工程科學學報

尾礦壩致災機理研究現狀及發展態勢

李長洪, 卜磊, 陳龍根

李長洪, 卜磊, 陳龍根尾礦壩失穩致災機理極其復雜,然而目前尾礦壩災害防控缺乏對尾礦材料多尺度多因素耦合力學機制的深入研究,且細粒與高堆尾礦壩災變機理不明確.針對尾礦壩致災機理研究的基礎共性問題,收集大量的國內外尾礦壩災害緊密相關的研究領域的文獻,綜述有關筑壩尾礦結構多尺度表征描述與力學特性、筑壩尾礦沉積運動規律、尾礦壩成壩機理與壩體結構組成、尾礦壩穩定性分析與致災機理等方面的研究現狀及成果,指出目前研究存在的不足,凝練出尾礦壩災害研究領域亟待解決的關鍵科學問題,并對未來的研究發展態勢進行具體全面的展望. 工程科學學報. 2016 38(8): 1039-1049.

聯絡巷對采空區氧化升溫帶影響的多場耦合模擬研究

張英華, 周佩玲, 黃志安, 高玉坤, 袁飛

張英華, 周佩玲, 黃志安, 高玉坤, 袁飛在U+L型通風條件下,聯絡巷的存在對采空區遺煤自燃有重要的影響.為保證礦井安全生產,并為預防遺煤自燃提供依據,根據煤體低溫氧化的反應機理,使用UDF將煤氧反應的機理編入FLUENT,對聯絡巷存在時采空區氧化升溫帶的分布規律進行多場耦合數值模擬研究.結果表明:聯絡巷的存在使采空區內風流場、氧濃度場及溫度場都發生變化,氧化升溫帶不僅向回風側偏移,而且向采空區深部移動且變寬;聯絡巷與工作面的距離影響氧化升溫帶的寬度,聯絡巷距工作面20 m時氧化升溫帶寬度最大約為25 m;反應進行10 d后,U+L型通風下采空區高溫點的升溫速率可達1.24 K·d^-1,是U型通風的1.5倍,但聯絡巷相對工作面的位置對高溫點幾乎沒有影響;與U型通風時相比,U+L通風時回風側的溫度場中聯絡巷口溫度最高,而且比U型通風時相同坐標位置的溫度平均每天高出4 K,隨著聯絡巷與工作面距離的不斷增加,聯絡巷口升溫速率由0.1 K·d^-1可升至0.9 K·d^-1,這在整體溫度場中雖然不屬于高溫區域,但具有很好的升溫潛質. 工程科學學報. 2016 38(8): 1050-1058.

基于超聲波波速及BP神經網絡的膠結充填體強度預測

徐淼斐, 高永濤, 金愛兵, 周喻, 郭利杰, 劉光生

徐淼斐, 高永濤, 金愛兵, 周喻, 郭利杰, 劉光生尾砂膠結充填體作為一種水泥基多相復合材料,其單軸抗壓強度與超聲波波速受水泥含量、固體質量分數、試件形態等因素影響.通過制備三種形態(7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm立方體,Φ5 cm×10 cm圓柱體和Φ7 cm×14 cm圓柱體)的試件并進行單軸抗壓強度試驗和聲波波速測試,對充填體強度和波速受水泥含量、固體質量分數和試件形態影響的規律進行了灰色-關聯度分析.結果表明:水泥含量是影響強度的關鍵核心因素,關聯度為0.837;固體質量分數是影響波速的關鍵核心因素,關聯度為0.712.建立了充填體強度-波速指數函數預測模型和BP神經網絡預測模型,通過對兩種預測模型進行統計分析的F檢驗和t檢驗驗證了兩種方法在充填體強度預測的可行性,為膠結充填體的強度預測提供了新方法. 工程科學學報. 2016 38(8): 1059-1068.

螺旋管在小倍線充填中的應用及充填倍線公式修正

牟宏偉, 呂文生, 楊鵬

牟宏偉, 呂文生, 楊鵬為解決小倍線充填管道局部壓力過大、管路磨損嚴重等問題,本文提出用螺旋管增阻調壓的結構與實施方案.結合計算流體力學（computational fluid dynamics,CFD）對增阻調壓結構與實施方案進行模擬分析,基于模擬計算的結果提出增加螺旋管道增阻調壓結構后計算充填倍線的修正公式.研究結果表明,在2 m·s^-1的模擬流速下,螺旋管增阻調壓結構所產生的阻力可達同等高度直管的10.1~16.8倍,在保證料漿連續輸送的前提下可以有效的起到增阻降壓的作用.結合數值模擬的充填倍線修正公式能夠較為完善地計算增阻降壓后的有效充填倍線. 工程科學學報. 2016 38(8): 1069-1074.

混凝土硫酸鹽腐蝕損傷的聲波與聲發射變化特征及機理

劉娟紅, 趙力, 宋少民, 紀洪廣

劉娟紅, 趙力, 宋少民, 紀洪廣試驗模擬干濕循環作用下混凝土受10%(質量分數)硫酸鈉溶液侵蝕的腐蝕環境,測試和分析硫酸鹽不同侵蝕時期混凝土單軸壓縮試驗時波速和聲發射的變化特征.采用環境掃描電鏡和能譜儀進行微觀觀測并結合X射線衍射測試手段分析受蝕混凝土的損傷機理.結果表明:受侵蝕60 d和80 d的試件加載初期會有較明顯的壓密階段,試件受硫酸鹽侵蝕和干濕循環作用愈久,加載中波速急劇下降的突變點愈提前;受蝕40 d以上的試件加載中聲發射事件活躍區間較集中,在腐蝕產生的缺陷和薄弱位置容易出現應力集中和能量集中釋放,聲發射事件數量急劇上升的突變點提前.通過數學模型以聲發射累積振鈴計數為損傷變量建立損傷模型可以表征混凝土中環境腐蝕、荷載及損傷之間的作用關系.腐蝕階段鈣礬石與石膏的膨脹作用和硫酸鈉的結晶壓在試件內部形成微破損,受蝕混凝土表現出不同宏觀性能. 工程科學學報. 2016 38(8): 1075-1081.

高爐處理燒結煙氣脫硫脫硝理論分析

魏付豪, 劉建華, 季益龍, 李康偉, 劉洪波, 劉建

魏付豪, 劉建華, 季益龍, 李康偉, 劉洪波, 劉建對利用高爐處理燒結煙氣同時脫硫脫硝脫二噁英技術的可行性進行了理論探討,分析高爐內部還原二氧化硫和氮氧化物,以及分解二噁英的熱力學條件,探討燒結煙氣代替空氣鼓風對理論燃燒溫度、風量、爐缸煤氣、爐頂煤氣和鐵水硫含量的影響.結果表明:二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮的最低平衡體積分數分別為1.84×10^-13%、3.08×10^-11%和3.72×10^-21%,高爐內部還原二氧化硫和氮氧化物是可行的;高爐具有分解二噁英的有利熱力學條件;煙氣中二氧化硫和一氧化碳對理論燃燒溫度的影響可忽略,氮氧化物能略微提高理論燃燒溫度,二氧化碳體積分數增加1%,理論燃燒溫度降低大約40.5℃,但通過降低鼓風濕度和提高富氧率等措施,能達到高爐正常生產時的爐缸熱狀態水平;隨著煙氣中二氧化碳含量的增加,風量、爐缸和爐頂煤氣量都逐漸降低,爐缸煤氣一氧化碳和氫氣含量增加,爐頂煤氣中一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水含量都增加,氮氣含量顯著降低;鐵水硫含量與煙氣二氧化硫含量成正比,但當二氧化硫質量濃度達到2000 mg·m^-3,鐵水中硫質量分數僅為0.025%,鐵水質量仍合格.通過綜合調節高爐操作參數,也可以實現燒結煙氣代替空氣鼓風進行高爐煉鐵生產,達到脫硫脫硝脫二惡英的目的. 工程科學學報. 2016 38(8): 1082-1090.

基于數值模擬的氣液相界面積計算方法

宋彥坡, 劉志高, 陶焰明, 彭小奇, 陳卓

宋彥坡, 劉志高, 陶焰明, 彭小奇, 陳卓相界面積對氣液兩相流中傳熱、傳質、物理化學反應等動力學過程影響重大.為獲取這一參數,提出一種根據兩相流數值模擬結果計算相界面積的方法.此方法借鑒分段線性重構界面的思想,在各網格單元內以平面近似真實相界曲面,根據目標流體的體積分數及其梯度向量將網格內相界面形貌歸為五類,進而采用不同的方法分別計算各類相界面的面積.在銅轉爐熔池內兩相流數值模擬結果分析中的應用效果表明:該方法能有效提取兩相流體系中任意區域的相界面積,從而為體系動力學特征的定量分析提供依據.利用相界面積數據,進一步計算了氧氣利用率并識別出熔池內‘高效反應區’,計算和識別結果與工程實際吻合,證實了該方法的準確性. 工程科學學報. 2016 38(8): 1091-1097.

寬厚板坯連鑄結晶器流場、溫度場及應力場的耦合數值模擬

黃誠, 李曉謙, 陳平虎, 徐婷

黃誠, 李曉謙, 陳平虎, 徐婷利用Pro CAST軟件對2400 mm×400 mm寬厚板坯結晶器建立三維動態模型,采用移動邊界法實現結晶器內流場、溫度場及應力場的耦合模擬.結果表明:考慮凝固坯殼的影響,下回流區位置向鑄坯中心靠攏,真實反映了鋼液在連鑄結晶器內的流動情況.自由液面的鋼液從窄面流向水口,速度先增大后減小,距水口約0.7 m處,出現最大表面流速,約為0.21 m·s^-1.結晶器出口坯殼窄面中心厚度最小且由中心向兩側逐漸增大,最小厚度約為10.4 mm;受流股沖擊影響較弱的寬面坯殼與窄面相比生長更均勻,寬面偏角部和中心的坯殼厚度分別為18.9 mm和27.6 mm.鑄坯坯殼應力變化趨勢與溫度基本保持一致,表明初凝坯殼應力主要是熱應力.結晶器內鑄坯寬窄面上的等效應力均沿著結晶器高度下降方向呈增大趨勢,鑄坯角部、寬面中心及窄面中心位置的最大應力各約為200、100和25 MPa. 工程科學學報. 2016 38(8): 1098-1107.

釩對高強度汽車大梁鋼組織細化的影響

李永亮, 王福明, 李長榮, 楊占兵, 何煜天, 鄭亞旭

李永亮, 王福明, 李長榮, 楊占兵, 何煜天, 鄭亞旭利用Gleeble-3500熱模擬試驗機、掃描電鏡、透射電鏡、電子背散射衍射技術等手段研究V對700 MPa級高強度汽車大梁鋼組織細化的影響.在冷卻速度2~7℃·s^-1時,顯微組織為針狀鐵素體＋粒狀貝氏體組織.V添加提高粒狀貝氏體體積分數,細化粒狀貝氏體組織,并明顯降低粒狀貝氏體中M/A島的尺寸.與無V鋼相比,含V鋼中大角度晶界比例提高18.2%,對提高鋼的韌性有利.由于C含量過低,在實驗鋼中未觀察到單獨的VC析出,由此推測V主要固溶在基體中,以合金化方式促進鋼的貝氏體相變,使組織得到有效細化. 工程科學學報. 2016 38(8): 1108-1114.

TMCP工藝對Si—Mn系貝氏體鋼組織與性能的影響

李明保, 胡水平

李明保, 胡水平研究了軋后中溫緩慢冷卻與中溫等溫兩種不同的熱機械控制工藝(thermomechanical control process,TMCP)對硅錳系貝氏體鋼的組織與性能的影響.通過拉伸試驗機測試試驗鋼的力學性能,利用掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射等分析手段對試驗鋼進行顯微組織結構分析,并利用X射線衍射測定殘余奧氏體含量.結果表明:隨著軋后連續緩慢冷卻開始溫度的升高,貝氏體鋼的抗拉強度、硬度及拉伸應變硬化指數n值有所提高,伸長率和沖擊韌性降低,屈強比先降低后升高.隨著軋后等溫時間的延長,貝氏體鋼的抗拉強度與屈強比先降低后升高,伸長率及沖擊韌性先升高后降低.相對于等溫制度,連續緩慢冷卻可得到更好的綜合力學性能,強塑積明顯高于前者,伸長率比前者高20%以上. 工程科學學報. 2016 38(8): 1115-1122.

Mg對Zn—11% Al合金鍍層凝固組織及合金層生長的影響

李凱良, 吳長軍, 彭浩平, 劉亞, 蘇旭平, 王建華

李凱良, 吳長軍, 彭浩平, 劉亞, 蘇旭平, 王建華將工業純鐵分別在510℃的Zn-11% Al、Zn-11% Al-1.5% Mg、Zn-11% Al-3% Mg和Zn-11% Al-4.5% Mg合金熔池中進行不同時間的熱浸鍍,使用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、能譜儀等儀器設備,研究Mg含量對Zn-11% Al合金鍍層凝固組織和鍍層中Fe-Al合金層生長的影響.結果表明:Zn-11% Al合金鍍層凝固組織由富Al相和Zn/Al二元共晶組成;隨著Zn-11% Al-x% Mg合金中Mg含量的增加,合金鍍層的凝固組織中逐漸出現Zn/Al/MgZn₂三元共晶、塊狀MgZn₂相和Al/MgZn₂二元共晶.四種合金鍍層中合金層主要由Fe₂Al₅Zn_x和FeAl₃Zn_x相組成,合金層的厚度隨浸鍍時間的增加而增加,Mg含量的增加使Fe-Al合金層生長速率指數和生長速率降低.在Zn-11% Al合金鍍層中Fe-Al合金層形成的初期,可形成致密穩定的Fe-Al化合物層;熱浸鍍120 s后,擴散通道的移動使Fe-Al化合物層失穩破裂.Zn-11% Al-x% Mg合金中Mg元素可明顯推遲液Zn進入鍍層中Fe-Al合金層的時間,使Fe-Al合金層更加穩定和致密. 工程科學學報. 2016 38(8): 1123-1131.

冷卻速度對Zn—5Al—0.1RE—xSi合金顯微組織及耐蝕性能的影響

涂浩, 魏大圣, 周圣潔, 劉亞, 吳長軍, 蘇旭平, 王建華

涂浩, 魏大圣, 周圣潔, 劉亞, 吳長軍, 蘇旭平, 王建華運用掃描電子顯微鏡/能譜儀、X射線衍射、鹽霧實驗、電極化曲線等手段,研究冷卻速度和Si對Zn-5Al-0.1RE合金組織及耐蝕性能的影響.結果表明,Zn-5Al-0.1RE-xSi合金由先析出的η-Zn和η-Zn+α-Al共晶組織組成,前者均勻分布在相鄰的η-Zn+α-Al共晶胞的邊界上.降低冷卻速度和Si的加入,均使Zn-5Al-0.1RE-xSi合金單位面積的晶粒增大,晶界減少,合金耐蝕性能提高.Zn-5Al-0.1RE-xSi合金耐蝕性能的差異與合金凝固組織及合金腐蝕產物中Zn₅(OH)₈Cl₂·H₂O和ZnO的相對量有關. 工程科學學報. 2016 38(8): 1132-1138.

球形氧化鎳粉末對乙醇的電催化性能的研究

湛菁, 陸二聚, 蔡夢, 馬雅琳

湛菁, 陸二聚, 蔡夢, 馬雅琳通過水熱-熱分解法制備球形介孔氧化鎳粉末,并采用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡和比表面積儀對氧化鎳粉末的形貌和結構進行表征;通過循環伏安法、計時電流法和電化學阻抗譜的測試,系統研究該種粉末在堿性介質中對乙醇的電催化氧化活性.結果表明:所得到的氧化鎳粉末為球形,比表面積為35 m²·g^-1,平均孔徑為15.88 nm;該粉末對乙醇具有良好的催化活性,氧化電流隨乙醇濃度和掃描速率的增大而增大,在0.60 V電位下保持1000 s,球形多孔氧化鎳對乙醇氧化催化的電流衰減率為0.075%,穩定性比較好.循環伏安法、計時電流法和電化學阻抗譜測試表明,球形介孔NiO/玻碳電極(NiO/GCE)對乙醇的催化氧化反應機理為擴散控制. 工程科學學報. 2016 38(8): 1139-1144.

Cr₃C₂含量對Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料摩擦磨損性能的影響

傅麗華, 韓偉, 謝琰軍, 李長海, 董超芳, 趙琳, 田志凌

傅麗華, 韓偉, 謝琰軍, 李長海, 董超芳, 趙琳, 田志凌采用熱等靜壓法制備Ni₃Al合金和Cr₃C₂含量不同的Ni₃Al基復合耐磨材料,利用掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射儀及摩擦磨損試驗機,系統地研究Cr₃C₂含量對材料組織特征、硬度及摩擦磨損性能的影響.結果表明：Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料中,Cr₃C₂顆粒與Ni₃Al顆粒之間發生互擴散作用,使部分Cr₃C₂顆粒轉變為M₇C₃（M=Cr,Fe,Ni）結構;在特定的摩擦磨損條件下,隨著Ni₃Al基體中Cr₃C₂比例增大,Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料的耐磨性能顯著提高,達到了Ni₃Al合金耐磨性能的4~10倍.此外,隨著Ni₃Al基體中Cr₃C₂比例的增大,Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料對對磨盤的切削、刮擦作用減弱,對磨盤的磨損量減少. 工程科學學報. 2016 38(8): 1145-1152.

聚氨酯/蜂窩鋁復合材料的壓縮力學行為及緩沖吸能特性

宋玉環, 肖久梅

宋玉環, 肖久梅對空芯蜂窩鋁(六邊形孔)、聚氨酯、聚氨酯/蜂窩鋁復合材料進行壓縮試驗,分析蜂窩鋁和聚氨酯復合后的壓縮力學行為及緩沖吸能特性.結果表明:復合材料的應力-應變曲線表現出彈性、屈服和密實三個階段,初始剛度和屈服應力較空芯蜂窩鋁有很大提高;蜂窩鋁的加入使聚氨酯的變形回復降低25%;復合材料的最大吸能效率是單純聚氨酯的1.47倍,且較大應力下復合材料具有比單純聚氨酯更好的吸能效率;聚氨酯填充1 mm孔徑蜂窩鋁復合材料的最大吸能效率是聚氨酯填充2 mm孔徑蜂窩鋁復合材料的1.37倍;加載速率越大,吸能效率的峰值越大,且在達到最大吸能效率時的應力越大. 工程科學學報. 2016 38(8): 1153-1159.

AP1000主管道冷彎壁厚減薄

王鵬, 楊濱, 王勝龍, 趙天明

王鵬, 楊濱, 王勝龍, 趙天明提出了一種改進的Johnson-Cook模型,用于室溫和低應變速率下AP1000核電站主管道316LN奧氏體不銹鋼的塑性變形過程研究.借助有限元軟件ANSYS/LS-DYNA,對AP1000核電一回路主管道熱段管冷彎成形過程進行模擬仿真,分析管道壁厚、相對彎曲半徑、摩擦系數等工藝參數對壁厚減薄率的影響規律,擬合出壁厚減薄率的經驗公式.全尺寸主管道冷彎試驗結果表明,數值模擬結果準確可靠. 工程科學學報. 2016 38(8): 1160-1167.

楔橫軋反楔堆軋改善空心零件過渡軸肩的壁厚減薄

楊翠蘋, 張康生, 胡正寰

楊翠蘋, 張康生, 胡正寰楔橫軋隨形軋制空心零件在過渡軸肩位置會產生壁厚減薄,降低零件的力學強度,改善軸肩的壁厚狀況是必須解決的問題.本文基于有限元模擬方法,揭示空心零件成形時壁厚減薄的產生原因,提出采用楔橫軋反楔堆軋改善軸肩壁厚的成形方法,分析反楔堆軋增加軸肩壁厚的主要影響因素,從而獲得軸肩壁厚增厚的成形方法和最佳條件,實現了楔橫軋隨形軋制空心零件軸肩位置的顯著增厚.通過軋制試驗,驗證了有限元模擬分析模型的可靠性. 工程科學學報. 2016 38(8): 1168-1174.

外掠百葉板流場自持振蕩數值模擬研究

張永昌, 徐宇工, 陳向東, 朱一妃

張永昌, 徐宇工, 陳向東, 朱一妃外掠百葉板流動在工程中十分常見,由其引發的流場自持振蕩現象能夠導致流場壓力持續波動,使周圍結構承受持續作用的周期載荷,造成結構疲勞安全隱患.采用數值模擬方法,針對外掠百葉板流場自持振蕩問題進行研究.計算結果表明:低馬赫數條件下,外掠百葉板流場中產生的自持振蕩現象屬于純流體動力學問題,其形成原因為流場剪切層振蕩所引發的大尺度渦團的形成與遷移.同時,隨之產生的壓力振蕩具有持續性及周期性.自持振蕩頻率是空間均勻的,而幅值在主流方向上呈先急劇增大后穩定,最后小幅減小的趨勢.隨著百葉板內側的空腔體積不斷增大,振蕩頻率變化較小,振蕩幅值逐漸增大并在空腔體積達到一定值后保持穩定. 工程科學學報. 2016 38(8): 1175-1181.

基于CFD雙P型輻射管扁形度的影響特性

馮俊小, 陳艷梅, 劉興杰, 吳啟明

馮俊小, 陳艷梅, 劉興杰, 吳啟明為改善輻射管熱效率,本文設計了一個扁雙P型輻射管,選取輻射管中心管截面長半軸A與短半軸B的比例為1.0、1.1、1.2、1.3和1.4五種扁形度,借助于FLUENT軟件就扁形度對輻射管傳熱性能的影響進行研究.結果表明:在保持雙P型輻射管換熱表面積不變的情況下,隨著雙P型輻射管扁形度的增加,輻射管對帶鋼的輻射角系數增大,輻射管對爐內輻射換熱量增加,輻射管熱效率升高;但是,隨著雙P型輻射管扁形度的增加,輻射管表面溫差逐漸增大,扁形度達到1.3后,表面溫度不均勻系數顯著增加.綜合考慮輻射管的表面溫差和輻射熱效率,扁形度為1.2的扁雙P型輻射管性能較優,與扁形度為1.0時(即輻射管未被壓扁的時候)相比,表面溫度均勻性幾乎不變,而輻射管熱效率提高約1%. 工程科學學報. 2016 38(8): 1182-1189.

帶并行腔和重入約束的雙臂集束型設備調度方法

周炳海, 黎明, 蘇誼

周炳海, 黎明, 蘇誼為有效解決半導體制造業中帶并行腔和重入約束的雙臂集束型設備調度問題,提出一種以優化搜索為核心的調度方法.首先,引入優化FIFO (first in first out)搜索規則,并以系統總完工時間最小化作為目標,建立帶并行腔和重入約束的四加工腔雙臂集束型設備調度數學模型.在此基礎之上,結合虛擬緩沖模塊的概念,提出一種基于機械臂交換策略的優化搜索算法.最后,對所提出的算法進行仿真實驗,實驗結果表明該算法是可行且有效的. 工程科學學報. 2016 38(8): 1190-1195.