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

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2009年第31卷第6期

欄目

礦業與環境
冶金與材料
設備與能源
控制與決策

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礦業與環境

無底柱分段崩落法開采頂板圍巖崩落機理

杜翠鳳, 杜建華, 郭廖武, 唐國友

2009, 31(6): 667-673. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.001

[摘要](272)

[PDF 712KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
以武鋼程潮鐵礦西區開采為工程背景,采用現場鉆孔監測與相似材料模型實驗相結合的方法,對無底柱分段崩落法開采過程中頂板圍巖的變形和崩落規律進行了系統研究.首先,結合礦體賦存條件、地層結構和開采進程,設計兩個鉆孔實時監測頂板圍巖的崩落規律.其次,以模型相似理論為基礎,確定了所要研究模型的剖面和幾何尺寸,設計制作模型,采用百分表、壓力傳感器和近景攝影測量等手段監測模型的應力、應變和破壞特征,并對百分表數據、應力盒數據、圍巖位移和圍巖破壞裂紋進行系統分析.研究成果初步揭示了金屬礦山無底柱分段崩落法開采過程中,頂板圍巖崩落機理和地表沉陷的基本規律.

二層足尺細密柱框架結構體系抗震性能

鄧新穗, 張揚, 張舉兵, 劉軍進, 牟在根

2009, 31(6): 674-678. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.020

[摘要](163)

[PDF 557KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
為研究細密柱框架結構體系的抗震性能,對一個兩層密細柱框架結構的足尺模型進行了擬靜力往復荷載實驗,給出了實驗結果;利用有限元計算軟件ABAQUS、SAP2000和PKPM對模型進行了推覆分析,并與實驗結果進行了對比,發現軟件分析所得的裂縫模式和塑性鉸位置均與實驗結果吻合;最后得出了該實驗模型的性能曲線,并對其在罕遇地震作用下的性能進行了評價.實驗結果表明,作為框架結構的一種,密細柱框架體系可以發揮良好的抗震性能.

低碳源濃度條件下聚磷菌特性

林海, 李萍, 陳月芳, 王倩, 侯瑞榮, 張艷

2009, 31(6): 679-683. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.002

[摘要](259)

[PDF 643KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
從北京城市排水集團高碑店污水處理廠二沉池回流污泥中分離獲得兩株高效聚磷菌株,確定出稀釋倒平板分離技術更有利于聚磷微生物的篩選.經形態特征及生理生化實驗初步鑒定為不動桿菌屬(acinetobacter sp.).確定出A、E兩菌的最優碳源選擇分別為乙酸鈉和谷氨酸鈉;并在降低碳源質量濃度,即COD小于100 mg·L^-1的條件下進行最佳生長條件優化:A、E兩菌的最適pH值分別為8和7,最適溫度分別為20℃和25℃;金屬鎂、鉀和錳離子對聚磷微生物具有積極促進作用.聚磷微生物呈現出較好的厭氧放磷、好氧攝磷的特性.

兩級水解酸化-FCR系統處理印染廢水

楊朔, 李黎杰, 汪群慧, 吳川福, 謝維民, 菊池隆重

2009, 31(6): 684-689. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.003

[摘要](253)

[PDF 648KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用兩級水解酸化-FCR系統處理印染廢水,考察了不同水力停留時間(HRT)對COD、色度、NH₃-N和苯胺等去除效果的影響,并對最佳水力停留時間時脫氮效果進行了研究.結果表明:當HRT為30h時,系統COD、色度、TN、NH₃-N和苯胺的平均去除率分別為93.3%、81.9%、79.9%、98.1%和74.8%,出水滿足《GB 4287-92紡織染整工業水污染物排放標準》的一級標準.該系統具有較高的去污脫色效果,脫氮效果尤其顯著,可應用于中、高濃度印染廢水的處理.

冶金與材料

鋼液鈣處理脫氧脫硫的動力學

唐海燕, 李京社, 郭漢杰

2009, 31(6): 690-695,700. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.004

[摘要](294)

[PDF 2231KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
通過對鋼液鈣處理脫氧脫硫過程動力學的研究發現,當鈣粒以喂線的形式注入鋼水中時,一部分鈣溶解,另一部分變為鈣氣泡,氣泡在上浮的過程中與鋼液中的氧、硫反應.鈣粒的粒徑越大,氣化后的氣泡在鋼液中的停留時間和平均上浮速率就越大,脫氧脫硫的傳質系數越小;在煉鋼溫度范圍內,上浮速率及停留時間與鋼液溫度幾乎沒有關系,但傳質系數隨溫度的增加而增加;隨著鋼液中氧、硫含量的增加,鈣粒的最佳粒徑增加;在一定的鋼液深度和一定的氧、硫含量時,鈣脫氧脫硫的利用率隨其粒徑的增加而減小;在溫度為1 823 K、鋼液中硫的質量分數為0.012%以及鋼水包的深度為3 m情況下,當Ca的粒徑小于0.002 m時,理論上Ca全部轉化;當Ca的粒徑在0.002~0.003 m時,鈣的轉化率為84.4%.

寬厚板包晶鋼的保護渣

巴鈞濤, 文光華, 唐萍, 趙艷紅, 遲景灝, 職建軍, 徐國棟

2009, 31(6): 696-700. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.005

[摘要](253)

[PDF 804KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
針對包晶鋼的凝固特性,研發了高堿度、高結晶速率、低結晶溫度及低熱流密度保護渣,并在寶鋼3^#連鑄機上進行了試驗研究.現場試驗四個澆次的結果表明,使用改進渣的試驗流鑄坯無縱裂發生,而使用原渣的對比流鑄坯裂紋率達到5%.優化保護渣有效防止了鑄坯表面縱裂的發生.

CSP生產600MPa級低碳貝氏體鋼的相變

黎先浩, 康永林, 陳林恒, 焦國華, 溫德智

2009, 31(6): 701-707. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.016

[摘要](169)

[PDF 1024KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
以低碳Nb、V、Ti、Mo和Cr合金化貝氏體鋼為研究對象,在Formaster-Digital膨脹儀上測定了過冷奧氏體的靜態CCT曲線;在Gleeble-1500熱/力模擬機上,用膨脹法測定了奧氏體的動態CCT曲線;采用掃描電鏡和透射電鏡分析了貝氏體鋼的室溫組織演變規律.結果表明:合金元素抑制奧氏體向鐵素體轉變,在冷卻速度大于10℃·s^-1的范圍內,靜態CCT和動態CCT的室溫組織均為貝氏體,具有較高的強度;奧氏體變形促進了貝氏體轉變,貝氏體轉變開始溫度為610~668℃,終了溫度為520~551℃.

中碳鋼高溫力學和冶金行為

孫彥輝, 倪有金, 許中波, 蔡開科

2009, 31(6): 708-713. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.017

[摘要](161)

[PDF 928KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用Gleeble 1500熱模擬機對CSP生產的SS400、Q235B和Q345B鋼的熱塑性進行了研究.結果發現,所研究的鋼存在兩個低塑性區,即凝固脆性溫區(T_m~1 310℃)和低溫脆性溫區(850~725℃).試樣斷口金相和成分分析表明:產生凝固脆性溫區的原因主要是高溫下枝晶間有害元素S、P和O富集形成液膜;產生低溫脆性溫區的原因主要是奧氏體晶界出現鐵素體薄膜以及細小AlN析出造成連鑄坯的塑性降低.根據研究結果,提出了改善鋼的熱塑性防止鑄坯裂紋的工藝建議.

GH105合金鑄錠元素偏析和均勻化工藝

梅聲勇, 鄭磊, 蒙肇斌, 張麥倉, 董建新

2009, 31(6): 714-718. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.006

[摘要](241)

[PDF 587KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
利用微觀組織分析手段研究了GH105合金鑄錠和均勻化后合金的顯微組織和元素偏析情況,并從理論上對均勻化工藝進行了評價.結果表明:合金中偏析程度嚴重的元素為Ti和Mo;采用兩段式擴散退火的均勻化工藝,可有效降低元素偏析程度;均勻化擴散動力學方程的計算結果與實驗結果基本符合,在預測和評價GH105合金均勻化工藝上是可行的,但殘余偏析指數模型表征均勻化過程存在一定誤差.

合金元素對新型鎳基粉末高溫合金的熱力學平衡相析出行為的影響

吳凱, 劉國權, 胡本芙, 吳昊, 張義文, 陶宇, 劉建濤

2009, 31(6): 719-727. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.007

[摘要](263)

[PDF 1064KB](13) [施引文獻] ()

摘要:

通過熱力學平衡相計算方法,系統研究了某新型鎳基粉末高溫合金時效溫度下合金元素對熱力學平衡相析出行為的影響.計算結果表明:René 104合金析出的主要平衡相為γ'、MC、M₂₃C₆、M₃B₂和TCP相.Cr和Co含量主要影響TCP相的析出行為及γ'相的析出溫度,Cr含量對M₂₃C₆和M₃B₂的析出行為有一定的影響,Cr的建議質量分數為13%;Mo和W含量影響TCP相和M₃B₂的析出行為.質量比Al/Ti和Nb/Ta影響γ'相的析出行為,建議控制Al/Ti和Nb/Ta比平衡,以使γ'相起到理想的強化效果.C和B含量顯著影響碳化物和硼化物的析出量,還可間接抑制TCP相析出;Zr含量對MC和M₂₃C₆碳化物的析出有影響;增Co降Cr和調節合金元素含量以獲得小的點陣錯配度是第3代渦輪盤用粉末冶金高溫合金成分優化設計的趨勢.

用FORC研究納米雙相Fe₃B/Nd₂Fe₁₄B的微觀磁學特征

韓勇, 朱潔, 衡陽

2009, 31(6): 728-732. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.021

[摘要](168)

[PDF 327KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
通過熔融快淬法制備具有非晶結構的Nd_4.5Fe₇₇B_18.5合金,在氬氣保護下660℃、10 min熱處理獲得了最佳磁性能的納米雙相復合永磁材料.由于材料具有雙相復合納米結構,磁體內部的微觀磁化行為顯示出復雜的交互作用.引入一階回轉曲線圖譜法(FORC)研究材料的磁化機制和表征內部的交互作用.該材料的FORC圖譜顯示:納米雙相材料中存在明顯的可逆磁化與不可逆磁化,同時兩者相互耦合,耦合作用體現在圖譜中的負值區域.不可逆磁化磁矩之間存在強烈的交互作用,體現在不可逆磁化峰的向下偏移和不對稱性,整體表現出退磁特性,同時在δM曲線中得到證實.

金剛石顆粒表面鍍銅層的控制氧化

童震松, 張毓雋, 沈卓身

2009, 31(6): 733-738. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.008

[摘要](262)

[PDF 766KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
為了改善熔融玻璃對金剛石顆粒的潤濕,需要對鍍銅金剛石顆粒在一定氣氛下進行控制氧化,從而在其表面獲得一定厚度的Cu₂O層.通過對金剛石顆粒表面鍍銅層氧化的熱力學計算,確定了在650℃、露點溫度為20℃的N₂/H₂O二元混合氣氛中進行氧化.氧化的動力學研究表明,在此條件下金剛石顆粒表面鍍銅層的氧化符合拋物線規律,其拋物線速度常數為1.127 5×10^-12g²·cm^-4·min^-1.在動力學研究的基礎上,本實驗選擇氧化時間為40 min.XRD實驗結果表明,氧化后的金剛石顆粒表面只有Cu和Cu₂O,未生成CuO.

紅外光譜法與X射線衍射法分析介孔復合材料組分變化機理

李天昕, 楊雯雯, 朱維耀

2009, 31(6): 739-743. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.009

[摘要](280)

[PDF 452KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
分析了介孔復合材料的原材料、中間產品及最終產品的傅里葉變換紅外光譜圖和X射線衍射圖,得出材料制備過程中有機及無機組分定性及定量變化.結合透射電鏡觀測結果提出了介孔復合材料制備過程中組分變化機理,從作用力和熱力學角度分析了有機離子載入反應的驅動力種類及作用機制.

不同結構的超級電容器阻抗譜

高飛, 李建玲, 苗睿瑛, 武克忠, 王新東

2009, 31(6): 744-751. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.022

[摘要](199)

[PDF 859KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
研究了不對稱超級電容器和碳/碳超級電容器在化成前后的阻抗譜變化規律.由錳酸鋰(LiMn₂O₄,LMO)和活性碳(activated carbon,AC)組成的不對稱超級電容器經過化成,電容器的高頻(10 kHz)交流阻抗沒有明顯變化,而低頻電容明顯提高.不對稱超級電容器由于采用電池型電極材料作為其中一極,使得其阻抗特性與碳/碳超級電容器的阻抗特性不同.通過對化成前后的超級電容器交流阻抗譜進行分析,利用復數電容和復數功率兩種形式討論了不對稱超級電容器的阻抗變化規律,確定了不對稱超級電容器的時間常數;通過碳/碳超級電容器與不對稱超級電容器的阻抗行為的比較,說明電池型電極的引入對電容器的頻率響應特性造成的影響.

丙烯酸聚氨酯涂層的紫外老化行為

耿舒, 高瑾, 李曉剛, 趙泉林

2009, 31(6): 752-757. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.010

[摘要](211)

[PDF 706KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
針對丙烯酸聚氨酯防腐涂層進行紫外加速老化實驗,采用光澤度、色差檢測以及SEM、FTIR分析,結合交流阻抗譜法(EIS),研究丙烯酸聚氨酯涂層的紫外老化行為.結果表明:用光澤度表征涂層光降解程度更靈敏;由接觸角及色差等變化規律可將丙烯酸聚氨酯涂層紫外老化分為前期(慢速光老化)、中期(快速光老化)和后期(慢速光老化)三階段.對涂層進行表面化學分析認為丙烯酸聚氨酯的紫外光降解主要是O-CH鍵及C-N鍵斷裂導致的;涂層表面形貌和性能與EIS結果對比分析顯示丙烯酸聚氨酯涂層發生明顯降解之前防護性能已經明顯下降.

CFRP拉擠工藝過程固化度數值模擬與實驗

陳幸開, 謝懷勤, 曲艷雙

2009, 31(6): 758-763. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.011

[摘要](109)

[PDF 579KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
碳纖維增強塑料(CFRP)拉擠成型過程中固化度和溫度變化為強耦合關系.通過差示掃描量熱(DSC)實驗計算得到模型所需的固化動力學參數,根據固化動力學和傳熱學理論建立了非穩態溫度場與固化動力學數學模型,采用有限元與有限差分相結合的方法和ANSYS求解耦合場的間接耦合法對拉擠工藝不同工況下CFRP固化度進行數值模擬.采用特殊設計制作的鋁毛細管封裝的布拉格光柵光纖(FBG)傳感器,屏蔽了荷載效應應變干擾,對CFRP溫度場實時檢測,從而計算得到實時固化度;同時采用索氏萃取實驗測定CFRP制品固化度.結果表明,模擬與實驗結果基本吻合.

設備與能源

CSP結晶器內卷渣的瞬態特征

王現輝, 王新華, 張炯明, 王萬軍, 柴毅忠, 洪兵雄

2009, 31(6): 764-769. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.012

[摘要](170)

[PDF 623KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
利用1:1的水力學模型對雙側孔水口結構下的CSP結晶器內卷渣現象進行了模擬.結果表明:由于雙側孔水口下結晶器內液面的動態失穩現象,導致其液面卷渣呈周期性;液面失穩態時會發生連續剪切卷渣,液面卷渣有效渦主要出現在液面失穩態,拉速對液面卷渣影響較大.分析了液渣滴在結晶器內運動的瞬態特征.CSP結晶器內液面卷渣的周期性導致鑄坯內大型夾雜物縱向分布差異較大.

板坯連鑄結晶器內非對稱流動現象的數值模擬

徐海倫, 文光華, 唐萍, 羅高強, 王宇峰

2009, 31(6): 770-776. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.013

[摘要](156)

[PDF 726KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
基于流體力學基本原理,采用Fluent軟件建立板坯連鑄結晶器及浸入式水口的三維有限元體積模型,模擬研究了水口不對中和水口單孔結瘤條件下結晶器內流體的流動特征和溫度場分布狀況.結果表明:水口對中不良時,結晶器兩側回流明顯不對稱,液面會產生旋渦,水口偏向側溫度高于水口偏離側;水口出口單孔結瘤時,未結瘤側流股增強,液面流速增大,并且液面有渦流產生,結瘤側新鮮鋼液減少,溫度偏低.

連鑄保護渣道動態壓力計算模型及影響因素

王宏明, 王振東, 李桂榮, 趙玉濤

2009, 31(6): 777-781. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.014

[摘要](170)

[PDF 671KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
通過建立保護渣道壓力計算模型,研究了保護渣道壓力隨結晶器振動的周期性變化規律以及保護渣道形狀參數、連鑄工藝參數和保護渣黏度對渣道壓力的影響.結果表明:結晶器達到最大上振速度和最大下振速度時,渣道壓力分別達到最大負壓和最大正壓;保護渣道形狀參數對渣道壓力有重要影響,渣道入口寬度和出口寬度增加,渣道正負壓力都明顯下降,而渣道長度增加,渣道正負壓力最大值都增加;拉坯速度與結晶器振動速度都影響渣道壓力,拉坯速度增加,渣道最大負壓增加,而最大正壓減小;結晶器振動速度和保護渣黏度增加,使渣道最大正負壓力都增加.

脈沖磁場技術在高矯頑力稀土永磁測量領域的應用

林安利, 賀建, 張躍, John Dudding

2009, 31(6): 782-787. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.023

[摘要](166)

[PDF 439KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
簡述了超高矯頑力永磁體測量現狀,分析了靜態磁滯回線儀在測量高矯頑力永磁體時存在的問題及其原因.為解決此問題,采用"f-2f"原理建立了基于脈沖磁場技術的高矯頑力永磁測量裝置,該裝置能產生最高8 756 kA·m_-1的測量磁場,能夠測量高矯頑力永磁體的整個磁滯回線.闡述了該脈沖磁場測量裝置的優勢、組成結構以及渦流修正方法.經過實驗驗證,該系統具有良好的測量重復性.與國家永磁標準測量裝置的對比結果顯示:在低矯頑力范圍內兩者剩磁B_r、內稟矯頑力H_cJ、磁感應強度矯頑力H_cB和最大磁能積(BH)_max四個參數的測量偏差在1%以內;在高矯頑力范圍,該裝置解決了靜態磁滯回線儀測量曲線變形的問題.

螺旋彈簧多目標穩健優化設計

賈云海, 張文明

2009, 31(6): 788-791. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.018

[摘要](165)

[PDF 297KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以螺旋彈簧的給定剛度變化最小、自振頻率最大和質量最小為設計目標,綜合考慮優化設計中的隨機因素,建立了基于穩健性的多目標優化模型,并在科學計算語言MATLAB中編程求解.通過液壓閥螺旋彈簧設計實例的分析說明,多目標穩健優化設計提高了設計目標的穩健性,一定程度上提升了液壓閥的動態響應特性.

多學科混合協同設計優化方法

蔡占軍, 翁海珊, 俞必強

2009, 31(6): 792-798. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.019

[摘要](130)

[PDF 564KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
討論了在多學科設計優化過程中,層級系統、非層級系統以及它們的子系統之間的相互關系,并將混合系統分成四類.通過建立多學科設計優化過程中各子系統設計變量和目標函數的協同規則,研制了針對混合系統優化設計的多學科混合協同設計優化方法.將此優化方法應用到微機械陀螺的優化設計中,取得了滿意的結果.

有限厚度的Marangoni對流邊界層問題的解析近似解

張艷, 鄭連存, 張欣欣

2009, 31(6): 799-803. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.015

[摘要](163)

[PDF 515KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
討論了由不同溫度介質的界面張力梯度而誘導的有限厚度Marangoni對流的邊界層問題.假設界面張力是溫度的平方函數,下表面保持恒溫,上表面的溫度是水平距離的線性函數.通過坐標變換和巧妙引入小參數對速度和溫度邊界層控制方程組攝動漸進展開,得到了問題的解析近似解.研究了Marangoni數和Prandtl數對速度、溫度邊界層的影響,對相應的流動特性進行了探討.

控制與決策

基于情感能量模型的表情機器頭

解侖, 王志良

2009, 31(6): 804-808. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2009.06.024

[摘要](109)

[PDF 557KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
首先以心理動力學中的心理能量概念為基礎,分析了情感能量以及表示情感狀態的相關參數.然后根據情感能量守恒定律,研究了情感能量分配結構的數學表示方法和情感能量分配模型,進一步分析了情緒狀態的變化過程,提出了情緒狀態刺激轉移過程的隱馬爾可夫鏈及其模型算法;利用MATLAB建立相關情感狀態變化的仿真研究平臺,進一步研究了情感狀態的變化規律.最后根據以上情感模型及其變化規律構建出表情機器頭的綜合研究平臺,仿真結果與機器頭實驗數據的一致,驗證了仿真模型的有效性.