2024年, 第57卷, 第10期　
刊出日期：2024-10-15

  

• 全选
  |

• Select
  基于改进三角函数加减速的一步拐角过渡法

  王太勇, 贾松辉, 陈木正

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1001-1009.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  加减速控制是数控系统的关键技术之一，影响着零件加工时的高效性和平稳性，同时由于传统数控系统在加工复杂的曲线曲面时，需要生成的大量连续微线段，这不仅增加了数控系统的负担，且在拐角处仅G0连续，导致在拐角处频繁加减速和机床振动，降低零件加工效率和加工质量．两步法拐角过渡是先进行轨迹光顺再进行速度规划，不仅步骤繁琐，而且降低了加工效率．因此，针对传统三角函数中最大加加速度只存在峰值导致加工效率降低的问题，本文先对加减速连续性较好的传统三角函数加减速控制算法进行改进，以sin2 x作为加加速度的基函数建立加减速规划的模型，并在其运动模型中增加匀加加速度加减速阶段．针对数控加工中连续微线段拐角处加工效率低、插补轨迹连续性低的问题，提出了新的一步法拐角过渡方法．该方法是通过一步法拐角过渡算法在速度规划阶段直接完成轨迹光顺．最后根据轮廓误差和机床各轴动态性能的限制对过渡时间、速度、加速度及加加速度进行约束．实验证明，提出的方法能够进一步提高加工中的加减速柔性，能够利用最大加加速度持续加减速，且在保证加工效率的基础上提高伺服控制的跟随精度，使得误差检测的精度能够满足要求.
• Select
  面向曲率及边界距离约束的弯曲管道内路径规划

  代煜, 赵煜, 尹晶晶, 李睿, 张建勋

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1010-1021.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  弯曲管道结构是工业探测或医用诊察中常见的一种场景，传统机器人的路径规划大多基于管道中心线的提取，而忽略了在狭窄空间中作业的真实参数约束，易使得作业工具末端受到弯折或挤压，影响作业效率，增加作业风险．针对以上问题，提出了一种面向真实曲率和边界距离参数约束的路径规划方法，在可视化的三维模型中生成管道的中心稠密点集，针对该点集提出两步走的空间特征点识别策略.在选定作业路径的初始点、终止点后，依据邻近点间的曲率均值、极值及差分关系识别曲率极值点、分段点，通过对粗扫描特征点的遍历进一步识别出拐点和宽域节点以及过密点．将识别出的特征点作为型值点，反算得到NURBS曲线及对应插值点的曲率值，通过模型切片搜索得到曲线插值点的边界距离不合格点集．将极值点添加至特征点集中，再通过搜索得到的曲率不合格点集，将极值点进行拟合圆调整至后更新特征点集、在完成自适应轮次的特征点迭代后，检测并标记为空或连续不变的全区间参数不合格点区间集.实验结果证明：弯曲圆柱仿真模型和CT重建肾腔模型的规划路径经由迭代分别满足曲率10 mm^-1、8 mm^-1的约束．同时最短距离的全区间检测及标记结果也表明本文方法可以在满足曲率要求的前提下尽可能不碰撞管道内壁，验证了本文方法的有效性和可行性.
• Select
  商用纯甲醇发动机的非常规排放特性研究

  魏衍举, 石自航, 张亚杰, 刘圣华

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1022-1029.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  甲醇作为一种清洁、来源广泛的碳中性燃料，可有效助力我国“双碳”战略目标的实现．本文在一台由天然气机改造而来的进气道喷射火花点燃式纯甲醇商用发动机上研究了负荷、转速、废气再循环（EGR）率及喷油策略对非常规甲醇甲醛排放的影响.对不同工况下所采尾气由GC-2010气相色谱仪直接进行检测.检测过程组合使用非放射性脉冲放电氦离子化检测器（PDHID）和氢火焰离子化检测器（FID），并使用Gs-Oxy PLOT强极性毛细柱，提高了出检速度和准确率.结果表明：发动机非常规排放物主要为甲醇和甲醛，其排放量最高分别可达5 000×10^-6和1 000×10^-6，二者占污染物总量的97%.喷射策略会直接影响甲醇/空气混合气的形成质量，进一步影响到缸内的燃烧质量，进而对非常规排放造成影响，最佳喷射时刻（360°CA）对应的热效率（BTE）比最低热效率提升了约5%，而对应的甲醇和甲醛排放可降低为原来的50%.此外，将甲醇直接向进气阀背面喷射可提升雾化质量，从而使排放降低.此外甲醛来源于未燃甲醇的后氧化过程，发动机转速、负荷以及EGR率本质上通过影响缸内及排气管中的温度以及尾气的停留时间来影响未燃甲醇和甲醛的排放.随着排气温度的升高，未燃甲醇排放降低，而甲醛排放先增加后降低.
• Select
  变构型微创手术机器人系统设计与实现

  孔康, 代迎凯, 杨英侃, 苏赫

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1030-1043.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  高性能微创手术机器人有利于实施复杂危难手术，推动微创外科实现高质量发展．在深入分析现有手术机器人特点和临床需求的基础上，提出了一种变构型微创手术机器人系统．基于刚柔混合结构设计了构型可变的手术操作臂，通过构型变换可实现工作空间的变换，从而提高操作臂的灵活性．手术操作臂采用丝传动结构，针对变曲率丝鞘传动下的张力和弹性伸长量等问题进行了分析，确定了开合关节的丝鞘传动特性．基于刚体和柔性关节运动学，分析了手术操作臂在不同构型下的工作空间，通过调整伸缩关节移动量，实现操作臂工作空间可变功能．此外，设计了与操作臂适配的主手操作臂，该主手配置有两个主从调节关节，以保证主手与从手腕点姿态的一致性．随后，解析了主手与从手关节量之间的映射关系，并建立了基于位姿分离的主从运动映射算法，从而确保了操作舒适性与精准性．最后，研制了物理样机，进行了大工作空间下的刚性测试实验、运动性能、主从运动性能与缝合操作性能评价实验，全面验证了所提出的手术机器人系统的可行性．
• Select
  蒸汽发生器异种钢焊接接头疲劳裂纹扩展研究

  徐连勇, 聂妙慧, 赵雷, 李丛

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1044-1052.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  钠冷快堆是我国发展第4代先进核能系统的主力堆型，蒸汽发生器是钠冷快堆重要部件．为了保证蒸汽发生器的安全性和可靠性，对异种钢焊接接头进行疲劳裂纹扩展行为研究．异种钢焊接接头共有6个不同微区，分别为F22母材、F22侧热影响区、隔离层、堆焊层、对接焊缝及316H母材．对异种钢焊接接头进行硬度测试、显微组织观察、疲劳裂纹扩展试验，利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)进行微观组织观察．F22母材组织主要为铁素体、珠光体和贝氏体，F22侧热影响区组织主要为铁素体和珠光体，隔离层、堆焊层、对接焊缝主要组织为奥氏体和δ铁素体，316H母材组织主要为奥氏体．F22母材的显微硬度最小，隔离层显微硬度最大，堆焊层、对接焊缝、316H母材的显微硬度逐渐下降，F22侧热影响区显微硬度变化较大．在低ΔK时，F22母材的疲劳裂纹扩展速率最快，隔离层、堆焊层、对接焊缝、316H母材的疲劳裂纹扩展速率逐渐变缓，随着ΔK的增加，隔离层的疲劳裂纹扩展速率变化最快，这是因为隔离层裂纹逐渐向F22母材侧偏转，使得其抵抗疲劳裂纹扩展能力逐渐降低．δ铁素体会影响隔离层、堆焊层、对接焊缝的抗疲劳裂纹扩展能力．F22母材和F22侧热影响区的疲劳裂纹断口撕裂最严重，隔离层、堆焊层、对接焊缝的断口平坦度逐渐增加，316H母材的疲劳裂纹断口形貌最平坦，与抗疲劳性能相对应．
• Select
  La_1-xCe_xMnO₃-Ba/Al₂O₃催化剂对NO选择性生成NH₃的影响

  宋崇林, 郑庆贺, 吕誉, 崔立峰, 李云强, 吕刚

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1053-1061.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了实现碳中和目标，降低内燃机碳排放，稀薄燃烧技术成为了当前重要的研究方向．该技术不仅能提高发动机燃油热效率，还能有效降低CO₂排放．但是稀薄燃烧往往会伴随着大量氮氧化物的产生，为了解决该问题，采用LNT-SCR耦合的NO_x净化技术，此时LNT的作用是将排气中部分NO_x转化为NH₃，为下游的SCR提供还原剂.基于此，制备了LNT催化剂，研究催化剂对NO选择性生成NH₃的影响．采用溶胶-凝胶法制备了La_1-xCe_xMnO₃系列钙钛矿氧化物，并通过分步浸渍法得到了La_1-xCe_xMnO₃-Ba/Al₂O₃负载型催化剂．利用XRD、H₂-TPR、NO-TPD等表征手段研究了钙钛矿氧化物的晶相结构，以及负载型催化剂的还原特性、NO_x吸附-脱附性能等物化性质，并且通过H₂选择性催化还原NO实验探究了催化剂掺杂Ce对NO转化成NH₃的影响．结果表明，Ce掺杂催化剂具有良好的NH₃产物选择性，并且显著提高了NO转化率．温度是NO转化和NH₃产物选择性生成的决定性因素，而H₂和NO体积比是NO转化和NH₃产物选择性生成的关键性因素．其中，La_0.95Ce_0.05MnO₃-Ba/Al₂O₃在低温下催化活性表现最佳，在350℃、H₂和NO体积比为5.0时NH₃产物选择性为65%,NO转化率为100%．此外，所制备的La_1-xCe_xMnO₃都形成了钙钛矿型结构，而且Ce掺杂催化剂的大部分Ce离子可以进入到LaMnO₃结构中．在催化剂适量掺杂Ce后，H₂消耗总面积增大、还原峰的峰值温度降低，表明掺杂Ce改善了催化剂的还原特性；同时NO吸附和脱附面积增大，表明Ce掺杂改变了催化剂的NO_x吸附-脱附性能．
• Select
  二氧化铈对熔敷金属氢致塑性损失的影响及其机理研究

  利成宁, 王敬松, 戴联双, 王策, 崔绍华, 邸新杰

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1062-1069.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对X80管线钢，设计了金属粉型药芯焊丝的药粉成分，在金属粉中加入了二氧化铈，进行熔敷金属堆焊试验和电化学充氢后的拉伸试验，研究焊材中加入二氧化铈对熔敷金属抗氢脆性能的影响，同时通过氢渗透试验研究了二氧化铈的添加对氢在熔敷金属中扩散的影响．结果表明，熔敷金属的显微组织主要由针状铁素体和晶界铁素体构成．二氧化铈的添加对熔敷金属的夹杂物有显著影响，导致其平均尺寸减小、数量密度增加．加入2%的二氧化铈后，夹杂物的平均尺寸由0.349μm减小至0.258μm，夹杂物数量密度由21 429 mm^-2增加至32 254 mm^-2．氢渗透试验结果表明，添加二氧化铈可增加熔敷金属的氢陷阱数目，阻碍氢在熔敷金属中的扩散，这导致熔敷金属抗氢脆性能的提升．因此，熔敷金属的氢致塑性损失率由72%降低至50%．对于充氢拉伸断口形貌，未加入二氧化铈的断口为河流花样的准解理断裂样貌，属于典型的脆性断裂特征．加入二氧化铈的断口有大量韧窝，具有韧性断口特征，但出现明显的鱼眼区．鱼眼区内的源区存在夹杂物或气孔，放射区则呈现准解理断裂．
• Select
  微角振动对遥感相机成像质量的影响分析

  李醒飞, 杨辰熙, 拓卫晓, 邢伟达, 蒋颢娇, 封善斋

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1070-1079.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对高空间分辨率航天器遥感成像受微角振动影响模糊化的问题，从理论建模、仿真分析和实验验证3个维度量化了微角振动幅值、频率、初始相位等特性对遥感相机成像质量的影响．首先，从成像原理出发，建立了图像退化模型，分析了微角振动导致图像模糊和几何形变的机理．其次，分析了角振动参数对像移的影响规律，建立了不同角振动频率对应的调制传递函数(MTF)的解析计算式，分析了角振动幅值、角振动频率和初始曝光时刻对MTF的影响规律．然后，利用MATLAB搭建仿真平台，以调制传递函数面积(MTFA)作为评价指标，量化分析了角振动幅值、角振动频率和初始曝光时刻对图像模糊度的贡献程度．最后，搭建了振动实验平台，实验验证了各个振动参数对成像质量的影响规律．结果表明：图像像质随角振动振幅的增加而下降，频率100.0 Hz的角振动幅值从0.006 4°增加至0.028 1°时，MTFA由0.277 6下降至0.119 2；低频角振动作用下成像质量与角振动初始相位、振幅、频率有关，高频非整周期振动会造成MTF曲线的波动，且非整周期振动对成像质量的影响随着角振动频率的增加而减小．曝光时间为角振动周期的整数倍时，初始曝光时刻对图像像质的影响可以忽略．微角振动对遥感影像几何精度的影响规律能够为高轨遥感相机微角振动的测量与抑制提供理论支撑．
• Select
  油水两相流超低含水率微波相位检测方法

  徐英, 孟峥, 袁超, 左荣基, 韩春红, 艾克拜尔·麦麦提

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1080-1089.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  原油外输过程中超低含水率的在线精确测量对确定原油的品质和保障原油交易时双方的利益有重要的意义．电磁波在含水原油介质中传播时会发生幅值衰减和相位移动，天线作为一种接收和发射电磁波的基本结构，被广泛运用于微波测量系统中．针对天线的谐振特性，设计了一种基于双天线法的超低含水率测量微波传感器，通过测量传感器S21幅值和相位的变化，感测出油水两相流中的含水率．采用COMSOLMultiphysics软件实现了对传感器结构的优化；通过分析传感器的S21响应与含水率变化关系，确定了传感器测量超低含水率的可行性，发现了适合传感器工作的频率范围．采用油水静态混合乳化实验和油水流动实验测试对仿真结果进行了验证．在4.64 GHz频率处，S21幅值和相位随含水率均呈线性变化，S21相位值测量灵敏度高，适用于0～3.00%范围内的含水率测量．随后，根据实验的相位结果，建立了0～3.00%超低含水率范围的油水乳化静态实验和动态实验含水率预测模型，在95%置信概率时，两个模型绝对误差均优于±0.1%．基于本研究给出的微波含水率测量传感器，其油水乳化实验测得含水率可以在一定程度上代替油水动态实验的测量结果．
• Select
  基于“十字”标志物的红外图像与三维点云融合方法

  郑叶龙, 李长勇, 夏宁宁, 李玲一, 张国民, 赵美蓉

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1090-1099.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  红外热成像技术广泛应用于多个领域，建立含有空间和温度信息的三维温度场模型具有十分重要的意义，可以将该技术扩展到更多应用领域.为此，本文提出一种异源空间数据融合方法，融合红外图像和三维点云，得到三维温度场模型.针对红外相机与可见光相机成像原理存在差异，难以通过常用标定板进行内参标定的问题，基于红外相机成像特性设计并制作镂空圆孔标定板用于内参标定，所得内参平均重投影误差为0.03像素.针对红外相机与结构光相机的成像原理不同，现有标志物制作复杂、外参精度低的问题，基于不同材料的辐射度差异，设计制作“十字”标志物并将其用于联合标定.为解决同名特征点难以识别的问题，针对红外图像和三维点云分别设计了同名特征点提取方法，配合“十字”标志物进行同名特征点提取.红外图像和三维点云特征点提取方法的检测重复率分别为75%和92%，与传统方法相比两者的检测重复率均有所提升.利用该方法建立纸杯、工件和人脸的三维温度场模型.实验结果表明，使用镂空圆孔标定板能实现红外相机的内参标定，对“十字”标志物采用同名特征点提取方法能完成红外相机与结构光相机的联合标定.最终所得三维温度场模型的平均重投影误差为1.70像素，与现有方法相比模型精度有所提升.
• Select
  极地低温下混凝土填充GFRP拉挤管黏结性能试验研究

  谢剑, 王梦琴, 李建军, 王哲

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(10): 1100-1110.

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  纤维增强聚合物(FRP)管与混凝土之间的界面黏结是二者之间荷载传递的必要条件和共同作用的重要前提．为了探究混凝土填充GFRP管(CFFT)在极地等严寒环境下的黏结性能，在20～-80℃的不同低温条件下，对12个圆形和16个方形CFFT进行了推出试验，得到了GFRP管-混凝土界面的黏结-滑移曲线和典型破坏模式.研究了低温水平(T=20℃、-30℃、-60℃、-80℃)、界面类型(黏砂和未黏砂)、径厚比(D/t=30.0、31.3、37.5、50.0)、截面类型(圆形、方形)和FRP管制造工艺(拉挤成型、纤维缠绕)对黏结性能的影响．试验结果表明：除推出破坏外，部分方形黏砂试件表现为角部开裂；低温改善了GFRP管与混凝土的黏结性能，且20～-60℃温度段对黏结性能的影响强于-60～-80℃温度段；黏砂可显著提高CFFT的界面黏结强度(-60℃下，圆形黏砂试件黏结强度可增加到未黏砂试件的2.18倍，方形黏砂试件黏结强度可增加到未黏砂试件的7.93倍)；D/t与黏结强度呈负相关；圆形CFFT的黏结强度高于方形CFFT；拉挤管的黏结强度低于纤维缠绕管，这表明GFRP管-混凝土的界面黏结强度主要受摩擦力(环向约束压力)影响．最后在试验的基础上，提出了CFFT在低温下黏结强度的预测模型．本研究可为CFFT构件在极地低温下的应用提供参考．