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期刊信息/Journal information
清华大学学报（自然科学版）
清华大学学报（自然科学版）

梁恩忠

月刊

1000-0054

xuebaost@tsinghua.edn.cn

010-62788108,62792976

100084

北京市海淀区清华园清华大学

清华大学学报（自然科学版）/Journal Journal of Tsinghua University(Science and Technology)CSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊为科学技术综合性学术刊物。反映清华大学自然科学与技术领域基础研究和实验研究方面的科研成果，推动国内外学术交流。主要栏目有工程力学、电机工程、机械工程、能源技术、信息科学、材料科学、基础理论等。主要读者对象是高等学校和科研单位的科研工作者、教师和研究生。
正式出版
收录年代

    润滑水凝胶涂层研究进展

    郭伟成廖元太张洪玉
    381-392页
    查看更多>>摘要：随着医学技术进步,对医用材料在生物相容性和功能性方面的要求也日益提高.作为一种新型表面修饰技术,润滑水凝胶涂层近年来受到广泛关注.该文旨在从水凝胶润滑原理、水凝胶润滑改性方式和水凝胶涂层的修饰方法3方面综述润滑水凝胶涂层的相关研究.首先,从关节软骨的润滑机理出发,引出水凝胶润滑原理相关研究;其次,基于已有润滑理论,介绍了几类典型的水凝胶润滑改性方式,并详细阐述了现有几种水凝胶涂层的修饰方法,为设计水凝胶涂层提供参考;最后,对润滑水凝胶涂层的研究进行总结与展望.

    水凝胶涂层润滑改性修饰方法

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    仿生超滑涂层研究进展

    邱豪楠刘威唐悦王胡军...
    393-408页
    查看更多>>摘要：仿生超滑涂层因具有优异的拒液性、自愈性和高压稳定性,在防污、抗黏附和防结冰等应用领域受到广泛关注.将润滑油注入多孔基体获得的注液超滑涂层或在光滑平面接枝润滑分子获得的类液体超滑涂层均可获得上述优异性能.然而,超滑涂层面临润滑层易损耗、机械稳定性不足等问题,在实际应用中仍存在一定局限性.该文在总结注液超滑表面仿生设计原理的基础上,详细介绍了注液超滑涂层和类液体超滑涂层的特点与研究进展,并指出当前面临的问题.此外,从高可靠性、长寿命超滑涂层的优化设计制造角度,评述了超滑涂层的发展趋势.

    超滑涂层仿生设计表面结构润滑油稳定性

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    人工关节组合界面的磨损行为研究进展

    彭业萍孔德宇庄溶润王松...
    409-420页
    查看更多>>摘要：人工关节置换术是骨关节疾病治疗的重要手段,但关节假体的长期磨损损耗及磨屑诱导的假体周围骨溶解会造成人工关节无菌松动甚至早期失效.研究人工关节滑动与固定组合界面的磨损行为是探索磨屑形成机制的基础,也是探明人工关节松动失效机理、提升关节耐磨性的重要依据.该文利用Web of Science和中国国家知识网络数据库的资源,对人工关节磨损行为研究的相关文献进行综述.探讨人工关节在滑动界面和固定界面产生的磨损行为及主导磨损机理;分析假体结构、材料成分、润滑介质和磨屑等对人工关节磨损行为的影响机制,总结人工关节优化改进方案;详细阐述人工关节体外磨损试验研究的方法与技术;概述人工关节组合界面磨损表征参量的提取方法以及磨损智能检测的发展现状;总结人工关节磨损行为的研究热点,指出多信息融合和智能化监测的发展方向,以期为人工关节磨损行为的基础与试验研究提供参考.

    人工关节组合界面滑动磨损微动磨损磨损监测

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    仿生手指的触觉感知系统设计及性能

    唐超权唐玮李聪余婉婷...
    421-431页
    查看更多>>摘要：机器人的类人能力离不开完善的感知系统,而触觉感知系统能极大地扩展机器人的应用范围.该文以人手指为仿生对象,基于液体压强传导原理研制了一种具有柔性外壳、指甲、指骨、液体、压敏元件和温度敏感元件的仿生手指,并研究了仿生手指的触觉感知能力.结果表明:仿生手指的触摸压力曲线变化率和接触温度曲线变化率能够反映物体的硬度和导热性能,表明仿生手指具有硬度和温度感知能力.由仿生手指触摸振动信号提取的峰值均值和平均功率特征值能够表征织物粗糙感,由仿生手指触摸振动信号频谱图提取的主频率和功率谱重心频率特征值能够表征织物细密感,表明仿生手指具有纹理粗糙度和细密度的感知功能.基于支持向量机模型,使用仿生手指触摸振动信号的峰值均值、平均功率、主频率、功率谱重心频率及6个频段强度作为特征参数,进行织物表面纹理识别,平均识别准确率为92.8％,高于人主观分类的平均识别准确率(88.8％),表明仿生手指能够对织物表面纹理进行有效识别与分类,且优于人主观分类识别织物能力.研究成果可为触感智能机器人、触肤产品质感量化评定等提供技术支持和理论支撑.

    仿生手指触觉感知触感特征参数分类识别

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    人工韧带体外摩擦磨损测量方法

    黄秀玲郑晔赖卫国朱俊俊...
    432-441页
    查看更多>>摘要：人工韧带是韧带重建术中的重要植入物,临床上常见因摩擦磨损而导致人工韧带断裂失效等不良事件,因此磨损被认为是影响人工韧带使用寿命的重要因素之一.针对目前人工韧带体外摩擦磨损测量方法不明确,以及缺少摩擦磨损情况量化研究方法等问题,该文对人工韧带进行了 2.0×106次体外磨损试验,测量人工韧带磨损量并获取其磨损表面形貌,对磨损产生的磨屑进行提取与表征.结果显示:经2.0×106次磨损后,人工韧带磨损率为(6.94±2.30)mg/106次;人工韧带磨损后表面部分组织起毛且编织状结构受损,丝线排序松散并出现断裂;从润滑介质中提取的磨屑大部分呈类球状,少部分呈纤维条状,且小尺寸磨屑较多,大尺寸磨屑较少.该研究结果可为完善人工韧带的体外磨损测试标准提供有力的参考依据.

    人工韧带摩擦磨损测量方法磨屑分离提取

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    人工髋关节超高分子量聚乙烯高边衬垫的接触力学和边缘负载

    冯涛张小刚张国贤谢庆云...
    442-453页
    查看更多>>摘要：全髋关节置换术后衬垫边缘出现边缘负载不仅会增加脱位风险,而且会加剧假体的摩擦磨损.发生边缘负载与假体的安装位置、几何设计及患者运动状态等高度相关.该文基于金属-聚乙烯接触副建立了髋关节高边衬垫在步态载荷下的接触力学和边缘负载的有限元分析模型.该模型考虑了日常生活中正常行走、上楼梯、下楼梯和深蹲4种步态及20种相对极端的臼杯安装位置,以研究高边衬垫的接触应力、边缘负载和等效塑性应变情况.结果表明:衬垫的等效塑性应变、发生塑性变形的体积、边缘负载和边缘负载的持续时间都随臼杯外展角和前倾角增加而增加;相比于另外3种步态,深蹲步态更容易使衬垫产生塑性形变,对衬垫造成的破坏最大;在臼杯外展角不低于50°的情况下,将高边衬垫的高边放置于人体后上方不但能避免出现边缘负载,还能显著降低衬垫的塑性应变.

    接触力学人工髋关节边缘负载超高分子量聚乙烯高边衬垫

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    滑液组分对"软-软"配副关节材料摩擦学行为的影响

    岑佳佳张德坤陈琴张欣悦...
    454-470页
    查看更多>>摘要：人体内关节滑液中各成分浓度的变化对人工关节滑动配副的摩擦学行为具有重要影响.该文基于人工关节置换后关节滑液的各组分浓度,以聚醚醚酮(polyether-ether-ketone,PEEK)和高交联聚乙烯(highly crosslinked polyethylene,XLPE)组成的"软-软"关节配副为研究对象,体外配制不同浓度的白蛋白(albumin,Alb)、γ-球蛋白(γ-globulin,γ-Glo)、透明质酸(hyaluronic acid,HA)和脂质体(phospholipids,PLs)等人体关节滑液主要成分的复合滑液,研究了不同成分复合滑液润滑条件下PEEK-XLPE关节配副的摩擦磨损行为,探明了滑液组分和浓度对"软-软"关节配副摩擦磨损的影响机制,揭示了"软-软"关节配副在不同成分复合滑液润滑作用下的磨损机理.结果表明:复合滑液中的4种主要成分均对"软-软"配副人工关节材料的摩擦磨损性能有较大影响,其中γ-Glo浓度对摩擦系数(coefficient of friction,COF)影响较大,当γ-Glo浓度由5.83mg/mL增加至8.75 mg/mL时,摩擦系数增加了 29.4％;总蛋白质浓度对磨损率影响较大,由15 mg/mL Alb+3.75 mg/mL γ-Glo增加至35 mg/mL Alb+8.75 mg/mL γ-Glo时,磨损率增加了 166.0％.当复合滑液中γ-Glo或总蛋白质浓度过高时,蛋白质在摩擦表面发生不良黏附,使"软-软"配副关节材料的磨损加剧.此外,蛋白质混合液中同时加入HA和PLs,能促进Alb吸附而抑制γ-Glo吸附.

    复合滑液蛋白质透明质酸脂质体摩擦磨损

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    公共场所内人群疏导与管控技术

    任建强倪顺江
    471-477页
    查看更多>>摘要：随着城市化进程加快,公共场所人员密集度和接触频次不断增加.在新型冠状病毒感染流行背景下,公共场所人员的健康安全问题凸显,如何有效管理公共场所已成为城市管理的难点.通过研究公共场所内人群疏导管控技术,可以有效疏导管控人群,减少人员拥堵,降低疫情传播风险,保障公众健康安全.首先,选定某大型体育场作为研究对象,参考相关标准和规范制订了大型体育赛事活动人员疏导管控方案;其次,构建公共场所人员疏导管控技术模型;最后,对不同类型的疏导管控方案进行三维模拟仿真.结果表明:通过不断更新迭代疏导管控方案,场内人员流通更通畅,新增患者比例由0.800％下降至0.075‰,从而验证了公共场所人群疏导管控方案可行和有效.

    公共场所大型活动疏导管控疫情防控情景模拟

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    基于消防大数据的电气火灾风险预测预警方法

    贺胜疏学明胡俊张雷...
    478-491页
    查看更多>>摘要：为实现电气火灾风险提前动态感知,该文以渐变态电气火灾为例,研究了基于循环神经网络(recurrent neural network,RNN)模型的电气线路超温故障火灾风险预警方法,采用真实电气火灾案例数据对模型进行训练,通过挖掘电气线路温度变化的周期特性和瞬时温升故障特征对线路温度进行预测.采用温度二阶残差正态分布模型对温度预测结果进行概率分布范围修正.基于温度预测的累积概率分布提出预警分位,通过比较实际温度与预警分位的关系发现电气线路火灾风险定量表征的依据,实现电气线路火灾风险提前动态感知,最后提出采用"前端探测+算法牵引"的模式解决当前电气火灾防控技术难题.

    电气火灾温度预测概率分布风险预警预警分位数据挖掘

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    基于一维空洞卷积神经网络的故障电弧检测方法

    蒋慧灵白嘎力周郑邓青...
    492-501页
    查看更多>>摘要：串联故障电弧因多样性、相似性和隐蔽性而难以被检测,容易引发故障电弧保护装置误报和漏报.采用一维空洞卷积神经网络(one-dimensional dilated convolutional neural network,1D-DCNN)提取以高采样率采集的故障电弧电流特征,引入扩展型指数线性单元(scaled exponential linear unit,SeLU)激活函数和残差连接解决梯度消失和网络退化问题,并结合平均集成学习和Softmax多分类器建立故障电弧检测模型.实验结果表明:所提方法对单负载和混合负载故障电弧的检测准确率达99.67％,相应负载识别准确率达99.95％,总体预测结果准确率达99.62％,优于传统卷积神经网络(convolutional neural network,CNN),满足故障电弧检测要求,有助于串联故障电弧检测和负载识别.

    一维空洞卷积串联故障电弧支路故障电弧故障电弧检测负载分类

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