2024年, 第43卷, 第03期　
刊出日期：2024-06-15

  

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  炮孔间距对偏心不耦合装药贯通裂纹扩展的影响

  张宪堂, 刘小康, 王向阳, 周红敏, 王洪立

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 1-10. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.001

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  为研究光面爆破中偏心不耦合装药炮孔间距对贯通裂纹扩展的影响，利用同心不耦合装药的孔壁压力计算公式并结合应力波叠加原理，推导偏心不耦合装药的炮孔间距计算方法。基于求得的炮孔间距范围，计算3种岩石介质在不同炮孔间距条件下贯通裂纹的扩展位置，并选择砂岩材料进行数值模拟。结果表明：偏心不耦合装药爆破中，贯通裂纹主要集中于偏心侧；抗拉强度大的岩石，贯通裂纹偏离炮孔连心线的程度也较大。砂岩的炮孔间距为60 cm时，贯通裂纹扩展方向与炮孔连心线重合，连心线下方出现裂纹比较集中的贯通区域；炮孔间距的增大导致贯通裂纹远离炮孔连心线，从而造成欠挖。偏心不耦合装药爆破后，偏心侧岩石的损伤明显大于非偏心侧。
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  基于锚杆系统横向振动频率响应特征的轴力检测方法

  王晓皓, 邢明录, 于凤海, 陈建崇

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 11-20. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.002

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  基于锚杆系统自由段横向振动特性的检测方法可实现对锚杆的大范围快速有效检测。为提升锚杆轴力检测精度，建立锚杆系统横向振动力学模型，测试了全尺寸锚杆系统轴向加载过程中的频率响应。结果表明：锚杆系统横向振动固有频率对转动刚度及锚杆自由段长度比较敏感；通过试验校准理论模型的转动刚度，所得理论预计轴力与试验结果的吻合度较好，频率阶次越低，轴力检测误差越小；轴力较低时，基频轴力检测的平均相对误差为5.8%,轴力较高时，平均相对误差仅为0.6%;当锚杆杆体进入塑性或界面脱粘滑移后，锚杆自由段长度变化较大，通过实时修正锚杆自由段长度，可实现锚杆系统损伤阶段的轴力检测，基频轴力检测的平均相对误差在4.1%以内。锚杆轴力的快速、无损检测方法对于支护系统及围岩稳定性评估具有重要意义。
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  浸水煤表面结构演化与自然发火指标实验研究

  葛俊岭, 解树亮, 赵滨, 夏鸣泽, 王刚

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 21-30. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.003

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  为了提高浸水煤自燃预警的可靠性和准确性，采用扫描电镜实验与程序升温氧化实验研究了不同含水率煤与原煤的结构变化和氧化规律。首先对比分析了浸水煤的表面结构变化，然后通过浸泡法制备了含水率为4%、11%、18%、25%、32%的煤样，利用程序升温实验分析不同含水率煤样气体产生量随温度的变化关系。结果表明：浸水后，煤样氧化产生CO和C₂H₄的临界温度由73℃、180℃提前到62℃、161℃,各煤样升温过程中产生气体随温度升高而升高，含水率为18%的煤样产生的CO、CO₂、C₂H₄和C₂H₆体积分数最高；在CO、C₂H₄可作为标志气体的基础上，引入CO与CO₂体积分数比值γ和C₂H₄与C₂H₆的体积分数比值ε,分别作为煤吸氧蓄热阶段和自热氧化阶段的预测指标，即：γ≤0.019时，煤样温度小于136℃,处于吸氧蓄热阶段；0.752≤ε≤0.836时，煤样温度136～226℃,处于自热氧化阶段；γ≥0.908时，煤氧化温度大于226℃,处于加速氧化阶段。最后，基于CO、C₂H₄、C₂H₆三种标志气体和γ、ε值，建立了浸水条件下采空区遗煤自燃的分级预警防控指标体系。
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  基于POM的全球M₂正压潮数值模拟

  付庆军, 林磊, 谭伟, 王胜利

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 31-40. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.004

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  普林斯顿海洋模型（POM）是应用较为广泛的区域海洋数值模型，但在全球潮汐数值模拟中的适用性尚待检验。本研究将三极网格和潮汐势引入POM中，对包含北极点的海洋潮波问题进行模拟，并建立水平分辨率1°×1°的全球大洋潮波数值模型，对全球M₂正压潮波进行数值模拟。模拟结果显示，太平洋存在5个M₂分潮无潮点，大西洋存在4个M₂分潮无潮点，印度洋存在3个M₂分潮无潮点，北冰洋存在2个M₂分潮无潮点；总体来看，大洋M₂分潮振幅小于近岸振幅，赤道太平洋海域出现2个M₂分潮的高振幅区，北冰洋与其他三大洋相比振幅最小。POM模拟结果与TPXO7.2全球潮汐同化模型结果基本一致，两者振幅均方根误差为5.6 cm,迟角均方根误差为10.0°,振幅的平均相对误差为12.5%;POM模拟结果与全球潮汐常数（GTCs）数据集对比，两者振幅均方根误差为21.4 cm,迟角的均方根误差为29.1°,振幅的平均相对误差为25.1%。表明所构建的POM全球大洋潮波模型能够较为准确地模拟全球潮波，得到全球潮汐的分布特征，为POM应用于其他全球海洋动力过程研究提供借鉴和参考。
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  基于三角面元的海岸带机载/船载LiDAR点云配准方法研究

  程玉璐, 于孝林, 王贤昆, 孔锁财, 宿殿鹏, 阳凡林

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 41-50. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.005

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  机载LiDAR系统与船载LiDAR系统是获取海岸带点云数据的常用方式。两种测量系统所测数据具有空间差异性和互补性，对这两类非同源点云数据进行配准具有重要意义。本研究提出一种基于三角面元的LiDAR点云配准算法，根据空间分布将目标点云分割成若干不规则的三角面元作为配准基元，利用点-面变换模型，最小化源点云中的测量点与其平面位置处的三角面元间的距离，最终实现海岸带区域点云配准。实验结果表明，配准前后的样本点距离平均误差和点-面距离均方根误差分别从3.30和1.51 m降低到0.76和0.17 m,本研究基于三角面元的点云配准方法可以有效消除海岸带非同源点云数据测量空隙、角度偏差等现象。
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  基于部分参数约束的粒子加速器隧道控制网平差

  刘忠贺, 李宗春, 何华

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 51-63. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.006

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  为控制隧道控制网平差时的误差累积问题，提高隧道控制网平差精度，设计了3种约束方案。首先，考虑到测站铅垂线之间的不平行性，依据控制网规模计算测站铅垂线与储存环中心铅垂线之间的夹角，在平差时顾及该约束，使平差模型更加严密。然后，为提高隧道控制网的平面精度，使用全站仪对距离较远的控制点进行长边夹角测量，在平差过程中附加长边夹角约束。其次，按照一等水准规范，对隧道地面点进行水准测量，基于水准测量结果，采用最小二乘转换方法，将控制网转换至水平面，进一步提高控制网竖向精度。最后，对周长为1 360 m的隧道控制网进行仿真试验。结果表明，顾及测站垂差及水准点高程或高差平差值可提高控制网竖向精度；附加长边夹角约束可提高控制网平面精度；同时顾及测站垂差、长边夹角观测值及水准高程或高差平差值可提高控制点的点位精度，验证了约束条件的有效性。研究成果可为相关工程布设控制网提供参考。
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  一种基于重力正演理论的海底地形反演迭代算法

  公维梁, 屠泽杰, 孙月文, 邢赛, 赵福玺, 阳凡林

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 64-74. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.007

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  重力数据反演海底地形的方法是获取全球海底地形数据的重要途径。针对传统地形反演算法需要间接引入经验参数的问题，本研究以不采用经验公式为原则，从空间域方法入手，结合重力正演公式，建立重力异常与地形之间的解析观测方程，采用最小二乘方法进行求解。为了得到观测方程最优解，建立牛顿迭代关系，引入正则化参数，增强方程组的收敛性。顾及边缘效应对正演的影响，采用双线性插值算法对原始重力异常数据进行加密处理和无约束网格扩充以削弱误差。在太平洋海域(155°E～156°E,16°N～17°N)构建了1′×1′分辨率的海底地形模型，并通过船测水深数据验证。相比于传统空间域算法——重力地质法，本研究方法的均方根误差降低了12.7%,验证了其可行性与准确性。
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  埋地输油管道对胶州湾第二海底隧道爆破施工的动力响应

  孙丰森, 王海亮, 张勇, 张雨晨

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 75-84. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.008

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  为深入研究埋地输油管道运行过程中的动力响应机制及不同工况下的输油管道振速规律，以青岛胶州湾第二海底隧道黄岛端斜井二期工程为背景，青岛港油港码头厂区内的埋地输油管道为研究对象，根据实测数据，采用ANSYS/LS-DYNA软件建立数值模型，通过模拟起爆药量、爆心距、管道埋深3种工况因素，建立输油管道振速预测模型。结果表明：管道环迎爆侧的振动速度大于管道环的背爆侧，管道轴向的峰值振速最大值出现在工作面前方4 m左右的管道截面上。得到的埋地输油管道振动速度预测模型对于工程爆破施工中邻近埋地输油管道的保护有重要参考意义。
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  配筋率对钢箱-UHPC组合梁裂缝特征的影响

  莫时旭, 房洋洋, 郑艳, 农双秀

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 85-93. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.009

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  为研究钢箱-超高性能混凝土(UHPC)组合梁负弯矩区裂缝特征，设计制作了3根配筋率分别为1%、2%和3%的UHPC翼板部分充填砼窄幅钢箱组合梁，通过对不同配筋率的试验梁进行反向加载试验研究组合梁的裂缝发展特征，并对最大裂缝宽度、裂缝间距及开裂荷载进行对比分析。研究结果表明：试验梁在不同配筋率条件下，UHPC面层裂缝发展明显不同，配筋率越高最大裂缝宽度越小，裂缝越密集，开裂荷载越大；与配筋率为1%的试验梁相比，配筋率为2%和3%的试验梁的开裂弯矩分别提高了30.3%和65.2%;可根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)中的裂缝宽度计算公式乘以0.78的修正系数，来计算窄幅钢箱-UHPC组合梁负弯矩区的裂缝宽度。
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  基于深度学习实例分割的室内环境物体语义建图

  许鹏, 龚士博, 田德旺, 苑晶, 孙凤池

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 94-104. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.010

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  为提升家庭服务机器人面向物体语义建图的精确性，提出一种改进的语义建图方法。该方法基于深度学习对单帧图像进行实例分割，利用其结果指导基于几何关系的聚类，使聚类结果既能保留深度学习方法识别的物体语义信息，又能贴近物体的几何边界。针对现有方法所建地图中物体标签缺乏可靠性的问题，提出一种语义地图优化方法，对地图中距离相近、重合度较高、类别相似的重复物体进行合并，并删除错误物体。实验验证表明，提出的方法能够提升物体边界分割的准确性，得到的物体数目更加准确。
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  神威·太湖之光平台上宇宙N体模拟中FMM的并行优化

  韩承磊, 梁建国, 傅游, 叶雨曦, 花嵘, 李倩倩

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 105-113. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.011

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  宇宙学模拟是典型的N体问题，是高性能计算中具有代表性和挑战性的问题之一。本研究在神威·太湖之光平台上对天文N体模拟软件PhotoNs-2中的计算主体——快速多极子方法(fast multipole method, FMM)进行移植和性能优化。针对目前研究中存在的计算效率不高、通信开销大问题，结合神威·太湖之光SW26010处理器架构特点，通过数据重整、超越函数计算重构、设计双缓冲和消息传递接口通信时合并发送树进行优化。相较于优化前，优化后的PhotoNs-2在3个不同算例规模下均取得约24倍的加速效果。提出的优化方案可以为其他高性能应用在神威·太湖之光平台上的移植与优化提供参考。
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  张紧式锚泊单浮箱水动力特性试验研究

  纪巧玲, 徐妍, 徐成浩

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2024, 43(03): 114-126. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2024.03.012

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  为研究张紧式浮式防波堤的水动力性能，采用二维物理模型试验方法，研究系泊缆锚泊倾角、系泊缆预张力以及浮箱相对宽度等因素，在规则波作用下对迎浪面动水压力、系泊缆拉力以及透射系数等水动力特征的影响规律。结果表明：随着锚泊倾角增加，迎浪面动水压力呈先增加后减小的趋势，系泊缆拉力呈先增加后轻微减小的趋势，透射系数则呈明显的减小趋势；随着系泊缆预张力增加，迎浪面动水压力、系泊缆拉力呈增加趋势，透射系数呈先减小后增加趋势；随着浮箱相对宽度增加，迎浪面动水压力、系泊缆拉力和透射系数均呈减小趋势。该结果可为张紧式锚泊单浮箱浮式防波堤的设计和安全性评估提供参考。