工程科學學報

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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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2016年第38卷第1期

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深層碎屑巖含油氣儲層發育特征

張凱遜, 白國平, 曹斌風, 金鳳鳴

2016, 38(1): 1-10. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.001

[摘要](348)

[PDF 834KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
基于深層油氣藏的最新數據,對世界范圍內深層碎屑巖油氣藏富集規律及儲層發育特征進行了統計分析.中南美和北美(不包括美國本土48州)深層碎屑巖發現的油氣探明和控制(2P)可采儲量最多,其中北美發現的石油2P可采儲量最多,而中南美發現的天然氣和凝析油2P可采儲量最多.全球深層碎屑巖油氣最富集的六大盆地依次為墨西哥灣、東委內瑞拉、阿拉伯、南里海、塔里木和圣克魯斯-塔里哈盆地.在深層條件下,盡管儲層通常表現為物性整體差,但仍可發育優質儲層.深層油氣勘探應立足于對‘甜點’的預測,重點考慮顆粒薄膜、孔隙流體超壓和鹽巖發育對深層砂巖儲層原生孔隙的保存作用.

考慮熱固耦合作用的高溫高壓井井筒完整性分析

趙新波, 楊秀娟, 李向陽, 張立松, 閆相禎

2016, 38(1): 11-18. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.002

[摘要](316)

[PDF 559KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
以高溫高壓井套管-水泥環-地層為研究對象,建立套管-水泥環-地層組合系統的熱固耦合模型,結合邊界條件和連續條件,得到相應的應力解析解,并與有限元結果進行對比,驗證了解析方法的計算精度.通過分析熱固耦合作用下的解析解和不考慮熱載荷的解析解,發現熱載荷對整體等效應力的影響較大.采用Mises、Drucker-Prager及Mohr-Coulomb屈服準則定義失效系數評價套管-水泥環-地層組合系統的井筒完整性.討論了水泥環彈性模量、泊松比、非均勻地應力系數、地層溫度、套管內壓等參數對套管內壁、水泥環內壁及第一、二膠結面失效系數的影響.上述因素對套管內壁、水泥環內壁及第一、二膠結面失效系數均有影響;第一膠結面失效系數較高,對井筒完整性影響較大.

不同地應力條件下含節理巖體爆破的數值模擬

魏晨慧, 朱萬成, 白羽, 龍坤

2016, 38(1): 19-25. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.003

[摘要](306)

[PDF 1129KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
將爆破損傷視為爆破應力波和爆生氣體壓力共同作用的結果,分別考慮不同的地應力條件(側壓力系數0.5、1和2,豎直方向地應力5 MPa和10 MPa)和節理角度(30°、45°、60°和90°),開展含節理巖體雙孔爆破過程的數值模擬,研究爆生裂紋萌生—擴展—貫通過程的演化規律.無節理時,初始應力場對爆生裂紋的擴展具有一定的導向作用,裂紋擴展主方向趨于最大地應力方向.節理對裂紋的擴展方向具有一定的影響,節理角度為30°時,爆生裂紋與節理面連通,形成典型的‘之’字形斷裂.節理對裂紋萌生和擴展具有明顯的促進作用,有利于孔壁上下側裂紋沿豎直方向的擴展.

還原劑對高磷鮞狀赤鐵礦還原焙燒鐵磷分離的影響

徐承焱, 孫體昌, 寇玨, 余文, 曹允業, 王智鵬

2016, 38(1): 26-33. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.004

[摘要](335)

[PDF 373KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
研究還原劑種類及用量對高磷鮞狀赤鐵礦還原焙燒鐵磷分離的影響.添加脫磷劑Na₂CO₃,在提鐵降磷的同時能降低還原鐵的硫含量;還原劑用量的增加都能促進鐵還原,但使用灰分和固定碳含量較高或揮發分含量較低的還原劑時,不利于降磷.焙燒產物的X射線衍射分析表明:添加脫磷劑Na₂CO₃時,隨著還原劑用量的增加,焙燒產物中金屬鐵含量增加,浮氏體和石英含量降低;使用灰分含量較高的還原劑時,隨其用量的增加,灰分會消耗Na₂CO₃,從而減弱其對于鐵還原的促進作用;還原劑用量相同時,石煤、煙煤、焦炭和褐煤所得焙燒產物中金屬鐵含量逐漸增加,浮氏體含量逐漸降低.總體來看,褐煤作為還原劑時鐵磷分離效果最好,其次為煙煤,焦炭和石煤.

鋼中非金屬夾雜物形態對其去除行為的影響

王敏, 郝陽, 馬鋮佑, 王林靜

2016, 38(1): 34-40. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.005

[摘要](333)

[PDF 500KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
采用物理模擬手段研究球形、立方體、圓柱體、樹枝狀、團簇狀等鋼中常見形狀夾雜物形狀修正系數的差異性,并分析粒子表面形貌和運動取向對形狀修正系數的影響.粒子的形狀修正系數與阻力系數滿足線性正相關,可以用形狀修正系數評價粒子的上浮去除能力;在體積相同情況下,同類型夾雜物粒子的去除能力依次為樹枝狀(垂直)<粗糙球形<立方體<圓柱(半經6 mm)<圓柱(半經4 mm)<樹枝狀(水平)<團簇狀(水平)<光滑球形;粗糙表面的球形其表面積約為光滑球形的2倍,其形狀修正系數同時增加2.1倍.簡單粒子的形狀修正系數受運動取向影響較小,復雜粒子則受運動取向影響較大,樹枝狀顆粒垂直上浮時的形狀修正系數約為水平上浮時的2倍.

多流中間包鋼液流動特性分析方法

李東俠, 崔衡

2016, 38(1): 41-46. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.006

[摘要](296)

[PDF 450KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
中間包水模型實驗一般采用脈沖刺激-響應實驗,分析所得平均停留時間分布(RTD)曲線特征;然而經典組合模型處理多流中間包RTD曲線時經常出現負體積死區分率或結果偏差較大的問題.本文基于組合模型,采用階段刺激-響應實驗,分析所得累計停留時間分布F曲線特征,對死區比例和活塞區比例進行計算.該模型計算方法適用于多流中間包的流場特征計算.基于累計停留時間分布曲線特征分析,對某鋼廠七流中間包控流裝置結構進行優化,優化后的中間包死區比例降低,各流差異減小,有利于生產順行和鑄坯質量的提高.

非線性界面動力學影響下顆粒增長的界面穩定性

王信峰, 陳明文, 王飛

2016, 38(1): 47-53. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.007

[摘要](341)

[PDF 360KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
研究了一個帶有非線性溫度依賴界面動力學的顆粒生長數學模型,分析顆粒界面的演化及其形態穩定性.利用漸近展開方法,獲得顆粒生長的漸近解以及界面擾動的變化率.當界面動力學增加時,界面動力學過冷減小,顆粒增長速度也減小,非線性溫度依賴界面動力學使得顆粒界面生長傾向于穩定.與忽略界面動力學的情形比較,非線性界面動力學顯著減弱了球顆粒的生長速度.

高強鋼300M靜態再結晶動力學研究

趙立華, 孫燕, 張艷姝

2016, 38(1): 54-63. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.008

[摘要](310)

[PDF 742KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為研究高強鋼300 M靜態再結晶行為,采用Gleeble-3800型熱模擬試驗機對300M鋼進行單/雙道次熱壓縮試驗.通過雙道次熱壓縮試驗分析了變形溫度、應變速率、變形量和初始晶粒尺寸對靜態再結晶體積分數的影響.變形溫度越高,應變速率越大,變形量越大,初始晶粒尺寸越小,則靜態再結晶體積分數越大.其中變形溫度、變形量和應變速率對靜態再結晶體積分數影響較大,初始晶粒尺寸的影響相比較小.基于雙道次熱壓縮試驗結果建立了300 M鋼的靜態再結晶體積分數模型,基于單道次熱壓縮試驗結果建立了300 M鋼完全靜態再結晶晶粒尺寸模型,并驗證了靜態再結晶體積分數模型的正確性.

錳對中錳耐磨鋼組織形態及相變的影響

叢菁華, 唐荻, 武會賓, 潘學福, 車英建

2016, 38(1): 64-70. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.009

[摘要](320)

[PDF 811KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
通過DIL805A熱分析儀、掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射、透射電子顯微鏡、力學分析等方法研究Mn對中錳耐磨鋼組織形態、相變及力學性能的影響.隨著Mn的質量分數以2%的增量從3%提高到9%,室溫奧氏體含量逐漸增多,抗拉強度及硬度逐漸降低,抗拉強度和室溫奧氏體體積分數都在5%到7%時變化明顯,馬氏體與奧氏體的位向關系發生改變,馬氏體形態類型逐漸由亞結構以位錯為主的板條狀α馬氏體變化為亞結構以位錯、相變內孿晶和層錯為主的束狀細片α馬氏體和細片狀ε馬氏體.

無取向電工鋼脫碳組織的動力學分析

夏冬生, 謝利

2016, 38(1): 71-76. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.010

[摘要](231)

[PDF 644KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
無取向電工鋼兩相區脫碳退火獲得柱狀鐵素體晶粒可有效改善材料組織的均勻性.本文從動力學角度分析柱狀晶的生長過程.柱狀晶的形成分為‘形核’和定向生長兩個階段,其中定向生長過程本質上是反應擴散和再結晶長大共同引起的界面遷移,且在動力學上符合拋物線規律,但其生長速率與退火溫度之間并非呈單調的變化關系,而是在900℃時呈極大值.最后結合柱狀晶生長速率的導出公式得到柱狀晶‘晶核’的尺寸約束條件,這對實際生產過程中無取向電工鋼脫碳工藝的設計有一定的指導意義.

Cr-Co-Mo-Ni齒輪鋼的熱變形行為及模鍛工藝的有限元模擬

唐海燕, 楊卯生, 孟文佳, 李京社

2016, 38(1): 77-86. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.011

[摘要](138)

[PDF 821KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行大變形等溫壓縮試驗,研究Cr-Co-Mo-Ni齒輪鋼的高溫熱變形行為和顯微組織,分析材料流變應力與變形溫度和應變速率的關系,建立熱變形過程的本構方程和熱加工圖.該材料的流變應力隨著溫度的升高而下降,隨應變速率的增加而增加;用雙曲正弦函數式可描述其在熱變形過程中的流變應力,熱變形活化能為487.21k J·mol^-1;熱加工圖顯示的適宜加工區間為溫度1000-1100℃,應變速率0.1-1 s^-1.在熱模擬試驗基礎上進行該鋼種鍛造工藝的有限元模擬,并結合熱加工圖分析初鍛溫度和加工道次對于鍛件溫度和應變速率的影響,得出適宜的模鍛工藝參數為初鍛溫度1000-1100℃,鍛造道次15次.

表面狀態對核級316LN不銹鋼電化學腐蝕行為的影響

郭躍嶺, 韓恩厚, 王儉秋

2016, 38(1): 87-94. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.012

[摘要](212)

[PDF 605KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
表征了打磨態和機械拋光態316LN不銹鋼表面的粗糙度、表面殘余應變和表面電子功函數的分布,并研究了打磨態和機械拋光態樣品在硼酸鹽溶液中電化學腐蝕行為的差異.與機械拋光態316LN不銹鋼相比,打磨處理后樣品表面較為粗糙,且表面的微觀殘余應變較大,近表面產生約50μm的加工硬化層.表面粗糙度和微觀應變的增加引起打磨態表面電化學活性的增大,從而促進316LN不銹鋼在硼酸鹽溶液中腐蝕.機械拋光處理降低了表面鈍化膜的載流子密度(供體和受體),并增大了鈍化膜的阻抗,提高了鈍化膜的致密性和保護性,能夠有效抑制金屬的進一步腐蝕.

涂層界面失效過程的ESPI無損檢測方法

高瑾, 申琳, 馮海翔, 姜洪霞, 李曉剛

2016, 38(1): 95-101. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.013

[摘要](237)

[PDF 915KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
基于激光電子散斑干涉技術(ESPI),對涂層失效過程的電子散斑干涉技術檢測平臺進行設計搭建,在不破壞涂層前提下,觀察到浸泡失效過程中涂層的原位、實時和動態干涉條紋,并對其進行優化處理.將原位、實時觀察到的條紋與零時刻條紋圖像相減后進行計算機二值化處理,得到反映涂層失效信息的原位、實時及動態圖像.針對環氧色漆/碳鋼涂裝體系,證實了電子散斑干涉技術分析的有效性,并根據其檢測圖像的變化,將環氧涂層的浸泡過程分為三階段:初期沒有斑點,涂層完好;中期出現模糊的斑點,涂層防護作用下降;后期出現清晰的黑色大斑點,涂層喪失防護能力.實現了涂層/金屬界面失黏、膜下金屬腐蝕微觀發展過程原位、實時和動態的無損檢測.

凝膠注模制備的鋁銅坯體脫脂過程及動力學

袁海英, 賈成廠, 張新新, Bekouche Karima, 王召利

2016, 38(1): 102-107. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.014

[摘要](156)

[PDF 431KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
通過凝膠注模工藝,采用非水基凝膠體系,成功地制備鋁銅坯體.通過掃描電鏡觀察脫脂前聚合物完全包裹粉末顆粒,脫脂后金屬坯體中聚合物完全脫除.通過反應機理得出聚合物三維網絡結構的化學式.采用熱分析手段、熱重和紅外連用系統分析金屬坯體的脫脂過程,根據Coats-Redfern方法對非等溫熱失重率曲線的數據進行動力學研究,建立動力學方程.在不同的升溫速率下聚合物脫脂反應級數為1,活化能在79.86-108.63 k J·mol^-1范圍內,指前因子反應指數在106-107min^-1,活化能的結果表明反應對溫度和動力學比較敏感.脫脂主要分為兩個階段,在240-350℃主要是聚合物鏈段的分解,在350-470℃主要是聚合物網狀結構的解聚和解交聯反應,同時脫脂階段主要產生CO₂、CO、NO₂和H₂O揮發性氣體.

銅鋼復合冷卻壁熱變形分析

劉奇, 程樹森, 趙宏博, 牛建平, 劉東東

2016, 38(1): 108-117. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.015

[摘要](343)

[PDF 553KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
提高高爐爐腰及爐身下部冷卻壁抗熱變形能力是維持高爐長壽的關鍵.采用熱態實驗和數值模擬手段研究高爐爐腰及爐身下部區域銅鋼復合冷卻壁的傳熱及熱變形行為,并與銅冷卻壁進行對比分析.銅鋼復合冷卻壁熱面無渣鐵殼覆蓋,煤氣溫度1200℃條件下,銅鋼復合冷卻壁最高溫度為180℃,傳熱性能與銅冷卻壁接近.銅鋼界面最大等效應力約為114.45 MPa,低于銅鋼復合板的抗拉強度.銅鋼復合冷卻壁發生彎曲變形,中心z向位移為0.66 mm,較銅冷卻壁低約25.8%;頂底端沿z向位移為0.13 mm,較銅冷卻壁低約50%;曲率為0.93×10^-4 mm^-1,較銅冷卻壁低約51.81%.銅鋼復合冷卻壁抗變形能力優于銅冷卻壁,可以避免銅冷卻壁熱變形過大導致的螺栓及冷卻水管斷裂破損問題.

高強度帶鋼表面粗糙度軋制轉印規律及預測模型

張清東, 張勃洋, 馬磊, 李瑞, 張雍

2016, 38(1): 118-127. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.016

[摘要](205)

[PDF 699KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
針對高強度帶鋼表面粗糙度的特殊要求和控制難題,采取批量工業生產實驗和數理統計的方法,研究高強度帶鋼表面粗糙度的軋制轉印及變化規律,以及軋機工作輥表面粗糙度的變化規律.確定了高強度帶鋼表面微觀形貌由末機架決定,分別建立了高強度帶鋼表面粗糙度預測模型、軋制轉印率模型和軋機工作輥表面粗糙度預測模型.比較了高強度帶鋼與普通強度帶鋼的軋制轉印行為.研究結果可用于工業生產過程中預測高強度帶鋼表面粗糙度,合理安排冷軋軋制順序和軋制計劃,以及預測確定工作輥上下機時間節點.

基于H型鋼殘余應力主動控制的矯直工藝設計

管奔, 臧勇, 秦勤, 吳迪平, 張超

2016, 38(1): 128-134. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.017

[摘要](170)

[PDF 478KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
針對H型鋼輥式矯直過程殘余應力的主動控制,基于工程彈塑性理論建立一種矯直過程應力演變的分析模型;采用離散解析實現對模型的快速數值求解;繼而基于該分析模型建立一套能夠實現殘余應力主動控制的工藝參數主動設計方法;運用該方法對典型規格H型鋼矯直工藝參數進行工藝設計.建立的分析模型運算結果與有限元結果吻合且計算成本得到有效控制,模型能夠實現有限時間內整個矯直工藝參數域內殘余應力演變結果的分析;工藝設計方法能夠得到一定目標參數和約束條件下的殘余應力主動控制工藝參數.

液壓溢流閥的失穩分析和實驗研究

馬威, 馬飛, 周志鴻, 耿曉光

2016, 38(1): 135-142. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.018

[摘要](253)

[PDF 470KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
分析了液壓回路中溢流閥的結構特點,考慮液壓油壓縮性、管道彈性和閥芯碰撞閥座時的能量損失,建立了溢流閥量綱一形式的數學模型,并進行了Lyapunov指數分析,目的是研究溢流閥的失穩機理和顫振行為.應用非光滑動態系統理論和MATLAB軟件繪制單參數和雙參數分岔圖,理論解釋了閥芯離開閥座時的擦邊分岔.結果表明,溢流閥入口流量和預設壓力直接決定著閥的振蕩特性,并且存在著Hopf分岔、擦邊分岔、周期和混沌等現象.搭建了測試平臺,得到彈簧預壓縮量x₀=5 mm情況下的閥芯位移分岔圖,對數學模型進行了驗證.

離散時間異質多智能體系統的一致性控制

劉聰, 周強, 胡曉光

2016, 38(1): 143-148. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.019

[摘要](309)

[PDF 297KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
針對由一階智能體和二階智能體組成的離散異質多智能體系統,研究其一致性問題.設計無通信時延和具有有界通信時延時的分布式一致性協議,通過將系統轉化為自治的離散時間線性時不變系統,運用矩陣理論和代數圖論方法,分析得到系統實現一致性的充分條件.獲得的充分條件與采樣周期、控制參數和系統的拓撲結構有關.證明了系統的一致性不受有界通信時延影響.數值仿真結果驗證了理論結果的正確性.

交叉層積木數值模擬研究以及連接損傷分析

沈銀瀾, 牟在根, Johannes Schneider, Siegfried F.Stiemer

2016, 38(1): 149-157. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.01.020

[摘要](198)

[PDF 631KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
木建筑由于結構冗余性以及釘接節點超強的吸能耗能能力在抗震中表現良好.交叉層積木是一種新型的建筑材料.本文以交叉層積木3種柔性連接試驗為基礎,采用Open Sees中Pinching4自定義模型模擬連接滯回曲線的高度非線性、強度退化、剛度退化和捏攏現象.基于主次半循環累積能量的損傷模型,對交叉層積木連接進行損傷分析,并提出該連接的5種性能水平的損傷指數.Pinching4模型與連接試驗結果吻合較好,進一步證明該模型模擬木節點連接性能的可行性和有效性.損傷因子對應的損傷程度基本符合試驗規律,其平均值在合理范圍內,計算結果離散性較低.