上海大学学报(自然科学版)

王佳1, 赵晓迪1, 2, 胡佳俊1, 高旻天1, 李继香3, 4, 刘楠5

2024, 30(2): 191-207. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2565

摘要 ( 972 )

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微生物固定CO₂ 是一种极富前景的碳捕获和利用途径, 对实现全球生态系统碳中和至关重要. 非光合自养微生物由于其环境适应性强、固碳途径的多样性, 以及会产生高附加值产物而备受关注. 基于非光合自养微生物固定CO₂的研究进展, 系统分析影响非光合自养微生物固碳效率的内部和外部因素, 包括有固定CO₂途径、固碳关键酶、碳源、电子供体、代谢产物等, 并列出多种增效策略. 除了直接对应影响因素的增效方法外, 还涉及微生物间的协同作用及代谢促进剂(生物炭与微纳米气泡) 的使用. 本工作有助于为深入理解和进一步增效非光合自养菌固定CO₂提供理论基础和技术支撑.

装载ACE2 的植物来源细胞外囊泡防治PM_2.5暴露后细胞损伤

叶旋, 钤嫄, 王红云, 周蕾

2024, 30(2): 208-217. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2552

摘要 ( 543 )

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探究装载血管紧张素转化酶2(angiotensin converting enzyme 2, ACE2) 的植物来源细胞外囊泡(plant-derived extracellular vesicles, PDEVs) 在保护机体抵抗空气污染颗粒物 (particulate matter, PM_2.5) 引发的呼吸系统损伤过程中的作用. 基于葡萄提取PDEVs 并装载ACE2 过表达的质粒, 通过CCK8 实验、二氢乙锭(dihydroethidium, DHE) 染色、蛋白免疫印迹、实时荧光定量多聚酶链反应(polymerase chain reaction, PCR) 等方法, 探究改造后的PDEVs 对PM_2.5 暴露后人支气管上皮细胞(Beas-2B) 的保护效果. PM_2.5暴露会造成 Beas-2B 细胞氧化应激、细胞凋亡增加, 以及炎症因子增加, 而装载ACE2 的PDEVs 能够有效递送ACE2, 从而缓解PM_2.5 诱导的细胞损伤. 因此, PDEVs 可作为潜在的递送载体, 防治大气PM_2.5暴露引发的细胞凋亡及损伤.

老化黑碳颗粒诱导人神经母细胞瘤细胞SH-SY5Y 炎症反应及机制

黄津, 王田田, 安静, 钟玉芳, 尚羽

2024, 30(2): 218-228. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2551

摘要 ( 689 )

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以人神经母细胞瘤细胞 SH-SY5Y 为研究对象, 分析被臭氧氧化的黑碳 (oxidized black carbon, OBC) 颗粒引起的炎症反应以及核因子-κB (nuclear factor-κB, NF-κB) 和磷脂酰肌醇3 激酶(phosphatidylin-ositol-3-kinase, PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B, PKB,又称 Akt) 信号通路的作用. 结果显示: 随着 OBC 颗粒染毒质量浓度的增加 (5、10、20、40 µg/mL), 细胞内线粒体跨膜电位 (mitochondrial membrane potential, MMP) 水平逐渐下降, DNA 损伤程度逐渐升高, 呈现质量浓度和时间依赖性; 细胞外泌白细胞介素-4 (interleukin-4, IL-4) 水平升高和细胞内肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-α, TNF-α)基因高表达, 说明 OBC 颗粒会促进 SH-SY5Y 细胞发生炎症反应; 细胞内活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 水平升高, 超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase, SOD)、血红素加氧酶-1 (heme oxygenase-1, HO-1) 基因表达量升高, 且 HO-1 蛋白水平升高, 说明细胞发生氧化应激; 胞内 NF-κB 和 PI3K/Akt 通路相关蛋白显著变化, 表明 OBC 颗粒激活了 NF-κB和 PI3K/Akt 信号通路. 综上, OBC 颗粒可诱导 SH-SY5Y 细胞发生氧化应激造成 DNA 损伤, 促进炎症反应, 且对 NF-κB 和 PI3K/Akt 信号通路有重要调控作用.

从蛋白质环境引起的实际变化中剖析配体结构的误差

乔琳琳, 李永乐, 郭聪, BICZYSKO Malgorzata

2024, 30(2): 229-242. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2513

摘要 ( 640 )

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配体构象应变能(ligand conformational strain energy, LCSE) 是计算机辅助药物发现中考虑的一个重要参数. 通过量子力学(quantum mechanical, QM) 方法对自由态配体和蛋白质口袋中的结合态配体的结构进行计算并比较, 可以获得配体构象应变能. 然而, 对配体构象应变能的合理范围以及计算方法仍然存在争议. 选择8 个柔性较大、特征结构模式多样的配体, 这些结构的分辨率在高分辨率(0.86×10^-10) 与中等分辨率(3.10×10^-10) 之间, 分别采用3 种不同的量子力学方法: 密度泛函(density functional theory, DFT) M062X-D3、Hartree-Fock 和GFN1-xTB, 对8 个配体进行逐步优化并计算配体能量, 分析在结合态配体逐步优化到局域能量最小的自由态配体的过程中配体在结构和能量上的差异. 量子力学计算结果显示, 配体构象应变能小于6.0 kcal/mol, 结合态配体结构中显著的几何参数误差是结合态和自由态配体结构的主要能量差异. 因此, 在分析配体构象应变能之前, 对结合态配体结构进行精确实验测定非常重要.

基于自适应干扰观测器的巡航导弹掠海飞行轨迹跟踪控制

刘宇, 李妍, 毛科峰, 张丹

2024, 30(2): 243-254. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2326

摘要 ( 871 )

PDF (612KB) ( 439 )

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构建了巡航导弹动力学模型, 将不确定性项与风浪干扰项合并, 同时引入一种自适应干扰观测器予以补偿, 提高导弹控制系统的鲁棒性, 并利用高阶滑模控制器和任意阶微分器实现控制系统反馈环节的有限时间镇定. 仿真实验表明, 该方案可实现在17 级海况下巡航导弹掠海飞行的高精度轨迹跟踪, 同时具备较高的收敛速度和良好的适应性.

基于Q-Learning 的分簇无线传感网信任管理机制

赵远亮, 王涛, 李平, 吴雅婷, 孙彦赞, 王瑞

2024, 30(2): 255-266. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2367

摘要 ( 628 )

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针对无线传感器网络中存在的安全问题, 提出了基于 Q-Learning 的分簇无线传感网信任管理机制(Q-learning based trust management mechanism for clustered wireless sensor networks, QLTMM-CWSN). 该机制主要考虑通信信任、数据信任和能量信任 3 个方面. 在网络运行过程中, 基于节点的通信行为、数据分布和能量消耗, 使用 Q-Learning 算法更新节点信任值, 并选择簇内信任值最高的节点作为可信簇头节点. 当簇中主簇头节点的信任值低于阈值时, 可信簇头节点代替主簇头节点管理簇内成员节点, 维护正常的数据传输. 研究结果表明, QLTMM-CWSN 机制能有效抵御通信攻击、伪造本地数据攻击、能量攻击和混合攻击.

Cu₅₀Ni₅₀ 合金凝固过程中的空位捕获

张伯阳, 汪昊, 周涛, 吴永全

2024, 30(2): 267-277. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2399

摘要 ( 519 )

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通过分子动力学 (molecular dynamics, MD) 模拟, 研究了 Cu₅₀Ni₅₀ 合金在不同温度下凝固及其退火过程的空位捕获. 结果发现: 凝固过程中的空位捕获效应, 即被捕获空位浓度的过饱和现象非常明显; 随着凝固温度的降低, 空位浓度显著上升, 与平衡浓度随温度的变化规律正好相反; Cu₅₀Ni₅₀ 存在一个特征温度 T ^∗, 在 T > T ^∗ 浅过冷温度下, 凝固速度随着凝固温度的降低快速增加, 在 T < T ^∗ 深过冷温度下, 凝固速度随着凝固温度的降低缓慢下降,表明空位浓度并不是界面生长速度的单值函数; 作为合金元素, Cu 比 Ni 更倾向于形成空位原子 (vacancy atom, VA).

喷丸强化对预变形CP800 复相钢疲劳性能的影响

崔浩诚, 王荃, 陈卓, 周俊, 戚天武, 汪宏斌

2024, 30(2): 278-289. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2407

摘要 ( 579 )

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喷丸强化可以提高CP800 复相钢的抗疲劳性能. 采用低(0.15 mmA)、中(0.3 mmA)、高 (0.5 mmA) 3 种喷丸强度对 5% 预拉伸变形后的 CP800 复相钢进行表面喷丸处理, 研究了喷丸后材料的表面形貌和表面残余应力, 并通过拉压疲劳试验分析了疲劳断口. 研究发现: 2 mm 板厚的 CP800 复相钢更适合采用低喷丸强度, 疲劳寿命约为未喷丸试样的 3 倍; 疲劳寿命的提升归因于表层发生塑性变形、位错密度提高, 且残余压应力可抑制裂纹萌生; 喷丸后材料表面粗糙度增大; 喷丸强度过高易造成表面缺陷增多, 尤其在高喷丸强度下, 试样表面会出现分层损伤现象, 对疲劳性能有不利影响.

单晶 SiC 的化学机械抛光及辅助技术的研究进展

张佩嘉, 雷红

2024, 30(2): 289-299. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2469

摘要 ( 897 )

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由于单晶碳化硅 (SiC) 的传统化学机械抛光 (chemical mechanical polishing, CMP)技术加工效率低, 故提高 SiC 表面质量和材料去除率成为研究热点. 总结了 CMP 中抛光液的主要成分, 比较了 CMP 辅助抛光技术对单晶 SiC 抛光性能和作用机理的影响, 并对单晶SiC-CMP 技术的未来发展进行了展望.

Power-V 诱导的钻柱黏滑振动特征分析

王文昌, 段浩宇, 李宁, 王孝亮, 狄勤丰

2024, 30(2): 299-308. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2403

摘要 ( 588 )

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黏滑是石油钻井过程中影响钻井效率和井下钻柱安全的一种振动形式. 垂直钻井系统Power-V 在提供有效控斜力的同时, 还会诱导钻柱黏滑振动. 通过研究垂直钻井系统Power-V与井壁的接触作用及钻头与地层的相互作用模型, 基于钻柱动力学有限元方法, 深入分析Power-V 的作用机理, 研究其对扭转振动的影响, 指出 Power-V 和井壁间的相互作用会导致钻柱与井壁的摩阻显著增加, 进而引起摩阻扭矩的增大, 诱导井下黏滑振动. 实测振动数据证实, Power-V 与井壁间的相互作用是引起钻柱黏滑振动的关键因素. 这对于揭示黏滑振动的成因和更好地发挥 Power-V 的作用具有重要意义.

穿湖隧道超大尺度混凝土施工期的温度效应

姚潇南, 张孟喜, 刘冰

2024, 30(2): 308-317. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2408

摘要 ( 581 )

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穿湖隧道对混凝土的防渗要求很高, 而混凝土的温度效应与其开裂息息相关. 采用高性能双光栅温度-应变式传感器对隧道浇筑过程中混凝土的温度以及应变进行监测, 分析了其变化规律. 对混凝土浇筑完成后的现场情况进行了调研, 发现侧墙存在裂缝且引起了渗漏. 依据现场施工情况, 运用有限元法对浇筑的隧道进行模拟, 将数值模拟结果与现场监测数据进行对比, 验证了数值模拟结果的准确性, 并对影响混凝土内外温差的因素进行了参数分析. 研究结果表明: 混凝土入模温度越高, 其内外温差就越大; 入模温度升高 10 ◦C, 内外温差增加1.46 ◦C; 在夏季施工时, 应注意对混凝土原料进行降温处理, 保证混凝土入模温度小于 30 ◦C;环境温度下降越多, 混凝土内外温差就越大; 环境温度下降 20 ◦C, 内外温差增加 6.38 ◦C; 当环境温度降低时, 应注意采取保温措施; 当养护过程中需要进行保温时, 建议采用木模板进行养护, 但拆模时间不宜早于 6 d, 否则会导致混凝土表面温度迅速下降, 内外温差急剧增大.

火灾下 LYP160 屈曲约束支撑抗震性能研究

何文福, 李志威, 胡宝琳, 胡吴彪, 丁振坤, 田华

2024, 30(2): 318-331. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2446

摘要 ( 550 )

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为研究屈曲约束支撑 (buckling-restrained brace, BRB) 及其体系在高温工况的抗震性能, 对 BRB 芯材低屈服点 LYP160 钢材分别进行了常温和高温材料力学性能试验. 通过与试验结果比较, 建立了 BRB 热-力耦合精细化有限元分析模型, 验证了该模型的准确性; 对火灾下 LYP160 屈曲约束支撑的温度场、滞回曲线、骨架曲线和耗能能力等性能进行了对比分析; 对不同工况(3 种火灾工况和常温工况) 下8 层配置屈曲约束支撑钢框架(BRB structure, BS) 和原结构 (original structure, OS) 分别进行了弹塑性动力时程分析. 研究结果表明: 3 种火灾工况下 BS 的平均层间位移角较于 OS 分别降低了 30.4%、33.2% 和 42%; OS 柱塑性铰损坏严重, 且更多出现在柱上, BS 整体损坏程度较 OS 轻, 更为安全可靠.

绝热逆向阴燃波的热扩散不稳定性

毛逸杰, 卢占斌

2024, 30(2): 332-340. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2419

摘要 ( 556 )

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通过数值方法研究在绝热条件下逆向阴燃的热扩散不稳定性以及失稳后的非线性发展过程. 通过正则模态分析方法研究绝热逆向阴燃的线性稳定性, 得到以氧气Lewis 数和气体流量 M_g 表征的线性稳定性图谱. 结果表明, 绝热逆向阴燃随控制参数的变化存在两种不同特征的不稳定性, 即元胞 (或指状) 不稳定性和行波不稳定性, 对阴燃波二维非线性失稳过程的模拟印证了这一线性稳定性分析结果.

结合机器学习的 SA 湍流模型闭合系数修正

徐向阳, 胡冠男, 王良军, 朱文浩, 张武

2024, 30(2): 341-351. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2410

摘要 ( 795 )

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将修正 Morris 分类筛选法与极端梯度提升 (extreme gradient boosting, XG-Boost) 相结合, 在计算流体动力学 (computational ﬂuid dynamics, CFD) 数据驱动下,用于 SA(Spalart-Allmaras) 湍流模型闭合系数的修正. 利用分类筛选法有效缩小闭合系数研究范围, 同时依据 XGBoost 方法在小规模数据集下取得精度较高的拟合模型, 有效提升系数修正效率. 在三维 DLR-F6-WB 构型下进行了数值实验, 实验结果显示利用本方法能够在三维复杂模型上基于小样本数据进行系数修正, 修正后的升阻力系数计算精度得到了显著提升.

基于 LSTM-文本分析的量化选股模型

陆芳玲, 赵家玮, 夏铁成

2024, 30(2): 352-361. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2354

摘要 ( 994 )

PDF (1949KB) ( 409 )

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随着国民生活水平的提高, 越来越多的人投身于股票市场. 为了科学有效地量化选股,通过将量化投资、深度学习及文本分析进行有机结合, 来建立量化选股模型. 首先, 通过文本分析筛选出基本面利好的股票; 然后, 通过长短期记忆 (long-short term memory, LSTM) 选出预测准确度良好的股票; 最后, 预测所选出的股票在未来几天的股价趋势. 在实证分析方面,通过本模型对部分股票进行运算, 选取预测效果较好的股票: 赢合科技.

市政污泥焚烧灰渣处理模式的环境资源效益比较

魏顺, 王瑶, 许云峰, 钱光人, 聂永有

2024, 30(2): 362-372. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2294

摘要 ( 1199 )

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将物质流法与生命周期评价法相结合, 分析市政污泥焚烧灰渣填埋、灰渣替代黏土和灰渣磷回收与残渣替代黏土 3 种处置场景的环境影响, 并利用成本效益评价法对 3 种处置情景的经济效益进行了比较分析. 结果表明, 灰渣资源化利用在矿产资源耗竭、酸化潜力、富营养化、淡水生态毒性、全球变暖、光化学效应等环境影响类别均优于灰渣填埋处置方式. 灰渣磷回收与残渣替代黏土是最优处置场景, 其净收益为 141.21 元/t 灰渣. 若将该方案推广至我国所有市政污水处理厂, 可提取 26.26 万 t/a 的磷元素, 共产生 209.23 万 t/a 的鸟粪石产品.

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