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

郵發代碼：82-303

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單　　價：40元/期，全年480元

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2017年第39卷第1期

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汞污染土壤修復技術的研究進展

盧光華, 岳昌盛, 彭犇, 邱桂博, 郭敏, 張梅

2017, 39(1): 1-12. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.001

[摘要](919)

[PDF 3191KB](53) [施引文獻] ()

摘要:
在造成土壤污染的重金屬中，汞以其來源多、傳播廣、毒性大等特點，已經引起世界各國環境工作者的高度重視.隨著近代工業的發展，土壤系統中汞的排放量增長顯著，對土壤環境安全造成較大的威脅，也對土壤修復工作提出迫切的要求.結合土壤修復技術研究現狀，本文分別對汞的來源、土壤中汞的主要賦存狀態及修復方法進行綜述，重點介紹不同汞污染土壤的修復方法，如淋洗法、穩定化/固化法、熱處理法、電動修復法、納米技術法、生物修復法等國內外最新研究進展，并對今后汞污染土壤的修復技術提出展望，為從事土壤修復、環境保護與治理的科研工作者提供有效參考.

綜放開采頂煤與覆巖力鏈結構及演化光彈試驗研究

王金安, 韓現剛, 龐偉東, 梁超, 王美美

2017, 39(1): 13-22. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.002

[摘要](780)

[PDF 33005KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
綜放開采過程中頂煤和覆巖由連續向非連續和散體介質狀態轉變，描述礦壓在斷裂覆巖和碎裂頂煤中的形成、傳遞方式和作用機理是綜放開采礦壓理論研究的難點.基于光彈試驗原理，借助散體介質雙軸加載雙向流動光彈試驗裝置，對綜放開采過程中散體頂煤與非連續覆巖關鍵層中力鏈網絡結構及演化特征進行研究.研究發現：地層載荷在煤巖體中構成了錯綜復雜的弱-強力鏈網絡.綜放開采打破了初始力鏈網絡結構的平衡，頂煤與覆巖中形成梁-拱復合力鏈拱結構，覆巖荷載以強力鏈形式傳遞到工作面前方煤體.隨著工作面推進和頂煤放出，覆巖梁-拱力鏈網絡不斷擴展和演化，形成更大規模的力鏈拱結構.關鍵層彎曲、斷裂和失穩運動，使工作面前方的強力鏈拱腳出現回縮現象，力鏈分布密度和強度增加，導致工作面來壓現象.地層內水平力作用使頂煤與覆巖內的梁-拱力鏈結構效應較更加明顯，整體拱結構形態愈加完整，強力鏈網絡結構更加緊致，關鍵層斷裂失穩時力鏈拱對工作面煤層的作用力更加顯著.

基于混合整數規劃法的自然崩落法放礦計劃優化

任助理, 畢林, 王李管, 陳鑫

2017, 39(1): 23-30. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.003

[摘要](831)

[PDF 3715KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
放礦計劃是自然崩落法礦山生產過程中最重要的環節.針對傳統手工編制放礦計劃隨意性大及出礦品位不均衡，在對其進行科學系統的分析基礎上，本文運用混合整數規劃法解決自然崩落法放礦計劃優化問題.以計劃期內與目標品位偏差最小為目標函數，綜合考慮礦量、品位、放礦速率、崩落指數、排產指數等約束條件，構建放礦計劃優化的混合整數規劃模型，并在MATLAB環境下用YALMIP編寫模型語言調用CPLEX求解器進行求解，使品位波動降低18%，進而得到最優短期放礦計劃方案.經實例驗證，此方法科學可行，對充分發揮自然崩落法的優越性和提高礦產資源的回收率具有重要的理論和現實意義.

初始溫度條件下全尾膠結膏體損傷本構模型

王勇, 吳愛祥, 王洪江, 王貽明, 崔亮, 靳斐, 周勃, 沈家華

2017, 39(1): 31-38. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.004

[摘要](759)

[PDF 11459KB](33) [施引文獻] ()

摘要:
膏體充填料到達采場初始溫度不同是礦山存在的普遍現象，不同初始溫度條件下膏體力學特性及應力-應變關系直接影響到礦山采充周期及相鄰采場開采時貧化指標.通過對初始溫度為2、20、35和50℃的硬化膏體進行單軸抗壓強度試驗，獲得不同初始溫度下充填體應力-應變演化曲線.根據理論推導和試驗結果，建立了不同初始溫度下膏體損傷本構模型，通過本構模型參數回歸，提出膏體溫度-時間耦合損傷本構模型.最后，采用Comsol數值模擬軟件，將溫度-時間耦合損傷本構模型嵌入solid mechanics模塊，對單軸抗壓試驗進行數值模擬，模擬應力-應變曲線與試驗結果較為吻合，驗證了所提出本構模型的可靠性.

基于全局優化支持向量機的多類別高爐故障診斷

張海剛, 張森, 尹怡欣

2017, 39(1): 39-47. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.005

[摘要](678)

[PDF 1980KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
針對高爐故障診斷系統快速性和準確性的要求，提出基于全局優化最小二乘支持向量機的策略.首先，采用變尺度離散粒子群對最小二乘支持向量機的參數和故障特征的選取進行優化；然后，利用核主元分析法對選取的特征向量進行壓縮整理；最后，構造了以Fisher線性判別率為標準的啟發式糾錯輸出編碼.仿真結果表明，通過對故障訓練樣本有意義地分割重組，用較少的最小二乘支持向量機分類器，得到較高的故障判斷準確率且增強了整個系統的實時性.

含固相銅冶煉渣的黏度計算及其應用

盛力, 李江濤, 張建坤, 張家靚, 張立峰, 侯新梅

2017, 39(1): 48-53. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.006

[摘要](759)

[PDF 1493KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
利用Roscoe方程，結合FactSage的多元多相平衡計算和純液相渣黏度計算功能可對含固相熔渣的黏度進行計算.本研究針對基于銅冶煉渣的FeO-SiO₂-Fe₃O₄-CaO-Al₂O₃-MgO系，首先根據相似爐渣的黏度測定值對Roscoe方程中的參數進行擬合，同時驗證了該方法在計算所研究體系時的準確性.基于所得的計算模型考察不同組分含量對平衡相組成及黏度的影響規律，并總結獲得合理的渣型配比.當爐渣中各組分的質量分數分別控制在FeO 40%~60%、SiO₂ 25%~40%、Fe₃O₄ 0%~15%、CaO 0%~10%、Al₂O₃ 0%~8%和MgO 0%~4%時，可在冶煉過程中得到流動性較好、固體量較少的熔渣.

高固含固液攪拌槽內顆粒懸浮與混合特性

趙洪亮, 殷攀, 張立峰

2017, 39(1): 54-60. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.007

[摘要](629)

[PDF 4810KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
對高固含體系下Intermig槳攪拌槽內的槳葉攪拌性能以及顆粒的混合與懸浮特性進行實驗研究.采用光導纖維技術對不同槳徑、攪拌轉速和槳葉離底距離下攪拌槽內底部以及軸向顆粒密度進行測量，同時對臨界懸浮轉速和攪拌功率進行測定.實驗結果表明：對高固含液-固攪拌體系，所采用的Intermig攪拌槳具有很好的軸向混合特性，該槳適合在較大的槳徑和較低的槳葉離底距離下應用，可在促進顆粒懸浮與均勻分布的同時，大大降低功率消耗.通過對實驗結果的分析和擬合得出底部均勻度與攪拌槽內弗勞德數有關，Q=0.58Fr^-0.35，Intermig攪拌槳功率準數在0.2~0.3之間，且與雷諾數關系為N_P=2.1Re^-0.2.

基于雙亞點陣模型對H13鋼中初生碳氮化物的研究

孫曉林, 王飛, 陳希春, 郭漢杰, 毛明濤

2017, 39(1): 61-67. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.008

[摘要](772)

[PDF 5402KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
實驗證明H13鋼中存在三類初生碳氮化物，包括富V和C的（V_x，Mo_1-x）（C_y，N_1-y）、富Ti和N的（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）及富V和C的（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y），部分存在形核核心.基于雙亞點陣模型和凝固偏析模型分析計算H13鋼凝固過程中元素含量變化，考慮初生碳氮化物中元素間的相互作用，根據三類碳氮化物中合金元素含量和C/N比值不同，對各碳氮化物的生成自由能進行分析.理論研究指出富Ti和N的（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）在固相率為0.90時即可生成，而富V和C的（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）在固相率大于0.96才可生成，兩類碳氮化物的臨界生成固相率f_P均隨固溶Ti和N含量的增加而減小.（V_x，Mo_1-x）（C_y，N_1-y）的臨界生成固相率與x值密切相關，x減小時f_P降低，粒子尺寸增加，實驗與理論分析吻合良好.根據錯配度分析氧化物和碳氮化物對H13鋼中初生碳氮化物異質形核的作用.

Fe-13Cr-5Ni馬氏體不銹鋼在連續加熱過程中兩相區的奧氏體生長行為

宋鵬程, 柳文波, 劉璐, 張弛, 楊志剛

2017, 39(1): 68-74. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.009

[摘要](806)

[PDF 6850KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
通過光學顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射儀以及顯微硬度儀研究Fe-13Cr-5Ni馬氏體不銹鋼在加熱過程中的組織轉變行為.結果表明，Fe-13Cr-5Ni鋼在10℃·s^-1的加熱速率下，加熱至奧氏體單相區，冷卻至室溫后具有明顯的“組織遺傳冶現象.奧氏體以“針狀冶形式在馬氏體板條界處形核并沿著馬氏體板條界長大，與母相間保持Kurdjumov-Sachs （K-S）位向關系.加熱至兩相區不同溫度然后淬火至室溫，奧氏體的量隨兩相區保溫溫度的升高先增加再減少，650℃時對應室溫下殘余奧氏體的極大值，并且這一變化趨勢與試樣顯微硬度測試結果所得結論一致.

固溶時效工藝對6016鋁合金力學性能的影響及多目標優化

馬嚴瑋, 王寶雨, 校文超, 周靖, 康藝

2017, 39(1): 75-80. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.010

[摘要](699)

[PDF 4618KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
作為6XXX鋁合金熱處理工藝的一部分，固溶處理與時效處理對6016鋁合金的力學性能有顯著影響.本文把固溶溫度、時間和時效溫度、時間作為設計變量，應用中心組合實驗設計法設計固溶-時效實驗方案，在室溫下分別測出試樣的屈服強度、伸長率和維氏硬度.第二代非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）解決了第一代算法參數選取難、運行效率低等缺點.本文用第二代非支配排序遺傳算法把得到的響應面方程作為目標函數進行多目標優化，經過計算后獲得非劣解，從中可篩選出使目標函數較好的解與相對的固溶-時效工藝參數.

納米SiC對C/C復合材料石墨化與抗氧化性能的影響規律

甄強, 魯飛, 宋紹雷, 李榕, 鄭鋒

2017, 39(1): 81-87. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.011

[摘要](725)

[PDF 5730KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
本文制備納米SiC基體改性的SiC-C/C復合材料，利用X射線衍射技術、高分辨率透射電鏡等研究SiC對碳材料的石墨化度的影響.納米SiC能夠顯著促進碳基體材料的石墨化度，同時通過高分辨率透射電鏡在納米SiC顆粒周圍觀測到明顯的石墨化結構，并且距離SiC越近，碳基體的石墨化程度越高.通過靜態氧化實驗研究SiC-C/C復合材料的抗氧化性能.結果表明，隨著SiC加入量的增加復合材料的抗氧化性顯著提高，納米SiC在高溫下生成較為均勻的SiO₂保護層，覆蓋在碳材料的表面，阻礙氧氣與碳材料的接觸，并且SiC含量越高，形成的保護層越厚，抗氧化能力越強.

高溫應變柵絲蠕變對應變測量精度影響與補償

王文瑞, 王剛, 胡挺, 張佳明

2017, 39(1): 88-95. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.012

[摘要](688)

[PDF 3868KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
接觸式應變測量是材料和構件高溫力學行為研究的必要手段，其測量精度是高溫應變測量領域關注的熱點，而應變柵絲的高溫蠕變性能是測量精度的主要影響因素.本文首先根據材料蠕變機理分析應變片的蠕變特性，搭建高溫應變柵絲蠕變電測的系統，基于諾頓蠕變規律與試驗的測量結果，建立應變柵絲的高溫蠕變模型.論文基于應變柵絲蠕變輸出有限元模型，對柵絲蠕變輸出的影響因素進行研究；最后建立了高溫應變蠕變補償模型，以提高高溫應變測量精度，并取得了試驗驗證.

分級氣體成分對燃氣輻射管熱過程影響的數值模擬及研究

徐錢, 馮俊小, 周聞華

2017, 39(1): 96-106. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.013

[摘要](611)

[PDF 6605KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用現有的雙P型輻射管進行燃燒實驗，并進行相應的CFD仿真對比，結果顯示NO_x體積分數的數值計算與試驗結果誤差最大為3.6%，其他參數的偏差均在1%以內.將空氣分級的理念應用于雙P型輻射管，設計一種帶支管的分區分級燃氣輻射管，并對其流動和傳熱特性進行仿真研究.結果表明：支管通入空氣量占總空氣量的25%時，輻射管壁面溫差最大，熱效率最高；支管通入燃氣量為20%時，輻射管壁面溫差最小，壁面溫度均勻性最好；支管以相同空燃比同時通入空氣和燃氣，且支管通入空燃氣量為總燃氣量的25%時，整個輻射管內氣體溫度分布最均勻；支管通入空燃氣量占總氣體量從5%增加到35%的過程中，壁面溫差先降低后緩慢增加，支管通入燃氣量為20%時輻射管壁面溫差最小.

純電動車用18650電池的一致性研究

安富強, 趙建源, 陳璐凡, 黃俊, 李平

2017, 39(1): 107-114. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.014

[摘要](682)

[PDF 5642KB](36) [施引文獻] ()

摘要:
通過對國內外五款純電動車用18650電池進行電化學性能測試、變異系數分析和相關性分析，評估電池在初始階段和老化過程中的一致性，并系統分析電流、溫度及電壓范圍對電池一致性的影響.結果表明：為了提高純電動車用18650電池全壽命周期內的一致性，必須控制充電倍率小于0.3C，放電倍率小于0.5C，使用溫度高于0℃.此外，優化電池篩選工藝也是改善電池一致性的一個重要方法.初始篩選時加入能夠表征壽命因素的特征參數k值，即靜置時開路電壓的下降速率，是非常有效的.

鋼鐵智能制造背景下物質流和能量流協同方法

鄭忠, 黃世鵬, 龍建宇, 高小強

2017, 39(1): 115-124. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.015

[摘要](794)

[PDF 1970KB](35) [施引文獻] ()

摘要:
鋼鐵企業面臨庫存增加、產能過剩、盈利艱難等問題，迫切需要通過綠色化和智能化的發展來應對當前的嚴峻形勢.基于鋼鐵企業制造流程特點，通過分析企業以鐵素流為核心的物質流和相應能量流網絡特征，針對企業現有信息化系統在物質流和能量流協同方面存在的問題，提出鋼鐵制造過程的物質流和能量流的協同方法，明確物質流和能量流的耦合應從鋼鐵制造的單元工位設備與整體流程網絡兩個層面進行規劃、設計和實施，并且指出可從完善信息監控、進行計劃協同和調度協同三個方面來實現協同優化.構想基于現有信息系統架構，通過增加相應企業資源計劃系統、制造執行系統、能源管理系統等信息系統的功能，以及建立物質流和能量流協同優化信息子系統的方式，以鋼鐵制造過程的物質流和能量流相關信息的數字化及模型化為支撐，實現制造流程的物質流和能量流協同優化，達成生產優化、資源優化和能源優化的效果.

基于自適應搜索的免疫粒子群算法

張超, 李擎, 王偉乾, 陳鵬, 馮毅南

2017, 39(1): 125-132. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.016

[摘要](1175)

[PDF 1037KB](92) [施引文獻] ()

摘要:
經典粒子群算法由于多樣性差而陷入局部最優，從而造成早熟停滯現象.為克服上述缺點，本文結合人工免疫算法，提出一種基于自適應搜索的免疫粒子群算法.首先，該算法改善了濃度機制；然后由粒子最大濃度值來控制子種群數目以充分利用粒子種群資源；最后對劣質子種群進行疫苗接種，利用粒子最大濃度值調節接種疫苗的搜索范圍，不僅避免了種群退化現象，而且提高了算法的收斂精度和全局搜索能力.仿真結果表明該算法求解復雜函數優化問題的有效性和優越性.

循環加、卸載速率對砂巖變形和滲透特性的影響

趙宏剛, 張東明, 邊光, 李文璞

2017, 39(1): 133-140. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.017

[摘要](726)

[PDF 6042KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
通過煤巖熱流固耦合試驗系統（THM-2）對砂巖進行循環加、卸載試驗，研究加、卸載速率對其變形和滲透特性的影響.結果表明：初始循環時，巖石的軸向變形量△ε₁較大，隨著循環試驗的進行，△ε₁趨于穩定，受卸載速率v2的影響較小.加載變形模量和卸載變形模量均逐漸上升，隨著循環次數的增加，上升速度逐漸變緩；同一循環內，卸載變形模量大于加載變形模量，且隨著加、卸載的進行，差值逐漸減小.加載階段和卸載階段滲透率變化量的差值隨著循環次數的增加逐漸減小；從第5次循環開始，滲透率曲線呈“∞”形，滲透率演化規律可以用軸向應變的變化特點表征，軸向應變的變化量△ε₁ⁱ受到卸載速率v₂ⁱ和應力加載上限σ_maxⁱ的綜合作用，二者對應變在卸載初期起到積極的促進作用，三者之間的相互關系可用冪函數表達.

應用激光多普勒測振儀的巖塊體累計損傷評價試驗研究

杜巖, 謝謨文, 蔣宇靜, 宋紅克, 李博, 劉日成

2017, 39(1): 141-146. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.018

[摘要](646)

[PDF 2264KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
巖塊體崩塌破壞的突發性使其成為最難預防的地質災害，嚴重威脅人類的生命財產安全.邊坡巖塊體崩塌破壞多是系統不穩定導致的動力破壞，而用振動特征參數來進行安全監測和損傷評價更為有效.本文應用激光多普勒測振技術，通過固有振動頻率對危巖塊體主控結構面的黏結力損傷進行定量分析.通過改進后的極限平衡模型，得出結構面不斷劣化塊體的安全系數由原來的1.17下降到1.04，與實際破壞結果相符.試驗結果表明：固有振動頻率一方面可對危巖塊體累積損傷進行有效識別，另一方面可以為黏結力參數的合理確定提供客觀的數據支持.因此，基于固有振動頻率分析的激光多普勒測振技術可實現邊坡巖塊體的累計損傷評價，并將在未來的工程應用中發揮巨大的作用.

不同應力狀態下孔隙結構特征對土-水特征曲線的影響

陳宇龍, 黃棟

2017, 39(1): 147-154. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.019

[摘要](783)

[PDF 4953KB](34) [施引文獻] ()

摘要:
針對傳統土-水特征曲線測試儀無法實現荷載作用的不足，研制吸力控制式三軸試驗裝置，開展不同應力狀態作用下土-水特征曲線試驗，討論應力狀態對孔隙特征的作用.結果表明，固結壓力和基質吸力均能使土體產生不可逆的收縮變形.固結壓力越大，土顆粒就越緊密，孔隙比越小，孔隙尺寸和數量越小，滲透性越差，表現出較好的持水能力，空氣難以進入土體，土體排水困難，導致進氣值增大和減濕率減小.土-水特征曲線與孔隙結構特征的關系緊密，與應力狀態無直接關系.固結壓力對土-水特征曲線的影響是通過改變孔隙結構特征來體現的.孔隙結構特征相近時，應力狀態對其土-水特征曲線不會產生影響.

正交膠合木填充墻-鋼框架體系受力性能

沈銀瀾, 牟在根, Siegfried F. Stiemer, 李相杰, 張爵揚

2017, 39(1): 155-165. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.020

[摘要](867)

[PDF 9675KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
采用開源地震工程模擬系統（OpenSees）對以正交膠合木作填充墻的鋼框架結構進行探索性數值研究，主要研究該填充墻鋼框架單元在單調和循環加載作用下的受力性能，墻體與鋼框架之間的協同工作性能以及連接個數對整體結構受力性能的影響.結果表明：正交膠合木填充墻能夠提高鋼框架的抗側剛度和水平承載力；柔性連接的設置使整體結構耗能性能良好；工作縫的設置減緩墻體的開裂，更大程度上發揮連接件的耗能和變形能力；連接個數對構件的抗側能力影響較大，可以通過調整連接數量和連接間距設計出具有多種剛度和耗能能力的框架單元.