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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2021年第43卷第11期

欄目

礦業工程·冶金工程·材料科學與工程
機械工程·控制科學與工程
土木工程·環境工程
能源工程

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礦業工程·冶金工程·材料科學與工程

基于FBRM和PVM技術的尾礦濃密過程絮團演化規律

周旭, 阮竹恩, 吳愛祥, 王洪江, 王貽明, 尹升華

2021, 43(11): 1425-1432. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.004

[摘要](1587)

[HTML全文] (720)

[PDF 1735KB](182) [施引文獻] ()

摘要:
在初始泥層高75 cm和耙架轉速為0、0.1、1和10 r·min^?1條件，以及耙架轉速為0.1 r·min^?1和初始泥層高度為75、45和25 cm條件下，采用FBRM和PVM實時在線監測技術，對動態濃密系統泥層脫水過程絮團結構演化進行原位連續觀測，獲得了泥層脫水過程中，絮團直徑、數量分布特征和實時圖像。研究結果表明，尾礦濃密過程中絮團直徑和數量隨剪切時間延長呈現先增長后降低，再保持穩定的狀態。根據絮團直徑變化程度，將絮團密實化過程分為絮團生長期、絮團重構期和絮團破碎期3個階段。在剪切速率0.1 r·min^?1和初始泥層高度75 cm實驗條件下，有利于絮團生長和絮團快速破裂重構，并提高絮團密實化程度，但過高的剪切速率作用對絮團結構影響程度下降。剪切速率的增加造成絮團平均直徑減小，同時絮團平均直徑減小的速率上升。隨著初始泥層高度增大，絮團生長階段時間更長，絮團直徑峰值更大，重構期較長，絮團平均直徑隨初始泥層高度增加而增大。尾礦絮團分形維數可以反映絮團結構變化特征，結合PVM圖像的分形維數和孔隙率計算，分析了剪切破壞力與絮團凝聚力存在的相互平衡關系，基于這種動態平衡對絮團破裂程度的影響，研究了尾礦濃密過程中的絮團密實化規律。

月壤原位利用技術研究進展

車浪, 王彬, 趙鵬飛, 朱洪斌, 程鵬, 李光石, 張永合, 魯雄剛

2021, 43(11): 1433-1446. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.26.003

[摘要](1135)

[HTML全文] (456)

[PDF 1472KB](226) [施引文獻] ()

摘要:
月球礦物資源的原位利用技術是月球基地建立和后續深空探索的基礎。由于月球特殊環境及地月運輸成本的限制，現有礦冶技術難以直接應用于月球礦物的原位開發。各國的科研人員圍繞月球礦物資源原位利用方向開展了卓有成效的研究工作，發展了幾種極具應用潛力的技術。這些方法可分為材料化成型和提取冶金兩類，其中材料化成型工藝如燒結法、3D增材制造法等，主要用于將月壤直接材料化成型以制備月球基地建材。提取冶金工藝包括碳/氫化學介質還原法、電解還原法以及真空熱解法等，可生產月壤礦物對應的金屬單質或其低價氧化物，并獲得氧氣。本文概述了已有月壤原位利用技術的一般原理、基本過程、熱力學動力學基礎及近期研究進展。探討了這些方法的一些優缺點，并展望了其在月球礦物原位利用上的應用前景。

含Ti不銹鋼冶金工藝進展

王啟明, 成國光

2021, 43(11): 1447-1458. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.03.003

[摘要](1724)

[HTML全文] (436)

[PDF 1609KB](156) [施引文獻] ()

摘要:
圍繞含Ti不銹鋼冶金工藝的研究進展，從冶金物理化學基礎、氧化物和TiN夾雜的形成與控制、凝固過程TiN復合核心和Ti元素對不銹鋼鑄件力學性能的影響等方面進行了總結和討論。主要的研究進展為：含Ti不銹鋼在冶煉過程生成的Al₂O₃、鎂鋁尖晶石、(MgO?Al₂O₃)_rich?CaO?TiO_x等高熔點氧化物夾雜是導致含鈦不銹鋼連鑄水口堵塞的主要原因；優化的Al、Ca、Ti的添加方式和爐渣控制工藝是夾雜物減少和低熔點化的重要手段；TiN夾雜的析出、擴散長大和碰撞聚合的基本規律是關注的熱點，鋼液中大尺寸氧化物夾雜會促進TiN團簇的形成；通過嚴格控制凝固過程TiN或氧化物-TiN復合核心能夠促進δ-Fe異質形核，提高連鑄坯等軸晶率；固溶Ti元素能提高奧氏體或雙相不銹鋼中鐵素體含量，提升不銹鋼鑄件的拉伸性能。

難熔高熵合金：制備方法與性能綜述

宗樂, 徐流杰, 羅春陽, 魏世忠

2021, 43(11): 1459-1473. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.27.003

[摘要](3506)

[HTML全文] (1074)

[PDF 2866KB](592) [施引文獻] ()

摘要:
從加工方法、微觀結構以及各類性能三方面介紹了難熔高熵合金(Refractory high-entropy alloys，RHEAs)，最后對難熔高熵合金的發展和未來進行了展望。以MoNbTaVW為代表的難熔高熵合金在高溫下表現出優于傳統鎳基高溫合金的壓縮屈服強度，且屈服強度隨溫度的變化更加緩慢，高溫力學性能優異；以MoNbTaVW、MoNbTaTiZr、HfNbTiZr等為代表的難熔高熵合金，與商用高溫合金、難熔金屬、難熔合金以及工具鋼相比，展現出更優的耐磨性能。以W₃₈Ta₃₆Cr₁₅V₁₁合金為代表的難熔高熵合金在輻照后，除了析出小顆粒第二相外，不存在位錯環缺陷結構，抗輻照性能優異。提出了難熔高熵合金未來發展的兩大方向：建立高通量的實驗和計算方法繼續探索更多的難熔高熵合金組成和結構模型；探索多場耦合環境下難熔高熵合金的服役行為。

雙電弧集成冷絲復合焊中冷絲位置對焊接過程的影響

向婷, 張明瑞, 李桓, 高瑩, 吳世品, 婁麗艷

2021, 43(11): 1474-1481. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.10.001

[摘要](664)

[HTML全文] (351)

[PDF 3032KB](48) [施引文獻] ()

摘要:
搭建了雙電弧集成冷絲復合焊接系統，研究了冷絲不同位置對焊接過程的影響機理，其中包括冷絲作用位置對其加熱熔化作用及表面成形的影響。實驗結果表明：冷絲從兩引導焊絲正前方送入時，熔池前端對冷絲的加熱熔化作用不充分，冷絲末端會頂觸熔池底部，隨著冷絲的持續送進和母材的向后移動，某一時刻冷絲回彈，焊絲末端的熔滴彈出落在母材表面形成大顆粒飛濺。當冷絲從側面送入時，熔池一側的溫度較低，影響熔池金屬的流動，導致最終的焊縫成形不對稱分布。當冷絲從兩引導焊絲正后方送入熔池時，冷絲始終插入熔池中，焊接過程穩定，是理想的冷絲作用位置。此外，隨著冷絲送絲速度的增加，兩種脈沖電流模式（同相和反相）下，熔敷率均隨之增加，且相差不大。同相脈沖電流下電弧對冷絲的加熱熔化作用最強烈，反相脈沖電流下次之，直流模式下最弱。

機械工程·控制科學與工程

一種基于輕量級神經網絡的高鐵輪對軸承故障診斷方法

鄧飛躍, 丁浩, 呂浩洋, 郝如江, 劉永強

2021, 43(11): 1482-1490. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.09.001

[摘要](2035)

[HTML全文] (247)

[PDF 2293KB](73) [施引文獻] ()

摘要:
深度神經網絡技術用于機械設備故障診斷展現出了巨大潛力，但繁重復雜的計算量對計算機硬件提出了嚴苛的要求，嚴重限制了其在實際工程中的應用。基于此提出一種新型的輕量級神經網絡ShuffleNet，用于高速列車輪對軸承故障診斷研究。該網絡模型基于模塊化設計思想，包含多個高效率的ShuffleNet單元，通過運用分組卷積與深度可分離卷積技術極大改善了傳統卷積操作的運算效率；同時使用通道混洗方法克服了通道分組帶來的約束，改進了網絡的損失精度。實驗分析表明，所提網絡模型可有效用于復雜工況下高速列車輪對軸承故障診斷，相比傳統卷積神經網絡、殘差網絡和Xception等當前深度神經網絡模型，在保證診斷精度的同時，運行效率得到大幅提升。這為深度神經網絡技術應用于工程實際，克服計算機硬件條件限制提供了一條新的途徑。

帶有限緩沖區的混合流水車間多目標調度

袁慶欣, 董紹華

2021, 43(11): 1491-1498. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.26.002

[摘要](1533)

[HTML全文] (717)

[PDF 1251KB](87) [施引文獻] ()

摘要:
研究對象是帶有限緩沖區混合流水車間中的多目標調度問題。以各機器前置后置緩沖區容積有限、工件以批量形式運輸、運載設備的運載能力有限等作為資源限制因素，以最小化完工時間、最小化物料運輸時間、最小化并行機前置緩沖區空間占用率均衡指數為目標，建立調度模型。分別采用NSGA-II、NSGA-III算法求解該模型，并對比兩者之間的差別；設置不同的緩沖區容積，探究不同緩沖區容積對生產目標的影響，尋找最優緩沖區容積；建立不同模型，探究以最小化并行機前置緩沖區空間占用率均衡指數為目標的意義，最后以某船用管類生產企業的實際生產案例作為對象，通過對比優化結果與實際生產數據，驗證了算法有效性。

深度學習中注意力機制研究進展

劉建偉, 劉俊文, 羅雄麟

2021, 43(11): 1499-1511. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.30.005

[摘要](1937)

[HTML全文] (653)

[PDF 1001KB](386) [施引文獻] ()

摘要:
對注意力機制的主流模型進行了全面系統的概述。注意力機制模擬人類視覺選擇性的機制，其核心的目的是從冗雜的信息中選擇出對當前任務目標關聯性更大、更關鍵的信息而過濾噪聲，也就是高效率信息選擇和關注機制。首先簡要介紹和定義了注意力機制的原型，接著按照多個層面對各種注意力機制結構進行分類，然后對注意力機制的可解釋性進行了闡述同時總結了在各種領域的應用，最后指出了注意力機制未來的發展方向以及會面臨的挑戰。

一種基于卷積神經網絡的CSI指紋室內定位方法

劉帥, 王旭東, 吳楠

2021, 43(11): 1512-1521. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.09.003

[摘要](1214)

[HTML全文] (799)

[PDF 1312KB](146) [施引文獻] ()

摘要:
針對提高Wi-Fi指紋室內定位技術性能，提出了一種基于卷積神經網絡（Convolutional neural networks，CNN）的信道狀態信息（Channel state information，CSI）指紋室內定位方法。在離線階段聯合定位環境參考點的幅度差和相位差信息，利用CNN進行訓練，保存訓練后的CNN網絡模型作為指紋；在線階段，針對不同實驗場景，對測試數據的幅度差信息和相位差信息進行加權處理，引入改進的基于概率的指紋匹配算法，利用待定位點的CSI信息并通過CNN網絡模型預測待定位點的坐標。此外，為增強算法普適性，針對復雜室內場景，提出了雙節點定位方案來提高定位精度。在廊廳和實驗室室內兩種不同定位場景進行了實驗，信息聯合定位算法分別獲得了24.7 cm和48.1 cm的平均定位誤差，驗證了基于CNN的CSI幅度差和相位差聯合定位算法的有效性。

土木工程·環境工程

新型裝配式雙艙綜合管廊節點的力學性能試驗

匡亞川, 姜厲陽, 劉胤虎, 莫小飛, 伏亮明, 羅時權

2021, 43(11): 1522-1533. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.07.002

[摘要](629)

[HTML全文] (217)

[PDF 1496KB](52) [施引文獻] ()

摘要:
預制裝配綜合管廊結構中，節點是結構的薄弱環節，其力學性能直接影響整體結構的變形和承載力等。本文提出了一種“U型套箍插筋連接”新型裝配式雙艙綜合管廊結構，通過4個節點足尺試件力學性能試驗，包括1個底部L型現澆邊節點試件，1個底部L型裝配邊節點試件，1個頂部L型裝配節點試件和1個底部T型裝配節點試件，以此來驗證“U型套箍插筋”連接技術的有效性。試驗得到了節點足尺試件的開裂荷載、裂縫發展規律、承載能力、破壞方式、構件延性等力學性能。試驗結果表明：新型裝配式管廊節點試件都在靠近角點區域發生彎剪破壞，具有較高的承載力和延性；采用“U型套箍插筋”連接性能可靠，能夠獲得與現澆節點試件相當的力學性能。

堿金屬改性對ZSM-5結構和吸附甲苯特性的影響及機理

崔永康, 邢奕, 蘇偉, 王嘉慶

2021, 43(11): 1534-1542. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.25.001

[摘要](1789)

[HTML全文] (395)

[PDF 1259KB](82) [施引文獻] ()

摘要:
ZSM-5是一種常用來吸附甲苯的微孔吸附劑，選擇三種堿金屬Li、Na和K對ZSM-5進行改性，結合表征手段和數學模型的方式研究引入ZSM-5中的堿金屬對微孔結構和吸附甲苯的影響。在此實驗中，分別從吸附容量、放熱能量、擴散阻力和脫附活化能四方面深入探討堿金屬對吸附甲苯的影響規律。基于實驗結果得知：堿金屬的引入改變了ZSM-5分子篩的微孔結構并呈現出一定的規律。隨著離子半徑(Li⁺<Na⁺<K⁺)的升高，ZSM-5的孔徑、比表面積和孔體積隨之降低，影響規律為Li?ZSM-5 > Na?ZSM-5 > K?ZSM-5。靜態飽和吸附量呈Li?ZSM-5（0.363 mmol·g^?1）>Na?ZSM-5（0.360 mmol·g^?1）>K?ZSM-5（0.325 mmol·g^?1）排序。恒定濃度波模型很好的描述甲苯在ZSM-5上的吸附擴散行為，空間位阻和靜電束縛力分別在高低進氣濃度條件下對甲苯在ZSM-5孔道中的擴散占據主導作用，較高進氣質量濃度(155 mg·m^?3)條件下，堿金屬改性對擴散阻力影響規律為Li?ZSM-5<Na?ZSM-5<K?ZSM-5；較低進氣質量濃度（25 mg·m^?3）條件下，影響規律為Li?ZSM-5>Na?ZSM-5>K?ZSM-5。結合脫附動力學分析，Na?ZSM-5因具有較大的孔徑和適中的吸附強度，表現出更好的再生潛能。本研究從空間位阻和吸附強度兩方面系統闡述了堿金屬改性對甲苯吸附行為的影響機理，為在復雜的實際環境應用中選擇合適的吸附劑提供了一定的參考意義。

陶瓷膜孔道內塵粒沉積及脫附的模擬

熊瑞, 張佳鈺, 閆明偉, 孫廣超, 劉開琪

2021, 43(11): 1543-1551. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.08.002

[摘要](2952)

[HTML全文] (444)

[PDF 1905KB](48) [施引文獻] ()

摘要:
陶瓷膜是過濾高溫含塵煙氣最有效的材料之一，其過濾性能和再生性能與塵粒在陶瓷膜孔道內的沉積和脫附機制相關。本文建立了不同孔隙率的陶瓷膜物理模型，然后結合連續性方程、動量方程和能量方程，設定邊界條件以及沉積條件，模擬了陶瓷膜過濾和脈沖反吹時，高溫煙氣的流動以及塵粒的沉積與脫附過程。結果表明，過濾速度較低和陶瓷膜孔隙率較高時，塵粒易于沉積在陶瓷膜孔道內；脈沖反吹時，增加反吹壓力，延長反吹時間，塵粒易于從陶瓷膜孔道脫附。采用厚度為20 mm，長度為1.5 m，孔隙率為40%的陶瓷膜管過濾溫度為1000 ℃，流速為1 m·min^?1，壓力為0.1 MPa的含塵煙氣時，反吹氣壓力應不低于0.3 MPa，反吹時間不短于0.02 s，塵粒脫附時間在13 s，脈沖反吹時間間隔應高于452 s。

能源工程

基于面投影微立體光刻技術的三維模擬儲層巖心模型制造

孟思煒, 孫大興, 俞佳慶, 莫翌, 邵廣斌, 薛偉杰, 周德開, 鄭立臣

2021, 43(11): 1552-1559. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.10.001

[摘要](1573)

[HTML全文] (1018)

[PDF 1005KB](76) [施引文獻] ()

摘要:
首先搭建具有高精度面投影微立體光刻設備，通過理論分析和實驗相結合的方法獲得最優打印工藝參數，然后提出一種可用于模擬地層巖心的微球堆疊巖心模型，并通過分析巖心模型成型機理，選取具有更高成型精度的堆積方式對巖心模型進行設計。該模擬巖心制造方法具有對特殊巖心結構制造的高適應性，為實驗室顯微鏡下研究多種EOR技術微觀驅替機理提供了新思路。

高壓直流干擾大幅值管地電位產生原因及影響因素分析

袁洵, 杜艷霞, 梁毅, 秦潤之

2021, 43(11): 1560-1568. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.02.002

[摘要](1264)

[HTML全文] (629)

[PDF 1563KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
基于實際的工程參數建立了高壓直流干擾電場計算模型，利用數值模擬計算技術對高壓直流干擾大幅值管地電位的產生原因進行探究。考察接地極與管道之間的間距、管道防腐層類型、管道長度及土壤結構等因素對高壓直流干擾下管地電位的影響規律，得到高壓直流干擾大幅值管地電位是在接地極與管道距離較近、防腐層的絕緣性能較高、管道長度較大及上低下高的土壤電阻率分層結構共同作用下產生的。

能源樁三維螺旋線熱源的瞬態傳熱模型

李慶文, 鄭明陽, 喬蘭, 隋智力

2021, 43(11): 1569-1576. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.03.003

[摘要](2019)

[HTML全文] (565)

[PDF 3308KB](87) [施引文獻] ()

摘要:
將螺旋埋管等效為三維螺旋線熱源，考慮螺旋埋管能源樁的傳熱過程，運用格林函數和第一型曲線進行積分，推導給出了考慮時間、空間位置、埋管參數和巖土體熱物理性質4參數的螺旋埋管能源樁的溫度場解析解，建立高精度三維螺旋埋管能源樁的傳熱模型。并通過在數值模擬軟件中建立螺旋埋管能源樁三維模型，依據邊界條件，求解得出三維螺旋埋管能源樁溫度場數值解。對比結果表明：所建立的能源樁三維螺旋線熱源模型具有很高的解析精度。最后，基于解析模型討論了螺旋埋管能源樁換熱溫度場的空間分布和時間效應。