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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單　　價：40元/期，全年480元

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2019年第41卷第6期

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鋼包工作襯用耐火材料的研究現狀及最新進展

王恩會, 陳俊紅, 侯新梅

2019, 41(6): 695-708. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.001

[摘要](1284)

[HTML全文] (583)

[PDF 1032KB](84) [施引文獻] ()

摘要:
綜述了近年來鋼包工作襯用耐火材料的研究現狀及最新進展, 尤其對傳統鋼包工作襯用耐火材料的應用背景及存在問題進行了分析和匯總.在此基礎上, 進一步提出了適用于超低氧鋼(或潔凈鋼)冶煉用耐火材料的研發方向, 即通過耐火原料組分選擇和結構匹配設計, 實現對耐火材料性能的精確控制.新型鋼包工作襯用耐火材料需兼顧優異熱機械性能的同時, 還應具備鋼水凈化的功能.

臨床外科手術中骨切削技術的研究現狀及進展

王震, 宋曉菲, 陳彤云

2019, 41(6): 709-718. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.002

[摘要](1238)

[HTML全文] (564)

[PDF 664KB](82) [施引文獻] ()

摘要:
對骨切削研究中的骨切削數值仿真本構模型、骨切削手術工藝及機理等方面進行了綜述, 著重介紹了切削參數對骨切削的影響、骨切削刀具設計等, 并對醫學領域新興的超聲骨切削技術進行了介紹和分析.最后得出應從以下方面完善骨切削研究: (1)骨切削數值仿真的本構模型有待開發; (2)構建系統的骨材料切削理論以解釋骨材料切屑形態的切削機理; (3)骨材料切削刀具的開發需要進一步深化; (4)超聲骨切削由于安全性高、損傷小、愈合快的特點將成為未來臨床骨切割操作的發展方向和趨勢.

低礦化度水驅中的微粒運移機理及其開發效果

崔傳智, 韋自健, 劉力軍, 李曉軍, 龐麗麗

2019, 41(6): 719-730. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.003

[摘要](1145)

[HTML全文] (526)

[PDF 769KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
低礦化度水驅作為一種經濟可行的精細化注水技術, 其產生的微粒運移機理能有效地改變儲層物性與吸水剖面, 進而達到均衡驅替和提高采收率的效果.本文基于膠體穩定性Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO)理論與擴散雙電層理論, 從微觀角度分析了注入水礦化度、離子價型等因素對黏土微粒受力與運移量的影響, 通過最大滯留體積分數方程建立了微粒運移量與滲透率損傷程度間的關系.針對縱向非均質油藏特高含水期層間干擾嚴重的問題, 開展了特高含水期轉注低礦化度水驅的數值模擬研究.微粒受力分析與數值模擬結果表明, 特高含水期轉注低礦化度水后, 分流量較多的高滲層會產生大量的黏土微粒水化膨脹、運移與堵塞作用, 造成高滲層滲透率明顯下降, 注入水被更多地分流到水驅程度較小的中、低滲層, 有效地調節了吸水剖面并緩解了層間干擾問題, 相比常規海水驅可提高約3%的原油采收率, 進而達到提高層間均衡動用程度與原油采收率的效果.

LiBr-[BMIM]Cl/H₂O新型三元工質對的密度、黏度、比熱容及比焓

羅春歡, 王亞楠, 韓旭, 李藝群, 蘇慶泉

2019, 41(6): 731-740. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.004

[摘要](1120)

[HTML全文] (511)

[PDF 700KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
在前期研究的基礎上, 對LiBr-[BMIM]Cl/H₂O三元工質對的其他重要熱力學數據進行了系統地測定, 包括密度、黏度、比熱容和比焓.采用最小二乘法對測定的熱力學數據進行回歸, 得到了物性方程; 實驗值與物性方程計算值的平均絕對相對偏差(average absolute relative deviation, AARD)分別為0.03%、1.10%、0.29%和0.01%.除了結晶溫度和腐蝕性, 黏度是影響工質對實際應用的另外一個重要因素, LiBr-[BMIM]Cl/H₂O三元工質對的運動黏度小于25 mm²·s^-1, 滿足實際應用要求, 且很好地改善了離子液體的高黏度問題.

從選銅尾礦中選擇性還原回收鐵

邵爽, 邢鵬, 張文娟, 馬保中, 王成彥, 陳永強, 王玲

2019, 41(6): 741-747. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.005

[摘要](929)

[HTML全文] (378)

[PDF 1303KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
提出采用煤較低溫度下選擇性還原選銅尾礦中的鐵, 還原球團磁選回收鐵的技術, 并考察了還原溫度、還原劑用量、還原時間、活化劑用量對選銅尾礦選擇性還原回收鐵的影響, 得出最佳工藝條件: 還原溫度為1200℃, 還原劑用量為原料質量25%, 還原時間為2 h, 活化劑用量為原料質量5%;在最佳工藝條件下, 磁選精礦中鐵質量分數超過90%, 鐵回收率大于95%.借助X射線衍射儀、光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡等檢測手段對原料、還原球團、磁選礦的礦相組成和結構進行分析, 揭示了鐵礦相還原及金屬相生成/融合演變規律: 升高溫度促進金屬相的還原、融合兼并和生長; 增加還原劑用量使金屬顆粒的融合兼并變得更加普遍; 延長還原時間促進金屬粒子的融合和鐵橄欖石相的還原; 活化劑促進金屬粒子的擴散和融合.金屬顆粒的兼并生長促使其粒度增大, 粗粒金屬顆粒在磁選工序裹夾帶入磁選精礦的渣相量相對較少, 磁選精礦鐵含量顯著提高.

圓坯凝固末端電磁攪拌作用下的流動與傳熱行為

李少翔, 王璞, 蘭鵬, 劉華松, 劉麒麟, 李樹貴, 張家泉

2019, 41(6): 748-756. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.006

[摘要](1176)

[HTML全文] (467)

[PDF 686KB](46) [施引文獻] ()

摘要:
以特殊鋼圓坯連鑄為研究對象, 建立了研究凝固末端電磁攪拌作用效果的三維耦合數值模型.利用分段計算模型獲得末端電磁攪拌區域鋼液流動與凝固的實際狀態, 并采用達西源項法處理凝固末端鋼液在糊狀區的流動, 研究了不同電磁攪拌工藝參數下的電磁場分布及鋼液的流動與傳熱特征.通過測量攪拌器中心線磁感應強度和鑄坯表面溫度驗證了模型的準確性.研究結果表明: 電流強度每增加100 A, 攪拌器中心磁感應強度增加19.05 mT, 電磁力隨著電流強度的增加顯著增大.在20~40 Hz范圍, 隨著電流頻率的提高, 中心磁感應強度略微下降, 但電磁力仍有所增加.在攪拌器區域, 液相穴內的鋼液在切向電磁力的作用下旋轉流動, 其切向速度隨著電流強度和頻率的增加而變大.末端電磁攪拌可促進鋼液在圓坯徑向的換熱, 隨著電流強度和頻率的提高, 鑄坯中心軸線上的鋼液溫度降低, 同時末端攪拌位置處的中心固相分率增加.

超低碳鋼精煉過程中Fe-Al-Ti-O類復合氧化物夾雜的演變與控制

顧超, 趙立華, 甘鵬

2019, 41(6): 757-762. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.007

[摘要](1039)

[HTML全文] (436)

[PDF 529KB](45) [施引文獻] ()

摘要:
超低碳鋼是一種重要的汽車用鋼材料, 鋼中通常添加鈦元素, 使其形成析出物, 提高鋼材的深沖性.然而鈦元素作為一種脫氧能力較強的元素, 進入鋼液中通常首先形成氧化物.為了減少含鈦氧化物夾雜的生成, 基于"轉爐-RH-連鑄"的超低碳鋼生產流程, 對RH精煉過程進行系統取樣, 分析了鋁脫氧劑加入后及合金化元素鈦加入后的氧、氮氣體含量變化及夾雜物特征變化, 并使用FactSage熱力學計算軟件對Fe-Al-Ti-O夾雜物穩定相圖進行計算.研究結果顯示, 含鈦類氧化物夾雜通常以Al₂O₃類夾雜物作為形核質點, 對其形成包裹狀夾雜物.若避免含Ti夾雜物的生成, 當鋼中Ti質量分數為0.1%時, 鋼中溶解Al質量分數應在0.01%以上.對含鈦氧化物的生成及長大流程進行研究, 通過對Al₂O₃夾雜物及Ti₂O₃夾雜物粗化率的計算及附著功的比較可知, Ti₂O₃夾雜物在1600℃時的熟化生長速率較Al₂O₃較大且Ti₂O₃夾雜物與Al₂O₃夾雜物相比不容易相互碰撞融合并從鋼液中去除.若提高精煉過程中的氧化物夾雜物去除率, 應嚴格控制含鈦氧化物類夾雜物的生成.

稀土-鎂復合處理對GCr15軸承鋼中夾雜物的影響

常立忠, 高崗, 鄭福舟, 施曉芳

2019, 41(6): 763-771. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008

[摘要](1275)

[HTML全文] (581)

[PDF 1291KB](71) [施引文獻] ()

摘要:
為了盡可能的去除鋼中大顆粒的夾雜物, 在實驗條件下通過向GCr15軸承鋼中添加適量鎂、稀土對夾雜物進行改性, 并利用Aspex夾雜物自動分析儀和掃描電鏡對鋼中改性后的夾雜物尺寸、類型、形貌等進行了觀察、分析, 研究了稀土-鎂復合處理對夾雜物的影響規律.研究結果表明, 對軸承鋼中加入微量鎂處理, 可將未進行鎂處理鋼中的MnS-Al₂O₃、MnS、Al₂O₃夾雜改性為以含硫、鎂復合夾雜物為主, 同時包含少量Al₂O₃、鎂鋁尖晶石夾雜.進一步采用稀土-鎂復合處理后, 鋼中的夾雜物轉變為主要以含Re-S-O夾雜物為主, Al₂O₃、MnS、鎂鋁尖晶石夾雜逐步消失, 且夾雜物成球狀分布, 絕大多數夾雜物在5 μm以下.稀土-鎂復合處理軸承鋼后, 10 μm以上的大顆粒夾雜物大大降低, 鋼中的夾雜物明顯得到細化.鋼中鎂含量不變時, 隨著稀土含量的增加, 大顆粒夾雜物比例明顯下降.而在稀土含量相近的情況下, 增加鋼中的鎂含量也有利于大顆粒夾雜物的去除.稀土-鎂的相互作用進一步促進了夾雜物的細化.

熱變形及熱處理過程中TC17鈦合金組織與取向的關聯性

原菁駿, 姬忠碩, 張麥倉

2019, 41(6): 772-780. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.009

[摘要](846)

[HTML全文] (376)

[PDF 1798KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
為了進一步研究熱壓縮及熱處理過程對組織及取向變化的關聯性, 通過對TC17進行熱壓縮變形及后續熱處理, 利用光學顯微鏡和背散射電子衍射等分析方法, 結合晶粒尺寸、織構分布圖、極圖以及反極圖, 研究變形后及熱處理后的TC17的組織結構、晶粒尺寸的變化和取向的演變規律以及兩者之間的關聯性.結果表明: 隨著變形溫度升高, 初生α相含量大幅減小, 尺寸減小, 大部分α相晶粒分散分布, 且位于高溫β相晶粒的三叉晶界上; 熱處理后, α相和β相組織特征清晰, 界限明顯, 初生α相依舊存在, 且趨于等軸化, 亞穩定β相發生轉變, 形成片層狀β轉變組織; 熱變形使α相織構極密度值減小, 且隨之溫度增加, α相織構極密度值也變小; 熱變形后的α相已不存在明顯的強織構, 熱變形對α相晶粒的取向影響較大, 很明顯的改善了其取向的均勻性; 熱變形同樣使β相織構極密度值減小, 但效果不明顯.β相仍存在取向集中現象, 取向均勻性相對較差.

不同彈性模量的基臺-種植體組合對周圍成骨性能的影響

林逸凌, 邢輝, 董安平, 佘歡, 杜大帆, 許浩, 汪東紅, 黃海軍, 疏達, 祝國梁, 孫寶德

2019, 41(6): 781-787. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.010

[摘要](1153)

[HTML全文] (535)

[PDF 731KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
利用有限元分析軟件計算了不同靜力作用下的多種基臺-種植體周圍骨組織的應力分布.模擬結果顯示, 基臺-種植體組合中Ti6Al4V鈦合金-聚醚醚酮(TC4-PEEK)相對于其他實驗組其應力集中程度現象可以有效降低, 周圍骨組織的應力分布較為均勻, 最大應力值為40~60 MPa.在軸向加載條件下, 不同基臺-種植體系統中PEEK種植體的應力水平較小, 而周圍骨組織應力水平較大; 在斜向45°加載條件下, 相對于其他兩種基臺-種植體系統, TC4-PEEK的應力水平更低, 其周圍骨組織中的皮質骨承受的最大應力值為55 MPa, 松質骨承受的最大應力值為5 MPa, 綜合來看的應力水平最小, 有助于骨沉積和成骨量增加, 從而有效提高種植體的界面穩定性.

納米隔熱材料的孔隙結構特征與氣體熱傳輸特性

楊海龍, 胡子君, 孫陳誠, 胡勝泊, 楊景興

2019, 41(6): 788-796. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.011

[摘要](1214)

[HTML全文] (603)

[PDF 742KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
為研究納米隔熱材料孔隙結構內部的氣體熱傳輸特性, 采用溶膠-凝膠工藝結合超臨界干燥技術, 制備了一系列具有不同孔隙結構特征的樣品, 通過熱導率、氮氣吸-脫附和真密度測試, 全面、準確獲取了其孔隙結構信息, 并專門、系統研究了孔隙結構特征與氣體熱傳輸特性之間的關系.研究結果表明: 與氣相貢獻熱導率相對應, 材料具有雙尺度孔隙結構特征, 并且當大孔隙尺度不及小孔隙的10倍時, 可進一步等效為單尺度孔隙.考慮氣固耦合傳熱的本征氣相貢獻熱導率隨孔隙尺度的增大而升高, 與氣相熱導率變化類似且成一定的比例關系, 孔隙尺度小于200 nm和大于500 nm時的比例系數分別為2.0和1.5, 200~500 nm時則為2.0~1.5.當大、小孔隙尺度的比值不超過10時, 或者這一比值為100~1000且大孔隙含量低于10%時, 氣相貢獻熱導率隨環境氣壓的降低依次呈現快速下降、緩慢下降和無變化三個階段; 當這一比值超過3000時, 即使大孔隙含量很低(不超過10%), 氣相貢獻熱導率也會依次呈現快速下降、緩慢下降、快速下降和無變化四個階段.

NM400/NM500級礦山機械用鋼的高溫磨損性能及機理

黃夏旭, 申炎華, 靳舜堯, 石博強

2019, 41(6): 797-808. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.012

[摘要](886)

[HTML全文] (518)

[PDF 1761KB](25) [施引文獻] ()

摘要:
將直徑為5 mm的混合燒結Al₂O₃陶瓷球安裝在高溫滑動摩擦試驗機夾持工具上與耐磨鋼組成摩擦副, 研究了耐磨鋼與氧化鋁陶瓷球在200~300 N、100~400 r·min^-1不同載荷下的滑動摩擦行為.結合X射線衍射分析技術和掃描電鏡等分析手段研究了NM400和NM500兩種耐磨鋼在室溫~300℃下摩擦界面處材料的氧化物形成、磨損表面形貌和顯微組織等行為.隨溫度升高, NM400和NM500的摩擦系數仍然處于0.27~0.40的范圍內, 但兩者的平均摩擦系數分別從0.337、0.323逐步降低至了0.296和0.288.在300℃時, 氧化物的產生是摩擦系數略有下降的主要原因.隨著溫度的升高, 摩擦行為首先以磨粒磨損為主, 隨后逐漸發生氧化物的壓入-剝離-氧化現象, 使磨損速率略有降低.通過高溫摩擦磨損行為與微量氧化模型的分析發現, NM400和NM500鋼在室溫至300℃的磨損機制是磨粒磨損、擠壓變形磨損以及微量氧化物磨損的共同作用.NM500鋼表現出更加良好的耐磨性能主要原因是其硬度強度高于NM400鋼.在高強微合金馬氏體耐磨鋼中添加少量合金元素, 使其在高溫摩擦過程中產生一定量穩定附著的氧化物, 在一定程度上能夠起到降低磨損率的作用.

燒傷創面多自由度精密激光切痂系統

王光建, 黃劍, 任品旭, 何亮亮, 唐瑞歡

2019, 41(6): 809-816. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.013

[摘要](837)

[HTML全文] (399)

[PDF 689KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
針對復雜空間創面法向自動聚焦和切痂的關鍵技術問題, 提出了一套由5自由度運動平臺和2自由度激光光路控制機構組成的激光切痂控制系統.對激光切痂并聯機構進行運動學逆解分析, 推導了運動平臺和激光光路控制機構的位置對應關系.結合所推導的位置對應關系和復雜創面輪廓三維掃描結果, 該系統可實現激光軌跡的自動規劃, 從而完成激光自動切痂.基于所提出的激光切痂系統, 進行了激光切痂實驗研究, 實驗測試結果表明: 該激光切痂系統能很好完成人體手部區域的三維輪廓掃描與重建, 并自動規劃激光焦點光斑運動軌跡并切痂.

基于深度學習的人體低氧狀態識別

于露, 金龍哲, 王夢飛, 徐明偉

2019, 41(6): 817-823. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.014

[摘要](1013)

[HTML全文] (446)

[PDF 464KB](29) [施引文獻] ()

摘要:
通過低氧實驗提出一種快速識別人體低氧狀態的方法.通過搭建深層神經網絡訓練實驗數據識別氧氣體積分數(16%~21%)與人體可耐受極端低氧氣體積分數(15.5%~16%)條件下光電容積脈搏波(photoplethysmography, PPG)信號, 獲得人體生理狀態的模式識別網絡.經測試該網絡的識別正確率可達92.8%.利用混淆矩陣及接受者操作性能(receiver operating characteristic, ROC)曲線分析, 混淆矩陣的訓練集、驗證集、測試集、全集識別正確率分別達到97.9%、94.8%、92.8%和96.3%, AUC (area under curve)值接近1, 認為該網絡分類性能優良, 并且可在4 s內完成整個識別過程.

考慮樓板效應的外環板式梁柱節點抗彎承載力

王玲玲, 牟犇, 林旭川, 河野昭彥

2019, 41(6): 824-833. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.015

[摘要](979)

[HTML全文] (415)

[PDF 922KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
樓板的存在對梁柱節點的局部受力影響顯著, 在梁柱節點設計中, 若僅僅把樓板與鋼梁的組合效應作為安全儲備, 可能會產生結構由"強柱弱梁"轉變成"強梁弱柱"的顛覆性結果, 因此忽略混凝土樓板對節點承載力及剛度的影響是造成破壞的重要原因.基于已完成的帶樓板的T型梁柱節點低周往復荷載試驗, 建立了非線性有限元分析模型.為了更加全面地了解鋼梁-樓板組合節點的工作機制, 進一步補充完善試驗研究的不足, 模型考慮了樓板與鋼梁之間的栓釘連接以及材料非線性等因素, 模型的計算結果與試驗結果具有高吻合度.在此基礎上, 通過有限元參數分析, 詳細分析了構件尺寸效應、軸壓比、樓板厚度、樓板強度和柱寬厚比共五個參數對考慮樓板影響的外環板式梁柱節點抗震性能的影響.結果表明尺寸效應、軸壓比對梁端抗彎承載力及剛度的影響小到可以忽略, 樓板厚度、樓板強度和柱寬厚比對梁端抗彎承載力有顯著影響.結合理論分析進一步提出了考慮樓板影響的外環板式梁柱節點梁端抗彎承載力計算公式, 通過對比公式計算結果與試驗、有限元分析結果可得, 該計算公式可較好的計算帶樓板外環板式梁柱節點梁端抗彎承載力.