2024年, 第57卷, 第05期　
刊出日期：2024-05-15

  

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  基于改进麻雀搜索算法优化BPNN的电阻点焊质量预测

  罗震, 董建伟, 胡建明

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 445-451.

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  电阻点焊技术由于具有高效、自动化程度高等焊接特点，被广泛应用于汽车、航空航天和公共交通等制造领域，由于焊点在封闭状态下进行，焊接过程存在诸多影响因素且无法直接检测，因此，准确预测电阻点焊质量是生产过程中必不可少的环节．本文以2219/5A06铝合金为研究对象，在3种不同的装配条件(包括间隙和间距)下进行电阻点焊工艺信号的分析，并进行人工智能建模．为了提高电阻点焊质量评价的性能和效率，本文采用LogisticTent(LT)复合映射改进麻雀搜索算法(SSA)对反向传播神经网络(LT-SSA-BPNN)模型进行优化，模型的输入和输出分别为多信号融合后的变量和熔核直径．实验结果表明，与传统的标准反向传播神经网络(BPNN)模型相比，经过LT-SSA-BP模型优化后，预测结果的平均绝对误差(MAE)、均方误差(MSE)和均方根误差(RMSE)分别降低了36.17%、17.55%和51.75%．同时，LT-SSA-BP神经网络在添加了不同间隙和间距条件作为训练集后，其预测稳定性明显提高，可以成功预测电阻点焊质量．
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  有机溶剂和聚电解质提升MHET水解酶催化性能

  余林玲, 张盼盼, 孙彦

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 452-461.

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  聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一种广泛应用的塑料，但由于其难以自然降解导致严重的污染问题. PET水解酶和对苯二甲酸单乙二醇酯水解酶(MHETase)被认为是级联降解PET的关键酶，但尚未实现工业应用，本文针对MHETase开展稳定性研究以促进其工业开发.首先，选用4种不同的水溶性有机溶剂二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺、异丙醇和乙腈构建反应体系探寻最佳的MHETase反应条件，随后进一步研究有机溶剂和聚电解质预处理对MHETase催化活力和稳定性的影响.结果表明，当反应体系DMSO含量不高于10%时MHETase的活力几乎不受影响，其他条件下有机溶剂均会抑制MHETase活性，但这种抑制作用是可逆的，即该抑制可以通过去除有机溶剂来恢复.此外，低浓度的有机溶剂预处理能够提高MHETase的催化活力，且DMSO预处理能够提升MHETase的储存稳定性及热稳定性，MHETase在4℃下10%DMSO中储存96 h后的活力为原有活力的113%，在30℃下10%DMSO中孵育6 h后也能保持原有活力的103%.研究发现，MHETase活力可以通过阴、阳离子聚电解质孵育来提升，与等量阴、阳离子聚电解质共孵育的MHETase在4℃下10%DMSO中储存144 h也能保持118%的活力，但与DMSO预处理相比，聚电解质预处理对MHETase活力提升程度有限.本研究系统考察了有机溶剂和聚电解质对MHETase催化性能的影响，并指出DMSO和聚电解质的预处理有助于MHETase在常温下的储存和应用，为MHETase的工业应用提供了更多参考.
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  大管径Y型过滤器流动阻力特性数值模拟及实验研究

  朱春光, 王朝晖, 田喆, 许健, 旷金国, 胡优彬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 462-472.

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  大管径Y型过滤器是区域供冷和供热领域常用的过滤装置，设计师在选型时往往仅关注滤网目数，而忽略对过滤器阻力损失的关注．为了探究大管径Y型过滤器阻力损失的影响因素，首先，采用数值仿真计算的方法，分别建立不同特征尺寸的三维Y型过滤器模型，并利用深圳市前海区域供冷系统中的过滤器实验平台验证模拟的准确性；其次，研究了不同特征尺寸对于改善大管径Y型过滤器阻力损失的影响情况，并针对特征尺寸进行灰关联度排序，结果表明，影响程度由大到小依次为：腔体出口尺寸>滤网透过率>腔体入口尺寸>腔体与管道轴线夹角>腔体中心筒径>腔体长度；最后，根据灰关联度排序，通过将过滤腔体筒径扩大至管道直径的1.25倍，将过滤腔体的长度延长至管道直径的1.20倍，将腔体出口尺寸扩大至管道直径的1.125倍，将腔体与管道轴线夹角扩大至55°，滤网透过率提高至43.83%，新设计了流动阻力特性更优的大管径Y型过滤器，CFD计算结果显示，新设计的过滤器与原过滤器相比，阻力损失下降了73.23%，可大幅降低流体输配能耗.针对CFD优化设计方法，利用尺寸相近的Y型过滤器开展了阻力特性对比实验验证．本研究为大管径Y型过滤器的优化设计及技术改造提供了理论依据.
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  柴油机Wiebe模型参数优化及燃烧性能预测

  张帆, 马庆国, 王子玉, 曹如楼, 李超凡, 裴毅强

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 473-481.

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  基于一台单缸柴油机进行了发动机性能实验，通过结合单、双Wiebe燃烧模型和机器学习算法，提出了一种可预测的Wiebe燃烧模型，开展了不同边界条件下的燃烧参数和规律预测研究．首先，使用代数化Wiebe方程的线性拟合，根据线性拟合精度选取单、双Wiebe模型．然后，使用列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt,LM) 算法拟合Wiebe方程得到相应的6个Wiebe参数，实现放热率Wiebe参数化．最后，基于该Wiebe燃烧参数，应用误差反向传播神经网络(back propagation neural network,BP-NN)和随机森林(random forest,RF)算法，开发了实用性更广泛的两种Wiebe燃烧预测模型，研究了不同边界条件下的燃烧规律．结果显示：代数Wiebe方程的线性拟合精度小于等于0.99000时放热率曲线更复杂，此时选用双Wiebe方程可得到高精度的Wiebe燃烧参数，反之选用单Wiebe方程即可；在1200 r/min和2200 r/min时选择双Wiebe方程对放热率进行拟合，拟合精度R~2均大于0.99000，误差平方和均小于0.01，通过Wiebe参数重新构建的放热率和实验放热率基本一致．基于LM算法的放热率拟合算法，可以很好地反映柴油机不同工况下的燃烧特征．对比两种不同的燃烧预测模型BP-NN和RF发现：BP-NN模型对一Wiebe形状因子m1和一Wiebe燃烧初始相位 φ_(01)的预测精度更高，而RF算法对一Wiebe燃烧比例α和燃烧结束相位 φ_(end)的预测精度更高，因此，针对不同燃烧参数选择不同预测模型可以有效提高Wiebe燃烧预测模型的精度．
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  垂向振动下坐姿人体局部频率敏感特性研究

  林杰威, 李蒙, 郭智, 林泽峰, 张俊红

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 482-488.

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  为了研究振动频率对坐姿人体局部舒适性的影响，开展了人体最不适部位主观评价测试，依据主观评价结果构建了振动频率-人体部位舒适感的层次树，定量分析了定义于3.15～31.50 Hz范围内各个三分之一倍频程中心频率的振动激励对于局部不适感的贡献．随后进行了全身振动下人椅界面-人体局部传递率测试，关注传递率的频率峰值与局部不适感敏感频率的对应关系．在不同振动强度下拟合多个局部的振动不适感与全身不适感的数学关系，得到各局部不适感对全身不适感的贡献度．结果表明：全身振动下，坐姿人体“最不适”部位受振动频率影响显著，且这种频率敏感特性对振动强度不敏感．31.50 Hz以下振动造成的不适感主要集中在头部、胸部和腹部，头部对10.00～25.00 Hz的振动具有更明显的不适感，胸部和腹部分别对3.15～5.00 Hz和5.00～8.00 Hz的振动更敏感．即使人体各部位敏感频率不同，但都与座椅至该部位的传递率峰值频率接近，这表明了人体局部主客观响应间的对应关系．进而可以通过层次分析法得到分别适用于头部、胸部和腹部的频率权重．输入人体的振动激励经该计权处理后可反映坐姿人体垂向振动下的局部舒适度水平，从而为舒适性设计提供指导．
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  基于关节空间位形优选的稳定平台运动学标定

  田文杰, 霍明帅, 张熙临, 张相鹏

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 489-500.

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  船舶姿态稳定平台装载作业时，其作业精度必须要满足工程实际的需要．传统的方法难以建立包含全部误差源的误差模型，因而针对■姿态稳定平台的运动学标定问题，从关节空间的角度切入，建立了基于驱动关节等效误差的模型，并开展了基于关节空间的位形优选工作．首先，使用伪误差理论建立了驱动关节等效误差模型，其将稳定平台工作空间各维度相互耦合的姿态误差解耦并转化为关节空间等效驱动关节误差，并借助4阶幂多项式将后者描述为随位形变化的函数，从而构建了稳定平台整机误差辨识模型．其次，采用三坐标测量臂制定姿态误差测量方案，建立可解耦至关节空间的参数辨识方法，并开展离线辨识和误差实时在线补偿．在解耦至关节空间参数辨识的基础上，着重研究如何在关节空间中开展测量位形优选工作，以提升平台的姿态补偿精度．通过对各驱动杆离散化处理获得稳定平台的可达工作范围，而后基于残差分析理论定义了位形优选指标，并采用ExchangeAdd-Exchange算法对位形优选的约束问题进行优化分析，利用计算机开展仿真实验获取了最佳测量位形．最后，根据测量方案，采用三坐标测量臂获取样机姿态误差数据并开展误差补偿实验，验证所提方法的正确性和有效性．实验结果表明，稳定平台的姿态体积精度由标定前的0.487°降低为0.065°．
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  基于多任务网络的单图像光源干扰去除方法

  张为, 程光琮

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 501-510.

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  当场景中存在较强光源时，极易使采集到的图像受到光斑、炫光、伪影等种类和形态多样的干扰，导致图像中关键信息质量下降，从而使基于该图像的目标检测、深度估计、语义分割等视觉任务受到不同程度的影响．然而使用现有方法很难完全去除形态和分布多种多样的光源干扰．因此，针对现有算法处理效果差、成对训练数据较缺乏、泛化性弱等问题，提出了一种光源干扰去除网络及其训练方法．该网络结合多任务结构充分利用不同任务的特征信息，并以此提高其对干扰的去除效果．此外，还提出了一种光源融合后处理算法以减少后处理算法导致的推理质量下降．所提方法在公开数据集上平均峰值信噪比和结构相似性分别达到了25.81 dB和0.872 6，在自建数据集上达到了23.25 dB和0.922 3，且在主观定性对比中，所提方法比现有方法具有更好的干扰去除效果．
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  用于胸片分类的自校正特征融合金字塔网络

  宫霄霖, 程琦, 李锵

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 511-520.

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  胸部疾病的病灶区域面积差异较大，易受健康部位的影响，难以定位，并且用于诊断疾病的X射线胸片样本数据分布不平衡，导致胸部疾病分类网络的分类准确度较低．针对胸部疾病分类任务中仍然存在的问题和挑战，本文提出了一种自校正特征融合金字塔网络．该网络使用自校正卷积增强疾病部位在特征图上以及通道之间的位置联系，在不引入额外参数量的条件下增大了卷积的感受野，避免无病区域的信息干扰；然后通过特征融合金字塔网络整合多尺度图像特征信息，在获取高分辨率特征图的同时，能够准确地定位病变区域，可以更好地识别不同尺度疾病的特征，在多标签分类任务上具有独特的优势；同时引入频率通道注意力机制强化网络对疾病特征的提取能力，在上采样和特征融合变换之前，减少全局平均池化过程中造成的特征丢失；最后提出一种轮次焦点损失函数区分不同种类胸部疾病的训练程度，根据分类难易程度区分样本，并在不同的训练轮次调整权重，以解决胸部疾病样本分布不平衡问题．在ChestX-ray14数据集上的平均AUC值可达0.853，在CheXpert数据集上的平均AUC值可达0.903，超过了近年来较为先进的网络模型．实验结果表明，该网络与传统的胸部疾病分类网络相比能有效地提高胸部疾病的分类精度，并且具有较强的泛化能力．
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  波前编码红外成像系统的温度梯度适应能力探究

  盛婧, 蔡怀宇, 汪毅, 陈晓冬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 521-529.

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  利用波前编码技术为红外光学系统进行无热化设计可提高其在不同均匀工作温度下的适应能力，但针对温度突变、成像系统内温度分布不均情况，波前编码技术是否能正常进行成像及其适用的温度范围还有待进一步研究．为简化分析流程，采用温度梯度模型来仿真非稳态下的温度变化．利用温度梯度模型来定性分析光学系统在轴向、径向温度梯度为系统引入的附加像差．计算两个方向下的光程差变化来比较两种温度梯度环境下系统的成像性能差异．在此基础上，为非稳态温度环境下红外光学系统的设计建立了结合光/机/热分析的无热化设计流程，通过ZEMAX设计了一套最大轴向尺寸为85 mm、最大径向尺寸为25 mm的红外光学系统，通过Solid Works加载轴向和径向的热形变，探究所设计的系统能够适用的温度梯度范围．结果表明，结合光/机/热分析的无热化设计流程可以有效表明系统在非稳态温度下的成像情况．对上述采用三次相位板进行无热化设计的红外光学系统，在非稳态温度下可以适应±10℃的轴向温差范围，但是仅可以适应±1℃的径向温差范围．因此在进行红外波前编码光学系统的无热化设计时，需要对径向方向进行重点优化．
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  基于截面增大法的扣放角钢焊接加固负载H型钢的轴压承载力研究

  刘红波, 张卓航, 陈志华, 陈蕙芸, 曹爽秋, 张清沛

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 530-543.

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  负载下焊接加固是既有结构加固的重要形式，然而当前对加固形式及加固效果的研究仍然较为缺乏．因此，提出了一种新型负载焊接加固构造，设计了8组扣放角钢焊接加固H型钢试验．研究了焊接过程中的截面应力重分布规律以及焊接加固H型钢柱的轴压力学性能．试验中加固构件的截面为加固前的1.53倍～1.55倍，焊接加固后构件极限承载增大为加固前的1.74倍～1.90倍；加固构件和原构件协同工作，获得了良好的加固效果，虽然焊接热输入降低了构件焊缝间隔处的屈曲应力，但负载加固的构件表现出相对零载加固构件更高的极限承载力．随后建立并验证了一种新型焊接加固H型钢柱的数值模拟方法，探究了不同截面面积加固构件的加固效果；揭示了不同焊缝间隔以及焊接热效应对加固构件极限承载力的影响，并建立了相应的设计方法．
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  零碳独栋住宅生命周期环境影响及成本分析

  毕雪皎, 杨崴, 李洁, 李奇芫

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(05): 544-555.

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  降低建筑行业碳排放是实现碳中和目标的重要举措．为避免环境负担转移、市场推广困难等问题，应从生命周期视角研究零碳建筑，并综合考虑建筑的环境和经济效益．本研究对中国国际太阳能十项全能竞赛作品R-CELLS这一针对严寒地区设计的零碳独栋住宅实例进行了相对完整的生命周期环境影响和成本评价，并依据评价结果调整建筑配置以提升市场推广潜力．结果表明，通过被动式设计，R-CELLS建筑本体能效达到了近零能耗标准，其光伏发电量为用电量的5倍，并选用环境友好型材料以降低碳排放，建筑预期将在运行7年和15年后分别偿还碳排放和一次能源消耗，最终实现生命周期负碳排放和正能源，环境效益突出．R-CELLS建筑初始成本为2.38万元/m~2，为了增加市场吸引力，研究分析R-CELLS的环境影响和成本构成，以在建筑生命周期(50年)内实现零碳排放和零一次能耗为前提，提出了两种减配方案：当仅调整可再生能源系统时，建筑初始成本降至2.25万元/m~2；调整全部构件系统时，建筑初始成本降至1.03万元/m~2．第2种减配方式对建筑经济效益提升显著．根据计算结果，结合相关研究综述，讨论了我国零碳建筑隐含碳排放限值的设置；对权衡环境和经济效益的零碳建筑决策方法提出建议，为未来零碳建筑性能评估和方案比选等提供了参考．