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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2020年第42卷第12期

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材料輻照損傷中的點缺陷團簇與一維遷移現象

萬發榮

2020, 42(12): 1535-1541. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.05.001

[摘要](2844)

[HTML全文] (1391)

[PDF 755KB](226) [施引文獻] ()

摘要:
材料輻照損傷是核反應堆材料、尤其是核聚變堆材料所面臨的重要問題。高能粒子（中子、離子、電子）輻照在材料中會產生大量的點缺陷，即自間隙原子和空位。這些點缺陷聚集在一起會形成自間隙原子團簇和空位團簇，從而對材料結構和性能的演化產生重要影響。空位團簇包括有空洞、層錯四面體、空位型位錯環，而自間隙原子團簇則只有自間隙型位錯環。本文介紹了兩種點缺陷團簇的性質、及其對于以材料輻照腫脹為主要內容的材料輻照損傷性能的影響。作為空位團簇，比較詳細介紹了具有本課題組特色的空位型位錯環的研究，同時分析了合金元素和氫同位素對空位型位錯環的影響。在鐵試樣中形成的這種空位型位錯環尺寸可達100 nm左右，該空位型位錯環具有兩種柏氏矢量， b =<100> 和 b =1/2<111>，前者的數密度比后者高一個數量級。對于自間隙原子團簇，則重點介紹了與其相關的一維遷移現象及其研究動態，該一維遷移性能有可能是影響高熵合金輻照性能的重要因素。

煉鋼–連鑄區段3種典型工序界面技術研究進展

楊建平, 張江山, 劉青

2020, 42(12): 1542-1556. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.08.001

[摘要](1851)

[HTML全文] (950)

[PDF 2531KB](108) [施引文獻] ()

摘要:
面對鋼廠智能化發展的時代要求，煉鋼–連鑄區段工序界面技術受到越來越多冶金學者的關注，其不僅是解決工序關系集合協同–優化問題的重要手段，也影響著工序功能集合解析–優化和流程工序集合重構–優化的效果。本文對煉鋼–連鑄區段3種典型工序界面技術，即鋼包運行控制、天車運行控制和生產運行模式優化的研究進展進行闡述，其中，鋼包運行控制包括鋼包熱狀態監測、鋼包選配以及鋼包調度，天車運行控制包括吊運任務的分配和同跨/異跨天車的協同調度，生產運行模式優化包括工序/設備產能、時間節奏與爐–機對應模式的匹配設計。此外，針對煉鋼–連鑄區段多工序協同運行的制約因素，指出工序界面技術協同的必要性，并對上述工序界面技術的協同機制與協同方案進行了闡述。

金屬磁記憶檢測技術研究新進展與關鍵問題

蘇三慶, 劉馨為, 王威, 左付亮, 鄧瑞澤, 秦彥龍

2020, 42(12): 1557-1572. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002

[摘要](2730)

[HTML全文] (1293)

[PDF 1603KB](142) [施引文獻] ()

摘要:
金屬磁記憶檢測技術是一種適用于鐵磁材料的新興的無損檢測技術，主要優勢在于無需外加激勵磁場源，即在天然地磁場的激勵作用下，通過測量材料表面的漏磁信號，就能夠對鐵磁構件的早期損傷進行檢測，避免結構或構件發生突然的脆性破壞。針對近10余年金屬磁記憶檢測技術的研究現狀，概述了該技術的理論基礎，總結了該技術理論研究、試驗研究以及工程應用新進展，探討了磁記憶檢測技術的損傷評判準則，分析了影響磁記憶檢測信號的因素，基于此，提出了磁記憶檢測技術目前存在的問題和未來的研究發展方向。

中牟區塊過渡相頁巖氣藏產能分析及壓裂參數優選

唐帥, 朱維耀, 張金川

2020, 42(12): 1573-1587. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.10.002

[摘要](1747)

[HTML全文] (911)

[PDF 2156KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
南華北盆地中牟區塊頁巖氣是海陸過渡相頁巖氣的典型代表，以地質模型為基礎，結合理論分析和數值模擬手段，研究了不同儲層參數對水平井開采頁巖氣的采收率、日產氣量以及累計產氣量的影響規律，通過正交設計與多指標分析方法確定了影響頁巖氣產能的主控因素，考慮各主控因素與頁巖氣產能的關系，建立了水平井壓裂條件下的累計產氣量和頁巖氣采收率方程。針對目標壓裂層段，對比分析了不同壓裂參數條件下的頁巖氣產能變化，指出水平井段長度和動用程度是決定產能大小的主要參數。在一定的壓裂級數條件下，裂縫長度的增加可以有效溝通裂縫，從而提高產能。以凈現值大于0和收益率達到8%～12%作為經濟評價指標，優選了3類海陸過渡相頁巖氣壓裂參數。

含端部裂隙大理巖單軸壓縮破壞及能量耗散特性

韓震宇, 李地元, 朱泉企, 劉濛, 李夕兵

2020, 42(12): 1588-1596. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.07.001

[摘要](1944)

[HTML全文] (884)

[PDF 1224KB](59) [施引文獻] ()

摘要:
對含端部雙裂隙?50 mm×50 mm的圓柱體大理巖試樣進行單軸壓縮試驗，并利用高速攝影儀實時記錄試樣破壞過程，研究了端部裂隙長度和傾角對大理巖力學特性及裂紋擴展規律的影響。研究表明，當裂隙長度達到門檻值前，試樣的單軸抗壓強度的弱化程度較低，彈性模量、峰值應變的變化較小。相對垂直裂隙，相同長度的傾斜裂隙對大理巖的影響更加顯著。試驗結果與理論分析均表明，裂紋一般不從端部垂直裂隙尖端起裂，試樣的起裂裂紋大多發展為主裂紋，擴展過程中較少產生分支與分叉，試樣表面會產生局部剝落，傾斜裂隙試樣宏觀上呈剪切或拉剪復合破壞，垂直裂隙試樣呈劈裂拉伸破壞。試樣能耗參數與單軸抗壓強度的變化趨勢一致，試樣總應變能和其單軸抗壓強度有較好的正相關關系。最后，比較了動、靜載荷作用下含端部裂隙大理巖力學響應與裂紋擴展過程的差異。

卷積神經網絡在礦區預測中的研究與應用

袁傳新, 賈東寧, 周生輝

2020, 42(12): 1597-1604. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.02.001

[摘要](1764)

[HTML全文] (778)

[PDF 1048KB](100) [施引文獻] ()

摘要:
在研究富鈷結殼高產區地形特征基礎上，以富鈷結殼站點地理坐標為中心，獲得了一平方公里的海拔高度數值矩陣作為地形特征。使用卷積神經網絡的分析方法對數值矩陣進行訓練，學習坡度和平整度等區域特征，將富鈷結殼站點地形和其他海底地形進行區分。依據訓練后獲得的模型，對富鈷結殼高產區進行預測，取得了較好的預測效果，結合其他因素的影響，可以提高結殼靶區選取的精準度。

受限空間不同照度環境下VDT作業視覺疲勞

徐明偉, 金龍哲, 田興華, 魏祎璇, 王麗君

2020, 42(12): 1605-1612. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.20.002

[摘要](1351)

[HTML全文] (907)

[PDF 1432KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
受限空間內視覺疲勞是造成事故的主要原因之一。為探究有限空間內光照對視屏顯示終端（Visual display terminals，VDT）作業視覺疲勞的影響，選取24名作業人員，在搭建的受限空間平臺內進行VDT打字作業1 h，在50～700 lx范圍內設置7個光照梯度使用眼動儀采集瞳孔直徑數據。將采集數據進行歸一化和降噪處理。實驗結果表明，隨著照度增大，瞳孔直徑總體呈減小趨勢，且瞳孔?照度關系符合冪函數關系；照度400，550和700 lx環境下瞳孔直徑變化率在?12%～8%之間浮動，且隨著光照強度的增強，作業人員視覺疲勞發生的程度增加；在低照度50，100和200 lx環境下，瞳孔直徑變化率在?8%～4%之間浮動，且隨著強度的減弱，作業人員視覺疲勞發生的程度也會增加。本研究提出使用窗口化的瞳孔直徑標準差σ判斷視覺疲勞出現時間，低照度下的σ峰值出現時間早于高照度下σ峰值出現的時刻，300 lx照度下σ峰值出現的時刻最晚，50～300 lx弱光照下對視覺造成的疲勞程度大于300～700 lx強光照下造成的疲勞。

雙孔聚能爆破煤層裂隙擴展貫通機理

郭德勇, 趙杰超, 朱同功, 張超

2020, 42(12): 1613-1623. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.19.001

[摘要](1508)

[HTML全文] (559)

[PDF 1756KB](51) [施引文獻] ()

摘要:
針對雙孔聚能爆破孔間煤層裂隙擴展貫通問題，基于對雙孔爆破應力波疊加效應的分析，建立雙孔聚能爆破數值分析模型，研究雙孔同時起爆時應力波的傳播特征、煤體的應力狀態、煤體裂隙擴展貫通規律以及應力波疊加效應對裂隙擴展的影響。結果表明，應力波疊加效應致使兩爆破孔中間截面上部分區域及其鄰域內形成均壓區，迫使部分徑向裂隙轉向，主導爆生裂隙空白帶的形成；兩爆破孔間的定向裂隙相互貫通后，爆生氣體相互作用促進貫通區裂隙的擴展并貫穿空白帶。同時，結合煤層深孔聚能爆破現場試驗發現，在兩爆破孔外側，應力波疊加效應促進裂隙的擴展，該作用隨著遠離爆破孔呈先增加后減小之勢；在兩爆破孔之間，應力波疊加效應抑制部分區域裂隙的擴展，致使兩爆破孔之間不同位置處煤層增透效果有起伏變化。

Zn?In LDHs在Zn?Ni二次電池中的電化學性能

屈亞松, 俞小花, 謝剛, 史春陽, 楊亞剛, 李永剛

2020, 42(12): 1624-1630. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.25.002

[摘要](2338)

[HTML全文] (802)

[PDF 1085KB](37) [施引文獻] ()

摘要:
采用水熱法制備Zn?In LDHs，并且將其作為鋅鎳二次電池的新型負極材料。利用掃描電鏡（SEM）和X射線衍射儀（XRD）對制備的Zn?In LDHs進行了形態和微觀結構的分析。通過循環伏安（CV）、Tafel極化曲線和恒電流充電放電測試研究了Zn?In LDHs作為鋅鎳電池負極材料的電化學性能。形貌表征發現制備的Zn?In LDHs呈現出六邊形片狀結構，電化學性能研究結果表明Zn?In LDHs應用到Zn–Ni二次電池中具有很好的循環可逆性能和抗腐蝕性能，恒電流充電放電測試結果分析可知，Zn?In LDHs電極表現出了較為優異的循環穩定性以及充放電特性。經過100次循環后，循環保持率可以達到92.25%。

7075鋁合金板材熱沖壓成形中的高溫摩擦

吳佳松, 蔣怡涵, 王武榮, 韋習成

2020, 42(12): 1631-1638. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.11.004

[摘要](2128)

[HTML全文] (993)

[PDF 1200KB](82) [施引文獻] ()

摘要:
采用自制的板帶高溫摩擦試驗機模擬實際固溶–沖壓–淬火一體化熱成形工藝下7075鋁合金的高溫摩擦過程，分別對上下摩擦頭進行冷卻和加熱以模擬實際熱沖壓過程對模具和壓邊圈的冷卻和加熱，分析了下模加熱溫度、法向載荷和滑動速度對7075鋁合金摩擦行為及磨損機理的影響。結果表明：鋁合金摩擦系數隨著下模加熱溫度的升高而增大，磨損機制由300 ℃時的黏著磨損轉變為500 ℃時的黏著磨損、氧化磨損和磨粒磨損；施加法向載荷越大，摩擦系數越大，不同載荷下磨損機制均為黏著磨損及輕微的磨粒磨損，且隨著載荷增大，黏著磨損程度有所加深；高滑動速度導致了磨損表面局部氧化物的生成，使摩擦系數隨著滑動速度增大而減小，滑動速度為30 mm·s^?1時，磨損機制主要是氧化磨損、磨粒磨損和黏著磨損。

感應加熱溫度對冷?熱軋制成形鈦/鋼復合板界面的影響

白于良, 李晶琨, 劉雪峰, 王懷柳, 代廣霖

2020, 42(12): 1639-1646. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.11.001

[摘要](1648)

[HTML全文] (757)

[PDF 1613KB](60) [施引文獻] ()

摘要:
對鈦/鋼組坯進行冷軋預復合成形，將鈦/鋼預復合板感應加熱至熱軋溫度后單道次熱軋成形制備了鈦/鋼復合板，研究了感應加熱溫度對鈦/鋼復合板的界面組織和界面結合性能的影響。結果表明，冷?熱軋制復合法制備的鈦/鋼復合板的界面結合緊密，沒有孔洞和間隙。鈦/鋼復合板由于感應加熱和熱軋的時間較短（<5 s），鈦/鋼界面僅有少量硬化層碎塊，沒有金屬間化合物析出。鈦/鋼復合板的界面Ti和Fe元素擴散層寬度隨感應加熱溫度增大而增大，950 ℃時界面擴散層寬度達到8 μm。在感應加熱溫度為750 ~ 950 ℃的條件下，鈦/鋼復合板的界面結合良好。

飛機隔熱隔音超細玻璃纖維棉燃燒火焰蔓延特性

劉天奇, 王寧, 鄭秋雨, 蔡之馨, 段國升

2020, 42(12): 1647-1652. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.002

[摘要](2610)

[HTML全文] (988)

[PDF 1006KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
為研究隔熱隔音超細玻璃纖維棉燃燒火焰蔓延特性，采用火焰蔓延特性測試儀探究玻璃纖維棉暴露于輻射熱源和明火條件下燃燒火焰蔓延特性。結果表明：當點火時間從15增大至85 s，火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離從280增至435 mm，火焰蔓延速率整體呈現先減小、后增大、再減小趨勢，分析認為火焰蔓延速率中途會增大是因為試樣在制樣時切割出切口，使局部氧氣在一定程度上得到補充。隨輻射板溫度在700～820 ℃范圍內增大，火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離從280不斷增大至390 mm，增幅達110 mm，說明增大輻射板溫度對促進火焰蔓延有顯著作用，而火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離的增長速率不斷減小。通過監測燃燒過程中不同位置玻璃纖維棉內部實時溫度，得到距離點火源越近的監測點溫度整體偏高，同時最高溫度出現的時間大于點火時間。得到火焰沿Y軸正向蔓延最遠距離與玻璃纖維棉厚度的定量擬合曲線，得到玻璃纖維棉厚度在12～48 mm越大，對阻止火焰蔓延與擴散的效果越明顯，分析認為這是由于大厚度玻璃纖維棉在燃燒時，有更多熱量沿內部厚度方向傳播，從而減小了火焰熱量沿Y軸正向的傳播速度和蔓延距離。

基于EtherCAT總線的七自由度機械臂的隱蔽攻擊技術

汪世鵬, 解侖, 李連鵬, 孟盛, 王志良

2020, 42(12): 1653-1663. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.07.002

[摘要](1688)

[HTML全文] (1113)

[PDF 1462KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
針對七自由度機械臂控制系統提出了一種七自由度機械臂隱蔽攻擊模型。首先基于推導的機械臂逆運動學方程，對基于EtherCAT總線的七自由度機械臂進行運動規劃與建模；其次，根據粒子群算法的研究與分析，提出了基于混沌理論的多種群粒子群優化的七自由度機械臂系統PID參數辨識算法；最后搭建了七自由度機械臂的攻擊實驗平臺并使用辨識的參數結合隱蔽攻擊原理開展了機械臂系統的攻擊實驗，并且將所提出的隱蔽攻擊技術與其他傳統攻擊技術進行了比較。結果表明，所提出的七自由度機械臂隱蔽攻擊方法可以破壞機械臂系統的數據完整性和準確性，并且具有很好的隱蔽性，驗證了所建立的攻擊模型的有效性和可行性。

基于多變量混沌時間序列的航班運行風險預測模型

王巖韜, 李景良, 谷潤平

2020, 42(12): 1664-1673. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.09.002

[摘要](1876)

[HTML全文] (979)

[PDF 1414KB](69) [施引文獻] ()

摘要:
為了提升航班運行風險預測精度，基于某航空公司2016—2018年航班運行風險數據，在驗證15個風險時間序列的混沌特性后，構建基于多變量混沌時間序列的風險預測模型。首先，對15個風險時間序列進行多變量相空間重構，采用主成分分析法（PCA）對相空間進行降維處理；然后，基于迭代預測的方式，分別采用極限學習機、RBF神經網絡、回聲狀態網絡和Elman神經網絡建立風險短期預測模型；最后，以降維后的相空間作為輸入，計算并比較分析未來1～7 d的風險預測結果。結果表明：多變量相空間重構后總維數為62維，經PCA降維處理，降至31維；在不同的預測模型中，降維后RBF模型預測效果最佳；其中，預測第1天結果相對誤差<25%出現頻數為82.62%，至第5天仍達75%以上；該模型第1天預測結果的修正平均絕對百分比誤差（MAPE）值為11.32%，且前5 d均低于20%，滿足航空公司使用要求。1～5 d預測結果對航班風險管控具有實踐操作價值，證明基于多變量混沌時間序列的風險預測方案可行、有效。

一種基于差分進化的正弦余弦算法

劉小娟, 王聯國

2020, 42(12): 1674-1684. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.26.002

[摘要](1312)

[HTML全文] (898)

[PDF 932KB](69) [施引文獻] ()

摘要:
正弦余弦算法是一種新型仿自然優化算法，利用正余弦數學模型來求解優化問題。為提高正弦余弦算法的優化精度和收斂速度，提出了一種基于差分進化的正弦余弦算法。該算法通過非線性方式調整參數提高算法的搜索能力、利用差分進化策略平衡算法的全局探索能力及局部開發能力并加快收斂速度、通過偵察蜂策略增加種群多樣性以及利用全局最優個體變異策略增強算法的局部開發能力等優化策略來改進算法，最后通過仿真實驗和結果分析證明了算法的優異性能。