工程科學學報

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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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2017年第39卷第10期

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大氣環境中金屬及其保護層霉菌腐蝕研究的進展

劉倩倩, 盧琳, 高歌, 李曉剛

2017, 39(10): 1463-1469. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.001

[摘要](806)

[PDF 1603KB](36) [施引文獻] ()

摘要:
微生物及其生命特征嚴重影響著材料的服役性能與壽命.目前大量的研究集中在細菌腐蝕領域,對于大氣環境中真菌造成的腐蝕行為與機理研究較少.事實上,在大氣環境中存在著大量的霉菌,其生命活動對金屬及涂、鍍層的腐蝕也具有重要的影響.本文綜述了霉菌的生化特性與腐蝕的關系,討論了在大氣環境中霉菌對金屬及涂、鍍層材料腐蝕行為的影響,并歸納了霉菌腐蝕的相關機理;同時根據腐蝕特征的對比分析可知,霉菌腐蝕與細菌腐蝕具有一定的差異性,其主要原因在于兩類菌的代謝產物不同.目前,對金屬及涂、鍍層材料的霉菌腐蝕研究大多停留在對材料表面霉菌腐蝕現象的描述和產物的分析等方面,缺乏對霉菌生命活動與腐蝕速度的定量表征,缺乏對霉菌引起的腐蝕過程動力學規律的研究,這將是未來研究工作的重點.

基于XFEM的巖體卸荷過程裂紋起裂擴展規律研究

鄧青林, 趙國彥, 譚彪, 鄒玉良, 李夕兵

2017, 39(10): 1470-1476. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.002

[摘要](870)

[PDF 5007KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
地下和邊坡工程開挖常涉及巖體卸荷問題,采用ABAQUS軟件中的擴展有限單元法(extended finite element method,XFEM)對開挖卸荷過程巖體內部裂紋的起裂擴展進行了模擬,通過計算裂紋尖端應力強度因子研究了其起裂特征,并探討了起裂影響因素,通過記錄裂紋擴展形態研究了其動態演化模式.結果表明,卸荷過程中卸荷速率越快,裂紋長度越長,傾角越大,其起裂越容易;并且裂紋面受到的正應力不斷減小,剪應力不斷增大,裂紋擴展主要由剪應力控制,這與理論分析結果一致.裂紋最終擴展演化形態也與物理試驗相近,充分表明運用擴展有限單元法研究巖體裂紋問題的可靠性.

砂巖Ⅰ型斷裂的尺寸效應試驗研究

彭劍文, 李長洪, 苗勝軍

2017, 39(10): 1477-1484. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.003

[摘要](761)

[PDF 4237KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
通過對尺寸成等比例的砂巖試樣進行三點彎曲試驗,研究了I型斷裂問題中試樣尺寸對砂巖斷裂參數的影響.結果表明:隨著試樣尺寸的增大,名義張拉強度減小,名義斷裂韌度和破裂過程區長度增大,三者均為試樣尺寸的函數.基于試驗結果,引入有效破裂過程區長度cf,建立等效線彈性斷裂力學尺寸效應模型,通過理論分析,發現其尺寸效應曲線介于理想脆性和理想塑性材料之間,體現出準脆性材料的尺寸效應特點,并計算得到了不同尺寸試樣的破裂過程區長度等斷裂參數.為驗證該尺寸效應模型在砂巖中的正確性,采用數字圖像匹配技術(DIC)測定相應尺寸砂巖試樣的破裂過程區長度,測定結果和理論模型計算值相符.

尾礦漿沉積室內模擬試驗

巫尚蔚, 楊春和, 張超, 冒海軍, 敬小非

2017, 39(10): 1485-1492. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.004

[摘要](807)

[PDF 8215KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
尾礦漿的沉積特性對尾礦壩的壩體結構有重要影響.為了研究尾礦漿的沉積分層特征和時間演化規律,對黏性尾礦漿和砂性尾礦漿進行一維沉降柱試驗,討論了尾礦沉積物的細觀結構特征和分層劃分依據,分析了沉積物形態與時間的關系,并用雙電層理論解釋了絮凝作用對沉積特征的影響機理.結果表明:尾礦黏粒具有顆粒細小、黏土礦物成分比例高和吸附性強的特點,在液體環境下易形成高孔隙率的絮狀結構體;根據細觀結構的變化,尾礦沉積層從上到下依次分為澄清區、絮凝區、沉降區和固結區;按時間劃分,可以將尾礦的沉積過程分為沉降階段和固結階段,黏性尾礦的沉積時間大約是砂性尾礦的2倍;砂性尾礦的沉積時間主要由單顆粒的自由沉降速度決定,黏性尾礦漿的沉積過程可用分界面高度-時間的函數關系來描述.研究結果揭示了尾礦漿的沉積過程和細觀結構之間的聯系,為尾礦漿沉積規律的預測提供了參考.

高硫膏體強度劣化機理實驗研究

程海勇, 吳愛祥, 王洪江, 王貽明

2017, 39(10): 1493-1497. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.005

[摘要](941)

[PDF 4443KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
高硫尾礦配制成的膏體表現出不同程度的強度劣化,高硫膏體強度劣化能引起充填體質量的巨大變化.通過不同硫含量的膏體強度劣化實驗,同時結合X射線衍射物相分析和環境掃描電鏡分析,對高硫膏體的劣化規律和劣化機理進行了分析.得出含硫尾礦在一定程度上能促進膏體早期強度增長,卻抑制了后期強度發育,硫含量越高,膏體后期強度劣化越顯著.硫化物氧化生成的硫酸鹽能促進膨脹性鈣礬石和石膏類物質的生成.同時酸性環境造成了C-S-H的脫鈣和CH的分解,已形成的膠凝體系遭到破壞,進一步促進了充填體的劣化.通過孔隙計算模型對晶體膨脹應變和裂紋發育過程進行了分析,闡述了膨脹性物質的線彈性應變發育機理.

次生硫化銅礦微生物浸出實驗

尹升華, 王雷鳴, 潘晨陽, 陳勛, 謝芳芳, 艾純明

2017, 39(10): 1498-1506. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.006

[摘要](1088)

[PDF 6556KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
微生物浸礦是提取低品位,難選次生硫化銅礦中有價元素的最有效方法之一.本研究利用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(Acidthiobacillus ferrooxidans)浸取福建某難選次生硫化銅礦,依次開展浸礦菌富集培養實驗、馴化轉代實驗和不同粒徑配比下柱浸試驗,獲得了不同階段的細菌濃度、pH值、銅浸出率等演變規律;并結合電子計算機斷層掃描技術實現了柱內礦堆塌落、截面孔隙演化和浸礦機理研究.研究表明:細菌濃度和pH值均呈現緩慢增加后趨降低的趨勢,浸柱中細菌增殖較慢,浸礦480 h后,細菌濃度僅為每毫升5×10⁷個.浸礦過程中,細顆粒趨于向柱底遷移,礦堆出現塌落;柱頂孔隙率變大,增幅為6.65%,柱底孔隙率變小,降幅為8.29%;塌落程度與細粒含量成正比,最小塌落為1.7 mm,最大塌落為6.15 mm.入堆礦石粒徑極大影響著柱浸體系的浸出效果.實驗中柱浸B組(粒徑r < 1 mm占28.41%)浸礦效果最佳,浸礦480 h后銅浸出率達47.23%.

基于循環系統的膏體濃密機底流調控及其數學模型

楊柳華, 王洪江, 吳愛祥, 張連富, 陳輝

2017, 39(10): 1507-1511. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.007

[摘要](759)

[PDF 2872KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為了保證濃密機在高料位下不壓耙,一般通過增設循環系統使料漿始終處于活化狀態,降低耙架運行阻力.然而,目前循環參數對底流的影響規律不明確,造成系統的設計及應用缺乏科學依據,為此開展了循環參數對底流的調控研究.分析循環系統的作用原理,將循環系統作用范圍劃分為兩大區域,揭示循環參數對底流的調控機制,運用微積分原理對區域內的底流體積分數變化進行求解,最終建立濃密機底流調控數學模型.最后,利用該模型對底流循環實驗參數進行驗證.研究結果表明:開啟底流循環后,底流體積分數開始降低并最終趨于穩定,底流體積分數差隨著循環流量及循環高度增大而增大,體積分數變化幅度為0.7%~2.2%,穩定所需時間隨流量及高度增加而減小.該理論模型完全吻合驗證結果函數,為循環系統的設計及運行提供理論依據.

氫化松香酯基陽離子捕收劑M-N的合成及浮選性能

郭婷, 梅光軍, 李誠, 于明明, 陳曉東

2017, 39(10): 1512-1517. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.008

[摘要](533)

[PDF 1130KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
以石英純礦物浮選回收率和季銨鹽活性物含量為指標,進行了摩爾比、溫度、時間等合成條件的優化.以酒鋼焙燒磁鐵礦實際礦石在捕收劑M-N作用下進行脫硅反浮選,所得鐵精礦品位56.54%、回收率77.33%.在5~30℃條件下,浮選精礦指標穩定,耐低溫性優良.捕收性能優于傳統藥劑十二胺和醚胺.Zeta電位和紅外光譜分析表明,M-N在石英表面發生靜電吸附作用和氫鍵作用,因此加強了浮選分離的效果.

季銨型木質素的合成及其對AuCl₄^-的吸附性能

張保平, 楊芳, 馬鐘琛, 郭美辰, 劉運

2017, 39(10): 1518-1524. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.009

[摘要](644)

[PDF 3729KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
以稻草為原料,經酚化、交聯和胺化后合成了季銨型木質素,并研究了其對AuCl₄^-的吸附性能.通過傅里葉紅外光譜(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)和差熱-熱重分析(TG-DSC)對合成產物進行了表征,考察了AuCl₄^-初始濃度、鹽酸濃度和吸附時間對AuCl₄^-吸附效果的影響.研究結果表明,合成的產物為熱穩定性好且含有大量孔隙和表面粗糙的不規則塊狀季銨型木質素;在鹽酸濃度為0.5 mol·L^-1,AuCl₄^-初始濃度為6.0 mmol·L^-1,吸附100 h時AuCl₄^-的最大吸附容量為3.27 mol·kg^-1,在0.5 mol·L^-1鹽酸和1.0 mmol·L^-1 AuCl₄^-的條件下吸附達到平衡時間為360 min.經掃描電鏡和X射線衍射分析和傅里葉紅外光譜分析表明吸附后的AuCl₄^-被季銨型木質素中的酚羥基還原而以單質形態析出.

氮含量對0Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼高溫熱變形行為影響

張寶麗, 陳剛, 孫永慶, 袁武華, 梁劍雄

2017, 39(10): 1525-1531. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.010

[摘要](724)

[PDF 9607KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
采用Gleeble3800試驗機對三種不同N含量的0Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼進行等溫熱壓縮實驗.通過對真應變-應力曲線及壓縮后變形組織的觀察,發現相同熱變形條件下,N含量的增加提高了試驗鋼的流變應力,抑制了再結晶晶粒長大.采用Zener-Hollomon參數,以流變應力方程為基礎,構建三種本構模型.通過觀察擬合應力值與實驗值的離散性,確定雙曲正弦模型更適用于本試驗鋼的本構方程計算,優化此計算模型,獲得了三種試驗鋼的本構方程.

微弧氧化對7050鋁合金腐蝕行為的影響

莊俊杰, 張曉燕, 孫斌, 宋仁國, 李海

2017, 39(10): 1532-1539. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.011

[摘要](833)

[PDF 9033KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
采用微弧氧化(MAO)技術在7050鋁合金表面制備了陶瓷膜層,運用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)表征陶瓷膜微觀結構,采用動電位極化曲線、電化學阻抗譜(EIS)和慢應變速率拉伸試驗(SSRT)研究了微弧氧化膜對7050鋁合金在3.5%(質量分數) NaCl水溶液中腐蝕和應力腐蝕開裂(SCC)行為的影響.結果表明:微弧氧化膜層由表面疏松層與內部致密層組成,表面疏松層主要由Al₂O₃組成,內部致密層由氧化鋁與鋁燒結而成.微弧氧化膜層可以有效抑制7050鋁合金表面的腐蝕萌生及明顯降低腐蝕速率,且使7050鋁合金的應力腐蝕敏感性出現顯著下降.

熱軋帶鋼氧化鐵皮拉伸開裂行為

王尚, 楊荃, 任云鶴, 王曉晨, 單忠德

2017, 39(10): 1540-1545. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.012

[摘要](709)

[PDF 3986KB](27) [施引文獻] ()

摘要:
采用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和萬能拉力試驗機,研究了Q235-A帶鋼氧化鐵皮的組織、結構及其開裂行為.結果表明,氧化鐵皮的成分主要為Fe₃O₄、Fe₂O₃和Fe,含有少量的FeO,氧化層厚度比較均勻,約為10 μm,結構致密且與基體結合較好.拉伸實驗表明,隨著應變的增加,裂紋條數增加呈先慢,后快,再慢的規律.應變達到0.05%時氧化鐵皮開始出現裂紋,當應變在0.08%~0.10%范圍內裂紋條數隨應變增加非常明顯,當應變超過0.10%時裂紋條數增加緩慢,應變超過0.15%時裂紋條數幾乎不再增加.

BCOISOA-BP網絡在磨礦粒度軟測量中的應用

周穎, 楊京松, 付冬梅, 岳彬

2017, 39(10): 1546-1551. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.013

[摘要](650)

[PDF 1902KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
傳統人群搜索(SOA)算法通過計算搜索方向、搜索步長和搜尋更新個體位置三個步驟進行尋優.它的缺點在于計算量大,種群之間信息交流少,導致尋優速度慢.針對人群搜索算法存在的缺點,本文提出二項交叉算子改進人群搜索算法(BCOISOA)對其改進.在計算搜索步長方面,本文采用隨機數與最大函數值位置乘積判斷子群位置,進而提高全局尋優計算速率.在更新位置方面,本文提出二項交叉算子加強種群之間的聯系,避免在更新搜索方向過程中,算法因局部最優而導致過早收斂,進而達到快速、準確尋找最優解的目的.本文將以上二項交叉算子改進人群搜索-BP神經網絡算法應用在二段式磨礦過程中,實現磨礦粒度在線軟測量.仿真結果表明,與人群搜索算法和粒子群算法進行比較,二項交叉算子改進人群搜索算法收斂速度更快,預測精度最高,滿足對磨礦粒度實時檢測的要求.

基于軟超球體的高維非線性數據異常點識別算法

徐鋼, 張曉彤, 黎敏, 徐金梧

2017, 39(10): 1552-1558. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.014

[摘要](711)

[PDF 2323KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
在冶金、化工等流程型工業領域,生產中的過程控制參數往往具有高維非線性結構特征.為了解決這類高維復雜數據的異常點檢測問題,本文引入了軟超球體的概念,采用非線性核函數將原始數據映射到高維的特征空間,并在特征空間中確定軟超球體的邊界.通過檢測待識別樣本映射到特征空間的位置信息來判定過程參數的設定值是否為異常點,從而避免出現批量的產品質量問題.以某類汽車用鋼為應用實例,對實際生產數據進行檢測,證明了所提出的基于軟超球體的異常點識別算法對于高維的非線性數據具有良好的檢測能力.

基于粒子群最大似然估計的焊縫早期隱性損傷磁記憶精確定位模型

邢海燕, 陳思雨, 李思岐, 葛樺, 孫曉軍

2017, 39(10): 1559-1564. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.015

[摘要](801)

[PDF 3362KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
針對由于焊接殘余應力、磁場噪聲等干擾,造成磁記憶檢測在焊縫早期隱性損傷位置定量評價上的困難,提出基于粒子群算法優化的最大似然估計磁記憶梯度定量模型.通過對預制未焊透缺陷的Q235焊接試件進行焊縫疲勞拉伸實驗,同步對比掃描電鏡和X射線檢測結果,發現磁記憶信號梯度對早期隱性損傷位置反應比較敏感,并獲得了梯度隨著與隱性損傷的距離增大而減小的衰減變化規律,構建隱性損傷位置參數與磁記憶梯度的非線性函數,考慮磁場噪聲對隱性損傷定位結果的影響,引入最大似然估計建立目標函數,進一步考慮目標函數的非線性容易陷入局部極值而非全局極值的問題,采用具有全局搜索能力的粒子群算法對目標函數進行優化,建立基于粒子群最大似然估計的焊縫隱性損傷位置磁記憶定量模型,驗證結果表明定位誤差僅為3.48%,為實際工程中利用磁記憶技術及時發現早期隱性損傷并精確定位提供了新的思路.

車載超高速永磁無刷電機驅動器

張前, 馮明, 陳俊, 任天明

2017, 39(10): 1565-1574. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.016

[摘要](739)

[PDF 7187KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
超高速永磁無刷電機因其低電感和高換相頻率而普遍面臨轉子與定子過熱的困擾,而發熱的一個重要原因是進行脈沖寬度調制(PWM)引起的高頻電流諧波.對于逆變器處直接斬波調速方式,需要通過提高斬波頻率以減小電流諧波.但對于像燃料電池汽車空壓機用10 kW級電機驅動器,現有功率開關器件無法同時滿足開關頻率和功率的要求.因此在逆變器處斬波調速并不是驅動超高速永磁無刷電機的理想方案.為了減小定轉子損耗,本文從減小電流諧波的角度出發,設計了一臺前置Buck變換器無位置傳感器控制方波驅動器.通過反電動勢濾波電路以及換相位置補償角的優化設計將無位置控制的適用范圍擴展到3000~100000 r·min^-1,對開發過程中遇到的關鍵問題進行了分析并提出了相應解決方案.最后,通過實驗驗證了該驅動器的控制性能.

迭代生成微分方程分解方法研究

李康強, 馮志鵬

2017, 39(10): 1575-1583. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.017

[摘要](5771)

[PDF 11783KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
針對實際振動信號中多分量分離問題,在生成微分方程解調技術的基礎上,提出一種新的迭代分解方法.首先采用生成微分方程(generating differential equation,GDE),估計初始振動信號的瞬時頻率和幅值包絡,然后對瞬時頻率通過低通濾波分離出第一個頻率,基于此頻率對原始信號通過高通濾波器后提取的成分作為第一個分量,最后用初始信號減去第一個分量的余值作為下一次迭代的初始值,迭代同樣的步驟分析分解直到獲取所有信號分量,以低于能量比閾值作為迭代終止條件.本方法不需要先驗信息.通過仿真信號驗證并與傳統方法進行對比分析,證明了方法的有效性.通過實測軸承試驗信號的故障分析,證明了方法的實用性.

基于深度卷積神經網絡的地磁導航方向適配性分析

肖晶, 齊曉慧, 段修生, 王儉臣

2017, 39(10): 1584-1590. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.018

[摘要](822)

[PDF 1930KB](22) [施引文獻] ()

摘要:

針對地磁導航方向適配性分析時人工提取的特征主觀性較強且難以表達深層的結構性特征的問題,提出一種基于深度卷積神經網絡(convolutional neural network,CNN)的地磁導航方向適配性分析方法.首先,利用Gabor濾波器的方向選擇特性建立了6個典型方向的適配特征圖;然后,設計了卷積神經網絡對深層次的方向適配特征進行提取,并通過混和粒子群算法(hybrid particle swarm optimization,HPSO)對卷積神經網絡的訓練參數進行優選;最后,通過仿真實驗對所提方法進行了驗證.結果表明,該方法可有效避免復雜的計算以及人工特征提取的盲目性,實現了地磁導航方向適配性分析的自動化,且所提方法的準確率高于傳統的BP網絡和支持向量機,對地磁導航和航跡規劃具有指導意義.

面向老人遲滯性特征的可信情感計算

韓晶, 解侖, 賀苗, 王志良, 任福繼

2017, 39(10): 1591-1597. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.019

[摘要](659)

[PDF 3757KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
根據老人認知心理特征中的遲滯性特征,結合基于Gross認知重評的情感計算模型,考慮遲滯性特征對個體情感狀態轉移的影響,在認知重評參數的基礎上,建立遲滯性因子,對當前情感狀態下的認知重評能力進行修正,從而對情感計算模型進行有效的修正,使人機交互更加自然和諧.為了實現情感計算模型的可信,結合現場可編程門陣列硬件平臺和高級加密標準密碼算法對情感計算模型中的老人情感信息進行加密處理,實現情感計算過程中的數據可信.采用可編程片上系統技術在現場可編程門陣列芯片EP4CE115F29C7中搭建功能實現所需的所有硬件組件,結合硬件組件編寫邏輯程序并實現高級加密標準密碼算法,在情感計算過程中實現數據的實時傳輸和安全處理,實現可信的情感計算.最后實驗結果表明受到遲滯性特征影響下的情感計算模型與老人的真實情感具有高度一致性,且可信計算有助于提升老人的正向情感狀態.

運轉工況下風電塔抗震分析

戴靠山, 趙志, 易正翔, 盛超

2017, 39(10): 1598-1605. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.020

[摘要](764)

[PDF 3601KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究運轉工況下風電塔的地震響應及倒塔模式,使用風電塔設計軟件FAST建立風電塔模型,比較停機和運轉不同工況下的結構響應,并在運轉工況下通過改變地震動輸入方向研究不同風震組合角對結構響應的影響,得到最不利工況;使用ABAQUS建立風電塔的精細化有限元模型,將FAST計算的塔頂風荷載導入ABAQUS開展分析計算.將基于葉素理論計算的塔頂荷載與FAST計算結果進行對比,并進一步將彈性階段ABAQUS與FAST模擬的塔頂位移進行對比,校驗分析方法的合理性.利用ABAQUS模型將地震動調幅,開展倒塔模擬.研究結果表明運轉工況下最不利風震組合角是90°,強震下塑性鉸在塔身下部出現并向中上部發展,最終該風電塔在中上部發生破壞.