2021年, 第48卷, 第1期　刊出日期：2021-01-20

  

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综述
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  埃洛石纳米管对聚乳酸基材料的改性研究进展

  庄卓欣, 金婷婷, 宁振勃, 蒋妮, 甘志华

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 1-8. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.001

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  埃洛石纳米管（HNTs）是一种天然的无机纳米管状材料，具有与高岭土相似的化学组成以及与碳纳米管类似的一维结构，因其来源广泛、价格低廉，并且具有较大的长径比、较大的比表面积以及高模量等特点，近年来受到广泛关注并被应用于高分子材料的改性之中。本文在HNTs的结构特点和现有的表面改性方法的基础上，梳理了近年来HNTs用于聚乳酸（PLA）基聚合物复合材料改性的相关研究工作，重点关注了HNTs对材料的热稳定性、相结构、结晶性能、降解性能、机械性能以及生物医学性能方面的影响，展望了HNTs改性PLA复合材料的研究和应用前景。
化学与化学工程
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  基于事故因果分析的化工园区脆弱性识别

  张建文, 王佳录, 丛晓明, 许欣荣, 赵红烨

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 9-16. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.002

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  化工园区脆弱性分析是传统风险分析的重要补充内容，近年来引起了越来越多的关注，然而目前的研究主要集中于脆弱性概念和评价方法上，忽略了脆弱性识别这一关键问题。脆弱性识别是脆弱性评估的关键步骤，对评价内容和评价指标选取具有重要作用。针对化工园区脆弱性识别研究理论和方法欠缺的问题，从事故机理角度提出“干扰-状态-后果”脆弱性理论模型，利用事故因果分析法，从事故过程分析出发对化工园区脆弱性因素进行识别，并建立脆弱性评价指标体系。将指标体系应用于江苏某化工园区的脆弱性评估中，结果表明，基于事故因果分析的脆弱性识别方法为指标体系的建立和评估过程提供了依据，对化工园区具有适用性。
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  基于人工神经网络的联合厌氧消化产气预测模型

  郭荣欣, 邹德勋, 刘研萍

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 17-24. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.003

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  有机固体废物厌氧消化为非均相体系，预警调控对系统的稳定运行非常重要。为了准确预测负荷跨越式提升的联合厌氧消化体系的日产气量，利用灰色关联分析方法量化了厌氧消化体系中常见因素间的关联度，评估了厌氧消化体系的复杂程度，构建了反向传播（back propagation，BP）神经网络对日产气量进行预测。结果表明，各指标间的灰色关联度均大于0.7，表明厌氧消化体系中各参数之间关系的高度的关联性和复杂性。利用试验获取的148组数据作为BP神经网络的训练集和测试集，构建的BP神经网络精度较高，对148组样本数据的平均预测准确率达到99.17%，对日产气量具有较好的预测能力。
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  硫酸化改性对TiO₂负载的铈基脱硝催化剂的活性及抗碱金属性能的影响

  徐托雨, 蔡思翔

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 25-33. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.004

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  采用浸渍法对TiO₂负载的铈基催化剂进行了硫酸化改性，同时制备了未经硫酸化改性的催化剂与之对比，通过X射线衍射（XRD）、比表面积测试（BET）、氢气程序升温还原（H₂-TPR）、X射线光电子能谱（XPS）和吡啶红外光谱（Py-IR）等一系列手段对催化剂进行了表征。结果表明，硫酸化改性不仅能够增加催化剂表面的化学吸附氧的含量，提高催化剂的氧化还原性，而且还能极大地丰富催化剂表面的布朗斯特酸位点和路易斯酸位点，以此来增加催化剂的酸性，使得催化剂的低温活性有所提升并拓宽其温度窗口。此外，硫酸化改性为铈基催化剂表面增加了额外的超强酸位点，使催化剂在受到碱金属的毒害后，仍有大量的酸位能得以保留，能够维持对NH₃的吸附，进行催化反应循环，极大地提升催化剂的抗碱金属性能。
材料科学与工程
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  木质素接枝右旋聚乳酸的结晶行为及对左旋聚乳酸的结晶促进作用

  庄卓欣, 李甜甜, 金婷婷, 周紫薇, 宁振勃, 蒋妮, 甘志华

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 34-40. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.005

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  木质素（lignin）作为仅次于纤维素的第二大可再生生物质资源，近年来受到广泛关注并已被应用于高分子材料的改性。本文在对碱木质素烷基化修饰的基础上，利用其丰富的羟基对右旋丙交酯进行开环聚合，制备了一系列不同分子量的烷基化木质素接枝右旋聚乳酸（LGPD）。通过对LGPD自身结晶行为的研究表明，木质素的存在能够促进右旋聚乳酸（PDLA）的结晶，提高其吸收紫外线的能力。相对于4臂右旋聚乳酸（4a-PDLA），将LGPD作为添加剂加入到左旋聚乳酸（PLLA）后更有利于立构复合晶的形成，从而进一步提高了共混材料的结晶能力。
生物技术与环境工程
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  过表达蛋白合成与分泌相关蛋白提高CHO细胞anti-hLAG3产量

  刘立苹, 喻长远, 许立达

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 41-48. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.006

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  对比研究了过表达蛋白合成与分泌途径中的20种蛋白对瞬时表达细胞（ExpiCHO-S细胞）表达anti-hLAG3产量的影响，考察了转录因子XBP1s对ExpiCHO-S细胞生长、抗体产量和抗体亲和力的影响。结果表明，当所研究蛋白的表达质粒与anti-hLAG3质粒以1：4的质量比共转染时，XBP1s能够使抗体产量提高约30%，GADD34、NFKBIz、CERT、C/EBPα和mTOR的过表达则会明显降低抗体产量，其他14种蛋白对抗体产量的影响较小。随着XBP1s共转染比例的增加，其对anti-hLAG3生产的促进作用增强，当共转染比例提高到60%时，相对于共转染比例为60%的EGFP，可使转染后168 h的抗体产量提高到2.1倍。此外，XBP1s的过表达对活细胞密度和细胞活率以及抗体亲和力的影响均较小。以上结果表明XBP1s可作为细胞工程的一个有效靶标用于提高CHO细胞重组蛋白的生产性能。
机电工程和信息科学
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  基于共振稀疏分解与子带增强的滚动轴承声学诊断方法

  于功也, 马波, 闫戈

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 49-57. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.007

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  针对轴承声信号易受环境噪声干扰，导致声学诊断结果准确率低的问题，提出一种结合共振稀疏分解与小波降噪选取核心冲击子带、对信号进行二次降噪的滚动轴承诊断方法。首先采用共振稀疏分解算法对原始声信号进行降噪处理，提取信号瞬态冲击成分；然后通过小波包变换对信号进行分解，依据各子带信号峭度值选取核心冲击子带信号进行线性叠加并重构；最终通过包络谱分析确定轴承故障。故障模拟实验结果表明，本文方法可有效增强复杂声场环境下轴承声信号的冲击特性，实现针对滚动轴承的声学诊断。
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  基于小规模手写体汉字数据集的数据增强方法

  沈强, 李辉, 张燕

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 58-65. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.008

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  针对深度卷积生成对抗网络（DCGAN）在小规模手写体汉字数据集下生成数据重复多样、分类效果较差的问题，提出结合传统数据增强方法的结合式生成方法X-DCGAN。该方法通过预增强模块给予神经网络部分更充足多样的训练数据，减少因网络过拟合与训练不充分而出现的样本重复率高、学习效果较差的状况。实验结果表明，本文方法生成的样本数据较单一方法在样本多样性方面显著提高，生成数据进行分类测试时获得的平均识别率较DCGAN方法提升了9.67%。X-DCGAN充分发挥了传统数据增强方法和生成式方法各自的优势，能够更加有效地解决小规模数据集的扩展与增强问题。
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  自动平衡补偿矢量精稳测算方法研究

  陈立芳, 周博, 李兆举, 郭仪翔, 晏资文

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 66-73. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.009

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  自动平衡系统中配重块定位的准确性直接影响动平衡效果，如果定位不准确将导致配重块移动混乱，甚至造成平衡失败。以电磁式双配重平衡系统为研究对象，提出一种基于可编程逻辑控制器（PLC）高速采集的自动平衡配重块位置精稳测算方法，并在螺旋桨自动平衡试验台进行试验验证，实现了自动配平补偿矢量的精稳测算，结果表明在1 200 r/min的工作转速下误差不超过1步。该方法脱离了对计算机和高速数采设备的依赖，提高了控制系统的稳定性和灵活性，有利于实现自动平衡系统的轻量化设计，具有良好的工业应用价值。
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  基于改进蜂群算法和灰色模型的管道腐蚀预测

  秦谢勋, 刘文彬, 陈良超

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 74-80. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.010

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  为了解决缺少大量数据样本情况下油气管道剩余寿命预测问题，采用GM（1，1）模型预测管道腐蚀趋势。考虑到GM（1，1）模型自身存在的缺陷，采用指数变换预处理原始数据和动态生成系数重构背景值两种方法改进GM（1，1）模型的建模过程，并运用改进的蜂群算法（IABC）求解全局最优动态生成系数，进而建立改进的蜂群算法优化的指数变换灰色模型（IABC-EGM（1，1））。利用弯头测厚数据进行验证分析，GM（1，1）模型的平均相对误差为4.92%，IABC-EGM（1，1）模型的平均相对误差为2.28%，表明模型的预测精度得到了提高。
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  基于马氏距离的最终执行元件功能安全失效表征

  李汝孟, 赵利强, 曹志宇

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 81-86. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.011

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  针对现有最终执行元件功能安全失效分析方法未能切实考虑实际工况的不足，提出了一种基于马氏距离的最终执行元件功能安全失效表征方法。预先获取各状态下最终执行元件的工况参数，构建样本空间，计算其中各样本的马氏距离；其次对马氏距离进行Box-Cox变换，使其满足正态分布后，由3σ准则确定各状态的阈值，构建最终执行元件的失效表征模型；最后利用所设计的检测系统检测工况参数，构建样本向量，通过所构建的失效表征模型实现最终执行元件功能安全失效表征。仿真实验和现场实验结果表明，本文方法能够准确识别出最终执行元件的功能安全失效，为其失效分析提供了一种新的方法。
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  蜂窝密封技术在空分增压机级间密封上的应用

  王胜利, 何立东, 亢嘉妮, 张雨霏, 朱港

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 87-94. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.012

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  针对内蒙古某煤化工厂空分增压机组在生产过程中存在的推力轴承瓦温度偏高等问题，提出了对增压机级间密封进行整体蜂窝技术改造的方案。通过对级间密封结构优化前后叶轮端面轴向受力变化的理论分析及利用计算流体动力学（CFD）软件进行仿真验证，得出级间密封的失效是引起转子轴向力变大的主要原因，并对增压机级间密封进行了蜂窝技术改造。改进后的级间密封结构使得增压机级间串气量减小，叶轮两侧高压气体压力差有所降低，各级压缩效率得到提高，解决了推力轴承瓦温度偏高和气体出口压力不足等问题。蜂窝密封技术在空分增压机级间密封上的成功应用，为解决高速离心压缩机轴向力过大这一问题提供了新的有效方案和改进措施，值得进一步应用推广。
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  锥形结构对锥孔组合型机械密封端面变形及密封性能的影响

  程香平, 张友亮, 康林萍

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 95-102. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.013

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  考虑密封系统各组件间接触受力及封闭流体与端面间的力作用，提出锥/孔组合型动压机械密封，构建端面密封流/固耦合理论模型，并将相应的有限元软件与计算机语言编程相结合，通过迭代计算获得端面膜压场及其变形情况，探究端面锥度和锥面宽度比在低、高压工况下对密封性能的影响规律。结果表明：随锥度φ的增大，高压区缩小，低压区扩张，孔区内液体所形成的压力峰值越来越陡峭，使得静圆环端面上产生周期性波式变形和倾斜锥度变形，变形情况与膜压场的形状相类似；动圆环端面锥度变形比较明显，波式变形不明显，且随φ的增大，锥度变形也越来越大。无论是对于较低速、低压或是较高速、高压状态下的机械密封，当端面特征几何结构参数选取为锥度φ=0.8~1.6、锥面宽度比γ=0.8~1时，机械密封均可获得优良的综合性能。
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  基于干扰观测器的AUV深度自适应终端滑模控制

  饶志荣, 董绍江, 王军, 蔡巍巍, 刘伟

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 103-110. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.014

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  针对欠驱动自治水下机器人（autonomous underwater vehicle，AUV）在外部干扰和系统内部扰动下深度难以控制的问题，提出基于非线性干扰观测器（nonlinear disturbance observer，NDO）的自适应终端滑模控制方法。首先建立欠驱动AUV在垂直面上的状态方程并对其简化，其次根据简化后的系统状态方程构建NDO对外部干扰进行观测，再结合反步法设计出自适应终端滑模控制器；最后通过李雅普诺夫稳定性理论证明控制系统的稳定性。结果表明：欠驱动AUV最大跟踪误差为0.137 5 m，峰值时间为2.1 s，证明了所设计的控制器能够实现深度控制，降低抖振，具有较强的鲁棒性。
管理与数理科学
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  共面磁场中两平行平板间层流稳定性吸引域半径的研究

  李紫奕, 许兰喜

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 111-114. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.015

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  考虑一水平方向无限的夹层，夹层中充满均匀的不可压缩的黏性导电流体，其中与流体相邻的介质是不导电的，并且夹层处于共面磁场中。文献[4]和[5]通过定义不同的广义能量泛函对该问题的层流解的非线性稳定性进行研究，并分别得到了层流解条件稳定的充分条件，本文通过比较这两篇文献中不同广义能量泛函下稳定性吸引域半径的大小来比较不同广义能量泛函的优劣。吸引域半径对比结果表明，共面磁场会导致文献[4]中的吸引域半径减小，但不会影响文献[5]中的吸引域半径。
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  高阶紧致差分方法在五次非线性Schrödinger方程中的应用

  王普, 姜珊珊, 肖聪

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(1): 115-118. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.01.016

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  用紧致分裂的思路给出五次非线性Schrödinger方程的一个数值格式，使其收敛阶为O（τ²+h⁴）。首先在时间上用Strang-type方法将原方程离散分为两个子方程，其中一个有显示解，这样仅对另一个子方程进行高阶差分即可。然后证明此分裂差分格式满足电荷守恒。最后给出数值实验证明格式的收敛阶。