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

國內發行：北京報刊發行局

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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4期

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金屬礦深部開采現狀與發展戰略

蔡美峰, 薛鼎龍, 任奮華

2019, 41(4): 417-426. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.001

[摘要](3333)

[HTML全文] (1106)

[PDF 422KB](236) [施引文獻] ()

摘要:
在調研國內外眾多金屬礦山和收集大量相關文獻的基礎上, 綜述了國內外金屬礦山開采現狀及研究進展, 聚焦深部開采主要工程技術難題, 從開采動力災害預測防控、深井高溫熱害控制治理、深井提升、深井開采方法工藝變革、深部選礦新技術、智能無人采礦這六個方面, 提出了解決我國深部開采難題的戰略建議, 結果表明: (1)5000m開采深度將會是我國金屬礦深部開采中長期戰略研究目標; (2) 無繩垂直提升技術具有提升效率高, 使用限制少的特點, 建議我國重點針對此類技術裝備研發; (3)將深部礦產資源開采與深部能源開發相結合, 可以有效降低深部降溫成本, 是解決深部采礦經濟性的新途徑; (4) 新一代采礦技術需對原有的采礦模式和開采工藝進行變革, 機械連續切割破巖技術是未來超深礦井建設的重要發展方向; (5) 充填法是保證深部開采安全最有效的方法之一，應對充填材料、充填工藝進行更深入的研究; (6) 我國尚不具備全面推廣遙控智能化無人采礦的條件, 可以通過產學研聯合攻關等方式逐步提高礦山生產自動化和遙控智能作業水平.

基于動力學監測指標的崩塌早期預警研究進展

杜巖, 謝謨文, 蔣宇靜, 劉衛南, 劉日成, 劉秋強

2019, 41(4): 427-435. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.002

[摘要](1263)

[HTML全文] (645)

[PDF 400KB](69) [施引文獻] ()

摘要:
崩塌災害的早期預警一直是巖土工程領域研究的熱點問題之一.傳統的監測預警方法監測指標相對單一, 更多關注于加速破壞前兆的識別, 使得崩塌的早期預警存在諸多困難.本文首先引入動力學監測指標, 對巖土體破壞過程中的動力響應進行綜述, 得出基于固有振動頻率等動力學監測指標可以為危巖體的損傷提供數據支持.隨后基于最新的實驗研究發現動力學監測指標可以有效反應邊坡的物理力學特征的變化, 進而可以實現巖體損傷與穩定性的動態識別和定量判斷.在對國內外現狀進行綜述發現, 基于分離階段破壞前兆識別的巖塊體崩塌災害預警思路, 具有更好的時效性, 是未來崩塌早期預警的發展方向, 同時對崩塌的早期預警指標體系進行展望, 得出基于動力學指標、靜力學指標和環境量指標三位一體的早期監測預警指標體系, 必將在工程監測與災害預警方面發揮更大潛力, 為從事應對崩塌等脆性破壞災害預警預防的研究工作者提供有效參考.

基于最小應變能密度因子斷裂準則的巖石裂紋水力壓裂研究

董卓, 唐世斌, 郎穎嫻

2019, 41(4): 436-446. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.003

[摘要](1215)

[HTML全文] (664)

[PDF 853KB](29) [施引文獻] ()

摘要:
建立了考慮裂紋尖端非奇異項T應力的最小應變能密度因子斷裂準則, 研究了不同裂紋類型條件下T應力和泊松比對起裂角的影響, 結果表明裂紋起裂角不僅與奇異項應力強度因子有關, 而且還需要考慮非奇異項T應力和泊松比的影響作用.同時計算了含井筒對稱雙裂紋水力壓裂模型的起裂角和臨界水壓, 表明依據本文斷裂準則計算得到理論解與實驗結果吻合良好.在此基礎上, 利用該準則從理論上分析了臨界裂紋區尺寸、T應力、比奧系數、側壓系數、泊松比等因素對水力壓裂裂紋起裂特性的影響.參數分析表明: 臨界裂紋區尺寸、T應力和側壓系數對臨界水壓和臨界起裂角有顯著影響.臨界水壓隨著泊松比增大而減小, 而臨界起裂角呈現相反變化趨勢.比奧系數對臨界起裂角沒有影響, 但是在高水壓條件下對起裂角具有顯著影響.

銣云母礦資源的綜合利用

邢鵬, 王成彥, 馬保中, 陳永強

2019, 41(4): 447-453. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.004;

[摘要](542)

[HTML全文] (193)

[PDF 503KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
針對目前銣礦提取工藝污染嚴重、資源綜合利用率低的現狀, 本文提出采用酸浸—溶劑萃取工藝提取銣云母礦中的銣.研究了浸出溫度、硫酸濃度及浸出時間對銣浸出率的影響, 并借助X射線衍射、掃描電鏡、能譜分析等手段, 研究了浸出過程中銣云母礦的物相轉變.實驗結果表明, 銣云母礦酸浸的最佳條件為浸出溫度250 ℃、H₂SO₄質量濃度200 g·L^－1、浸出時間1.5 h, 在此條件下銣浸出率達85.2%.X射線衍射圖譜表明銣云母礦的主要礦物組成為石英、黑云母、白云母、正長石及鈉長石.掃描電鏡-能譜分析結果表明礦石中的銣主要以類質同象取代鉀的位置分別存在于黑云母及白云母中.浸出過程中發生的主要反應為載銣云母的溶解.在萃取劑濃度1 mol·L^－1、有機相與水相的體積比O/A = 3∶1、萃取級數為3級條件下進行逆流萃取實驗, 萃余液中的銣質量濃度為0.003 g·L^－1, 銣的萃取率達98%.在HCl濃度1 mol·L^－1、相比O/A = 4∶1、反萃級數為2級條件下反萃負載銣的有機相, 銣反萃率達99%.以浸出渣為原料, 采用堿熔—中和沉淀工藝制備出了白炭黑產品, 實現了資源的綜合利用.采用X射線衍射、紅外光譜分析技術對白炭黑進行了表征, 結果表明產品成分為水合二氧化硅, 符合非晶態白炭黑的特征.化學定量分析結果表明白炭黑產品含SiO₂質量分數91.65%, 所制備的白炭黑滿足國家化工行業標準.

鈣鈦礦電池用碘化鉛的合成與性能

杜晨, 馬瑞新, 王成彥, 王碩, 吳超榮

2019, 41(4): 454-460. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.005

[摘要](1570)

[HTML全文] (585)

[PDF 928KB](140) [施引文獻] ()

摘要:
碘化鉛是有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的關鍵原料, 其使用方法為溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中然后制成膜.碘化鉛在DMF中的溶解性對電池器件的性能有重要影響.本文經實驗判斷, 造成碘化鉛在DMF中溶解性差的原因是H₂O、PbO、PbO₂等氧化物在碘化鉛晶體表面形成氧化物薄膜, 阻礙其溶解.在一定范圍內, 碘化鉛在DMF中溶解性取決于碘化鉛合成過程中反應溶液的pH值.經過掃描電鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜等分析檢測, 確定有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池用碘化鉛最佳合成pH值為2;且在一定范圍內反應溶液pH值、滴速和溶液濃度不會影響碘化鉛的微觀形貌及其在DMF中的溶解性; 同時發現重結晶、熱反應以及慢滴速反應條件會使碘化鉛樣品在(001)面擇優生長.

ND鋼連鑄坯兩相區內的微觀偏析模型

朱立光, 劉震, 韓毅華

2019, 41(4): 461-469. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.006

[摘要](1056)

[HTML全文] (438)

[PDF 662KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
通過構建ND鋼連鑄坯凝固兩相區內溶質的微觀偏析模型, 不僅研究了C、S和P元素對固液兩相區內鋼的高溫力學參數以及溶質再分配的影響, 還對P元素偏析比隨冷卻速率(C_R) 的變化規律進行了探究.通過分析模型結果表明: 初始C的質量分數在0.075%~0.125%之間時, 隨著初始C含量的增加, P、S元素的偏析加劇, 凝固末端溫度下降幅度變大, 導致脆性溫度區間增大; 增加P和S元素的初始含量, P、S元素的偏析比降低, 但會加劇其在枝晶間殘余液相中的富集, 直接導致零塑性溫度(ZDT) 下降; ND鋼中的Cu含量低于顯著提高裂紋敏感性的臨界含量, 且凝固過程中Cu元素的偏析比較低, 因此在ND鋼凝固過程中Cu元素不能主導裂紋的誘發; 在一定的冷卻速率波動范圍內, P元素的偏析比隨著冷卻速率(C_R)的提高略有下降.

38MnB5熱成形鋼高溫變形行為及本構方程

林利, 李寶順, 朱國明, 康永林, 劉仁東

2019, 41(4): 470-478. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.007

[摘要](1227)

[HTML全文] (532)

[PDF 1120KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
利用Gleeble-3500熱模擬試驗機對38MnB5熱成形鋼的高溫變形行為進行研究, 分別在650~950℃溫度區間內, 以0.01、0.1、1和10 s^-1的應變速率對其進行等溫單向拉伸測試, 并得到相應條件下的真應力-應變曲線.結果表明: 38MnB5熱成形鋼流變應力隨著變形溫度的升高而減小, 隨著應變速率的增大而增大.當應變速率逐漸增加時, 熱變形時發生的動態回復和動態再結晶效果并不顯著, 而當溫度逐漸升高時, 二者作用逐漸加強.考慮了溫度、應變速率和應變的綜合復雜影響, 建立38MnB5熱成形鋼高溫下的本構方程.此本構方程通過對流變應力、應變、應變速率等實驗數據的回歸分析, 得到與變形溫度、應變速率和應變相關的材料參數多項式.計算結果與實驗結果對比發現, 通過本構方程所獲得的計算值與試驗值吻合良好.

高溫合金617B管材熱擠壓特征及工藝優化控制

江河, 董建新, 張麥倉

2019, 41(4): 479-488. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.008

[摘要](1095)

[HTML全文] (454)

[PDF 853KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
基于高溫合金617B的組織演變模型，采用DEFORM-2D有限元軟件構建了617B合金管材的熱擠壓模擬計算過程，對高溫合金617B的熱擠壓特征進行了分析，并實現了管坯溫度、晶粒尺寸等的定量預測.在結合生產實際的基礎上，提出了包括溫度準則、載荷準則、組織精確控制準則等在內的組織可控的可擠出性準則，對準則的控制原理和實施過程進行了闡述，并采用該類準則對617B合金的熱擠壓工藝參數范圍進行優化，順利得到了軸向形狀尺寸均勻，表面質量較好的高溫合金617B管材.該方法的提出和驗證，為鎳基高溫合金無縫管材的生產提供了工藝優化的理論依據和研究方法.

具有核殼結構的FeS₂微米球與碳納米管原位復合介孔材料的構建及其在鋰離子電池中的應用

官亮亮, 魯建豪, 連芳

2019, 41(4): 489-496. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.009

[摘要](998)

[HTML全文] (557)

[PDF 847KB](28) [施引文獻] ()

摘要:
通過簡單的水熱反應原位合成了具有核殼結構的FeS₂微米球與多壁碳納米管復合的介孔材料(C-S-FeS₂@ MWCNT).FeS₂微米球表面由納米片狀顆粒堆疊形成的厚度為~350 nm殼層, 以及以化學鍵的形式吸附在微球表面的碳納米管共同構成了材料保護層.保護層具有豐富的官能團和大量的孔隙結構, 保證了鋰離子擴散通道, 并有效抑制了體積膨脹.C-S-FeS₂@ MWCNT在200 mA·g^-1的電流密度下, 250次循環可逆容量達到638 mA·h·g^-1, 倍率性能也得到明顯改善, 為過渡金屬硫化物電極材料的微米化設計和體積能量密度的提升提供了可能.

Zr-Cu薄膜生長及力學性能的分子動力學模擬

謝璐, 安豪杰, 秦勤, 臧勇

2019, 41(4): 497-504. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.010

[摘要](1334)

[HTML全文] (561)

[PDF 836KB](42) [施引文獻] ()

摘要:
根據磁控濺射實驗條件, 采用分子動力學方法, 在Si(100)面上模擬沉積了三種Zr_xCu_100-x(x=50, 70和90)合金薄膜.通過計算徑向分布函數(RDF)及X射線衍射(XRD)分析了沉積薄膜的形貌結構, 并探討了玻璃形成能力和五重局部對稱性之間的關系.最后研究了沉積薄膜的力學性能, 及薄膜厚度對拉伸過程的影響.研究結果表明: Zr-Cu合金玻璃形成能力與五重局部對稱性之間存在一定的相關性, 沉積玻璃薄膜比晶體薄膜表現出更好的延展性, 其中Zr₅₀Cu₅₀沉積玻璃薄膜比近共晶成分玻璃薄膜(Zr₇₀Cu₃₀)具有更大的拉伸強度; 沉積薄膜存在一定的尺寸效應, 薄膜相對厚度越小, 其拉伸強度越大.

變極性電弧焊接的電流換向過程影響因素試驗研究

朱志明, 符平坡, 楊中宇, 夏鑄亮, 程世佳

2019, 41(4): 505-511. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.011

[摘要](798)

[HTML全文] (337)

[PDF 590KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
采用基于反向再燃弧電壓產生電路的變極性焊接電源為試驗平臺，研究了電源設備及其控制參數、焊接回路電纜寄生電感和焊接工藝參數對變極性焊接電流換向過程的影響規律. 試驗結果表明，提高反向再燃弧電壓值能夠提升變極性過程的電流變化速率，而較大的焊接回路電纜寄生電感會降低電流變化速率，同時降低變極性結束時的電流值，不利于變極性過程的電弧可靠再引燃和穩定燃燒. 初始焊接電流越小，則變極性過程結束時的電流值越小，增加共同導通時間可以提高變極性結束時的電流值，但同時降低變極性開始時的電流大小. 因此小電流變極性焊接時可采用較大的反向穩壓值并適當增加共同導通時間，以增強變極性過程中的電弧穩定性.

一種光敏樹脂結構的力學性能

朱冬梅, 丁峰, 劉海平, 劉國勇

2019, 41(4): 512-520. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.012

[摘要](1198)

[HTML全文] (383)

[PDF 985KB](62) [施引文獻] ()

摘要:
新設計三維打印光敏樹脂結構，其主要用在減震隔震組合結構中作為阻尼元件.首先利用微機控制電子試驗機對其進行靜力加載試驗，得到靜載下載荷—位移特性曲線，并計算得到特定點處等效彈性模量，利用疲勞機進行動力加載試驗，得到結構件在從5 Hz到20 Hz不同頻率下滯回曲線，并計算出相應等效阻尼系數.基于有限元法，建立光敏樹脂結構有限元模型，并以和實驗相同的工況進行靜力學和動力學計算分析，并對試驗數據和數值計算結果進行對比，得到計算結果與實測結果吻合良好，從而驗證有限元模型的可行性.在此基礎上通過有限元計算方法，研究不同幾何參數縫隙寬度、內弧半徑、外弧半徑、厚度對光敏樹脂結構特定點等效彈性模量以及等效阻尼系數的影響.此結構受力時，縱向保持剛度輸出，維持小變形，橫向位移放大，具有良好的減振和抵抗變形的能力.

基于函數型數字孿生模型的轉爐煉鋼終點碳控制技術

徐鋼, 黎敏, 徐金梧, 賈春輝, 陳兆富

2019, 41(4): 521-527. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.013

[摘要](1096)

[HTML全文] (459)

[PDF 531KB](94) [施引文獻] ()

摘要:
由于轉爐冶煉過程中的熱力學和動力學反應復雜，副槍控制模型和傳統的煙氣分析模型存在很大的局限性，導致了轉爐冶煉終點碳含量的預測精度偏低，是實現智能煉鋼的主要技術瓶頸. 針對上述問題，提出了基于煙氣分析的煉鋼過程函數型數字孿生模型. 首先，利用煙氣分析得到連續監測的實時數據，以此來實時監控轉爐熔池內鋼水的碳氧反應狀態; 然后，根據熔池反應所處的不同階段，利用函數型數據分析方法建立吹煉前期和吹煉后期的函數型預測模型; 在此基礎上，按照吹煉前期和吹煉后期這兩個階段來分別自動修正模型中的系數函數，從而能在復雜的實際工況條件下完成對熔池碳含量的準確預測. 通過260 t氧氣轉爐的工業應用實例，證實函數型數字孿生模型具有良好的自學習和自適應能力，對異常冶煉狀態具有良好的魯棒性，可以實現全過程的熔池碳含量動態預測，終點碳質量分數在± 0. 02% 范圍內的命中率為95%. 利用函數型數字孿生模型在拉碳階段對鋼水中碳含量的預測值來控制終吹點. 更為重要的是，在保證入爐原料成分、溫度、質量等參數穩定的前提下，采用該模型可以有望取消基于副槍的停吹取樣步驟，從而降低生產成本，提高產品質量和生產效率，具有廣泛的工業應用前景.

安裝時間和機器受限的訂單接受與并行機調度

王柏琳, 李鐵克, 王海鳳

2019, 41(4): 528-538. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.014

[摘要](1061)

[HTML全文] (479)

[PDF 531KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
訂單接受與不相關并行機調度是訂單接受與訂單調度的聯合決策, 廣泛存在于面向定制的多品種混合生產環境中. 針對這一問題, 考慮了順序與機器依賴的安裝時間以及可加工機器限制, 并以最小化總成本為優化目標. 其中, 總成本由被接受訂單的總拖期成本和被拒絕訂單的總拒絕成本構成. 通過分析訂單拒絕對目標的影響, 提出了列表拒絕方法和訂單拒絕規則, 進而設計了協同進化遺傳算法. 算法將染色體編碼分解為訂單列表和訂單指派兩個個體, 提出了基于列表拒絕方法的解碼方案來進行訂單拒絕決策. 由于兩個個體相互獨立, 且二者的進化約束不同, 因而引入協同進化策略, 并根據個體的編碼特征, 分別采用單親遺傳算子和傳統遺傳算子進行遺傳操作. 數據實驗驗證了算法的有效性和求解效率, 并對問題規模和訂單拒絕成本對算法性能的影響進行了分析.

基于免疫遺傳形態學的視網膜光學相干斷層圖像邊緣

童何俊, 付冬梅

2019, 41(4): 539-545. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.015

[摘要](900)

[HTML全文] (404)

[PDF 592KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
提出了基于免疫遺傳算法的形態學自適應結構元素生成算法，并將其用于光學相干斷層成像(optical coherence tomography，OCT) 圖像中視網膜組織邊緣檢測. 首先將圖像進行去噪和粗分割的預處理，并將圖像劃分為若干子圖像; 其次對每一子圖利用免疫遺傳算法求取自適應結構元，初始隨機生成固定長度的二進制數串作為抗體，并將其轉化為結構元素格式，以圖像二維熵定義抗體適應度，根據子圖像本身結構特征信息，尋找最優抗體結構元素; 最后利用尋優得到的各結構元素對子圖進行形態學邊緣檢測，合并各子圖的分割結果，實現整體圖像目標邊界提取. 實驗結果表明了該方法在圖像目標邊界提取的有效性.