2024年, 第57卷, 第04期　
刊出日期：2024-04-15

  

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  天津空客A330宽体机厂房焊接加固过程结构性能监测与分析

  陈志华, 王昭著, 刘红波, 陈宇, 杨向燚, 张晓光

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 335-342.

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  大跨度钢桁架加固方法多采用焊接加固增大截面法．针对大跨度钢桁架屋盖整体结构的负载焊接加固，以天津空客A321(A330宽体机厂房)屋盖为例，采用4片角钢，分肢与原H型钢的翼缘、腹板分别焊接的加固方式，设计了合理的焊接加固方案与监测方案，对结构关键构件在焊接加固过程中的应力、应变进行监测．以监测数据为依据，研究分析焊接加固过程中型钢与加固角钢的应力响应规律，验证钢桁架梁采用角钢焊接加固的传力有效性，判断焊接热输入的影响范围．结果表明：在负载焊接加固的过程中，局部高温热影响区引起应力重分布，加固角钢的存在对原有型钢构件起到了相应的承担作用，焊接加固过程中结构的安全性可以得到保证．此外，焊接加固时，通过监测相邻杆件的应力和应变，分析表明焊接热影响的范围在两个节间范围内，且带来的应力响应较小．
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  铰接支撑双重抗侧框架及其弹塑性抗侧性能研究

  余玉洁, 韦权飞, 王霄翔, 胡婉颖

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 343-354.

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  基于现有分层装配柔性支撑框架，提出改进的铰接支撑双重抗震改进型轻钢框架体系．外墙转角或边墙处采用贯通式边柱，结构内部采用柱分层、梁贯通式结构设计．内部分层立柱之间设置柔性交叉支撑提供结构的初始抗侧刚度，贯通式边柱与水平贯通梁刚性或半刚性连接形成外围框架，提供后继抗侧储备并形成第2道抗侧防线．采用理论分析方法得到改进型框架梁、柱、支撑等构件初步设计方法，并基于Pushover分析改进型框架弹塑性抗侧承载性能和关键结构参数影响规律．该结构传力机制清晰，具备多重抗侧承载机制，并可基于结构力学方法有效得到结构设计准则．柔性支撑在距边柱一定距离后其位置变化不影响结构抗侧承载性能．内部分层立柱节点刚度对结构抗侧性能影响较小，实际设计中可采用全螺栓连接或限位铰接．边框梁柱连接刚度将影响外围框架刚度和结构失效机制，实际设计中宜采用加劲型螺栓连接以保证有足够的抗弯刚度．体系中各节点均可在保障结构性能条件下采用螺栓连接以实现全装配化建造．
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  发动机进气温度对稀薄燃烧稳定性影响的可视化研究

  左俊杰, 王志刚, 薛亮, 张韧, 卫海桥, 潘家营

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 355-361.

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  稀薄燃烧稳定性是先进天然气发动机稳定高效清洁燃烧的重要指标．为了进一步探索改善天然气发动机稀薄燃烧性能的方法，本文基于一台高压缩比单缸光学发动机，采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法，研究了进气温度对天然气发动机稀薄燃烧特性的影响，量化了火焰发展演变与发动机性能之间的关联性．研究表明：提高进气温度可以提升缸内压力和放热率峰值，进气温度从25℃到75℃，峰值压力从3.71 MPa提升至4.49 MPa，峰值放热率从57.17 J/(°CA)提升至64.36 J/(°CA)，并且放热过程更为集中，同时结合发动机点火时刻，可进一步实现燃烧相位优化，降低传热损失；可视化燃烧图像显示，高进气温度条件下着火延迟期缩短，初始火焰尺寸增大，后期火焰传播更快，最大火焰传播速度提升至约10.6 m/s，同时火焰前锋趋于向四周传播，火焰形态对称性更好．此外，本文创新性地提出了一种基于可视化图像来量化的已燃质量分数的经验准则来评价初期火焰发展特性，发现提升进气温度主要影响早期火焰发展规律，高进气温度下早期火焰循环变化系数从18.12%降低至7.86%，并且该持续期平均值从13.03°CA降低到了9.25°CA，从而减小了后期燃烧过程的差异，这是天然气发动机稀薄燃烧稳定性改善的主要原因．
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  融合注意力机制的刀具磨损预测方法

  董靖川, 武晓鑫, 高宇博, 苏德鹏

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 362-373.

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  刀具的磨损状态影响着工件表面质量与加工稳定性，故实现其磨损量的准确监测对于保证加工可靠性、维持生产加工连续性具有积极作用．为进一步提高刀具磨损预测模型的泛化性能和准确度，提出一种融合注意力机制的多尺度卷积双向门控循环(multiscale convolutional bidirectional gated recurrent unit-attention,MSCBGRU-A)神经网络的刀具磨损预测方法，其由特征拓展模块、多尺度卷积模块、双向GRU模块、注意力模块、回归模块组成．首先，将切削力、声发射、振动信号作为输入信号，输入信号通过多尺度卷积模块获得多个尺度的刀具磨损输出特征图，将多个卷积通道输出的特征图输入到连接层进行首尾和层叠两种方式的连接来获得两种输出数据．然后，将两种输出数据分别输入到双向GRU模块与注意力模块，通过双向GRU模块学习输出特征图动态变化来获取时序特征，通过注意力模块对多尺度卷积神经网络的输出进行权值分配，强化对刀具磨损预测结果贡献度更大的特征．最后，通过回归模块对磨损值进行预测．经过对比实验引入混合域注意力机制的基于卷积块的注意力机制(convolutionalblockattentionmechanism,CBAM)，获得MSCBGRU-CBAM模型，并且通过绘制CBAM的注意力权重图证明注意力机制可以自适应地关注与刀具磨损更相关的特征．与其他深度学习模型进行对比实验表明，MSCBGRU-CBAM模型具有最高的预测精度，且与未使用注意力机制的MSCBGRU模型相比，RMSE降低19.3%,MAE降低17.7%,R~2提高2.7%.
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  基于改进模拟退火算法的工业机器人绝对定位精度提高

  黄智, 闵杰, 陈贵科, 饶志敏, 辛强, 赵寻

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 374-381.

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  工业机器人在抛光大口径光学元件时由于其较低的绝对定位精度，使得加工元件较难达到较高的面形精度．本文提出一种通过考虑测量坐标系与机器人基坐标系之间的转换误差、机器人的运动学误差以及机器人法兰端到工具坐标系的测量误差等多误差源构建工业机器人综合误差模型的校准方法．通过仿真实验与PSO、AFSA、SA算法进行对比，证明改进后的Be-SA算法在辨识误差参数时具有更快的收敛速度和更高的精度．实验结果表明通过Be-SA算法辨识后的KUKAKR120R3900的平均绝对定位误差由2.497 mm降低为0.321 mm，最大绝对定位精度由3.358 mm降低为0.961 mm，构建的综合误差模型在辨识运动学误差参数时具有良好的适用性，改进后的Be-SA算法能有效提高机器人的绝对定位精度，对于磨抛大口径光学元件的性能提升具有重要参考价值．
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  基于反应精馏技术的乳酸乙酯工艺流程模拟与优化

  刘春江, 黄江辉, 陈妍希, 尹天乐, 项文雨

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 382-393.

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  提出了一种基于反应精馏技术制备乳酸乙酯的工艺流程．通过原料乙醇过量进料及乙醇脱水预处理的方法促进反应向右进行，提高乳酸乙酯产品的纯度；根据不同的乙醇-水共沸体系分离方法，建立了3种不同的乳酸乙酯工艺流程，即反应精馏-变压精馏(RD-PSD)流程、反应精馏-萃取精馏(RD-EX)流程和反应精馏-渗透汽化(RD-PV)流程；随后采用粒子群优化算法对各工艺流程进行多参数优化，以最小年总成本(TAC_(min))为优化目标，优化工艺流程参数，并对各流程进行经济和环境评价．结果表明：相较于RD-PSD流程和RD-EX流程，RD-PV流程有效降低了工艺投资，是一种极具潜力的节能低碳的乳酸乙酯工艺流程，较前两者其TAC分别降低了67.89%和29.33%，全局能量消耗(GEC)分别降低了70.17%和27.85%,CO_2排放量■分别降低了68.36%和25.00%.
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  基于VMD的MAG焊输入端电信号频域分析

  吕小青, 苏浩洋

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 394-402.

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  通过电信号采集平台，对焊机输入输出端电信号进行同步采集．分析弧焊电源整流电路，对输入电信号进行整流处理得到输入电压与电流，最终计算得到弧焊电源的输入功率．经过对比发现输出电流与瞬时输入功率峰值变化趋势基本一致．论述了变分模态分解(VMD)原理及方法，并对瞬时输入功率进行分解，得到一系列特征BLIMFs信号．通过对不同过渡模式(大滴过渡、短路过渡和混合过渡)下瞬时输入功率信号、特征IMF信号和焊接输出电流信号在频域上的对比分析，发现VMD能够有效得到低频(IMF1)、中频(IMF2)和高频信号(IMF3)，且中频和高频信号表现出了焊机不控整流的脉动信息(300 Hz)以及电网的干扰．而低频IMF1信号与焊接输出电流信号频域一致性良好，并在时域上也有良好的一致性．结果表明了通过对输入瞬时功率的VMD，其低频分量能够有效表征焊接过程，从而为从输入端评定过渡过程稳定性提供了一种新思路．
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  基于拍卖鸽群优化算法的多无人机追踪分布式任务分配

  胡超芳, 宋思涵, 徐嘉均, 王迪迪

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 403-414.

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  无人机技术已经广泛应用于各种研究领域，任务分配是多无人机协同的关键技术之一，对多无人机任务完成质量的影响极大，针对多个目标追踪场景下的多无人机任务分配问题，提出了一种基于拍卖鸽群优化(auctionPIO)算法的分布式分配方法．首先采用追踪总距离、分配均衡性、任务完成时间3个性能指标，结合追踪任务约束条件，建立了分布式多指标0/1整数规划模型．然后以拍卖策略作为分布式优化框架，无人机作为拍卖者对地面目标进行竞拍出价，通过多轮竞拍确定任务分配方案．为提高拍卖分配的最优性，增强了各无人机间的共享信息量，进而使无人机可对所有目标进行竞拍出价，并引入PIO算法更新各无人机的竞拍价格，将鸽子位置编码为无人机对各地面目标的竞拍增价，利用地图指南针算子和地标算子迭代更新种群位置，实现对无人机竞拍价格的优化更新．在此基础上，设计基于目标优先级的解算策略，用于将竞价矩阵和距离矩阵解算为任务分配方案，并进行了算法的计算复杂度分析．最后对所提拍卖鸽群优化算法分别进行了数值仿真、Gazebo虚拟仿真和实机户外飞行实验，结果表明：所提算法拥有良好的任务分配性能，不但在数值仿真对比中，优化性能比经典拍卖算法提高了12.16%，而且虚拟仿真和户外实验也说明算法能够满足实用性要求.
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  基于PPYOLOE的师生互助训练半监督目标检测网络

  张国山, 魏金满

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 415-423.

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  随着深度学习技术的发展，基于卷积神经网络的目标检测技术成为当前计算机视觉领域的研究热点之一.目前主流的目标检测算法依赖于监督学习方式，需要在大量有标注图像数据上训练网络，然而，无标签的数据易于获取，而有标签的数据收集起来通常很困难，标注也耗时和耗力．为了解决数据标注难以获取的问题，提出了教师学生互助训练的半监督目标检测(PPYOLOE-SSOD)算法．首先，同时训练一个学生模型和逐渐改进的教师模型，使用教师模型筛选高质量伪标签，将伪标签作为未标注图像的回归目标，指导学生模型训练，挖掘未标注图像的知识信息，为了减小参数传递的不稳定性，每次迭代学生模型使用指数移动平均方法更新教师模型参数；此外，引入不同种类的半监督数据增强方法来增强网络的抗干扰能力；最后，针对无标注数据的学习，新增无监督学习分支，使用密集学习方式对模型预测得到的特征进行处理，通过对教师模型预测的分类特征排序，自动选择高质量特征作为教师模型生成的伪标签，从而避免了繁琐的伪标签后处理，提升网络的精度和训练速度．在MSCOCO数据集上，通过使用半监督学习方法，PPYOLOE在1%、5%、10%的标注数据集上分别得到了1.4%、1.6%、2.1%的精度提升．与其他半监督目标检测算法比较，PPYOLOE-SSOD算法的精度达到最优．代码已开源在https://github.com/wjm202/PPYYOLOE-SSOD.
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  新型承插式螺栓连接柱-柱节点抗拉性能研究

  周凌宇, 张珍, 陈浩, 张明亮, 王其良, 刘晓春

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 424-436.

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  为实现模块化钢结构单元房间的上下连接，提出一种新型承插式螺栓连接柱-柱节点，以有无注浆、承插深度为参数设计并制作3个足尺节点试件，并对其进行抗拉试验，分析了各节点的破坏形态、应变分布以及承载能力等，探讨了该新型节点的抗拉性能．建立了数值分析模型，进行了轴拉荷载作用下的受力性能参数化分析，研究了承插深度、螺栓直径及内套筒厚度对节点抗拉承载力的影响．基于高强螺栓的抗剪承载力，提出了适用于该新型节点的抗拉承载力计算公式．研究结果表明：该新型节点可将轴向拉力有效传递至高强螺栓，试件破坏时均出现高强螺栓群被剪断，灌浆节点试件发生破坏时，出现钢材与灌浆料界面的黏结破坏及螺栓周围局部灌浆料的压碎；高强螺栓群在拉力荷载作用下呈端部螺栓受剪较大、中心螺栓受剪较小的分布，试件破坏时，各螺栓承受的剪力趋于相等；灌浆节点与无浆节点相比，灌浆料与高强螺栓协同工作性能良好，弹性阶段最大摩擦力平均值提高64.4%，极限抗拉承载力提高14.1%；承插深度由300 mm增至500 mm，节点极限抗拉承载力提高80.9%；承插深度和螺栓直径对节点抗拉承载力影响较大，内套筒厚度对节点抗拉承载力的影响较小；根据提出的节点抗拉承载力计算公式得到的计算值与有限元模拟值吻合良好．
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  海上桩基础注水加压拆除法的研究

  张浦阳, 信连硕, 丁红岩, 乐丛欢

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(04): 437-444.

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  近年来，全球海上风电发展势头迅猛．单桩基础作为最早应用于海上风电的基础类型，在全球风场中占据主导地位．现有风机的寿命一般约为20年，预计未来10年将迎来大量风机退役，这使得海上桩基础的回收问题变得愈发重要．为更好地解决海上桩基础退役拆除问题，本文通过物理模型实验的方式对注水加压拆除法进行了研究．实验结果显示：大直径桩基础拆除时所需压强更小，更易通过注水加压拆除法进行拆除；桩基础初始倾角对注水加压拆除所需压强影响较小，但初始倾角越大基础越易倾倒；拆除过程中桩基础单位位移引起的舱内压强下降幅度始终相同，不受基础直径、入泥深度以及倾角的影响．根据物理模型实验数据，结合土力学、水力学相关理论，建立了注水加压拆除法全过程理论模型，可大致预测不同桩径、不同入泥深度桩基础的启动舱内压强与舱内压强-位移曲线，并且在此基础上，结合渗流计算，利用有限元模型对水泵在注水回收过程中可产生的最大舱内压强进行了预测，对比最大舱内压强与基础拆除所需的启动舱内压强即可判断此水泵能否用于注水加压拆除．本文所得结论可为海上风电桩基础的退役处理提供参考，有助于保障风场海床资源的可持续利用，具有一定的工程价值．