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11期

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區塊鏈技術及其研究進展

朱巖, 王巧石, 秦博涵, 王中豪

2019, 41(11): 1361-1373. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.26.004

[摘要](3504)

[HTML全文] (1447)

[PDF 999KB](262) [施引文獻] ()

摘要:
從區塊鏈的設計和需求出發，闡明了區塊鏈技術中的基本概念與特征及其基礎架構；其次，以比特幣為例詳細介紹了區塊鏈中各種機制，包括：區塊結構與防篡改機制、交易結構與腳本語言、交易人員身份鑒別機制以及網絡高效交易傳播機制等；而且，按照證明類、拜占庭類、傳統共識類及混合共識類等類型，詳細描述了當前幾種主流的區塊鏈共識算法；此外，對智能合約的概念、組織結構及模塊關系以及執行方式與過程進行了討論；最后，對區塊鏈面臨的主要安全挑戰進行了總結，從而達到系統地把握區塊鏈技術發展和趨勢的目的.

高海拔寒區巖質邊坡變形破壞機制研究現狀及趨勢

李長洪, 肖永剛, 王宇, 卜磊, 侯志強

2019, 41(11): 1374-1386. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.07.004

[摘要](1536)

[HTML全文] (1163)

[PDF 1068KB](102) [施引文獻] ()

摘要:
高海拔寒區礦山巖質邊坡變形破壞機制研究已取得一定的研究成果，但基于現行理論與技術還難以全面解決未來高寒邊坡失穩機理和災害防控的所有問題，至今尚未建立起完善的高寒邊坡開采研究體系和邊坡穩定性判別標準. 本文對高寒巖質邊坡變形破壞的室內巖石力學試驗、邊坡物理相似模擬、多場多相耦合數值模擬、變形破壞原位監測、高海拔寒區巖質邊坡失穩機理五個方面開展了大量的文獻調研，總結高寒巖體變形破壞有關的研究成果，繼而對存在的問題進行探討并分析當前研究的不足，總結出高寒巖質邊坡變形破壞研究領域亟待解決的關鍵問題：一是開采擾動條件下高海拔寒區礦山邊坡巖體結構損傷劣化機制，二是凍融循環條件下流?固?氣多相多場耦合邊坡失穩時效特征與評價方法；并就未來高寒邊坡變形和破壞研究方向及發展趨勢予以分析，指出開展不同應力路徑凍融循環耦合作用下巖體結構損傷劣化機理研究，開展爆破采動條件下高海拔寒區巖質邊坡結構面致潰機制及邊坡失穩破壞研究，開展地震荷載作用下高海拔寒區節理巖質邊坡地震動力響應及致災規律研究，研究多場多相耦合條件下節理巖體損傷劣化機理，開展高海拔寒區礦山邊坡抗寒多參量實時安全監測及失穩預警技術研究五個方面是未來研究的趨勢.

復雜壓裂縫網頁巖氣儲層壓力傳播動邊界研究

亓倩, 朱維耀

2019, 41(11): 1387-1396. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.21.002

[摘要](929)

[HTML全文] (682)

[PDF 1692KB](24) [施引文獻] ()

摘要:
頁巖氣儲層中存在大量的納微米孔隙，且孔隙裂縫結構復雜，氣體滲流阻力大，存在多尺度滲流的問題；頁巖氣儲層壓力擾動隨時間向外傳播并非瞬時到達無窮遠，其滲流規律就是一個壓力擾動邊緣動邊界的問題。基于對以上問題的研究，本文建立了滲透率分形分布和高斯分布的滲透率表征模型，對不同形態縫網壓裂特征就滲流規律進行了描述，并利用穩態依次替換法，考慮頁巖儲層中擴散、滑移及解吸作用，進一步研究了多級壓裂水平井不穩定滲流壓力擾動的傳播模型，得到不同壓裂條件下壓力擾動邊界隨時間變化的關系，并結合我國南方海相龍馬溪組頁巖氣藏儲層參數，應用MATLAB編程。研究表明：壓力傳播動邊界隨時間增加逐漸向外擴展，滲透率越小，壓力傳播越慢；未壓裂儲層壓力傳播速度<滲透率分形分布壓裂儲層傳播速度<滲透率高斯分布壓裂儲層傳播速度。對于滲透率極低的頁巖氣儲層，壓力傳播慢，氣井自然產能低，必須對頁巖氣儲層進行大規模的儲層壓裂改造，并控制壓裂程度，以提高頁巖氣開發效果；基于壓力傳播動邊界的擴展優化頁巖儲層壓裂井段間距90 m，優化滲透率分形分布壓裂井井間距318 m，滲透率高斯分布壓裂井井間距252 m。因此應合理控制頁巖儲層壓裂改造規模，實現優產高產。模型模擬結果與實際生產數據擬合較好，驗證了本研究理論模型的適用性。

赤鐵礦的自載體作用及對浮選的影響

李東, 印萬忠, 孫春寶, 張瑞洋

2019, 41(11): 1397-1404. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.05.004

[摘要](1206)

[HTML全文] (709)

[PDF 1341KB](50) [施引文獻] ()

摘要:
通過單礦物浮選試驗、光學顯微鏡分析、E-DLVO理論計算、團聚動力學分析等研究了油酸鈉浮選體系下赤鐵礦浮選過程中的自載體作用。單礦物浮選試驗表明，粗粒赤鐵礦（?106 + 45 μm）的可浮性較好，當油酸鈉用量超過15 mg·L^?1時，回收率可達到90%以上，而細粒赤鐵礦（?18 μm）的浮選回收率、浮選速率則較低；當粗?細赤鐵礦中粗粒和細粒的質量近似相等時，粗粒的“自載體”效果最強，浮選回收率增加的也最明顯，但粗粒過量則會導致粗粒對細粒赤鐵礦浮選的強化作用減弱。光學顯微鏡分析和E-DLVO理論計算表明，粗?細赤鐵礦顆粒間的相互作用能高于細粒赤鐵礦間的相互作用能，與細粒赤鐵礦相比，粗?細赤鐵礦間更容易發生團聚，這也是粗粒能夠強化細粒赤鐵礦浮選（自載體作用）的主要原因。但過量的粗粒赤鐵礦會增強其浮選過程中的“磨削、剪切”作用，導致粗粒的“自載體”效果減弱，浮選回收率降低。

濃密增效劑對尾砂料漿濃密性能的影響及機理

周茜, 劉娟紅, 吳愛祥, 王洪江, 付士峰, 谷峪

2019, 41(11): 1405-1411. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.16.002

[摘要](1447)

[HTML全文] (651)

[PDF 879KB](43) [施引文獻] ()

摘要:
針對膏體充填技術中添加絮凝劑對尾砂濃密后濃度提高有限，且屈服應力增大，流動性降低等問題，研究了絮凝劑?濃密增效劑共同作用，進一步提高全尾砂膏體充填料漿濃度，降低料漿屈服應力，并從微觀角度進行機理分析. 結果表明：通過沉降與流變試驗發現，最佳添加工藝為加入絮凝劑沉降完畢后再加入濃密增效劑，固相質量分數可提高8.57%～10.13%，同時屈服應力降低6.68～12.85 Pa；多組分濃密增效劑不僅能降低單耗與成本，還可以提高膏體充填材料的抗壓強度；灰砂質量比1∶12并添加濃密增效劑的膏體充填材料28 d抗壓強度為2.5 MPa，與灰砂質量比1∶6未添加濃密增效劑的膏體充填材料強度相差小于20%；通過總有機碳（TOC）吸附試驗與Zeta電位試驗發現，濃密增效劑具有吸附與分散的作用，會打開絮凝結構，釋放絮團間水，從而提高尾砂濃度，并改善尾砂顆粒的流動性.

基于PCA和MCMC的貝葉斯方法的海下礦山水害源識別分析

顏丙乾, 任奮華, 蔡美峰, 郭奇峰, 王培濤

2019, 41(11): 1412-1421. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.03.004

[摘要](1037)

[HTML全文] (775)

[PDF 920KB](41) [施引文獻] ()

摘要:
海底金礦礦山水害對礦山生產、人員施工及礦山設備等產生較大威脅，是礦山開采中的自然災害之一，快速有效的判別出礦山水害水源對于事故的防治有重要意義。三山島金礦的巷道圍巖裂隙普遍并長期存在涌水現象，礦區開采中礦井水害的水源主要有海水、第四系水、基巖裂隙水、地下水等，為了準確快速的判別礦井水水源，有效預防礦井水突水及水害威脅，本研究結合監測點水樣的水文地質條件與不同監測點水樣的水化學成分分析，選取Mg²⁺、Na⁺+K⁺、Ca²⁺、SO₄^2?、Cl^?和HCO₃ ^?共6項指標作為判別因子，通過主成分分析得出不同水樣的礦化程度。在貝葉斯算法分析原理的基礎上，將馬爾可夫鏈蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo, MCMC)引入到貝葉斯方法中，運用統計軟件SPSS統計，構建貝葉斯判別分析模型，得出基于水樣樣本信息的算法估計的后驗分布，得出礦山水害水源的分析方法。運用三山島金礦水害取水點的水樣分析數據進行詳細的分析驗證，建立礦井突水水源模型，進行不同水樣的信息分析，得出貝葉斯統計函數并進行水源判別結果分析，驗證了貝葉斯礦山水害水源判別模型的準確性和實用性，對現場工作的開展和水害防治有一定的指導意義。

劈裂荷載下的巖石聲發射及微觀破裂特性

劉希靈, 劉周, 李夕兵, 韓夢思, 楊柳青

2019, 41(11): 1422-1432. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.29.005

[摘要](1560)

[HTML全文] (1161)

[PDF 5761KB](43) [施引文獻] ()

摘要:
通過開展花崗巖和大理巖巴西圓盤聲發射試驗，結合掃描電鏡進行破裂面微觀形貌分析，探討了劈裂荷載下巖石聲發射特性與微觀破裂機制的關系。結果表明：基于RA（上升時間與幅值的比值）和AF（平均頻率）的變化趨勢，不同裂紋模式（拉伸裂紋、剪切裂紋以及復合裂紋）的分布和破壞強度受巖石結構影響，但巖石裂紋演化過程不受其影響。相應地，兩種巖樣破裂信號均以400～499 kHz為主，100～199 kHz的信號次之，但不同破裂階段的峰值頻率變化趨勢顯著不同。在微觀形貌上，花崗巖劈裂面的微觀形貌以層疊狀、臺階狀及平坦狀為主；而大理巖以光滑多面體狀為主。此外，結合頻率?尺度縮放關系可推測，400～499 kHz的信號應主要來自鉀長石、大理巖礦物顆粒內部的破裂；100～199 kHz的信號應主要來自石英礦物顆粒內部不連續分離以及壓密階段礦物顆粒之間的滑移。

凍融循環對全尾砂固結體力學性能影響及無損檢測研究

侯運炳, 張興, 李攀, 丁鵬初, 曹曙雄, 韓冬

2019, 41(11): 1433-1443. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.23.002

[摘要](1084)

[HTML全文] (667)

[PDF 1517KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
尾砂固結排放能有效解決尾砂的處置問題，然而固結后的尾砂堆體多處于地表，其性能受自然環境影響較大。我國北方地區存在廣泛的凍融循環現象，凍融作用會影響固結體的強度和聲電特性，為探究凍融循環條件下全尾砂固結體損傷狀態和機制，以李樓鐵礦全尾砂固結體為研究對象，對經歷不同凍融循環次數的全尾砂固結體試樣進行無側限抗壓強度試驗、掃描電鏡（SEM）試驗、電阻率試驗和超聲波波速試驗，借助Matlab軟件二值化數字圖像處理技術對試樣的表面裂隙進行定量分析，并利用電阻率和超聲波檢測技術對固結體試樣凍融循環損傷進行聯合檢測。結果表明：隨凍融循環次數的增加，固結體的無側限抗壓強度呈指數型減小趨勢，凍融循環早期（0～5次）固結體的強度減少量最多；凍融循環對固結體的損傷是逐漸累積的過程，全尾砂固結體表觀劣化特征發展過程為：微裂隙萌生→裂隙延伸發展→外表層破壞→內部結構破壞；固結體初始強度越大，表面裂紋數越少；內部微觀結構由密實狀態向疏松狀態轉變；固結體無側限抗壓強度與電阻率、超聲波縱波波速呈正相關，遵循對數函數關系，建立了強度?電阻率和強度?超聲波波速無損檢測模型；電阻率和超聲波波速能準確全面地評價凍融循環條件下全尾砂固結體的損傷狀態。

時效對Al?2Li二元合金鈍化膜耐蝕性及結構的影響

王赫男, 鄧佳誠, 邵冰冰, 劉紅

2019, 41(11): 1444-1449. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.30.004

[摘要](996)

[HTML全文] (732)

[PDF 1282KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
Al?Li合金具有低密度、高強韌性和低的腐蝕疲勞擴展速率的優點，在航空領域有著廣泛應用。Al₃Li（δ′）相是Al?Li合金中主要強化相之一，因含有活性元素Li對該合金的腐蝕行為產生顯著影響。為明確δ′相在Al?Li合金電化學腐蝕中的作用，真空熔煉制備Al?2Li二元合金，固溶后進行180 ℃等溫時效，用X射線衍射（XRD）檢測合金的相組成。在質量分數為3.5% 的NaCl水溶液中，用動電位極化的方法測量了該合金的極化曲線。?0.85 V vs SCE鈍化電位下形成鈍化膜后，用電化學阻抗（EIS）檢驗鈍化膜的耐蝕性；用恒電位陽極極化和Mott?Schottky（M?S）曲線對該合金鈍化膜的結構進行分析。結果表明，Al?2Li合金的自腐蝕電位隨時效時間增加先正移后負移；固溶和時效合金鈍化膜的EIS都由兩個容抗弧組成，時效未改變鈍化膜的腐蝕機制；鈍化膜耐蝕性由高到低的順序為：時效20 h>固溶>時效40 h>時效1 h，且耐蝕性與其致密性及膜內的載流子密度有關。

多目標多約束混合流水車間插單重調度問題研究

何小妹, 董紹華

2019, 41(11): 1450-1457. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.27.002

[摘要](1541)

[HTML全文] (996)

[PDF 1381KB](65) [施引文獻] ()

摘要:
研究了多目標多階段混合流水車間的緊急訂單插單重調度問題，綜合考慮工件批量、刀具換裝時間、運輸能力等約束。先以最小化訂單完工時間和最小化總運輸時間為雙目標建立靜態初始訂單調度模型，再針對緊急訂單插單干擾，增加最小化總加工機器偏差值目標，建立三目標重調度優化模型，并分別用NSGA-II算法與融合基于事件驅動的重調度策略和重排插單策略的NSGA-III算法對兩個模型進行求解。最后，以某實際船用管類零件生產企業為案例，先對NSGA-II算法和NSGA-III算法的性能進行評估，得到NSGA-II算法更適用于解決雙目標優化問題而NSGA-III算法在解決三目標優化問題時表現更優的結論，再將所建模型與所提算法應用于該企業的十組插單案例中，所得優化率接近三分之一，驗證了實用性和有效性。

變工況過程中球軸承保持架的穩定性

張志強, 王黎欽, 張傳偉, 張雨萌, 古樂

2019, 41(11): 1458-1464. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.30.002

[摘要](1143)

[HTML全文] (722)

[PDF 22504KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
建立了球軸承ADAMS多體動力學模型，考慮軸承各元件之間的相互碰撞作用及摩擦力，分析了變工況下動量輪用球軸承的保持架質心的渦動行為，對保持架的運行穩定性做出了定量的分析。討論了軸承啟動加速度大小、軸向載荷和有無重力場對保持架穩定性的影響。結果表明軸承啟動加速度增加，縮短了軸承啟動過程的時間，引導面對保持架的引導作用增強，較高的轉速更有利于保持架運行的穩定，但較大的啟動加速度使得軸承摩擦力矩較大；軸向載荷升高加劇了滾動體與保持架的碰撞，增加了保持架的渦動狀態，而且軸向載荷的增加使得軸承摩擦力矩增加；失重狀態下保持架與套圈的碰撞加劇，保持架渦動增加。

熱軋過程中摩擦系數非對稱性對軋機振動及穩定性的影響

黃金磊, 臧勇, 郜志英

2019, 41(11): 1465-1472. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.06.002

[摘要](1142)

[HTML全文] (784)

[PDF 2216KB](28) [施引文獻] ()

摘要:
建立了摩擦系數非對稱性的軋制過程模型，并與某熱軋機傳動系統的垂直?水平?扭轉結構模型相結合，建立了結構?過程相耦合的動力學模型。利用穩定性準則確定了摩擦系數非對稱作用下軋機系統的穩定域，分析了摩擦系數的非對稱性對軋機系統振動特性和穩定性的影響規律。通過仿真分析表明，摩擦系數的非對稱性對系統的穩定性有顯著的影響，隨著非對稱程度的不同，系統會出現穩定域、水平失穩域和水平扭轉失穩域，不同程度的非對稱性會造成不同的振動形態。通過對某熱軋廠現場測試，得到了軋機系統的振動信號，驗證了仿真分析的正確性，同時指出軋制集裝箱板和普板（Q235）時的變形抗力不同引起穩定域的差異，從而使得在摩擦系數的非對稱程度一樣時，軋制集裝箱板時落在了水平失穩域，系統出現了明顯的水平振動；軋制普板（Q235）時落在了穩定域，系統沒有明顯的振動。

π型向心徑向流吸附器氣?固兩相模型傳熱傳質特性

王浩宇, 劉應書, 張傳釗, 陳福祥, 馬曉鈞, 李春旺

2019, 41(11): 1473-1483. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.26.001

[摘要](1104)

[HTML全文] (750)

[PDF 1726KB](29) [施引文獻] ()

摘要:
為了明確徑向流吸附器變壓吸附制氧的傳熱傳質規律并提高制氧效率，建立π型向心徑向流吸附器（CP-π RFA）的氣固耦合兩相吸附模型，通過計算流體力學方法對能量模型、吸附熱以及顆粒尺寸等因素進行了數值模擬。結果表明：單相模型在加壓過程和吸附過程中床層內最高溫度分別為309.19 K和311.63 K，氧氣摩爾分數最高值分別為55.66%和62.65%；同等條件下兩相模型在加壓過程和吸附過程中床層內最高溫度分別為302.27 K和305.29 K，氧氣摩爾分數最高值分別為57.51%和66.02%。未考慮吸附熱的加壓過程和吸附過程床層內最高溫度分別為293.5 K和293.9 K，氧氣摩爾分數最高值分別為59.25%和72.18%；同等條件下考慮吸附熱時在加壓過程和吸附過程中床層內最高溫度分別為302.3 K和305.3 K，氧氣摩爾分數最高值分別為57.51%和66.02%。隨著顆粒直徑的增加，出口產品氣的氧氣摩爾分數逐漸下降，同時產品氣流量與回收率逐漸增加，顆粒直徑1.6 mm為最佳吸附劑顆粒直徑。本實驗獲得了吸附器內部傳熱傳質規律，為CP-π RFA用于變壓吸附制氧提供重要的技術參考。

視線追蹤中一種新的由粗及精的瞳孔定位方法

李擎, 胡京堯, 遲健男, 張曉翠, 張國勝

2019, 41(11): 1484-1492. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.06.005

[摘要](903)

[HTML全文] (769)

[PDF 1208KB](45) [施引文獻] ()

摘要:
基于圖像處理的方法，采用了由粗及精的瞳孔定位思想，提出了一種高精度的瞳孔定位算法。該算法首先利用瞳孔區域的直方圖，采用改進的最大類間方差法自適應地分割瞳孔區域，實現粗略定位，然后利用瞳孔灰度的梯度特性來精確定位瞳孔邊緣點，最后在像素級瞳孔邊緣點的基礎上，采用亞像素定位方法，更精確地求得亞像素級瞳孔邊緣點，并通過橢圓擬合的方法來精確確定瞳孔的中心位置。另外，針對瞳孔被遮擋的情況，本文提出了一種等距離補償瞳孔的方法。多次實驗結果證明了該算法對遮擋瞳孔的定位有較強的魯棒性，可以準確地定位瞳孔的位置。

長時間頸部前屈對頸部肌肉疲勞的影響

徐明偉, 金龍哲, 于露, 劉建國, 張安琪

2019, 41(11): 1493-1500. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.24.007

[摘要](1710)

[HTML全文] (1121)

[PDF 1050KB](66) [施引文獻] ()

摘要:
長期頸部前屈對頸椎造成嚴重影響。為定量評估長時間低頭對頸椎疲勞造成的影響，選取20名健康受試者，保持低頭角度40°～60°持續3 h。選擇胸鎖乳突肌，頸部夾肌和肩部斜方肌測量其表面肌電信號。經濾波、整流、振幅標準化等處理后，對每60 s的肌電值進行積分和求其平均功率頻率。研究發現，積分肌電值的波動變化具有規律性，首次增大后的減小表征肌肉進入疲勞狀態；不同肌肉的平均功率頻率(mean power frequency，MPF)值具有明顯差異，決定著該肌肉疲勞耐受性的持續時間，且在整個頸部前屈過程中MPF并非簡單的線性關系。提出用MPF的導數來提取疲勞特征，用窗口化的MPF負數累積判定肌肉疲勞。結果表明，MPF負數累積能很好地判斷肌肉疲勞，胸鎖乳突肌在20 min內出現最終疲勞，而頸部夾肌和肩部斜方肌在20 min左右出現了短暫性疲勞，隨后在75～100 min時又出現了最終疲勞。因此建議持續頸部前屈時長不超過20 min。