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

郵發代碼：82-303

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郵　　箱：xuebaozr@ustb.edu.cn

單　　價：40元/期，全年480元

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2019年第41卷第1期

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生物質鍋爐氮氧化物排放控制技術研究進展

毛洪鈞, 李悅寧, 林應超, 王婷, 李維尊, 鞠美庭, 朱復東

2019, 41(1): 1-11. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.001

[摘要](1513)

[HTML全文] (792)

[PDF 858KB](85) [施引文獻] ()

摘要:
生物質燃料中含有的燃料氮含量較低, 但是大約70%~100%(質量分數)的氮最終會轉化為NO_x, 并且秸稈等生物質燃料燃燒排放的NO_x含量較木質燃料等更高.此外, 近年來, 我國空氣質量面臨嚴峻態勢, NO_x是常見的大氣污染物, 對居民身體健康、生產和生活有很大影響.因此, 本文對目前國內外的NO_x燃燒控制技術進行綜述, 總結了各類技術的優缺點, 及我國目前對于生物質鍋爐NO_x控制技術遇到的瓶頸, 并對該研究領域的未來趨勢做出展望.

連鑄結晶器內渣膜形成及傳熱的研究現狀

文光華, 楊昌霖, 唐萍

2019, 41(1): 12-21. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.002

[摘要](1121)

[HTML全文] (560)

[PDF 6659KB](63) [施引文獻] ()

摘要:
介紹了模擬結晶器內渣膜形成的實驗方法, 綜述了國內外學者在保護渣傳熱方面所做的研究工作, 包括固態渣膜的界面熱阻、保護渣的導熱系數、輻射傳熱以及渣膜的光學性質, 并提出了今后在渣膜形成及傳熱研究中有待進一步完善的內容和方向.現有的研究結果表明利用熱絲法可以對渣膜的形成過程進行原位觀察, 采用水冷銅探頭法可以獲取用于研究渣膜微觀組織的固態渣膜樣品.渣膜的界面熱阻在0.0002~0.002 m²·K·W^-1之間.在800℃以下, 保護渣的導熱系數在1.0~2.0 W·m^-1·K^-1范圍內, 且隨溫度的升高而逐漸增加.渣膜中的晶體一方面可以增加渣膜的界面熱阻, 另一方面可以提高固態渣膜的反射率, 起到降低輻射熱流的作用.此外, 過渡族金屬氧化物的加入以及固態渣膜中彌散分布的微小顆粒也能改變渣膜的光學性質, 從而影響通過渣膜的輻射傳熱.

純電動車用鋰離子電池發展現狀與研究進展

安富強, 趙洪量, 程志, 邱繼一承, 周偉男, 李平

2019, 41(1): 22-42. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.003

[摘要](3881)

[HTML全文] (1273)

[PDF 10582KB](517) [施引文獻] ()

摘要:
現階段, 鋰離子電池已經成為電動汽車最重要的動力源, 其發展經歷了三代技術的發展(鈷酸鋰正極為第一代, 錳酸鋰和磷酸鐵鋰為第二代, 三元技術為第三代).隨著正負極材料向著更高克容量的方向發展和安全性技術的日漸成熟、完善, 更高能量密度的電芯技術正在從實驗室走向產業化.本文從鋰離子電池產學研結合的角度, 從電池正負極材料, 電池設計和生產工藝來分析動力電池行業最新動態和科學研究的前沿成果, 并結合市場需求與政策導向來闡述動力電池的發展方向和技術路線的實現途徑.

預制裂隙花崗巖的強度特征與破壞模式試驗

郭奇峰, 武旭, 蔡美峰, 席迅, 任奮華, 苗勝軍

2019, 41(1): 43-52. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.004

[摘要](2471)

[HTML全文] (814)

[PDF 7273KB](61) [施引文獻] ()

摘要:
為了探究單軸壓縮條件下裂隙巖石的強度特性、裂紋起裂規律及破壞模式, 采用水刀切割技術預制裂隙花崗巖試件, 利用GAW2000剛性試驗機對單裂隙花崗巖試樣進行單軸壓縮試驗.試驗結果表明: 與完整試樣相比, 裂隙巖石試樣單軸抗壓強度明顯降低, 降低幅度與預制裂隙和外荷載方向的夾角β密切相關, β=75°時, 強度最低, 降幅達到84.5%, 基于最大畸變能準則計算了裂隙花崗巖的峰值抗壓強度與裂隙傾角的關系, 試驗結果與數值解吻合; 裂隙的存在改變了巖石的破壞模式, 裂紋起裂角隨裂隙傾角的增加而單調增大, 巖石試樣的破壞模式由剪切破壞為主轉變為張拉破壞占主導.真實裂隙巖石試樣的力學性質及裂紋起裂特征更準確地揭示了單裂隙花崗巖的強度變化規律和破壞模式, 為巖土工程設計和巷道裂隙圍巖體的支護提供科學依據.

電石渣-煤基固廢混合膠凝體系制硅酸鈣板的試驗

魏丁一, 杜翠鳳, 李彥鑫, 張連富

2019, 41(1): 53-59. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.005

[摘要](860)

[HTML全文] (340)

[PDF 3220KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
為減少制備硅酸鈣板對礦物原漿資源的損耗和提高對固體廢棄物的協同利用效果, 試驗以電石渣-煤基固廢膠凝體系為原料來研制高強度的純固廢硅酸鈣板, 并通過熱重-差示掃描量熱法、X射線衍射測試來分析硅酸鈣板中生成的主要礦物成分及不同配比對硅酸鈣板的強度變化關系.研究表明: 在水灰比為0.3的條件下, 使用電石渣完全替代水泥, 將粉煤灰和硅灰按1:1的質量比互摻調制所得的混合膠凝體系最終制得托貝莫來石型純固廢硅酸鈣樣板.在硅灰占原料的質量分數為0~10%范圍內, 樣板抗折強度隨硅灰添量增加而升高, 硅灰添量為10%時樣板達到最大抗折強度, 不同粒徑的原料顆粒相互填充, 板內晶體與水化膠凝體相互咬合, 最終使得樣板力學性能得到大幅提升; 樣板的抗折強度隨著NaOH添量的增加呈現先增后降的趨勢, NaOH添加質量分數為4%時樣板板面平滑, 強度達到最大值11.8 MPa, 該添量為NaOH的最佳添量, 通過掃描電鏡分析發現加入4% NaOH時對該膠凝體系的水化反應起到最佳激發作用, 且樣板料坯的微觀結構對其最終的力學性能有重要影響, 但不起決定性作用, 其中決定其最終強度的是板坯內水化膠凝體的數量、形態以及其相互間的聯結方式.

全尾砂無耙深錐穩態濃密性能分析

李公成, 王洪江, 吳愛祥, 焦華喆, 王方正

2019, 41(1): 60-66. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.006

[摘要](1130)

[HTML全文] (435)

[PDF 3747KB](40) [施引文獻] ()

摘要:
結合沉降和壓濾實驗, 對脫水性能數據進行曲線擬合獲得連續網狀結構形成濃度、壓縮屈服應力和干涉沉降系數, 引入Usher提出的穩態濃密性能預測算法, 建立了無耙深錐濃密模型, 分析了絮凝劑單耗、底流中固相的體積分數、泥層高度等對固體通量和固體處理能力的影響規律.研究結果表明: 絮凝劑添加量對沉降區域影響大于壓密區域, 20 g·t^-1時濃密性能較好, 底流中固相的體積分數越大固體通量越小; 在沉降區域, 固體通量僅與濃度有關, 不受泥層高度影響; 在壓密區域, 固體通量為濃度與泥層高度的方程; 模型參數范圍內, 當泥層高度 < 3.5 m時, 固體處理能力為濃度與泥層高度的方程, 當泥層高度>3.5 m時, 固體處理能力與固體通量隨底流中固相的體積分數變化規律一致.

一種基于魯棒隨機向量函數鏈接網絡的磨礦粒度集成建模方法

李德鵬, 代偉, 趙大勇, 黃罡, 馬小平

2019, 41(1): 67-77. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.007

[摘要](1100)

[HTML全文] (505)

[PDF 6194KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
作為磨礦過程的主要生產質量指標, 磨礦粒度是實現磨礦過程閉環優化控制的關鍵.將磨礦粒度控制在一定范圍內能夠提高選別作業的精礦品位和有用礦物的回收率, 并減少有用礦物的金屬流失.由于經濟和技術上的限制, 磨礦粒度的實時測量難以實現.因此, 磨礦粒度的在線估計顯得尤為重要.然而, 目前我國所處理的鐵礦石大多數為性質不穩定的赤鐵礦, 其礦漿顆粒存在磁團聚現象, 所采集的數據存在大量異常值, 使得利用數據建立的磨礦粒度模型存在較大誤差.同時, 傳統前饋神經網絡在磨礦粒度數據建模過程中存在收斂速度慢、易于陷入局部最小值等缺點, 且單一模型泛化性能較差, 現有的集成學習在異常值干擾下性能嚴重下降.因此, 本文在改進的隨機向量函數鏈接網絡(random vector functional link networks, RVFLN)的基礎上, 將Bagging算法與自適應加權數據融合技術相結合, 提出一種基于魯棒隨機向量函數鏈接網絡的集成建模方法, 用于磨礦粒度集成建模.所提方法首先通過基準回歸問題進行了實驗研究, 然后采用磨礦工業實際數據進行驗證, 表明其有效性.

深埋硬巖隧道圍巖參數概率反演方法

吳忠廣, 吳順川

2019, 41(1): 78-87. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.008

[摘要](954)

[HTML全文] (672)

[PDF 4365KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
在貝葉斯理論框架下, 提出了一種基于多源數據融合的深埋硬巖隧道圍巖參數概率反演方法.首先, 分析硬巖隧道常用的啟裂-剝落界限本構模型中圍巖單軸抗壓強度、啟裂強度與抗壓強度比及抗拉強度三個參數不確定性來源, 確定其概率統計特征; 其次, 利用粒子群算法優化多輸出支持向量機, 建立反映反演參數與隧道監測數據間非線性映射關系的智能響應面; 最后, 結合貝葉斯分析方法構建概率反演模型, 運用馬爾科夫鏈蒙特卡洛模擬算法實現了圍巖參數的動態更新.將該方法應用到某深埋硬巖隧道中, 利用反演的圍巖參數計算隧道拱頂下沉點、周邊收斂點變化值及開挖損傷區深度, 與監測數據吻合較好.結果表明, 該方法可以實現圍巖多參數快速概率反演, 更新后的參數可用于硬巖隧道施工安全風險評估與結構可靠性設計.

改性多孔鋼渣/橡膠復合材料的制備及其性能

張浩, 張欣雨

2019, 41(1): 88-95. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.009

[摘要](1163)

[HTML全文] (533)

[PDF 3134KB](25) [施引文獻] ()

摘要:
用磷酸、硅烷KH550和鋼渣制備改性多孔鋼渣, 以改性多孔鋼渣取代部分炭黑.利用改性多孔鋼渣、炭黑、橡膠、促進劑、硫磺、硬脂酸和氧化鋅進行復合, 制備一系列改性多孔鋼渣/橡膠復合材料, 研究了磷酸/鋼渣質量比、硅烷KH550/多孔鋼渣質量比、促進劑/硫磺質量比、硬脂酸/氧化鋅質量比和改性多孔鋼渣/炭黑質量比對改性多孔鋼渣/橡膠復合材料力學性能的影響, 并且分析其影響機理.結果表明, 當磷酸用量為1.2 g、鋼渣用量為30 g、硅烷KH550用量為0.3 g、炭黑用量為20 g、促進劑用量為0.8 g、硫磺用量為1.2 g、硬脂酸用量為0.8 g、氧化鋅用量為2.2 g和橡膠用量為100 g時, 改性多孔鋼渣/橡膠復合材料的力學性能較好, 即拉伸強度為18.4 MPa、邵爾A硬度為68.8、撕裂強度為44.6 kN·m^-1.磷酸與硅烷KH550可以改善鋼渣的孔結構與表面結構; 適量的促進劑/硫磺質量比與硬脂酸/氧化鋅質量比可以消除硫磺形成的內硫環, 促使橡膠交聯鍵穩定.改性多孔鋼渣與橡膠以物理方式進行復合形成良好的包裹結構.

大直徑鋁錠熱頂鑄造中超聲施振深度的細晶機制

王瑩, 李曉謙, 李瑞卿, 田陽

2019, 41(1): 96-103. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.010

[摘要](1101)

[HTML全文] (326)

[PDF 9492KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
在直徑為650 mm的鋁合金熱頂半連續鑄造過程中施加雙源超聲振動系統, 研究3種超聲輻射桿浸入深度對鑄錠宏觀凝固組織的影響.基于鋁合金鑄錠凝固組織形貌的檢測結果以及ANSYS等有限元軟件對鑄造過程中聲場的仿真結果, 深入探討了超聲輻射桿在不同的施振深度下對鋁合金鑄錠凝固組織細化機制的影響.結果表明: 隨著超聲輻射桿施振深度的增加, 鑄錠截面組織整體進一步細化, 晶粒形狀由發達的枝晶變為等軸枝晶; 由于超聲輻射桿端面以及柱面存在幾個固定位置處振動波峰, 在鋁熔體中不同的超聲施振深度下存在不同的超聲空化范圍, 進而導致凝固組織的細化機制也不同.

終軋溫度對600 MPa級高鈦高成型性鐵素體-珠光體酸洗帶鋼組織與織構的影響

王智權, 郭子峰, 尚成嘉, 張衍, 馮軍, 陳斌, 呂寶鋒, 李玉鵬

2019, 41(1): 104-110. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.011

[摘要](737)

[HTML全文] (407)

[PDF 11383KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
利用掃描電子顯微鏡(SEM)與電子背散射衍射技術(EBSD)研究了高Ti高成型性鐵素體-珠光體型熱軋酸洗帶鋼不同終軋溫度下的組織與織構特征.研究結果表明, 終軋溫度對顯微組織的演變影響較小, 但卻引起了大角晶界密度的升高.不同終軋溫度時形成的組織均以鐵素體為主, 少量的珠光體彌散分布在鐵素體基體之間.終軋溫度的提高引起了織構類型的顯著改變, 隨著終軋溫度的升高, 織構強度整體增強, 并形成了明顯的對沖壓成型性有利的近γ織構.當終軋溫度為850℃時, 近α織構與γ織構強度均較弱, 此時的織構類型主要為{001}[110]、{113}[471]、{114}[110]和{223}[110]成型不利織構, 成型不利織構強度更高; 當終軋溫度升高至875℃時, 織構類型主要為近γ織構和{001}[110]旋轉立方織構, 近γ織構體積分數由19.9%升高至41%, 成型有利織構強度顯著增強.

靜電紡絲法制備空心鈦酸鋰材料

王瑜東, 楊凱, 張明杰, 李建玲, 高飛, 劉皓, 耿萌萌

2019, 41(1): 111-116. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.012

[摘要](977)

[HTML全文] (571)

[PDF 4298KB](33) [施引文獻] ()

摘要:
為進一步提升鈦酸鋰材料的性能, 本文在傳統靜電紡絲技術的基礎上, 將紡絲噴頭改進成內外嵌套的同軸噴頭, 以兩種溶液的形式進行同軸共紡, 得到了具有空心結構的鈦酸鋰纖維絲.將其與傳統靜電紡絲法制備的實心結構鈦酸鋰纖維絲進行對比, 結果表明: 空心鈦酸鋰材料粒度均一、無團聚現象, 材料具有明顯的空心結構, 結晶性能良好, 比表面積是實心結構的1.3倍.形貌結構的改善極大地提高了空心鈦酸鋰材料的電化學性能, 表現為小倍率下二者的放電比容量接近理論比容量, 但在20C倍率下空心結構的鈦酸鋰材料優于實心鈦酸鋰, 仍可達到130 mA·h·g^-1, 循環200周后容量保持率仍達98%, 具有良好的穩定性; 循環伏安和交流阻抗曲線也表明: 空心結構使得鈦酸鋰材料的極化程度減少, 電化學反應阻抗降低, 更有利于電化學反應的進行.

Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料耐磨性提高的機制分析

傅麗華, 韓偉, 趙琳, 周孟, 李長海, 田志凌

2019, 41(1): 117-123. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.013

[摘要](1060)

[HTML全文] (523)

[PDF 9748KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
為了探討Cr₃C₂強化相提高Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料耐磨性的機制, 本文采用熱等靜壓技術制備了Ni₃Al合金和Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料, 借助納米壓痕儀對Ni₃Al合金和Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料中各組成相的力學性能進行了表征, 利用銷-盤式摩擦磨損試驗機研究了熱等靜壓Ni₃Al合金和Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料的耐磨性能, 并結合掃描電子顯微鏡和納米壓痕儀分析了材料磨損表面形貌和磨損次表面層硬度變化.結果表明, Cr₃C₂的添加提高了復合材料基體的硬度, Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料中各組成相的納米硬度和彈性模量由基體相、擴散相到硬芯相是逐漸增大的, 呈現出梯度變化, 有利于提高Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料的耐磨性.在本研究實驗條件下, Ni₃Al合金和Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料表面的磨損形式主要為磨粒磨損, Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料表現出更加優異的耐磨性能.Cr₃C₂/Ni₃Al復合材料耐磨性能的提高主要跟碳化物強化相阻斷磨粒切削、減弱摩擦副間相互作用、減小加工硬化層厚度、磨粒尺寸等因素有關.

核電主管道非對稱雙管嘴同時擠壓成形工藝

錢凌云, 王夢琦, 孫朝陽, 王小燦

2019, 41(1): 124-133. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.014

[摘要](738)

[HTML全文] (324)

[PDF 7973KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
針對AP1000核電主管道側向雙管嘴非對稱分布的特點, 本文在單軸單向壓力機平臺上增加提升油缸的運動作用, 提出雙管嘴同時擠壓成形的新工藝.首先, 分析了雙管嘴同時擠壓成形的工藝原理并建立了可實現同時成形的上頂桿及提升油缸的速度與管嘴尺寸之間的解析關系.其次, 建立雙管嘴同時擠壓成形的有限元模型, 分析了同時擠壓成形方案的可行性及在避免管嘴處材料撕裂缺陷方面的優勢.最后, 從降低成形載荷和關鍵部位晶粒尺寸以及提高組織均勻性的角度, 分析了坯料溫度、擠壓速度和摩擦條件三個重要因素的影響規律, 為實施主管道擠壓成形提供工藝參考.

高速公路綠籬修剪機器人手臂避障路徑規劃

羅天洪, 唐果, 馬翔宇, 周軍超

2019, 41(1): 134-142. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.015

[摘要](844)

[HTML全文] (390)

[PDF 5765KB](25) [施引文獻] ()

摘要:
針對非結構環境下高速公路綠籬修剪機器人手臂實時準確避障問題, 提出一種基于擾動人工勢場法的避障路徑規劃解決方法.根據綠籬隔離帶與障礙物分布情況, 設計智能修剪機器人執行機構, 構建包絡障礙物簡化模型, 分析機械臂與障礙物的碰撞條件, 求解機械臂在修剪過程中的避碰空間.引入斥力場調節策略來優化勢場模型, 建立斥力場擾動機制調整斥力影響方式, 消除傳統算法中的局部極小點、目標不可達等現象.在避碰空間內, 應用擾動人工勢場法對機械臂進行路徑規劃仿真, 仿真結果表明, 機械臂跳出局部極小點, 靈活順利避障, 成功抵達目標點, 驗證了該方法的有效性和可行性.