兰州理工大学学报

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1. 基于数字孪生技术的往复式空气压缩机效率预测方法研究

余建平, 胡爽, 刘兴旺, 田有文, 仇宏伟, AKOTO Emmanuel

兰州理工大学学报 2024, 50 (1): 48-52.

摘要（180）

PDF（pc）（2613KB）（280）

通过建立往复式空气压缩机数字孪生体模型,实现压缩机效率预测和参数寻优的方法,具有灵活、成本低、通用性好的优势.但是在多变量条件下,传统的基于BP神经网络孪生模型训练时间长、工作量大,寻优过程易陷入局部最优解,不易实现全局最优.针对传统孪生体模型存在的问题,提出了基于CIWOA-BPNN算法的孪生体模型构建方法,通过主成分分析法确定孪生体模型关键指标,在BPNN模型基础之上引入改进的鲸鱼优化算法.研究表明,基于CIWOA-BPNN算法的孪生体模型有效避免了BPNN模型陷入局部最优解.用CIWOA-BPNN算法预测压缩机效率相对误差小于0.6%,决定系数为0.997 75,与传统模型相比大幅提升了预测精度.

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2. 混合动力电动汽车构型优化设计方法研究

赵斯力根, 王静远, 张晓明

兰州理工大学学报 2024, 50 (1): 60-67.

摘要（172）

PDF（pc）（3271KB）（231）

针对行星齿轮汽车结构特性与动态特性的关系,提出了混合动力汽车动力系统构型的理论设计方法.首先,将构型中所有连接分为3类,采用矩阵表示法表示这些连接,以反映系统动力学和构型的物理结构.接着,在此基础上提出了构型自动设计的矩阵表示方法,通过矩阵运算得到转速方程进而得到汽车双行星齿轮结构的各种构型.最后,通过仿真验证了该方法的有效性.结果表明,在矩阵表示方法的支持下,可以通过计算机自动完成最优构型的选择,避免了人工计算和比较,节省了大量的精力和时间.

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3. 超声处理对可降解Zn-0.5Sr合金组织及腐蚀性能的影响

刘建军, 张朋涛, 赵志鑫, 张蛟, 李庆林, 丁雨田

兰州理工大学学报 2024, 50 (1): 1-9.

摘要（172）

PDF（pc）（6577KB）（340）

以Zn-0.5Sr合金为对象,研究了不同超声功率(0、300、600、900 W)对Zn-0.5Sr合金显微组织及腐蚀性能的影响.结果表明:Zn-0.5Sr合金经过超声处理后,铸态组织中SrZn ₁₃相由粗大的多边形转变为细小的块状,与未处理的合金相比较,对合金进行600 W超声处理后,合金的电化学腐蚀速率由2.078±0.141 mm/a增加至5.747±0.390 mm/a.当超声功率为600 W时,Zn-0.5Sr合金15、30 d的浸泡腐蚀速度分别为0.090±0.002 1、0.074±0.001 9 mm/a,是未经超声处理的 1.88、1.95倍.

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4. 基于改进LSTM神经网络的化工过程故障诊断

杜先君, 邱小彧

兰州理工大学学报 2023, 49 (6): 72-79.

摘要（172）

PDF（pc）（2999KB）（109）

针对现代化工过程中数据非线性、高维度以及动态时序等特点,传统的故障诊断模型对化工过程的故障诊断精度较低.基于此,设计了一种基于改进的长短时记忆神经网络(LSTM)故障诊断方法.首先,将采集的故障数据输入卷积神经网络(CNN),对数据进行特征提取和降维;其次,将处理过的数据输入改进的LSTM网络,进行深层特征提取;最后,把提取的深层特征信息输入到注意力机制进行特征“聚焦”,实现特征融合后输入softmax分类器实现故障分类.由田纳西-伊斯曼(TE)过程诊断实验结果表明,基于改进的LSTM网络的故障诊断方法在故障分类精度、训练速度方面都更优于递归神经网络(RNN)、门控循环神经网络(GRU)、卷积神经网络(CNN)和深度自编码网络(DAEN),在实际化工过程的应用有一定的优势.

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5. Al ₂O ₃界面修饰单向纤维C/C复合材料组织结构及其力学性能

贾建刚, 钮超, 张真, 伏芳杏, 潘子康

兰州理工大学学报 2023, 49 (6): 1-8.

摘要（164）

PDF（pc）（5784KB）（143）

为了缓解C/C复合材料脆性,利用勃姆石溶胶对单向碳纤维预制体进行处理,在纤维表面制备了Al ₂O ₃涂层.使用自制的热梯度化学气相沉积(TG-CVI)设备对预制体进行致密化,得到致密的C/C复合材料.通过高温热处理进一步调节界面的结合强度和基体碳的石墨化程度.利用排水法测试复合材料的密度,万能材料试验机测试其拉伸性能,采用可视化石墨烯片层技术(VGT)对试样进行处理,使用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)分别研究复合材料的微观组织、界面和断面形貌、以及物相组成.结果表明:涂覆Al ₂O ₃涂层的C/C复合材料在沉积后期转变为粗糙层(RL)织构.经过高温热处理后,碳基体的石墨化程度提高,改变了C/C复合材料的断裂机制.由复合材料最初的脆性断裂向拟延性转变,延伸率提高.C _f(Al₂O₃)/C-3样品的峰值应力达到了77.3 MPa,延伸率达到了15%.

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6. 核用TiNbVMo-(Zr, Cr)系难熔高熵合金的组织和性能

李季菁, 胡世文, 刘德学

兰州理工大学学报 2024, 50 (2): 1-8.

摘要（162）

PDF（pc）（6063KB）（223）

开发了三种新型单相BCC结构的韧性Ti ₄₀Nb ₂₅V ₁₅Mo ₅Zr ₁₅、Ti ₄₀Nb ₃₀V ₂₀Mo ₅Zr ₅和Ti ₄₀Nb ₃₀V ₂₀Mo ₅Cr ₅难溶高熵合金(RHEAs).合金在室温下均表现良好的强韧性,其中Ti ₄₀Nb ₂₅V ₁₅Mo ₅Zr ₁₅的最大抗拉强度为1 037 MPa,随着Zr元素含量的降低,Ti ₄₀Nb ₃₀V ₂₀Mo ₅Zr ₅的断裂延伸率从8.94%提高至13.96%.Ti ₄₀Nb ₃₀V ₂₀Mo ₅Cr ₅在450 ℃下进行100、300、700 h的静态铅铋饱和氧腐蚀试验后仅形成单层腐蚀扩散层,腐蚀层的厚度没有随时间的增加出现明显变化.

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7. 形变热处理调控AlCoCrFeNi _2.1高熵合金组织及性能

王鹏辉, 张晓波

兰州理工大学学报 2024, 50 (4): 1-5.

摘要（159）

PDF（pc）（2366KB）（186）

高熵合金因兼具高强度、高韧性、高温力学性能、抗氧化、耐腐蚀等性能,近年来成为材料领域的研究热点.共晶高熵合金结合共晶合金及高熵合金的优点,使得铸造大尺寸构件成为可能.通过冷轧及退火来调控合金的力学性能,采用XRD、SEM、EDS及拉伸试验研究了共晶高熵合金经不同温度退火后组织及力学性能的变化.结果表明:合金经冷轧30%后,抗拉强度得到异常提升,但延伸率骤降.冷轧30%后在800、900、1 000 ℃退火,组织由部分再结晶逐渐转变为完全再结晶,且晶粒略微长大.800 ℃退火后存在变形的大晶粒和再结晶的小晶粒,多种强化机制协调作用,使得抗拉强度和延伸率分别为1 272 MPa、12.39%.

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8. 纤维-地聚物混凝土力学性能及耐久性能研究

公晋芳, 任永祥

兰州理工大学学报 2024, 50 (2): 24-30.

摘要（131）

PDF（pc）（2696KB）（118）

为改善地聚物混凝土的力学性能和耐久性,通过掺入不同长度和掺量的聚丙烯纤维,对地聚物混凝土的力学性能、抗冻性、抗氯离子侵蚀性及抗裂性进行了研究,并基于SEM试验,从微观角度进一步解释聚丙烯纤维的作用机理.结果表明:聚丙烯纤维的掺入能够提高地聚物混凝土的力学性能和耐久性能,当纤维掺量为0%~0.6%时,随着纤维掺量的增加,地聚物混凝土的改善效果越明显.当掺量超过0.6%时,其力学性能和耐久性开始下降.通过SEM分析也表明,聚丙烯纤维能够提高基体内部的整体性和密实性,从而显著改善地聚物混凝土的力学性能和耐久性.最终推荐掺量0.6%长度为12 mm的聚丙烯纤维为最佳掺量.

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9. 激光硬化与渗氮复合处理H13钢组织与性能

曹驰, 骆卫东, 陈志林, 罗丽萍, 陈贤武

兰州理工大学学报 2024, 50 (1): 10-18.

摘要（131）

PDF（pc）（10421KB）（83）

通过激光淬火/离子渗氮复合方法对H13钢进行表面改性处理,从而提高其表面的性能.利用X射线衍射技术、光学显微观察、扫描电子显微观察、能谱分析技术、显微硬度和纳米测试系统以及高频往复磨损试验,分别研究了离子渗氮、激光淬火、以及激光淬火与离子渗氮复合处理对H13钢改性层组织结构、力学性能、摩擦磨损性能的影响过程和影响机理.结果表明:复合处理工艺可以显著改善改性层的综合性能.和单一渗氮处理相比,复合处理改性层硬度和有效硬化层深度分别从1 180 HV和80 μm提高至1 360 HV和550 μm,摩擦系数和磨损率分别从0.68和5.78×10 ^－8 mm ³·N ^－1·m ^－1降低至0.59和1.35×10 ^－8 mm ³·N ^－1·m ^－1.试样的硬度和耐磨性显著增加,平均摩擦系数明显降低.

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10. 六水合氯化钙基相变材料对岩棉保温板储能和保温性能的影响

杨效田, 王彩龙, 刘俊艳, 高慧, 何承骏

兰州理工大学学报 2024, 50 (1): 27-34.

摘要（128）

PDF（pc）（4185KB）（220）

以岩棉板为载体,将自主研制的六水合氯化钙基相变储能材料均匀渗入到岩棉板,制备了六水合氯化钙基相变材料改性的岩棉/六水合氯化钙基保温墙板,研究了六水合氯化钙基相变材料对岩棉板储能隔热能力及其力学强度的影响.结果表明:相变材料加入赋予了岩棉吸热储能性能,使岩棉板保温性能得到提高.岩棉板对六水合氯化钙基相变材料的最大吸附量为30 wt.%,且该吸附量下的保温岩棉墙板显示出最大的比热容0.700 1 MJ/(m ³·K).尽管该吸附量下复合板显示较大的导热系数0.089 1 W/(m·K),但其相应热扩散率却最小,为0.127 3 mm ²/s.热温度测试表明该吸附量下室内最高温度降幅达到3.4 ℃,表明导热系数不是影响岩棉板保温性能的唯一因素,采用热扩散率评估其保温性能更为合理.SEM显示六水合氯化钙基相变材料黏附于岩棉纤维之间且形成了稳定的空间网格架构,有效提高了岩棉板的抗压强度.

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11. GH4151合金热变形过程中裂纹的扩展

刘建军, 魏保林, 贾智, 丁雨田

兰州理工大学学报 2023, 49 (6): 28-32.

摘要（124）

PDF（pc）（2919KB）（153）

GH4151合金是一种服役于800 ℃以上的新型难变形镍基高温合金.由于铸态GH4151合金化程度高,晶粒尺寸大,在热变形过程中容易出现裂纹而无法进行开坯等变形.采用Gleeble-3500热模拟试验机对GH4151合金进行不同温度和应变速率下的热变形试验.利用电子背散射衍射(EBSD)和扫描电子显微镜(SEM)对其典型裂纹区域进行表征,分析了晶粒取向、再结晶、低能晶界以及固溶相对裂纹扩展的影响.结果表明:取向为〈101〉的晶粒相比于〈001〉和〈111〉取向晶粒能有效阻碍裂纹的扩展.再结晶晶粒的形成降低了合金中的应力,从而降低了裂纹扩展速率.低能晶界比随机晶界对裂纹的扩展具有更强的阻碍作用,并且在三叉晶界处低能晶界数量越多,阻碍作用越强.具有脆性特征固溶相的形成促进了裂纹的扩展.

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12. 基于改进Crazy Climber算法的小波脊线提取

赵丽洁, 李雯雯, 刘瑾, 晋东丽

兰州理工大学学报 2024, 50 (1): 132-138.

摘要（121）

PDF（pc）（4298KB）（76）

针对传统Crazy Climber算法提取多条小波脊线耗时长、效率低等问题,提出一种模拟正火冷却的改进Crazy Climber脊线提取算法.通过对结构振动的响应进行连续小波变换,在小波系数幅值构成的时频平面中,基于模拟正火冷却算法跟踪提取时频平面中的小波脊点,促使每一个随机点高速地聚集在脊线上,消减运算时间.通过单自由度和多自由度系统数值模拟,与传统Crazy Climber算法在计算效率和识别精度两者进行对比分析,验证改进算法的的优越性.

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13. 基于多尺度残差和注意力机制的图像去雾算法

陈辉, 牛丽丽, 付辉, 张天佑, 席磊

兰州理工大学学报 2024, 50 (2): 69-76.

摘要（121）

PDF（pc）（4568KB）（110）

雾的存在严重降低了图像的质量,阻碍了后续对图像的进一步处理.针对已有去雾算法特征提取不充分等问题,提出了一种端到端的基于多尺度空洞残差块和多尺度注意力机制的图像去雾算法.首先,通过三个小尺度的卷积核进行卷积运算提取雾图的浅层特征,可以在得到较大感受野的同时降低参数量.然后,将其输入多个由多尺度残差空洞卷积特征提取模块和多尺度注意力机制模块串联组成的网络模块,多尺度空洞卷积残差特征提取模块可以提取不同感受野的雾图特征并进行不同维度的特征融合,有效解决特征尺度单一问题;多尺度注意力机制模块可合理分配不同特征的权重,并抑制无关的冗余信息.最后,把雾图中的雾特征筛减便得到去雾图的特征图,再通过卷积操作恢复出无雾图像.通过在SOTS测试集上测试,得到了比其他几种经典方法更好的视觉效果,且在PSNR和SSIM上的表现也优于其他几种经典方法.

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14. 冷喷涂Fe _0.5CrMnAlCu混合金属涂层沉积过程的分子动力学模拟

文杰, 王兆钦, 马登潘, 袁昱东, 冯力

兰州理工大学学报 2024, 50 (3): 1-8.

摘要（120）

PDF（pc）（7406KB）（105）

采用分子动力学方法模拟计算了低压冷喷涂过程中不同金属元素粉末的最低沉积温度.计算结果表明:Mn粒子在600 K时就可以有效沉积;Fe粒子需要700 K及以上的喷涂温度;Cr粒子则需要1 100 K及以上温度才能有效沉积;而Al和Cu粒子在500~800 K的温度均可以实现有效沉积,并且两种粒子的扁平率最大值超过了0.6.不同金属元素混合粉末在700 K沉积时,由于沉积过程中不同粉末颗粒的相互影响和夯实作用,即使Cr粒子未达到沉积条件,Cr粒也和其他元素颗粒一样沉积在涂层中.

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15. 过渡流道对串联高速离心泵空化特性的影响

王晓晖, 张凯, 宋鑫, 侯常亮, 李柯剑

兰州理工大学学报 2024, 50 (1): 53-59.

摘要（115）

PDF（pc）（5787KB）（119）

为分析不同结构的过渡流道对串联高速离心泵空化特性的影响,以某型串联高速离心泵的第2级为研究对象,基于ANSYS Fluent中Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用RNG k-ε双方程湍流模型对同一工况下环形和螺旋形过渡流道在不同空化数下的增压值、叶片空化面积、流道内空泡体积进行了对比分析.结果表明:采用螺旋形过渡流道的次级离心泵在流量区间32 000~64 000 L/h增压值提升约8.5%,大流量工况( q_V>52 000 L/h)下效率提升3%~6%.次级叶轮发生完全空化时,相比环形过渡流道,螺旋形过渡流道次级叶轮叶片背面空化面积和流道内空泡体积均有所下降.由此可见,螺旋形过渡流道抑制了叶轮叶片空化气泡的产生,提升了次级叶轮的抗空化性能.

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16. 基于PCA-FSEM方法的风力发电机可靠性研究

郑玉巧, 郎启发, 施成龙, 刘宇航, 刘燕杰

兰州理工大学学报 2024, 50 (1): 35-40.

摘要（114）

PDF（pc）（1195KB）（194）

针对西北某风电场相关运行数据,对风力发电机进行可靠性研究.考虑运行数据之间相关性和冗余度,采用主成分分析(PCA)法进行降维,选取部分关键可靠性指标且根据关键指标运行数据,结合模糊理论建立可靠性评价模型,并选取部分风力发电机运行数据进行模型验证.结果表明,PCA法提取主成分累积方差贡献率为87.585%,可综合表述风力发电机的可靠性信息.单一可靠性指标评价时,虽然B02单机可利用率高达98%,但总发电量最低,虽然A04单机可利用率最低,但发电量较高,说明单一可靠性指标评价时存在误差.A05、B03单机各项指标均高,实际运行状态良好,发电量高,说明综合可靠性更高,与研究结果一致.因此,基于PCA模糊理论建立的风力发电机可靠性模糊理论评价模型(FSEM)符合实际运行状态,对定量评估机组可靠性具有指导意义.

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17. 基于遗传算法的风电齿轮传动系统参数优化设计

王保民, 闫瑞翔, 房文博, 赵瑞平, 刘洪芹

兰州理工大学学报 2024, 50 (2): 31-35.

摘要（114）

PDF（pc）（670KB）（159）

齿轮箱是风力发电系统的重要部件,其体积大、重量高等问题制约了风电清洁能源的发展.以1.5 WM风力发电机组为研究对象,建立齿轮传动系统轻量化数学模型,并采用遗传算法进行优化求解.结果表明,采用遗传算法是可行的,优化后齿轮传动系统体积减少了4.59%,这将进一步减小齿轮传动系统箱体体积和总质量.通过计算行星轮系的传动效率,验证了优化结果的可行性,该研究将为风电齿轮传动系统轻量化设计提供新方法.

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18. 盐雾环境下基于Weibull分布的钢筋混凝土腐蚀劣化行为

王彦鹏, 王子健, 汪丽娟, 刘吉林, 冯琼, 张云升

兰州理工大学学报 2023, 49 (6): 9-15.

摘要（113）

PDF（pc）（3741KB）（148）

针对西部地区大气环境下钢筋混凝土病害严重问题,模拟当地腐蚀环境,设计盐雾与烘干相结合的室内加速腐蚀试验,采用电化学参数和混凝土损伤度表征钢筋混凝土的腐蚀劣化规律;基于Weibull分布函数建立钢筋混凝土在盐雾环境下的劣化模型,并进行竞争失效分析.结果表明:在盐雾干湿循环作用下,钢筋混凝土保护层及内部钢筋的耐腐蚀性均呈现出先强化后劣化的变化趋势;Weibull 分布函数可以有效地描述钢筋混凝土在盐雾环境下的性能劣化过程;在盐雾干湿循环前期,混凝土损伤度比腐蚀电流密度更为敏感,而在后期,腐蚀电流密度为钢筋混凝土劣化的主导因素.

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19. 考虑90°子铺层的T300/69层合板断裂韧性数值模拟和实验研究

韦尧兵, 王雪雪, 靳翌帆, 刘俭辉, 郎珊珊

兰州理工大学学报 2023, 49 (6): 33-40.

摘要（111）

PDF（pc）（4131KB）（163）

针对现有复合材料层合板断裂韧性计算模型忽略了90°子铺层和纤维脱粘对断裂韧性的影响,提出了修正的断裂韧性计算方法.首先,在研究正交异性纤维增强复合材料断裂韧性时,借助ABAQUS有限元软件,使用扩展有限元法模拟T300/69纤维增强复合材料层合板裂纹扩展过程,分析90°子铺层对层合板整体断裂韧性的影响.其次,考虑纤维脱粘效应结合能量释放率建立考虑90°子铺层影响的断裂韧性模型.最后,通过紧凑拉伸实验,利用位移-载荷数据研究不同铺层方式下T300/69复合材料层合板的断裂韧性,验证该模型的准确性.结果表明,该模型所得断裂韧性与实验结果误差较小,更贴近实际情况,对实际工程具有较为重要的指导意义.

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20. 基于Python的平面杆系结构有限元分析

董军, 张尧, 李国华, 刘亚立, 王秀芳

兰州理工大学学报 2024, 50 (2): 104-110.

摘要（110）

PDF（pc）（657KB）（178）

基于Python程序,将杆单元位移不连续、理想刚杆两种力学对象关联统一,开展平面杆系结构有限元模型分析,并实现一种基于“变量标记”的自由度集中处理的计算模式.基于虚功原理引入并推证刚体荷载传递定理,表明耦合单元、刚杆及忽略某一自由度的有限元内置算法处理过程中,实质是将单元刚度矩阵进行“刚化”处理.算例分析表明,“变量标记”的计算模式与单元刚度矩阵的“刚化”处理,具有力学模型的普适性和统一性、编程的可行性以及结果的可靠性等特点,能解决平面任意杆系结构的建模问题.研究结果表明,“主从结点”、“刚杆”等建模方法,对于进一步开展有限元二次开发、大变形以及非线性等功能性扩展等有重要的参加价值,证明将Python程序应用于结构有限元分析的可行性.

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