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基于变密度法的SLM增材制造无人机承载接头结构拓扑优化设计

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工程科学学报 2025年第1期47卷 56-65页

作者：原帅超王建峰段宇航郝璐静占小红南京航空航天大学材料科学与技术学院南京211106

针对某大型无人机机身轻量化需求,以选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)制造的承载接头结构为研究对象建立有限元模型,基于ANSYS Workbench计算接头结构在不同极限工况下的强度、刚度性能,并根据材料最大许用应力准则进行校核... 详细信息

针对某大型无人机机身轻量化需求,以选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)制造的承载接头结构为研究对象建立有限元模型,基于ANSYS Workbench计算接头结构在不同极限工况下的强度、刚度性能,并根据材料最大许用应力准则进行校核.采用拓扑优化变密度法,以应力最小化为目标、保留质量40%为响应约束,对接头结构进行拓扑优化,根据优化结果设计两种重构方案并进行静力学验证.结果表明,两种模型重构方案分别减重了13.8%和13.3%,在轻量化程度相近的情况下,方案Ⅱ明显具有更小的应力分布以及变形程度,即最优重构方案成功实现轻量化设计,与原结构件相比质量减轻13.3%,且相较于其他方案承载能力最强,满足静态结构设计要求.为大型无人机承载接头结构实现低成本、轻量化的结构设计探索了新的途径.

关键词：拓扑优化静力学分析增材制造轻量化设计结构设计

STEM教育对学生批判性思维培养效果的影响——国内外31项实证研究的元分析

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化学教育(中英文) 2025年第1期 57-65页

作者：胡欣阳毕华林山东师范大学化学化工与材料科学学院

培养批判性思维被认为是STEM教育的重要目标，当前研究中关于STEM教育对批判性思维的影响效果存在争议。运用元分析方法对国内外31项实验或准实验研究进行了系统分析，发现STEM教育对批判性思维具有中等偏上的正向显著影响。学段、学科... 详细信息

培养批判性思维被认为是STEM教育的重要目标，当前研究中关于STEM教育对批判性思维的影响效果存在争议。运用元分析方法对国内外31项实验或准实验研究进行了系统分析，发现STEM教育对批判性思维具有中等偏上的正向显著影响。学段、学科、样本量、地区、实验周期、测试工具、干预类型等变量在STEM教育影响批判性思维时均具有调节作用，但地区差异对于STEM教育下学生批判性思维的影响并不显著。结合研究结果，对STEM教育中批判性思维的培养和研究提出了建议。

关键词： STEM教育批判性思维元分析

Ni元素质量分数对65Mn钢木工圆锯片性能的影响

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森林工程 2025年第1期41卷 67-74页

作者：赵俊博张雅繁何林韩张学瑾陈瑶高建民北京林业大学材料科学与技术学院北京100083

高质量、高效率的木材切削工艺对于提高木材资源的利用率以及提升木质产品的品质具有重要意义。目前,木工圆锯片常用钢材65Mn存在硬度和抗拉强度等力学性能欠佳的问题,为此通过添加镍(Ni)元素对65Mn钢进行改性。采用原料熔炼、浇筑试棒... 详细信息

高质量、高效率的木材切削工艺对于提高木材资源的利用率以及提升木质产品的品质具有重要意义。目前,木工圆锯片常用钢材65Mn存在硬度和抗拉强度等力学性能欠佳的问题,为此通过添加镍(Ni)元素对65Mn钢进行改性。采用原料熔炼、浇筑试棒、锻造加工以及热处理等步骤制备Ni改性65Mn钢,并对改性前后的65Mn钢进行显微硬度、冲击韧性和拉伸强度测试。同时运用金相显微镜(metallographic)及扫描电镜(SEM)剖析65Mn钢改性前后的组织构造差异。研究结果表明,1)添加Ni元素后,65Mn钢回火后的组织由回火屈氏体改变为淬火马氏体与回火马氏体的混合体,且当Ni元素质量分数达到0.9%时,出现残余奥氏体;2)在相同热处理工艺条件下,Ni元素对材料的硬度和抗拉强度的影响均呈现出先增大后降低的趋势,冲击韧性较未改性的65Mn钢有所降低。其中,添加质量分数为0.7%Ni元素的65Mn钢的硬度和抗拉强度最优,较未改性的65Mn钢分别增加了10.18%、35.40%(室温)。研究结果为后续木工圆锯片钢材的改良提供了新的思路和方法,有望推动木质加工工具行业的进一步发展。

关键词： 65Mn钢 Ni含量木工圆锯片力学性能

改进的坐标残差网络应用于17-4PH材料蚀后剩余寿命预测研究

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西安交通大学学报 2025年第1期59卷 206-214页

作者：邸娟王程波贺磊牛亚龙彭超义王建锋太原科技大学车辆与交通工程学院太原030024 株洲时代新材料科技股份有限公司湖南株洲412007 湖南大学材料科学与工程学院长沙410082 同济大学工程结构性能演化与控制教育部重点实验室上海200092

为解决材料汽蚀损伤后剩余使用寿命预测困难的科学问题,提出了一种融合卷积神经网络技术的寿命预测方法,具体采用残差网络(ResNet)模型,并嵌入坐标注意力机制(CA),通过对模型进行卷积、通道数及下采样方式的优化,构建改进的坐标残差网络... 详细信息

为解决材料汽蚀损伤后剩余使用寿命预测困难的科学问题,提出了一种融合卷积神经网络技术的寿命预测方法,具体采用残差网络(ResNet)模型,并嵌入坐标注意力机制(CA),通过对模型进行卷积、通道数及下采样方式的优化,构建改进的坐标残差网络(CA-ResNet)模型,以实现对17-4PH材料汽蚀损伤后剩余使用寿命的精确预测。基于超声波汽蚀试验得到的汽蚀特性曲线,通过逻辑回归(Logistic)方程对汽蚀阶段进行定量划分,并定义寿命系数ζ,同时借助超景深显微镜获取材料损伤后不同时刻的显微图像数据库,并与寿命系数ζ相对应。研究结果表明,改进的CA-ResNet网络模型在CIFAR10公开数据集上验证准确率可达92.2%,在收集的17-4PH材料的汽蚀损伤数据集上的验证准确率可达93.2%,相比ResNet18网络模型,准确率分别提高了1.5%和3.5%。通过学习率、批处理量等超参数优化后,该模型在汽蚀损伤数据集上准确率可达95.0%。采用端到端的数据驱动思想,可实现从汽蚀损伤形貌到汽蚀寿命的精确预测。

关键词：残差网络坐标注意力机制汽蚀寿命预测

掺杂及卤化调控富勒烯氧化还原电位的DFT研究

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原子与分子物理学报 2025年第4期42卷 65-72页

作者：李健孙冰花王春妮李奥吕祥鸿王晨代盼白真权西安石油大学新能源学院西安710000 西安石油大学材料科学与工程学院西安710000 中国石油集团工程材料研究院有限公司西安710000

采用基于密度泛函理论(DFT)的模拟计算方法,分别计算了原始富勒烯C_(60)和11种单原子置换(掺杂及卤化)富勒烯材料C_(59)X(X=B、Si、N、P、As、O、S、Se、F、Cl、Br)的氧化还原电位、电子亲合能、分子轨道能级.其中,B、As、P、Si、N、Se... 详细信息

采用基于密度泛函理论(DFT)的模拟计算方法,分别计算了原始富勒烯C_(60)和11种单原子置换(掺杂及卤化)富勒烯材料C_(59)X(X=B、Si、N、P、As、O、S、Se、F、Cl、Br)的氧化还原电位、电子亲合能、分子轨道能级.其中,B、As、P、Si、N、Se、S单原子置换导致氧化还原电位正移,B置换后增幅最高(3.655 V);F、Cl、Br、O单原子置换后,氧化还原电位均负移,F置换后降幅最大(2.476 V).在所考察的12种富勒烯分子中,C_(59)B和C_(59)F的电子亲和能(EA)分别为最小值(-3.901 eV)和最高值(-2.577 eV),二者分别具有最强和最弱的得电子倾向.在C_(59)B和C_(59)F中,B、F置换原子周围存在电荷偏聚,且B、F与周围C原子的成键主要来自于-2.5 eV和-7.5 eV能级附近2p电子的相互作用.

关键词：密度泛函理论富勒烯C_(60) 氧化还原电位电子结构

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形状记忆合金在辅助器具和康复设备中的应用

中国组织工程研究 2025年第10期29卷 2113-2123页

作者：谭鑫张洪跃赵玉婵秦春许硕贵上海体育大学运动健康学院海军军医大学第一附属医院创伤骨科上海理工大学健康科学与工程学院海军军医大学研究生院

背景：随着科技的不断进步，新技术和新方法的引入将为形状记忆合金在辅助和康复领域的应用带来更多的可能性和新的突破。目的：通过综述形状记忆合金在辅助器具和康复设备中的应用现状，讨论它们的主要方法、技术和结果，归纳总结并提... 详细信息

背景：随着科技的不断进步，新技术和新方法的引入将为形状记忆合金在辅助和康复领域的应用带来更多的可能性和新的突破。目的：通过综述形状记忆合金在辅助器具和康复设备中的应用现状，讨论它们的主要方法、技术和结果，归纳总结并提出建议，希望形状记忆合金能够不断优化，为辅助和康复设备的发展带来更多新的变革。方法：通过计算机检索万方、Pub Med和Web of Science数据库，以“形状记忆合金，应用进展，正畸，矫形，假肢，康复，特性，植入，力学性能，镍钛记忆合金，驱动”为中文检索词，以“Shape memory alloys,Application,Orthodontics,Orthopedic,Prosthetics,Rehabilitation,Properties,Implant,Drive,Progress,Prostheses”为英文检索词，最终纳入91篇文献进行综述。结果与结论：(1)形状记忆合金具有耐腐蚀性、耐磨性、生物相容性、抗疲劳性和抗扭结性等特性，相比其他传统材料(不锈钢、钛合金、钴铬合金等)具有更低的弹性模量且无生物毒性，适合作为假体长期植入体内。由于其具有形状记忆效应和优异的力学性能，遂主要作为驱动元件或作为连接设备和人体的桥梁应用于假肢、矫形器和康复设备中。(2)使用形状记忆合金驱动元件能够减轻设备质量、消除噪声、容易操作、便于携带和更好地辅助关节运动等，比起使用气动、液压和电气驱动方法的设备优势明显。(3)另外形状记忆合金在变形时能够产生恒久、稳定的应力，相比不锈钢、钛合金和铝合金矫形器具有更高的材料回收率且不用频繁更换调整，所以在矫治畸形方面更具实用价值。(4)目前形状记忆合金在矫形器中应用最多，在镫骨假体中的临床应用效果最好。而由于技术及成本等的限制，形状记忆合金在假肢和康复设备中的应用较少，且缺乏对应用效果的大样本研究。(5)虽然形状记忆合金在辅助和康复领域得到了一定的发展，但仍存在许多问题：对形状记忆合金进行精准控制很难；形状记忆合金的冷却速度慢；无法对其变形速度进行控制；缺乏对不同性状形状记忆合金的对比研究和专家共识；形状记忆合金成本高，价格贵。(6)未来应注意开发新型形状记忆合金，增加对比性研究，采用新技术、新方法(如4D打印等)解决目前存在的问题，从而研发出高性能的辅助器具和康复设备。

关键词：形状记忆合金矫形器康复设备假肢形状记忆效应驱动元件超弹性假体康复训练

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无耗散拓扑电子学的新进展:器件与能量耗散

科学通报 2025年第1期 1-3页

作者：李海龙闫青江华谢心澄北京大学物理学院量子材料科学中心复旦大学理论物理与信息科学交叉中心复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院合肥国家实验室

晶体管,作为现代微纳电子技术的基石,是构成集成电路的基本单元,实现了复杂电路功能的微型化.晶体管通过控制电子的输运,执行各种逻辑运算和信号处理任务.然而,在执行这些功能时,传统晶体管并非完全高效和无能耗.电子在晶体管内部传输...

晶体管,作为现代微纳电子技术的基石,是构成集成电路的基本单元,实现了复杂电路功能的微型化.晶体管通过控制电子的输运,执行各种逻辑运算和信号处理任务.然而,在执行这些功能时,传统晶体管并非完全高效和无能耗.电子在晶体管内部传输过程中,由于电阻的存在,会有一部分能量转化为热能,这种能量转化遵循焦耳定律,即电流通过导体产生的热功率与电流的平方以及导体的电阻成正比.这种以焦耳热形式释放的能量损耗,不仅降低了集成电路的能量效率,还可能导致晶体管的温度升高,进而影响电路的稳定性和可靠性,甚至限制了微纳电路性能的进一步提升.

关键词：

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基于第一性原理和热力学计算的TiAl-Nb金属间化合物稳定性和相关系研究

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原子与分子物理学报 2025年第5期42卷 151-162页

作者：汪文洋徐勇田彬甘信柱王志刚梁永锋林均品山东建筑大学材料科学与工程学院济南250101 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

采用基于广义梯度近似密度泛函理论的第一性原理计算和相图计算方法,研究了TiAl-Nb合金中γ、α_(2)、O_(2)和ωo相的热力学和力学性质以及相转变关系.研究表明,第一性原理计算得到的化合物相的参数是准确的,且分析结果与相图计算结果... 详细信息

采用基于广义梯度近似密度泛函理论的第一性原理计算和相图计算方法,研究了TiAl-Nb合金中γ、α_(2)、O_(2)和ωo相的热力学和力学性质以及相转变关系.研究表明,第一性原理计算得到的化合物相的参数是准确的,且分析结果与相图计算结果相一致.四个化合物相都是能够稳定存在的相.通过热力学和力学性质的分析,发现α_(2)相更容易转变为O_(2)相,并且在一定条件下可以通过相变反应生成ωo相.而γ相更容易转变为ωo相,但无法生成O_(2)相.

关键词： TiAl合金第一性原理相图声子谱及态密度热力学性质

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石墨烯高次谐波中焦散效应的取向依赖

中国科学:物理学力学天文学 2025年第1期 97-103页

作者：董福龙闫嘉宇刘杰河北大学物理科学与技术学院中国工程物理研究院研究生院

本文利用两能带密度矩阵方程计算了红外线偏振激光辐照石墨烯时取向依赖的总高次谐波谱.不同于原子中谐波焦散效应出现在截止频率处,数值结果表明石墨烯中焦散增强谐波的能量明显偏离谐波谱截止频率,且具有显著的取向依赖.通过求解鞍点... 详细信息

本文利用两能带密度矩阵方程计算了红外线偏振激光辐照石墨烯时取向依赖的总高次谐波谱.不同于原子中谐波焦散效应出现在截止频率处,数值结果表明石墨烯中焦散增强谐波的能量明显偏离谐波谱截止频率,且具有显著的取向依赖.通过求解鞍点方程,揭示了焦散效应取向依赖的机制源于当激光偏振方向变化时,第一布里渊区两个Dirac点的不等价性.我们也研究了不同取向角下焦散谐波能量对激光强度的依赖,发现当激光偏振方向逐渐偏离石墨烯“扶手椅”方向时,其对激光强度的依赖逐渐减弱.本文中焦散效应取向依赖的研究可能在确定石墨烯晶格取向方面具有潜在的应用价值.

关键词：高次谐波焦散效应石墨烯取向依赖

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