2024年, 第57卷, 第12期　
刊出日期：2024-12-15

  

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  焊接构造细节疲劳试验数据统计特征分析

  刘衡, 宗亮, 丁阳

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1221-1231.

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  疲劳试验是钢结构疲劳设计的基础，由于疲劳试验数据的高离散性，应结合数理统计分析建立具有可靠度保证的失效概率-可靠度指标-应力幅-疲劳寿命（P-α-S-N）曲线．本文对现有国内外主流规范中疲劳试验数据统计分析方法进行汇总，并对容限系数k的计算方法与概率假设进行对比，分析容限系数k随可靠度指标α及失效概率P的分布情况以及有效数据个数n对其影响情况．对现有文献中对接焊缝、传力十字接头及非传力十字接头3类典型焊接构造细节疲劳试验数据进一步开展了统计分析，建立了可靠度指标α分别为0.95、0.75和0.50时的焊接构造细节P-α-S-N疲劳设计曲线．结果表明：现有规范中3种焊接构造设计曲线均偏于安全且与本文数据统计分析结果较为接近；相较于样本数量充足的情况，当试验样本数较小时可靠度指标α及失效概率P对容限系数k的影响更为显著；焊接构造细节疲劳试验数据拟合标准差SD集中在0.12～0.19，随疲劳试验样本数量减少，数据整体标准差SD倾向于增加，单侧容限系数k_（P,α,v）及疲劳设计曲线与中值S-N曲线偏移量k_（P,α,v）SD均呈上升趋势；当样本数量充足时，可靠度指标取值对焊接构造细节疲劳设计曲线影响较小，而当样本数量较小时（小于272），可靠度指标取值对焊接构造细节疲劳设计曲线影响增大．本文所建立的3种焊接构造细节P-α-S-N曲线将对确定焊接钢结构疲劳设计与安全评估可靠性及其他疲劳试验的规划和开展提供有益参考．
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  洪水演进融合三维动态可视化关键技术与应用

  来亦姝, 张社荣, 王超, 王枭华, 李政鹏

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1232-1244.

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  数字孪生流域是智慧水利建设的核心内容，为流域管理和洪水风险决策提供重要支持．当前中国洪涝灾害频发，直观形象展示洪水发展趋势以及多种水力要素数据信息对于洪水结果分析至关重要．本文对洪水演进的三维动态可视化关键技术进行了研究．首先，现有数字孪生流域缺少现状地形下流域洪水演进模拟的问题亟待解决，因此利用无人航测获取现状区域内地理空间数据，采用MIKE 21数值模拟软件构建洪水演进模型，模拟现状地形下的洪水演进过程．其次，针对现有二维洪水模拟结果难以直观综合地向决策者三维、动态且多角度展示洪水发展趋势、水力坡降、局部风险及多类水力要素的问题，提出了洪水演进三维映射方法，基于Cesium集成现状倾斜摄影高保真场景模型和二维水动力学模型的区域，实现了在Web端综合多要素的洪水演进全过程实时动态三维可视化，其优点在于它能够提供更加精确、直观的数据，从而帮助决策者更好地解洪水发展趋势以及局部风险等重要信息．最后，本文以某长距离调水工程某排水跨渠建筑物所在区域为例，对提出的方法进行验证．结果表明，基于数字孪生流域的洪水模拟预测及三维可视化提供了更加直观显示的方式和综合的数据信息，对长距离调水工程防洪安全有重要的现实意义．
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  7075-T6高强铝合金受弯构件局部稳定试验研究

  陆欢, 王元清, 支新航, 范圣刚, 陈博珊, 欧阳元文

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1245-1254.

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  为研究结构工程中高强铝合金受弯构件的局部稳定性能，促进高强铝合金的实际应用，本文针对7个7075-T6铝合金工字形截面梁开展了局部稳定试验研究，包括4个弯剪加载试件和3个局部承压试件，并测量了7075-T6铝合金的材料力学性能和试件的初始局部几何缺陷，重点分析了试件的破坏形态、极限承载力、局部屈曲承载力和荷载-跨中竖向位移曲线．试验结果表明：7075-T6铝合金材料平均名义屈服强度可达约497 MPa，试件翼缘与腹板的平均初始局部几何缺陷幅值百分比分别为0.40%和0.10%．试验中4个弯剪加载试件发生弯剪屈曲破坏，形成拉力带；3个局部承压试件发生腹板局部屈曲破坏，腹板出现明显凸起．采用应变反转法确定了构件的局部屈曲荷载，发现构件的截面利用率和屈曲时应力水平均随着腹板高厚比的增大而降低．跨中加劲肋的布置能大幅度提高构件的承载力和延性．同时，根据试验得到的极限承载力结果，对比了现行欧洲规范(EN1999-1-1:2007Eurocode 9)、美国规范(Aluminum Design Manual 2020)和中国规范(GB 50429—2007)中设计方法的计算值，3个规范计算值与试验结果的平均比值分别为0.717、0.682和0.498，表明上述规范预测7075-T6高强铝合金工字形截面受弯构件在腹板屈曲情况下试件的极限承载力偏于保守，其中欧洲规范的预测结果更为准确．
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  冷弯型钢钢管混凝土柱-钢梁装配式节点抗震性能研究

  王莉萍, 何津贤, 李健, 陈俊, 丁发兴

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1255-1272.

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  为考察多高层框架结构体系中新型冷弯型钢装配式钢管混凝土柱-冷弯型钢拼合梁节点的抗震性能，设计并制作了一组足尺节点试件，对其进行不同轴压比下的拟静力试验．结合ABAQUS有限元分析，以轴压比、钢管柱壁厚、内填充混凝土强度等级为主要参数，研究节点试件在低周往复水平荷载作用下的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、承载力、耗能能力、刚度退化等抗震性能．结果表明：在冷弯型钢柱内填充混凝土时，新型冷弯型钢装配式梁柱节点的承载力和耗能能力相比于空钢管柱节点整体有所提高，节点延性增加，节点仍保持“强柱弱梁”的失效模式．在低轴压比(0.2)下，钢管柱壁厚的增加对节点的耗能能力与承载力有一定的提升，其延性也有所增加；混凝土强度等级的变化对本文所研究“强柱”构造下的节点抗震性能几乎无影响，节点的滞回曲线基本一致，骨架曲线基本重合，节点的破坏形态保持不变，随着混凝土强度等级的增加，节点延性有所降低．但在高轴压比(0.8)下，钢管柱壁厚为2 mm和3 mm时柱刚度过弱，节点出现柱端压弯破坏；当钢管柱壁厚增加到4 mm时，节点破坏形态转变为梁端塑性铰破坏，因此应注意限制梁柱线刚度比，保证“强柱弱梁”的失效模式．本文研究成果对该新型节点用于多高层框架结构体系中的适用性及设计构造有一定参考意义．
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  SCR立管打底焊根部成形及其对疲劳性能的影响研究

  张念涛, 邓彩艳, 武少杰, 孔维臣

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1273-1279.

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  浮式平台配合钢悬链线立管(SCR)是深海油气资源主流开发方式之一，具有很高的经济价值和战略意义．但是由于深海浮式结构在风/浪/流作用下将产生较大漂移运动，使得SCR系统在服役期间需要承受巨大极限载荷与平台运动/涡机振动所产生的交变荷载，致使其环焊缝容易产生严重的断裂危险和疲劳失效问题．以Φ355 mm×19.1 mm的X65管线钢为试验材料，对比分析了冷金属过渡(CMT)、表面张力过渡(STT)两种单面焊双面成形打底焊工艺下焊接接头的疲劳性能，发现单面打底焊容易因为焊根余高过大或者未熔合、未焊透等缺陷导致接头疲劳性能显著降低．在此基础上，进一步对比了7种常见的单面打底焊工艺下的接头疲劳性能，并对疲劳断口进行了分析，结果发现所有单面打底焊工艺均难以稳定地保证焊根位置余高偏小且无未熔合和未焊透的缺陷．基于此，提出了一种熔化极气体保护焊/脉冲钨极氩弧焊(GMAW/GTAW-P)双面打底焊工艺来保证SCR立管焊缝的内壁成形质量．试验结果发现，该工艺下焊根余高尺寸可以限制在200μm以内，焊根过渡角θ≤3°，焊根熔宽在6～8 mm，从工程应用角度有效地解决了传统单面打底焊工艺下焊根成形不良的问题，并将焊接接头的疲劳寿命提高至1×10～7周次以上，为高疲劳寿命的SCR立管打底焊提供了一种新思路．
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  活动强度、服装、温湿度参数影响下的能量代谢率实验研究

  张欢, 刘宪泽, 张安, 叶天震, 那艳玲

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1280-1288.

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  能量代谢率作为影响人体热舒适的重要参数，其自身与许多因素相关.本研究以活动强度和服装两个人体行为因素以及温度和湿度两个外界环境因素为变量开展实验，并进一步讨论了它们对能量代谢率的影响.实验结果表明，活动强度在由静坐增加至2 km/h静走以及后续步行速度每次增加2 km/h后，人体的能量代谢率并不立即突变，而是会经历一个上升期，后在5 min之内趋于稳定，稳定后的能量代谢率数值随活动强度的增加而显著上升(p<0.001)．温度对人体能量代谢率影响存在差异，这与活动强度相关，当人体处于较低活动强度时，冷或偏凉环境下温度的变化更能影响到能量代谢率，而在偏暖或热环境下温度的变化对其没有显著影响；恰恰相反的是，当人体处于较高活动强度时，偏暖或热环境下温度的变化更容易对能量代谢率产生影响，而在冷或偏凉环境下温度的变化则不容易对其产生影响．对于在寒冷环境下以较低活动强度运动的受试者，穿着更厚的服装可以起到保暖作用，降低了其能量代谢率．然而不同环境湿度下受试者的能量代谢率几乎没有差异(p>0.050)，对于静坐和2 km/h、4 km/h和6 km/h的静走活动，50%和60%湿度工况代谢率分别平均相差0.8%、1.6%、2.5%和1.8%;60%和80%湿度工况代谢率分别平均相差4.5%、1.4%、1.7%和1.5%;50%和80%湿度工况代谢率分别平均相差5.2%、2.3%、2.2%和1.5%，即环境湿度对人体的能量代谢率的影响很小.研究结果对阐明能量代谢率与行为因素和热环境之间的关系具有重要意义.
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  3D打印生物医用多孔钛合金骨植入物表面微纳结构活性层制备及其抑菌性能研究

  杨桂军, 刘厚江, 刘天盛, 何芳

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1289-1297.

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  钛合金骨植入物在骨科临床中得到了越来越广泛的应用，但其较高的弹性模量、较差的抑菌性能及固有的生物惰性等易造成应力遮挡、术后感染以及松动等问题，从而对术后恢复造成较大负面影响．针对这些问题，本研究以3D打印技术获得的力学性能优异的多孔Ti-6Al-4V合金骨植入材料为研究对象，通过阳极氧化工艺在植入物材料表面制得TiO₂微纳结构活性层，并通过光还原的方法负载纳米银颗粒，在对其进行结构优化的基础上深入探讨其结构与亲水性、耐蚀性、抑菌性之间的关系．研究结果表明：3D打印多孔钛合金通过两次阳极氧化可在其表面生成规整TiO₂微纳结构活性层，显著提高了骨植入材料的生物活性和在模拟体液中的耐蚀性，负载微量的Ag纳米颗粒后亲水性变化不大，但抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌黏附和增值的效果显著．本研究对3D打印生物医用多孔钛合金骨植入物的开发与实际应用提供了重要参考．
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  基于光谱诊断的钛合金激光焊接熔深在线检测

  黄一鸣, 杨凯淞, 佘昆, 王小博, 杨立军, 李明宇

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1298-1304.

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  激光焊接是一种多物理场耦合的高速激光加工过程，对其熔深的精确在线检测一直是行业最为关注的关键难题．本文针对TC4钛合金激光焊接过程，搭建了光致等离子体光谱实时监测平台，分析了激光功率对等离子体热力学特性、熔深的影响规律，提出了一种熔深在线预测方法．研究结果表明，等离子体光谱数据和熔深的变化存在显著相关性．基于此，选择了6条线谱的强度特征用于熔深预测建模．并采用降维技术对光谱数据进行特征提取，基于提取的特征再次建立了熔深预测模型．基于数据降维变换后的光谱特征构建的熔深预测模型的均方误差为0.019 4，小于基于原始光谱强度特征建立的神经网络模型．本文构建的高精度熔深预测模型为激光焊接熔深的实时反馈控制提供了理论依据．
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  羟基功能化有机材料的构筑及其催化性能研究

  李阳, 刘政东, 庞易英, 陈立功, 闫喜龙, 王博威

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1305-1310.

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  随着温室气体剧增对地球生命系统构成威胁，对于二氧化碳（CO₂）的减排、替代、捕捉与转化受到各国的重视．目前，CO₂作为反应物应用在与环氧化合物环加成生成环碳酸酯是CO₂转化领域中最有前景的途径，生成的环碳酸酯可作为高沸点的极性溶剂、锂电池电解液等投入应用．有机多孔聚合物（POP）具有合成方式多样、高比表面积、低密度、高孔隙率、结构可调等优异性能，且引入合适的官能团可以更好地提高固定CO₂的能力，所以将其作为催化CO₂与环氧化物环加成反应的非均相催化剂有着不错的前景．以3,3'-二羟基联苯胺（DB）和四（4-甲酰基苯基）乙烯（TPE）为单体通过溶剂热法制备了DB-TPE-POP，通过红外光谱、¹³C固体核磁共振波谱、氮气吸脱附曲线和扫描电子显微镜等表征，证实了DB-TPE-POP的成功制备，并将其应用在CO₂与1,2-环氧丁烷的环加成反应，转化率为85%，产物选择性达到99%．之后进行底物拓展，发现空间位阻对环加成反应有重要的影响，空间位阻越大，反应转化率越低；以卤素元素作为取代基的底物转化率均达到86%以上，说明DB-TPE-POP对这类底物催化效果优异．总体上看，不同的环氧化合物均有不错的转化率，并且产物选择性均在99%以上，证实DB-TPE-POP对CO₂环加成反应具有优良的普适性．最后探讨其催化机理，表明羟基是CO₂环加成反应中重要的活性位点．
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  无耳托板螺母组件紧固性能研究

  汪越胜, 单世成, 朱兴高, 王善岭, 孙仲真, 柯燎亮

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1311-1321.

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  随着航空航天工业的发展，对紧固件的防松性能要求越来越高．打滑失效是新型无耳托板螺母组件一种典型失效形式，当螺母所受扭矩过大时，螺母托板和安装板之间发生打滑，从而失去紧固功能．针对无耳托板螺母组件的打滑失效问题，本文开展了拧脱试验，获得了不同板厚和孔径条件下的极限拧脱力矩．基于Abaqus有限元软件，开展了无耳托板螺母组件的冷挤压和切削工艺仿真，获得了无耳托板螺母组件的残余应力与塑性应变．由于螺母托板与安装板间的摩擦系数难以直接测定，采用试验结合仿真的反推法，建立了摩擦系数的近似线性模型，进而开展了无耳托板螺母组件拧脱的有限元仿真分析，讨论了无耳托板螺母组件中安装板的厚度、孔径以及切削铰孔厚度对拧脱力矩的影响．最后补充了拧脱试验，验证了仿真模型的准确性．结果表明：安装板的板厚、孔径会对冷挤压安装效果有较大影响，较小孔径的安装板在冷挤压安装时会产生更大的塑性变形，因此和螺母托板间有更大的接触应力，安装更为紧密；较大板厚的安装板与螺母托板间的接触应力分布面积更大且更加均匀，两者干涉贴合的效果更好．切削厚度会影响孔边残余应力与塑性应变，进而对拧脱力矩产生影响．利用试验和仿真反推的摩擦系数的近似线性模型所进行仿真预测的安装板尺寸边界，与后续补充试验吻合良好．
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  一种压电氮化铝双端固支音叉型微谐振器

  李浩霖, 杨清瑞, 原毅, 刘伯华, 孙崇玲, 张孟伦

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(12): 1322-1330.

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  针对小型化高性能谐振式压力传感器的应用需求，提出一种以压电驱动氮化铝（Al N）双端固支音叉型（DETF）微谐振器为敏感元件的新型压力传感器，并设计加工了其核心元器件．首先，通过理论分析，研究了尺寸参数对谐振器在面内弯曲振动模式下的频率-轴向位移灵敏度及品质因数Q值的影响；同时，讨论了层叠结构和电极驱动方案对谐振器性能的影响，从而确定了谐振器设计参数，进一步采用微机电系统（MEMS）工艺加工了该谐振器并对其性能进行了测试．测试结果表明：在真空度为0.1 Pa的环境下，谐振器的Q值为11 039，串联谐振阻抗R_s为6.2 kΩ；在常压环境下，谐振器的Q值为844,R_s为44.3 kΩ．两种测试条件下谐振器的性能均优于现有文献报道的同类型谐振器研究结果，为进一步实现高灵敏度、高精度和宽动态响应范围的谐振式压力传感器奠定了良好的基础．最后，采用有限元仿真方法确定了谐振器的频率-轴向位移灵敏度，研究了压力传感器灵敏度与压力敏感隔膜厚度的关系，设计了压力传感器加工流程，从而有望制作出完整的压力传感器芯片.