最新刊期
2023年第57卷第7期
- 摘要：针对现有穿刺手术机器人远程中心运动(RCM)无法兼顾安全性、精准性及空间有效性的问题，提出结合RCM机构和多自由度串联机械臂，研制一款混联式穿刺手术机器人系统。首先，基于双平行四边形机构设计机器人末端RCM执行机构，用于保证穿刺手术过程中远程中心运动的精度与安全性；然后，结合串联机械臂搭建穿刺手术机器人系统以保证较大的工作空间；最后，设计混联式机器人与现有基于主动式RCM约束(ARCMC)的通用串联穿刺手术机器人系统RCM的定位精度对比实验。结果表明，与基于ARCMC的机型相比，所设计穿刺辅助机器人系统的远端中心俯仰运动和翻滚运动位置误差分别降低了52.6%和59.7%,且其工作空间也远高于基于被动式RCM约束(PRCMC)设计的穿刺手术机。由此可以证明所设计的混联式穿刺手术机器人系统在穿刺手术辅助方面的性能更好。关键词：远程中心运动机构;辅助穿刺;手术机器人;工作空间119|9|2更新时间：2025-07-09
- 摘要：针对主动康复训练中出现训练懈怠、控制器和训练表现表征指标复杂、训练任务不能动态调整的问题,提出基于速度场与意图角的双重变导纳控制策略。在期望轨迹周围设计速度场后基于双曲正切函数将患者主动力映射到导纳参数中,设计变导纳控制器。只有患者施加主动力时,导纳控制才能输出机器人运动的驱动力,迫使患者主动参与。将末端交互力矢量与速度矢量的夹角定义为意图角,利用位于[0,π/2)内意图角出现的时间在单次训练时间中的占比γ表征患者的主动控制能力。训练中,根据上一轮的γ来修改导纳参数的上限值,从而改变训练任务的难易程度。在控制策略下进行了6轮训练,结果表明:提出的主动训练策略能够在患者施加主动力的情况下实现三维轨迹允许误差范围内的无时序跟踪训练; 根据设计的表征指标,导纳参数可以从1 100变为1 200再变到1 100,单轮的训练时间从45.6 s变为31.82 s再变回46.9 s,期间患者输出的主动力总和从892.2 N变为694.4 N再变到1 014 N。训练策略可以根据表征指标来判断患者的主动训练能力并调整训练任务,可用于主动康复训练。关键词：上肢康复;速度场;意图角;变导纳;主动训练41|15|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：针对驱动忆阻性负载逆变系统易发生Hopf分岔、导致系统出现振荡频率大于工频频率但远小于开关频率的不稳定现象，提出交流输出电压微分反馈控制方法，实现了对系统中Hopf分岔行为的有效控制。驱动忆阻性负载逆变系统因Hopf分岔引起的振荡现象属于慢尺度不稳定行为，因此建立了交流输出电压微分反馈控制下系统的平均模型，基于谐波平衡法求得系统变量的周期解，以Floquet理论揭示了系统中出现慢尺度不稳定行为的机理，给出了确保系统稳定运行的控制参数取值范围。此外，通过计算Floquet乘数对积分参数的敏感值，分析了交流输出电压微分反馈控制下系统在积分参数受到扰动时的抗干扰能力。研究结果表明：交流输出电压微分反馈控制方法可有效控制驱动忆阻性负载逆变系统中的Hopf分岔行为，能大幅度增加确保系统稳定的控制参数取值范围，并可增强系统的抗干扰能力。最后，通过PSpice仿真结果和电路实验结果的一致性，验证了理论分析的正确性和所提出的控制方法的有效性。关键词：忆阻性负载;逆变系统;谐波平衡法;Floquet理论;分岔控制61|4|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：针对智能车辆队列纵向协同控制问题，提出一种基于终端滑模和非光滑趋近律的有限时间控制算法以提高车队系统车间距的收敛性能和强队列稳定性。首先，为加快车辆队列车间距误差的收敛速度，实现目标车速的快速跟踪，构建包含车间距误差积分项的全局快速积分终端滑模面(GFITSMS)。其次，针对由外部干扰作用造成的车间距稳态收敛误差，提出连续但不可导的非光滑趋近律(NSRL),并基于提出的GFITSMS和NSRL构建全局快速积分终端滑模控制器(GFITSMC),通过构造Lyapunov函数，分析车队系统的队列有限时间稳定性和车间距误差的快速收敛性。研究结果表明，在首车-跟随(LF)通信拓扑结构下，相较于普通滑模控制器(SMC)和双幂次滑模控制器(DPSMC),所提有限时间控制器使车间距误差收敛时间分别减少了56.3%和50%,误差峰值分别降低了72%和58%。在前车-跟随(PF)通信拓扑结构下，车间距误差收敛时间分别减少了51.4%和48.6%。这表明所提有限时间控制算法在两种不同通信拓扑结构下均能有效地提高车间距误差的快速收敛性能和鲁棒性能，并显著改善由控制器产生抖振导致的车辆频繁加减速现象。关键词：智能车辆队列;纵向协同驾驶;有限时间控制;终端滑模;非光滑趋近律61|25|1更新时间：2025-07-09
- 摘要：针对一体式再生燃料电池（URFC）双向性能低的问题，以多孔传输层（PTL）与催化剂涂覆膜（CCM）之间界面接触为切入点，提出一种包含支撑层的新型URFC结构，并对PTL结构参数进行优化。通过极化曲线和电化学阻抗谱分析了不同结构URFC的性能。实验发现：钛毡纤维结构细密化有利于提升URFC双向性能，当电流密度为1.5 A/cm2时，带有支撑层的URFC相比传统URFC,在燃料电池模式下电压上升了69 mV,在电解槽模式下电压下降了12 mV;新结构URFC具有更小的接触阻抗及质子传输阻抗，比燃料电池模式的高频阻抗下降了16.2%。压敏纸实验和电镜测试表明，支撑层可以使催化层与PTL之间的宏观接触应力分布更加均匀，改善了钛纤维与催化层之间界面的微观接触状态，有利于提高电子传输效率及反应动力。研究可为一体式再生燃料电池结构设计及优化提供参考。关键词：一体式再生燃料电池;结构设计;多孔传输层;支撑层99|24|1更新时间：2025-07-09
- 摘要：为了解决传统化学反应动力学模型构建效率低、不确定度无法准确衡量的问题，提出了基于实验数据驱动的模型智能化构建方法。利用人工神经网络和马尔可夫蒙特卡罗链加速贝叶斯反演法的求解，基于层流火焰速度实验数据自动优化乙酸模型。仿真结果表明：通过增加神经网络样本数和隐藏层数使测试集的误差小于1%,满足化学反应动力学替代模型的要求；神经网络能够产生大量样本，有效减少马尔可夫链取样过程的误差以提高收敛效率；利用层流火焰速度实验数据约束后，反应CH2CO2H+H=CH2CO+H2O的速率常数的后验概率相对于先验概率发生了显著变化，均值在优化后增大了10倍，误差明显减小，该反应对乙酸层流速度的影响最为显著；优化后的化学反应动力学模型能够准确预测不同温度下的层流火焰速度，并且约束后的模型不确定度明显降低。研究结果可为化学反应动力学模型的实际工程应用提供参考。关键词：化学反应动力学模型;乙酸;神经网络;贝叶斯反演法68|16|1更新时间：2025-07-09
- 摘要：受高效飞行鸟类翼型结构启发，尝试采用叶轮仿鸮翼设计结合子午流道型线参数优化设计提高离心压缩机的气动性能。首先，提取具有优良气动性能的长耳鸮翅膀展向40%截面处翼型进行仿生逆向重构，基于鸮翼厚度分布特征进行离心压缩机叶轮的仿生设计；然后，采用拉丁超立方抽样、BP神经网络拟合、遗传算法寻优对叶轮叶顶侧子午流道型线进行参数优化，并对优化设计前后的离心压缩机气动性能及其流动特性进行数值分析。结果表明：采用提出的叶轮仿生设计耦合子午流道参数优化方法，离心压缩机内部流场得到改善，气动性能得到提升。设计工况下，优化后的离心压缩机多变效率提高了3.16%,压比提升了2.61%;叶轮内部及叶片扩压器出口的高熵区域缩小，流动分离得到有效抑制，同时叶片表面载荷增大且分布更加均匀，叶轮做功能力增强。关键词：离心压缩机;叶轮;仿生设计;参数优化;气动性能143|8|2更新时间：2025-07-09
- 摘要：针对高压补燃循环发动机泵间管路中高温氧气再液化回收时的安全问题，建立了高温氧气与高温液氧在低温液氧中掺混冷凝的三维数值仿真模型，研究了泵间管内三股流体掺混冷凝的全过程，获得了管内流场、气液相分布、气相冷凝长度等关键信息，对比了由掺混腔和主管路注入回流高温液氧两种回液方案对氧气冷凝的影响。同时，针对定流速和变流速两种情况，探究了掺混孔数量和孔径的优化方案；此外，对不同管路出口背压下管内气相完全冷凝长度的变化趋势进行了研究。研究表明：掺混腔回液方案会导致气相流量增加和分布不均，不利于管内气相快速冷凝；主管路回液方案能够避免回流高温液氧对气相冷凝的负面影响，推荐采用此方案回收高温液氧；当流速不变时，适度增大掺混孔有利于避免不同掺混孔的气相融合，采用8个孔径为35 mm的掺混孔可使完全冷凝长度缩短26.5%;通过减小孔径增大流速有利于气相快速冷凝，采用16个孔径为20 mm的掺混孔可使完全冷凝长度缩短38.6%;增大泵间管出口背压有利于气相冷凝，背压由1.6 MPa上升至1.8 MPa时，完全冷凝长度缩短28.9%。该研究结果对液体火箭发动机增压输送管路设计具有理论参考意义。关键词：泵间管路;直接接触冷凝;高温氧气;高温液氧;掺混孔;背压66|22|1更新时间：2025-07-09
- 摘要：面向点云配准任务，以改善重叠度较低的点云对之间的配准效果为研究目的，提出了一种有效的缺失点云配准算法——镜像迭代最近点算法。该算法以建立源点云和目标点云之间的镜像型对应关联性为核心，具体过程为：首先建立源点云到目标点云的前向对应关系，以捕获位于重叠区域的特征点；然后建立重叠区域的后向对应关系，以获取可靠匹配对集合；最后根据可靠匹配对估计最优刚体变换矩阵。此外，通过KD树构建和特征扩展两方面进行优化，以提升算法效率。所提算法仅依赖重叠区域匹配对集合，具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。在斯坦福数据集上的实验结果表明：对于较低重叠度的数据集，所提算法在精度和效率上均优于以往的多数算法；对于较高重叠度的数据集，所提算法使精度平均提升28.8%,使效率平均提升47.9%。实验证明所提算法能快速且可靠地配准缺失点云。关键词：缺失点云配准;镜像迭代最近点;有限重叠度;可靠匹配对;特征扩展80|7|5更新时间：2025-07-09
专题 医工交叉与人机交互
- 摘要：空冷技术能够在电站冷端利用空气完成换热冷却,相比湿冷技术在节水、降耗、减排及降本方面具有独特优势。从系统设计与运行优化的角度出发,综述了直接空冷和间接空冷两大类空冷技术的研究进展。设计优化方面,换热器(凝汽器和散热器)的流动换热特性已获得广泛研究,相关优化一般从几何结构、位置布局等角度开展,然而目前凝汽器研究对象多局限于翅片管,针对管束整体的优化研究比较缺乏,散热器研究则需更全面地考虑几何参数的影响等; 另外,由于风机(群)直接决定凝汽器的进气流量,其气动特性和集群效应研究成为重点,目前已形成多种分区方法和运行控制策略实施调优,但优化方案的经济性分析研究还有待深入。运行优化方面,为了削弱环境效应对空冷系统的负面影响,可以通过加装导流板等改善流场以扩展风的正向效应、开发控制预测模型进行防冻调控或设计防冻装置优化传热、设计开发各类清洗系统进行除垢等。当前研究在换热器设计优化的精度、广度和各类环境效应作用机理方面仍有进步空间,未来研究方向还包括新能源电站应用空冷的适应性分析,运用人工智能技术进行换热器设计、性能预测等。关键词：空冷技术;直接空冷;间接空冷;换热器设计;优化研究75|8|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：针对传统子域解析方法在计算气隙谐波磁场丰富的表贴式永磁游标电机磁场时,出现系数矩阵维数高、计算过程复杂的问题,提出了一种改进的子域解析模型。该模型通过坐标变换,将各子域矢量磁位在二维极坐标系下的拉普拉斯方程或泊松方程变换为准笛卡尔坐标系下的方程形式,利用分离变量法计算各子域矢量磁位方程的通解,根据边界条件计算待定系数,以双曲函数的形式表示各矢量磁位的解析解。计算了空载反电动势、气隙磁密和电磁转矩,与传统子域解析方法、有限元法计算结果进行对比。仿真结果表明:改进子域解析方法与有限元法的相对误差均小于1%; 与传统子域解析方法相比,空载反电动势、气隙磁密和电磁转矩计算精度分别提升了1.7%、0.87%和3.66%。实验样机的空载反电动势计算波形和测试波形也基本吻合,验证了该方法的有效性和可行性。关键词：表贴式永磁游标电机;子域解析模型;双曲函数;分离变量法;准笛卡尔坐标系;有限元法31|23|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：为探究气体绝缘金属封闭开关设备内金属微粒在机械振动和高压电场联合作用下的放电运动特性,基于机械振动与交流电压联合试验平台,对不同机-电状态下自由金属微粒运动产生的超声波信号及放电信息进行测量,分析了机-电联合作用下金属微粒的放电特性及运动规律。试验结果表明:随着机械振动幅值、频率的增加,金属微粒的局部放电起始电压减小,且高振动频率时微粒放电分散性降低; 机-电联合作用下,放电活动更加剧烈,局部放电相位分布谱图分散性增大,超声飞行谱图整体保持三角脉冲群的典型特征,且脉冲群周期为工频周期; 随着机械振动、电压幅值的升高,飞行谱图不断向前发展,产生“双峰”和“三峰”的形态。研究结果有助于气体绝缘组合开关实际运行过程中自由金属微粒的检测与分析。关键词：气体绝缘组合开关;自由金属微粒;机-电共同作用;放电特性;运动规律47|15|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：针对柔性光子晶体结构变色范围小、柔性不足的问题,对柔性光子晶体结构色调控方法进行了综述,介绍了结构变色的作用机理、载体材料和主要调控方法,对电场型、离子型、电热型电活性材料的变形速度、响应时间、驱动电压、能耗量级和最大应变进行了归纳和对比。对电致结构色调控技术的国内外研究现状进行了归纳和分析,并对各种代表性电致变色技术的变色范围、杨氏模量、驱动电压等主要性能参数进行了对比。通过分析发现传统电致变色技术难以兼顾柔性好、低驱动电压和大变色范围。在全面回顾文献的基础上重点阐述了电活性材料驱动的柔性光子晶体结构色调控技术发展现状,阐明了这种结构色调控方式具有柔性好、易封装、响应模式丰富等独特优势,总结出电活性材料驱动的柔性光子晶体结构色调控是电致结构变色领域中最具发展潜力的技术,同时指出了其面临的问题以及未来的发展趋势。关键词：电活性材料;电致变色;柔性光子晶体;结构色调控;驱动101|5|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：针对不合理的轴向游隙会恶化轴承的工作环境、降低轴承寿命并影响到涡轮泵球轴承-转子系统的稳定运行的问题,根据轴向游隙与接触角间的数学关系,将轴向游隙引入轴承部件的几何分析中,并基于Hertz接触定理和各部件间的相互作用,建立了考虑轴向游隙的涡轮泵球轴承动态特性计算模型。依据部件间变形几何关系进行变量缩减,简化了解析形式刚度矩阵的建立流程,降低了迭代计算的复杂度。以涡轮泵某型号球轴承为例,对不同载荷工况下轴向游隙对接触载荷、刚度和旋滚比的影响进行计算分析。计算结果表明:当轴向游隙增大,滚球与内、外滚道间的接触载荷均会降低,轴向刚度增大,径向刚度减小,所有滚球旋滚比均会升高,各滚球旋滚比之间的差异也会增大; 当轴承所受径向力较大或转速较高时,轴向游隙越大,轴承刚度和旋滚比随外载荷改变而变化的程度越明显。所建立的模型和动力学典型算例的计算结果偏差最大不超过2.02%,整体偏差较低,证明了所建立的模型在轴承动态参数计算上的有效性和稳定性,同时也表明了在数值求解及迭代矩阵建立上采取的简化措施是可行的。关键词：涡轮泵球轴承;轴向游隙;接触角;刚度;旋滚比56|63|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：为获得节能效果良好的散热通道,并进一步提升壁面结构优化设计效率,提出将遗传算法应用于数值计算过程,建立壁面型线的数学模型。对比分析了正弦脉动流作用下弧型、正弦型和贝塞尔曲线型3类波纹壁通道内流动换热现象,实现应用遗传算法调控优化计算流程,完成了通道结构的精确、快速优化。结果表明,弧型通道的流阻最低,正弦型通道的传热增强效果最好,而贝塞尔型通道兼具适度的传热增强和流动阻力提升。当雷诺数为5 000和10 000时,贝塞尔型通道综合性能显著优于其余两类通道,相对提升均超过20%,而雷诺数增加到20 000时,通道综合性能也仅略小于弧型通道。壁面结构的添加在近壁面处激发出高湍动能区域,增强了近壁面流体与主流的传热、传质过程,近壁面高温工质被周期性地输运向主流方向。以贝塞尔型通道为优化对象,以综合性能评价指标为目标函数,建立了结合遗传算法的壁面型线快速精确优化方法。优化后的贝塞尔型结构整体趋向右后方布置,抑制了背流侧次级涡的分裂,涡结构强度得到保证。这一现象改善了背流侧的温度分布,缓解了局部过热问题,并最终实现了综合性能评价指标高达38.7%的提升。关键词：遗传算法;贝塞尔曲线;波纹壁通道;脉动流;强化换热33|18|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：针对当前基于代理模型的优化算法因遭遇“维度灾难”而难以开展叶轮机械高维优化的难题,提出了自适应厘清变量间关系的动态聚合全局优化算法。该算法能在不消耗额外样本的条件下获取设计变量间的交互信息,并基于该信息一方面将高维问题分解为多个低维问题,实现高维问题的高效优化,另一方面为后续知识挖掘提供信息基础。在完成典型30维函数算例测试后,利用所提出的算法完成了包含28个设计变量的Rotor 37叶栅气动优化与设计空间知识挖掘。结果表明,优化后,Rotor 37叶栅设计工况效率相对参考设计提高了1.69%,且变工况性能相对参考设计亦有不同程度提高。在获得最优解的同时,所提出的算法还厘清了Rotor 37叶栅设计空间各变量间交互作用关系。进一步,结合算法所揭示的变量交互作用进行知识挖掘与CFD验证,证明对分离线附近型线进行微调可有效降低激波与边界层相互作用,从而提高跨声速叶栅的气动性能。由此,所提出的算法在求解高维大资源叶轮机械优化设计问题上的适用性和有效性得到验证。关键词：叶轮机械;代理模型优化算法;轴流压气机;优化设计;知识挖掘34|14|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：为提高无网格法数值计算中固体边界粒子离散的几何精度和均布质量,提出了一种复杂二维形状的边界粒子离散以及内部粒子填充技术。首先,使用整体微调法对单层边界粒子进行离散,再基于多边形偏移原理和圆角化处理实现多层边界粒子均匀布置; 然后,使用扫描-等距微调法和粒子补偿法进行粒子初始填充,再通过粒子迁移算法,实现内部粒子均匀填充。通过对多种典型二维复杂形状进行粒子建模和浸没算例的模拟,结果表明:该方法对狭长夹角和任意复杂形状都能实现高精度均匀离散,内部粒子数密度平均值误差低于0.4%; 与传统笛卡尔坐标系建模方式相比,使用该方法所建模型对边界的几何描述更加准确,边界周围流体的静压误差不超过6.51%。关键词：粒子法前处理;粒子均匀布置;移动粒子半隐式方法;粒子迁移67|12|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：为了减轻挥发性有机物(VOCs)对生态环境和人体健康的危害,针对煤焦吸附VOCs过程进行了分子模拟,研究煤焦微观理化结构特性尤其是孔隙结构对VOCs吸附特性的影响规律。基于煤焦分子建模与分子反应动力学模拟,构建了具有不同孔隙特征的煤焦分子模型,通过蒙特卡罗方法模拟VOCs在两种孔结构煤焦中的吸附特性与反应过程。所构建的煤焦微孔模型中仅有微孔,而中微孔模型在微孔基础上耦合了中孔结构。模拟结果表明:微孔是影响小分子VOCs吸附稳定性和吸附量的主要因素,中孔的加入不会显著增加吸附量,有时反而会使VOCs吸附性能略微降低。不同吸附质间影响吸附的主要因素为分子量与极性,分子量越大,极性越小,在煤焦中的吸附效果越好。研究结果对重构优化煤焦微观孔隙结构,提高VOCs吸附性能具有参考价值。关键词：挥发性有机物;吸附;煤焦;分子模型;孔隙结构22|15|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：为了处理现有的基于卷积神经网络去雾方法只使用单一的注意力、很难生成细节生动的清晰图像,且容易导致色彩失真的问题,提出了一个全局与局部注意力融合的图像去雾方法,以获得正常清晰度和无色彩失真的去雾图像。首先利用通道注意力将输入的有雾图像在通道维度切分为两部分,一部分送入通道像素注意力通道抽取局部特征,另一部分送入Transformer通道学习全局特征,然后利用像素注意力对两个通道学习的特征进行融合,将上述模块作为基本单元组合为一个多级U型去雾网络,增加残差连接缓解上下采样导致的细节信息丢失,最后在网络底层加入一个Transformer模块学习全局信息。在多个公开可用的去雾图像数据集RESIDE SOTS Indoor、RESIDE SOTS Outdoor上测试所提方法的有效性,结果表明:对比经典的去雾方法,所提网络生成的图像细节更丰富并且色彩失真最少; 在RESIDE SOTS Outdoor数据集上,相比经典的FFA-Net,峰值信噪比提高1.16 dB,相比GridDehazeNet,峰值信噪比提高3.68 dB。提出的全局与局部注意力融合方法能有效地去除雾霾,提升图像的对比度与清晰度,设计的多级U型去雾网络和残差连接结构能够缓解细节丢失,提升去雾效果,获得清晰的图像。关键词：图像去雾;全局与局部注意力融合;通道像素注意力;Transformer模块116|28|0更新时间：2025-07-09
- 摘要：为了降低甲醇制芳烃流程的能耗以及操作费用,提高经济性和竞争力,对采用冷油吸收法和精馏法进行轻烃回收的甲醇制芳烃流程进行了对比研究以及优化分析。首先,在Aspen HYSYS中建立了严格的流程模型,计算得到两个流程的能量平衡以及能量平衡数据,对流程操作以及产品数据进行了分析。然后,通过Aspen HYSYS和Matlab的数据连接,建立了以轻烃产品标准为约束的操作费用最小化的优化模型,并对两个流程进行了优化。结果表明:精馏流程的分离效果以及产品回收率均优于油洗流程; 优化后油洗流程的总操作费用略高于精馏流程; 从具体的操作费用贡献来看,精馏流程的电耗为油洗流程的1.46倍,并且需要使用更低温度的冷却剂,而油洗流程的中压蒸汽消耗量比精馏流程高出44.3%。该研究结果对进一步降低甲醇制芳烃工艺的能耗以及操作费用提供参考依据。关键词：甲醇制芳烃;轻烃分离;油洗;精馏27|14|0更新时间：2025-07-09
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