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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2017年第39卷第3期

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從鳥群群集飛行到無人機自主集群編隊

邱華鑫, 段海濱

2017, 39(3): 317-322. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.001

[摘要](1488)

[PDF 456KB](125) [施引文獻] ()

摘要:
無人機可通過自主集群編隊提高其在復雜環境下執行任務的能力.多飛行器并存導致系統協調管理難度提升等一系列問題，因此如何設計合理高效的無人機集群編隊協調自主控制算法是一個亟待解決的難點問題.在鳥群群集飛行過程中，個體通過遵循簡單行為規則進行相互合作而產生復雜有序的集體行為.由于鳥群群集飛行過程中所表現出的鄰近交互性、群體穩定性和環境適應性等特點與無人機集群編隊的自主、協調和智能等控制要求有著緊密的契合之處，因此，研究鳥群群集飛行機制，并將其映射到無人機集群系統，是解決無人機集群編隊協調自主控制問題的一條切實可行的途徑.

中國大陸金屬礦區實測地應力分析及應用

李鵬, 苗勝軍

2017, 39(3): 323-334. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.002

[摘要](698)

[PDF 820KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
以迄今為止查閱到的中國大陸金屬礦區實測地應力數據為基礎，經優化處理后最終采用165組數據，基本覆蓋了我國大陸主要金屬礦山分布地區.采用回歸分析法給出了中國大陸金屬礦區測量埋深范圍內的地應力場特征，并嘗試從地應力的角度對中國大陸金屬礦區斷層的穩定性進行了討論.結果顯示，中國大陸金屬礦區垂直主應力、最大與最小水平主應力總體上隨埋深呈線性增加；最大與最小水平主應力之差Δσ隨埋深的增加有增大的趨勢，但規律性不顯著；最大水平主應力與垂直主應力之比Kh，max主要集中在1.00~2.50之間，最小水平主應力與垂直主應力之比K_h，min主要集中在0.50~1.50之間，平均水平主應力與垂直主應力之比K_h，av主要集中在1.00~2.00之間，隨著埋深的增加，3個側壓系數的變化幅度逐漸減小，Kh，max趨向于1.83，K_h，min趨向于0.80，K_h，av趨向于1.31；最大與最小水平主應力之比與埋深沒有顯著的關系，主要集中在1.5~2.0之間，近似服從正態分布；斷層在埋深小于500 m范圍內有滑動的可能，埋深超過500 m時，逆斷層有滑動的可能，走滑斷層處于相對穩定狀態.

爆轟波三波點擦除煙跡表面積碳機制

趙煥娟, John H. S. Lee, 張英華, 嚴屹然

2017, 39(3): 335-341. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.003

[摘要](759)

[PDF 917KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
為理解三波點在壁面及端面積碳留下記錄的確切機制，推動對螺旋爆轟內部結構的研究，采用端面煙熏玻璃與內壁煙膜結合的實驗方法記錄胞格結構，并得到不穩定、較穩定及穩定預混氣的側壁及端面爆轟記錄.2H₂+O₂+3Ar給出了清晰精細的端面結果，其單頭螺旋結果表明相對于結果近似的側壁結果，內部螺旋結構并非固定.進而從附著碳粒的粒度尺寸分析出碳跡附著原理并結合五種預混氣的反應特性，確定鍵能足以克服碳跡吸附在表面的力時才能擦除煙跡.另外預混氣中的碳分子也會導致煙跡堆積而影響端面結果，反射激波的強度也影響記錄的清晰度.最終確定煙跡擦除機制受預混氣影響，應針對預混氣選用表面粗糙度載體和積碳顆粒尺寸，并給出了記錄爆轟結構的方法.

地下金屬礦山采掘作業計劃優化模型

李國清, 李寶, 胡乃聯, 侯杰, 修國林

2017, 39(3): 342-348. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.004

[摘要](701)

[PDF 378KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
為了實現地下金屬礦山采掘作業計劃編制的實時準確與科學有效性，針對礦山作業地點分散、生產組織復雜、礦石質量難以控制等特征，構建了基于0-1整數規劃的作業計劃優化模型.通過分析開采技術經濟指標及空間邏輯關系，以最小品位偏差為目標，將產量均衡、出礦能力以及品位高低結合開采等轉化為約束條件，考慮各采場作業工序、回采順序、生產能力以及其他生產要素等，運用計算機技術和整數規劃方法，得出地下礦山采掘作業計劃最優方案.以國內某大型金礦為案例進行了模型的有效性驗證，解算出礦山最優的采掘作業計劃，并得出作業計劃甘特圖.結果表明，模型能夠指導完成生產作業任務，且滿足作業計劃連續性和均衡性要求.

金川鎳沉降渣的工藝礦物學

劉曉民, 高雙龍, 李杰, 寇玨, 孫春寶

2017, 39(3): 349-353. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.005

[摘要](930)

[PDF 1087KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
采用化學分析、X射線衍射（XRD）、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜（EDS）等方法，研究了金川鎳沉降渣的礦物組成、結構、嵌布特征、主要有價成分Fe、Ni、Cu、Co的分布等工藝礦物學性質.結果表明，金川鎳沉降渣主要由鐵鎂橄欖石和玻璃質組成，并含少量的銅鎳鐵硫化物、輝銅礦、磁鐵礦等；沉降渣的結構單一，微細粒的銅鎳鐵硫化物呈星散狀無規律分散在硅酸鹽基質中；鐵主要存在于鐵鎂橄欖石內，鎳和銅主要賦存在銅鎳鐵硫化物中，鈷沒有獨立礦物存在，主要以類質同象形式賦存在其他礦物中.鎳渣中有價成分的回收可考慮用深度還原法或濕法冶金工藝.

堿性氧化銅礦產氨菌浸出特性

尹升華, 謝芳芳, 陳勛

2017, 39(3): 354-359. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.006

[摘要](775)

[PDF 254KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究堿性氧化銅礦產氨菌浸出特性，分析了產氨菌浸礦過程對礦石的作用.將云南某礦的堿性氧化銅礦置于含菌培養液、去菌培養液和氨水等5種浸礦溶液中，在同一條件下進行搖瓶浸礦實驗，剖析溶液中各可能的浸礦因子.研究結果表明：產氨菌產氨能力較強，尿素培養液中氨質量濃度最大達8.93 g·L^-1；產氨量與細菌含量呈正相關關系，細菌含量越高，產氨量越大；產氨菌主要通過產氨間接浸礦，此外產氨菌和其代謝產物都能直接作用于礦石，浸礦能力細菌產氨 > 細菌 > 細菌代謝產物，三者比值約為12：5：4.

基于實驗與3D-CAFE法的高硅鋼鑄錠凝固行為

宋煒, 張炯明, 王順璽

2017, 39(3): 360-368. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.007

[摘要](864)

[PDF 1462KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
通過空冷和水冷實驗研究了高硅鋼的鑄態組織，發現高硅鋼鑄態組織主要由粗大的柱狀晶構成，水冷鑄錠中柱狀晶比例高達90%以上.依據鑄錠的化學成分和晶粒統計結果，確定了3D-CAFE法模擬所需的枝晶生長動力學系數及高斯分布等參數.采用CAFE法對不同冷卻條件下高硅鋼的凝固過程進行模擬研究，發現空冷鑄錠較水冷鑄錠的溫度場更均勻，糊狀區更寬闊；空冷鑄錠呈“過渡式”凝固，水冷鑄錠呈“分層式”凝固；空冷流場較水冷流場更穩定，凝固末期冒口處出現明顯的抽吸現象，而水冷模擬結果中未觀察到該現象.組織模擬結果發現，模擬得到的高硅鋼凝固組織無論是形貌還是晶粒尺寸都與實驗結果相一致；最后通過改變澆注溫度模擬研究了過熱度對高硅鋼凝固組織的影響，結果表明，隨著過熱度的降低，鑄錠中心等軸晶率提高，晶粒數量增加，晶粒尺寸變得細小.

冶煉關鍵參數對于IF鋼軋材夾雜缺陷的影響

郝陽, 包燕平, 李任春, 李太全, 程迪, 陳霄, 王睿

2017, 39(3): 369-376. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.008

[摘要](802)

[PDF 621KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
針對邯鋼IF鋼冶煉過程，采用統計學軟件SPSS中邏輯回歸分析、相關性統計、描述性統計等方法，研究了冶煉過程中關鍵參數和軋材夾雜缺陷之間的對應關系以及參數間的相關性.結果表明：在IF鋼冶煉過程中將轉爐終點溫度控制在1695~1700℃之間，吹氧量控制在250 m³以下，靜置時間控制在30~40 min之間，加鋁前氧位不超過3.9×10^-4時，IF鋼軋材出現夾雜缺陷的機率減少.由此對現場提出了改善措施，結果表明以上優化措施可以減少IF鋼軋材中夾雜缺陷的產生.

硫氧混合鉛鋅礦中鋅的氧化氨浸動力學

賈楠楠, 王會剛, 郭敏, 張梅

2017, 39(3): 377-382. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.009

[摘要](723)

[PDF 359KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
常壓低溫條件下在NH₃-（NH₄）₂SO₄體系中使用過硫酸銨作為氧化劑對硫氧混合鉛鋅礦中的鋅進行浸出實驗，系統研究了攪拌速度、浸出劑濃度、氧化劑濃度與溫度對于鋅浸出率的影響.結果表明，在最優條件下鋅的浸出率可達93.2%，且浸出過程中幾乎沒有其他離子進入溶液，實現了鋅的選擇性高效浸出，從而簡化了后續的浸出液凈化與材料制備過程.動力學研究表明，硫氧混合鉛鋅礦中鋅的氧化氨浸過程遵循固體產物層擴散控制的未反應核收縮模型，浸出反應的表觀活化能為17.89 kJ·mol^-1.

次亞磷酸鹽在電解銅氰廢液同時回收銅和氰過程中的作用

高騰躍, 劉奎仁, 韓慶, 徐濱士

2017, 39(3): 383-388. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.010

[摘要](640)

[PDF 365KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
以高濃度銅氰溶液為研究對象，通過添加次亞磷酸鹽，進行了高堿條件下電積回收銅與氰化物的研究.研究了次亞磷酸鹽用量、溫度對銅和氰化物沉積過程的影響；利用線性循環伏安、恒電位電解并結合X射線衍射分析陽極沉淀物的物相，分析了陽極反應機理和次亞磷酸鹽抑制氰化物分解的機理；采用電解后余液進行金的氰化浸出實驗.結果表明：次亞磷酸鹽可有效抑制電沉積過程中氰化物的分解，其抑制效果隨溫度升高而增強.電解過程中陽極表面生成的Cu²⁺是造成氰化物分解的主要原因；次亞磷酸鹽通過優先與Cu²⁺發生氧化還原反應從而抑制氰化物的分解.處理后余液對金的氰化浸出無不良影響，通過電解可綜合回收銅氰廢水中金屬與氰化物，處理后廢水可循環利用.

變渣皮厚度條件下銅冷卻壁應力分布規律及掛渣穩定性

李峰光, 張建良

2017, 39(3): 389-398. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.011

[摘要](811)

[PDF 800KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
根據熱彈性力學理論，建立了渣皮厚度可變的銅冷卻壁熱-力耦合應力場分布計算模型，從銅冷卻壁本體和爐渣-鑲磚界面應力分布的角度分析了煤氣溫度、冷卻制度、鑲磚材質和爐渣性質等因素對銅冷卻壁壽命及掛渣穩定性的影響規律.計算結果表明：煤氣溫度的升高使銅冷卻壁本體應力線性升高，同時掛渣穩定性減弱；銅冷卻壁本體應力值及掛渣穩定性均隨渣皮厚度增加而呈現先下降后上升的趨勢，實際生產中渣皮厚度應維持在30~60 mm之間；冷卻水流速的增大會導致銅冷卻壁本體應力值小幅上升，但可使掛渣穩定性增強；冷卻水溫的提升可小幅降低冷卻壁本體應力，但會顯著降低掛渣穩定性；鑲磚熱導率的提升和爐渣熱膨脹系數的減小均有利于降低銅冷卻壁本體應力并增強掛渣穩定性.

304不銹鋼在模擬壓水堆一回路水中高溫電化學腐蝕行為

汪家梅, 陸輝, 張樂福, 孟凡江, 徐雪蓮

2017, 39(3): 399-406. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.012

[摘要](695)

[PDF 961KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
通過模擬壓水堆一回路水環境，研究了氯離子濃度和溶解氧對304不銹鋼高溫電化學腐蝕行為的影響.動電位極化曲線結果表明，氯離子濃度主要影響高電位下的二次鈍化效應，低電位下影響效果不明顯，結合X射線光電子能譜對氧化膜元素成分的分析發現二次鈍化效應與氧化膜中Fe/Cr元素含量比密切相關.電化學阻抗譜和掃描電鏡結果表明，隨著氯離子濃度增加，氧化膜阻抗逐漸降低，表面外層氧化物顆粒和間隙逐漸增大，耐腐蝕性能降低.隨著溶解氧含量的升高，304自腐蝕電位逐漸升高，鈍化電流密度降低，鈍化區間縮小，表面氧化膜阻抗逐漸增加.

高性能鋰離子電池負極材料一氧化錳/石墨烯復合材料的合成

苗小飛, 劉永川, 張祥昕, 陳素晶, 陳遠強, 張易寧

2017, 39(3): 407-416. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.013

[摘要](903)

[PDF 1125KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
通過凍干-煅燒合成了一氧化錳/石墨烯（MnO/rGO）復合材料，并將其用作鋰離子電池負極材料.在500 mA·g^-1的電流密度下，MnO/rGO復合材料表現出高達830 mAh·g^-1的可逆容量，且在充放電循環160圈后，其可逆容量依然高達805 mAh·g^-1.倍率測試結果顯示，循環225圈后，在2.0 A·g^-1的電流密度下，其可逆容量高達412 mAh·g^-1.復合材料中的石墨烯在提高材料導電性的同時有效地緩解了一氧化錳充放電過程中的體積膨脹.通過對比容量-電壓的微分分析，發現復合材料超出一氧化錳理論容量的部分是由形成了更高價態的錳引起的.MnO/rGO復合材料比純一氧化錳（p-MnO）更容易出現高價態的錳，可能是因為rGO上殘留的氧為電極反應提供了額外所需的氧源.該一氧化錳/石墨烯復合材料因其簡單綠色的合成過程及優異的電化學性質，有望在未來的鋰電負極中得到廣泛的實際應用.

毛細銅/鈦復合管材的游動芯頭拉拔制備及組織性能

劉新華, 林一良, 付華棟, 劉雪峰, 謝建新

2017, 39(3): 417-425. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.014

[摘要](614)

[PDF 1364KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
在熱旋制備界面結合質量優異的銅/鈦雙金屬復合管坯的基礎上，對復合管進行了游動芯頭拉拔加工，重點研究了復合管材游動芯頭拉拔加工成形能力以及拉拔加工對復合管材組織性能的影響.研究結果表明，游動芯頭拉拔方式，特別是減壁拉拔，對銅/鈦復合管材結合界面有較大的破壞作用，且難以實現多道次連續拉拔加工，單道次拉拔加工量不宜超過30%；575℃保溫70 min的道次間退火雖然對界面元素擴散情況影響不大，但能緩解加工硬化和殘余應力，使得銅/鈦復合管材的平均剝離強度由變形態的7.8 N·mm^-1提高到退火態的17.1 N·mm^-1，大幅度提高銅/鈦復合管材的后續拉拔加工性能.通過嚴格控制拉拔減壁量，合理制定了銅/鈦復合管材的拉拔加工工藝，成功制備了結合性能優異的毛細規格銅/鈦復合管材.

MA-SPS制備超細晶Ti-8Mo-3Fe合金的摩擦磨損性能

王濤, 路新, 徐偉, 章林, 曲選輝

2017, 39(3): 426-431. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.015

[摘要](550)

[PDF 867KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
以機械合金化+放電等離子燒結（MA-SPS）制備的超細晶Ti-8Mo-3Fe合金為研究對象，研究了合金在模擬體液（SBF）中的摩擦磨損性能，并與放電等離子燒結制備的微米尺寸晶粒的Ti-8Mo-3Fe合金、鑄造純Ti及Ti-6Al-4V （TC4）合金進行了對比.結果表明：采用MA-SPS工藝可制備出高致密度、組織均勻的超細晶Ti-8Mo-3Fe合金，合金由β相及少量α相組成，平均晶粒尺寸為1.5 μm，顯微硬度為448 HV；在相同摩擦磨損條件下，超細晶Ti-8Mo-3Fe合金的摩損程度明顯低于微米晶粒Ti-8Mo-3Fe和鑄態的純Ti及TC4合金，具有最低的磨損體積和較穩定的摩擦系數.超細晶Ti-8Mo-3Fe合金的磨損機制為磨粒磨損，而微米晶粒Ti-8Mo-3Fe和鑄態純Ti及TC4合金的磨損機制為磨粒磨損和黏著磨損并存的混合磨損.

基于厚向組織性能考量的7B50鋁合金中厚板回歸再時效熱處理

侯隴剛, 趙鳳, 莊林忠, 張濟山

2017, 39(3): 432-442. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.016

[摘要](616)

[PDF 2487KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
為解決T6態高強鋁合金強度高而耐蝕性難以滿足使用需求，采用三級時效工藝來改善析出強化相特別是晶界析出相的形貌、尺寸、分布等，并通過研究不同回歸處理制度對組織、性能的影響而獲得適宜7B50鋁合金中厚板的三級時效工藝.研究發現提高回歸溫度或延長回歸時間均會使中厚板心部及表層組織的晶內和晶界析出相發生粗化并析出穩定η-MgZn₂相，導致強度下降、電導率上升，其中回歸溫度對強度和電導率的影響顯著.三級時效處理雖使晶內析出相尺寸有所增加，但卻使T6態連續分布的晶界析出相呈斷續分布，結合心部和表層強度及電導率測量結果認為合適的回歸處理制度為165℃/6 h.然而，熱軋引起中厚板表層較心部更為嚴重的變形使表層含有更多的亞晶或亞結構且其分布更均勻，從而使表層更快到達峰時效，進一步的回歸再時效處理則使表層析出更多穩定η相，而η相的形成與晶內析出相的粗化長大是造成表層和心部強度差異的關鍵.雖然淬火/三級時效態表層和心部的晶粒結構存在差異，且局部出現亞晶合并長大，但其對強度的提升效果遠低于表層析出穩定η相所引起的強度下降.可見，三級時效工藝并不能緩解7B50鋁合金中厚板心部和表層的性能差異，但可使表層和心部的強度、電導率滿足某實際工況要求.

變壓吸附空分用椰殼基炭分子篩的制備

李興偉, 徐紹平, 叢媛媛

2017, 39(3): 443-448. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.017

[摘要](820)

[PDF 240KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
提出以椰殼預炭化料為骨料、酚醛樹脂為黏結劑制備變壓吸附空分制氮用炭分子篩的新工藝路線，包括成型、炭化、水蒸氣活化、兩步苯氣相碳沉積調孔等主要工序；完善了炭分子篩的變壓吸附空分評價手段，即以變壓吸附空分為基本手段，結合變壓吸附脫附尾氣總量及其中O₂濃度等參數分析，準確表征炭分子篩制備過程中樣品的微孔孔容和孔徑變化，從而實現對炭分子篩制備工藝參數的精確控制.所得的椰殼基炭分子篩具有較高的抗壓強度，其變壓吸附空分性能接近商業炭分子篩產品.

棒式文丘里除塵器氣液兩相流阻力特性

夏毅敏, 楊端, 胡承歡, 唐浦華, 卜英勇

2017, 39(3): 449-455. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.018

[摘要](690)

[PDF 573KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
為了掌握棒式文丘里除塵器內氣液兩相流的阻力特性，基于多相流理論，建立其三維CFD模型，研究分析棒間距、除塵風量和液氣比對棒式文丘里除塵器阻力特性的影響，并建立了阻力預測公式以及三者之間的關系式.結果表明：文丘里棒層與下筒體的壓力損失隨著棒間距的減小和風量的增大呈冪指數關系增大，隨著液氣比的增大呈近線性增大；上筒體的壓力損失與風量呈近平方關系；通過與實驗數據對比，關系式最大誤差為16.88%，驗證了其有效性.

降壓式18脈沖自耦變壓器優化設計

牛蘭, 葛紅娟, 楊光, 姜帆

2017, 39(3): 456-461. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.019

[摘要](764)

[PDF 417KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
針對目前18脈沖自耦變壓器輸出電壓難以調節的問題，在保持現有18脈沖自耦變壓器優勢的基礎上，提出一種新型降壓式18脈沖自耦變壓器拓撲結構并對其進行優化.變壓器通過每相原邊延長繞組與副邊移相繞組的連接實現對輸出電壓的寬范圍降壓調節.考慮到延長繞組與副邊移相繞組連接抽頭的位置變化對變壓器性能的影響，以變壓器降壓比及延長繞組連接抽頭的位置系數為變量，理論推導不同情況下變壓器的通用設計公式，并進行仿真分析，得到相同降壓比條件下降壓式自耦變壓器等效容量最小的最優連接抽頭位置.最后通過實驗驗證了設計的合理性.

基于逐層演化的群體智能算法優化

張水平, 王碧, 陳陽

2017, 39(3): 462-473. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.020

[摘要](873)

[PDF 838KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
為能徹底解決群體智能算法早熟問題的同時保持原算法主體不變且可與現有優化理論協同優化，在前期仿真實驗和理論證明的基礎上，提出了一種逐層演化的改進策略.利用在原算法中構建基于搜索空間壓縮理論的自適應系統，通過逐層的壓縮、選擇、再初始化的操作，以包括壓縮后搜索空間在內的社會信息作為遺傳知識，指導尋優過程，從而實現最終解精度的提升、避免早熟問題的出現.對基準函數進行仿真實驗可以看出該策略在提升算法精度，增強后期個體活性方面具有良好的表現.