2025年, 第51卷, 第2期　刊出日期：2025-07-10

  

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  并联船载平台波浪补偿快速控制原型系统的开发与实验

  刘文吉, 杜佳璐, 李萌, 孙玉清

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 1-9. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.001

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  船载平台通过执行机构来调节其支撑面位姿，隔离船舶运动对其所承载的船载设备的影响，保证船载设备作业像在陆地上一样。设计建造一个可工作在有义波高2.5m及以下海况下的三自由度并联船载平台缩比样机，基于此，利用PC机、OP4510仿真机、MATLAB软件和RT-LAB软件，开发一个并联船载平台波浪补偿快速控制原型（rapid control prototyping，RCP）系统。以一个关节空间波浪补偿控制方案为例，利用MATLAB/Simulink实现该控制方案，并通过RT-LAB将其编译为Redhat系统下的可执行文件，下载到OP4510仿真机上运行，充当原型控制器控制船载稳定平台缩比样机，对该控制方案进行实验验证，实验结果验证了关节空间波浪补偿控制方案可保证船载平台支撑面保持期望的水平位姿，以及所开发的波浪补偿RCP系统的有效性。所开发的波浪补偿RCP系统可缩短实际波浪补偿控制器开发周期，降低开发成本。
  

  
  

  
  
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  基于滑动数据窗口和利普希茨商值法的船舶纵摇运动自适应预测

  徐东星, 尹建川

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 10-21. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.002

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  为了实时准确地反映船舶纵摇运动的非线性、随机性和非平稳性特点，提出了一种基于滑动数据窗口和利普希茨商值法的自适应预测模型。首先，利用滑动数据窗口作为系统局部观测器，将船舶纵摇运动姿态序列进行实时分割；同时采用利普希茨商对当前滑动数据窗口内表示的子系统进行自适应定阶；通过滑动数据窗口和利普希茨商实时为前馈神经网络模型提供在线小批量训练样本，克服单个样本和大批量数据样本对神经网络模型性能的影响。然后，针对基于确定性学习算法的前馈神经网络易陷入局部最优的问题，提出了一种基于改进蝴蝶优化算法训练器的前馈神经网络模型以提高船舶运动姿态的预测精度。在改进蝴蝶优化算法中，引入平衡因子指引的变异算子和最优个体引导机制的信息重组策略，提升算法避免陷入局部最优的能力。最后，通过利用基准测试函数和“育鲲”轮纵摇运动姿态数据集分别验证了改进蝴蝶优化算法和自适应预测模型的有效性和可行性。实验结果表明，改进蝴蝶优化算法比蝴蝶优化算法、粒子群优化算法及飞蛾扑火优化算法具有更好的收敛速度和收敛精度；所提出的自适应预测模型的泛化能力更强，预测精度更高，而且每步平均运行时间均在0.2s以内小于系统采样时间1s。所提出的自适应预测模型不仅能满足实时性要求，而且提高了船舶纵摇运动姿态预报的精度，可为复杂系统在线建模提供一种潜在的解决方案。

  
  
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  规则波浪中船舶垂荡纵摇运动数值预报与仿真

  张腾, 张振华, 薛蕃衍, 李瑞, 申帅, 翟晓峰

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 22-31. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.003

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  为给航海模拟器提供可靠且适用性强的波浪中船舶垂荡纵摇运动数学模型，避免二维切片理论范畴内采用Frank源汇分布法不规则频率影响，基于多系数保角变换法对船舶横剖面进行高精度拟合，采用STF法对船舶横剖面水动力系数与波浪激励力进行积分，操纵运动方程则采用计及船、桨、舵相互作用的Abkowitz模型，实现操纵状态下规则波浪中船舶垂荡纵摇运动的数值预报。以傅汝德数为0.2航行的Mariner轮为仿真对象，当Mariner轮迎浪航行时，垂荡运动幅值响应因子的计算结果与试验结果的相对误差小于8.8%，纵摇运动幅值响应因子的计算结果与试验结果的相对误差小于12.9%，计算结果与试验结果的变化趋势一致；浪向角位于 ~  ，垂荡纵摇运动幅值计算结果关于  对称，垂荡运动幅值计算结果随着波长的增加趋于定值；当Mariner轮开展360°回转操纵，运动耗时3000s，计算机运行时间约为609.3s，满足航海模拟器实时性要求。对Mariner轮垂荡纵摇运动时历进行仿真,并与航海模拟器视景系统相结合。因此，本文所建立波浪中船舶垂荡纵摇运动数学模型能有效地应用到航海模拟器上。

  
  
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  基于AQWA的波浪中多柱体结构水动力分析

  赵志垒, 周子豪

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 32-38. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.004

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  采用AQWA软件对波浪中四柱结构物的水动力开展研究，分析了圆柱体的一阶波浪力和二阶波浪力随波浪频率的变化关系，给出了不同频率下圆柱体周围特征点处的波浪升高以及柱体周围自由面的波面分布。研究结果表明：在kr＜0.5的低频区域时，各圆柱体所受的一阶纵荡波浪力峰值相差不大；在kr ＞0.5的中高频区域时，圆柱一阶纵荡波浪力呈现明显振荡特征，并在kr = 1.68附近达到最大峰值，但是各柱体所受一阶垂荡波浪力区别并不明显。四柱结构纵荡二阶波浪力从结构内指向结构外，随着波长增加，波浪透过四柱体的能力越强，但是在kr = 1.68附近时，四柱体内部空间波浪发生明显的干涉共振，导致柱体周围波浪升高十分显著。本研究揭示了波浪中多柱体之间水动力干扰和共振现象产生的规律，可以为后续海上风机平台桩基受力设计提供一定理论参考。

  
  
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  基于改进人工势场法与模型预测控制的多无人艇编队避障控制

  孙慧, 薛庆, 潘明阳, 张若澜, 郝江凌

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 39-48. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.005

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  针对多无人艇系统经过狭窄水域等复杂环境的情形，提出一种结合人工势场法与模型预测控制的编队控制与避障算法。首先，对传统的人工势场法进行了改进，采用饱和形式的引力势场和分区式的斥力势场，提升无人艇编队在复杂环境中的避障精度和队形保持能力。然后，结合模型预测控制的多步预测优化能力，利用势场力生成的期望轨迹，动态调整控制输入，进而实现编队的稳定控制和高效避障，避免了传统人工势场法在狭窄水域的路径振荡问题。仿真实验结果表明，改进算法在避障成功率、编队稳定性和路径规划效率等方面均优于传统方法，能够有效避免局部最优，保持队形稳定，顺利通过复杂水域，从而验证了算法的有效性。

  
  
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  基于MG-Transformer模型的船舶轨迹预测方法

  王妙妙, 王彦富, 袁思莹, 于惟哲

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 49-57. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.006

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  船舶轨迹预测对于智能船舶理解复杂遭遇场景并做出正确决策至关重要。然而，由于船舶固有的不确定性和多船之间复杂交互影响，预测未来轨迹是一个非常具有挑战性的问题。为此，提出基于多关系加权图Transformer (MG-Transformer）的船舶轨迹预测模型。首先从AIS数据中提取轨迹中相似船舶行为模式，捕获不同移动特征。在此基础上，通过对不同船舶的历史行为模式进行学习，以提高模型预测精度和效率。其次，构造多关系加权图来说明多船之间复杂的空间关系，通过Transformer学习与周围船舶的交互影响以细化轨迹，并预测合理的轨迹。采用宁波舟山港AIS数据开展实验验证，结果表明：在对不同时间步长的轨迹进行预测时，对比LSTM、BiLSTM、Seq2seq、Social-SGCNN, MG-Transformer模型在平均位移误差、最终位移误差指标中均有大幅下降，各项指标平均降低27.54%，所提船舶轨迹预测模型的精度有显著提升，对于海上交通安全和效率至关重要。

  
  
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  渔船用硝酸锂氨吸收式制冰系统性能研究

  徐尚昕, 高洪涛

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 58-65. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.007

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  为提高渔船柴油机余热利用率，研究了渔船缸套冷却水作为驱动热源的硝酸锂-氨吸收式制冷系统的制冰性能。通过热力学模型仿真，分析了发生温度、蒸发温度和冷凝温度等因素对系统性能的影响。研究表明，硝酸锂-氨吸收式制冷系统在发生温度为75℃至85℃的范围内能够稳定运行，COP最高可达约0.5。发生温度较高时系统能够在较宽的蒸发温度范围内维持较高的COP，显示出较强的适应性和可靠性。此外，㶲效率的计算结果表明，高温热源能够更有效驱动系统实现低蒸发温度，冷凝温度的升高会导致ECOP显著衰减。综合分析表明，硝酸锂-氨吸收式制冷系统适用于渔船的海上作业的制冰需求，能够高效利用渔船的余热进行制冷，具有较好的能源利用潜力和节能减排效果。

  
  
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  基于作业能耗的港口新能源混合动力拖轮调度

  初良勇, 林嘉辰, 黄先婷, 杜嘉音, 张一鸣

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 66-76. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.008

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  为促进绿色港口建设，将新能源混合动力拖轮引入传统拖轮调度问题中，结合拖轮在不同作业工况下的能耗特点，构建以船舶在港总成本、拖轮作业产生的电耗成本与油耗成本之和最小为目标的混合动力拖轮调度混合整数线性规划模型。针对问题的特点设计了嵌入启发式规则的鲸鱼优化算法进行求解，在小规模算例时可以求出与Gurobi误差在0.00%至1.96%内的较优解。算例求解结果显示，通过优化调度混合动力拖轮可有效降低6.91%的拖轮作业总成本与20.80%的燃油消耗量；敏感性分析体现出总成本及油耗随混合动力拖轮数量、电池容量与单位时间充电量三种参数的增加呈现下降趋势，并且三种参数在合理范围内取值时可有效降低总成本。研究可为港口拖轮实际运营提供理论支撑与决策参考。

  
  
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  分时电价下岸电与泊位联合分配优化研究

  王孝坤, 董泽锦, 王雨薇, 孙世超

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 77-86. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.009

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  考虑到分时电价机制在降低船舶能源成本方面的潜力、岸电设备连接与断开对船舶停泊时间的影响，以及已改装船载受电系统船舶的数量等实际因素，本研究旨在提高码头运营效率并减少船舶停泊期间使用辅机产生的碳排放，在分时电价机制下合理规划船舶岸电使用与泊位分配，提出岸电与泊位联合分配方案。为此，构建总运营成本最小和总碳排放成本最小的双目标优化模型，并设计结合启发式方法、邻域拥挤度计算与动态拥挤度更新策略的改进非支配排序遗传算法(NSGA-II)求解模型。基于某集装箱码头的实际情况进行算例测试与敏感性分析，结果表明：大部分规模算例下，本文设计的改进NGSA-II算法在计算结果和性能方面均优于传统NSGA-II算法；改装船比例70%时，总碳排放成本降幅最大，总运营成本增幅最小；谷时段最长的峰谷时段划分相比最短的划分，总运营成本降低7.65%，总碳排放成本降低2.47%，用电船舶数量增加33%，谷时段电价对船舶用电更具有吸引力；分时电价有助于降低总运营成本，船舶成本中等待成本和偏离成本对总运营成本影响较大，而延迟成本影响较小。
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  考虑工作量平衡的大型商超订单分批与拣货路径优化研究

  刘进平, 徐宁

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 87-96. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.010

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  在大型商超线上订单分拣系统中，考虑分拣员之间工作量平衡，研究了订单分批与拣货路径优化问题。针对拣货员数量有限的“先拣后分”仓店一体分批拣货场景，构建考虑工作量平衡和拣货效率双目标的订单分批与拣货路径优化模型，结合K-means聚类和贪婪算法的最近邻点策略设计改进的NSGA-Ⅱ算法进行求解。基于沃尔玛等超市运作情况设置拣货布局和算例参数，通过不同规模的算例验证了模型正确性和算法有效性。实验结果表明，以极差作为平衡指标的双目标订单分批与拣货路径优化模型不仅可以实现工作量平衡而且对拣货效率的负面影响更小；当种群规模设置为50和迭代次数为100时算法可以获得优质解；基于“先拣后分”的订单分批与路径优化策略比按单分拣可以平均缩短订单最终完成时间44.37%。结论表明，双目标模型和算法有利于在工作量平衡和拣货效率两个目标之间取得平衡，既可以提高拣货效率，又可以满足拣货员之间工作量平衡的要求。

  
  
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  基于无人船感知的自适应光照与特征增强算法

  邹存龙, 吕正恺, 王宁

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 97-105. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.011

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  针对无人船自主航行过程中因光照不均匀及感知图像纹理模糊而导致的特征点匹配失败问题，本文提出了一种自适应校正与特征增强图像预处理算法。首先使用了非锐化掩蔽，起到了增强图像细节的效果，随后通过多尺度高斯卷积在亮度通道提取光照分量，并使用了二维伽马校正起到了均匀化亮度的效果，对色调通道使用了高斯滤波，起到了抑制低通噪声的效果，最后使用了直方图均匀化算法，起到了提升图像对比度的效果。相比于MSR算法、MSRCR算法和SSR算法，本文算法平均梯度最多分别提高了50.55%、151.21%和43.68%，特征匹配准确度最多分别提升了86.81%、176.08%和61.96%。本研究成果为无人船自主航行中的视觉感知图像提供了预处理技术，提升了图像质量，具有一定的应用价值。

  
  
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  基于可变形卷积和注意力机制的SAR图像溢油检测模型

  张雅, 陈澎, 刘丙新, 刘鹏, 夏辰旭

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 106-114. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.012

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  针对现有的目标检测模型在提取溢油区域复杂特征以及识别不规则形状溢油区域存在的局限性，提出一种改进后的Mask R-CNN模型，使其更好地适应海面溢油检测任务。首先，在该模型特征提取网络中引入可变形卷积模块，提升模型对不规则形状溢油区域的感知能力；其次，在模型中加入改进后的注意力机制，使模型在增强对溢油区域关键特征捕捉能力的同时增加较少的参数；最后，使用完全交并比损失函数(Complete Intersection over Union Loss，CIoU Loss)作为目标框回归损失函数，从而提升模型在边界框回归任务上的性能。在公开的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)海面溢油数据集上的实验表明，改进后的模型检测精度为66.14%，相比原始Mask R-CNN模型提高了5.33%。此外在同一数据集的基础上与目标检测模型Yolov9、Yolov10、Faster R-CNN以及Cascade R-CNN模型相比，精度分别提高了31.79%、 19.01%、30.47%和21.02%；与实例分割模型Yolact和Yolov5-seg模型相比，精度分别提高了22.94%和29.5%。

  
  
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  基于离散元分析的各向异性砂土循环荷载下的宏微观液化特性

  李书兆, 孙国栋, 张安, 王栋, 崔春义

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 115-124. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.013

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  利用离散元法分析初始各向异性砂土在非对称循环荷载下的液化行为。通过生成椭球颗粒制备各向异性砂土试样，采用常体积法开展不排水循环三轴剪切模拟，分析循环加载过程中力学配位数、冗余指数和组构各向异性的演化，揭示砂土在微观层面的液化特征。结果表明，离散元模拟有效反映了非对称循环加载条件下密砂更高的抗液化能力。试样在完全液化时，力学配位数和冗余指数分别降至0.35和2.4，这与是否对称循环加载无关。不同加载条件下，颗粒长轴的组构随着循环加载由各向异性向各向同性转变。在应力反转条件下，液化发生后，颗粒长轴组构各向异性迅速减小，同时，接触法向组构发生显著变化并出现方向切换。初始液化均发生在接触法向组构各向异性变量从负值逐渐接近0的过程中。研究结果有助于深入理解液化的微观力学机制，有助于构建复杂加载条件下各向异性砂土循环液化的宏观本构模型。
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  多孔碳化硅抑制氢-空气爆燃的效果及机理

  梁焯辉, 张彬, 朱文斌, 夏远辰, 王博乔, 张斯琦

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 125-134. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.014

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  为研究多孔碳化硅在氢动力船舶中对氢气爆燃事故的抑制效果及机理，搭建了可燃气体半开敞抑爆实验平台，通过改变多孔碳化硅的放置位置、孔径及当量比等参数探究其抑制氢空气预混气体爆燃的效果，并结合数值模拟分析其抑爆机理。结果表明：多孔碳化硅对氢气空气爆燃的抑制作用机制包括吸热降温、火焰淬熄及超压衰减。然而，多孔碳化硅也会对未燃气体产生扰动，导致火焰形态变形，从而加剧爆燃反应。在相同孔径和当量比条件下，材料距离点火源较近时，抑制效果显著，因为火焰到达多孔碳化硅表面时，两侧的压差较小，从而降低了火焰在孔道中的流动速度，进而中断了能量传递并使火焰熄灭。在氢空气当量比为0.4、距离点火源110 mm工况时，40 PPI和50 PPI的多孔碳化硅均能有效抑制氢气火焰传播，火焰速度峰值分别降低5.2 m/s和12.5 m/s，超压峰值的衰减率分别为26.5%和7.2%；在距离点火源220 mm工况时，50 PPI孔径的碳化硅可有效淬熄大部分火焰，火焰速度和超压峰值分别降低10.5%和13.9%；在距离增至330 mm时，三种孔径的碳化硅均无法有效阻止火焰传播，相反，由于对火焰锋面的破坏作用，导致爆燃反应更加剧烈。不同当量比下，燃烧的能量释放和反应速率存在差异，这也会直接影响多孔碳化硅的抑爆效果，当量比降至0.3时，多孔碳化硅的抑爆效果增强；当量比提高至0.5时，能量释放增加，导致碳化硅的抑制效果减弱。
  

  
  

  
  
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  具有稀疏沟槽的水凝胶柔性表面减阻特性的实验研究

  陈炜龙, 苏风民, 王湛源, 常超, 彭本利

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 135-142. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.015

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  使用聚乙烯醇水凝胶柔性表面作为水下减阻材料，添加海藻酸钠和羟丙基甲基纤维素来增强其弹性和机械强度。使用转盘测阻法对不同间距的流向沟槽柔性表面和垂直流向沟槽柔性表面的减阻性能进行测试，分析它们对圆盘减阻性能的影响机制。结果表明：无沟槽水凝胶柔性表面在层流时具有良好的减阻效果，但在湍流时会丧失减阻效果，起到增阻的作用；两种具有稀疏沟槽的水凝胶柔性表面在层流时减阻率更高，并且在高雷诺数的湍流状态下也能保有一定的减阻效果，不会起到增阻的作用。
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  激光合金化制备FeMnSi记忆合金涂层的工艺及性能

  孙毓彬, 牛豪杰, 林成新, 张环宇

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 143-153. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.016

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  为提高FeMnSi记忆合金应力诱发γ↔ε马氏体相变的应力自适应特性，提升其疲劳强度、耐磨性、释放残余应力、减小应力集中以及抑制微裂纹的能力，本文研究了316不锈钢表面通过激光合金化制备FeMnSiCrNi记忆合金涂层的工艺及其性能特性。研究采用激光合金化技术在316不锈钢表面制备FeMnSiCrNi记忆合金涂层，使用有限元分析软件ANSYS对涂层熔池形状与尺寸进行仿真模拟，优化激光合金化工艺参数后筛选出最佳工艺为激光功率2000 W、扫描速度400 mm/s、离焦距离-30 mm、重叠率50%。随后，通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、X射线应力分析仪、显微硬度计和摩擦测试仪，系统分析涂层的微观结构、残余应力分布、力学性能及耐磨性。观察结果表明涂层结构致密，表面光滑，与316不锈钢基体形成了良好的冶金结合，主要由γ奥氏体相和部分ε马氏体相组成。激光合金化过程中产生的残余应力诱发了γ→ε马氏体相变，涂层冷却后中间区域的横向残余应力表现为压应力，两侧逐渐转为拉应力，沿激光扫描方向呈现“压应力→拉应力→压应力”分布。FeMnSiCrNi记忆合金涂层硬度显著高于316不锈钢基体，且摩擦系数较低。干摩擦条件下，在10 N、15 N和20 N载荷下，Fe₁₇Mn₅Si₁₀Cr₅Ni涂层的摩擦系数分别为0.46、0.57和0.97，而不锈钢基体的摩擦系数分别为0.57、0.98和1.33。在干摩擦持续10分钟条件下，Fe₁₇Mn₅Si₁₀Cr₅Ni涂层的磨损量分别为0.17 g（10 N载荷）、0.29 g（15N载荷）和0.50g（20N载荷），显著低于316不锈钢基体的0.42 g（10 N载荷）、0.81 g（15 N载荷）和1.12 g（20 N载荷）。FeMnSi记忆合金涂层的磨损机制为磨粒磨损，而316不锈钢基体主要表现为粘着磨损。试验结果表明通过激光合金化技术制备的Fe₁₇Mn₅Si₁₀Cr₅Ni记忆合金涂层表现出优异的力学性能与耐磨性能，并验证了γ→ε马氏体相变对涂层性能优化的重要作用。该涂层不仅显著提高了316不锈钢的硬度和耐磨性，同时优化了摩擦系数与残余应力分布，为设计高性能FeMnSi记忆合金材料的设计提供了新的理论依据与实践，为金属表面改性提供了全新的解决方案。

  
  
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  基于LSTM的含油污水膜分离效果实验与预测方法

  鱼亨洋, 张彬, 刘小超

  大连海事大学学报. 2025, 51(2): 154-164. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2025.02.017

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  为探究船舶油水分离器中陶瓷膜的分离机理与预测方法，基于自建实验平台，系统考察了含油浓度、膜孔径与跨膜压差对分离效率及通量的影响。结果显示，无论浓度、孔径或压差如何变化，截留率均大于99%；但通量衰减受该三者制约显著，影响顺序为：含油浓度＞跨膜压差＞膜孔径。以孔径1 μm、压差0.10 MPa为例，当浓度由50 mg/L升至200 mg/L时，通量衰减率从2%增至12%；以浓度100 mg/L为例，压差从0.05 MPa升至0.20 MPa，可使初始通量达583 L/(m²·h)，但平均衰减率达8%；在0.10 MPa条件下，孔径由0.5 μm增至2 μm时，高浓度下通量由368 L/(m²·h)降至312 L/(m²·h)，衰减率达16%。为此，提出了结合影响机制的膜分离效果预测网络Flow-LSTM，该模型通过时空特征提取、注意力融合与残差连接，有效缓解了传统LSTM对历史信息筛选不足与损耗问题，并将关键变量排序结果作为输入控制模型。与MLP、RNN、LSTM及GRU基线对比，Flow-LSTM在R²、MSE和MAE指标上均优于基线，较原始LSTM模型，R²提升5%，MSE和MAE分别下降21%和22%。