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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單　　價：40元/期，全年480元

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2014年第36卷第3期

欄目

資源與開發
冶金與材料
設備與能源
控制與決策
土木與建筑

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資源與開發

煤樣巴西劈裂試驗中聲發射特性的細觀模擬

王莉, 譚卓英, 周喻, 張曉平

2014, 36(3): 275-282. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.001

[摘要](261)

[PDF 621KB](10) [施引文獻] ()

摘要:

根據矩張量理論構建了細觀尺度上巴西劈裂試驗聲發射的細觀模擬方法.通過試驗和計算結果的對比分析，驗證了該方法的合理性.該方法可同時給出聲發射事件發生的時間、空間、破裂強度等特征，再現試樣破裂空間演化規律.研究發現：在達到峰值抗拉強度之前，聲發射事件比率和破裂強度較低；在峰值和殘余抗拉強度之間，聲發射事件比率和破裂強度均較高.聲發射事件比率隨破裂強度變化近似呈極值分布；在均值至最大破裂強度之間，聲發射事件累積比率隨破裂強度的降低近似呈指數函數增加.每次聲發射事件所包含的微破裂數，隨破裂強度的提高而增加，近似呈指數函數關系；聲發射事件比率與微破裂數近似呈負指數函數關系.

古爾膠和鞣酸添加方式對硫化礦浮選的影響

邱仙輝, 孫傳堯

2014, 36(3): 283-288. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.002

[摘要](288)

[PDF 470KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
通過浮選實驗研究了兩種不同結構的有機抑制劑古爾膠和鞣酸以及這兩種藥劑與乙基黃藥不同添加順序對方鉛礦、黃銅礦及黃鐵礦浮選行為的影響.當先加入古爾膠時，古爾膠對三種硫化礦抑制作用較強；而古爾膠后于乙基黃藥加入時，古爾膠對三種硫化礦的抑制作用明顯減弱.鞣酸與乙基黃藥不同的添加順序不影響鞣酸對黃鐵礦和方鉛礦的抑制作用.紫外光譜研究表明，古爾膠對乙基黃藥在三種硫化礦表面吸附沒有影響，而鞣酸能夠阻礙乙基黃藥在硫化礦表面吸附.紅外光譜研究表明，鞣酸通過化學作用吸附在方鉛礦表面，因此能夠抑制吸附了乙基黃藥的硫化礦.

冶金與材料

高溫高壓噴射條件下X70管線鋼的CO₂腐蝕形貌

蔡峰, 柳偉, 樊學華, 張晶, 路民旭

2014, 36(3): 289-300. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.003

[摘要](269)

[PDF 1175KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
利用自主研發的高溫高壓環路噴射裝置并結合流體動力學模擬計算，研究了高溫高壓CO₂環境流體噴射條件下X70鋼的腐蝕產物微觀形貌、基體表面三維形貌、腐蝕減薄量及其統計規律，并探討了與流體狀態之間的關系.結果表明，高溫高壓流體噴射條件下，不同流態區域內流體傳質速率和壁面切應力的差異是造成X70鋼腐蝕產物、基體表面三維形貌及腐蝕減薄量差異的主要原因.按照層流區→壁面噴射區→過渡區的順序，流體壁面切應力逐漸增加，不斷減薄腐蝕產物膜直至其脫落，造成傳質過程阻力減小，傳質速率增大，腐蝕過程不斷加劇.因此，按照層流區→壁面噴射區→過渡區的順序，X70鋼表面腐蝕產物膜由完整致密向疏松多孔變化，基體表面三維形貌呈現平坦→陡峭→非常陡峭的特征，三維表面高度偏差和均方根偏差、腐蝕減薄量平均值和標準差均呈現逐漸增大的趨勢.在高溫高壓流體噴射條件下，X70鋼的CO₂腐蝕速率與壁面切應力之間較好地滿足指數關系.

機車車輪用鋼奧氏體晶粒的長大行為

孫樂飛, 王福明, 陶素芬, 勾雪

2014, 36(3): 301-307. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.004

[摘要](263)

[PDF 690KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用金相顯微鏡和截距法，對不同加熱溫度和保溫時間下機車車輪用鋼的奧氏體晶粒長大行為進行研究，分析加熱溫度和保溫時間對奧氏體晶粒尺寸的影響，應用簡單動力學模型對奧氏體晶粒的長大過程進行分析，同時研究鋼中第二相粒子變化對奧氏體晶粒長大的影響.隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長，奧氏體晶粒尺寸明顯增加，加熱溫度對晶粒的長大影響更明顯.奧氏體晶粒長大的動力學時間指數隨著溫度升高而增加且其值均接近理論值0.5；奧氏體晶粒長大和鋼中第二相粒子AlN體積分數和尺寸的變化呈明顯的相關性.

退火溫度對超細晶中錳TRIP鋼組織性能的影響

尹鴻祥, 趙愛民, 趙征志, 程俊業, 曾尚武, 惠亞軍

2014, 36(3): 308-314. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.005

[摘要](289)

[PDF 591KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
為研究連續退火工藝生產中錳TRIP鋼汽車板的可行性，在鋼板連續退火模擬機CCT-AY-域上研究了590~710℃不同退火溫度下保溫3 min對低碳中錳鋼組織性能的影響.利用掃描電鏡、透射電鏡、電子背散射衍射和X射線能譜分析等微觀分析方法對實驗鋼進行了組織結構和成分表征，利用X射線衍射法測量了殘余奧氏體量，通過拉伸試驗機測試了鋼的單軸拉伸性能.結果表明：保溫3 min時，隨著保溫溫度的升高，殘奧含量先增加后減少.在650℃退火時斷后伸長率（21.3%）和強塑積（28 GPa·%）獲得最大值，抗拉強度達到1330 MPa.馬氏體基體通過回復，而殘余奧氏體通過孿晶，獲得超細晶組織.亞穩奧氏體的TRIP效應和超細晶鐵素體（馬氏體）共同提供了實驗鋼高的塑性.實驗鋼真實應力-應變曲線上呈現鋸齒狀現象，且穩定階段加工硬化指數遠高于傳統TRIP鋼.

430不銹鋼凝固顯微組織模擬的3D CAFE模型

蘭鵬, 孫海波, 李陽, 張家泉

2014, 36(3): 315-322. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.006

[摘要](329)

[PDF 789KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
在同時考慮傳熱、流動和溶質擴散基礎上建立了預測鐵素體不銹鋼多元合金凝固組織的3D CAFE模型，揭示了430不銹鋼凝固過程中溫度、固相率及晶粒形貌的變化規律.模型中采用高斯分布描述形核密度與過冷度的關系，應用KGT模型描述枝晶的生長過程.根據Fe-C-17% Cr平衡相圖確定了430不銹鋼的凝固路徑，在考慮凝固收縮的基礎上預測了鑄錠的疏松和縮孔分布.組織模擬結果與實際鑄錠基本一致，二者的溫度變化和組織結構特征也基本吻合.

不同表面處理條件下身管燒蝕研究

黃進峰, 連勇, 張程, 張津, 高海霞

2014, 36(3): 323-327. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.007

[摘要](319)

[PDF 590KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
通過模擬發射試驗對表面鍍鉻、氮碳共滲兩種表面處理條件下的身管進行了燒蝕模擬測試，研究在模擬工況下身管燒蝕情況.鍍鉻身管由于鍍鉻層固有的脆性，且受到高溫高壓火藥氣體的沖擊作用，鉻層內易產生顯微裂紋，裂紋擴展至鉻層與基體界面處，并沿著鍍層與基體界面擴展，從而導致鍍層剝落.氮碳共滲身管在燒蝕過程中，表面產生大量較深且較寬的裂紋，裂紋直接貫穿到基體使基體嚴重地被火藥燃燒氣體腐蝕，從而導致身管失效.在上述研究基礎上，提出了兩種不同處理方式下身管的失效模式.

低溫高磁感取向硅鋼高溫退火過程高斯晶粒的演變

樊立峰, 項利, 唐廣波, 仇圣桃

2014, 36(3): 328-332. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.008

[摘要](275)

[PDF 598KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
對低溫加熱工藝生產的以AlN為主抑制劑的高磁感取向硅鋼高溫退火過程進行中斷實驗，借助電子背散射衍射技術對高溫退火過程中高斯晶粒的演變進行了研究.在升溫過程中高斯晶粒平均尺寸先減小再增大.800℃時取向分布函數圖出現高斯織構組分，但強度很弱，高斯晶粒偏離角在10o以上；900℃時高斯晶粒平均生長速率超過其他晶粒；950~1000℃時高斯晶粒異常長大，偏離角3o~6o；在1000℃之前高斯取向晶粒相比于其他晶粒沒有尺寸優勢.

高鋁青銅粉體超音速等離子噴涂層感應重熔后的組織及性能

路陽, 鄧剛, 楊效田, 郭文俊, 施曉雨

2014, 36(3): 333-338. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.009

[摘要](288)

[PDF 604KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為了改善涂層的組織和性能，對超音速等離子噴涂技術制備的高鋁青銅涂層進行高頻感應重熔處理，研究重熔后涂層的微觀組織結構特征和界面結合狀態.感應重熔前涂層具有層流狀組織特點，含有少量氧化渣、孔隙及未完全熔融顆粒，涂層與基體間以機械結合為主.感應重熔能消除未熔顆粒和夾雜，使組織致密、均勻，組織的層流特征弱化，孔隙率有所下降.基體元素和涂層元素相互擴散，在界面形成一條明顯的白亮帶，呈冶金結合狀態，結合牢固，涂層的結合性能有所改善.重熔后擴散帶和涂層表面的硬度較高，界面結合強度也由重熔前的25.110提升至83.358 MPa.

西沙嚴酷海洋大氣環境下AZ31鎂合金的長周期腐蝕行為

崔中雨, 肖葵, 董超芳, 崔天宇, 李曉剛

2014, 36(3): 339-344. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.010

[摘要](179)

[PDF 664KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過現場暴露實驗，研究了AZ31鎂合金在西沙海洋大氣環境下暴露4 a的長周期腐蝕行為.利用掃描電鏡觀察表面、截面的腐蝕產物以及去除腐蝕產物后的腐蝕形貌，并用能譜分析及X射線衍射儀對腐蝕產物的元素含量及相組成進行分析.研究結果表明，AZ31鎂合金在西沙海洋大氣環境下發生了較為嚴重的腐蝕，4 a內的平均腐蝕速度為11.95μm·a^-1.Cl^-和CO₂在鎂合金的腐蝕過程中起著至關重要的作用.吸附液膜中的Cl^-主要破壞鎂合金的保護膜，使鎂合金發生陽極溶解；而CO₂則會中和陰極反應產生的堿性離子并與Mg（OH）2發生反應生成含不同結晶水的Mg₅（CO₃）₄（OH）₂·xH₂O表層腐蝕產物.由于表層腐蝕產物阻擋了CO₂和Cl^-向鎂合金表面的傳輸，靠近基體處的腐蝕產物主要為Mg（OH）₂.

金納米顆粒燒結的分子動力學模擬

吳茂, 常玲玲, 崔亞男, 陳曉瑋, 何新波, 曲選輝

2014, 36(3): 345-353. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.011

[摘要](300)

[PDF 1068KB](34) [施引文獻] ()

摘要:
采用分子動力學模擬方法研究了不同尺寸Au納米顆粒在燒結過程中晶型轉變及燒結頸長大機制.研究發現納米顆粒的燒結頸生長主要分為兩個階段：初始燒結頸的快速形成階段和燒結頸的穩定長大階段.不同尺寸納米顆粒燒結過程中燒結頸長大的主要機制不同：當顆粒尺寸為4 nm時，原子遷移主要受晶界（或位錯）滑移、表面擴散和黏性流動控制；當尺寸在6nm左右時，原子遷移主要受晶界擴散、表面擴散和黏性流動控制；當顆粒尺寸為9 nm時，原子遷移主要受晶界擴散和表面擴散控制.燒結過程中Au顆粒的fcc結構會向無定形結構轉變.此外，小尺寸的納米顆粒在燒結過程中由于位錯或晶界滑移、原子的黏性流動等因素會形成hcp結構.

錳方硼石的摩擦性能

龔立麗, 曹林, 賈成廠, 梁棟

2014, 36(3): 354-358. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.012

[摘要](156)

[PDF 514KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為了開拓錳方硼石的應用，將選礦之后粉末狀錳方硼石進行高能球磨處理，得到尺寸小于10μm的粉末顆粒，采用放電等離子燒結，將得到的粉末顆粒制備成圓片狀樣品.使用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡對粉末狀錳方硼石和摩擦片樣品進行表征，證實該樣品為斜方晶系的Mn₃B₇O₁₃Cl.用WTM-ZE可控氣氛微型摩擦試驗儀測試錳方硼石樣品的摩擦性能，其摩擦因數范圍為0.2~0.6，磨損量小，為1×10^-9 cm³·N^-1·m^-1左右，表明錳方硼石在摩擦材料填料領域有應用前景.

設備與能源

密閉環境內固體吸收劑循環凈化CO₂反應特性

劉應書, 賈彥翔, 劉文海, 霍婧

2014, 36(3): 359-365. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.013

[摘要](158)

[PDF 481KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
選取LiOH、Ca（OH） 2 和鈉石灰三種常用固體化學吸收劑，在密閉環境CO₂循環凈化模擬裝置上開展了CO₂循環凈化實驗研究.三種吸收劑均有吸收CO₂的作用，且均存在一個較優空速值，分別為110400、38700和40500 h^-1，在該空速值條件下將體積分數2%左右的CO₂吸收至0.03%左右所需反應時間最短，反應速率最大.通過函數擬合和數學分析，得出實驗條件下三種吸收劑反應速率與CO₂質量濃度的關系式以及最大反應速率的排列次序.進一步的分析表明，三種吸收劑在較優空速值條件下的CO₂吸收速率均能達到相關標準的要求，可以實際應用于密閉環境內CO₂凈化，且密閉環境中CO₂體積分數理論上會在一定的中間值附近波動.

超音速射流流場中湍流模型

趙飛, 張延玲, 朱榮, 王慧

2014, 36(3): 366-372. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.014

[摘要](207)

[PDF 499KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為了確定適用于超音速射流流場數值模擬的湍流模型，首先從理論上分析常用的五種湍流模型之間的差異及其適用范圍；其次，采用五種湍流模型，分別對不同馬赫數下超音速射流流場進行數值模擬，將數值模擬結果與實測值和理論值進行對比分析.結果表明：剪切壓力傳輸k-ω模型與其他模型相比，通過對輸運方程的修正，保證其在計算射流流場時具有較高的準確性；在噴管內部和外部射流流場的模擬中，剪切壓力傳輸k-ω模型的計算結果與理論值和實測值具有較高的吻合度，在五種湍流模型中最適合于超音速射流流場的數值模擬研究.

連續退火爐內雙錐度輥輥形參數對帶鋼跑偏的影響

王海玉, 楊荃, 張, 王曉晨

2014, 36(3): 373-377. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.015

[摘要](200)

[PDF 444KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
針對連續退火爐實際生產過程中的跑偏問題，運用ABAQUS有限元軟件建立爐輥-帶鋼動態仿真模型，定量計算了連續退火爐內雙錐度輥輥形參數對帶鋼跑偏的影響，并分析了帶鋼的橫向壓應力以及產生的瓢曲變形．計算結果顯示雙錐度輥輥形對爐內帶鋼跑偏有明顯的抑制作用，且隨著錐度段總輥徑變化量、輥徑變化量比值和張力的增加，以及平直段長度的減少，帶鋼的跑偏量逐漸減少，最大橫向壓應力逐漸增大，使帶鋼發生瓢曲變形的概率增加．根據以上計算結果，建立帶鋼跑偏量的計算模型，并結合瓢曲變形理論，為進一步對加熱段雙錐度爐輥輥形和張力設定的優化提供了依據．

冷軋帶鋼板形翹曲變形過程及規律的解析

張清東, 盧興福, 戴杰濤, 秦劍

2014, 36(3): 378-382. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.016

[摘要](193)

[PDF 436KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
針對冷軋帶鋼生產現場常見的板形翹曲缺陷，應用辛彈性力學方法對因材料縱向延伸在厚度方向上出現不均勻而導致帶鋼翹曲變形的現象及過程進行了解析研究，通過建立和求解帶鋼翹曲變形力學模型，推導獲得帶鋼翹曲度大小和不均勻縱向延伸的關系.在選擇通用有限元軟件驗證了基于辛彈性力學方法的帶鋼翹曲變形力學模型及計算結果的正確性的基礎上，計算得到了各個影響因素對翹曲變形的影響規律.計算結果表明，帶鋼翹曲度大小隨著帶鋼上下表面縱向延伸差和橫向與縱向延伸差比值的增大而線性地增大，隨著帶鋼厚度增大而減小，隨著帶鋼寬度增大而呈二次關系增大.最后，應用辛彈性力學方法帶鋼翹曲變形模型，研究了C翹向L翹的轉化現象，建立了C翹轉化為L翹的力學模型，獲得其轉化關系公式，并通過現場實驗驗證了轉化公式的準確性.

多層LEMs性能與結構參數的關系

邱麗芳, 楚紅巖, 楊德斌, 史改改

2014, 36(3): 383-389. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.017

[摘要](164)

[PDF 691KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
建立一多層LEMs柔順機構的一般偽剛體模型.基于LET鉸鏈等效彈簧剛度模型，推導出LEMs輸入載荷和輸出角位移的一般理論計算公式.分析了影響機構角位移輸出的主要結構參數，以及相同載荷下這些參數對角位移輸出的影響趨勢.根據分析結果，對機構實例的結構尺寸參數設計了一組初始值.通過實例的理論計算與有限元仿真，分析得到機構的LET外鉸鏈扭轉片段長度和寬度尺寸變化對角位移和誤差的不同影響效果.

控制與決策

基于狀態觀測器的線性離散時間系統的最優預見控制

廖福成, 陳平

2014, 36(3): 390-398. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.018

[摘要](173)

[PDF 527KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
研究了帶有預見信息的線性離散時間系統的狀態觀測器，并將其應用到預見控制系統.為了滿足設計觀測器的需要，首先導出了包含可預見的目標值信號和干擾信號的擴大誤差系統，并由此得到最優預見控制器.在設計狀態觀測器時，通過改寫輸出方程充分利用了可預見的目標值信號和干擾信號.設計的狀態觀測器針對原系統是全維觀測器，而針對擴大誤差系統則是降維觀測器.最后通過數值仿真證明了所設計的狀態觀測器的有效性.

含有預期和時滯的經濟周期模型穩定性分析

劉祥東, 劉澄, 陸嘉駿

2014, 36(3): 399-405. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.019

[摘要](151)

[PDF 457KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
將預期的資本存量引入現階段的投資決策函數，同時考慮資本積累過程中的投資時滯，構建一個含有預期和時滯的經濟周期模型.首先利用微分動力系統相關的理論研究系統的穩定性，然后把投資時滯或資本存量的預測時間作為分支參數，討論由此參數導致Hopf分支的條件，并執行一些數值模擬以驗證所得結論.研究結果表明：資本存量預期和投資時滯共同構成經濟周期的誘導因素；對資本存量進行短期合理的預測，據此制定投資決策，能夠在一定程度上沖銷由投資時滯所造成的經濟波動.

土木與建筑

新型三重鋼管防屈曲耗能支撐的力學性能

王樹和, 劉官印, 張舉兵

2014, 36(3): 406-413. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.020

[摘要](164)

[PDF 618KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
基于在大跨網架結構中的應用，對目前的三重鋼管防屈曲耗能支撐進行改進，設計了一種新型支撐，并對該支撐考慮初始缺陷下的力學性能進行了理論分析.根據理論分析，設計了四組不同的支撐，利用ABAQUS有限元軟件模擬分析了在拉壓循環荷載作用下支撐強度比對其力學性能的影響，包括連接段應力狀態、滯回耗能能力和核心管屈曲破壞模式.研究結果表明：該新型耗能支撐結構布置可行，設計方法合理，強度比是影響支撐力學性能的重要參數，在強度比合理范圍內，支撐具有良好的滯回耗能性能；在軸向循環荷載作用下，內外套管約束作用明顯，核心管破壞模式為多波小幅屈曲破壞，變形穩定，滿足防屈曲支撐設計要求.