工程科學學報

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月刊，1955年創刊

ISSN 2095-9389

CN 10-1297/TF

主管單位：教育部

主辦單位：北京科技大學

編　　輯：《工程科學學報》編輯部

出　　版：科學出版社

主任委員：楊仁樹

副主任委員(主編)：吳愛祥

地　　址：北京市海淀區學院路30號

電　　話：(010)62333436

傳　　真：(010)62333436

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2018年第40卷第4期

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電弧焊接數值模擬中熱源模型的研究與發展

朱志明, 符平坡, 楊中宇, 郭吉昌

2018, 40(4): 389-396. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.001

[摘要](1065)

[PDF 402KB](84) [施引文獻] ()

摘要:
焊接過程的數值模擬作為一種有效的計算手段,在焊接溫度場及殘余應力分布的評價中獲得了廣泛應用,而焊接熱源模型的選擇及模型參數的確定直接影響到計算和評價結果的準確性.本文通過對近年來常用的電弧焊接熱源模型進行梳理,介紹了其研究進展,分析了不同熱源模型的特點及適用性.高斯面熱源模型和雙橢球體熱源模型作為基礎熱源模型,廣泛應用于較小尺寸工件和規則軌跡的焊接過程數值模擬,且具有較高的計算精度;簡化熱源模型和溫度替代型熱源模型多用于大厚工件的多層多道焊接及復雜軌跡焊接過程的數值模擬,能夠實現效率和精度的統一;多絲電弧焊接熱源較為復雜,采用修正后的雙橢球體疊加熱源模型,計算結果能保證一定的精度;結合型熱源模型對熔池形狀的描述更靈活,在深熔電弧焊的數值模擬中具有優勢.本文可為電弧焊接過程數值模擬的熱源模型選擇和模型參數確定提供有益參考.

三維確定性模型在淺層黃土滑坡穩定性預測中的應用

辛星, 張帆宇

2018, 40(4): 397-406. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.002

[摘要](968)

[PDF 830KB](60) [施引文獻] ()

摘要:
淺層黃土滑坡是黃土高原廣泛分布和頻繁發生的地質災害,造成了巨大的人員傷亡和財產損失.盡管二維確定性模型已被廣泛用于淺層滑坡穩定性預測,但不能充分考慮巖土性質、地層結構、地下水等條件的三維空間變化,這可能與實際的斜坡穩定性不相符.因此,利用能考慮復雜斜坡環境的三維確定性模型評價滑坡穩定性,對獲取更真實的評價結果以及指導滑坡防治工作具有重要意義.本文利用Scoops3D三維確定性模型評價了在淺層黃土滑坡穩定性預測中的適應性和可靠性.首先,模型計算參數敏感性的分析發現黏聚力、滑動視傾角和柵格單元重量對安全系數準確度影響較大,并用于指導獲取詳細的關鍵參數.然后,選取不同分辨率的數字高程模型(DEM)數據,利用Scoops3D模型對典型黃土溝壑中的淺層黃土滑坡穩定性進行預測,并通過詳細的點狀和面狀滑坡分布圖與預測結果的對比發現,該模型對黃土溝壑區的淺層滑坡穩定性預測準確度較高,且點狀滑坡分布圖可能更適合模型適應性的檢驗.最后,混淆矩陣法和成功率曲線法對不同分辨率數字高程模型預測結果可靠性的檢驗顯示,該模型能夠有效地預測黃土淺層滑坡的穩定性,且在高分辨率數字高程模型數據下可以獲得可靠的預測精度.

基于MSR300雷達監測的凹山采場降雨條件下的邊坡變形及滑坡

章亮, 任奮華, 王培濤, 趙健存

2018, 40(4): 407-415. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.003

[摘要](641)

[PDF 797KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
降雨是誘發滑坡的主要因素之一,尤其在暴雨條件下,更易激發滑坡.隨著南幫邊坡開采高陡化,滑坡發生頻繁.為研究降雨條件下南山礦凹山采場南幫邊坡穩定性特征,采用MSR300型雷達對邊坡進行了連續4 a的實時穩定性監測,基于采集到的采場降雨數據和邊坡滑移數據,分析了降雨量和降雨強度與邊坡變形規律,對凹山采場滑坡各階段進行了劃分,建立了凹山采場邊坡失穩模型和預警閾值.結果表明:凹山采場變形與降雨量呈正相關,服從冪函數規律;邊坡變形速度曲線與降雨強度有良好的一致性,滑坡一般發生在最大降雨強度之后;滑坡階段主要包括初始變形階段,穩定變形階段和加速變形階段;報警閾值分別為:6 h時序內,位移閾值為20 mm,速度閾值1.5 mm·h^-1;12 h時序內,位移閾值為30 mm,速度閾值為2.5 mm·h^-1.凹山采場滑坡曲線與巖土體非穩定蠕變曲線具有較高的相似性,位移曲線出現了"階躍"現象,速度曲線出現了"尖凸"現象,這種情況易引起滑坡事故,其中在位移曲線的"拐點"處和相應速度曲線的"凸點"處發生滑坡的可能性最大.研究成果為類似礦山邊坡穩定性監測和破壞機制提供了科學依據和參考.

不同粒徑煤吸附瓦斯過程中的熱電效應

陳立, 張英華, 黃志安, 高玉坤, 楊銳

2018, 40(4): 416-426. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.004

[摘要](727)

[PDF 1030KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
選取3種不同變質程度的原煤,制成5種不同粒徑的煤粒,并壓制成型煤,在壓力3 MPa和溫度25℃條件下對型煤試樣進行等溫吸附實驗,并利用SH-X多路溫度測試儀和CHI660E型電化學工作站測試煤吸附瓦斯過程中的溫度變化和電流-時間曲線,基于Clausius-Clapeyron方程和相關性系數,分析和研究不同粒徑煤吸附瓦斯過程中煤的熱電效應及其相關性,試圖從煤的熱電效應方面研究煤的吸附能力.結果表明:煤在吸附瓦斯過程中伴隨有明顯的熱電效應,在吸附平衡時,煤的溫度升高了0.93~8.74℃,煤的電阻率比穩定時降低了0.14~0.16倍;煤的溫度隨粒徑減小和吸附量的增加而升高,煤的電阻率變化卻相反;煤體溫度和電阻率變化與瓦斯吸附量變化呈現很強的相關性,相關性系數r_w和r_d分別介于0.9502~0.9899和-0.9316~-0.9916之間,均接近于±1.因此,吸附過程中的熱電效應可反映煤的吸附能力,在吸附平衡時,煤體溫度變化越大,溫度越高,電阻率越小,說明煤的吸附能力越強;相反,說明煤的吸附能力越弱.

基于云理論的油氣管道滑坡危險性綜合評價

張滿銀, 王生新, 孫志忠, 徐震, 王滬生

2018, 40(4): 427-437. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.005

[摘要](792)

[PDF 702KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
管道滑坡危險性評價是長輸油氣管道沿線滑坡災害預防和治理中規劃決策的重要依據.該評價組織由定量和定性兩類指標構成,評價系統具有隨機性和模糊性的特點.針對常用的定性和半定量評價法在處理系統的隨機性和模糊性上存在顧此失彼和人為主觀性強的問題,引入能同時有效反映事物隨機性和模糊性的云理論,運用黃金分割率法構建5級標度的管道滑坡危險性狀態標尺云和指標重要性權重云,提出定量指標的不確定性推理過程和定性指標專家群語言云轉化的浮動云偏好集結算法,構建了油氣管道滑坡危險性的綜合評價模型并進行了工程例證分析.4處待評樣本的綜合評價結果與半定量法結果基本一致,并與實際相符.該模型軟化了指標邊界的硬劃分,簡化了指標數據的預處理;實現了評價的定量與定性融合和集成決策;提高了結果的精確性、合理性和可視化.

赤泥-煤矸石基公路路面基層材料的耐久與環境性能

劉曉明, 唐彬文, 尹海峰, Emile Mukiza

2018, 40(4): 438-445. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.006

[摘要](1120)

[PDF 810KB](70) [施引文獻] ()

摘要:
以拜耳法赤泥、煤矸石和粉煤灰等工業固廢為基本原料在實驗室制備了一種公路路面基層材料,并研究了其力學性能、耐久性能和環境性能.通過開展干濕循環以及凍融循環試驗研究了該公路路面基層材料的耐久性能,并利用ICP浸出試驗和放射性檢測研究其環境性能.結果表明,赤泥-煤矸石基路面基層材料赤泥和煤矸石摻量之和75%、固廢總摻量97%時,7 d養護后無側限抗壓強度達到6 MPa以上;經過20個干濕循環后,礦渣摻量為5%的路面基層試塊強度為5.98 MPa,滿足國家標準;經過5個凍融循環后,路面基層材料的7 d抗壓強度仍然達到6.89 MPa,具有良好的耐久性能.浸出試驗結果顯示,浸出液中Na⁺濃度均符合國家飲用水標準,同時浸出液中Zn、Hg、Cu、Pb、Ni等重金屬均未檢測出;放射性試驗結果表明,試驗所用純赤泥的放射性符合相應的國家標準.通過對該路面基層材料進行固堿分析以及能譜分析發現,硅鋁體系能有效固結鈉離子.此公路路面基層材料具有良好的環境效益和社會效益,拓寬了路面基層材料的選材范圍.

添加納米二氧化硅對氧化鐵顆粒表觀黏度的影響

王浩然, 張延玲, 安卓卿, 趙世強, 郭占成

2018, 40(4): 446-452. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.007

[摘要](805)

[PDF 882KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
借鑒流體黏性的表征方式,引入粉體顆粒表觀黏度的概念表征粉體顆粒間的相互作用力,基于能量耗散原理,利用旋轉黏度計測定了含SiO₂納米添加劑的Fe₂O₃顆粒在不同溫度條件下的表觀黏度.實驗結果表明,Fe₂O₃顆粒表觀黏度隨溫度升高而增大,納米SiO₂的加入使顆粒表觀黏度明顯降低,主要原因是納米SiO₂對Fe₂O₃顆粒形成了包覆,抑制了顆粒間的團聚和燒結.此外,本研究利用微型流化床研究了含納米SiO₂的Fe₂O₃顆粒在流化還原過程中發生黏結失流的過程,進一步驗證了納米SiO₂對Fe₂O₃顆粒表觀黏度的影響.結果表明,加入納米SiO₂顯著提高了還原樣品的金屬化率,延長了還原過程中的黏結時間;掃描電鏡分析表明納米SiO₂有效包覆在Fe₂O₃顆粒表面,降低了鐵原子的擴散活性,并充分阻隔新鮮鐵之間的接觸,抑制新鮮鐵的燒結,從而導致Fe₂O₃顆粒之間難以形成黏結點,由此證明納米SiO₂對流化床內Fe₂O₃顆粒的還原過程中的黏結失流具有明顯抑制作用.

RH真空室內氣泡行為的研究

趙立華, 郭建龍, 徐佳亮, 張超杰

2018, 40(4): 453-460. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.008

[摘要](828)

[PDF 1088KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
Ruhrstahl-Hereaeus (RH)上升管內的氣液兩相流是整個裝置的重要動力源,并對鋼液的流動、混勻及精煉過程有重要影響.上升管及真空室內的氣液兩相流決定了鋼包內鋼液的流動狀態,為了研究真空室及上升管內氣液兩相流,通過1:6的300 t RH的物理模型模擬了RH上升管及真空室內氣泡行為過程,并測量了RH循環流量的變化用于計算上升管內含氣率以及氣泡運動速度最終得到氣泡在真空室內的停留時間,同時記錄了氣泡在真空室內的存在形式.氣泡在真空室的存在形式的主要影響因素為提升氣體流量,研究發現了氣泡從規則獨立的大氣泡經歷聚合長大,碰撞破碎成小氣泡,最后變成小氣泡和不規則大氣泡共存的現象.液面高度達到80 mm之后,氣泡在真空室內的停留時間達到一個平衡值,不再隨真空室液面高度的增加而發生改變.當提升氣體量達3000 L·min^-1,氣泡停留時間減小趨勢弱,對應3000 L·min^-1情況下,真空室內氣泡開始聚合長大.研究認為對于300 t RH的真空室液面高度應為80 mm,提升氣體量應在3500 L·min^-1左右,優化后,脫碳時間由原工藝的21.4 min縮短至現工藝的17.5 min.

基于聲發射監測的316LN不銹鋼的疲勞損傷評價

張進, 柴孟瑜, 項靖海, 段權

2018, 40(4): 461-468. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.009

[摘要](969)

[PDF 637KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
疲勞裂紋的萌生與擴展容易導致壓力容器及管道的嚴重疲勞失效.因此就設備的安全可靠性而言,非常有必要對疲勞裂紋擴展過程進行監測,并對疲勞損傷程度進行評估.本文針對316LN不銹鋼材料進行疲勞實驗研究,利用直流電位法測量實驗中的裂紋長度,得到了材料的疲勞裂紋擴展曲線.利用聲發射技術對疲勞裂紋擴展過程進行監測,通過聲發射多參數分析對疲勞損傷狀態進行評價,同時建立了聲發射參數與線彈性斷裂力學參數之間的關系,并進行壽命預測.研究表明:聲發射能夠對316LN不銹鋼的疲勞裂紋損傷進行有效評估,聲發射累積參數如累積計數、累積能量和累積幅值曲線上的轉折點標志著疲勞裂紋進入快速擴展階段,這可以為工程人員提供失效預警;聲發射波形和頻譜分析表明,噪聲信號的幅值較小且信號持續時間較長,信號包含的頻率成分比較復雜,而裂紋擴展信號是突發型信號,衰減較快,信號頻率主要集中在80~170 kHz范圍內;聲發射計數率、能量率和幅值率與應力強度因子幅度以及疲勞裂紋擴展速率之間呈線性關系,裂紋長度預測結果與實測值接近.本研究工作對于工程結構的疲勞失效預警和剩余壽命預測具有重要意義.

熱壓316L/Q345R復合板的結合性能

秦勤, 鄧俊超, 臧勇, 謝璐, 朱學輝

2018, 40(4): 469-477. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.010

[摘要](717)

[PDF 930KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
熱軋雙金屬復合板由于其優良性質而得到廣泛使用,而如何改善其結合性能也成為業界內的研究熱點問題.本文嘗試采用分子動力學模擬的方法對316L/Q345R雙金屬板的高溫結合性能進行系統研究.在建立316L/Q345R體系的原子結構模型的基礎上,使用MD模擬方法對316L/Q345R體系的熱壓復合過程進行模擬,其中采用嵌入原子勢函數來描述Fe、Cr和Ni之間的相互作用.分析了不同溫度與壓縮應變率對熱壓復合變形機制以及擴散層厚度的影響,并探討了添加金屬層對界面結合性能的改善效果.研究表明:溫度的提高有利于形成較厚的擴散層,當雙金屬熱壓復合溫度接近熔點時,此時在雙金屬復合界面獲得的擴散層厚度遠大于在較低溫度復合時的擴散層厚度;應變率的提高會降低擴散層厚度,這主要因為在達到相同的壓縮應變時,隨著應變率增大和壓縮時間縮短,原子的擴散時間縮短;在雙金屬之間添加一個晶格厚度的Ni層后,復合界面擴散層厚度比不含Ni復合時增加了134.5%,表明添加鎳層能夠明顯提高擴散層厚度,但添加鉻層對提高擴散層厚度的影響不大.

鈦鋁異質自沖鉚接頭疲勞性能及失效機理

劉洋, 何曉聰, 張先煉

2018, 40(4): 478-484. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.011

[摘要](752)

[PDF 1316KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
對純鈦(TA1)和鋁鋰合金(AL1420)異質單搭自沖鉚接頭進行靜力學實驗和疲勞實驗研究,通過三參數經驗公式采用S-N曲線擬合法繪制接頭的S-N曲線,分析接頭的疲勞性能;采用掃描電子顯微鏡對接頭疲勞斷口進行觀測,研究接頭的微觀疲勞失效機理.結果表明:接頭的靜力學性能與疲勞性能不具有一致性,TA1-AL1420(TA)接頭靜力學性能更優,但其疲勞性能比AL1420-TA1(AT)接頭差;TA接頭疲勞失效形式為下板斷裂,疲勞裂紋萌生于靠近鉚釘腳處的板材區域,隨后沿著板寬方向擴展,最終導致下板完全斷裂.AT接頭在短壽命區因鉚釘斷裂失效,鉚釘的斷口屬于脆性疲勞斷裂;在中長壽命區出現鉚釘斷裂和下板斷裂的混合失效形式,疲勞裂紋從下板一端萌生,沿著板寬向另一端方向擴展,導致下板斷裂失效.

基于M-K理論的6016鋁合金成形極限曲線預測

楊曉明, 王寶雨, 校文超, 馬衛平, 康藝

2018, 40(4): 485-491. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.012

[摘要](873)

[PDF 560KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
近年來,為實現汽車車身輕量化,大量的鋁合金材料被用于汽車車身制造,由于6016鋁合金具有良好的烘烤性能,被大量使用.但是傳統的冷成形技術并不能成形復雜零件,因此熱沖壓-冷模具淬火成形技術被用到鋁合金的成形過程中,板材成形領域中一個重要的性能指標是成形極限.本論文使用理論預測和試驗兩種方法對6016鋁合金成形極限曲線進行了研究.首先,建立了考慮應變強化和應變速率強化的Fields-Bachofen本構方程,并將此本構方程引入到成形極限理論推導過程中;然后,基于M-K凹槽理論,對6016鋁合金成形極限曲線進行了理論預測,并且采用Nakazima試驗方法對預測結果進行了驗證.結果顯示,隨著初始厚度不均度的增加,預測曲線向縱坐標的正方向移動;通過實驗值和預測值的對比發現M-K凹槽理論對成形極限曲線的預測是可行的、準確的.

基于駐極體靜電俘能器的優化設計與實驗測試

路俊虎, 金磊, 高世橋, 高春暉, 呂慶山, 劉海鵬

2018, 40(4): 492-499. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.013

[摘要](755)

[PDF 685KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
針對環境中的低頻振動能量,建立了一種雙端固支梁振動式駐極體靜電俘能器理論模型.利用Matlab/Simulink數值仿真對靜電俘能器的各項關鍵參數進行了優化.分別研究了靜電俘能器的輸出功率、諧振頻率、半功率帶寬與駐極體表面電位、空氣間隙以及負載電阻的關系.在研究中,外部激勵加速度幅值及駐極體尺寸保持恒定.數值分析結果如下:(1)存在一個最佳表面電位使得靜電俘能器的輸出功率達到最大值,隨著表面電位的增加,軟彈簧效應逐漸增強使得俘能器諧振頻率發生偏移,半功率帶寬逐漸增大.(2)當表面電位一定時,存在一個最佳初始空氣間隙使得功率達到最大,隨著間隙的增大,半功率帶寬隨之減小.(3)當表面電位和空氣間隙保持一定時,存在一個最佳負載使得功率達到最大,隨著負載的減小,諧振頻率發生偏移.(4)當空氣間隙一定時,存在一個最佳負載使得帶寬達到最大,且表面電位越大,相同負載下的帶寬越大.實驗測試了不同負載電阻下俘能器的輸出特性:輸出功率及半功率帶寬都隨著負載電阻的增大,先增大而后減小.當負載電阻為90MΩ時,對應的最大輸出功率為0.188 mW;當負載電阻為330 MΩ時,對應的半功率帶寬達到最大值為4.7 Hz.

混沌人工魚群的魯棒保性能控制權值矩陣優化方法

李騰輝, 謝壽生, 彭靖波, 賈偉洲, 何大偉

2018, 40(4): 500-507. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.014

[摘要](586)

[PDF 639KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
針對魯棒保性能控制中的權值矩陣依賴經驗選取,無法最大限度的減小系統保守性的問題,提出了一種基于混沌人工魚群算法的魯棒保性能控制權值矩陣優化方法.該方法中,將保性能控制魯棒界作為優化的目標函數來尋找最優權值矩陣是整個算法實現的關鍵.該種改進的人工魚群優化算法融合了混沌搜索與自適應步長和視野的人工魚群優化算法,有效的解決了基本人工魚群算法的后期收斂速度慢、易陷入局部最優等缺點.通過測試函數對比驗證了該種改進人工魚群優化算法的優越性,并通過應用實例驗證了該權值矩陣優化方法的有效性.

立體視頻延時的事件相關電位研究

沈麗麗, 吳子陽

2018, 40(4): 508-515. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.015

[摘要](682)

[PDF 693KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
立體視頻在無質量保證的互聯網上傳輸時會引發立體視頻左右視圖的幀延時,影響觀看質量.本文提出一種利用主觀評價與客觀腦電(electroencephalogram,EEG)相結合的方式分別對深度和水平延時運動立體視頻刺激進行分析,并對二者的差異性進行比較.共有十名被試參加實驗,被試觀看隨機呈現的不同延時等級包括無延時、延時1幀、延時2幀和延時3幀的立體視頻片段,并對是否感知到延時效應做出主觀判斷,同時記錄被試的EEG信號.從EEG信號中提取出事件相關電位(event related potentials,ERPs)并結合主觀行為數據進行分析與比較.實驗結果表明,為保證觀看質量,深度運動立體視頻中所能存在的最大延時幀數為1幀,水平運動中則不能存在延時效應.與水平延時運動相比,深度延時運動刺激產生的P300成分幅值變化范圍更大,表明在深度延時運動刺激下大腦的活躍程度更高.同時,相同延時幀數的深度運動與水平運動刺激所產生的P300成分中,深度延時運動的潛伏期更長,這表明處理深度延時運動刺激所需時間更長.