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期刊信息/Journal information
中国科学（技术科学）
中国科学（技术科学）

严陆光

月刊

1674-7259

technology@scichina.org

010-64016732

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（技术科学）/Journal SCIENTIA SINICA TechnologicaCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。本刊从2009年1月期变更为主要报道技术科学方面的优秀成果，主要学科为材料、机械工程、工程热物理、水利、空间科学、航空、土木工程、核科学与技术、电工、电机、建筑、工程力学等，而不再刊登有关信息科学方面的内容。
正式出版
收录年代

    基于原子力显微镜的三维表面多参数检测技术

    耿俊媛张号孟祥和谢晖...
    2221-2254页
    查看更多>>摘要：三维微纳电子器件因其结构紧凑、功能密度高等特点,逐渐成为主流的半导体元件形式,实现三维微纳表面多参数量化分析是控制三维器件功能质量的关键.原子力显微镜具备高分辨率力反馈成像能力,是实现微纳表面形貌、电学和力学特性同步检测的重要工具.本文综述了基于原子力显微镜的三维表面多参数检测技术,首先介绍了原子力显微镜微纳表面形貌、电势和力学特性检测原理;随后归纳了近年来基于原子力显微镜的三维表面形貌测量方法,讨论了各类三维表面形貌检测技术的优缺点,并总结了当下已开发的三维表面电势表征方法和三维表面纳米力学特性表征方法,分析了三维表面电学与力学特性测量的必要性.最后,对三维表面多参数检测技术的发展方向及其所面临的挑战进行了展望和简要概括.本文所概述的原子力显微镜三维表面多参数检测方法将为推动三维微纳电子器件功能机理问题研究提供强大的技术支持.

    三维微纳电子器件原子力显微镜三维表面形貌三维表面电势三维表面纳米力学特性

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    内外环境作用下主缆除湿过程传热传质特性研究

    徐阳崔明魏勇倪雅...
    2255-2268页
    查看更多>>摘要：主缆除湿是目前悬索桥维护的重要内容之一,准确预测主缆除湿过程特性是开发高效除湿系统的前提.但主缆内部结构复杂,且受自然环境和运行工况影响显著.为此,本文构建了一个更为全面的主缆除湿传热传质模型,该模型综合考虑了内部送气参数(进气速度、进气相对湿度、进气温度、进气压力)以及外界环境因素(太阳辐射强度、环境温度、环境风速)的耦合作用对悬索桥主缆除湿过程的影响,并利用响应面法分析各参数的敏感程度.结果表明:影响主缆内部积水蒸发速率的单因素中,进气相对湿度、进气速度、环境温度和太阳辐射强度起主要作用.讨论双因素对蒸发速率的交互作用时发现,增加进气速度会使蒸发速率提高,但上升趋势会逐渐趋于平缓,并且蒸发速率的提升效果会随环境温度和进气温度升高更显著.环境风速增加会降低蒸发速率,但降低趋势会趋于平缓,平缓点速度约为6m/s;蒸发速率降低的幅度会随太阳辐射和环境温度增加更明显.太阳辐射增加可以有效提升蒸发速率,环境温度越高效果越突出;在环境温度为313.15 K,太阳辐射从0增至615 W/m2,蒸发速率提升26.3％,提升的蒸发速率是环境温度273.15 K提升蒸发速率的9.7倍.提高主缆表面对太阳能的吸收率,利用太阳能加速除湿;以润扬大桥为例,当吸收率从现有0.2增至0.9时,各季节蒸发速率提升11％～18％.本文研究工作为主缆除湿系统的开发与改进提供了更为全面的理论依据和工程指导.

    主缆除湿内外环境响应面法对流传热对流传质太阳辐射

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    Au纳米粒子阵列热等离激元效应的等效计算与表征

    赵越桑丽霞任志勇
    2269-2280页
    查看更多>>摘要：金属等离激元微纳结构的热等离激元效应可作为纳米尺度的可控局域热源.本文基于有限元法利用COMSOL Multiphysics软件的波动光学和传热模块,计算了Au纳米粒子二维阵列模型的吸收截面、平均能量和温度分布.结果表明,粒径一定时,模型的平均能量随阵列数的增加呈先增大后减小至趋于稳定的规律.粒距越大,达到稳定平均能量对应的阵列数越大.当Au纳米粒子二维阵列模型足够大时,平均能量与粒距无关,仅取决于粒径大小.为了计算得到Au纳米粒子二维阵列产生的局域热,创新构建散热模型与绝热模型并进行等效处理,在散热模型中得到的1000 ns弛豫时间代入绝热模型计算得到局域热瞬态温度为近82 K.通过可视化表征不同温度梯度的光阳极表面与分解水产氧量体积分数的对应关系,进一步证实了金属纳米粒子的热等离激元效应促进光电极界面反应的作用.

    Au纳米粒子阵列热等离激元效应局域热散热模型绝热模型

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    不同工况sCO2燃煤循环主汽温压优化分析

    王天泽徐进良郑毫楠刘广林...
    2281-2292页
    查看更多>>摘要：针对超临界二氧化碳(sCO2)燃煤循环,优化主汽参数可显著提升系统效率.为了明晰优化结果存在的趋势,本文构建了涵盖锅炉、透平、压缩机及换热器的综合模型,分析了不同容量(Wnet)、质量流量(m)工况下主汽温度(T5)、主汽压力(P5)与系统热效率(ηth)的关系.结果表明,对于Wnet=300 MWe工况,随着T5由570℃增加至650℃,ηth由47.5％单调递增至50.4％,这主要源于额定流量下降.随着P5由20 MPa增加至35 MPa,ηth起初随着P5的增加逐渐上升,直至P5=30MPa时ηth达到峰值49.6％;随后,ηth开始呈现下降趋势.这是由锅炉压降下降的正效应与压缩机负担增加的负效应的相对大小决定的.对于m=2500 kg/s工况,随着P5增加,ηth呈先升后降的趋势,直至P5=29 MPa时ηth达到峰值46.9％;这是由透平做功和压缩机耗功的相对大小决定的.对于Wnet(100～1000 MWe),m(500～4500 kg/s)和T5(570℃～650℃)单调递增时,最优额定主汽压力P5,op分别由26.3,20.2,26.9 MPa增至37.2,35.8,29.5 MPa,均是P5增加带来了更显著的正效应,而负效应相对稳定.本文的结论有助于将特定工况的优化结果推广至不同工况,为超临界二氧化碳燃煤循环的优化设计提供了重要参考.

    sCO2循环不同工况主汽参数优化系统热效率

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    蓄热式加热炉瞬态熵产分布与燃烧参数影响分析

    王帝杰向永光张欣茹朱有鑫...
    2293-2305页
    查看更多>>摘要：本文以蓄热式加热炉为研究对象,建立了考虑烧嘴换向的单元炉膛空间热过程瞬态模型,模拟了炉宽方向传热的不均匀性,开发了熵产和㶲平衡的数值计算方法,明晰了燃烧、流动和传热过程的熵产大小、空间分布和能量耗散机制;基于该单元模型模拟了蓄热式炉钢坯加热全过程,获得了各项㶲损失和㶲效率沿炉长的分布和全炉㶲平衡;探讨了烧嘴射流速度、富氧浓度和高炉煤气掺烧天然气等节能途径对㶲效率的影响.结果表明,燃烧和辐射传热的不可逆性是炉内熵产的主要因素,在钢坯温度较低时,辐射熵产约占单元炉膛总熵产的70.5％,提高钢坯装炉温度可有效降低该熵产;在钢坯温度较高时,燃烧熵产占主导,约为炉膛总熵产的59.9％,优化燃烧是降低熵产的主要措施.烧嘴换向后新火焰稳定约需15～20 s,由于原火焰被推出、炉温波动和质量扩散的加剧,对炉膛㶲效率的稳定产生了重要影响,蓄热器需具有足够高的㶲回收效率才能保证加热单元整体㶲效率的提升.对全炉而言,第一类㶲损失主要发生在均热段,由高温烟气带出炉膛导致,占该段输入㶲45.6％,利用均热段的烟气预热其他段的空气和煤气,可有效降低第一类㶲损失;第二类㶲损失主要发生在预热段,辐射熵产是其主要原因,占该段输入㶲的17.4％,热送热装是降低第二类㶲损失的主要方法.保持单元炉膛其他参数不变,当射流速度为19m/s时㶲效率和热效率最高;当富氧浓度提升至35％时,㶲效率和热效率分别提高了4.1％和5.5％;高炉煤气掺混10％的天然气提高了燃烧温度和钢坯表面热流,但㶲效率和热效率降低1.2％和4.4％,反而不利于加热炉的节能.该研究为加热炉能效评价与工艺优化提供了一些新的思路.

    蓄热式加热炉数值模拟瞬态熵产㶲效率燃烧参数分析

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    基于混联驱动方法的TC4叶片机器人磨抛加工材料去除深度预测

    朱佳慧严思杰杨泽源褚尧...
    2306-2318页
    查看更多>>摘要：随着机器人技术的不断进步,机器人砂带磨抛正逐渐成为叶片类复杂零件加工的新方式.机器人砂带磨抛过程中,材料去除深度(MRD)的准确预测是实现机器人砂带磨抛高精度闭环作业的关键问题之一.传统机理预测模型考虑了先验知识,但精度较低;而纯数据驱动模型预测精度高,但仍存在可解释性较差、泛化能力弱等问题.为此,本文提出了一种将机理模型和数据驱动方法混联的机器人砂带磨抛材料去除深度预测方法.首先,基于磨粒微观形貌与Hertz接触方法建立了机器人砂带磨抛材料去除深度机理模型;在此基础上,将机理模型预测结果及其预测残差输入至极端梯度提升(XGBoost)数据驱动模型中实现对机理模型残差的预测,从而实现机理模型与数据驱动方法的串联;同时,将数据驱动模型预测残差与机理模型预测值进行并联,最终实现混联驱动MRD预测.此外,使用麻雀搜索算法(SSA)优化混联模型的超参数以提升模型的预测精度;在Ti-6A1-4V试件与压气机叶片上的磨抛实验表明,所提预测方法的均方根误差(RMSE)优于机理模型71.66％,优于数据驱动模型64.73％,并在小样本学习、模型泛化性等方面表现出显著优势.

    叶片磨抛机器人磨抛材料去除集成学习混联驱动

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    绳簇主被动混合驱动空间机械臂设计及其力-位-型融合控制

    梁斌黄学祥刘天亮徐文福...
    2319-2336页
    查看更多>>摘要：针对在轨狭小/受限空间操作的需求,本文提出了一种绳簇主被动混合驱动空间机械臂及其力-位-型融合控制方法.首先,介绍了臂段主动驱动与段内被动联动相结合的混合驱动原理,设计了一种绳簇驱动空间机械臂系统,分析了"绳长-拉力"匹配特性及机械臂冗余运动特性;其次,将漂浮基非完整冗余性、机械臂运动冗余性和绳簇驱动机构变刚度特性统一表征为型空间,基于此建立系统的位-型复合运动学及静力学模型;进而,提出了绳簇主被动混合驱动空间机械臂的力-位-型融合控制方法,包括广义任务空间多目标协同控制、臂段分解运动控制和驱动组绳长-拉力混合控制三部分,将绳长单向过约束与拉力分配无穷性结合起来,实现机械臂末端操作力、位姿及系统型参数按期望目标变化的同时,避免绳索松弛或断裂.最后,研制了空间机械臂样机,开展了基于气浮台的平面多障碍回避、狭缝穿越以及基于吊丝系统的空间狭缝穿越实验,结果验证了机械臂灵巧操作性能及所提方法的有效性.

    在轨操控空间机械臂绳簇主被动混合驱动超冗余机械臂力-位-型融合控制

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    用于失重条件下下肢骨肌锻炼的仿生黏附鞋及在轨验证

    姬科举李志利李英泽姬原鸣...
    2337-2346页
    查看更多>>摘要：近地轨道空间站是人类走出地球,进入太空的第一驻留点,也是研究空间环境对人类行为及健康影响的平台.研究表明失重环境对骨骼和肌肉功能维持具有显著负面影响,重力下保持对骨骼和肌肉的力学刺激,是维持其功能的主要手段,但现有在轨锻炼装置不能给下肢屈肌施加足够的刺激.受爬岩鳅、壁虎等动物在固体表面能产生吸附力的启发,本文提出了一种失重环境下航天员下肢屈肌锻炼及防护方法,发明了具有变刚度黏附单元的仿生黏附鞋,并开展了地面和在轨性能验证.仿生黏附鞋在微小的预压力下可稳定附着,通过足底附着力刺激实现踏步中的下肢骨骼肌锻炼.仿壁虎的低模量末端黏附层提高了对表面粗糙度的适应性,仿爬岩鳅的附着结构以多机制协同的方式进一步提高了附着力和稳定性.地基和天基在轨实验表明,该仿生黏附鞋具有低预压、强黏附的接触力学特点,能够实现对下肢骨肌的力刺激,为航天员失重防护提供了一种仿生新技术.

    仿生黏附摩擦黏附失重保护在轨运动下肢肌肉

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    喷口直径对声激励器输入功率和膜片振动以及合成射流冲击传热的综合影响

    谭钧文吕元伟张靖周孙文静...
    2347-2362页
    查看更多>>摘要：针对一个由特定型号扬声器和环形激励腔制备的合成射流声激励器,应用激光位移传感器、粒子图像测速仪和红外热像仪等测试方法,进行了声激励器输入功率和膜片振动、合成射流流场和冲击对流传热系列实验研究,以期揭示喷口直径(dc=2～10mm)的综合影响.研究结果表明:恒定输入功率下,膜片在声激励器器件中的振幅相对于单纯扬声器情形存在不同程度的衰减,在小喷口直径和高激励频率下尤为明显;喷口直径为dc=6 mm的合成射流具有最大的喷吹速度、剪切涡量及其冲击对流传热系数.恒定膜片振幅下,小直径喷口合成射流相较于大直径喷口显示出更强的流动和冲击对流传热能力,但其在高激励频率下需要以付出更大的激励器输入功率为代价.声激励合成射流特征速度与激励频率的增加呈现线性增加的趋势,但激励器输入功率随激励频率的增加却呈现出非单调的变化;与单纯扬声器相比,对于小喷口直径的声激励器,对应于最小输入功率的激励频率向低频方向偏移.就本文的声激励合成射流而言,兼顾声激励器功耗和合成射流冲击对流传热特性,适宜的激励频率、喷口直径和无量纲冲击间距分别确定为f=250 Hz、dc=6 mm和H/dc=6～8.

    合成射流声激励器喷口直径功耗膜片振动冲击传热

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    强风和地震联合灾害区划图编制方法

    郭鑫李宏男张皓
    2363-2376页
    查看更多>>摘要：强风和地震作为工程结构防灾中重要考虑的两种灾害形式,广泛分布于我国各地.现有的基本风压和地震动峰值加速度区划图展示了二者各自发生的概率和强度,忽略了强风和地震耦合作用引起的结构安全问题.为完善工程结构抗多灾设计理论,本文提出了基于真实数据的强风和地震联合灾害区划图编制方法,结合强风和地震灾害特性,优选了数据充足且灾害特征明显的川滇地区为例,搜集了 50年时间跨度的相关数据,对比了各自单灾区划以确定所获取数据的准确性,给出了强风和地震同时发生的判定准则,建立了联合概率模型并计算了危险性概率,利用线性插值拟合获得了川滇地区强风和地震联合灾害区划图.研究表明:强风和地震联合灾害区划图为两种灾害耦合现象的分布提供了有力的数据支撑,证实了该现象全面发生于川滇地区,只是概率存在区别;联合灾害区划编制方法以真实数据概率准确性分析代替了相关因素分析,更具普遍适用性;该区划图兼顾了两种灾害同时发生的概率分布和强度等级,改善了目前大部分强风和地震同时作用的研究中两种灾害强度的选取都是无依据的假设.本文成果为考虑强风和地震耦合作用的研究成果纳入设计标准,以及编制我国更大范围的多灾害区划提供有益参考.

    强风和地震多灾害区划联合概率地震动峰值加速度基本风压

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