原位激发微生物矿化处理铅污染土的工程特性与环境安全性研究

随着城市化进程的加速,重金属污染场地的修复、开发和再利用日益受到社会关注。以典型重金属污染物铅为研究对象,利用原位激发微生物矿化方法探究了铅浓度对土壤酸碱度、活菌数以及尿素和铵根浓度等细菌活性指标的影响,通过测试固化土的无侧限抗压强度、渗透系数和毒性浸出浓度,评估了铅污染土的固化效果。结果表明,原位激发方法可以实现低铅浓度污染土中脲酶菌的富集,激发7d后土中活菌数最高可达到10^(9)CFU/g数量级,但高浓度的铅污染物将显著抑制微生物的生长与活性。原位激发MICP处理铅污染土的强度和防渗性均随固化时间呈增长趋势,其中40mM铅污染土固化14d的强度大幅提高,渗透系数可降低至6.5×10^(-6)m/s。铅的浸出浓度随固化时间均不断降低,低铅浓度污染土固化14 d后在中性或弱酸性环境下的浸出浓度可低于0.1 mg/L。根据固化铅污染土的工程特性与环境安全性试验结果,结合环境扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)和微生物16 s全基因组重测序等手段,揭示了原位激发微生物矿化处理铅污染土的固化机理。

落石被动柔性防护网非线性静力设计方法及验证

被动柔性防护网是一种常见的落石灾害防治措施。针对当前落石被动柔性防护网尚无适用的工程化设计方法的现状,以非线性计算过程中结构内能与设计防护能级相等作为加载完成的判别准则,建立了落石被动柔性防护网的非线性静力设计方法。基于LS-DYNA对250~5000 kJ共8种常用能级的被动柔性防护网开展非线性动力分析,明确了冲击力的分布范围及相对大小,形成了适用于不同能级落石被动柔性防护网非线性静力设计的荷载模式。为了有效模拟被动柔性防护网特殊的受力特征,开发了由索单元与受拉弹簧单元组成的非线性耗能单元用于耗能器模拟,开发了内部由多段索单元组成的滑移索单元用于滑移边界以及网环单元模拟。基于对网片冲击试验的反演和3500 kJ被动柔性防护网的设计及足尺冲击试验检验,验证了所提出的落石被动柔性防护网非线性静力设计方法的有效性。

自主车辆前馈NMPC路径跟踪控制方法研究

在弯道等大曲率场景中,车辆转向系统的迟滞和车辆模型的线性化会导致转向不足和稳态误差,从而影响自主车辆路径跟踪精度和响应速度。为了解决这一问题,提出了一种路径跟踪框架。该框架在弯道等大曲率场景,触发前馈控制控制器,输出理想转角序列,提前使转向机构到达最优转角附近;随后将引入排斥目标函数的非线性模型预测控制器优化求解出的最优控制序列作用于车辆,刷新理想转角序列。搭建自主车辆实验平台,在不同场景下进行仿真验证,结果表明,与忽略滞后的传统模型预测控制相比,前馈非线性模型预测控制器跟踪精度和响应速度方面的性能有所提高。特别是在弯道等大曲率场景中,所提出的框架将横向均方根误差降低了近30%。

考虑加载次序影响的沥青非线性疲劳损伤累积研究

变幅加载下沥青的疲劳损伤累积具有明显的非线性特征,传统的Miner’s线性疲劳损伤累积准则无法表征不同变幅加载次序下沥青的非线性疲劳损伤累积(NLFDA)。该研究旨在建立考虑加载次序影响的NLFDA模型,准确表征加载次序对沥青疲劳损伤累积的影响。通过开展应力控制的沥青恒幅加载疲劳试验,采用耗散伪应变能(DPSE)表征沥青疲劳损伤,分析恒幅加载下沥青的疲劳损伤累积规律;采用低-高和高-低两种加载次序,开展应力控制的沥青变幅加载疲劳试验,分析变幅加载下沥青的疲劳损伤累积规律;基于损伤等效准则,建立考虑加载次序影响的NLFDA模型,分析加载次序对疲劳损伤累积的影响。结果表明:应力控制模式下的沥青疲劳损伤,呈先缓慢后急剧的非线性增加演化趋势;恒幅加载下沥青疲劳损伤服从Miner’s准则发生线性累积,且累积寿命分数等于1;变幅加载下沥青疲劳损伤不服从Miner’s准则而发生非线性累积。低-高和高-低变幅加载次序下,沥青累积疲劳寿命随一级寿命分数的增大而分别增加和减小,累积寿命分数分别大于1和小于1;建立的NLFDA模型可克服Miner’s准则缺陷,并较为准确地表征加载次序对沥青疲劳损伤累积的影响。

UHPC框架结构的抗车辆冲击性能研究

随着我国交通系统的发展及汽车车速的日益提升,坐落于道路两旁的框架建筑承受的车辆碰撞风险也与日俱增.超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)由于其超高的材料断裂能以及抗拉能力逐渐被应用于框架结构中以提高其使用性能.UHPC框架结构同样承受较高的车辆撞击风险.本文建立了三维动力非线性的车辆-UHPC三层框架结构碰撞模型并采用Ansys/LS-DYNA进行求解.采用已发表的落锤撞击普通混凝土(Normal Concrete, NC)与超高性能混凝土(UHPC)梁试验对材料参数与接触算法的正确性进行了验证.基于三维动力非线性碰撞模型,从结构损伤、碰撞力特性及结构耗能机理三方面对NC及UHPC框架结构进行了全面对比.主要结论如下:(1) UHPC框架结构的抗车辆冲击性能远高于NC框架结构.UHPC框架结构的损伤仅存在于被撞柱,其他部位混凝土的使用性能几乎不受影响.(2)高车速条件下(80~120 km/h),NC柱的损伤分布为剧烈的冲切损伤并伴有明显的塑性变形,框架节点出现明显的受拉及受剪损伤;UHPC柱的背面始终不出现受拉区域,最终发展成贯通框架柱截面的冲剪破坏.(3) NC柱的混凝土内能均比UHPC柱的混凝土内能高,导致NC柱的损伤程度比UHPC柱严重.(4)当车辆保险杠撞击框架柱时,碰撞力产生第一个峰值;当车辆引擎与框架柱撞击时,碰撞力产生第二个峰值.引擎撞击产生的碰撞力峰值均远高于保险杠撞击.UHPC柱的碰撞力峰值平均比NC柱高22.6%,二者碰撞力峰值最大差异可达32.1%.本文研究结果有助于促进UHPC框架结构的抗冲击合理化设计,并保障其安全健康运营.

基于数-物模型混合交互反馈的结构近实时震害评估理论框架

科学合理的结构震害评估对于提升城市抗震韧性与运维智慧具有重要意义。针对韧性城市构建现阶段的实际需求与重要难题,面向“全域、动态、实时”的结构震害评估新范式,以基于数模的多模态特征融合和基于物模的多层次数值仿真模拟为理论架构的两大基本要素,依托深度学习、数字孪生、数物融合等新技术,提出了基于数-物模型混合交互反馈的结构近实时震害评估理论框架,并对该框架中的主要研究内容与关键科学问题进行了详细阐述。所提出的理论架构有望提升结构震害评估的实时性与智能性,助力推进韧性城市构建以及城市系统的智慧运维。

利用环境空气及路面温度对近距轮胎/路面噪音测量法(CPX)的修正(英文)

一般在公路上进行CPX轮胎/路面噪音测量时,环境温度对测量的影响往往是不易受控制的。研究人员们已针对此问题开发出一温度修正方法,透过不同的温度参数以补偿温度对量度得出的噪音水平之影响。本研究试图以一整天的CPX测量结果,以探索测试时使用环境气温和路面温度为本的修正及其可靠性,同时并得出两种路面上的温度修正值。

改进支持向量机的车辆定位导航精度提升方法

车辆定位导航是实现智能车辆环境感知的基础,为解决智能车辆在SINS/GPS组合导航下误差问题,提出一种基于蚁群算法改进支持向量机的车辆定位导航精度提升方法。首先,使用状态变换扩展卡尔曼滤波对组合导航进行初步降噪;其次,运用支持向量机及神经网络辅助导航,解决组合导航中位置误差较大、对导航效果产生影响的问题;然后,通过蚁群算法改进支持向量机,对支持向量机核函数参数进行迭代优化;最后,在实车采集数据集下,与神经网络辅助进行对比。结果表明:在东北天3个方向上,神经网络降低误差均方根值的效果达到了72.88%、68.66%、63.87%,而改进支持向量机的效果达到了82.09%、79.62%、90.14%。改进支持向量机能够辅助优化组合导航位置误差,提升车辆定位导航精度。

基于接触电阻的水泥基材料裂缝自修复效果定量表征方法

裂缝自修复效果是评价材料功能恢复水平的重要依据。为实现水泥基材料裂缝全断面修复效果的综合评定,开展了基于接触电阻理论的裂缝自修复评价方法研究,包括导电材料选择与优化、测试参数优化和计算方法推导等。结果表明,0.3%体积掺量碳纤维能有效降低水泥基材料电阻率,并同步改善力学性能。测量电压对电阻率测试结果无显著影响,电阻率随接触压力的增加逐渐降低。自修复过程即裂缝面接触形式变化的过程,同时伴随接触电阻的变化,从而可以构建接触电阻与自修复效果的定量计算公式。该方法仅与修复产物在裂缝面的分布数量有关,不受空间分布形式影响。研究结论为水泥基材料自修复效果定量表征提供借鉴。

加载次序对沥青混合料疲劳损伤累积的影响

沥青混合料在变幅加载下的疲劳损伤累积过程具有明显的非线性特征,然而传统的线性损伤累积准则无法表征不同加载次序下的非线性疲劳损伤累积(NLFDA)。为研究加载次序对沥青混合料疲劳损伤累积的影响,首先开展恒幅加载疲劳试验,分析恒幅加载下的疲劳损伤累积规律;其次借助变幅加载疲劳试验,分析变幅加载下的疲劳损伤累积规律;最后建立考虑加载次序的NLFDA模型,分析加载次序对沥青混合料疲劳损伤累积的影响。结果表明:恒幅加载下沥青混合料疲劳损伤发生非线性演化,但服从线性损伤累积准则,且累积寿命分数为1;变幅加载会导致疲劳损伤发生非线性演化,且服从非线性损伤累积准则,低-高和高-低加载次序的累积寿命分数分别大于1和小于1;建立的NLFDA模型可较为准确地表征沥青混合料疲劳损伤对加载次序的依赖性。

基于高性能桩单元法的海上风机单桩支撑结构水平承载力研究

海上风力发电机单桩支撑结构由单桩、过渡段和锥形塔筒组成。海洋土体变异性大和风机塔筒变截面的特点大幅增大了使用离散弹簧法进行支撑结构计算的梁单元划分量。为实现对风机支撑结构的高效模拟,该文提出了一种改进的欧拉-伯努利梁单元,该单元实现了桩土相互作用关系的内置和对单元变截面的考虑,相较于传统梁单元大幅度减少了单元划分量。该文在单层与多层土体中验证了上述单元的精确性与高效性,并研究了新型单元在风机单桩支撑结构计算中的适用性。在此基础上,进行了风机单桩水平承载性能参数分析,研究了桩长与桩径对大直径桩水平变形规律和承载力的联合影响,研究给出了不同于现有规范的刚性短桩-中长桩划分的相对刚度特征值临界范围。

薄壁截面剪切系数计算的平面薄壁单元法

剪切系数对于准确计算大高跨比薄壁构件的力学响应至关重要。为实现薄壁截面剪切系数的高效计算,提出一种新的薄壁单元法。首先,介绍计算任意截面剪切系数的平面翘曲单元法,该方法以截面翘曲位移为自由度,通过能量原理进行求解。针对薄壁截面剪切系数,对薄壁板段引入忽略板厚方向翘曲位移不均匀性的假设,重新构造适宜快速建模及解算的一维薄壁单元。以2自由度薄壁单元为例,进行了程序实现。最后,采用ANSYS截面分析模块(基于平面翘曲单元法)与所提出的薄壁单元法分析了常用开口与开闭口薄壁截面的剪切系数,验证了所提出方法的准确性。

不同侧滑角下列车侧壁和空调外形对列车气动性能的影响

为确定某动力集中动车组的较优车身外形,基于三维不可压非定常雷诺时均方法(Un-steady Reynolds Averaged Navier-Stokes,URANS)和剪切应力输运(Shear Stress Transport,SST)k-w湍流模型,针对直壁高空调、鼓壁高空调和鼓壁低空调3种列车侧壁和空调外形,分析了60 m/s合成风速下,侧滑角0°、20°、40°、45°、55°、60°、70°和90°共8种工况下的列车气动力系数、车窗位置和空调位置的平均压力.研究结果表明:在侧滑角小于20°的条件下,列车侧壁和空调外形对车辆气动力影响较小;随着侧滑角逐渐增大,直壁高空调外形列车的气动性能较鼓壁高空调和鼓壁低空调外形列车差.以55°侧滑角下头车为例,相较于直壁高空调外形车型,鼓壁高空调外形车型的侧向力系数、升力系数和侧滚力矩系数分别降低了23.3%、3.4%和27.3%;而对于背风侧车窗压力,鼓壁高空调和鼓壁低空调外形车型均相较直壁高空调外形下降了59%左右.综合而言,鼓壁低空调外形车型气动性能最好.

一个无需Lipschitz连续性的混合自适应共轭梯度投影法及其应用

共轭梯度投影法是求解大规模凸约束非线性单调方程组的有效算法之一.该文基于四个经典共轭参数,采用混合策略及投影技术,提出一个有效的混合自适应共轭梯度投影法.该方法产生的搜索方向独立于任何线搜索满足充分下降性和信赖域性质.无需Lipschitz连续性假设,分析并证明新方法的全局收敛性.数值结果验证所提方法的计算有效性.最后,通过稀疏信号恢复试验,验证新方法的实用性.

磁性壳聚糖凝胶微球对水中Pb(Ⅱ)的吸附性能

以壳聚糖为原材料,通过原位共沉淀法和柠檬酸钠交联法制备了一种新型多孔磁性壳聚糖凝胶微球吸附剂CS-citrate/Fe3_O_4.利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、热重分析(TG)对吸附剂进行了表征.结果表明,吸附剂内部具有发达的孔隙结构,并均匀分布有平均直径为(4.79±1.09)nm的Fe3_O_4纳米颗粒;吸附剂中引入Fe3_O_4后,仍存在羟基、氨基和羧基等功能基团,且吸附剂磁性良好可用于磁场分离;吸附剂对Pb(II)的吸附等温线和动力学研究表明,吸附过程以化学吸附为主,最大吸附容量可达178.25mg/g.

基于3D-ILC含内裂纹孔口脆性固体断裂特性试验

孔口问题为力学领域中经典问题之一,也是岩土如隧洞、巷道等工程领域重要的问题之一。随断裂力学的发展,对含裂纹孔口问题的研究也不断深入。但是,以往研究多集中在二维问题或者含表面裂纹的孔口问题,含纯内裂纹的孔口问题研究报道较少。基于3D-ILC技术(对表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的深埋内裂纹),在含有孔口的脆性材料中生成内裂纹,开展单轴压缩试验,与无裂纹完整孔口试样试验结果及已有文献进行对比,并开展理论与数值模拟研究。结果表明:(1)3D-ILC与传统方法相比,裂纹特征更为真实,为解决断裂力学中的三维内裂纹问题奠定了基础;(2)完整孔口试样裂纹形态主要有主裂纹与八字形裂纹;(3)含内裂纹试样裂纹形态以内裂纹扩展为主,主要有翼裂纹、次生裂纹、反翼裂纹、反向次生裂纹、竖向扭曲裂纹与主裂纹6种;(4)含裂纹孔口试样最终的破坏荷载比无裂纹孔口试样平均低76.49%,起裂应力较无裂纹孔口试样平均低96.72%;(5)通过数值模拟对完整孔口试样、含主裂纹孔口试样、含内裂纹孔口试样的裂纹扩展进行定性分析,与试验结论一致。该研究结果为含三维内裂纹的孔口脆性材料的断裂理论研究提供了物理试验基础。

磁耦合式双稳态宽频压电俘能器的设计和俘能特性

为了同时提高振动能量俘获系统的效率和实用性,俘能器主结构的振动特性与环境振动特性的匹配度显得尤为重要.非线性系统复杂的动力学行为为设计高效的俘能器奠定了基础,但结构一旦被设计、生成出来,其工作频率往往是固定的,无法根据环境中的振动而发生相应的改变.本文利用可移动铰支座和非线性磁力设计了一种具有双稳态特性的宽频压电俘能器,通过拓宽压电俘能器的工作频带,来匹配环境中较宽的振动频率.为了保证系统低频宽带的俘能效果,详细分析了结构的长度比、磁间距、负载阻抗、外激励频率和幅值等对系统线性刚度、非线性刚度以及动力学行为的影响,并进行了实验验证.首先将系统简化为欧拉-伯努力梁,利用拉格朗日方程建立系统的非线性动力学方程,并利用谐波平衡法进行求解.针对理论分析给出的不同外激励频率下的最优长度比,搭建了实验平台进行验证.理论和实验的结果表明:非线性磁力的引入使系统呈现负刚度特性,使俘能器能够在单稳态和双稳态之间的变换,实现低频俘能效果;通过调节可移动铰支座的位置,改变系统的长细比,能够实现从0到16 Hz的宽频俘能效果.

K_0固结粗粒土剪胀特性大型三轴试验研究

采用大型三轴剪切仪对不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了0K固结及各向等压固结条件下的排水剪切试验,探讨了0K固结及各向等压固结条件下粗粒土剪胀性的差异,并检验了修正Rowe剪胀方程对0K固结粗粒土的适用性。结果表明:粗粒土在0K固结条件下,较各向等压固结条件下的剪胀性明显,且这种差异性在密度较小的粗粒料中体现较为突出,而随着密度的增加,差异性逐渐减弱;对试验数据进行非线性拟合,总结出剪胀因子P D与相对密度r D、围压3?之间的关系式,据此可分析不同紧密程度粗粒料剪胀性的强弱;对0K固结粗粒土,修正Rowe剪胀方程能较好地描述其剪胀性。

磁流变阻尼器非参数化模型泛化能力的提高

建立磁流变阻尼器的动态模型以描述其强非线性动力学行为是智能磁流变控制系统设计及应用的关键环节之一。泛化能力是衡量基于人工神经网络技术的磁流变阻尼器非参数化模型性能的重要指标,也是保证控制系统稳定性和可靠性的重要因素。基于磁流变阻尼器的动力学试验数据,提出贝叶斯推理分析框架下的非线性自回归(nonlinear autoregressive with exogenous inputs,NARX)神经网络技术建立磁流变阻尼器的动态模型,通过网络结构优化和正则化学习算法的结合以有效地提高模型的预测精度和泛化能力。研究结果表明,基于贝叶斯推理的NARX网络模型能够准确地预测磁流变阻尼器在周期和随机激励下的非线性动态行为,同时验证了该模型相比于非正则化模型在泛化性能方面的优越性,因此,有利于实现磁流变控制系统的实时、鲁棒智能化控制。

自传感磁流变阻尼器实时阻尼力跟踪控制

为了提高自传感磁流变阻尼器(SMRD)的控制性能,提出考虑SMRD逆向动力学的线性二次高斯(LQG)同位控制策略(i-LQG).采用贝叶斯非线性自回归(NARX)网络方法建立SMRD以控制导向的正向和逆向动力学模型,融入LQG控制回路补偿SMRD的滞回非线性,实现半主动阻尼力跟踪控制.开展试验比较i-LQG控制和基于Heaviside阶跃函数的LQG控制(H-LQG)下SMRD对控制力实时跟踪效果.结果表明,i-LQG控制下输出电压连续变化,改善了SMRD阻尼力实时跟踪性能,误差相比H-LQG控制减小50%;i-LQG控制下的结构系统阻尼比相比于H-LQG控制时提高11%,验证采用i-LQG控制策略可达到更高效的半主动结构控制性能.