工程科學學報

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期刊信息

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

郵發代碼：82-303

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2019年第41卷第8期

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高居里溫度鐵酸鉍基陶瓷的研究進展

朱立峰, 張波萍

2019, 41(8): 961-967. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.001

[摘要](1249)

[HTML全文] (544)

[PDF 2596KB](86) [施引文獻] ()

摘要:
鐵酸鉍-鈦酸鋇(BiFeO₃-BaTiO₃, BF-BT) 基陶瓷由于具有高的居里溫度T_C和大的自發極化強度P_s, 以及較高的壓電系數d₃₃, 近年來受到了廣泛關注, 且被認為是一種有潛力替代鉛基壓電陶瓷的無鉛壓電陶瓷體系. 本文主要綜述近幾年來國內外有關BF-BT基陶瓷的相結構和壓電性能, 以及磁性能等方面的研究進展和動向, 并嘗試分析了該陶瓷體系在實用化的道路上存在的迫切需要解決的問題.

5G超密集網絡的能量效率研究綜述

馬忠貴, 宋佳倩

2019, 41(8): 968-980. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.002

[摘要](1371)

[HTML全文] (643)

[PDF 2228KB](65) [施引文獻] ()

摘要:
首先從綠色通信入手, 對網絡能量效率的國內外研究現狀進行了分析. 在此基礎上, 對超密集網絡的關鍵性能指標, 即能量效率的各種定義進行了梳理, 為建模奠定了基礎. 其次, 討論了網絡能量效率建模和優化過程中經常使用的4種理論模型: 隨機幾何、博弈論、最優化理論和分數階規劃. 并綜述了能效提升的技術, 包括高能效部署與規劃、高能效基站休眠、高能效用戶關聯、高能效資源管理、高能效傳輸方式. 最后, 指出未來的可能的技術挑戰: 網絡能效理論與超密集網絡體系架構、超密集小基站高能效覆蓋機理、超密集網絡的柔性資源匹配機理、移動用戶群體行為建模與高能效服務方法. 通過研究超密集網絡高能效覆蓋機理和柔性資源匹配機理, 為未來無線通信網絡建模和分析提供設計依據與技術支撐.

基于超級絮凝的超細尾砂絮凝行為優化

吳愛祥, 阮竹恩, 王建棟, 尹升華, 艾純明

2019, 41(8): 981-986. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.003

[摘要](1274)

[HTML全文] (506)

[PDF 2854KB](40) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究不同絮凝條件下超細尾砂的絮凝效果, 本文基于超級絮凝理論, 應用超級絮凝測試儀UFT-ТFS-029, 采用相對絮凝率表征人造超細尾砂在pH值為9~12、絮凝劑單耗f_d=2~20 g·t^-1、料漿剪切速率γ=100~2000 s^-1、料漿固體體積分數φ=2%~14%等條件下的絮凝行為. 發現相對絮凝率隨著pH、絮凝劑單耗、剪切速率的增加均先增加后減少, 而隨著漿料固體體積分數的增加逐漸減少, 并獲得了一定條件下的最優絮凝條件, 即pH值為11、f_d=12 g·t^-1、γ=500 s^-1、φ=4%. 同時, 固體體積分數越高, 達到最優相對絮凝率所需的最優剪切速率對固體體積分數的依賴性也越高. 因此, 在實際生產中需要對pH、絮凝劑單耗、剪切速率與固體體積分數等工況參數進行調整, 以達到最優絮凝效果. 應用超級絮凝理論可實現超細尾砂在極短時間內實現很好的絮凝, 為基于流場剪切速率與停留時間的深錐濃密機進料井設計提供參考.

剪切濃密床層孔隙網絡模型與導水通道演化

焦華喆, 王樹飛, 吳愛祥, 沈慧明, 楊亦軒, 阮竹恩

2019, 41(8): 987-996. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.004

[摘要](1022)

[HTML全文] (451)

[PDF 10268KB](41) [施引文獻] ()

摘要:
剪切作用是膏體重力濃密制備的基礎要素, 本文研究了濃密床層孔隙和喉道的變化對導水通道的影響, 揭示了水分排出的來源與比例. 開展半工業實驗并結合計算機斷層掃描(CT)與孔隙網絡模型(PNM)提取床層微觀孔隙結構, 利用最大球搜索算法識別并分析剪切前后孔隙與喉道的演化規律. 結果表明, 添加轉速為2 r·min^-1的剪切作用將尾砂底流濃度(即底流的固相質量分數)由55.8%提升到58.5%, 孔隙率由43.05%降低到36.59%, 孔隙率降低的比率為15%. 通過PNM技術將孔隙空間劃分為"球體"儲水孔隙與"棍體"喉道; 剪切后球體和棍體數量分別增加了16.5%和22%, 球體平均尺寸小幅下降, 球體半徑多集中在40~60 μm之間. 棍體平均半徑由9.83 μm降低至8.58 μm, 降低了12.7%, 棍體長度變化較小. 剪切作用下的球體配位數在5~10的部分從25.73%增加至44.58%, 配位明顯增多, 顆粒接觸緊密. 本文提出"球棍比"的概念用于孔隙結構的定量表征. 剪切后球體體積占比由14.14%降低至12.75%, 球體體積減少的比率達到9.83%;棍的體積由28.91%降低至23.84%, 棍體積減少的比率為17.54%. 球棍比由48.91%增加至53.48%, 球棍比提升的比率達到了9.34%, 與球體體積減小相比, 棍的體積減少的幅度更大, 導致球棍比上升. 本文從孔隙結構變化的角度揭示了全尾砂重力濃密剪切排水機理; 剪排水過程中主要排出的是喉道中的水分, 孔隙中的水分排出較少.

玄武巖三維細觀孔隙模型重構與直接拉伸數值試驗

郎穎嫻, 梁正召, 董卓

2019, 41(8): 997-1006. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.005

[摘要](931)

[HTML全文] (358)

[PDF 14318KB](27) [施引文獻] ()

摘要:
由于巖石材料的不透明性和多孔隙特性, 通過傳統的物理試驗或數值模擬很難真實體現其內部三維細觀結構. 本文基于CT掃描技術、邊緣檢測算法、濾波算法、三維點陣映射與重構算法, 構建了可以表征玄武巖試樣內部孔隙結構的三維細觀非均勻數值模型. 結合并行計算進行直接拉伸數值試驗, 研究了內部孔隙結構特征對試樣破壞機制及抗拉強度的影響. 研究結果表明: 加載初期在試樣孔隙處產生初始裂紋, 隨著荷載的增加初始裂紋逐漸沿橫向擴展最終形成宏觀拉伸破壞裂紋, 并且孔隙含量和分布位置對試樣拉伸斷裂的位置具有重要影響. 隨著孔隙率增高, 試樣破壞過程中的聲發射數目和能量逐漸減小. 拉伸破壞模式呈現脆性破壞特征, 同時孔隙的存在削弱了試樣的抗拉強度.

超聲外場對不同溫控狀態下ZL205A鋁合金凝固規律的影響

商兵, 蔣日鵬, 李曉謙, 李瑞卿, 張昀, 張立華

2019, 41(8): 1007-1015. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.006

[摘要](947)

[HTML全文] (384)

[PDF 9527KB](30) [施引文獻] ()

摘要:
采用不同的超聲外場處理熔體工藝, 研究了其對鑄錠質量的作用機理與改善效果. 針對保溫(750℃)和空冷(從750℃空冷7 min 10 s至約650℃)兩種不同溫控狀態下的ZL205A鋁合金熔體, 分別進行相同參數的超聲場處理, 研究超聲場對凝固組織的影響規律, 并利用力學拉伸實驗進行驗證. 研究結果表明: 在保溫狀態下對熔體施加超聲處理, 具有較好的除氣與改善第二相組織分布的效果; 在空冷狀態下施加超聲處理則可以消除集中縮孔, 顯著細化晶粒; 當在保溫和空冷條件下全程采用超聲處理, 鑄錠內部質量的改善效果最佳. 力學性能的測試結果與鑄錠凝固組織的變化規律具有一致性, 驗證了上述結論. 綜上, 對不同溫控狀態下的熔體施加超聲處理, 對熔體凝固過程的影響不同, 對鑄錠內部質量的改善效果也各有側重.

室溫注氫Fe-Cr合金在不同溫度退火后位錯環的表征

杜玉峰, 崔麗娟, 萬發榮

2019, 41(8): 1016-1028. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.007

[摘要](1142)

[HTML全文] (530)

[PDF 16341KB](48) [施引文獻] ()

摘要:
利用透射電子顯微鏡, 通過構建位錯環在不同晶帶軸下的投影圖結合位錯環消光判據, 對室溫注氫后Fe-9%Cr模型合金在400、500及550℃退火形成的1/2 〈111〉和〈100〉兩種類型的位錯環進行了表征. 實驗結果表明, 室溫注氫Fe-9%Cr合金中柏氏矢量為〈100〉型位錯環的數量隨著退火溫度的升高而逐漸增加. 在400和500℃退火后, 〈100〉型位錯環所占比例分別為16.48%、92.78%;當退火溫度升高到550℃時, 位錯環全部轉變為〈100〉型位錯環. Fe-9%Cr合金中位錯環類型轉變溫度區間為400~500℃, 與純鐵相比, 添加Cr元素能夠使位錯環類型轉變溫度升高.

靜水壓與溶解氧耦合作用對低合金高強鋼腐蝕電化學行為的影響

蘇宏藝, 魏世丞, 梁義, 王玉江, 王博, 袁悅, 徐濱士

2019, 41(8): 1029-1036. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.008

[摘要](867)

[HTML全文] (469)

[PDF 8701KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
采用動電位極化測試和掃描電子顯微鏡/能譜儀表征, 通過理想動電位極化曲線分析方法和微觀腐蝕形貌觀察研究了靜水壓與溶解氧耦合作用對低合金高強鋼在質量分數為3.5% NaCl溶液中腐蝕電化學行為的影響. 結果表明: 隨著靜水壓和溶解氧溶度的同時增大, 腐蝕電位先增高而后逐漸降低, 腐蝕電流呈非線性增長; 靜水壓與溶解氧在腐蝕過程中存在相互競爭抑制關系, 在靜水壓與溶解氧同時增長過程中, 溶解氧首先促進陰極反應過程并抑制陽極反應過程, 而后靜水壓逐漸加速陽極過程并對陰極反應過程有一定的抑制作用; 靜水壓與溶解氧耦合作用加速了腐蝕產物膜的生長, 增加了低合金高強鋼表面點蝕坑的數量和生長尺寸.

石墨化碳素鋼室溫壓縮過程中的不均勻變形行為

張永軍, 張鵬程, 張波, 王九花, 于文杰, 韓靜濤

2019, 41(8): 1037-1044. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.009

[摘要](765)

[HTML全文] (406)

[PDF 7319KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
將0. 46%含碳量(質量分數) 的石墨化碳素鋼在萬能材料試驗機上進行室溫壓縮變形, 試驗鋼表現出良好的壓縮變形性能.根據載荷-位移曲線的變化特點, 試驗鋼的壓縮變形過程以位移7. 0 mm (對應相對壓下量為58. 3%) 為節點分為兩個階段: 在位移≤7. 0 mm的壓縮階段, 載荷呈線性增加, 壓縮試樣的鼓度值逐漸增加而達到一個極大值(14. 6%), 壓縮試樣中心位置的維氏硬度增幅最大, 為38. 1 HV, 至位移7. 0 mm時試樣端面徑向伸長率的增幅為34%;而在位移 > 7. 0 mm的壓縮階段, 載荷呈指數增加, 壓縮試樣的鼓度值從極大值開始逐漸減小, 至位移為10. 72 mm時(相對壓下量為89. 3%), 試樣端面的徑向伸長率相比于位移7. 0 mm時增加了83. 1%, 壓縮試樣的中心位置的維氏硬度增幅最小, 為32. 7 HV.上述試驗數據表明, 在位移≤7. 0 mm的壓縮過程中, 壓縮試樣內的三個不均勻變形區的位置與傳統壓縮模型一致, 但是當壓縮變形進入位移 > 7. 0 mm的壓縮過程中, 試樣中心位置已不再是傳統壓縮模中變形程度最大的變形區了, 即在這個階段試樣中的3個不均勻變形區的變形程度發生了改變.正因這種不均勻變形區變形程度的改變導致了變形過程中載荷的急劇增加和鼓度值的減低.另外, 在壓縮變形過程中, 三個不均勻變形區中石墨粒子的微觀變形量總是高于鐵素體基體, 其原因之一可以歸結為石墨粒子中層與層之間容易于滑動的結果.

Fe-TiB₂/Al₂O₃復合陰極的電解性能及元素遷移行為

梁玉冬, 王力軍, 柴登鵬, 牛婷婷, 包生重, 王俊偉, 劉英

2019, 41(8): 1045-1051. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.010

[摘要](795)

[HTML全文] (403)

[PDF 5451KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
以氧化鋁溶膠為黏結劑、金屬Fe為燒結助劑, 采用冷壓-燒結制備出鋁電解用Fe-TiB₂/Al₂O₃復合陰極材料, 利用20A電解試驗研究其電解性能; 利用能譜儀(EDS) 對電解試驗前后的復合陰極材料進行了成分物相分析, 研究電解過程中各種元素遷移行為.研究結果表明: 金屬Fe作為燒結助劑在燒結過程中能有效的填充骨料之間的空隙, 使該復合陰極材料的燒結致密度顯著提高; 20 A電解試驗過程電壓穩定, 電流效率93. 2%, 原鋁中鋁元素質量分數為99. 47%, 雜質元素質量分數為0. 53%.在電解試驗后, 鋁液能有效潤濕陰極表面, 表明Fe-TiB₂/Al₂O₃復合陰極材料具有較理想的可潤濕性; 從復合陰極電解后的能譜分析可知, 在電解過程中, 堿金屬主要是通過液態電解質滲透進入陰極材料中, 隨后又逐漸滲透進入黏結劑相中, 并在骨料之間氧化鋁溶膠和金屬燒結助劑均未能充分填充的空隙進行富集. K元素較Na元素對黏結相的滲透力更強; 與此同時, 陰極表面生成的Al通過復合材料的空隙進入陰極內部, 而Fe金屬會利用材料內部的空隙反向擴散至鋁液層中.在試驗中, 陰極表面的鋁液層的穩定存在是該陰極高效穩定運行的基礎.

基于IPSO-RELM轉爐冶煉終點錳含量預測模型

張壯, 曹玲玲, 林文輝, 孫建坤, 馮小明, 劉青

2019, 41(8): 1052-1060. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.011

[摘要](1130)

[HTML全文] (447)

[PDF 4707KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
分析了影響轉爐冶煉終點鋼水中錳含量的因素, 針對基于BP神經網絡算法的轉爐冶煉終點錳含量預測模型存在的收斂速度慢, 預測精度低等問題, 提出了一種基于極限學習機(ELM) 算法建模的新思路, 并引入正則化以及改進粒子群優化算法(IPSO), 建立了基于改進粒子群算法優化的正則化極限學習機(IPSO-RELM) 的轉爐終點錳含量預測模型; 應用國內某煉鋼廠轉爐實際生產數據對模型進行訓練和驗證, 并與基于BP、ELM和RELM算法的三類模型進行比較.結果表明, 采用IPSO-RELM方法構建的模型, 錳含量預測誤差在±0. 025%范圍內的命中率達到94%, 均方誤差為2. 18×10^-8, 擬合優度R²為0. 72, 上述三項指標均顯著優于其他三類模型, 此外, 該模型還具有良好的泛化能力, 對于轉爐實際冶煉過程具有一定的指導意義.

缺氧空調房間富氧特性及富氧效果的模擬研究

王浩宇, 劉應書, 張傳釗, 陳福祥, 馬曉鈞, 李春旺

2019, 41(8): 1061-1073. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.012

[摘要](930)

[HTML全文] (531)

[PDF 3156KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
利用實驗及CFD模擬軟件分別研究非空調工況下以及空調工況的送氧口個數、送氧口管徑、送氧流量及送氧方式、不同的氣流組織形式(同側上送下回、異側上送下回)等發生變化對密閉建筑缺氧房間的富氧特性及富氧效果的影響. 結果表明: 非空調工況下, 送氧口個數、送氧口管徑、送氧流量及送氧方式不同, 所形成的富氧區域差別較大, 宜采用管徑為6 mm的相背45°的雙送氧口進行送氧, 所形成的富氧面積為最大; 空調工況下, 送氧口個數、送氧口管徑、送氧流量及氣流組織形式不同, 所形成的富氧區域形狀大體相似, 均為"橢圓"形狀, 宜采用送氧口管徑為6 mm的單送氧口且異側上送下回的氣流組織形式; 空調工況下, 送氧流量相同時, 送風風速為0.85 m·s^-1所形成的富氧面積比送風風速為1 m·s^-1所形成的富氧面積大約20%;當送風風速均為0.85 m·s^-1, 送氧流量為1.5 m³·h^-1所形成的富氧面積約為0.96 m², 該富氧面積與單人次活動范圍面積相當, 適宜作為空調工況下缺氧房間單人次的富氧基礎供氧量. 模擬結果可為缺氧空調房間供氧裝置的選擇、布置、降低新風量、降低空調能耗等方面提供參考.

變頻矢量控制系統入侵檢測技術

曹策, 解侖, 李連鵬, 王志良

2019, 41(8): 1074-1084. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.013

[摘要](916)

[HTML全文] (376)

[PDF 1798KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
針對采用以太網控制自動化技術(EtherCAT)工業總線的感應電機交-直-交變頻矢量控制系統的入侵檢測技術進行了研究. 首先通過對EtherCAT總線協議進行深度解析, 結合目前為止已經發現的EtherCAT工業總線常見協議漏洞, 提取協議數據包的關鍵特征并構建EtherCAT總線協議入侵檢測規則庫, 采用三維指針鏈表樹作為針對EtherCAT總線協議規則庫的檢索數據結構; 其次, 根據感應電機交-直-交變頻矢量控制系統的物理模型, 進行模型參數仿真計算, 并根據仿真計算值, 構建矢量控制模型入侵特征的最小二乘支持向量機(least square support vector machine, LSSVM)分類器, 使用混沌粒子群優化(choatics particle swarm optimization, CPSO)算法對分類器的參數進行優化, 二者共同構成了CPSO-LSSVM入侵檢測分類算法. 異常數據包在被分類后, 會被傳遞給Suricata入侵檢測引擎進行精確規則匹配; 最后為該入侵檢測系統搭建物理實驗環境, 經過測試, 本文中的交-直-交變頻矢量控制模型仿真結果動態性能良好, 與實際矢量控制系統參數的波形變化趨勢相近. 通過抽取KDD Cup99測試數據集中的一部分對該入侵檢測系統實施DOS攻擊、R2L、U2R以及PROBING攻擊行為, 驗證該入侵檢測系統的有效性.

基于BP神經網絡的機器人波動摩擦力矩修正方法

張鐵, 洪景東, 李秋奮, 劉曉剛

2019, 41(8): 1085-1091. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.014

[摘要](852)

[HTML全文] (345)

[PDF 3210KB](35) [施引文獻] ()

摘要:
針對機器人諧波減速器關節在轉動過程中存在的波動摩擦力矩, 提出一種基于傅里葉級數函數和BP神經網絡的建模方法, 并完善機器人的動力學模型, 修正了因波動摩擦力矩帶來的關節力矩計算誤差. 通過研究諧波減速器關節的波動摩擦力矩在不同影響因素下的變化特性, 采用傅里葉級數與BP神經網絡結合的方法對波動摩擦力矩進行建模. 通過添加傅里葉級數函數作為BP神經網絡的輔助輸入, 克服了力矩誤差曲線因存在高頻周期性波動而難以擬合的困難. 在離線環境下訓練神經網絡, 完成對關節波動摩擦力矩的建模, 進而完善機器人的動力學模型和修正關節中存在的波動摩擦力矩. 驗證實驗表明, 使用完善后的動力學模型可以有效計算諧波減速器關節的波動摩擦力矩, 并使修正后的力矩誤差維持在[-0.5, 0.5] N·m的范圍之內, 方差為0.1659 N²·m², 是修正前的24.23%.

基于滾軸支座基礎智能隔震結構的非光滑主動控制

劉彥輝, 黃襄云, 黃小芳, 王清

2019, 41(8): 1092-1102. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015

[摘要](629)

[HTML全文] (415)

[PDF 9505KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
以滾軸支座基礎隔震結構作為受控結構研究對象, 在該隔震結構的隔震層施加主動控制裝置, 形成智能隔震體系, 以控制隔震層的位移, 提高結構的安全性. 在智能隔震結構中引入非光滑控制算法, 基于隔震層位移和速度反饋, 提出了智能隔震結構的非光滑控制算法, 進一步根據Lyapunov穩定理論, 推導了在非光滑控制下智能控制閉環系統的全局有限時間穩定性. 結合一棟六層滾軸支座基礎隔震結構, 進行了非光滑主動控制算法下和LQG主動控制算法下的地震響應控制仿真分析. 結果表明, 智能隔震結構可有效控制結構的位移, 與被動隔震結構相比較上部結構的地震響應有一定程度的減小, 同時提出的非光滑控制算法與LQG控制算法相比較具有更好的控制效果, 相比LQG控制算法通過較少的反饋量即可實現反饋控制, 且非光滑控制算法具有良好的穩定性.