郑州大学学报(工学版)

2023年01期目录

2022年12月06 00:00

埃洛石纳米管在膜分离领域的应用

2022年12月06 00:00

埃洛石纳米管（Halloyite nanotubes，HNTs）作为一种管状的天然矿物材料，在众多领域均有潜在应用价值。结合国内外研究现状，本文从HNTs的结构特点、表面特性出发，简要介绍了HNTs现有的表面改性方法（物理改性和化学改性），详细阐述了HNTs独特的中空管状结构、大空腔、表面亲水性以及荷电性对膜的物化性质（机械性能、热稳定性、亲水性、Zeta电位）和抗菌防污能力的影响，并对其作用机制进行了分析。同时还对杂化膜中HNTs的中空管状结构、亲水性等特性在气体分子、水分子等的溶解与扩散过程中所起到的重要作用进行了详细描述。此外，基于HNTs优良特性本文重点关注了HNTs在膜分离领域的应用：抗菌、防污、油水分离、脱盐、染料分离、气体分离等。最后对HNTs基膜材料的未来可能的应用领域进行了展望，以期在增进对HNTs的认识及新型HNTs基杂化膜的设计和制备等方面提供一定的帮助。

共价有机框架液体分离膜的研究进展

朱军勇, 陈田田, 韩双乔, 张亚涛 — 2022年12月06 00:00

传统聚合物膜由于受到渗透通量与选择性的权衡关系的制约，严重阻碍了其在液体分离领域的进一步发展和应用。共价有机框架(Covalent organic fr＜x＞ameworks, COFs)作为一类新兴的结晶多孔材料，在开发具有快速分子/离子传输和精准筛分领域具有很大的前景。本文从COF膜结构和表面理化性质出发，讨论了COFs的孔径、稳定性、亲疏水性以及表面电荷对COF膜结构与性能的影响，并阐述了这些性质在膜分离过程中的重要作用，同时深入探讨了COF膜结构与功能之间的内在联系；简述了调控COFs特性以优化膜性能的方法，主要包括筛选/预先设计单体合成COF膜和对COF膜进行后修饰的策略。此外，重点介绍了多种先进COF膜的制备策略：共混、原位生长、真空辅助过滤和界面聚合等，并且综述了COF膜在海水淡化、污水处理、有机溶剂纳滤和渗透能量转换等领域的最新研究进展。最后，从膜材料的制备与商业化需求等方面，提出了当前COF膜所面临的挑战、机遇和未来发展趋势，为新型功能性COF膜的“按需设计”提供一定启示，并为COF膜在液体分离领域的发展和应用提供参考和借鉴。

混沌时间序列的核自适应滤波预测算法

刘强,王世元,黄雪微,王代丽 — 2022年12月06 00:00

在实际环境中,混沌时间序列常包含大量的噪声和异常值。由于这些干扰因素,基于二阶相似性度量的核自适应滤波器在混沌时间序列预测中的预测性能显著下降。基于上述问题,提出了一种鲁棒混沌时间序列的核自适应滤波预测算法。所提算法基于广义对数核损失函数的非线性相似性度量,有效地提高了核自适应滤波器在脉冲噪声环境中的鲁棒性,与此同时,该算法采用自适应K-Means 采样的稀疏Nyström 非线性映射方法,预先固定了算法的网络尺寸,从而降低核自适应滤波算法的计算复杂度。在所提算法中,使用递归更新方式,使算法具备较快的收敛速度。最后对滤波算法进行Mackey-Glass 混沌时间序列的预测仿真。仿真结果表明:作为一种新的鲁棒KMeans采样的Nyström 递归最小广义对数核损失预测方法,与稀疏化核自适应滤波算法相比,该算法在脉冲噪声中具备更好的鲁棒性;与其他典型鲁棒核自适应滤波预测算法相比,该算法具备更快的收敛速度和更高的滤波精度。

基于国产PuDianNao 芯片的向量函数库优化

杨指政,杜子东,文渊博 — 2022年12月06 00:00

目前国产人工智能处理器PuDianNao 芯片上的向量数学函数只能依靠循环调用标量函数来实现,该方法性能比较低。基于PuDianNao 芯片提出了3 种优化方法。方法一为插值方法;方法二为SIMD 加掩码方法;方法三基于PuDianNao 的硬件阵列结构,使用VLIW 指令操作阵列中的每个处理单元,封装出SIMT 编程模型,提出了暴露分支范围和分支扁平化的编程方法。对以上3 种方法进行精度和性能测试,对比实验结果表明,方法三具有最好的精度和性能。使用方法三实现基于国产PuDianNao 芯片的向量数学函数库PuDianNao-VecMath,解决了数学函数多分支结构难以向量化的难题。该函数库精度性能较好、功能稳定、运行正确,提供的接口包括取整函数、超越函数、比较函数、激活函数等常见基础数学库函数。在精度上,将函数定义域区间全数据作为输入,运算结果和标量函数在CPU i7 运行的结果进行对比。结果表明,单精度版本最大ULP 值为2,半精度版本最大ULP 值为1。性能与使用标量循环相比有较大提高,单精度版本相对于标量循环平均加速比平均值为18. 26,最大加速比为35. 90; 半精度版本平均加速比平均值为15. 65,最大加速比为30. 11。

出行系统最优配置下共享停车选择及泊位分配

2022年12月06 00:00

为提升城市出行及停车供需匹配的效率,提出了一种面向出行系统最优配置的停车选择及泊位分配整合模型。构建考虑共享停车用户出行费用和非共享停车用户出行费用的停车选择均衡模型,并设计下降算法求解停车选择均衡模型;对共享停车用户,建立共享停车平台运营商、泊位供给者和泊位需求者综合泊位分配整数规划模型,出行选择模型与泊位分配模型之间通过共享停车泊位分配决策变量建立联系。算例分析结果表明,提出的泊位分配模型对用户预约请求接受率达到83%,且模型能够高效应用于实际停车问题;出行用户更倾向于选择行驶距离和步行距离近的停车场,共享停车与非共享停车流量增速差距最大的停车请求规模既可以使运营商获得较高利润,又能够提高共享停车与非共享停车流量之间的平衡性。

基于深度强化学习的智能路由技术研究

2022年12月06 00:00

针对现有智能路由算法收敛速度慢、平均时延高、带宽利用率低等问题,提出了一种基于深度强化学习（ DRL) 的多路径智能路由算法RDPG-Route。该算法采用循环确定性策略梯度( RDPG) 作为训练框架,引入长短期记忆网络( LSTM) 作为神经网络,基于RDPG 处理高纬度问题的算法优势,以及LSTM 循环核中记忆体的存储能力,将动态变化的网络状态输入神经网络进行训练。算法训练收敛后,将神经网络输出的动作值作为网络链路权重,基于多路径路由策略进行流量划分,以实现网络路由的智能动态调整。最后,将RDPG-Route 路由算法分别与 ECMP、DRL-TE 和DRL-R-DDPG 路由算法进行对比。结果表明,RDPG-Route 具有较好的收敛性和有效性,相比于其他智能路由算法至少降低了7. 2%平均端到端时延,提高了6. 5%吞吐量,减少了8. 9%丢包率和6. 3%的最大链路利用率。

推进轴系纵向高承载准零刚度隔振器的研究

2022年12月06 00:00

针对船舶推进轴系纵向低频隔振难的问题，本论文将碟簧与螺旋弹簧并联设计了一种准零刚度隔振器。通过谐波平衡法，求解了轴系-准零刚度隔振器的动力学方程，采用数值计算验证了求解的有效性；综合分析系统响应的稳定性、轴系纵向静变形与并联机构零刚度区间范围，确定了隔振器的非线性刚度与阻尼比；最后通过碟簧静力学和准零刚度隔振器的静力学获得了碟簧与螺旋弹簧相应的结构与力学参数。结果表明，当隔振器非线性刚度取1×1012N/mm3、阻尼比取0.05时，系统稳态响应的解在200Hz内都是稳定的；并且在承受10 000 N载荷时，可以有效隔离10Hz~200Hz范围内的振动。

悬吊式空调机组支吊架的谱分析及抗震评定

王和慧, 刘雨欣, 汤毅, 朱进林, 潘健 — 2022年12月06 00:00

基于反应谱分析方法,应用ANSYS 有限元软件及其APDL 编程,采用空间梁单元、3D 纵向弹簧阻尼单元和实体单元建立完整反映结构特性的三维有限元模型,对某空调机组悬吊式安装方式下的支吊架进行抗震计算。考虑静力载荷和运行基准地震( OBE) 载荷进行静力分析,然后在此基础上进行模态分析和OBE 载荷下的多点响应谱分析,按照模态组合的平方和之开根号法( SRSS 法) 综合静力分析和谱分析的计算结果,依据ASME AG-1 规范,对支吊架的强度和刚度进行抗震评定。结果表明:在静力载荷和OBE 载荷的组合工况作用下,支吊架的拉应力、剪应力、弯曲应力及拉弯组合均小于应力限制值,安全余量很大;支吊架的位移大部分来自于弹簧阻尼减振器收缩引起的整个系统的刚性位移,其余来自于槽钢底框的相对位移,二者的刚度都满足要求且安全余量较大;支吊架根部的膨胀螺栓主要受拉力的作用,其强度满足要求且安全余量较大。经评定,该悬吊式空调机组支吊架具备足够的抗震强度和刚度。

ORC系统的蒸发器夹点温差的数值分析和实验研究

马新灵, 王聪, 石文琪, 孟祥睿, 张景迪, 邱宇恒, 潘佳浩 — 2022年12月06 00:00

有机朗肯循环( ORC) 是一种高效回收余热的可靠手段。考虑蒸发器的换热面积和系统的热力性能,自定义了性能评价指标F(·) ,在热源温度为105 ~ 165 ℃ 、蒸发器夹点温差为3 ~ 30 ℃ 时,分别从工质流量和蒸发温度的角度,模拟分析了夹点温差对系统性能的影响。结果表明:系统的净输出功和热效率均随夹点温差的降低而增加,且分别在热源温度为165 ℃ 、夹点温差为3 ℃ 时达到最大值53. 53 kW 和12. 21%;一定工质流量下,热源温度为165 ℃ 时,F(·) 的值最小,此时最优夹点温差为15 ℃ ;一定蒸发温度下,F(·) 的值随夹点温差的增大一直减小。在自主搭建的小型ORC 低温余热发电试验平台上, 分别研究了不同的热源流量、冷却水流量和工质流量下,蒸发器夹点温差对ORC 系统性能的影响。结果发现: 当热源流量为4 m3 / h,系统在较低的蒸发器夹点温差下有更好的表现,此时存在使系统性能最佳的工质流量和冷却水流量,分别为700 kg / h 和3 m3 / h。

18CrNiMo7-6 合金钢J-C 损伤模型失效参数研究

吴少洋, 张建伟, 卢凤强, 李元鑫, 秦瑾鸿 — 2022年12月06 00:00

针对高速冲击、机械成型加工等数值模拟中广泛应用的Johnson-Cook ( J-C) 损伤模型失效参数求取问题,对18CrNiMo7-6 合金钢材料开展了3 个系列的力学实验。通过缺口试样准静态拉伸实验和有限元模拟,确定了既考虑空间分布效应,又考虑应变累积效应的应力三轴度的计算方法。结果表明:失效应变随应力三轴度的增大而减小;通过10-3 、10、103 s-1 应变率下的拉伸实验与霍普金森拉杆( SHTB) 冲击实验,发现随着应变率的增大,材料屈服强度有所增加,表明了材料有明显的应变率强化效应,并且失效应变随着应变率的增大而增大;在25、200、300、400 ℃ 的拉伸实验中发现随着温度的升高,材料屈服强度逐渐降低,但材料的抗拉强度在300 ℃ 时要高于200 ℃ 下的结果,并且随着温度的升高失效应变逐渐减小。根据上述实验结果拟合得到了J-C 损伤模型失效参数,从拟合优度可以看出拟合所得参数的可靠性。最后通过Taylor 冲击实验与有限元模拟进行验证,结果表明,当冲击速度为430 m / s 时,实验与仿真得到的冲击试样均发生了破坏,并且有限元模拟得到的试样破坏形态与实验结果最大误差为6. 3%,结果吻合良好,验证了所选用的J-C 损伤模型的合理性以及实验所得参数的有效性。

激光扫平仪垂直扫平误差测量方法研究

张卫东, 赵凤霞, 苏清磊, 程鹏里, 聂金玲 — 2022年12月06 00:00

为了检测控制激光扫平仪垂直扫平面铅垂精度,对激光扫平仪垂直扫平误差进行了分析。利用球面三角形的正弦和余弦定理,推导了激光扫平仪垂直扫平面倾斜误差计算公式,建立了锥角误差和倾斜误差几何叠加的激光扫平仪垂直扫平误差数学模型,搭建了基于水平轴线对称布局的双光管专用检测装置,设计了先分项测量、后按数学模型叠加的激光扫平仪垂直扫平误差测量方案,并进行了测量试验验证。结果表明:采用所提方案获得的仪器不同姿态下垂直扫平误差测量结果的最大差值不超过6. 3″,优于传统方案的16. 5″,证明所设计的测量方案可行,构建的数学模型准确可靠。

基于神经网络算法的滚刀磨损量预测方法

丁小彬, 谢宇轩, 薛皓文, 李世佳 — 2022年12月06 00:00

为了给盾构施工开仓换刀提供参考，本文将滚刀磨损简化为多元非线性拟合问题，构建了数据分析框架，综合考虑机械、地质、管理三大类因素，对滚刀磨损量进行预测。以广州地铁18号线番禺广场到南村万博站区间盾构区间为工程背景，选取共14种参数，结合公式获得标定后数据共2386条，包含34把正面滚刀，共81次滚刀磨损量。通过SMBO方法和LM算法改进BPNN算法训练过程，充分发挥神经网络优势，所得模型对83.3%的测试样本的预测值决定系数(R2)高于0.86，相比标记样本时参考的公式，准确度有较大提高，表明该方法所训练模型对滚刀磨损量的发展趋势预测更加准确。

基于改进突变评价法的黄河凌汛灾害风险评价

2022年12月06 00:00

针对突变评价法综合评价值偏高、评价值之间比较接近的问题,提出了一种采用三参数指数型曲线进行回归分析的改进方法,并对改进方法的合理性进行了验证,计算得到的改进评价值与常规评价值相比,不仅大小排序一致,而且极差明显增大,数据在[0,1] 的分布更加分散。从凌灾的自然属性和社会属性两个方面出发,建立了 4 个层次的黄河凌汛灾害风险评价指标体系,并将进方法应用于黄河内蒙古头道拐至万家寨河段两岸4 个旗县的凌汛灾害风险评价中。结果表明:偏关县属于极低风险地区;准格尔旗属于高风险地区;清水河县和托克托县均属于中等风险地区;常规突变评价法得到的综合评价值很接近,除偏关县外,其余均集中在[ 0. 912,0. 941] ,不利于直观有效地区分风险的大小程度,而改进的突变评价法使调整后的综合评价值分布范围有效扩大,极差达到了 0. 446,具有更高的分辨水平,风险的大小等级更具可比性。评价结果与对各地区实际凌情的分析基本一致。

多跨连续梁-刚构桥地震易损性分析

2022年12月06 00:00

为研究多跨连续梁-刚构桥地震易损性，本文基于OpenSEES平台，建立实际桥梁非线性地震反应分析模型，通过增量动力分析，建立不同桥墩、支座及桥台等桥梁构件易损性曲线，分析了全寿命周期内桥梁关键抗震构件桥墩的时变地震易损性，采用界限法估算桥梁结构系统的失效概率，研究算例桥梁的系统易损性。分析表明：在同一损伤状态下，1#与4#桥墩较易出现损伤，5#桥墩其次，2#和3#桥墩的概率最小，即墩高、材料强度及墩顶约束均会影响其易损性；桥台处支座相比于桥墩处支座，更易产生损伤；两桥台易损性曲线斜率较大，其发生同一损伤的概率无明显差别；全寿命周期内耐久性损伤后桥墩轻微损伤、中等损伤及严重破坏的超越概率显著增大，中等损伤状态下的超越概率，分别增大3.1%、11.3%、20.9%、29.1%、34.1%，严重损伤状态下，分别增大3.9%、13.5%、25.1%、33.4%、35.4%；桥梁系统易损性大于各构件，采用单个构件易损性来评估桥梁易损性会高估桥梁抗震性能。

交叠车站下穿段MJS加固温度场变化规律研究

2022年12月06 00:00

在富水地层新建车站下穿既有车站时,需要采用MJS 与冻结法联合加固,而MJS 工法施工的水泥土会产生大量水化热使加固体温度上升,将直接影响水平冻结效果。以南京地铁新建地铁7 号线站台层部分单层段需近距离下穿上部既有车站为背景,采用数值模拟对MJS 加固体温度变化规律进行研究,并经实测验证了数值模拟的正确性。结果表明: MJS 桩体施工完成后3~8 d 内达到最高温度,最高可达80. 07 ℃ ,且MJS 桩体布置越密集、加固范围越大,在群桩加固体中心产生的温度越高、自然降温条件下前期降温速率越缓;MJS 桩体水化放热达最高温度后,温度呈负指数幂函数形式下降,降温速度先快后慢;MJS 加固体对周围土体温度的影响范围随时间推移逐步扩大,且加固范围越大,对周围土体温度的影响范围越大,影响范围可达加固体边界以外4. 5 m;距水泥土加固区越近,土体温度越高。结合既有MJS 加固体水化放热规律及强度研究和数值模拟结果,考虑不同时刻水化热温度场分布与温度值,今后类似工程MJS 加固完成后第60 天为建议的最佳开冻时机。