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

國內訂閱：全國各地郵局

郵　　箱：xuebaozr@ustb.edu.cn

單　　價：40元/期，全年480元

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2020年第42卷第10期

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介孔二氧化硅基復合相變材料研究進展

李亞瓊, 梁凱彥, 王靜靜, 黃秀兵

2020, 42(10): 1229-1243. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.25.001

[摘要](3066)

[HTML全文] (1409)

[PDF 11433KB](160) [施引文獻] ()

摘要:
相變儲能技術的發展對于促進新能源開發和提高能源利用效率具有非常重要的意義。相變材料由于具有高儲能密度和小體積變化等優勢引起了人們的廣泛關注。然而，相變材料在固–液相轉變過程中易發生液體泄漏而限制了其應用。因此，人們選擇用多孔支撐材料來解決相變材料的泄露問題。介孔二氧化硅材料由于具有良好的物理化學穩定性、生物相容性、阻燃性能、低毒性、耐腐蝕性、尺寸可控、表面形貌可調和高比表面積等優點，其作為載體材料能綜合提高相變復合物的各方面性能并拓寬相變儲能材料的應用空間。對近年來國內外關于介孔二氧化硅載體的孔尺寸、孔結構和孔表面性質對相變材料結晶行為的影響等方面進行了綜合分析，并對今后提高介孔二氧化硅相變材料儲能效率的研究方法的前景做了展望。

H13鋼中一次碳化物的特征及控制進展

黃宇, 成國光, 鮑道華

2020, 42(10): 1244-1253. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.24.002

[摘要](3380)

[HTML全文] (893)

[PDF 1971KB](108) [施引文獻] ()

摘要:
首先結合H13鋼的成分特點肯定了H13鋼優異的材料性能，隨后總結了一次碳化物與H13鋼使用壽命之間的關系。進一步系統地論述和研究了H13鋼中一次碳化物的特征，包括二維和三維形貌、熱穩定性、析出機理等。最后對比了4種H13鋼中一次碳化物的控制手段，包括成分優化、冷速控制、Mg處理和稀土處理。相關論述和研究工作能夠對鋼中一次碳化物的合理優化起到一定的啟發作用。

知識圖譜的最新進展、關鍵技術和挑戰

馬忠貴, 倪潤宇, 余開航

2020, 42(10): 1254-1266. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.28.001

[摘要](6215)

[HTML全文] (2645)

[PDF 771KB](749) [施引文獻] ()

摘要:
圍繞知識圖譜的全生命周期技術，從知識抽取、知識融合、知識推理、知識應用幾個層面展開綜述，重點介紹了知識融合技術和知識推理技術。通過知識抽取技術，可從已有的結構化、半結構化、非結構化樣本源以及一些開源的百科類網站抽取實體、關系、屬性等知識要素。通過知識融合，可消除實體、關系、屬性等指稱項與實體對象之間的歧義，得到一系列基本的事實表達。通過本體抽取、知識推理和質量評估形成最終的知識圖譜庫。按照知識抽取、知識融合、知識推理3個步驟對知識圖譜迭代更新，實現碎片化的互聯網知識的自動抽取、自動關聯和融合、自動加工，從而擁有詞條自動化鏈接、詞條編輯輔助功能，最終達成全流程自動化知識獲取的目標。最后，討論知識圖譜未來的發展方向與可能存在的挑戰。

網絡安全等級保護下的區塊鏈評估方法

朱巖, 張藝, 王迪, 秦博涵, 郭倩, 馮榮權, 趙章界

2020, 42(10): 1267-1285. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.17.007

[摘要](5361)

[HTML全文] (1759)

[PDF 1224KB](251) [施引文獻] ()

摘要:
等級保護（簡稱等保）是我國信息安全的基本政策，隨著區塊鏈技術在各行業中的應用日趨廣泛，有必要同步推進區塊鏈系統的等級保護測評工作，這將有利于推動該技術在我國的持續健康發展。有鑒于此，依據等保第三級的應用和數據安全要求，給出了區塊鏈系統中對等網絡、分布式賬本、共識機制和智能合約等核心技術的具體測評要求及實施方案，并從等保2.0規定的控制點出發，分別對當前區塊鏈系統運行數據與基于日志流程的安全審計機制進行了歸納與分析。通過上述評估與分析可知區塊鏈系統在軟件容錯、資源控制和備份與恢復等方面滿足等保要求，而在安全審計、身份鑒別、數據完整性等方面則有待進一步改進。

分層膠結充填體力學特性及裂紋演化規律

唐亞男, 付建新, 宋衛東, 張永芳

2020, 42(10): 1286-1298. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.003

[摘要](3948)

[HTML全文] (854)

[PDF 2360KB](67) [施引文獻] ()

摘要:
在進行大尺寸采空區嗣后充填過程中，膠結充填體易出現分層等結構現象。為深入分析結構特征對膠結充填體力學特性及裂紋演化規律的影響，首先制作中間層高度比為0.2、0.4、0.6和0.8，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8和1∶10的分層膠結充填體試件，然后利用GAW–2000伺服試驗系統開展單軸壓縮試驗，最后借助二維顆粒流軟件（PFC–2D），分析膠結充填體內部裂紋分布規律。結果表明：（1）分層充填體單軸抗壓強度與高度比呈指數函數關系、與灰砂比呈多項式函數關系；彈性模量與高度比及灰砂比均呈多項式函數關系；單軸抗壓強度及彈性模量均隨高度比的增加而減小、隨灰砂比的增大而增大，且兩者對灰砂比敏感度更高。（2）充填體內部裂紋演化曲線先緩慢上升，達到單軸抗壓強度的80%左右時快速上升，且灰砂比越大、高度比越大，上升速度越快，拐點到來越早，充填體試件越易發生破壞，超過單軸抗壓強度后曲線開始迅速下降。（3）分層充填體主要表現為剪切破壞、張拉破壞及共軛剪切破壞，且破壞主要集中于中間軟弱層；高度比越大，試件內部裂紋越密集，灰砂比越大，裂紋越易向兩端演化。

基于擴散度的尾砂膏體流變特性

陳鑫政, 楊小聰, 郭利杰, 許文遠, 魏曉明

2020, 42(10): 1299-1307. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.003

[摘要](3160)

[HTML全文] (775)

[PDF 1191KB](57) [施引文獻] ()

摘要:
借鑒水泥凈漿流動度測試方法，引入擴散度參數判別尾砂膏體的流變特性，開展試驗研究分析擴散度與尾砂膏體質量分數（C_w）、灰砂比、屈服應力和黏度系數的關系，根據5個礦山的擴散度和流變參數測試結果，構建擴散度與屈服應力的經驗模型，并與推導的解析模型作對比。結果表明：尾砂膏體的擴散度主要與質量分數有關，灰砂比對其影響不顯著，隨質量分數、屈服應力和黏度的增加而減小，質量分數為68%、70%和72%的尾砂膏體的擴散度分別為20.37、17.22和12.44 cm；尾砂膏體的擴散度與屈服應力的變化趨勢相吻合，二者呈指數型函數關系，經驗模型計算得到的屈服應力與測試結果誤差在25%范圍內，且尾砂膏體質量分數越大，二者的誤差越小，達到10%以內；解析模型與經驗模型計算所得的屈服應力在擴散度為12～16 cm之間結果較接近，解析模型計算結果整體上高于測試值；相比于坍落度，擴散度測試簡便易操作，擴散度能有效表征尾砂膏體的流變特性，指導礦山現場充填。

時間–速率雙因素下全尾砂膏體的屈服應力易變行為

李翠平, 顏丙恒, 王少勇, 侯賀子, 陳格仲

2020, 42(10): 1308-1317. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.19.002

[摘要](3209)

[HTML全文] (1045)

[PDF 1538KB](58) [施引文獻] ()

摘要:
以往對全尾砂膏體屈服應力的研究局限于理想屈服應力流體框架內，認為一定材料配比條件下，膏體的屈服應力是確定的，即認為屈服應力是膏體料漿固有的一個物理屬性值。通過開展不同質量分數全尾砂膏體屈服應力測量實驗，分析了測量速率與測量時間對不同濃度膏體屈服應力的影響，發現屈服應力值的大小與測量過程相關。對比分析峰值屈服應力、動態屈服應力、靜態屈服應力，發現全尾砂膏體屈服應力隨測量時間–測量速率在一定條件下的變化規律，即峰值屈服應力、靜態屈服應力正比于膏體的測量速率，動態屈服應力反比于測量時間，以變異系數C_v評價料漿屈服應力的離散程度，其中74%質量分數膏體動態屈服應力變異系數最大，C_vmax=27.07%，而66%質量分數膏體靜態屈服應力變異系數最小，C_vmin=2.33%。進而從細觀層面分析了膏體屈服過程中顆粒間作用力、顆粒網絡結構隨測量時間–測量速率的變化規律，解釋了全尾砂膏體屈服應力易變性機理。

裂縫網絡支撐劑非均勻分布對開采動態規律的影響

朱維耀, 張啟濤, 岳明, 張燎源

2020, 42(10): 1318-1324. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.23.001

[摘要](3623)

[HTML全文] (960)

[PDF 1128KB](51) [施引文獻] ()

摘要:
水力壓裂過程中支撐劑的注入是為了防止地應力將已壓裂出的裂縫重新閉合。為了研究復雜裂縫網絡中支撐劑的運移分布規律，及支撐劑非均勻分布對開采動態規律的影響，基于作者之前提出的數個數學模型，建立了致密儲層壓裂注砂開發耦合計算模型。通過計算結果可以得知：裂縫網絡中，支撐劑會在裂縫交匯處大量堆積，砂堤高度高于縫網其他部分。次級裂縫中的支撐劑更多的處于懸浮狀態，且支撐劑沉降堆積高度相較于主裂縫小25%～50%，相互溝通的次級縫具有更高的支撐劑沉降程度。縫網中支撐劑非均勻分布對模擬計算結果具有較大影響，當儲層滲透率為0.05 mD時，忽略支撐劑非均勻分布計算出的產量高出實際值41.7%，因此在進行低滲透率儲層模擬時，支撐劑非均勻分布狀態不可忽略；當基質滲透率為5 mD時，產量計算差異在5%以內，此時不考慮支撐劑非均勻分布相對合理。

利用濕法煉鋅赤鐵礦法沉鐵渣制備鐵紅工藝

楊源, 鄧志敢, 魏昶, 樊剛, 劉慧楊, 曾濤, 朱應旭

2020, 42(10): 1325-1334. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.17.005

[摘要](3047)

[HTML全文] (1025)

[PDF 1444KB](51) [施引文獻] ()

摘要:
針對赤鐵礦渣中存在雜質，影響其綜合回收利用的問題，開展赤鐵礦渣高溫水熱法脫雜，制備鐵紅的研究。研究了不同酸度、溫度、時間和液固比條件，對鐵紅產品中鐵、鋅、硫含量以及鋅、硫脫除率和鐵溶出率的影響。實驗結果表明：pH值為1，溫度220 ℃，保溫時間3 h，液固比6∶1，轉速400 r·min^?1條件下，鐵紅產品中鐵質量分數由58.66%上升為66.83%；赤褐鐵類礦物含鐵由占總鐵質量分數94.05%，上升為97.79%；硫質量分數由2.96%下降至0.82%；鋅質量分數由1.03%下降至0.18%。經X射線衍射檢測，與赤鐵礦渣相比，鐵紅產品中氧化鐵信號峰值提高，雜峰減少。通過掃描電鏡/能量散射X射線分析，鐵紅產品表面附著的硫酸鹽等雜質經高溫水熱法處理后明顯減少；實驗前后，赤鐵礦渣與鐵紅產品顆粒形貌與大小沒有發生變化。實驗處理后的鐵紅產品經檢測，滿足國家標準氧化鐵紅含鐵量C級，水溶物和水溶性氯化物及硫酸鹽含量III型，篩余物2型，105 ℃揮發物V₂型，來源a型標準。

A位摻雜Ru對SPS制備LaCrO₃陶瓷導電性的影響及其作為熔鹽中惰性陽極的可行性

焦漢東, 王明涌, 宋維力, 焦樹強

2020, 42(10): 1335-1342. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.25.005

[摘要](3381)

[HTML全文] (1100)

[PDF 1200KB](51) [施引文獻] ()

摘要:
鉻酸鑭（LaCrO₃）陶瓷材料在高溫熱電和固體氧化物燃料電池（SOFC）等領域具有廣泛的應用價值，然而其燒結性能差、導電率低等不足卻限制了LaCrO₃陶瓷的高性能應用。針對上述問題，采用放電等離子燒結（SPS）方式制備致密的LaCrO₃塊體。同時，通過A位摻雜Ru元素，以期實現高電導率的摻雜態鉻酸鑭（La_1?xRu_xCrO₃）致密陶瓷。所得樣品的X射線衍射（XRD）及掃描電子顯微（SEM）分析結果表明，無論A位Ru元素含量多少（x=0～0.25， x為Ru的原子含量），SPS所得樣品均為單相鈣鈦礦結構，且具有較高的致密度。此外，高溫電導率測試結果顯示，摻雜態La_1?xRu_xCrO₃的電導率隨著溫度和Ru摻雜量的增加而增加。同時，摻雜前后La_1?xRu_xCrO₃導電性均滿足Arrhenius公式，且摻雜態La_1?xRu_xCrO₃陶瓷的電導活化能明顯低于未摻雜的LaCrO₃陶瓷。隨后，將La_1?xRu_xCrO₃置于800 °C熔融CaCl₂熔體中，研究其作為熔鹽電解用惰性陽極材料的可行性。結果顯示，摻雜態La_1?xRu_xCrO₃具有較高的抗熔鹽化學腐蝕性，然而其抗熱振性較差，電解之后出現明顯的表層機械脫落現象。上述結果表明，摻雜態La_1?xRu_xCrO₃具備作為惰性析氧陽極材料的化學穩定性，然而需要進一步提高其熱穩定性才能適用于熔鹽電解用惰性陽極。

組織形態對718塑料模具鋼切削性能的影響

王宇斌, 王勇, 陳旋, 吳曉春

2020, 42(10): 1343-1351. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.06.001

[摘要](2961)

[HTML全文] (781)

[PDF 2387KB](44) [施引文獻] ()

摘要:
通過熱處理制備出具有回火馬氏體組織、下貝氏體組織以及粒狀貝氏體組織的718鋼，利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、萬能拉伸實驗機比較其顯微組織及力學性能。同時借助高速銑削實驗及光學輪廓儀，研究力學性能以及組織結構對切削性能的影響。結果表明，當切削速度低于145 m·min^?1時，貝氏體組織類型比回火馬氏體組織更易切削，切削貝氏體組織比切削回火馬氏體組織的刀具使用壽命高30%～40%。當切削速度高于165 m·min^?1時，馬氏體組織發生了加工軟化現象，刀具使用壽命提高，切削性能上升。粒狀貝氏體組織加工表面因為嚴重的刀具黏附而出現背脊紋路，馬氏體組織具有最佳的切削表面粗糙度。綜合考慮之下，三種組織的綜合切削性能從高到低排序為：下貝氏體組織、馬氏體組織、粒狀貝氏體組織，采用300 ℃等溫淬火工藝可以有效提升718塑料模具鋼的綜合切削性能。

一種描述減振器滯回特性的Bouc–Wen改進模型

趙義偉, 劉永強, 楊紹普, 陳祖晨

2020, 42(10): 1352-1361. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.18.001

[摘要](3222)

[HTML全文] (1057)

[PDF 1511KB](72) [施引文獻] ()

摘要:
Bouc–Wen模型在非識別激勵工況下模擬的阻尼力與實際阻尼力誤差較大，對非識別激勵振幅過于敏感，針對這一問題，提出了一種描述減振器滯回特性的改進模型。首先用Mechanical testing and simulation(MTS)疲勞試驗機對磁流變減振器進行力學性能試驗，獲得在多種激勵幅值、頻率和電流作用下的阻尼力。采用阻尼力對位移的斜率與阻尼力關系來模擬滯回環特性曲線。根據滯回曲線特點利用二次多項式函數來表征滯回環斜率與阻尼力的關系，同時，引入關于速度的指數函數修正項，進而對改進后的Bouc–Wen模型進行參數識別，并對其進行仿真及驗證。與試驗得到的阻尼力進行對比，發現在非識別激勵工況下，曲線吻合效果較好。對改進前后Bouc–Wen模型模擬的阻尼力特性曲線進行對比，結果表明：改進后模型得到的阻尼力仿真值能夠較好地模擬試驗得到的各種工況下阻尼力的值，且優于Bouc–Wen模型，同時Bouc–Wen模型在非識別激勵工況下模擬阻尼力精度較差這一問題得到了改善。新模型為保證車輛懸架系統在多變工況下仿真響應的準確性打下了基礎。

基于監督學習的前列腺MR/TRUS圖像分割和配準方法

叢明, 吳童, 劉冬, 楊德勇, 杜宇

2020, 42(10): 1362-1371. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.10.006

[摘要](3973)

[HTML全文] (1065)

[PDF 1722KB](86) [施引文獻] ()

摘要:
前列腺核磁超聲圖像配準融合有助于實現前列腺腫瘤的靶向穿刺。傳統的配準方法主要是針對手動分割的前列腺核磁（Magnetic resonance, MR）和經直腸超聲（Trans-rectal ultrasound, TRUS）圖像上對應的生理特征點作為參考點，進行剛體或非剛體配準。針對超聲圖像因成像質量低導致手動分割配準效率低下的問題，提出一種基于監督學習的前列腺MR/TRUS圖像自動分割方法，與術前核磁圖像進行非剛體配準。首先，針對圖像分割任務訓練前列腺超聲圖像的活動表觀模型（Active appearance model, AAM），并基于隨機森林建立邊界驅動的數學模型，實現超聲圖像自動分割。接著，提取術前分割的核磁圖像與自動分割的超聲圖像建立輪廓的形狀特征矢量，進行特征匹配與圖像配準。實驗結果表明，本文方法能準確實現前列腺超聲圖像自動分割與配準融合，9組配準結果的戴斯相似性系數（Dice similarity coefficient, DSC）均大于0.98，同時尿道口處特征點的平均定位精度達1.64 mm，相比傳統方法具有更高的配準精度。

基于集成神經網絡的剩余壽命預測

張永峰, 陸志強

2020, 42(10): 1372-1380. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.10.005

[摘要](4171)

[HTML全文] (1299)

[PDF 2055KB](227) [施引文獻] ()

摘要:
針對機器或設備的剩余壽命（Remaining useful life, RUL）預測精度低的問題，提出基于一維卷積神經網絡（Convolutional neural network, CNN）和雙向長短期記憶（Bidirectional long short-term memory, BD-LSTM）的集成神經網絡模型。為了更好地抽取時間序列上的特征，以及產生更多的訓練樣本，采用滑動窗口對數據進行處理，同時采用卡爾曼濾波對數據進行降噪處理，將數據標準化以及設置RUL標簽。與人工提取特征不同，利用一維CNN對數據進行特征提取，并舍棄了CNN中的池化層。然后將提取到的高維特征輸入到BD-LSTM進行回歸預測，并采用Bagging的方式對此神經網絡進行集成來預測RUL。最后通過在NASA的數據集上驗證該模型的有效性，以及相比于其他機器學習或者深度學習模型的優越性，實驗表明所提模型在RUL預測方面更加準確。

顆粒污泥與絮體污泥占比對番茄醬廢水降解效能的影響

王維紅, 董星遼, 肖飛, 包文婷

2020, 42(10): 1381-1387. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.12.003

[摘要](3051)

[HTML全文] (827)

[PDF 1168KB](43) [施引文獻] ()

摘要:
以番茄醬加工廢水為培養基質，以SBR反應器的運行模式探討顆粒化過程中的顆粒污泥粒徑變化及對COD、N、P的去除能力；并分析顆粒污泥和絮體污泥以不同比例共存時的污泥特性、出水水質、有機污染物降解能力和混合污泥系統的污泥最佳比例。顆粒污泥的優勢粒徑范圍在0.45～3 mm之間，對COD、${{\rm{NH}}_{4}^{+}} $

—N和${{\rm{PO}}_{4}^{3-}} $

—P的去除率分別達到98%以上、90%以上和90%以上。顆粒污泥質量比占總污泥50%時，對COD的去除率最高，達到98%以上，對$ {{\rm{NH}}_{4}^{+}}$

—N的去除率為78.72%，出水${{\rm{PO}}_{4}^{3-}} $

—P質量濃度在1.0 mg·L^?1左右，去除率可以達到70.68%，其脫氮除磷效果較好。顆粒污泥質量分數<75%時，對COD的去除率達到98%以上，對出水${{\rm{NH}}_{4}^{+}} $

—N和${{\rm{PO}}_{4}^{3-}} $

—P去除率均達到90%以上。SVI₃₀值低于35 mL·g^?1，SVI₅/SVI₃₀接近1，MLVSS/MLSS為0.90，活性高，污泥沉降性能好，微生物生長旺盛，有望通過排出老化顆粒，控制顆粒污泥質量分數≥75%，保持絮體污泥和顆粒污泥的合適比例為10%～25%，同時，實驗粒徑范圍控制在0.45～3.00 mm，采用雙向排泥方式，將粒徑大于3.0 mm的顆粒和多余的絮體污泥一起排除反應池，其有機物去除性能優異，可實現顆粒污泥的長期穩定運行，解決顆粒污泥解體問題。