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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2014年第36卷第4期

欄目

資源與開發
冶金與材料
設備與能源
控制與決策
土木與工程

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資源與開發

多孔介質中微觀力的作用及滲流模型

鄧慶軍, 朱維耀, 王小鋒, 隋新光, 王小佳

2014, 36(4): 415-423. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.001

[摘要](323)

[PDF 657KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
在現有微尺度流動實驗和理論認識的基礎上，建立了包含范德華力、靜電力、空間位型力、表面張力等微觀力的特性方程，分析了影響多孔介質中流體流動的微觀力種類和作用范圍.通過建立考慮微觀力作用的圓管流動數學模型，構造了考慮微觀力作用的多孔介質的毛管束網絡數學模型，推導了考慮微觀力作用的相對滲透率模型.通過模擬分析闡明了微觀力在多孔介質壁面上的作用及對滲流的影響.模擬結果表明微觀力在細小孔隙流動中不可忽略.

冶金與材料

鋁鎮靜鋼鈣處理后氧化鋁夾雜物變性動力學模型

郭靖, 程樹森, 程子建, 張志華, 張鵬

2014, 36(4): 424-431. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.002

[摘要](296)

[PDF 671KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
將Al₂O₃以及固態的鈣鋁酸鹽均視為未反應核，確定鋁離子在液態鈣鋁酸鹽層的擴散是鋁鎮靜鋼鈣處理后Al₂O₃夾雜物變性的限制性環節，由未反應核模型建立了Al₂O₃夾雜物變性的動力學模型，并且通過熱力學分析計算了模型參數.模型結果顯示：隨著Al₂O₃夾雜物直徑的增大，其完全變性為液態鈣鋁酸鹽的時間大幅延長.鋼液中Ca在一定范圍內增加，不僅在熱力學上有利于Al₂O₃變性，也使其變性速率迅速增大，但Ca超過一定值時對變性速率促進減弱.溫度升高不利于Al₂O₃夾雜物變性反應，從而使變性的驅動力減小，對夾雜物變性促進作用不很明顯.模型結果與工業試驗和夾雜觀察結果基本相符.

連鑄中間包鋼液中凝聚態氧化鋁夾雜物運動行為的數值模擬

王耀, 李宏, 郭洛方

2014, 36(4): 432-437. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.003

[摘要](264)

[PDF 476KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
在Euler-Lagrange框架下，基于應用分形理論對凝聚態Al₂O₃夾雜物形貌結構進行定量分析的基礎上，數值模擬研究了連鑄中間包鋼液中不同形貌凝聚態Al₂O₃夾雜物的運動行為.研究發現中間包鋼液流場和夾雜物形貌尺寸共同影響夾雜物在鋼液中的運動行為.隨著尺寸的變大，簇群狀和致密球形兩種形貌Al₂O₃夾雜物上浮去除率都逐漸增加.在相同尺寸下，簇群狀Al₂O₃夾雜物上浮去除率比致密球形Al₂O₃夾雜物低；隨著尺寸的增加，簇群狀Al₂O₃夾雜物上浮去除率相比于同尺寸致密球形Al₂O₃夾雜物降低得就越多.計算結果顯示，與同尺寸的致密球形Al₂O₃夾雜物相比，直徑為20、40、60和80μm的簇群狀Al₂O₃夾雜物上浮去除率分別降低了4.8%、5.7%、6.4%和12.5%.

高強度含銅鋼奧氏體連續冷卻轉變產物的強韌性

楊才福, 劉翊之, 柴鋒, 蘇航, 羅小兵

2014, 36(4): 438-445. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.004

[摘要](248)

[PDF 1165KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
研究了高強度含銅鋼HSLA80和HSLA100奧氏體連續冷卻轉變產物的強度和韌性隨冷卻速率的變化規律，探討了連續冷卻過程中形成的Cu沉淀的特征和熟化規律.在Gleeble3800熱模擬試驗機上進行0.1℃·s^-1至20℃·s^-1的連續冷卻實驗，利用掃描電鏡和透射電鏡分析了顯微組織和Cu沉淀.結果表明，隨冷卻速率提高，HSLA80的連續冷卻轉變組織由多邊形鐵素體向塊狀鐵素體和貝氏體轉變，在冷速0.1~1℃·s^-1范圍內Cu發生沉淀，兩者綜合作用造成隨冷卻速率提高鋼的硬度分階段變化，而韌性逐漸提高；HSLA100的連續冷卻轉變組織以貝氏體為主，且不發生Cu的沉淀，隨冷卻速率提高鋼的硬度基本保持不變，但韌性發生劇烈變化.連續冷卻過程中形成的Cu沉淀在等溫過程中的熟化符合Ostwald熟化規律，半徑隨時效時間t^1/3變化.

微觀組織參數及工藝條件對430不銹鋼凝固顯微結構的影響

蘭鵬, 孫海波, 李陽, 張家泉

2014, 36(4): 446-452. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.005

[摘要](271)

[PDF 1305KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
在多元合金CAFE模型的基礎上，分析了微觀組織參數（形核密度、高斯分解參數、Gibbs-Thomson系數等）與430不銹鋼凝固過程中晶粒形貌的復雜關系，以及過熱度與冷卻強度等工藝參數對凝固組織的影響.研究發現，晶粒尺寸和柱狀晶向等軸晶轉變不僅與體最大形核過冷度有關，也受體形核密度的影響.高斯分解參數和Gibbs-Thomson系數增大時，一次枝晶間距減小，等軸晶范圍增大；但當它們增加至一定范圍后，其對顯微結構的影響逐漸變得不明顯.過熱度或冷卻強度增大時，等軸晶范圍減小，但一次枝晶間距的變化不明顯.

純銅和電鍍銅包鋼在大港土壤中的初期腐蝕行為

朱敏, 杜翠薇, 李曉剛, 黃亮, 王力偉, 萬紅霞, 劉智勇

2014, 36(4): 453-458. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.006

[摘要](270)

[PDF 622KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
通過實驗室的實土埋樣實驗（30 d）、極化曲線、交流阻抗譜（EIS）測試和失重法對純銅和電鍍銅包鋼在大港實土中的初期腐蝕行為進行了研究.在腐蝕的初期階段，純銅的平均腐蝕速率略低于電鍍銅包鋼，它的耐土壤腐蝕性能略好；純銅和電鍍銅包鋼的腐蝕機制存在一定的差異，純銅的腐蝕行為受擴散控制影響較大.

基于Gurson模型的鎂合金板材溫熱沖壓成形研究

王瑞澤, 陳章華, 臧勇

2014, 36(4): 459-466. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.007

[摘要](320)

[PDF 649KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
在Gurson損傷模型的基礎上，采用有限元數值模擬與溫熱沖壓實驗相結合的方法，對鎂合金板材溫熱沖壓成形過程中的材料損傷過程進行了預測.考慮了板材的塑性各向異性行為，通過用戶自定義材料子程序VUMAT將損傷模型嵌入到有限元軟件ABAQUS/Explicit中.采用單軸拉伸試驗數據與有限元數值模擬結果進行迭代，確定了Gurson模型所需要的材料參數.使用ABAQUS模擬得到了鎂合金板材溫熱沖壓過程中微孔洞的演變及分布規律.通過掃描電子顯微鏡，對不同溫度下的AZ31鎂合金板材由孔洞增長和聚合引起的內部損傷演化進行了觀察分析.研究結果表明，板材中微孔洞的分布與實驗數據相吻合，說明本文所提出的方法可以應用于金屬板材溫熱沖壓成形性能預測.

鐵粉類型對銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響

王曄, 燕青芝, 張肖路, 葛昌純, 趙海芹

2014, 36(4): 467-472. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.008

[摘要](447)

[PDF 761KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用粉末冶金工藝分別制備含還原鐵粉、泡沫纖維鐵粉和鐵合金粉的銅基摩擦材料，研究了鐵粉種類對摩擦材料摩擦磨損性能的影響.當摩擦轉速從3000 r·min^-1提升至6200 r·min^-1，用還原鐵粉制備的樣品，其摩擦因數隨速度的升高出現嚴重衰退；含泡沫纖維鐵粉的樣品具有穩定的摩擦因數，試驗范圍內其波動值不超過0.024，但是磨損嚴重；采用鐵鎳合金粉制備的樣品可有效減緩高速階段摩擦因數的衰退，高速下摩擦因數波動低于0.027.以鐵鉻合金粉制備的樣品，其磨耗隨摩擦速度的增加幾乎不發生變化，抗磨損能力最佳.

三價鉻超聲-脈沖電沉積Fe-Ni-Cr/SiC納米復合鍍層

何新快, 江雨妹, 侯柏龍, 吳璐燁, 陳白珍

2014, 36(4): 473-481. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.009

[摘要](276)

[PDF 720KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
利用超聲-脈沖復合電沉積法，在三價鉻鍍液體系中，添加羧酸鹽-尿素配合劑和SiC納米顆粒，制備了Fe-Ni-Cr/SiC納米復合鍍層.研究了超聲-脈沖工藝參數與SiC納米粒子復合量、Cr含量及鍍層厚度的關系；利用穩態極化曲線和循環伏安法分析了超聲波對陰極電化學行為的影響.結果表明，超聲-脈沖作用均有利于基質金屬Fe、Ni和Cr的電沉積，提高了鍍層中SiC和Cr的含量以及鍍層的厚度.利用掃描電鏡、X射線衍射儀和能譜儀對Fe-Ni-Cr/SiC納米復合鍍層的表面形貌、微觀結構和組成等進行表征，發現采用該技術可制備厚度為23.56μm，SiC和Cr質量分數分別為4.1%和25.1%的Fe-Ni-Cr/SiC納米復合鍍層.磨損量和腐蝕曲線測試結果表明，SiC含量高的復合鍍層，其耐磨性和耐蝕性更好.

激光熔覆WC/Ni60B復合涂層在水潤滑滑動摩擦環境下的磨損特性

陳華輝, 閆卓, 徐采云, 趙會友, 王振廷

2014, 36(4): 482-488. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.010

[摘要](128)

[PDF 777KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用激光熔覆技術制備了Ni60B鎳基合金涂層以及微米WC、納米WC和微-納米WC顆粒增強的Ni60B基復合涂層（分別稱為WCm、WCn和WCmn復合涂層）.對制備涂層在Amsler200磨損試驗機上進行了不同載荷和滑動距離的水潤滑滑動磨損試驗.結果表明：WC顆粒的加入顯著提高了Ni60B涂層的耐磨性.WCm復合涂層和納米WCn復合涂層的耐磨性差別不大，但磨損形貌不同.涂層在水潤滑環境下的磨損量均遠遠低于干滑動摩擦，其原因是水膜的支撐或隔離作用降低了涂層與磨輪之間的接觸應力，水的冷卻作用減少了摩擦熱引起的溫度升高，降低了涂層摩擦表面的溫升和熱軟化.水潤滑摩損條件下，WCm和WCn復合涂層中過飽和W元素發生擴散和聚集.

偽半固態觸變成形制備SiCp/Al電子封裝材料的組織與性能

郭明海, 劉俊友, 賈成廠, 果世駒, 李艷霞, 周洪宇

2014, 36(4): 489-495. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.011

[摘要](147)

[PDF 726KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用偽半固態觸變成形工藝制備了40%、56%和63%三種不同SiC體積分數顆粒增強Al基電子封裝材料，并借助光學顯微鏡和掃描電鏡分析了材料中Al和SiC的形態分布及其斷口形貌，測定了材料的密度、致密度、熱導率、熱膨脹系數、抗壓強度和抗彎強度.結果表明，通過偽半固態觸變成形工藝可制備出的不同SiC體積分數Al基電子封裝材料，其致密度高，熱膨脹系數可控，材料中Al基體相互連接構成網狀，SiC顆粒均勻鑲嵌分布于Al基體中.隨著SiC顆粒體積分數的增加，電子封裝材料密度和室溫下的熱導率稍有增加，熱膨脹系數逐漸減小，室溫下的抗壓強度和抗彎強度逐漸增加.SiC/Al電子封裝材料的斷裂方式為SiC的脆性斷裂，同時伴隨著Al基體的韌性斷裂.

從含鈦電爐熔分渣制備納米結構六鈦酸鉀晶須

于海洋, 王艷飛, 張樂號, 劉靜, 劉璐璐, 張梅, 郭敏

2014, 36(4): 496-505. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.012

[摘要](157)

[PDF 1230KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
研究了一種通過水熱堿法-酸液回流-煅燒，從含鈦電爐熔分渣中分離提取、制備納米結構六鈦酸鉀晶須材料的新方法.采用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射、X射線熒光光譜等表征手段，詳細探討了煅燒過程中鈦鉀摩爾比、煅燒溫度、保溫時間和水浸對最終產物物相和微觀形貌的影響.含鈦電爐熔分渣在水熱溫度為200℃，水熱反應時間為24 h，堿液濃度達12 mol·L^-1時，經酸液回流后所得偏鈦酸呈一維單晶納米棒狀結構.隨著鈦鉀摩爾比從1.50增加至1.75，煅燒溫度從800℃升高到1100℃，保溫時間從0.5h延長至7h，制備得到的六鈦酸鉀晶須的純度、結晶性及長徑比逐漸提高.當鈦鉀摩爾比為1.75，煅燒溫度為1100℃，保溫5 h，水浸2 h后可制備得到尺寸均一的六鈦酸鉀納米晶須.

設備與能源

基于主客觀證據融合的高爐懸料預測方法

曹衛華, 杜楠, 安劍奇, 吳敏

2014, 36(4): 506-514. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.013

[摘要](198)

[PDF 680KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
針對高爐關鍵異常爐況懸料難以預測的問題，基于D-S證據理論，提出一種綜合模糊專家推理和后驗概率最小二乘支持向量機的懸料預測方法.首先，結合高爐生產過程和懸料現象，分析懸料形成的內在機理；其次，通過模糊專家推理提取基于專家規則的主觀證據，再通過建立后驗概率最小二乘支持向量機模型提取基于數據內在客觀規律的客觀證據；最后，基于D-S證據理論完成主客觀證據融合，實現懸料預測.該方法充分利用專家經驗和最小二乘支持向量機的自學習能力，能夠提高預測精度.仿真結果表明本文提出的方法有效、準確.

水口底部形狀對高拉速板坯連鑄結晶器液面特征的影響

鄧小旋, 熊霄, 王新華, 李林平, 郝晨暉, 魏鵬遠, 季晨曦

2014, 36(4): 515-522. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.014

[摘要](173)

[PDF 739KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
采用1：1的水模型和工業試驗研究了水口底部形狀（凹底、平底和凸底）和凹底水口井深（井深分別為0、10和20 mm）對結晶器流場與自由液面特征的影響.在拉速為1.8 m·；min^-1時，凹底水口和平底水口下結晶器內流場的對稱性要優于凸底水口.三種水口條件下結晶器液面的表面流速變化規律為凸底水口>平底水口>凹底水口.對比不同井深凹底水口的液面特征發現：井深為10 mm的凹底水口可以有效降低結晶器的液面波動與表面流速，防止卷渣的發生.工業試驗對比了凹底與凸底水口在實際生產中的使用效果，發現凸底水口下的液面波動顯著大于凹底水口.凸底水口下結晶器液面波動變化的功率（頻率為0.003~0.05 Hz）比凹底水口大約10倍，這與水模型的結果吻合較好.

超寬帶鋼典型板形缺陷向量提取方法

楊光輝, 張杰, 李洪波, 閆沁太, 賈生暉, 褚玉剛

2014, 36(4): 523-528. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.015

[摘要](185)

[PDF 601KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
提出了從帶鋼板形數據中提取典型板形缺陷向量的方法，即先對帶鋼板形缺陷進行初級分類，再根據帶鋼應力之間的相似度提取出單位典型板形向量，最后采用k均值聚類算法求解出典型比值系數.針對提取出的帶鋼單位典型板形向量而設計出的單側倒角工作輥，經過大規模的軋制試驗，所軋寬帶鋼板形質量較好，綜合平坦度均小于5 IU（1 IU=10_-5），基本消除邊中復合浪為主的復雜浪形缺陷.

基于輕組分充壓的改進型三塔真空變壓吸附工藝富集煤礦乏風瓦斯的實驗研究

張傳釗, 劉應書, 李永玲, 楊雄, 孟宇

2014, 36(4): 529-534. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.016

[摘要](137)

[PDF 528KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
建立了以活性炭為吸附劑的三塔真空變壓吸附實驗裝置，對循環過程中的充壓方式和抽真空排放過程進行了實驗研究.采用輕組分從吸附塔上端充壓可以在排放氣甲烷體積分數相同的情況下，延長穿透時間，提高產品氣甲烷體積分數；而在循環中引入抽真空排放步驟也可以在不改變吸附與解吸壓力的情況下有效提高產品氣中甲烷的體積分數.在此基礎上，對同時包含排放氣充壓步驟和抽排步驟的三塔變壓吸附循環流程進行了實驗研究.實驗結果表明，應用該循環可以在吸附和解吸壓力分別為140 kPa和20 kPa條件下將甲烷體積分數為0.2%的乏風瓦斯富集至0.654%，同時甲烷回收率在65%.

控制與決策

重大事故救災路線雙目標優化模型及算法

蓋文妹, 蔣仲安, 鄧云峰, 李競, 杜焱

2014, 36(4): 535-542. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.017

[摘要](163)

[PDF 466KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
運用運籌學的理論和方法，建立一種重大事故救災路線雙目標優化數學模型.基于啟發式算法思想，提出適合該模型且收斂速度較快的優化算法.該算法通過構造輔助函數調用Dijkstra算法，在最優解的近似區間內多次迭代逐漸逼近最優解，實現了雙權重網絡圖最短路的求解，是一種近似的、快速的算法.基于所構造輔助函數的性質，給出實現該算法的具體步驟.對誤差進行線性估計，分析了該算法收斂速度的影響因素，并討論了算法的時間復雜度及優勢.最后在案例分析中編譯并運行該算法，證實其模擬結果與理論分析結論相吻合.

一種面向Web服務的綜合可信性度量模型

孫昌愛, 趙敏, 何嘯

2014, 36(4): 543-550. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.018

[摘要](121)

[PDF 419KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
基于Web服務的可信應用程序構造的一個關鍵問題是如何度量Web服務的可信性.在遵循Web服務特點的基礎上，提出一個綜合的Web服務可信性度量模型TMM4WS，從Web服務的內部實現和外部使用兩方面對Web服務的可信性進行度量，開發了相應的度量支持工具TMT4WS.采用Web服務實例對提出的度量模型與工具進行了驗證.實驗結果表明，度量模型TMM4WS及其支持工具TMT4WS具有較好的可操作性，能夠定量地度量Web服務的可信性.

狀態時滯多采樣率線性離散廣義因果系統的最優輸出調節器設計

曹夢娟, 廖福成

2014, 36(4): 551-561. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.019

[摘要](138)

[PDF 471KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
研究了帶有狀態時滯的多采樣率線性離散時間廣義因果系統的最優輸出調節器的設計問題.首先利用離散提升技術將原系統轉化為形式上無時滯的系統.再通過等價變換，利用系統的因果性特點將其化為一個正常系統.繼續對系統進行離散提升，導出一個形式上簡單的單采樣率系統.然后將原系統的二次性能指標函數修正為單采樣率系統的二次性能指標函數，進而利用最優調節原理，得到其最優調節器.再經過變換，得到多采樣率系統的最優輸出調節器.同時對導出的單采樣率系統的能穩定性和能檢測性進行了討論，給出了嚴格的數學證明.最后的數值仿真表明，本文所設計的最優調節器是有效的.

土木與工程

框架填充墻結構基于性能的抗震評估

王樹和, 張舉兵, 汪金龍, 劉雅婷

2014, 36(4): 562-568. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.020

[摘要](150)

[PDF 655KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
在現有研究基礎上，經統計分析提出了框架與填充墻各自的性能水平劃分及其層間位移角限值.建立了框架填充墻非線性有限元模型.對6、9和12層三個典型框架填充墻結構進行小震、中震和大震下的靜力彈塑性分析，得出框架填充墻結構在不同水平地震作用下層間位移角分布.依據抗震性能指標，分析和評估了填充墻框架結構的抗震性能，指出目前規范的不足.根據計算結果，給出了用于評估結構性能的圖表.