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探索微纳尺度润湿动力学:长针式原子力显微镜的应用与进展

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力学学报 2024年第6期56卷 1497-1510页

作者：关东石聂鹏程闫财山郭永杰童彭尔中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 香港科技大学物理系中国香港999077

“如何在微观层面测量界面现象”是微纳尺度实验流体力学的关键科学问题,被列入世界前沿125个科学问题名单(Sanders S,Science,2021).由于光学衍射极限的限制,传统光学手段很难直接测量微纳尺度下的流动与界面现象.利用原子力显微镜的... 详细信息

“如何在微观层面测量界面现象”是微纳尺度实验流体力学的关键科学问题,被列入世界前沿125个科学问题名单(Sanders S,Science,2021).由于光学衍射极限的限制,传统光学手段很难直接测量微纳尺度下的流动与界面现象.利用原子力显微镜的精准操控和小尺度力学测量等优势,结合长针式探针组装成的微流变计可以直接测量气-液-固三相接触线上的毛细力,并监测探针在垂直方向运动中力的动态变化.通过该技术手段,可以实现对流体界面的动力学行为以及各类材料在液体环境中力学性质在微纳尺度的精确表征.文章将系统介绍长针式原子力显微镜技术的实验原理和方法,及其在微纳尺度非理想界面润湿动力学中的最新研究进展,包括低能垒表面毛细力的速度依赖性与非对称性、无序粗糙表面接触线黏滑运动的统计学规律、柔性表面接触线动力学的状态与速度定律、以及离子液体-金属界面处电场对接触角迟滞的调控等,最后展望了该技术在新兴领域中的应用.该实验手段为检验各类理论模型与数值模拟提供了可信数据,为探究界面上复杂现象的物理本质提供参考.

关键词：微纳尺度流动与界面流动三相接触线润湿动力学原子力显微镜流固界面

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混合基础隔震体系优化设计及性能

振动工程学报 2024年第1期37卷 137-147页

作者：李春祥龙秋雨曹黎媛上海大学力学与工程科学学院土木工程系上海200444

为解决基础隔震结构中隔震层位移需求过大的问题,提出了一种基础隔震结构(Base Isolated Structure,BIS)+串并联调谐质量阻尼器惯容器(Tuned Tandem Mass Damper-Inerter, TTMDI)的混合隔震体系。采用Bouc-Wen滞回模型模拟隔震层的非线... 详细信息

为解决基础隔震结构中隔震层位移需求过大的问题,提出了一种基础隔震结构(Base Isolated Structure,BIS)+串并联调谐质量阻尼器惯容器(Tuned Tandem Mass Damper-Inerter, TTMDI)的混合隔震体系。采用Bouc-Wen滞回模型模拟隔震层的非线性力-变形行为,基于随机等效线性化和模式搜索优化算法并考虑地震动模型,在频域内建立了BIS+TTMDI体系的优化设计框架。分别从鲁棒性、有效性、刚度和阻尼系数、冲程及对地震频率敏感性方面对BIS+TTMDI体系的性能进行评估,并与BIS+调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)、串并联调谐质量阻尼器(TunedTandemMassDamper,TTMD)和调谐质量阻尼器惯容器(TunedMass Damper-Inerter, TMDI)进行比较。通过对近场地震动下某七层混合基础隔震结构(包括BIS+TTMDI和BIS+TMDI体系)的动力弹塑性分析,评价了其减/隔震性能。结果表明:BIS+TTMDI体系具有最好的减/隔震性能和强鲁棒性;而且在BIS+TTMDI体系中TTMDI的总阻尼需求不到BIS+TMDI体系中TMDI的一半,因而更为经济实用。

关键词：混合基础隔震结构振动控制优化设计等效线性化动力弹塑性分析

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束浆挤扩钢管桩竖向抗拔承载力计算方法

岩土力学 2024年第3期45卷 846-856页

作者：王长虹杨天笑马铖涛沈洋上海大学力学与工程科学学院土木工程系上海200444

随着城市地下空间的开发,深厚黏性土地区的基础抗浮问题愈发凸显。钻孔预制桩因环境友好,得到了广泛的应用,但钻孔过程削弱了预制桩的抗拔性能。拟开发一种新型的约束注浆挤扩钢管桩,为了准确评估束浆挤扩桩的承载力,分析了抗拔桩的破... 详细信息

随着城市地下空间的开发,深厚黏性土地区的基础抗浮问题愈发凸显。钻孔预制桩因环境友好,得到了广泛的应用,但钻孔过程削弱了预制桩的抗拔性能。拟开发一种新型的约束注浆挤扩钢管桩,为了准确评估束浆挤扩桩的承载力,分析了抗拔桩的破坏模式。基于对数螺旋线,提出局部滑裂面理论。采用经典案例,验证了抗拔承载力公式的有效性。基于正交试验设计理念,研究了束浆挤扩桩承载力的影响因素。结果表明,桩径和桩-土界面强度,对抗拔承载力的贡献最大。开展束浆挤扩桩的现场抗拔试验,与同直径钢管桩相比,束浆挤扩工艺可提高抗拔承载力达到70%。使用简化计算公式,计算基桩的抗拔承载力,误差控制在5%以内,更为准确安全。研究结果为约束注浆挤扩钢管桩承载力的设计和优化,提供了理论和技术参考。

关键词：束浆挤扩钢管桩抗拔承载力对数螺旋线简化计算方法

地磁时变观测数据中高压直流输电干扰事件多尺度表示及识别方法

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地球物理学报 2024年第3期67卷 969-981页

作者：李良超刘海军单维锋雷东兴袁静陈俊王浩然袁国铭防灾科技学院河北廊坊065201 安徽省地震局合肥230031

高效准确地识别地磁时变观测数据中受高压直流输电干扰的波形对于提高地磁时变观测数据质量具有重要意义.然而,由于高压直流输电干扰事件持续时间长短不一、干扰程度变化多样,给识别任务带来巨大困难.为了能自动识别长短不同的高压直流... 详细信息

高效准确地识别地磁时变观测数据中受高压直流输电干扰的波形对于提高地磁时变观测数据质量具有重要意义.然而,由于高压直流输电干扰事件持续时间长短不一、干扰程度变化多样,给识别任务带来巨大困难.为了能自动识别长短不同的高压直流输电干扰事件,本文提出一种高压输电干扰事件的多尺度表示及识别方法:利用小波技术具有多尺度的特性,卷积神经网络具有自动特征提取的特性,将二者结合,设计了一个多输入卷积神经网络模型来识别地磁中的高压直流输电干扰事件.首先使用离散小波技术将地磁时变观测样本进行多尺度分解,得到原始样本的多尺度表示,再将分解后的多尺度地磁时变观测样本分别输入到含有多个输入分支的卷积神经网络中,每个分支分别自动提取不同尺度的特征,然后将多个尺度的特征融合,并加入注意力机制来自适应计算每个尺度特征的权重,对多尺度特征进行加权处理,再采用全连接层和SoftMax层进行分类,本文将该模型命名为CBAM-MCNN.在中国地震前兆台网中心提供的高压直流输电干扰样本上进行试验,并将本文所提出模型的识别效果与现有的全卷积网络、残差神经网络、多输入卷积神经网络、IICM-HVDCT-CNN-LSTM进行了对比,在5271条测试样本集上,本文所提出的CBAM-MCNN模型识别准确率达到了97.14%,F_1值达到了97.12%,远远高于其他4种对比模型.

关键词：地磁时变观测数据高压直流输电干扰小波分解卷积神经网络 CBAM注意力机制

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基于计算机视觉的小麦收获边缘导航线提取方法

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中国农机化学报 2024年第2期45卷 215-220页

作者：姚杰张春雨彭勇周爽安徽工程大学机械工程学院安徽芜湖241000 安徽科技学院机械工程学院安徽凤阳233100

针对小麦收割边缘受到麦茬、土壤、光照等环境因素影响导致的导航线提取精度低、运行速度慢等问题,为实现小麦精准化收获作业而提出一种基于水平投影和梯度下降的小麦收获边缘导航线提取方法。首先通过LAB阈值分割、形态学滤波等进行图... 详细信息

针对小麦收割边缘受到麦茬、土壤、光照等环境因素影响导致的导航线提取精度低、运行速度慢等问题,为实现小麦精准化收获作业而提出一种基于水平投影和梯度下降的小麦收获边缘导航线提取方法。首先通过LAB阈值分割、形态学滤波等进行图像分割,然后进行水平投影以提取出小麦收获边缘伪特征点,将伪特征点进行最小二乘拟合从而获得边缘特征点所在的ROI区域,并对该区域进行Canny边缘检测来提取出边缘特征点,最后利用梯度下降算法拟合出小麦收获边缘导航线,从而解决传统算法中所遇到的导航线拟合精度低、拟合速度慢等问题。试验结果表明:在小麦已收割和未收割区域对比度很低的情况下,处理一张分辨率为640像素×360像素的图像平均耗时163 ms,生成的导航基准线成功率高达95%,为智能农业机械在麦田中的自主行走提供一种可靠的、实时的导航方法。

关键词：农业机械视觉导航水平投影梯度下降

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变论域模糊PID在吹膜机收卷张力中的应用

塑料 2024年第3期53卷 21-27页

作者：孟锦涛国海樊晓宇路超周小杰刘晓伟安徽科技学院电气与电子工程学院安徽蚌埠233100

在吹膜机生产加工过程中,吹膜机张力的精准控制和稳定性是影响薄膜质量的关键因素,传统PLC控制的吹膜机张力控制系统是一个非线性、强耦合和抗干扰能力低的控制系统,结合吹膜机设备结构功能特点,搭建薄膜收卷张力控制系统模型,采用变论... 详细信息

在吹膜机生产加工过程中,吹膜机张力的精准控制和稳定性是影响薄膜质量的关键因素,传统PLC控制的吹膜机张力控制系统是一个非线性、强耦合和抗干扰能力低的控制系统,结合吹膜机设备结构功能特点,搭建薄膜收卷张力控制系统模型,采用变论域模糊PID控制方式实现对吹膜机张力精准的提高。变论域模糊PID控制主要是通过伸缩因子来实时调整模糊论域变化进而实现动态调节PID参数,通过MATLAB仿真对比分析可知,变论域模糊PID在收卷张力控制效果方面优于模糊PID和传统PID控制方式,且吹膜机张力控制系统无超调,上升时间短,抗干扰能力强。实验表明,变论域模糊PID控制策略对非线性时变的薄膜张力控制效果改变显著。

关键词：变论域稳定控制塑料吹膜机模糊PID 超调量

基于里德伯原子Stark效应射频电场测量灵敏度研究

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物理学报 2024年第9期73卷 88-94页

作者：韩小萱孙光祖郝丽萍白素英焦月春太原师范学院物理系晋中030619 太原学院材料与化学工程系太原030032 山西师范大学物理与信息工程学院太原030031 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006

里德伯原子极化率大,在外加电场作用下原子能级发生Stark分裂和频移,可实现里德伯原子高灵敏电场传感器的研究.采用Shirley的简化不含时Floquet哈密顿量模型,计算了Cs里德伯原子的AC Stark能谱,修正后与实验上测得的弱场中Cs里德伯原子... 详细信息

里德伯原子极化率大,在外加电场作用下原子能级发生Stark分裂和频移,可实现里德伯原子高灵敏电场传感器的研究.采用Shirley的简化不含时Floquet哈密顿量模型,计算了Cs里德伯原子的AC Stark能谱,修正后与实验上测得的弱场中Cs里德伯原子的DC Stark离子能谱拟合,在获得60D_(5/2)和70D_(5/2)里德伯原子态极化率αDC的同时实现低频弱场灵敏度的计算.并计算了Cs里德伯原子60D_(5/2)态频率在0—500 GHz范围内振荡电场中的AC Stark能级频移量,对里德伯原子传感器在其宽光谱范围内的灵敏度进行定量分析,实现任意场频率最佳灵敏度的计算,为里德伯原子传感器的研究提供理论基础.

关键词： AC Stark效应里德伯传感器 Floquet模型

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原子核β衰变寿命经验公式

物理学报 2024年第6期73卷 176-183页

作者：夏金戈李伟峰方基宇牛中明安徽大学物理与光电工程学院合肥230601 安徽理工大学力学与光电物理学院淮南232001

基于β衰变的费米理论,提出一个计算原子核β衰变寿命且不含自由参数的经验公式.通过引入奇偶效应、壳效应以及同位旋依赖,新提出的经验公式显著改进了对原子核β衰变寿命的预言精度.对于寿命小于1 s的原子核,新经验公式的预言结果与实... 详细信息

基于β衰变的费米理论,提出一个计算原子核β衰变寿命且不含自由参数的经验公式.通过引入奇偶效应、壳效应以及同位旋依赖,新提出的经验公式显著改进了对原子核β衰变寿命的预言精度.对于寿命小于1 s的原子核,新经验公式的预言结果与实验寿命常用对数的均方根偏差降至0.220,这比不含自由参数的经验公式提高约54%,甚至优于目前已有的其他经验公式和微观的准粒子无规相位近似方法.在未知核区,新经验公式预言的轻核区原子核的β衰变寿命一般短于各微观模型的预言结果,而其预言的重核区原子核的β衰变寿命与各微观模型预言结果基本一致.进一步采用新经验公式预言了核素图上丰中子原子核的β衰变寿命,为r-过程的模拟提供了寿命输入.

关键词： β衰变寿命经验公式 r-过程

融冰沿气槽结构超疏水斜面下滑的解析数值分析

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力学学报 2024年第6期56卷 1595-1605页

作者：王昊利金陵科技学院机电工程学院南京211169

文章提出了融冰沿气槽结构超疏水表面顺向下滑过程的物理几何模型.对融冰层液膜微剪切流进行分析,利用超疏水壁面“黏-滑”边界条件建立了微剪切流场的双Fourier级数方程,求得解析数值解,在此基础上研究了融冰层液膜微剪切流的速度分布... 详细信息

文章提出了融冰沿气槽结构超疏水表面顺向下滑过程的物理几何模型.对融冰层液膜微剪切流进行分析,利用超疏水壁面“黏-滑”边界条件建立了微剪切流场的双Fourier级数方程,求得解析数值解,在此基础上研究了融冰层液膜微剪切流的速度分布及冰层下滑速度与超疏水表面气槽占比(a)、斜面倾角(α)以及融冰层液膜厚度(δ)之间的定量规律.研究结果表明,融冰层越薄或空气槽占比越大,融冰层微剪切流场偏离平板剪切流越显著;三相接触线处滑移速度梯度发生突变并达到峰值;a,α与δ的增大均会导致冰层超滑速度非线性增加,融冰层厚度增大到1之后超滑速度趋于渐近解析解函数.基于所取的参数值,a=0.95,δ=0.2以及a=0.9,δ=0.1时,由超疏水壁面结构导致的冰层下滑速度增量相对于总下滑速度的占比超过60%,此时冰层下滑速度主要来自超滑速度的贡献.文章的研究为当前超疏水除冰应用中的相关流体物理过程提供了参考.

关键词：融冰超疏水斜面气槽顺向下滑超滑速度