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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單　　價：40元/期，全年480元

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2017年第39卷第4期

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電子鼻研究進展及在中國白酒檢測的應用

李強, 谷宇, 王南飛, 董涵

2017, 39(4): 475-486. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.001

[摘要](805)

[PDF 538KB](37) [施引文獻] ()

摘要:
基于傳感器技術、信號處理技術和模式識別技術發展起來的電子鼻技術是過去二十年中發展最為迅速的氣相分析和氣體檢測技術之一,它已逐漸在生物醫學、環境監測、農業生產、食品檢測等多個領域得到應用.電子鼻是利用對待測氣體具有交叉敏感性的傳感器陣列將待測氣體中的混雜氣味組分信息轉化為與時間、成分、濃度或含量相關的可測物理信號組,利用信號采集系統輸出含有待測氣體特征信息的數字信號,通過模式識別系統分析數字信號得到待測氣體綜合氣味信息和隱含特征,實現對待測氣體快速、系統、準確的鑒別和分析.本文綜述了電子鼻技術中的傳感器技術和模式識別技術及在中國白酒品牌鑒定、風味識別、酒齡檢測方面的最新研究進展;以聚合物石英壓電傳感器型電子鼻為例,闡明該電子鼻的技術方案及其在中國白酒檢測中的應用;展望電子鼻未來研究方向.

方解石晶體結構及表面活性位點第一性原理

王杰, 張覃, 邱躍琴, 李龍江, 葉軍建, 崔偉勇

2017, 39(4): 487-493. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.002

[摘要](953)

[PDF 513KB](35) [施引文獻] ()

摘要:
基于密度泛函理論的第一性原理,采用Materials Studio 6.1軟件的CASTEP模塊對方解石的晶體結構及與水分子及水分子簇的吸附作用進行了研究.結果表明,方解石在參與化學反應時O的活性最強,C和Ca次之;其次確定了最穩定解離面為{1014}切面,其Ca和O位點與單個水分子形成吸附,且與O位點吸附作用較強,H (H₂O)-O (CaCO₃)鍵與H (H₂O)-O (H₂O)鍵間形成氫鍵;{1014}切面水分子簇相互作用,水分子間及水分子與方解石表面均存在氫鍵作用,吸附發生在O位點和Ca位點,且主要發生在O位點.

單壓下節理密度及傾角對類巖石試件強度及變形的影響

王佩新, 曹平, 蒲成志, 范祥, 陳瑜, 王聰聰

2017, 39(4): 494-501. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.003

[摘要](804)

[PDF 829KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
通過預制張開節理類巖石試件,在單軸壓縮條件下,研究節理密度及傾角的組合作用對試件強度和變形特征的影響.試驗結果表明:(1)隨著節理傾角的增大,應力-應變曲線由多峰值轉變為單峰值,試件脆性增強,延性減弱;(2)節理密度對當量峰值強度的影響與節理傾角大小有關,對當量彈模的影響呈“V”形變化,即當量彈模隨著節理密度的增大呈現先減小后增大的變化規律;(3)當量彈模隨節理傾角的增大而增大,在節理傾角為90°的時候達到最大值,為完整試件彈性模量的70%~80%;(4)節理傾角對多節理類巖石試件當量峰值強度和當量彈性模量的影響大于節理密度的影響.對試驗結果進一步分析發現:節理密度及節理傾角與應力-應變曲線、當量峰值強度及當量彈性模量之間的關系,其變化規律與試件的破壞過程息息相關,其破壞模式可分為張拉破壞、剪切破壞和復合破壞.

“活度”質疑

郭漢杰

2017, 39(4): 502-510. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.004

[摘要](754)

[PDF 440KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為研究二元系溶液中組元摩爾分數和氣相中蒸氣壓的規律,考察了48個化合物在熔點固液相變的熔化熵變,發現相變時沒有發生顯著的化合物分解.在假設二元系溶液中存在化合物分子的情況下,組元在全濃度范圍符合拉烏爾定律,不存在Lewis定義的“活度”;通過與Mg-Si、In-Sb和Fe-Mn三個二元系實測活度結果對比,證實了計算的平衡摩爾分數即為活度值,二元金屬熔體不存在所謂“活度”的觀點.推導了在二元系金屬熔體存在一個金屬間化合物條件下平衡的摩爾分數的通用公式,以及相應的A₂B或AB型金屬間化合物的一般公式.將二元系溶液劃分為大于純組元熔點的溫度、小于純組元熔點溫度但高于液相線和低于液相線的三個區間,提出了適應不同區間的廣義拉烏爾定律的關系式.

BP神經網絡IF鋼鋁耗的預測模型

張思源, 包燕平, 張超杰, 林路

2017, 39(4): 511-519. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.005

[摘要](734)

[PDF 635KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
為了解決某鋼廠IF鋼冶煉RH精煉過程鋁耗偏高問題,通過數理統計和BP神經網絡相結合的方法建立了鋁耗預測模型,并與多元線性回歸模型進行比較,該模型具有更高準確度.該模型分析了不同冶煉工藝參數對鋁耗的具體影響,并對相應工藝參數進行了優化.結果表明:脫碳結束氧活度或RH進站氧活度降低0.005%左右,每噸鋼鋁耗可降低0.07~0.08 kg,鋁脫氧有效利用系數為70.31%~80.35%;RH進站鋼液溫度增加35~40℃,鋁耗降低1 kg左右,鋁熱反應升溫利用系數在97.4%左右;吹氧量小于100 m³和大于100 m³時,氧氣與鋁反應的比例分別為37.3%和74.6%左右,吹氧量每增加50 m³,鋁耗分別增加0.1 kg和0.2 kg左右.工藝參數優化后平均鋁耗由1.359 kg降低到1.113 kg,降幅達18.1%.

鈦和釩對高錳鋼高溫熱延性的影響

劉洪波, 劉建華, 丁浩, 吳博威, 張杰, 蘇曉峰

2017, 39(4): 520-528. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.006

[摘要](758)

[PDF 1276KB](24) [施引文獻] ()

摘要:
運用Gleeble-3500熱力模擬試驗機對700~1200℃溫度范圍內高錳鋼Mn13單獨加入鈦(質量分數0.10%)、復合添加鈦(質量分數0.11%)和釩(質量分數0.20%)后的高溫熱延性進行測試.采用掃描電鏡和X射線能譜分析儀對不同溫度下拉伸斷裂后試樣的斷口形貌以及斷口處的析出粒子進行了分析.溫度-斷面收縮率曲線表明在高錳鋼中加入0.10%鈦后,其斷面收縮率出現了一定程度的下降,這表明鈦的加入惡化了高錳鋼的熱延性;在此基礎上加入0.20%釩,高錳鋼的熱延性出現了進一步的下降,即鈦和釩的復合加入嚴重惡化了高錳鋼的熱延性.利用Thermo-Calc熱力學計算軟件對單獨含鈦以及復合含鈦釩的高錳鋼在700~1600℃存在的平衡析出相進行了計算,計算結果表明Ti (C,N)的平衡析出溫度均約為1499℃,遠大于其液相線溫度,這說明Ti (C,N)在高錳鋼的液相中就可以開始析出.掃描電鏡-能譜分析結果表明在奧氏體晶界以及三叉晶界處存在大量的Ti (C,N)和(Ti,V) C粒子,這些粒子的出現抑制了動態再結晶的發生,并且加速了晶界附近裂紋的擴展.

回火次數對P91焊管接頭力學性能的影響

王超, 黨文靜, 魯路, 王瑜, 崔征, 王偉博

2017, 39(4): 529-534. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.007

[摘要](661)

[PDF 609KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
采用光學顯微鏡、X射線衍射分析、透射電鏡、選區電子衍射及常溫與高溫拉伸試驗等檢測手段,基于不同回火次數下P91焊接接頭顯微組織的演化過程研究其對力學性能的影響.結果表明,隨著回火次數的增多,接頭顯微組織主要保留了板條馬氏體位向的回火索氏體,主要相為α-Fe相和Fe-Cr相,熱影響區的室溫及高溫強度先增大后減小.在回火一次時,彌散析出的MX (M=V/Nb,X=C/N)型碳氮化物、位錯纏結及亞穩態的位錯網對接頭有一定的析出強化及位錯強化作用,其力學性能較佳,高溫抗拉強度達最大值232.66 MPa;隨著回火次數進一步增多,離散分布的碳化物Cr₂₃C₆逐漸偏聚并在晶界處演化為串鏈狀分布,使晶界脆化,強度降低,但韌性有所改善.

X70管線鋼及焊縫在模擬煤制氣含氫環境下的氫脆敏感性

關鴻鵬, 林振嫻, 李瑜仙, 劉青, 邢云穎, 王晶, 王修云

2017, 39(4): 535-541. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.008

[摘要](927)

[PDF 805KB](37) [施引文獻] ()

摘要:
通過氫滲透測試、氫擴散模擬以及氫含量測試技術研究X70鋼在模擬4 MPa總壓,0.2 MPa氫氣分壓煤制氣環境下的充氫過程,并通過沖擊韌性測試、裂紋擴展測試以及缺口拉伸和慢應變速率拉伸測試方法,從不同角度分析X70鋼母材和焊縫組織在模擬煤制氣含氫環境下的力學性能.結果表明,在總壓4 MPa,0.2 MPa含氫煤制氣環境中,X70鋼表面存在吸附氫原子并能擴散進入X70鋼內部,達到穩態后內部的可擴散氫質量分數為1.9×10^-7;與空氣中的原始性能比較,X70鋼焊縫和母材的沖擊性能、缺口拉伸和慢應變速率拉伸強度、塑性以及材料的損傷容限均未發生下降;在實驗煤制氣環境中,X70鋼具有較低的氫脆風險.

二氧化硫復合鹽霧環境下2024-T351鋁合金應力腐蝕開裂

滿成, 張歡, 董超芳, 余強, 肖葵, 李曉剛

2017, 39(4): 542-549. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.009

[摘要](732)

[PDF 1359KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
通過SO₂復合鹽霧試驗模擬工業污染海洋大氣環境,結合有限元模擬分析、掃描電鏡/能譜儀、光電子能譜分析等技術研究2024-T351鋁合金在彈性應力區間的應力腐蝕開裂行為.結果表明:應力腐蝕開裂行為優先發生在2024-T351鋁合金C型環的頂部應力集中區域;疏松的腐蝕產物層的形貌經歷了由細棒狀、團絮狀到板塊狀的變化;試驗6 h就可以監測到裂紋,進行到480 h的時候有貫穿裂紋形成,720 h的時候試樣完全斷裂;裂紋為穿晶和沿晶混合機制,主裂紋以穿晶機制沿C型環法線擴展,二次裂紋沿晶界擴展.

非線性組合硬化條件下鎂合金板料變形回彈預測

趙曉迪, 岳振明, 高軍, 褚興榮

2017, 39(4): 550-556. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.010

[摘要](588)

[PDF 641KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
變形回彈作為金屬板料成形的主要缺陷之一,如何提高變應變路徑條件下的回彈預測精度一直是研究者們面臨的難題.本文針對鎂合金變形特點,提出了同時考慮同向硬化、動態硬化和屈服圓畸變的本構模型.以0.8 mm厚AZ31B鎂合金板料為研究對象,施加不同預拉伸后進行彎曲變形試驗,觀察了不同預變形對回彈規律的影響.同時結合有限元分析ABAQUS-Explicit (Vumat)和ABAQUS-Implicit (Umat)對板料的變形及回彈過程進行模擬仿真,對比試驗與模擬結果,驗證動態硬化對于鎂合金板料變形回彈的重要影響.

一個基于孔洞演化機制的韌性斷裂預測模型

穆磊, 臧勇, Araujo Stemler Pedro Malaquias

2017, 39(4): 557-566. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.011

[摘要](551)

[PDF 1262KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
在韌性斷裂中微觀孔洞演化機制的基礎上,提出了一個基于孔洞演化機制的非耦合型韌性斷裂預測模型.模型充分考慮了兩種典型的孔洞演化機制:孔洞的長大機制和孔洞的拉長扭轉機制.該模型引入了三個具有不同物理意義的材料參數:材料對不同孔洞演化機制的敏感度、應力狀態敏感度系數和材料的損傷閾值,并使用等效塑性應變增量表征其對韌性損傷累積過程的驅動作用.為了使模型可以更好地反映三維應力狀態對材料韌性斷裂性能的影響,將該模型從主應力空間轉換到由應力三軸度、羅德參數和臨界斷裂應變構成的三維空間,得到了由模型確定的三維韌性斷裂曲面,并研究了相關參數對三維韌性斷裂曲面及平面應力二維韌性斷裂曲線的影響.利用5083-O鋁合金、TRIP690鋼和Docol 600DL雙相鋼三個典型的輕質高強板材的韌性斷裂數據驗證了該模型對不同材料和不同應力狀態的適用性和準確性.

基于夾雜-細晶粒區-魚眼疲勞失效的超長壽命預測模型

鄧海龍, 李偉, 孫振鐸, 張震宇

2017, 39(4): 567-573. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.012

[摘要](756)

[PDF 461KB](24) [施引文獻] ()

摘要:
本文旨在研究夾雜-細晶粒區-魚眼誘發疲勞失效的超長壽命預測模型.基于Cr-Ni-W合金鋼疲勞試驗結果,結合局部應力-壽命法和位錯-能量法,分別構建了局部裂紋萌生壽命模型(LCIL)和考慮夾雜及細晶粒區影響的裂紋萌生壽命模型(IFCIL),并與Tanaka-Mura模型(T-M)進行了對比分析.其次,分別對細晶粒區內的小裂紋擴展行為和細晶粒區外魚眼內的長裂紋擴展行為進行建模,最終形成了包含裂紋萌生和擴展在內的全壽命預測模型.結果表明,考慮夾雜及細晶粒區影響的裂紋萌生壽命模型(IFCIL)有較高的預測精度;對應細晶粒區的裂紋萌生壽命幾乎等同于全壽命;裂紋擴展壽命僅占據全壽命很小的一部分;預測結果全部處于2倍偏差以內,即全壽命模型可有效地用于夾雜-細晶粒區-魚眼誘發失效的超長壽命預測.

基于傳熱反問題的高爐爐襯單層侵蝕模型

蘇福永, 溫治

2017, 39(4): 574-580. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.013

[摘要](529)

[PDF 411KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
基于傳熱反問題,建立了高爐爐襯侵蝕過程的數學模型,確定了模型的邊界條件,并采用共軛梯度法將反問題分解為三個問題:正問題、靈敏度問題和伴隨問題進行求解.通過不同形狀函數的反演結果證明了其可行性,并分別研究初始猜測形狀曲線、測點數等對反演結果的影響.研究結果表明,初始猜測曲線的選取對反演結果影響很小,充分說明該方法不受初始猜測曲線的限制,具有較好的通用性.而測點數的選取對反演結果有一定的影響,測點數越多,曲線特征被捕捉的越好.但在保證得到曲線特征的前提下,較少的測點數也能得到比較滿意的反演結果,平均相對誤差控制在3%以內.

基于正交法扁雙P型輻射管仿真模擬及結構優化

徐錢, 馮俊小

2017, 39(4): 581-592. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.014

[摘要](549)

[PDF 859KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
在扁形雙P型輻射管的基礎上,研究了扁雙P型輻射管的中心管的等效半徑、支管的等效半徑、中心管和支管間距、管長等結構尺寸對輻射管性能的影響.通過建立正交試驗方案對輻射管結構尺寸以及燃燒器噴口結構位置進行優化.結果表明,影響輻射管表面溫差的最明顯因素依次:中心管與支管的間距、中心管等效半徑、管長和支管等效半徑;影響輻射管輻射功率的明顯因素依次:管長、中心管等效半徑、中心管與支管的間距和支管的等效半徑.上下空氣噴口與左右空氣噴口大小比例在7:3和9:1比較接近,輻射管的性能參數最好;左右空燃氣噴口間距為50 mm,上下空氣噴口間距在60 mm的情況下輻射管表面的溫度不均勻系數最小,為0.058.

SI-FLAT板形儀檢測原理的流固耦合振動分析

李秾, 孔寧, 李洪波, 張杰, 賈生暉, 褚玉剛, 劉海軍

2017, 39(4): 593-603. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.015

[摘要](660)

[PDF 664KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
為從力學本質上揭示SI-FLAT非接觸式板形儀的檢測原理,基于薄板流固耦合振動理論,建立了薄板振幅與殘余應力關系的數學模型.在非協調Föppl-von Kármán方程組的平衡方程中引入慣性項與流體壓強項,利用氣動載荷在時間上的周期性將流體速度函數、流體壓強函數、薄板撓度函數和薄板應力勢函數的時間變量分離出來,得到描述SI-FLAT板形儀穩定工作狀態的偏微分方程組.進一步利用分離變量法求解該方程組,最終建立起薄板振幅與殘余應力的數學關系.同時結合實測殘余應力數據,利用Siemens提出的振幅-殘余應力模型反算得到實際薄板振幅分布,并將其與流固耦合振動模型計算的振幅進行對比,驗證了提出的數學模型的可靠性.進一步利用流固耦合振動模型分析了氣泵進風口流體速度、檢測距離和激振頻率對振幅的影響,為SI-FLAT板形儀科學合理的利用提供了理論依據.

迭代廣義短時Fourier變換在行星齒輪箱故障診斷中的應用

張東, 馮志鵬

2017, 39(4): 604-610. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.016

[摘要](886)

[PDF 815KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
短時Fourier變換(STFT)在分析非平穩信號的過程中,受調制系數的影響,時頻分布圖中的能量擴散至主導頻率的周圍,降低了時頻分布的可讀性.運用STFT分析瞬時頻率緩變或恒定的信號時,調制系數的影響較小甚至可以忽略不計,而得到能量聚集程度很高的時頻分布.根據這一特點,提出了迭代廣義短時Fourier變換(IG-STFT),該方法有效改善了時頻圖的可讀性.首先運用迭代廣義解調分離出頻率恒定的單分量成分,然后運用STFT分析信號的時頻分布,最后依據STFT的分析結果和相位函數得到原信號的時頻分布.通過行星齒輪箱仿真信號和實驗信號分析,驗證了該方法在分析非平穩信號中的有效性,準確診斷了齒輪故障.

函數型數據分析與優化極限學習機結合的彈藥傳輸機械臂參數辨識

趙搶搶, 侯保林

2017, 39(4): 611-618. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.017

[摘要](576)

[PDF 790KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
為實現彈藥傳輸機械臂中不可測參數的辨識,建立了機械臂的虛擬樣機,并將其作為樣本數據的來源;考慮到樣本數據的連續性和平滑特性,使用函數型數據分析和函數型主成分分析對樣本數據進行了特征提取,并利用提取的特征參數和待辨識參數作為訓練樣本對極限學習機(ELM)進行了訓練.為提高極限學習機的辨識精度和泛化能力,利用粒子群算法對極限學習機的輸入層與隱含層的連接權值和隱含層節點的閾值進行了優化.最后,分別利用仿真數據與測試數據對此方法進行了驗證,仿真數據的辨識結果表明,優化后的極限學習機具有更高的辨識精度和泛化能力;同時,通過對比將測試數據的辨識結果代入模型中進行仿真得到的支臂角速度與測試角速度,驗證了此方法的可行性和有效性.

改進人工魚群算法及其在時滯系統辨識中的應用

曹法如, 馮茂林

2017, 39(4): 619-625. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.018

[摘要](686)

[PDF 400KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
針對人工魚群算法(AFSA)存在收斂速度慢和尋優精度低等問題,本文提出了一種改進人工魚群算法(IAFSA).該算法中的人工魚能夠根據魚群當前狀態調整自身的視野和步長來平衡局部搜索和全局搜索.此外,算法中還加入了引導行為,即人工魚在覓食行為未發現更優的位置時,當前人工魚向最優人工魚移動一步.仿真結果表明,改進人工魚群算法在收斂速度、尋優精度和克服局部極值等方面有很大優勢.本文將改進魚群算法應用時滯系統的辨識中,辨識結果表明改進算法能獲取被控對象的精準數學模型,并具有較強的抗干擾能力.

基于關聯關系的仿真模型實時智能推薦方法

范國超, 許承東, 胡春生, 宋丹

2017, 39(4): 626-633. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.019

[摘要](608)

[PDF 525KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
當全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)分布式仿真環境中共享的模型數量非常多時,檢索模型和配置仿真任務將成為一個比較復雜的工程.為提高仿真模型選取和仿真任務配置的效率,設計了一套針對GNSS分布式仿真環境中仿真模型的實時智能推薦方法,方法中首先定義了模型關聯關系和接口形狀的概念,然后提出了一種條件約束下的頻繁模式樹(FP-tree)結構,并從理論上分析了該結構在檢索任務量方面的減少程度,設計并推導了模型關聯關系度的計算方法,以及整套智能推薦方法的運行流程.推薦方法在GNSS分布式仿真環境中進行了仿真驗證,仿真結果與傳統智能推薦方法做對比分析,分析結果表明,該方法針對仿真模型推薦時運行時間短,推薦結果準確度高,能夠實時為用戶推薦合適的模型.

單一尺寸圓坯的無縫鋼管坯料設計模型與算法

李鐵克, 劉玉琢, 王柏琳, 欒治偉

2017, 39(4): 634-641. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.020

[摘要](788)

[PDF 370KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
無縫鋼管坯料設計是在滿足生產工藝要求下,將客戶訂單鋼管合理地分配到生產原料圓坯的過程.實際生產中的批量原則使得每個鋼管訂單在圓坯中有最小分配重量要求;由于無縫鋼管分配支數必須取整,導致鋼管訂單在圓坯中的分配重量并非連續取值.因此,比起相關的板坯設計問題和裝箱問題,無縫鋼管坯料設計的求解更為復雜.本文給出了無縫鋼管坯料設計問題的一般性描述,并建立了混合整數規劃模型.針對庫存中只有單一尺寸圓坯的情況,簡化了問題模型并且求得了問題的下界.結合問題特點,提出了基于貪婪策略的兩階段啟發式算法,并用實際生產數據和仿真數據驗證了算法求解此類問題具有很好的有效性和穩定性.