上海交通大学学报

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数字赋能,医工破局:四肢骨关节炎数字化诊疗关键技术的创新与启示(特邀)

唐佩福, 李国安, 刘朝宗, 宋志坚

2026,60 (3): 349-354.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2026.066

摘要 ( 27 )

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PDF(779KB) ( 20 )

系统评述了王金武教授团队在四肢骨关节炎(osteoarthritis, OA)数字化诊疗领域取得的突破性成果.针对传统OA诊疗面临的早期筛查难、阶梯治疗缺乏生物力学适配及术后康复脱节等痛点,该团队立足医工交叉与数字赋能,构建OA“筛-治-康”新模式.项目研发了双平面荧光透视系统,实现动态精准筛查;提出“关节减荷力学矫治”理论,结合3D打印个性化矫形器、干细胞富集技术及定制假体实现精准治疗;首创基于物联网的远程云康复网络.该体系在微观代谢机制的耦合及产业化降本方面仍有优化空间,但未来若深度融合类器官与数字孪生等前沿技术,必将推动OA诊疗迈向多维精准的新阶段,彰显医工交叉赋能人类健康的深远价值.

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单孔腔镜手术机器人技术突破与启示:评徐凯团队术锐系统(特邀)

童振, 龚正, 王东泽, 王心怡, 谢子阳

2026,60 (3): 355-363.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2026.058

摘要 ( 28 )

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PDF(8923KB) ( 16 )

随着微创外科由多孔向单孔范式深度演进,在极度受限空间内实现高载荷灵巧操作与多器械运动解耦已成为行业核心瓶颈.为剖析国产单孔手术机器人技术现状并探究其智能化演进路径,针对上海交通大学徐凯教授团队首台获批上市的“术锐”系统及相关研究展开系统性学术述评.首先,从机构学视角出发,解构依托原创双连续体机构打破国外技术垄断的技术路径,评估其在 12 mm 极小入路下兼顾高载荷与灵巧性的刚柔耦合设计,并分析其在多术式范式下的通用化价值;其次,在建模与感知层面,梳理从常曲率假设向变曲率动力学补偿的理论跨越,并阐述从无标记视觉跟踪向智能化感知辅助的技术迭代策略;再次,理性辨析该系统在复杂工况非线性补偿、高保真触觉反馈及长效临床实证等维度的演进空间.研究表明,徐凯教授团队研发的单孔手术机器人实现了核心机构自主创新与临床转化的里程碑跨越.单孔机器人正处于由被动主从工具向主动智能化平台转型的关键期,未来应聚焦构建多模态感知与智能决策架构,逐步实现从遥控操作到自主智能的跃迁,推动微创腔镜手术机器人技术迈向智能协作者新形态.

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基于频域方法的漂浮式风力机水动力-气动力-控制耦合动力响应特性研究

京炅琳, 许玉旺, 杨舟, 宋斌, 张萌萌, 任浩杰

2026,60 (3): 364-376.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.251

摘要 ( 365 )

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PDF(3706KB) ( 342 )

风浪流联合作用下浮式风力机动力响应时域计算方法已经得到较为充分的研究和发展,但是计算效率相对较低,在浮式风电场机组排布优化以及浮式风力机和系泊系统初步设计方案优化中应用时需要巨大计算资源,因此本文聚焦于可实现浮式风力机动力响应快速计算的频域分析方法,同时考虑一阶和二阶波浪载荷、风轮脉动风载荷、细长杆件黏性载荷、系泊系统以及风力机变桨控制策略等多种环境载荷因素.首先,针对风力机额定以下作业、变桨作业以及停机等不同工况,将频域方法计算结果与OrcaFlex软件时域预报结果进行了对比分析,二者在动态响应频谱及统计值方面都有较好的一致性,验证了本文频域分析方法的适用性及准确性,为浮式风力机的初步设计及参数敏感性分析提供可靠的参考价值;进一步,基于该频域方法,研究了风浪参数、二阶波浪力以及是否考虑风力机控制策略对浮式风力机动力响应特性的影响.

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基于Wallops谱的短期波浪波高周期联合分布

马永亮, 陈炜, 韩超帅, 张应铭, 陈小康

2026,60 (3): 377-386.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.477

摘要 ( 207 )

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PDF(1891KB) ( 240 )

为了准确预报短期波浪波高周期的联合分布,基于条件概率方法提出一种新模型. 在新模型中波高分布采用双参数威布尔分布描述,条件周期分布采用对数正态分布描述. 考虑波浪谱形状的影响,采用谱宽范围较大的Wallops谱,并给出新模型中参数表达式.以Wallops谱和实测波浪谱为靶谱,通过仿真得到波高周期的联合分布.以仿真数据为基准,将新模型与5种常用联合分布模型进行对比;同时分析各模型的波高和周期分布以及各模型预报误差产生原因.结果表明,在Wallops谱和实测波浪谱中,新模型与仿真数据最接近,其他5种模型仅在部分情况下较接近. 此外,新模型采用显式闭合表达式,便于推广到非高斯波浪情况.

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面外均匀流中π形水下跨接管涡激振动响应特性试验研究

林钰佳, 张萌萌, 付世晓, 邓鹏乾, 白英利, 许玉旺

2026,60 (3): 387-398.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.255

摘要 ( 146 )

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PDF(26661KB) ( 223 )

水下跨接管作为水下生产设施的核心组成构件,易在海流作用下发生涡激振动(VIV)现象,导致结构疲劳损伤.目前国内外针对跨接管的涡激振动试验研究甚少,对其响应特征的认识仍为空白.为此,本文开展了面外均匀流中π形水下跨接管涡激振动机理性试验,通过模态分析法、小波变换等数据处理方法对不同流速下的应变数据进行分析,得到结论如下:在面外均匀流中,π形跨接管顺流向(IL方向)与横流向(CF方向)主导频率呈现出与单根立管所不同的3倍、4倍频率比;π形跨接管IL和CF方向应变随流速的增加呈现出一个主导模态下类似一个倒二次函数的变化规律,且两个方向上的应变峰值均出现在同一流速下.

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叶尖侧斜与纵倾耦合对Kappel螺旋桨水动力性能的影响

陈振纬, 陆家林, 陈旭鹏

2026,60 (3): 399-407.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.144

摘要 ( 202 )

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PDF(5433KB) ( 243 )

为探究叶尖侧斜与纵倾对Kappel螺旋桨水动力性能的耦合影响,应用四阶B样条方法,设计改变Kappel螺旋桨侧斜和纵倾的径向分布,构建8型螺旋桨;采用SST k-ω+γ(k为湍流动能;ω为比耗散率;γ为间歇因子)转捩湍流模型进行仿真,并以Kap509螺旋桨来验证仿真的精确性,螺旋桨敞水效率的数值结果与试验结果相比偏低1.06%~2.50%.研究发现,在进速系数J=0.8附近,除常规端板螺旋桨外,Kap01系列螺旋桨效率均超过Kap02系列,平均提高3%,其中以侧斜为24°时的情况最突出,效率提升幅度达4.78%;在J=0.9~1.0时,螺旋桨效率随着侧斜的增大而升高.在低纵倾分布下,适当提高螺旋桨的叶尖侧斜,纵倾与侧斜的耦合作用可强化Kappel螺旋桨的端板效应,从而提升Kappel螺旋桨的推进性能.

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斜流条件下螺旋桨空泡特性的数值研究

于凯, 成晨, 时光宇, 刘登成, 王超

2026,60 (3): 408-417.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.124

摘要 ( 285 )

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PDF(18124KB) ( 258 )

为研究螺旋桨在斜流工况下的空泡特性并定量分析桨叶空泡面积,以PC456螺旋桨模型为研究对象,基于OpenFOAM平台,采用SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对PC456桨在斜流下的空泡性能进行了数值计算研究,计算了不同相位处桨叶表面的空泡形态和空泡面积.研究发现斜流对螺旋桨空化水动力性能的影响随着斜流角的增大而增加.在[-90°, 40° ]相位范围内,桨叶的空泡面积在-20° 相位处达到最大,且斜流角增大后,空泡面积的变化幅度也有所增加.此外,空泡面积的数值计算结果与实验值吻合较好,尤其在低空泡数工况下,证明了本文采用的数值计算方法的有效性.

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基于GRU-MPC的双全回转推进拖轮轨迹跟踪控制

李诗杰, 刘泰序, 刘佳仑, 董智霖, 徐诚祺

2026,60 (3): 418-426.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.146

摘要 ( 373 )

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PDF(5778KB) ( 329 )

针对双全回转尾推进拖轮轨迹跟踪控制问题,提出通过门控循环单元(GRU)神经网络构建拖轮三自由度运动数据驱动模型,并基于GRU模型构建模型预测控制(MPC)轨迹跟踪控制器,克服传统控制方法对精确系统机理模型限制.在不改变拖轮推进器转速前提下,通过调节左右舵角对拖轮速度与航向进行调控,并通过仿真实验验证所提出方案的有效性.在噪声干扰下,模型精度良好.通过对比不同预测步长下的控制性能,探讨预测步长对控制效果及求解时间的影响.当预测步长增加时,控制精度得到提升,但由于优化求解复杂度提升,求解时间增加.本研究为拖轮的精确轨迹跟踪控制提供新思路,也为类似非线性系统控制研究提供有价值的参考.

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基于分层优化的双喷水推进器无人艇推力分配方法

陆展, 王健, 马庆严, 徐昌健, 梁晓锋

2026,60 (3): 427-439.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.250

摘要 ( 294 )

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PDF(6711KB) ( 276 )

推力分配是实现双喷水推进器无人艇矢量推进的重要手段,然而由于喷水推进器存在推力角度限制、倒斗负向力等特性,现应用于全回转推进器船舶上的推力分配方法无法解决双喷水推进器矢量力求解问题.为实现双喷水推进器无人艇的矢量运动控制,提出了一种基于分层优化的推力分配算法.第1层,使用基于改进角度约束的向量合成法,获得满足推进器旋转范围和喷口角度调整速率特性约束的顶层矢量推力;第2层,以顶层矢量推力值作为输入,考虑推进器功率大小与功率变化频率约束,提出了一种基于寻求最小距离的优化方法,实现喷水推进器倒斗角度与喷口流速的分配,并解决了双喷水推进器推力分配存在的奇异问题.仿真试验与半物理仿真试验验证了基于分层优化的双喷水推进器推力分配算法的有效性,该方法可实现双喷水推进器推力精确分配,并且在预期推力变化过程中限制推进器功率的变化频率与幅度,在获得目标矢量推力的同时降低了推进器轴系损耗.

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船舶锚泊对锚地周边海缆损坏的风险

牟军敏, 焦玉飞, 李梦霞, 赵兴亚, 吕浩然

2026,60 (3): 440-451.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.068

摘要 ( 233 )

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PDF(21234KB) ( 277 )

锚地与海缆是用于保障海上交通、通讯的重要海上设施,锚地中船舶抛锚、拖锚等行为可能会对周边海缆造成损坏.本文从船舶、环境、人员和海缆等不同角度,科学分析海缆损坏的因素;从损坏诱因出发,运用锚泊船内外部因素模拟出走锚漂移过程,结合拖锚啮入深度、抛锚贯入深度以及船员应急状况下的决策时机模型,构建出海缆损坏风险模型,并以温州港鹿西岛引航检疫锚地与周边海缆开展实例研究.研究表明,海缆损坏风险的取决于船舶与海缆距离、船型及船舶尺度等因素.模型从多角度对海缆损坏展开了研究,为锚地与海缆的相互影响提供了定量分析方法,为水域安全运行提供了有力支持.

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聚合物基体类型对海水海砂混凝土环境下GFRP筋层间剪切强度影响

赵烜, 赵齐, 张大旭, 张沛涪

2026,60 (3): 452-462.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.100

摘要 ( 25 )

HTML ( 2 )

PDF(27292KB) ( 11 )

为研究不同基体类型的玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋在海水海砂混凝土(SWSSC)环境下的层间剪切强度(ILSS)退化规律与性能劣化机理,对环氧基和乙烯基GFRP筋进行了SWSSC模拟孔溶液环境下加速腐蚀试验,以及层间剪切与扫描电镜(SEM)检测,其中环氧基GFRP筋分别采用甲基六氢化邻苯二甲酸酐(MHHPA)与二氨基二苯甲烷(MDA)两种固化剂固化.结果表明: MHHPA固化环氧基GFRP筋的初始层间剪切强度最高(42.44 MPa),乙烯基GFRP筋次之(37.10 MPa),MDA固化环氧基GFRP筋的初始层间剪切强度最低(27.20 MPa).在55 ℃的孔溶液中浸泡84 d后,MHHPA固化环氧基GFRP筋的层间剪切强度保留率仅为7.43%,MDA固化环氧基GFRP筋的强度保留率为39.51%,而乙烯基GFRP筋的保留率则有71.06%.3种GFRP筋的层间剪切强度均随SWSSC模拟孔溶液温度和浸泡时间的增加呈下降趋势,强度退化的主要原因为纤维-基体的界面脱黏以及基体的水解流失.乙烯基GFRP筋对SWSSC模拟孔溶液的抗腐蚀能力最强,MHHPA固化环氧基GFRP筋的最弱,MDA固化环氧基GFRP筋则介于两者之间.

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土体中水力劈裂大规模数值模拟及应用

王风, 陈铁林, 樊容, 李跃鹏

2026,60 (3): 463-472.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.180

摘要 ( 207 )

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PDF(8967KB) ( 227 )

在岩土工程领域,分析土体水力劈裂规律和机理具有重要意义,可为劈裂注浆脉体的扩散和分布规律研究提供依据,指导实际工程.通过使用块对角预处理、预处理的对称拟最小残量(PSQMR)迭代法及改进的稀疏矩阵矢量乘并行算法,开发土体中水力劈裂三维有限元程序,可实现大规模Biot固结有限元计算.实现了基于中央处理器(CPU)串行计算和图形处理器(GPU)并行计算平台的有限元求解,大幅提高计算规模,在个人计算机上可进行工程尺度的大规模有限元计算.通过数值模拟、试验模拟和理论分析与计算结果的对比,验证了所述计算方法的正确性,为研究土体中水力劈裂提供了有力的数值模拟工具.

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非饱和路堑和路堤边坡地震响应的数值分析

谢轶, 朱文轩, 熊勇林, 叶冠林

2026,60 (3): 473-485.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.181

摘要 ( 161 )

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PDF(4446KB) ( 301 )

为了探究路堑边坡和路堤边坡地震响应的差异,以及初始含水量对非饱和边坡地震表现的影响,在非饱和土力学框架下开发了一种土-水-气三相耦合数值分析方法.以路堑边坡和路堤边坡为研究对象,采用有限元数值模拟的方法分析了两类边坡在位移模式和加速度响应上的区别,同时探究了土体初始含水量对非饱和边坡地震响应的影响.结果表明,路堑边坡因后方边界的约束,在高含水量下发生滑动破坏的风险较低;而路堤边坡的滑动趋势明显,坡脚位移更大.

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低速大尺寸压气机静叶蜂窝与篦齿间隙泄漏流

邵润珠, 滕金芳, 樊琳, 钟勇健, 居振州, 朱铭敏

2026,60 (3): 486-498.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.280

摘要 ( 224 )

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PDF(20322KB) ( 251 )

压气机静叶根部内环蜂窝与轮盘篦齿形成封严容腔,腔内的间隙泄漏流对轴流压气机的气动性能产生重要影响.本文以低速大尺寸压气机前1.5级为研究对象,通过数值模拟讨论了蜂窝封严相较于光壁结构对压气机气动性能的影响以及在两种篦齿封严间隙下蜂窝封严结构的气动性能差异.性能计算结果表明:0.2 mm封严间隙下,使用蜂窝内环结构的压气机效率低于使用光壁内环的压气机,原因在于容腔泄流导致总温升高.容腔泄漏流特性对比及详细流场分析表明:蜂窝结构使得容腔泄漏流量和旋流角同时增加,容腔以及蜂窝内的气流产生强烈相互作用,从而形成更复杂的漩涡流动,使封严容腔和蜂窝内总温升高,最终导致压气机效率降低.使用蜂窝内环结构时,压气机效率会随封严间隙的减小而升高.零间隙蜂窝模型和0.2 mm间隙蜂窝模型相比,其总温比的下降导致等熵效率上升;零间隙模型泄漏流量和旋流角都大幅降低,综合导致泄漏流掺混损失基本相当;零间隙模型虽然由于间隙的减小使得泄漏流平均总温上升,但由于泄漏流量的大幅减少,压气机效率有所升高.研究结果揭示了在实际压气机中,不同间隙下静叶蜂窝与篦齿封严结构的泄漏流对性能的影响及其机理,并对蜂窝封严容腔的工程设计具有一定参考价值.

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风扇叶片-柔性机匣碰摩动力学模型及应用

肖贾光毅, 肖志成, 唐旭, 张煜坤, 郭舒宇

2026,60 (3): 499-510.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.091

摘要 ( 224 )

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PDF(15784KB) ( 266 )

为支撑航空发动机关于CCAR 33.63条款的适航取证,识别潜在的叶片-机匣碰摩耦合振动危险工况,建立了基于三维接触动力学的风扇叶片-柔性机匣碰摩动力学计算模型:通过模态缩减,降低计算模型规模;利用三次B样条曲面拟合机匣内表面,提升离散精度;采用双线性弹塑性模型描述可磨涂层碰摩力学特性;基于涂层磨损深度、叶片厚度和单元形函数计算叶片与机匣间的碰摩接触力.基于本模型,研究了风扇叶片与柔性机匣的碰摩响应特性.结果显示,叶片阻尼是影响碰摩振动响应的关键因素:对于阻尼较小风扇叶片碰摩,存在机匣多节径模态行波振动导致的叶片-机匣耦合振动,碰摩过程中接触强度变化引起的叶片与机匣动力学特性的改变是造成该类耦合振动产生的原因.所建立的动力学模型为叶片-机匣碰摩耦合振动的识别与评估提供了一种新思路.

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基于时空神经网络的金属疲劳裂纹扩展预测

梁佳铭, 余音, 胡祎乐

2026,60 (3): 511-521.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.090

摘要 ( 497 )

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PDF(30162KB) ( 1046 )

提出一种基于时空神经网络(STNN)的图像驱动模型,基于铝合金材料疲劳试验,开展了裂纹扩展预测研究.设计了边裂纹、0° 裂纹角度试验件,进行了15.0%极限载荷水平的疲劳试验.通过数字图像相关(DIC)设备拍摄试件变形图片,得到5 511帧位移场图像.对获得的试验图像数据进行了插值、数据增强和维度转换等,构建了STNN的数据集.分别利用卷积长短期记忆(Conv-LSTM)和SimVP两种STNN方法进行了疲劳裂纹扩展的预测,计算了其结构相似度指标(SSIM)和均方根误差(RMSE),比较了两种方法的预测准确性.结果表明,SimVP神经网络在测试阶段的预测效果更好,该方法可以准确预测疲劳裂纹扩展速率和路径,为损伤容限分析和结构监测周期的确定提供参考.

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