2025年, 第58卷, 第04期　
刊出日期：2025-04-15

  

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  土石方开挖钻孔效率预测可解释超级学习器集成学习模型

  王晓玲, 胡亦宁, 张君, 衣传宝, 张捷, 李希稷

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 331-342.

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  动态预测钻孔效率并探究不同因素对钻孔效率的影响程度，对土石方开挖进度分析和风险管理具有重要意义．然而，现有土石方钻孔效率分析大都依赖人工经验，少数机器学习模型无法解释不同因素对钻孔效率的影响程度．针对上述问题，本研究提出土石方开挖钻孔效率预测可解释超级学习器(SL)集成学习模型．通过强化学习中的Q学习改进猎人猎物优化算法局部搜索过程与全局信息进行交互的能力，提出Q学习改进的猎人猎物优化(QIHPO)算法对SL的n＿estimators、learning＿rate、max＿depth等超参数进行优化，进而利用SL能够通过具有互补特征的异构基学习器捕捉样本特征差异性的优势，建立基于QIHPO优化的超级学习器土石方开挖钻孔效率预测QIHPO-SL模型，以揭示地质、作业、环境和机械特性等众多因素与钻孔效率的复杂非线性映射关系．进一步将QIHPO-SL集成学习算法与可解释机器学习框架下的沙普利加性解释(SHAP)理论相结合，挖掘影响钻孔效率的关键特征，并解释不同因素对钻孔效率的影响程度．案例分析表明：QIHPO-SL具有较高的预测精度，相较于QIHPO-XGB、QIHPO-RF和SL等基准模型，本文所提方法的预测精度分别提高了12.94%、12.02%和1.58%，且SHAP理论提高了模型的可解释性和预测结果的可信度，为钻孔效率预测及致因分析提供了新思路和新途径．
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  单塔斜拉桥在船舶撞击下动力响应及防撞设计

  田力, 张晗奇

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 343-356.

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  首先，利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立船-桥碰撞有限元模型，以附加质量模型考虑流体效应，利用落锤冲击试验验证了撞击作用下混凝土本构模型的有效性．其次，开展了不同撞击角度、不同船舶航速下船舶高速撞击斜拉桥桥塔数值模拟，分析了桥塔损伤、碰撞力、桥塔位移、桥面位移、索力变化等方面的差异，并将碰撞力与国内外规范公式进行对比分析．再次，研究了30.0节(1节=0.5144m/s)船速下桥塔瞬时倒塌过程及桥塔受损后持续荷载作用下倒塌机理．最后，为桥塔设计一种以FRP和橡胶为主要材料的防撞装置，模拟分析其在降低桥塔动力响应方面的防撞效果．结果表明：当船舶以高速撞击斜拉桥桥塔时，船桥碰撞整体动力响应随撞击角度和船舶航速增大而增大；采用一些国内外规范中的碰撞力公式偏于不安全；船桥碰撞后斜拉索索力迅速增大，靠近桥塔处索力变化率最大；船速为30.0节时，桥塔在碰撞后发生桥塔肢腿错位断裂的倒塌；船速为25.0节时，塔柱已有较大损伤破口，桥塔在遭受船舶碰撞后向碰撞侧倾斜，在重力及桥面荷载的持续作用下桥塔侧向位移逐渐增大而发生桥塔倒塌；设计的防撞装置能有效避免桥塔损伤，能削减碰撞力峰值、塔顶侧向位移、桥面位移及桥塔能量，同时保护斜拉桥与船舶．
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  基于数字孪生的索膜结构构件失效机制研究

  刘占省, 史国梁, 王泽强, 赵一峰, 贾玮寒

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 357-367.

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  索膜结构在运维过程中容易受到风荷载、温度等外界环境因素的影响，导致节点松动、构件失效进而严重影响了结构的安全性能．如何实现结构服役期安全状态的精准仿真，有效提高结构的抗倒塌性能，同时降低健康监测的成本是实现索膜结构智慧运维所面临的关键问题．本文提出了基于数字孪生的索膜结构构件失效机制分析方法．首先从几何和物理两个层面修正虚拟模型，形成高保真的数字孪生模型的建立方法，从而高效精准地映射结构受力状态．其次，在孪生模型的基础上，给出构件失效前后力学响应的分析流程．在孪生模型中设置构件失效工况，获取结构的力学响应规律．根据失效前后结构力学性能的变化情况，计算构件重要性系数，捕捉关键受力构件．在关键构件失效后分析结构内力分布情况，得到结构倒塌前的传力机理．以长春东收费罩棚索膜结构为研究对象进行方法应用，验证了理论方法的可行性．案例应用结果表明：所建立的孪生模型可以有效仿真结构的受力状态，计算误差在3%以内；通过分析各类构件失效后的结构力学性能得到了力学响应表现规律和关键受力构件；基于关键受力构件失效前后的力学响应，建立了传力机理，获取了内力传递路径，明确了结构健康监测对象．本研究方法为制定结构安全的智慧运维策略和提高结构抗倒塌性能提供了可靠支撑．
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  混凝土盖梁胶接缝抗剪承载力试验及参数分析

  李长春, 秦志清, 陈金盛, 卓卫东

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 368-378.

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  拼接缝是节段预制拼装混凝土盖梁的薄弱环节，为研究其抗剪承载力，开展了盖梁键齿胶接缝抗剪性能试验及有限元模拟分析，模拟剪切荷载-相对滑移曲线和开裂破坏形态与试验结果吻合较好．采用有限元模型对盖梁键齿胶接缝进行参数分析，探讨侧向压应力、混凝土强度等级、键齿内配筋率以及键齿数量、深度和倾角对键齿胶接缝抗剪承载力的影响．研究结果表明：键齿胶接缝在剪力作用下的破坏模式均为脆性破坏．键齿胶接缝的抗剪承载力随着侧向压应力、混凝土强度等级及键齿内配筋率的增加而增加：当侧向压应力由1 MPa增至9 MPa时，抗剪承载力增加了71.3%；当混凝土强度等级由C40提高至C80时，抗剪承载力增加了22.3%；当键齿内配筋率由0.5%增至2.6%时，抗剪承载力增加了14.8%．键齿数量、深度和倾角均对键齿胶接缝的抗剪承载力有较大影响，建议实际工程中键齿数量不超过3个，深度不超过105 mm，倾角不超过45°．基于Gopal公式建立了键齿胶接缝抗剪承载力的实用计算公式，该公式计算结果与试验及有限元分析结果均吻合良好，可用于键齿胶接缝的抗剪承载力计算．
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  射流搅拌反应器中氨/异辛烷的氧化特性研究

  卫海桥, 郭颖莹, 潘家营, 张韧, 万思萌

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 379-386.

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  大分子烃类燃料普遍具有低温氧化特性，能够有效增强氨（NH₃）反应活性．然而，目前关于氨/异构烷烃的氧化特性尚不清楚．本文基于射流搅拌反应器（JSR）和动力学分析方法，对纯氨、异辛烷(IC₈H₁₈)及其混合物的氧化特性进行了实验和数值模拟研究．实验工况选择500～1 050 K温度范围，同时通过同步辐射真空紫外光电离质谱（SVUV-PIMS）和气相色谱技术（GC）对反应物和生成物进行浓度剖面的在线扫描，并使用改进的动力学机理对氨和异辛烷的氧化过程及其相互作用进行详细分析．研究结果表明，NH₃和IC₈H₁₈的氧化活性在不同温度区间内存在相互促进与相互竞争并存的机制，从而在整体上表现为非单调的分段氧化特性．在820～1 050 K温度条件下，IC₈H₁₈氧化（尤其是通过HO₂路径）产生大量活性自由基，加强了链分支反应HO₂+NO=NO₂+OH，从而使得NH₃的反应活性随着异辛烷的加入而提高；在500～820 K温度条件下，氨通过NO_x反应路径促进羟基自由基的产生，使得IC₈H₁₈氧化温度降低、反应速率提高；在800～900 K温度区间内，随着反应温度增加，NH₃的反应活性逐渐变强且争夺自由基能力提高，导致系统自由基池总量迅速减少，造成整体氧化反应活性降低，是导致分段氧化现象的主要原因．
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  用于火焰成像的ECT系统导纳测量精度分析

  王超, 王健宇, 金硕

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 387-394.

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  火焰的导纳包括介电和导电特性，可从不同角度反映燃烧状态，火焰导纳的精确测量对于获取燃烧状态具有重要意义．电容层析成像(ECT)在火焰检测中获得了成功的应用，也正从测量介电常数单一参数向测量导纳虚部和实部参数发展，但同时也对导纳的测量精度提出了更高的要求．本文使用电探针测量了火焰不同位置的相对介电常数和电导率，以此为基础，建立ECT测量火焰导纳的仿真模型，发现火焰导纳虚部和实部的差距随着频率的升高而增大．在经典ECT系统中使用的500 kHz激励频率条件下，火焰导纳的虚部约比实部大5个数量级，使火焰导纳信息难以精确测量．对不同频率下火焰和空气导纳的差值进行分析，结果表明，为了保障系统测量精度，应使得导纳实部采集分辨率不超过0.207．导纳实部采集分辨率与模拟数字转换器(ADC)采样位数和激励频率都有关．在ADC采样位数一定的情况下，降低激励频率能够获得更小的导纳实部信号采集分辨率，从而提高系统的测量精度．对于14位ADC，应采用26.4 k Hz以下的激励频率．激励频率为500 kHz的经典ECT系统，其电流转电压(C/V)电路简化为以电容反馈为主导．针对降低激励频率使得经典ECT系统的C/V电路简化的输入输出关系不再适用的问题，在电路中考虑反馈电容和反馈电阻的综合作用，给出了测量火焰导纳的前端电路方案．
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  基于通道协同与色彩校正的RAW数据到RGB图像重建方法

  刘昱, 陈永祺, 王瀚, 刘人赫, 汪少初

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 395-405.

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  图像传感器直接输出的原始RAW数据需经过重建操作后才能转换为RGB图像，用于重建RGB的传统多步骤图像信号处理(ISP)算法往往具有流程复杂、灵活性低、误差累积等问题，而现有的一些基于深度学习的图像信号处理算法存在未能充分利用RAW图像模式信息与未能充分利用RGB通道相关性等局限．基于此，本文设计了基于深度学习的ISP-Net模型，针对上述不足进行改进．该模型包含模式信息复原、跨通道重建和色调调整3个主要模块．首先，模式信息复原模块通过掩码提取RAW图像的颜色通道信息，并通过通道间的融合操作最大化地学习RAW图像的模式信息；其次，跨通道重建模块通过通道间相互指导的方式，充分利用通道相关性提升图像重建质量；最后，色调调整模块通过构建色调调整矩阵，提升颜色复原的准确性．所设计的模型在合成数据集与真实数据集上均进行了测试．在主观评价上，本文方法在色彩准确度、纹理细节重建方面更接近真实图像；在客观指标上，特别地，在噪声强度为15时，本文方法的峰值信噪比在Kodak、Mc Master、WED-CDM和Urban100数据集上均为最优指标，分别为32.33 dB、32.44 dB、32.22 dB及31.67 dB，最大可优于同数据集次优指标0.24 dB．在真实数据集上的峰值信噪比为28.98 dB，相较于传统图像信号处理方法 FlexISP、SEM和ADMM，峰值信噪比均高出至少17 dB，相比于基于深度学习的RAW图像重建方法 Deepjoint和MGCC-B峰值信噪比分别提升了4.03 dB和1.55 dB.
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  二氧化锰改性硅藻土基多孔陶瓷吸附过滤性能研究

  刘丽艳, 姜子健, 刘战剑

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 406-413.

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  如何处理含固体颗粒的重金属废水，类似含萃取界面污物的核后处理废水，一直是具有挑战性的问题．本研究旨在以二氧化锰改性硅藻土为原料，泡沫浸渍工艺牺牲模板法制备多孔陶瓷用于吸附过滤处理含固体颗粒的重金属废水．实验中以共沉淀法和水热法制备锰改性硅藻土，结果表明其对Zn²⁺吸附能力均有一定提升．而对比不同的改性方法后发现，高锰酸钾水热法对硅藻土的改性效果最为显著，对Zn²⁺的吸附量达到24.3 mg/g，比原硅藻土提高了32.50%．在此基础上，采用泡沫浸渍工艺牺牲模板法烧结改性硅藻土，制备出具有吸附和过滤功能的多孔陶瓷．循环流动吸附过滤装置测试改性前后硅藻土基多孔陶瓷处理含Zn²⁺和含碳颗粒的料液，结果发现对质量浓度为10 mg/L的Zn²⁺的去除率分别为59.72%和71.23%，对固含量为2 g/L的含碳颗粒的去除率分别为97.16%和99.74%．通过压汞仪（MIP）和X射线显微CT（XMT）分析改性前后硅藻土块的孔隙结构，发现直径小于30μm的小孔数量增加了155.50%，平均孔径由1 084.98 nm下降至880.02 nm，同时孔隙率由65.90%下降至56.02%．通过对改性前后多孔陶瓷的1 500个切面扫描，发现其面孔隙率有所下降，陶瓷致密性上升．同时，改性使多孔陶瓷块内部孔道的迂曲度从6.334提高到9.606．改性工艺有效地改善了硅藻土基多孔陶瓷的孔隙结构，提升了吸附过滤性能．
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  白念珠菌唑类耐药分子检测体系的建立

  王梦凡, 王旭, 刘春龙, 齐崴

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 414-422.

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  随着免疫抑制剂与侵入性手术的应用，侵袭性真菌病的发病率逐渐上升，而由此出现的抗真菌药物大量使用也导致了真菌耐药性的增强．其中，白念珠菌(Candidaalbicans)对唑类药物耐药性日益明显，这对开发早期临床耐药性诊断方法提出了更大的需求．相关研究显示，白念珠菌的耐药性涉及到多种机制，其中erg11基因上的热点区突变是其产生唑类耐药性的主要机制之一．本研究旨在基于多色探针熔解曲线分析技术(MMCA)建立一种针对白念珠菌唑类耐药的分子检测方法，从而对3个热点突变区内的4种主要的突变类型进行基因分型．研究纳入了11株耐药和22株敏感的白念珠菌，通过对其进行药敏检测、耐药相关基因突变类型鉴定，建立真菌耐药表型与耐药基因型之间的联系．药敏结果显示，11株耐药株和22株敏感株的最低抑菌浓度(MIC)值分别为16～64μg/m L和0.5～1.0μg/m L．耐药基因型鉴定结果显示有erg11HS1热点区突变的菌株9株，erg11HS3热点区突变的菌株2株，未能鉴定到erg11HS2热点区突变的菌株，相关突变型与耐药性之间的联系符合预期结果．在此基础上，通过设计数对特异性引物和荧光探针，并筛选最佳反应程序，建立了一种鉴定有关突变型与野生型的MMCA检测体系．对该检测体系的效果进行了评估和验证：所有4种突变型和野生型均被准确分型，两者的溶解温度差异均大于3.5℃，检出限最低可达1.9×102拷贝数/m L，扩增效率均大于90%．在33例白念珠菌的样本中，以一代测序为标准，该体系检测的一致率为93.94%(31/33)，不同物种间无特异性交叉．本研究为白念珠菌病的早期唑类药物耐药性诊断提供了新方法．
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  管间两相流场频域相关性及激振力功率谱密度研究

  朱国瑞, 蔺文静, 齐思久, 韩佩泽, 谭蔚

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 423-433.

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  管壳式换热器内部管束长期受到气-水两相流冲刷容易发生磨损破坏，影响其使用寿命，因此准确计算两相流体力的功率谱密度对管束的磨损计算至关重要．由于缺乏两相流条件下的管间流场相关性实验数据，难以用激振力去直接计算其等效功率谱密度．为了探究管间两相流流场相关性，给出可靠的两相流激振力包络谱，设计搭建了两相水洞实验装置，创新性地将电子压力扫描阀引入两相流环境中，直接测量管表面的压力．对节径比为1.41的正三角形刚性管阵中单根弹性管在环境温度和压力下的横向流致振动进行了全面的实验研究．研究了直径为0.026 m、长度为0.237 m的柔性管在10%～90%含气率下激振力的频域特征并计算了相关长度，通过分析压力的变化、激振力自相关功率谱密度以及斯特劳哈尔数确定了周期性漩涡脱落现象的出现，获得了不同含气率下基于界面流速的激振力无量纲参考等效功率谱密度．结果表明，压力随界面流速大致呈抛物线形式增加，但涡流脱落会导致管周的压力骤降；管束内部激振力的相干函数在大范围内数值较低，相关长度不到1倍管径．使用1倍管径为相关长度计算了3种不同结构参数弹性管的激振力等效功率谱密度，采用基于界面流速的归一化因子进行了无量纲处理，给出了10%～30%含气率、40%～60%含气率以及70%～90%含气率时的激振力包络谱，其中激振力在40%～60%含气率下能量最高，70%～90%含气率次之，10%～30%含气率下能量最低．研究结果给壳程不同位置管束的磨损计算提供了符合工程实践的载荷谱．
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  低相变温度焊材对Q1100超高强钢焊接接头氢扩散行为和冷裂敏感性的影响

  利成宁, 邢玉翔, 王佳骥, 杨兆庆, 邸新杰

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2025, 58(04): 434-440.

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  针对超高强钢焊接接头易产生冷裂纹的问题，选用低相变温度(LTT)焊材和传统ER140S-G超高强钢焊材作为对比，研究了扩散氢调控对Q1100超高强钢焊接冷裂纹敏感性的影响．通过焊接接头临界断裂应力和断口形貌特征分析不同焊接接头的冷裂倾向，并通过焊态氢微印试验，将氢在不同焊接接头中的宏观扩散行为进行可视化表征，进一步分析焊态下不同焊材对于焊接过程中扩散氢抑制作用的差别．Q1100超高强钢碳含量较高，其粗晶热影响区组织为粗化的马氏体板条加少量贝氏体，冷裂倾向明显．插销冷裂纹试验结果表明，LTT焊材能够降低超高强钢焊接接头的冷裂倾向．在焊接参数相同的条件下，LTT-Q1100接头的临界断裂应力达到520 MPa，而ER140S-GQ1100接头的临界断裂应力只有460 MPa.LTT-Q1100接头的断口呈现准解理断裂形貌，ER140S-G-Q1100接头断口韧性恶化明显，多为沿晶断裂形貌，属于脆性断裂，使用LTT焊材提高了超高强钢热影响区的抗冷裂能力．焊态氢微印试验表明：在LTT-Q1100焊接接头中，大量Ag颗粒聚集在焊缝区，热影响区的Ag颗粒很少；而ER140S-GQ1100接头中焊缝区和热影响区均有大量Ag颗粒聚集．使用LTT焊材能够降低焊缝金属的相变温度，在焊接过程中抑制焊接接头中的氢向热影响扩散，从而降低焊接热影响区中的扩散氢含量，降低焊接热影响区的冷裂敏感性．