预测，并将预测分量叠加得到最终负荷预测结果。实验结果表明，本研究所提模型的预测误差较单一预测模型GRU减少了77%以上，较支持向量机回归(SVR)减少了75%以上，较先采用经验模态分解(EMD)进行分解再采用径向基函数神经网络(RBF)和RR组合预测模型EMD-RBF-RR减少了75%以上，较先采用EMD进行分解再采用GRU和RR组合预测模型EMD-GRU-RR减少了76%以上，有效提高了负荷预测精度。
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  基于一维卷积神经网络的多工况轴承故障诊断

  鲁朋, 宋保业, 许琳

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 88-96. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.010

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  针对多工况下的轴承故障诊断问题，提出一种基于一维卷积神经网络的故障诊断方法。采用重叠采样方法从CWRU数据集获得扩充的数据样本，并通过归一化获得训练数据；基于TensorFlow模型设计了轴承故障诊断的一维卷积神经网络，将预处理后的数据样本直接输入到网络中进行训练，实现了端到端的轴承故障诊断。实验表明，该方法避免了复杂的特征提取过程，具有较高的故障分类准确率和鲁棒的泛化能力，可以实现多工况下轴承故障的准确诊断。
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  基于Matlab/Simulink仿真的轮式挂线机器人能耗分析及优化

  王智伟, 张振萌, 贾艳昊, 付鹏豪, 孙爱芹, 袁亮

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 97-107. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.011

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  为更准确地评估轮式挂线机器人的能耗，综合考虑机器人滚动阻力、空气阻力和坡度阻力，构建了机器人动力学模型；结合电机模型、电池模型建立轮式挂线机器人能耗仿真模型，分析线路坡度、行驶速度对机器人能耗的影响，并针对能耗进行优化。结果分析表明：爬坡角度由0°增加到30°,机器人能耗增加了4倍；行驶速度由0.5 m/s提升至1.5 m/s,机器人能耗增加了3倍；在保持风阻系数不变的情况下，机器人重量减轻0.5 kg,电池荷电状态提高2.2%,同时功率下降4.9%。
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  基于LuGre摩擦模型的两轮自平衡车系统动力学

  王海明, 张欣刚, 姚文莉

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 108-116. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.012

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  准确描述轮式机器人系统的运动状态是对其进行轨迹控制的关键，而当驱动轮与地面存在相对滑移或侧滑时，添加非完整约束的动力学描述方法通常会失效。为了得到适用于非结构化环境的轮式机器人动力学模型，本研究以两轮自平衡车为例，为LuGre模型添加摩擦力，以描述驱动轮与地面之间的粘滞-滑移效应；基于虚功率原理，建立包含摩擦力的轮式机器人系统动力学方程，并针对不同驱动力及不同工况条件对系统进行了动力学仿真及分析。仿真结果表明：相比于传统的添加非完整约束，基于LuGre摩擦模型的动力学建模方法可以有效侦测到驱动轮与地面的相对滑移及侧滑状态，在真实工况下反映系统动力学行为方面表现出有效性和优越性，为轮式机器人后续的优化设计及轨迹控制提供理论依据。
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  基于出租车时序数据聚类的城市功能区识别与分析

  潘福全, 夏家琪, 宋夫才, 杨晓霞, 张丽霞, 陈德启

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2023, 42(05): 117-130. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.013

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  为了从居民活动视角挖掘城市各区域的出行模式，识别其承担的城市功能，从静态功能和动态使用角度感知城市空间。基于出租车出行数据构建各区域单元的乘客上车、下车时间序列数据集，采用时间序列相似度度量方法和基于中心点的聚类算法对呈现不同出发、到达模式的单元进行分类。对同一单元的出发-到达模式进行耦合分析，提取10种典型的出行组合模式，并根据其到离时序特征和空间分布特征将各单元划分为工业(产业)类、混合类、居住类、商业类、泛办公类5种功能区。采用兴趣点(POI)数据，引入POI富集指数对功能区识别结果进行校验，对于校验通过的单元，进一步标定该单元的主导POI类型，细化功能区识别结果。结果表明：市区、市郊、郊区主导功能类型不同，以市区为核心向外辐射，呈现办公、居住、工业的功能区分布层级结构。同一类型的功能区，由于所处地理区位不同，在到达时序特征上呈现较为明显的差异。