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6期

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排土場工后沉降及蠕變規律

張院生, 高永濤, 吳順川, 張太寶, 田書廣

2016, 38(6): 745-753. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.001

[摘要](374)

[PDF 569KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
采用Burgers模型對排土場散粒體蠕變的減速蠕變和等速蠕變兩階段進行描述,利用分層總和法的思想,將垂直填筑的排土場進行分層處理,底層在上覆‘自重’變荷載作用下發生沉降變形,分別采用定常和非定常Burgers蠕變模型從理論解析角度推導排土場填筑動態過程中沉降、工后沉降及累計沉降計算公式.以齊大山鐵礦排土場監測數據進行實例驗算,應用結果表明:非定常Burgers模型和定常Burgers模型擬合的相關系數均較高,非定常Burgers模型沉降最終收斂于5.07 m,定常Burgers模型沉降曲線具有發散性,可見非定常Burgers模型能更好地表述排土場沉降真實工況;將排土場分為十個分層,結合FLAC3D軟件的蠕變數值分析計算,得出各單層沉降率的變化規律,即各單層工后沉降量上層沉降值小于下層和中間層,且上層沉降量呈現單調遞減變化,越接近排土場頂部單層沉降量越小;中間層沉降量相對下層沉降量要大,其中第5單層的沉降量最大.

硫酸鈉對高鐵型紅土鎳礦中鐵礦物還原的抑制機理

高恩霞, 劉志國, 孫體昌, 王曉平

2016, 38(6): 754-759. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.002

[摘要](376)

[PDF 628KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
研究了硫酸鈉對紅土鎳礦中鐵礦物還原的抑制機理.結果發現硫酸鈉能夠改變鐵礦物的還原歷程,生成FeS和含鐵的鋁硅酸鹽,使焙燒礦液相增加.液相的增加抑制煤的氣化反應,減弱體系的還原氣氛,同時抑制還原氣體的擴散,對鐵礦物的還原不利.FeS和鋁硅酸鹽形成的液相包裹在FeO周圍使其還原受到抑制,鋁硅酸鹽在包裹FeO的同時與其反應生成更多液相,對FeO的還原起到進一步的抑制作用.

含碳酸鹽脈石氧化銅礦的酸浸動力學

吳愛祥, 胡凱建, 王貽明, 王少勇, 徐恒

2016, 38(6): 760-766. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.003

[摘要](307)

[PDF 777KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
針對碳酸鹽脈石對氧化銅礦酸浸動力學的影響進行探討,研究了溫度、酸度、礦石粒徑、液固質量比、振蕩速度等因素對含碳酸鹽脈石氧化銅礦浸出的影響.結果表明,高溫、高酸度、高液固質量比、小粒徑和高振蕩速度利于礦石的浸出,但碳酸鹽脈石使得酸耗增加.考慮浸出成本確定合理的浸出條件為溫度303 K、酸度35 g·L^-1、礦石粒徑0.074~0.125 mm、液固質量比3∶1以及振蕩速度180 r·min^-1,浸出180 min后銅浸出率達53.6%.對浸出前后礦石表面形貌進行分析.結果顯示碳酸鹽脈石與酸反應后在礦石表面形成CaSO₄·2H₂O沉淀,覆蓋在顆粒表面,限制了礦石顆粒孔裂隙的發育.基于收縮未反應核模型對浸出動力學進行分析,發現碳酸鹽脈石反應生成的沉淀阻礙了浸出反應,固體產物層擴散為浸出反應的控制步驟,反應的表觀活化能為8.65 kJ·mol^-1.

超硬鋁合金作為陰極在鋅電積過程中的電化學行為

栗韜, 黃惠, 郭忠誠

2016, 38(6): 767-772. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.004

[摘要](250)

[PDF 588KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
選取商業純鋁和超硬鋁作為鋅電積陰極,在ZnSO₄-H₂SO₄體系中通過電化學測試研究兩種陰極的電化學行為,同時利用掃描電鏡觀察鋁合金上電積鋅初期形核,X射線衍射分析鋅片結晶取向.研究結果表明：500 A·m^-2電流密度下純鋁陰極的析出電位和交換電流密度分別為-1.541 V和7.74×10^-11 A·cm^-2,超硬鋁陰極分別為-1.496 V和6.07×10^-3 A·cm^-2.合金元素的添加會增加初期形核位置,提高形核速率,而形核速率的提高在一定程度上抑制鹵族元素對陰極的腐蝕.沉積3 h后,鋅片結晶取向沒有發生變化.超硬鋁易發生燒板和鼓泡,電流效率低,只有84.54%;純鋁電流效率達到88.04%,且沉積鋅平整、光滑,但陰極板容易被鹵族元素腐蝕.

轉爐泡沫渣氣泡分布特點及形成過程

李翔, 包燕平, 王敏, 林路

2016, 38(6): 773-779. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.005

[摘要](275)

[PDF 1207KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
在轉爐留渣-雙渣工藝脫磷階段結束倒渣時,分別使用樣勺獲取倒渣開始時上部泡沫渣,倒渣結束時下部泡沫渣以及倒渣結束后爐內剩余底部泡沫渣,使用宏觀及微觀的方法分別分析泡沫渣各部位氣泡分布特點.結果表明:氣泡平均當量直徑,上部>下部>底部;孔隙率,上部>下部>底部.轉爐泡沫渣的形成過程為:隨著大量CO/CO₂氣泡進入渣中,氣泡之間不斷碰撞、合并,上部氣泡被下部氣泡抬擠且由于氣泡本身的浮力作用,氣泡不斷上升,氣泡在上升時由于重力作用,氣泡之間渣相在重力作用下析液,氣泡的拓撲結構不斷發生變化,同時氣泡之間不斷碰撞、合并,最后形成上部氣泡直徑大且孔隙率高,下部氣泡直徑小且孔隙率低的泡沫渣.

低氧特殊鋼中大尺寸DS類夾雜物生成機理

姜敏, 王昆鵬, 侯澤旺, 王新華

2016, 38(6): 780-786. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.006

[摘要](318)

[PDF 806KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
為了探討低氧特殊鋼中大尺寸DS類夾雜物的生成機理,通過ASPEX PSEM explorer自動掃描電鏡對比分析國內外低氧特殊鋼試樣中夾雜物特征（國內、外試樣各兩個）,發現國內試樣中夾雜物平均尺寸大于國外試樣,夾雜物的最大尺寸則數倍于國外試樣：國內試樣中夾雜物的最大尺寸分別為24.9和13.1μm,國外試樣分別為7.6和7.5μm.對比國內外特鋼試樣中大尺寸與小尺寸夾雜物可發現二者成分基本相同,推斷大尺寸DS類夾雜物可能是細小夾雜物碰撞長大而形成.通過分析大尺寸夾雜物的可能來源,在實驗室通過高溫共聚焦激光掃描顯微鏡觀察夾雜物在鋼中固/液相界面處的行為.結果發現,總氧降低至7×10^-6時,尺寸5μm以下的微細夾雜物可被固/液相界面所捕捉,并在固/液相界面處發生碰撞、聚集、長大而生成大尺寸（>12μm）DS類夾雜物.

水冷銅模與砂模鑄造M2鋼顯微組織對比

趙志剛, 仇圣桃, 朱榮

2016, 38(6): 787-794. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.007

[摘要](285)

[PDF 1921KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
采用實驗室25 kg高頻真空感應爐熔煉M2鋼,并用水冷銅模和砂模均澆鑄為橫截面100 mm×50 mm的M2鋼鑄錠,研究冷卻速度對M2鋼二次枝晶間距、滲透率、碳化物和晶粒尺寸及分布的影響.研究結果表明：M2鋼凝固過程中,快的冷卻速度能有效減小二次枝晶間距、滲透率、晶粒和網狀碳化物的尺寸,同時可以改善晶粒和網狀碳化物的分布和均勻性;砂模和水冷銅模M2鋼鑄錠的平均二次枝晶間距分別為42.5μm和21.6μm,平均冷卻速度為1.06 K·s^-1和12.50 K·s^-1,平均滲透率分別為0.13μm²和0.035μm².快的冷卻速度能有效減輕中心碳偏析程度,砂模和水冷銅模模鑄的M2鋼鑄錠中心碳化物面積分數分別為0.46和0.30,且其較各自的平均值分別增大38.7%和2.2%;水冷銅模鑄錠平均晶粒尺寸（43.1μm）較砂模鑄錠的平均晶粒尺寸（72.6μm）減小約40.7%,鑄錠中心晶粒尺寸減小43.2%,且水冷銅模鑄錠的晶粒尺寸較砂模鑄錠均勻.文中獲得了M2鋼凝固過程中晶粒尺寸與冷卻速度的關系式.

Fe-22Mn-0.7CTWIP鋼的熱塑性與斷裂機制

蘭鵬, 唐海燕, 紀元, 杜辰偉, 張家泉

2016, 38(6): 795-804. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.008

[摘要](374)

[PDF 1284KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
基于Gleeble-1500熱力模擬試驗機測定了Fe-22Mn-0.7C TWIP鋼和Q235鋼700~1300℃范圍內的靜態拉伸行為.采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜儀、電子探針微區分析等技術表征兩鋼種不同溫度下的變形特征和斷口形貌.通過分析基體化學成分、相體積分數、晶粒尺寸、凝固缺陷等因素探討TWIP鋼鑄態熱塑性的變化規律及其影響機制.研究結果表明,Fe-22Mn-0.7C TWIP鋼700~1250℃范圍內的鑄態抗拉強度高于Q235,而其斷面收縮率低于40%,且斷口均以沿枝晶間斷裂方式為主.晶粒細化和控制溶質顯微偏析有利于提高TWIP鋼熱塑性,與基體均質性改善有關.此外,增加應變速率TWIP鋼拉伸強度和斷面收縮率同時增大.

含鈦微合金鋼的高溫熱塑性及斷裂機理

楊小剛, 張立峰, 任英, 李樹森, 李明

2016, 38(6): 805-811. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.009

[摘要](321)

[PDF 1127KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
運用Gleeble 1500熱模擬機對600~1350℃溫度范圍內SS400B鋼加入鈦后的高溫力學性能進行測試,對斷口形貌及低倍組織進行掃描電鏡觀察,研究其斷裂機理及影響因素.利用熱力學軟件Factsage對不同鈦含量條件下第二相粒子的析出情況進行計算分析.結果表明,在實驗溫度范圍內測試試樣的斷面收縮率均超過了45%;在高溫區生成的鋁鈦氧化物可作為塑坑的形核核心,促進延性斷裂的發生;同時由于鋁鈦氧化物、氮化鈦的生成,降低了對鋼塑性有害的氮化鋁生成;沿晶鐵素體和沿晶滲碳體的生成惡化鋼的塑性,促進沿晶脆性斷裂的發生.

中溫含銅取向硅鋼的形變和再結晶織構特征

劉恭濤, 李海蛟, 楊平, 毛衛民

2016, 38(6): 812-819. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.010

[摘要](200)

[PDF 897KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過對比中溫含銅取向硅鋼與普通取向硅鋼和高磁感取向硅鋼的組織和織構特征,分析中溫含銅取向硅鋼獨特的織構演變規律及其對二次再結晶行為的影響.結果表明,為了獲得有利于高斯晶粒長大的強γ取向線織構,中溫含銅鋼需經過回復退火處理和高溫退火階段慢速升溫.回復過程中γ取向線晶粒儲能降低,同時慢速升溫有利于γ取向線晶粒的形核和再結晶.中溫含銅鋼的二次再結晶開始溫度超過1000℃,由于初次再結晶晶粒組織以γ織構為主且非γ取向線晶粒較少,導致最終二次晶粒尺寸超大且晶界圓滑,二次再結晶機理以擇優長大為主導,超大的二次晶粒尺寸導致最終成品的鐵損升高,但通過激光刻痕處理后,整體鐵損的降低效果比二次晶粒較小的高磁感取向硅鋼更加顯著.

熱成形溫度對高強鋼方管組織及性能的影響

彭雪鋒, 韓靜濤, 晏培杰, 王宇

2016, 38(6): 820-826. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.011

[摘要](222)

[PDF 966KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
為了克服傳統輥彎工藝和設備對室溫下高強鋼的影響,提出彎角局部感應加熱輥壓成形工藝制備高強鋼方管,并通過單向拉伸試驗、斷口形貌觀察、微觀組織掃描電鏡觀察和X射線衍射分析研究熱輥壓成形溫度對高強鋼方管彎角處組織及力學性能的影響.結果表明,隨著溫度的升高,彎角力學性能得到明顯的改善,斷口形貌由室溫下解理斷裂逐漸過渡為韌性斷裂,彎角處微觀組織由板條狀貝氏體向粒狀貝氏體發展且多邊形鐵素體晶粒開始長大,方管外表面周向和縱向殘余應力都明顯降低且分布更加合理.綜合實驗分析,高強鋼方管熱輥壓成形工藝的最佳溫度為650℃.

壓痕對車軸鋼疲勞極限的影響

高杰維, 戴光澤, 趙君文, 李恒奎, 徐磊

2016, 38(6): 827-833. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.012

[摘要](177)

[PDF 1299KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
利用硬度計在光滑沙漏狀車軸鋼疲勞試樣上制造壓痕,同時利用電火花在試樣上加工缺陷,通過疲勞試驗研究兩種缺陷尺寸與試樣疲勞極限之間的關系.將兩類試樣的測試結果和基于材料硬度、缺陷投影面積的Murakami模型計算結果進行對比.利用掃描電鏡觀察試樣疲勞斷口.結果表明,與計算結果相比較,壓痕局部塑性變形導致的加工硬化和殘余應力對試樣的疲勞強度沒有影響,裂紋依然從應力集中最大的壓痕底部起裂.電火花缺陷表面粗糙度較大引起二次缺口效應,表面硬脆的重鑄白層上還有微孔和微裂紋存在,導致此類試樣疲勞強度低于模型計算結果,裂紋從電火花缺口底部多處萌生.

碳還原粉煤灰制備SiC/Al₂O₃系復合材料

李紫勇, 吳春晗, 郁青春, 周岳珍, 李瑋, 楊斌

2016, 38(6): 834-840. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.013

[摘要](211)

[PDF 744KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
在氬氣氣氛下,以粉煤灰為原料,石墨為還原劑,研究碳還原粉煤灰制備SiC/Al₂O₃系復合材料的反應過程,并探索其制備的工藝條件.利用X射線衍射分析還原產物的物相變化規律,使用掃描電鏡和能譜儀觀察復合材料的微觀結構.結果表明：在1673 K粉煤灰中石英相與碳反應生碳化硅,1773 K莫來石相基本分解完全.隨著反應溫度的升高,生成碳化硅和氧化鋁含量增加,較合適的溫度條件為1773~1873 K;保溫時間的延長,有利于碳化硅和氧化鋁的生成,較好的保溫時間為3~4 h;增加配碳量對碳化硅和氧化鋁的生成有促進作用,較合適的C/Si摩爾比為4~5.在制備出的SiC/Al₂O₃復合材料中碳化硅在產物中分散較為均勻,并且粒度小于20μm.

基于相場法的砂漿裂紋相互作用失效分析

侯越, 葛智, 周健, 孫鳳艷, 孫文娟

2016, 38(6): 841-846. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.014

[摘要](233)

[PDF 751KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
提出一種新的基于相場法的砂漿斷裂力學分析方法,對裂紋相互作用導致的砂漿試件失效行為進行模擬分析.采用非保守Allen-Cahn方程作為控制方程,借助COMSOL有限元分析軟件,將線彈性力場和相場整合為統一的有限元模型,對砂漿中裂紋發展和相互作用進行模擬分析.通過砂漿三點彎曲試驗和直拉試驗,測試砂漿裂紋擴展過程.模擬結果與試驗結果的對比分析表明,砂漿試件裂紋相互作用臨界荷載的模擬計算結果與試驗結果非常吻合.研究結果表明,Ⅱ型試件斷裂破壞會產生更長的裂縫路徑.

輪胎與瀝青路面微觀摩擦接觸特性的分子動力學模擬

孫鳳艷, 黃璐, 汪林兵

2016, 38(6): 847-852. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.015

[摘要](183)

[PDF 851KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為了精確表征輪胎與路面微觀摩擦接觸特性及分子作用力效應,利用分子動力學模擬分析方法建立輪胎(聚異戊二烯)和集料(二氧化硅)三維單體模型和界面接觸模型,在納米尺度上研究輪胎和集料的微觀構造和接觸特性.模擬結果表明:鏈狀聚異戊二烯分子鏈為螺旋狀結構,分子間隙較大,易產生較大變形,而二氧化硅則為典型脆性材料,表面較為平整;界面接觸模型以二氧化硅為固定基底,聚異戊二烯單鏈在其上勻速滑動,二者間距離為0.5 nm.接觸界面摩擦特性模擬結果表明摩擦系數隨著速度增加而變小,其變化趨勢與實驗結果相同,證明模擬結果有效.

低濃度萘在SBA-15上吸附等溫線推算

劉應書, 姜理俊, 李子宜, 王占營, 楊雄, 楊權

2016, 38(6): 853-860. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.016

[摘要](155)

[PDF 434KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為了獲取低揮發性有機物的吸附等溫線,基于Langmuir方程,提出一種推算低濃度低揮發性有機物的吸附等溫線的方法.脫附活化能由改進的程序升溫脫附模型進行動力學分析獲得,由此獲得的Langmuir方程中的平衡常數B,較經典程序升溫脫附模型求算值更接近本征值,且不受是否發生再吸附現象影響;飽和吸附量可結合吸附劑表征結果可得到.此方法應用于低濃度萘在SBA-15上的吸附等溫線的推算,脫附活化能為58.37 kJ·mol^-1,平衡常數為0.01149 Pa^-1,飽和吸附量為55.11 mg·g^-1,相對誤差約5%,與實驗值較好吻合.

基于OS-ELM的CCPP副產煤氣燃料系統在線性能預測

褚菲, 葉俊鋒, 馬小平, 張淑寧, 吳奇

2016, 38(6): 861-866. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.017

[摘要](172)

[PDF 397KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
針對聯合循環發電廠(combined cycle power plant,CCPP)煤氣系統因工況變化頻繁帶來的模型與過程不匹配的問題,提出一種基于OS-ELM (online sequential extreme learning machine)的CCPP副產煤氣燃料系統在線性能預測方法.首先通過分析副產煤氣系統各主要組成部件的工作原理,利用流體力學、質量守恒以及能量守恒等關系,建立起以離心壓縮機、煤水分離器、冷卻器等為核心部件的副產煤氣系統機理模型.利用OS-ELM算法和滑動窗口技術對機理模型的輸出誤差進行修正,實現副產煤氣系統出口參數的精確預測和模型的快速在線更新.仿真實驗證明,該方法能夠準確地預測副產煤氣系統的輸出壓比和溫比,并能夠跟蹤煤氣系統工況的變化和特性的漂移,滿足實際工業生產的需求.

帶電作業機器人機械臂動力學建模與運動規劃

江維, 吳功平, 王偉, 張頡

2016, 38(6): 867-875. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.018

[摘要](214)

[PDF 737KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
研制了一種雙臂、雙機械手的絕緣子串更換帶電作業機器人.分解了機器人作業過程中機械臂的運動.利用拉格朗日法并結合關節電機電樞電壓方程對機器人機械臂基本動作進行動力學建模,得出機械臂基本動作的統一動力學模型,計算出機械臂2的動力學方程,提出基于五次多項式插值的機械臂運動軌跡規劃方法,計算出機械臂2各關節運動方程.在ADAMS環境下進行機器人機械臂動力學和運動學仿真,結果驗證了動力學模型的正確性,同時各關節運動軌跡規劃滿足運動學要求.最后在實際線路上進行機器人帶電更換絕緣子串實驗,結果表明機器人機械臂各關節運動獲得了較好的動態性能,驗證了本文提出的五次多項式插值機械臂運動軌跡規劃具有較強的工程實用性,進一步提高了機器人的作業效率和穩定性.

流形正則化多核模型的模糊紅外目標提取

楊燾, 付冬梅

2016, 38(6): 876-885. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.019

[摘要](119)

[PDF 797KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
針對模糊邊緣的紅外目標提取問題,提出一種基于流形正則化多核半監督分類的提取方法.首先應用最大類間方差法計算初始分割閾值,獲得確定化的目標和背景區域以及待確定化的模糊邊緣區域;然后建立各區域內像素點鄰域空間集,并通過多核函數特征映射獲得鄰域空間中灰度均值和方差信息特征值,通過流形正則獲得鄰域空間中位置信息特征值;在特征值基礎上,建立半監督分類模型對模糊邊緣區域像素點鄰域空間集進行類別劃分;最后計算最佳分割閾值.對比實驗結果表明,該方法提取模糊邊緣紅外目標效果好且運算效率高.

基于定量關聯規則樹的分類及回歸預測算法

王玲, 李樹林, 吳璐璐

2016, 38(6): 886-892. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.020

[摘要](171)

[PDF 341KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為了解決基于Apriori的分類關聯規則算法挖掘數值型數據時效率和準確率偏低的問題,提出基于定量關聯規則樹的分類及回歸預測算法.采用改進的定量關聯規則算法挖掘數值型數據生成關聯規則庫,并基于關聯規則樹結構實現分類及回歸預測.研究結果表明:改進的Apriori定量關聯規則挖掘算法提高了分類預測的準確率并降低了計算復雜度;而采用關聯規則樹結構可使分類與回歸預測時間明顯加快,提高了樣本匹配學習的速度.