工程科學學報

THMC多場耦合作用下巖石物理力學性能與本構模型研究綜述

2020-11-25

巖石多場耦合作用的研究已經開展了數十年，包括巖石在單一物理場、兩場耦合或三場耦合作用效應的研究。然而深部礦產資源開采和地下空間開發中巖體的賦存環境非常復雜，巖體在高溫、高滲透壓、高應力及復雜水化學環境中將發生溫度–水流–應力–化學（THMC）多場耦合作用。綜合分析巖石多場耦合作用下的裂隙演化、變形力學機制、力學本構和耦合模型構建等方面的研究，在分析巖石強度理論的基礎上得出巖石多場耦合本構模型以及巖石蠕變本構模型。不同行業對巖石多場耦合作用的研究重點存在一定的差異，巖石多場耦合作用不僅涉及到礦產資源開發、油氣田開采、地熱資源開發等資源能源領域，其在水利水電工程、高寒工程、地下工程、地下核廢料處置及深埋能源儲庫等領域也是研究的重點。巖石在高應力、水流、高溫和化學作用下，不僅會發生耦合作用，而且會對巖石本身的物理力學性能產生影響。分析研究多場耦合作用下巖石的力學性能對于預防事故發生和保障工程安全開展具有重要的現實意義。最后探討分析了巖石多場耦合研究的重點、難點和今后研究的方向，為工程實踐和相關問題的解決提供參考。

工程科學學報. 2020 42(11): 1389-1399. Published 2020-11-25

鋅浸出渣有價金屬回收及全質化利用研究進展

2020-11-25

鋅浸出渣是一種具有較高綜合利用價值的固廢資源。本文針對鋅浸出渣中有價金屬的回收以及全質化利用的研究進展進行了歸納總結：鋅浸出渣中有價金屬的種類多，如鋅、鉛和銀等具有較高的回收價值，其回收工藝主要有火法工藝和濕法工藝。通過對多種典型鋅浸出渣回收工藝的優缺點和適用性的詳細比較分析，提出了微生物浸出?氯鹽浸出聯合的方法，該方法可高效浸出鋅浸出渣中的鋅、鉛和銀，對不同類型的鋅浸出渣具有良好的適用性，展現出了良好的工業應用前景；其次，介紹了鋅浸出渣全質化利用的進展，展望了技術發展方向，鋅浸出渣全質化利用將朝著制備性能優異、精細化和綠色節能的高端材料方向發展，在實現鋅冶煉行業清潔生產的同時努力獲得更大的經濟效益。

工程科學學報. 2020 42(11): 1400-1410. Published 2020-11-25

模擬煙氣中氣態痕量元素污染物發生方法的研究現狀

2020-11-25

目前燃煤電廠對于SO<sub<2</sub<、NO<sub<<i<x</i<</sub<和PM等主要污染物已經有較為成熟的控制方法，但針對具有長期環境危害性的痕量污染物尚缺乏有效的排放控制手段。為全面掌握痕量污染物在煤燃燒過程中的釋放、遷移和轉化規律并開發相應的控制技術，建立穩定可靠的模擬煙氣痕量污染物發生方法是開展相關研究的前提條件。通過文獻調研，對常見痕量污染物的四種發生方法進行了總結、歸納和對比：溶液蒸發法較為簡單易用，但產物中易含有副產物，這些副產物會帶來一定的影響；燃燒法產生的痕量污染物最接近實際情況，但受實驗條件影響較大，并且產物成分較為復雜；升華法獲得的產物濃度較為準確，但適用范圍較窄，僅用于某幾種氣態痕量污染物的發生；氫化物氧化法可準確地控制產物的發生速率，但也僅適用于少量痕量污染物，并且裝置較為復雜。分析比較了不同方法的適用情形，最后提出多種方法聯用的思路以期得到更加接近實際情形并且成分可控的結果。

工程科學學報. 2020 42(11): 1411-1421. Published 2020-11-25

復合定形相變材料的封裝及應用研究新進展

2020-11-25

有機相變材料具有熱存儲密度高、自身溫度和體積變化小、腐蝕性小和化學性質穩定等優點，能有效提升不可再生能源的利用率，是一種綠色節能環保材料，在新能源開發和熱能儲存領域起著至關重要的作用。然而，有機相變儲能材料普遍存在相變過程中熔融泄漏和熱導率低的問題，嚴重制約了相變材料的實際應用。因此，相變材料的封裝定形和導熱強化成為近年來的研究熱點。本文針對有機相變材料普遍存在的泄漏和熱導率低問題，綜述了有機相變材料的封裝技術和導熱強化技術的基本方法及最新研究成果，并總結了復合相變儲能材料的能量轉換機理，淺談了復合定形相變儲能材料在建筑節能、太陽能和電子設備等領域的應用情況。最后，對未來復合定形相變儲能材料發展的研究重點和方向進行了展望。

工程科學學報. 2020 42(11): 1422-1432. Published 2020-11-25

自然場景文本檢測技術研究綜述

2020-11-25

文本檢測在自動駕駛和跨模態圖像檢索中具有極為廣泛的應用。該技術也是基于光學字符的文本識別任務中重要的前置環節。目前，復雜場景下的文本檢測仍極具挑戰性。本文對自然場景文本檢測進行綜述，回顧了針對該問題的主要技術和相關研究進展，并對研究現狀進行分析。首先對問題進行概述，分析了自然場景中文本檢測的主要特點；接著，介紹了經典的基于連通域分析、基于滑動檢測窗的自然場景文本檢測技術；在此基礎上，綜述了近年來較為常用的深度學習文本檢測技術；最后，對自然場景文本檢測未來可能的研究方向進行展望。

工程科學學報. 2020 42(11): 1433-1448. Published 2020-11-25

裂隙性儲層水平井起裂行為的控制

2020-11-25

針對裂隙性儲層水力壓裂行為中出現的圍巖維護、增透效率與地下水害防治等實際問題，本文對多場多相耦合作用下起裂壓力控制機制，以及壓裂性評價展開了深入研究。首先分析了射孔集中力對原始應力場的改造作用；其次，考慮壓裂液在儲層原生裂隙中的滲透作用；最后，基于斷裂力學強度準則建立了水平井起裂壓力計算模型。根據模型分析了儲層裂隙場幾何參數對起裂壓力的控制作用，提出了裂隙場特征參數的概念。研究結果表明，水平井水力壓裂是流固多相在射孔應力場、壓裂液滲流場以及儲層裂隙場耦合空間內相互作用過程，裂隙場特征參數對起裂壓力的大小起著主導控制作用，其中最大控制因素為儲層隙寬，且當儲層隙寬在200～700 μm區間內時，水力壓裂對改善其滲透性能才有實際意義，從而解決了裂隙性儲層起裂壓力的定量化與壓裂性評判問題。經實例計算與對比發現，蘇里格氣田東區H8段的砂巖儲層，起裂壓力的理論值與實測值契合度較高，壓裂后的產能也十分理想，從而驗證了模型的正確性，可以為水平井壓裂施工提供理論依據。

工程科學學報. 2020 42(11): 1449-1456. Published 2020-11-25

低濃度拜耳赤泥充填材料制備及水化機理

2020-11-25

針對礦山充填中拜耳法赤泥利用率較低或低濃度赤泥充填材料存在強度低、泌水量高、易收縮等問題，研究粉煤灰添加比例、脫硫石膏、石灰及激發劑對赤泥充填材料早期強度及體積穩定性的影響，采用掃描電子顯微鏡-能譜儀（SEM-EDS）和X射線衍射（XRD）分析手段探討赤泥基充填材料的水化機理。結果表明，脫硫石膏促進鈣礬石的生成，石灰促進粉煤灰火山灰效應，激發劑可以加快赤泥?粉煤灰水化反應進程，三者協同作用提高赤泥充填體強度。充填材料28 d抗壓強度3.35 MPa，且初始及60 min流動度在200 mm以上。微觀實驗表明，硬化體水化產物為鈣礬石、硬柱石、硅鋁酸鹽凝膠類礦物，水化產物通過填充孔隙，提高漿體強度。赤泥基充填材料固體廢棄物利用率達到92%，無泌水，無沉縮，具有較高的經濟價值和環保價值。

工程科學學報. 2020 42(11): 1457-1464. Published 2020-11-25

電解制備含鈧鋁合金三元相超聲細化機制

2020-11-25

研究采用超聲協同熔鹽電解法制備Al–Si–Sc和Al–Cu–Sc合金，采用光學顯微鏡、掃描電鏡和X射線衍射研究超聲對合金中三元含鈧強化相形貌與尺寸的影響，進而闡明超聲細化機制。研究結果表明，協同超聲促使三元AlSiSc相由粗大菱形管狀轉變為細小實心方棒狀，其尺寸由205減小到40 μm左右；超聲顯著細化三元AlCuSc相團簇尺寸，由約100減小至約30 μm；超聲協同細化機制主要是通過提高形核率細化初生Al<sub<3</sub<Sc相并促進其均勻分布，進而作為形核發育基底，最終實現三元含鈧相細化；同時超聲也可促進合金溶質均勻分布，避免粗大Al<sub<3</sub<Sc相析出；超聲細化三元含鈧相機制主要作用于電解后凝固階段。

工程科學學報. 2020 42(11): 1465-1472. Published 2020-11-25

大線能量焊接用EH420海工鋼生產工藝及焊接性能

2020-11-25

河鋼集團有限公司開發了利用鋼液中形成TiO<sub<<i<x</i<</sub<?MgO?CaO細小粒子改善焊接粗晶熱影響區韌性的ITFFP技術（Improve the toughness of HAZ by forming TiO<sub<<i<x</i<</sub<?MgO?CaO fine particles in steel），成功試制生產出大線能量焊接用30 mm厚度規格（H30）和60 mm厚度規格（H60）EH420海洋工程用鋼。母材力學性能試驗結果表明，H30和H60試制鋼屈服強度分別達到461 MPa和534 MPa，抗拉強度分別達到570 MPa和628 MPa，延伸率分別為26%和24.5%，滿足EH420海洋工程用鋼國家標準要求。采用Gleeble-3800型熱模擬試驗機對試制鋼進行了200 kJ·cm<sup<?1</sup<條件下熱模擬試驗，并對焊接熱影響區中的顯微組織和?40 ℃沖擊韌性進行了分析和測試。結果表明，試制鋼中形成的CaO(?MgO)?Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<?TiO<sub<<i<x</i<</sub<?MnS夾雜物可以有效地誘導針狀鐵素體析出，顯著提高鋼材的沖擊韌性。另外，利用氣電立焊設備對H30和H60試制鋼分別進行了焊接線能量為247 kJ·cm<sup<?1</sup<和224 kJ·cm<sup<?1</sup<的實焊試驗，結果顯示，H30試制鋼焊接接頭表面和根部焊縫處?40 ℃沖擊吸收功值≥74 J，焊接熱影響區≥115 J，H60試制鋼焊接接頭表面和根部焊縫處?40 ℃沖擊吸收功值≥91 J，焊接熱影響區≥75 J，焊接接頭的沖擊性能遠高于國家標準值42 J。

工程科學學報. 2020 42(11): 1473-1480. Published 2020-11-25

鈰對工程機械用700 MPa級高強鋼焊接性能的影響

2020-11-25

針對工業生產700 MPa級高強度調質態鋼板，通過Gleeble3500熱模擬機進行模擬焊接試驗，利用光學顯微鏡、硬度儀、場發射掃描電鏡等設備對比研究了稀土Ce對高強鋼焊接熱影響區（HAZ）顯微組織、晶粒度和力學性能的影響。研究結果表明，焊接熱輸入為25 kJ·cm<sup<?1</sup<和50 kJ·cm<sup<?1</sup<時，無稀土鋼焊接熱影響區沖擊功分別為84.8 J和24.5 J，Ce質量分數為0.0018%的鋼焊接熱影響區沖擊功分別為110.0 J和112.0 J，因此鋼中加入適量Ce能夠有效改善鋼板焊接韌性。對比分析兩種實驗鋼焊接熱影響區晶粒尺寸和顯微組織可以看出，隨著焊接熱輸入值增大，高強鋼焊接熱影響區顯微組織均逐漸從馬氏體、下貝氏體轉變為上貝氏體和粒狀貝氏體組織，且奧氏體晶粒尺寸明顯增大。但相同焊接熱輸入下，含Ce鋼焊接熱影響區晶粒尺寸顯著減小，組織更加細小，且脆性的上貝氏體組織減少，從而顯著提高了700 MPa級高強鋼的焊接性能。

工程科學學報. 2020 42(11): 1481-1487. Published 2020-11-25

一種鉛基快堆用高硅不銹鋼的熱處理工藝優化及鉛鉍相容性研究

2020-11-25

針對自行制備的11Cr?1Si鐵素體/馬氏體不銹鋼開展了熱處理制度探索，及力學性能、鉛鉍環境靜態腐蝕和應力腐蝕行為研究。熱處理研究結果表明，11Cr?1Si不銹鋼在經過調質熱處理后（950 ℃/60 min+750 ℃/120 min）能夠在保證較高強度的同時獲得良好的韌性。500 ℃靜態腐蝕結果表明，11Cr?1Si在經過3368 h腐蝕后表面形成的氧化膜致密且連續，沒有出現開裂和脫落，并且整體氧化速率較緩慢，沒有觀察到鉛鉍向材料基體內的滲透，表現出良好的抗腐蝕性能。應力腐蝕實驗發現，11Cr?1Si不銹鋼在350 ℃和400 ℃下存在本征脆化，但是在450 ℃下沒有觀察到鉛鉍致脆現象。

工程科學學報. 2020 42(11): 1488-1498. Published 2020-11-25

單晶鍺微切削溫度場建模及實驗分析

2020-11-25

針對單晶鍺微切削熱傳導問題，采用移動熱源法分別建立了在剪切滑移面熱源和前刀面摩擦熱源作用下單晶鍺的微切削溫升理論模型，計算了單晶鍺三種切削速度下的最高切削溫度，同時以同類硬脆性材料單晶硅的切削溫度對此模型進行了驗證。通過單點金剛石車削實驗，利用紅外熱像儀對單晶鍺微切削過程中的溫度進行了在線測量。實驗測量結果與模型計算結果對比發現，不同切削速度下，單晶鍺的最高切削溫度變化趨勢一致，切削速度越大溫度越高，其相對誤差在2.56%～6.64%之間；單晶硅的最高切削溫度相對誤差為3.84%。模型能夠對單晶鍺及同類硬脆性材料的溫度場進行較準確的預測，為研究其熱效應提供進一步理論支持。

工程科學學報. 2020 42(11): 1499-1506. Published 2020-11-25

PSA制氧過程產品氣流量對其氧氣體積分數的影響

2020-11-25

為了提高小型兩床變壓吸附（PSA）制氧機在變產品氣流量下的氧氣體積分數，建立了改進的Skarstrom兩床循環PSA制氧實驗裝置，研究了產品氣流量對其氧氣體積分數的影響。研究結果表明，在低產品氣流量運行條件下，通過提高清洗氣總氧量與原料氣總氧量之比（<i<P</i</<i<F</i<）以及降低最高吸附壓力與最低解吸壓力之比（<i<θ</i<）可消除氧氣返混的不利影響；在高產品氣流量運行條件下，通過提高<i<P</i</<i<F</i<和<i<θ</i<可以提高實驗裝置中分子篩的工作能力，進而提高產品氣中的氧氣體積分數。在此基礎上，對低和高產品氣流量運行條件下的<i<P</i</<i<F</i<和<i<θ</i<進行了調節，分別將產品氣流量為3.55 L·min<sup<?1</sup<和19.88 L·min<sup<?1</sup<時的氧氣體積分數從92.4%增加至了95.7%和從74.0%增加至了74.9%。本文的研究結果可為變產品氣流量下PSA制氧工藝參數優化提供參考。

工程科學學報. 2020 42(11): 1507-1515. Published 2020-11-25

基于卷積神經網絡的反無人機系統聲音識別方法

2020-11-25

針對如何識別無人機的問題，提出了一種基于卷積神經網絡的聲音識別無人機的方法。首先，對100 m范圍內的無人機、鳥和人的聲音進行采集、預處理和提取MFCC+GFCC特征值，將其特征參數作為卷積神經網絡學習和識別的數據集；然后分別設計了支持向量機和卷積神經網絡兩種模型對無人機等聲音進行識別實驗。實驗結果表明，運用支持向量機識別無人機的準確率為91.9%，卷積神經網絡識別無人機的準確率為96.5%。為了進一步驗證設計的卷積神經網絡的識別能力，在部分UrbanSound8K數據集上進行測試，準確率達到90%。實驗結果表明運用卷積神經網絡識別無人機具有可行性，且識別性能優于支持向量機。

工程科學學報. 2020 42(11): 1516-1524. Published 2020-11-25

基于深度學習的高效火車號識別

2020-11-25

基于高性能的YOLOv3目標檢測算法，提出一種分階段高效火車號識別算法。整個識別過程分為兩個階段：第一階段在低分辨率全局圖像中檢測出火車號區域位置；第二階段在局部高分辨率圖像中檢測出組成火車號的字符，根據字符的空間位置關系搜索得到12位火車號，并利用每個字符的識別置信度及火車號編碼規則進行校驗得到最終火車號。另外，本文提出一種結合批一化因子和濾波器相關度的剪枝算法，通過對兩個階段檢測模型的剪枝，在保證識別準確率不降（實驗中略有提升）的條件下降低了存儲空間占用率和計算復雜度。在現場采集的1072幅火車號圖像上的實驗結果表明，本文提出的火車號識別算法達到了96.92%的整車號識別正確率，平均識別時間僅為191 ms。

工程科學學報. 2020 42(11): 1525-1533. Published 2020-11-25