工程科學學報

基于巖爆碎屑研究的高樓山隧道巖爆機理分析與類型判定

2023-03-01

在建高樓山隧道是通達隴南市及四川省九寨溝的控制性工程，項目具有“三高一大”的特點，是復雜地質條件下深埋特長公路隧道的典型代表。以現場兩種巖爆類型為研究對象，通過沖擊巖爆實驗系統并設定不同應力路徑，首先進行了巖爆實驗全過程分析，而后對比研究了板裂屈曲型巖爆實驗碎屑(巖爆碎屑1)、爆破沖擊型巖爆實驗碎屑(巖爆碎屑2)和現場收集的不知類型的巖爆碎屑(巖爆碎屑3)的質量、尺度分布及形狀分形維數特征。在此基礎上，結合巖爆實驗圖像變化過程，深化了對不同類型巖爆碎屑成因及巖爆機理的認識。結果表明：(1)板裂屈曲型巖爆和爆破沖擊型巖爆區別在于破壞主導機制不同，一種為張拉破壞主導，另一種為張剪破壞主導。(2)巖爆碎屑1以中粒、條板狀碎屑為主，在長度方向上更容易破碎，且質量遠大于巖爆碎屑2，這與豎向應力集中形成板裂化結構的板裂屈曲型巖爆孕育機制密不可分。(3)動載的介入使得巖爆碎屑2受剪切作用明顯，因而在厚度方向的破碎更容易且破碎程度更高，形成以粗粒、片狀碎屑為主的碎屑，該類型碎屑在現場巖爆中由于質量較大、體積較大、彈射距離較遠，因此危害性可能更大。(4)通過上述比對分析，可基本判定巖爆碎屑3對應的巖爆類型為爆破沖擊型，且片狀、“V”形特征碎屑為該類型巖爆特有的碎屑類型。

工程科學學報. 2023 45(3): 337-348. 刊出日期: 2023-03-01

深部礦山非規則礦巖點載荷強度指標分布特性

2023-03-01

針對深部礦巖在高地應力下鉆孔巖芯餅化現象頻發、現場取完整芯樣困難等問題，選取采場爆破后的巖石與礦塊進行現場點載荷試驗，通過測試獲得不規則尺寸試樣的點載荷強度指標。采用指數型和線性型兩種修正系數(<inline-formula<<span class="inline-formula-span"<$ {f_1} $</span<<img text_id='M1' class='formula-img' style='display:none;' src='211112-0004_M1.jpg'<<alternatives<</alternatives<</inline-formula<,<inline-formula<<span class="inline-formula-span"<$ {f_2} $</span<<img text_id='M2' class='formula-img' style='display:none;' src='211112-0004_M2.jpg'<<alternatives<</alternatives<</inline-formula<)對點載荷強度指標進行修正，得到修正后的點載荷強度指標為<inline-formula<<span class="inline-formula-span"<$I_{{\rm{s}}50\text{-}1}$</span<<img text_id='Z-20221025155741' class='formula-img' style='display:none;' src='211112-0004_Z-20221025155741.jpg'<<alternatives<</alternatives<</inline-formula<和<inline-formula<<span class="inline-formula-span"<$I_{{\rm{s}}50\text{-}2}$</span<<img text_id='Z-20221025155753' class='formula-img' style='display:none;' src='211112-0004_Z-20221025155753.jpg'<<alternatives<</alternatives<</inline-formula<，獲得修正前后的點載荷強度指標的分布特性及規律：修正前后的點載荷強度指標的分布頻率基本滿足正態分布，修正前的點載荷強度指標呈偏態型分布，修正后的點載荷強度指標基本呈標準正態分布。采用線性型修正后點載荷強度指標的正態分布更加明顯，其點載荷強度值整體上大于指數型修正后的點載荷強度值，且在等效直徑為50 mm左右時點載荷強度基本相等。指數型修正方式所得結果受尺寸效應影響較大，強度值偏差較大；而線性型修正方式所得結果更具準確性。在95%的置信度下，巖樣標準點載荷強度指標的置信區間為1.09～1.57 MPa，均值為1.33 MPa；礦樣的置信區間為0.37～0.45 MPa，均值為0.39 MPa。由于試樣受爆破損傷的影響，巖樣與礦樣基于單軸抗壓強度的點載荷強度指標計算值約為本試驗結果的1.62和3.67倍。

工程科學學報. 2023 45(3): 349-358. 刊出日期: 2023-03-01

非飽和礦堆溶液滲流遲滯與毛細擴散行為表征

2023-03-01

為深入理解非飽和礦堆內溶浸液毛細滲流擴散以及滲流遲滯行為，本文構建適于非飽和礦堆的毛細滲流模型，利用COMSOL multiphysics有限元數值平臺開展毛細滲流可視化模擬研究，并利用時域反射器（Time domain reflector，TDR）實時探測了非飽和堆內持液率變化，探索了基于Design Expert的毛細滲流過程多因素響應規律，討論了非飽和礦堆持液率、毛細吸力、孔隙率與噴淋強度間的潛在關聯機制。研究結果表明：孔隙率對礦堆持液率的影響高于噴淋強度，礦堆持液率隨噴淋時間的增長收斂性增加，且孔隙率小的礦堆需要更長的時間才能達到穩態持液；不考慮溶液噴淋強度影響時，礦堆持液率與孔隙比、水力傳導系數呈正相關；特別是在噴淋初期（0～20 s），噴淋強度、水力傳導系數和孔隙比對礦堆持液率的影響更為顯著；初步構建了考慮氣液兩相運移的非飽和礦堆溶液毛細滲流模型；毛細吸力的變化對孔隙率較小的礦堆更敏感；噴淋強度較大、孔隙比越小時，礦堆底部的毛細吸力越大，更易達到穩態持液狀態。

工程科學學報. 2023 45(3): 359-368. 刊出日期: 2023-03-01

鋼液凝固與冷卻過程及固體鋼加熱過程鋼中非金屬夾雜物成分動力學轉變的幾個概念和特征曲線

2023-03-01

利用鋼中非金屬夾雜物成分變化的集成模型，介紹了夾雜物成分隨時間和冷卻速率的變化，提出了夾雜物成分轉變分數的概念，然后介紹了夾雜物成分轉變的等溫轉變曲線（TTT）、連續冷卻轉變曲線（CCT）和等徑轉變曲線（TDT）的概念及應用。該集成模型考慮了鋼液流動、傳熱、凝固和元素偏析，也考慮了鋼與夾雜物反應的熱力學和動力學。然后以管線鋼、重軌鋼和軸承鋼為例，進一步分析討論了鋼液凝固與冷卻過程中的冷卻速率、固體鋼加熱過程中的加熱溫度和加熱時間、鋼成分以及夾雜物尺寸等參數對夾雜物成分轉變的影響。這些概念和特征曲線能夠直觀展示在鋼液凝固冷卻過程及固體鋼加熱過程鋼中非金屬夾雜物的成分轉變，將鋼中夾雜物的控制方略從鋼液拓展到固體鋼中。

工程科學學報. 2023 45(3): 369-379. 刊出日期: 2023-03-01

微納層疊復合材料力學性能的增強機理

2023-03-01

微納層疊技術是層層組裝（LbL）技術中的一種，能夠將兩種或多種不同的聚合物組合生成具有交替層狀結構的復合材料。與浸涂、旋涂和噴涂等傳統組裝方法相比，該技術是一種不含溶劑的熔體連續加工技術，具有經濟環保的優點。本文簡要總結了微納層疊技術的研究現狀，概述了微納層疊技術的原理與工藝，重點介紹了多層交替復合材料力學性能的增強機理，包括層界面相互作用、層界面誘導結晶、調控聚合物相形態、調控無機粒子的分散取向和原位成纖，并對該技術的未來研究方向進行展望。

工程科學學報. 2023 45(3): 380-388. 刊出日期: 2023-03-01

時速350 km高速列車用銅基閘片材料的摩擦性能

2023-03-01

閘片是高速列車制動系統的核心部件，本文設計了350 km·h<sup<–1</sup<高速列車用銅基閘片材料，對閘片進行了1∶1臺架實驗考核，重點分析了摩擦膜的性質及閘片的摩擦磨損性能。結果表明，研制閘片不僅具有優異的摩擦系數穩定性和低的磨耗，還具有不傷盤的特點。瞬時摩擦系數和平均摩擦系數均滿足TJCL/307—2019標準的要求，摩擦系數穩定性為0.0015，250～380 km?h<sup<–1</sup<制動速率范圍內的摩擦系數熱衰退僅0.027，在380 km?h<sup<–1</sup<下的平均摩擦系數仍維持在0.35，平均磨耗僅0.06 cm<sup<3</sup<?MJ<sup<–1</sup<。閘片優異的摩擦制動性能歸因于形成了高強韌、低轉移速率的摩擦膜。利用大粒徑摩擦組元作為外部運動障礙釘扎摩擦膜。摩擦膜中的亞微米磨屑作為摩擦膜與對偶盤的嚙合點，提供摩擦阻力，以保持高速制動時的摩擦系數。添加的易氧化組元為摩擦膜源源不斷提供氧化物，研磨生成的納米氧化物作為彌散相強化摩擦膜。通過多尺度顆粒的協同增強，實現了摩擦膜的動態穩定化，賦予了閘片優異的摩擦磨損性能。

工程科學學報. 2023 45(3): 389-399. 刊出日期: 2023-03-01

62Sn36Pb2Ag組裝焊點長期貯存界面化合物生長動力學及壽命預測

2023-03-01

Sn基合金焊接接頭是電子產品不可或缺的關鍵部位，是實現電子元器件功能化的基礎，電子整機失效往往由于焊點的損傷所導致，焊點的壽命預測對電子產品的可靠性研究具有重要意義。金屬間化合物（IMC）厚度是衡量焊點質量的重要參數，以IMC層厚度為關鍵性能退化參數，以62Sn36Pb2Ag組裝的小型方塊平面封裝（QFP）器件焊點為研究對象，采用掃描電子顯微鏡對在94、120和150 °C三種溫度貯存不同時間后的焊點微觀形貌進行表征，測量了IMC層的厚度，基于阿倫尼烏斯方程建立了雙側界面金屬間化合物生長動力學模型。并以其作為關鍵性能退化函數，通過對初始IMC厚度進行正態分布擬合獲得失效密度函數，進而獲得可靠度函數對焊點的長期貯存失效壽命進行了預測。研究結果有望對長期貯存焊點的壽命預測方式提供新的思路，為62Sn36Pb2Ag釬料的可靠應用提供試驗和數據支撐。

工程科學學報. 2023 45(3): 400-406. 刊出日期: 2023-03-01

基于綜合智能模型的碳鋼大氣腐蝕重要變量提取和依賴關系挖掘

2023-03-01

針對碳鋼在大氣腐蝕過程中影響變量多且作用機制復雜的問題，提出一種基于綜合智能模型的重要變量挖掘框架，利用該框架可以挖掘影響碳鋼早期大氣腐蝕的重要環境變量及其對腐蝕電偶電流產生的影響。本文通過大氣腐蝕監測儀（ACM）收集了我國5個試驗站點的大氣腐蝕數據，首先，構建了隨機森林（RF）、梯度提升回歸樹（GBRT）和BP神經網絡（BPNN）三種機器學習模型；其次，利用多模型集成重要變量選擇算法（MEIVS）量化環境變量的重要性并提取影響碳鋼早期大氣腐蝕的重要環境變量；最后，繪制了環境變量與腐蝕電偶電流的局部依賴曲線（PDP）。仿真結果顯示，MEIVS算法挖掘出的重要環境變量更符合大氣腐蝕的先驗規律；PDP與MEIVS算法的結論具有很好的一致性，重要環境變量對應的PDP的變化幅度大，且PDP的變化趨勢能夠反映環境變量對腐蝕電偶電流的影響。

工程科學學報. 2023 45(3): 407-418. 刊出日期: 2023-03-01

4.3 K ～ 299 K溫區Cu-ETP熱膨脹系數原位實驗測量研究

2023-03-01

采用多模式微波諧振法，開展了定壓氣體折射率基準測溫系統中諧振腔材料電解精煉韌銅（Cu-ETP）線性熱膨脹系數的高精度原位實驗測量及其不確定度分析研究，溫度范圍為4.3～299 K。針對不同的溫度區間，采用了降溫法（5～299 K）和控溫法（4.3～26 K）兩種實驗測量方案，通過降溫法測得的線性熱膨脹系數標準不確定度優于2.2×10<sup<?7</sup< K<sup<?1</sup<，其中，重復性是其測量不確定度的主要來源；通過控溫法測得的線性熱膨脹系數標準不確定度優于2.9×10<sup<?9</sup< K<sup<?1</sup<，微波模式一致性和重復性是其測量不確定度的兩大主要來源。由于控溫穩定性高、微波測量噪聲低，控溫法所獲得的線性熱膨脹系數結果更為精確。最后，按照溫區范圍進一步發展了該系統內Cu-ETP材料線性熱膨脹系數的計算方程，實現了實驗數據與溫度的高精度關聯。

工程科學學報. 2023 45(3): 419-430. 刊出日期: 2023-03-01

面向全局和工程優化問題的混合進化JAYA算法

2023-03-01

為了更好求解復雜函數優化和工程約束優化問題，進一步增強JAYA算法的尋優能力，提出一種面向全局優化的混合進化JAYA算法。首先在計算當前最優和最差個體時引入反向學習機制，提高最優和最差個體跳離局部極值區域的可能性；然后在個體位置更新中引入并融合正弦余弦算子和差分擾動機制，不僅增加了種群的多樣性，而且較好平衡與滿足了算法在不同迭代時期對探索和挖掘能力的不同需求；最后在算法結構上采用奇偶不同的混合進化策略，有效利用不同演化機制的優勢結果，進一步提升了算法的收斂性和精度。之后給出了算法流程偽代碼，理論分析證明了改進算法的時間復雜度與基本JAYA相同，而通過6種代表性算法在包含和組合了30個基準函數的CEC2017測試套件上進行的多維度函數極值優化測試，以及對拉伸彈簧、波紋艙壁、管柱設計、鋼筋混凝土梁、焊接梁和汽車側面碰撞6個具有挑戰性的工程設計問題的優化求解，都清楚地表明改進后算法的尋優精度、收斂性能和求解穩定性均有顯著提升，在求解CEC復雜函數和工程約束優化問題上有著明顯優勢。

工程科學學報. 2023 45(3): 431-445. 刊出日期: 2023-03-01

CFRP?泡沫鋁夾芯結構控制臂優化設計

2023-03-01

為滿足控制臂的輕量化設計需求，提出了一種采用碳纖維復合材料（CFRP）?泡沫鋁夾芯結構的汽車懸架控制臂，并對CFRP面板進行結構優化設計。通過泡沫鋁準靜態壓縮試驗驗證了泡沫鋁六面體胞孔模型的準確性，利用CFRP力學性能試驗獲得了碳纖維復合材料的性能參數，設計一種由CFRP?泡沫鋁夾芯結構本體和鋁合金連接件組成的懸架控制臂，控制臂本體與連接件之間采用膠?螺混合連接。在此基礎上，建立CFRP?泡沫鋁夾芯結構控制臂有限元模型，利用多層次優化方法對CFRP面板進行鋪層優化。結果表明，相較于鋼制控制臂，優化后夾芯結構控制臂的質量減少了26%，同時強度、剛度和模態性能都有所改善。

工程科學學報. 2023 45(3): 446-453. 刊出日期: 2023-03-01

軟體機械臂的建模與神經網絡控制

2023-03-01

軟體機械臂因其出色的環境適應能力以及安全的人機交互使其在醫療、航天航空等領域有著廣闊的應用前景。但由于軟體機械臂是一類連續體裝置，不能采用傳統的剛體機械臂的建模和控制方法，需要一種新的建模方法。針對一類線驅動軟體機械臂，本文提出一種基于應變參數化方法的軟體機械臂建模方法，能夠描述軟體機械臂在三維空間下在不同布線方式下的運動。首先把整個軟體機械臂當作一個Cosserat梁，利用成熟的Cosserat梁理論進行建模，其核心思想是利用Ritz方法對軟體機械臂應變場進行離散化，得到一組常微分方程組，其次利用反向傳播(Back propagation，BP)神經網絡完成形狀空間與驅動器空間的驅動力轉換。針對軟體機械臂模型中存在的未知動態，利用徑向基函數（Radial basis function，RBF）神經網絡進行逼近和補償。然后基于Lyapunov穩定理論證明了引入自適應神經網絡控制器后閉環系統的穩定性。最后，針對模型與自適應神經網絡控制器進行了一系列的仿真實驗，驗證了模型和控制算法的有效性。因此，可以實現對一類軟體機械臂的建模控制。

工程科學學報. 2023 45(3): 454-464. 刊出日期: 2023-03-01

基于樹突神經網絡的低軌衛星智能感知路由算法

2023-03-01

在低軌衛星網絡中，衛星運行速度快、運行周期較短，星間鏈路動態變化。為了及時感知星間鏈路狀態并選擇正確的路由，提出一種基于樹突神經網絡的低軌衛星智能感知路由算法，通過衛星之間的可視性約束分析星間建鏈情況，實現星間鏈路態勢感知；通過實時構造訓練集，利用樹突神經網絡自動調整全局衛星網絡鏈路的權值，進而優化傳統迪杰斯特拉(Dijkstra)算法，實現星間鏈路質量感知，給出智能路由決策；通過周期性監測衛星網絡拓撲，實時修正初始路由路徑。仿真結果表明，基于樹突神經網絡的路由算法復雜度低，路徑時延、時延抖動及丟包率均低于傳統啟發式路由算法和Dijkstra路由算法。

工程科學學報. 2023 45(3): 465-474. 刊出日期: 2023-03-01

一種基于區塊鏈智能合約的軟件服務交易方法

2023-03-01

隨著軟件服務交易模式由提前付費向“先服務后結算”轉變，軟件即服務（SaaS）所依賴的訂閱模式面臨著軟件服務金融化與法律化的挑戰—既無法按實際使用量進行金融支付，也難以通過法律形式規范服務提供方、消費方、交易平臺之間權利義務關系。據此，本文將智能法律合約（SLC）引入到服務計算平臺中，提出一種服務即合約（SaaSC）架構。在法律化方面，SaaS+SaaSC的組合支持SLC軟件訂閱合約中設立服務注冊、發現、定制化三種條款，從交互動作、服務狀態、狀態轉移流程等方面規范了各方當事人在服務注冊、發現與消費三階段的交互行為；在金融化方面，將服務接口聲明添加到智能法律合約中，借助智能合約自動執行和檢查條款實現了細化到服務接口調用級別的精準計費模式。進一步，以天氣預報服務作為案例實現了基于區塊鏈智能合約的在線軟件服務獲取、交付及合約化支付，驗證了SaaS+SaaSC方案的合理性和有效性，表明軟件服務合約化是一種新的可行技術路線。

工程科學學報. 2023 45(3): 475-488. 刊出日期: 2023-03-01

海上風電樁–筒復合基礎承載性能研究

2023-03-01

基于有限元軟件ABAQUS平臺，建立了非勻質飽和黏土場地的海上風電樁–筒復合基礎數值計算模型，對比研究豎向荷載<i<V</i<、水平荷載<i<H</i<和彎矩荷載<i<M</i<作用下不同筒結構尺寸的樁–筒復合基礎的承載力系數，并采用正交試驗法開展樁–筒復合基礎的各向承載性能的影響因素研究。結果表明，飽和黏土的非勻質特性系數<i<K</i<對豎向承載力系數<i<N</i<<sub<cV</sub<影響較小；<i<K</i<對水平承載力系數<i<N</i<<sub<cH</sub<和抗彎承載力系數<i<N</i<<sub<cM</sub<的影響呈指數型遞減。筒結構直徑<i<D</i<和入土深度<i<L</i<對各向承載力系數的影響存在交互作用。<i<D</i<對樁–筒復合基礎承載力系數的影響最大，可以通過增加筒結構直徑從而有效地提高樁–筒復合基礎的承載性能。研究結果為海上風電樁–筒復合基礎的設計提供了依據。

工程科學學報. 2023 45(3): 489-498. 刊出日期: 2023-03-01

改性煉鋼污泥催化劑的催化脫硝性能

2023-03-01

選擇性催化還原技術是工業煙氣脫硝技術中最常用的煙氣脫硝方法。但催化劑的制備過程較為復雜，并且制備成本較高。本文以鋼鐵企業在生產過程中產生的煉鋼污泥作為原料，采用焙燒改性、硫酸改性和硫酸–焙燒改性三種不同方法對其進行處理，制備了一種用于選擇性催化還原氮氧化物的新型催化劑。采用比表面積分析法（BET）、掃描電鏡分析（SEM）、X射線衍射分析（XRD）、X射線熒光光譜分析（XRF）和NH<sub<3</sub<程序升溫脫附分析（NH<sub<3</sub<-TPD）等表征手段，對改性前后煉鋼污泥催化劑物理化學性質的變化進行分析研究。結果表明：催化劑的主要活性組分為Fe、Mn、V、Ti；焙燒改性對催化劑活性具有一定的提升效果，可以使催化劑中的Fe<sub<3</sub<O<sub<4</sub<轉化為具有更好脫硝活性的α-Fe<sub<2</sub<O<sub<3</sub<；硫酸改性后的催化劑具有優異的催化活性，300 °C時可以達到88.5%的脫硝效率；硫酸改性改變了催化劑表面形貌，減小了晶粒尺寸，生成了大量的硫酸鹽物種，給催化劑表面提供了更多酸性位點，從而促進催化性能的提升。該研究為低成本脫硝催化劑的開發提供了基礎，促進了冶金工業的清潔生產。

工程科學學報. 2023 45(3): 499-508. 刊出日期: 2023-03-01

不同影響因素下路用黃河泥沙動剪切模量和阻尼比試驗及理論模型研究

2023-03-01

沿黃河高速公路建設過程中，黃河泥沙作為路基填料的可行性已經得到驗證和重視，然而目前有關黃河泥沙作為路基填料的動力特性的研究較少。本文利用英國GDS動態三軸試驗系統，對取自黃河中下游鄭州段的泥沙進行應力控制的動三軸試驗，探究了圍壓、相對密實度和試驗頻率對黃河泥沙動剪應力–動剪應變關系、動剪切模量<i<G</i<和阻尼比<i<D</i<的影響，繪制了動剪應力–動剪應變關系骨干曲線和滯回曲線。結果表明，黃河泥沙的動剪切模量、阻尼比與剪應變關系可以用Hardin雙曲線模型描述，圍壓對<i<G</i<和<i<D</i<的影響較大、試驗頻率對<i<G</i<和<i<D</i<的影響較小。綜合與其他土體的動力特性對比表明，黃河泥沙動剪切模量折減曲線規律以及阻尼比<i<D</i<曲線規律和其他土體相符，其動力特性更接近于粉土和砂土，但與其他土體并不完全一致，具有一定的特殊性。最后，本文考慮了圍壓、相對密實度的影響，并結合現有經驗公式，建立可以較好描述黃河泥沙最大動剪切模量<i<G</i<<sub<max</sub<與圍壓、孔隙比關系的經驗公式，同時建立了動剪切模量比<i<G</i</<i<G</i<<sub<max</sub<和<i<D</i<的數學模型，擬合結果顯示，建立的模型能較好地描述黃河泥沙的<i<G</i</<i<G</i<<sub<max</sub<和<i<D</i<隨剪應變的變化規律。

工程科學學報. 2023 45(3): 509-519. 刊出日期: 2023-03-01