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6期

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催化材料服役行為的同步輻射原位X射線研究

李然, 謝勇, 孫瑜, 康卓, 汪莉, 張躍

2021, 43(6): 721-731. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.03.004

[摘要](1739)

[HTML全文] (638)

[PDF 1719KB](145) [施引文獻] ()

摘要:
介紹了基于同步輻射的原位X射線吸收譜、原位X射線衍射譜和原位X射線光電子能譜的基本原理及功能，重點綜述了原位X射線技術在電解水催化材料服役行為動態研究中的應用進展，列舉了多種典型電解水催化劑在反應條件下結構動態變化的研究實例，為實現催化材料全生命周期動態構效關系的精準構建提供了技術基礎。最后，分析總結了原位X射線技術在面臨復雜電化學服役環境時所遇到的問題及挑戰，并提出了對先進同步輻射技術及原位X射線譜學的未來展望。

埃洛石納米管的疏水改性及其復合材料的研究進展

曾麗, 韻勤柏, 魯啟鵬, 曹文斌

2021, 43(6): 732-744. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.24.001

[摘要](1419)

[HTML全文] (1195)

[PDF 4673KB](162) [施引文獻] ()

摘要:
埃洛石是一種卷曲的層狀硅鋁酸鹽黏土，其儲量豐富、價格低廉。埃洛石的內外表面分別由Al?OH八面體和Si?O四面體組成，它們在水中以相反的方式電離，導致埃洛石管腔內帶正電荷，外表面帶負電荷，因此可分別利用內外表面成分與電荷性質的不同對其進行疏水改性，用于藥物的裝載和緩釋。同時，埃洛石具有納米管狀結構，可用來構造微?納米分級結構，協同低表面能物質的修飾，增強界面疏水性能，用于高效自清潔和油水分離。本文在介紹埃洛石的疏水結構設計理論的基礎上，綜述了埃洛石納米管（HNTs）的表面進行疏水改性所得到的復合材料在油水分離、疏水自清潔涂料以及藥物的裝載和釋放方面的應用。

多目標粒子群優化算法研究綜述

馮茜, 李擎, 全威, 裴軒墨

2021, 43(6): 745-753. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.31.001

[摘要](3145)

[HTML全文] (1438)

[PDF 701KB](571) [施引文獻] ()

摘要:
針對多目標粒子群優化算法的研究進展進行綜述。首先，回顧了多目標優化和粒子群算法等基本理論；其次，分析了多目標優化所涉及的難點問題；再次，從最優粒子選擇策略，多樣性保持機制，收斂性提高手段，多樣性與收斂性平衡方法，迭代公式、參數、拓撲結構的改進方案5個方面綜述了近年來的最新成果；最后，指出多目標粒子群算法有待進一步解決的問題及未來的研究方向。

基于環境語義信息的同步定位與地圖構建方法綜述

李小倩, 何偉, 朱世強, 李月華, 謝天

2021, 43(6): 754-767. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.09.006

[摘要](3233)

[HTML全文] (1396)

[PDF 803KB](376) [施引文獻] ()

摘要:
同步定位與地圖構建技術（SLAM）是當前機器人領域的重要研究熱點，傳統的SLAM技術雖然在實時性方面已經達到較高的水平，但在定位精度和魯棒性等方面還存在較大缺陷，所構建的環境地圖雖然一定程度上滿足了機器人的定位需要，但不足以支撐機器人自主完成導航、避障等任務，交互性能不足。隨著深度學習技術的發展，利用深度學習方法提取環境語義信息，并與SLAM技術結合，越來越受到學者的關注。本文綜述了環境語義信息應用到同步定位與地圖構建領域的最新研究進展，重點介紹和總結了語義信息與傳統視覺SLAM在系統定位和地圖構建方面結合的突出研究成果，并對傳統視覺SLAM算法與語義SLAM算法做了深入的對比研究。最后，展望了語義SLAM研究的發展方向。

石粉對赤泥基注漿材料的影響機制

李召峰, 陳經棚, 楊磊, 齊延海, 張健, 張晨

2021, 43(6): 768-777. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.01.005

[摘要](762)

[HTML全文] (365)

[PDF 1748KB](36) [施引文獻] ()

摘要:
為明確石粉摻合料對地聚物材料的作用機理，以赤泥基注漿材料為研究對象，系統研究了石粉摻量和粒徑分布對赤泥基注漿材料漿體性能、力學性能和微觀結構的作用規律，并結合X射線衍射儀（XRD）、壓汞儀（MIP）和掃描電鏡（SEM）等微觀測試手段分析其作用機理。研究表明，結石體力學強度隨石粉摻量的上升先增大后減小，當石粉的質量分數為5%時抗壓強度最高，3 d時可達5.65 MPa，抗壓強度提升幅度為18.94%，同時漿液泌水率上升幅度僅為9.85%，且28 d結石體孔隙率降低了18.35%，因此，5%為石粉在赤泥基注漿材料中的最佳質量分數。在石粉最佳質量分數條件下，隨著石粉平均粒徑減小，漿液凝結時間及泌水率均呈現下降的趨勢；當石粉平均粒徑達到8 μm時，石粉“填充效應”和“成核效應”作用尤為明顯，漿液黏度突升，且3 d和28 d試樣強度分別提升了11.86%和10%，故石粉平均粒徑越小，其對赤泥基注漿材料的提升作用越顯著，赤泥基注漿材料的最佳粉料質量配比為赤泥47.5%，礦粉47.5%，石粉5%；微觀分析證實，石粉在漿液水化歷程中以物理特性參與其中，為Na₂O–SiO₂–Al₂O₃–H₂O凝膠（N–A–S–H）, 水化硅鋁酸鈣凝膠（C–A–S–H）和水化硅酸鈣凝膠（C–S–H）等凝膠提供成核位點，供地聚物凝膠沉淀和生長，加速漿液水化。

電化學修復后鋼筋混凝土黏結性能演變規律

樊瑋潔, 吳云濤, 毛江鴻, 金偉良, 陳錦森

2021, 43(6): 778-785. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.01.004

[摘要](1363)

[HTML全文] (603)

[PDF 1640KB](41) [施引文獻] ()

摘要:
針對電化學修復技術導致修復后結構內鋼筋混凝土黏結性能退化問題，通過中心拉拔實驗獲取電化學修復后鋼筋混凝土黏結滑移曲線，研究電化學修復參數（電流密度和通電時間）對鋼筋混凝土黏結性能的影響規律，通過實驗結果進行模型參數分析，建立基于電流密度和通電時間兩個控制變量的黏結強度劣化模型。研究結果表明：電通量較小的情況下，鋼筋混凝土黏結性能損失較小；不控制通電參數的電化學修復技術導致黏結強度下降明顯，采用5 A·m^–2的電流開展28 d的恒電流通電，試件的最大黏結力損失量高達56.9%；本文提出的劣化模型可以定量表征電化學修復后試件黏結強度折減情況，模型的數值模擬結果與本文及其他文獻的實驗結果均有較好的一致性，相關系數分別為0.9606和0.9745。

卷渣類夾雜物在結晶器鋼液中成分轉變的動力學模型

王舉金, 張立峰, 陳威, 王勝東, 張月鑫, 任英

2021, 43(6): 786-796. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.13.003

[摘要](1525)

[HTML全文] (752)

[PDF 2195KB](95) [施引文獻] ()

摘要:
國內某廠鍍錫板缺陷處夾雜物主要來自結晶器保護渣的卷入，但其成分與結晶器保護渣有明顯差別。為了進一步研究這種成分差別的原因，建立了耦合熱力學平衡和動力學擴散的結晶器卷渣類夾雜物的成分轉變動力學模型，明確了卷渣類夾雜物的尺寸和密度對其成分轉變的影響規律，并通過對結晶器和液相穴內的鋼液流動和夾雜物運動的數值模擬研究了夾雜物在鋼液中的停留時間。結果表明：結晶器保護渣卷入鋼液后與鋼液不斷發生反應，成分會發生明顯改變。卷渣類夾雜物轉變為缺陷處夾雜物所需要的時間與夾雜物尺寸以及夾雜物密度有關，夾雜物的尺寸和密度越大，轉變為缺陷處夾雜物成分所需的時間越長。卷渣類夾雜物轉變為缺陷處夾雜物所需時間與夾雜物尺寸呈冪函數關系，與夾雜物密度呈二次函數關系。夾雜物在鋼液中的平均停留時間隨夾雜物直徑的增大而減小，并且隨著拉速的增大而減小。小尺寸夾雜物一旦被卷入鋼液中，將有充足的時間轉變為缺陷處的成分。大尺寸夾雜物在鋼液中的平均停留時間小于成分轉變時間，但最大停留時間遠大于成分轉變所需時間，表明部分大尺寸夾雜物依然具有充足的停留時間轉變為缺陷處的成分。

行波磁場鑄流攪拌提升不銹鋼板坯等軸晶率

肖紅, 王璞, 蘭芳, 李偉紅, 唐海燕, 李愛武, 張家泉

2021, 43(6): 797-807. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.09.001

[摘要](1560)

[HTML全文] (431)

[PDF 1528KB](38) [施引文獻] ()

摘要:
為揭示各種行波磁場鑄流攪拌的電磁冶金效果，基于計算域分段法建立了斷面1280 mm×200 mm板坯連鑄電磁、流動、傳熱和凝固的耦合模型，利用電氣參數和磁感應強度的實測值和預測值的對比驗證了模型的可靠性。研究表明：行波磁場攪拌器因電磁推力的方向性特點在板坯二冷區攪拌過程中均表現有不同程度與特征的端部效應，輥后箱式攪拌器(Box-typed electromagnetic stirrer, B-EMS)的單側安裝形式導致板坯內弧側磁感應強度遠大于外弧側，輥式攪拌器(Roller-typed electromagnetic stirrer, R-EMS)的對輥安裝形式則使磁感應強度呈現對稱分布。在400 kW和7 Hz的相同電氣參數下，R-EMS的電流強度比B-EMS高75 A；盡管箱式電磁攪拌的有效作用區域較輥式電磁攪拌大，鑄坯中心鋼液過熱耗散區域大，但輥式攪拌推動鋼液沖刷凝固前沿形核作用則明顯大于箱式攪拌。兩者均具有較好的抑制柱狀晶生長、促進凝固前沿等軸晶形核與發展的能力，將不銹鋼板坯等軸晶率提高至45%的門檻值以上，其中間隔型反向輥式攪拌器下的等軸晶率比箱式攪拌高約17%。綜合表明，基于行波磁場鑄流攪拌的間隔型反向輥式攪拌器有望更好地消除鐵素體不銹鋼板材表面皺折缺陷。

自支撐二維Ti₃C₂T_x(MXene)薄膜電化學性能

武偉, 王恩會, 楊濤, 侯新梅

2021, 43(6): 808-815. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.05.001

[摘要](1770)

[HTML全文] (814)

[PDF 1769KB](107) [施引文獻] ()

摘要:
采用LiF?HCl混合溶液刻蝕法刻蝕Ti₃AlC₂得到Ti₃C₂T_x(MXene)膠體溶液，通過真空抽濾法抽濾MXene膠體溶液得到柔性MXene薄膜。使用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散譜(EDS)和X射線光電子能譜(XPS)等方法表征MXene的物相、形貌及化學元素，并采用循環伏安、恒電流充放電、交流阻抗法等電化學測試手段研究MXene薄膜電極的電化學性能。研究顯示：當電解液為H₂SO₄，MXene薄膜的厚度為6.6 μm時，在5 mV·s^?1掃速下質量比電容達到228 F·g^?1；同時隨著掃速從5 mV·s^?1提升至100 mV·s^?1時，電容保持率為51%，是40.2 μm厚度MXene薄膜電極的3倍。該研究展示酸性電解液和較薄的薄膜厚度有利于提高MXene材料基超級電容器的性能。

H₂/H₂O氣氛下Fe?C合金薄帶氣固脫碳反應動力學

艾立群, 侯耀斌, 洪陸闊, 周美潔, 孫彩嬌, 孟凡峻, 周玉青

2021, 43(6): 816-824. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.17.003

[摘要](1474)

[HTML全文] (806)

[PDF 1513KB](35) [施引文獻] ()

摘要:
為對H₂/H₂O氣氛下Fe?C合金薄帶的氣固反應脫碳進行動力學研究，在保證快速脫碳而鐵不氧化的前提下，利用可控氣氛高溫管式脫碳爐，研究了不同的脫碳溫度、薄帶厚度、脫碳時間對Fe?C合金薄帶脫碳效果的影響。結果表明延長脫碳時間、提高脫碳溫度、減少薄帶厚度均可提高脫碳效果。當脫碳溫度為1353 K，在脫碳過程中，薄帶可以分成明顯的3層，由表面到內部依次是完全脫碳層、部分脫碳層和未脫碳層。完全脫碳層的組織為鐵素體，此部分碳含量最低；部分脫碳層由鐵素體、滲碳體和少量石墨相組成，未脫碳層由珠光體和大量石墨相組成，此部分碳含量最高。脫碳層的厚度隨著脫碳時間的延長而增加，脫碳層的厚度y與時間t平方根滿足良好的線性關系，可用函數y =kt^0.5描述，碳原子擴散所需擴散激活能為122.36 kJ?mol^?1，脫碳反應為表觀一級反應，表觀活化能為153.79 kJ?mol^?1。

鈣處理對20CrMnTiH齒輪鋼中非金屬夾雜物的影響

季莎, 張立峰, 羅艷, 王偉健, 王新東, 張建元

2021, 43(6): 825-834. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.14.004

[摘要](4880)

[HTML全文] (731)

[PDF 2193KB](88) [施引文獻] ()

摘要:
鋁脫氧齒輪鋼中易生成大量的高熔點Al₂O₃類夾雜物，容易導致水口結瘤及鋼材性能惡化，目前較常采用鈣處理將鋼中高熔點的Al₂O₃類夾雜物改性為低熔點的鈣鋁酸鹽類夾雜物。合理的鈣處理可以減輕水口結瘤并提高連鑄過程鋼液的可澆性，工業試驗研究了喂鈣前鋼液中T.Ca含量、喂鈣速度、喂鈣量、凈空高度及渣厚等參數對齒輪鋼中鈣收得率的影響，并在1.5 m·s^?1的喂鈣速度條件下研究了不同喂鈣量對鈣處理過程中齒輪鋼中非金屬夾雜物改性的影響。研究結果表明，當喂鈣前鋼液中T.Ca的質量分數小于10×10^?6，喂鈣速度為1.5 m·s^?1，適當降低喂鈣量和凈空高度和渣厚，鋼液中鈣收得率均高于20%。當鋼液中T.Ca的質量分數高于17×10^?6時，鋼中生成大量高熔點CaS型夾雜物，三元相圖中夾雜物的平均質量分數遠離液相區。隨著齒輪鋼中T.Ca含量的增加，夾雜物的平均尺寸和數密度逐漸增加。熱力學計算結果與工業試驗鈣處理對鋼中非金屬夾雜物改性效果具有較好的一致性。

SLM-316L細絲脂潤滑摩擦磨損性能

黃明吉, 韓建磊, 董秀萍

2021, 43(6): 835-842. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.12.005

[摘要](738)

[HTML全文] (357)

[PDF 2147KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
為研究金屬橡膠用選擇性激光熔融(SLM)技術制備的316L不銹鋼細絲在脂潤滑條件下的摩擦磨損性能，探討了不同載荷、不同摩擦速度以及載荷(F)和摩擦速度(v)共同作用的Fv因子對SLM-316L細絲摩擦系數和磨損率的影響規律，利用掃描電鏡觀察細絲磨損表面形貌，利用能譜儀（EDS）檢測磨損表面元素種類與原子分數，分析其磨損機制。結果表明：在脂潤滑條件下，摩擦系數隨著載荷的增大而減小，磨損率隨載荷的增大呈先降后升的趨勢。摩擦系數和磨損率均隨摩擦速度的增大呈先升后降趨勢。低載荷下SLM-316L細絲磨損機制主要為磨粒磨損和輕微的氧化磨損，較高載荷下氧化磨損加劇并伴隨疲勞磨損。低摩擦速度下SLM-316L細絲磨損機制主要為疲勞磨損和氧化磨損，較高摩擦速度下氧化磨損減弱，以磨粒磨損為主。摩擦系數隨Fv值的增大而減小，磨損率隨Fv值的增大呈先升后降再升的變化趨勢。因此用SLM-316L細絲制備的金屬橡膠在脂潤滑條件下最佳工作參數：Fv等于0.04 N?m?s^?1，即載荷10 N、摩擦速度240 mm?min^?1。

基于虛擬材料復模量非均勻分布的螺栓連接薄板結構半解析建模

劉曉峰, 孫偉, 孫悅

2021, 43(6): 843-851. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.20.005

[摘要](1168)

[HTML全文] (553)

[PDF 1202KB](42) [施引文獻] ()

摘要:
基于非均勻分布的虛擬材料模擬螺栓連接薄板搭接部分的力學特性，其中虛擬材料的材料參數用復模量表示，可直接生成復剛度矩陣以表示搭接部分的剛度及阻尼特性，省卻了常規建模中生成結合部阻尼矩陣的步驟，在保證模型精確性的基礎上簡化了建模流程，以此建立了螺栓連接薄板結構的半解析模型并對其進行了動力學分析。首先描述了建模理念，將虛擬材料分別假定了三種復模量非均勻分布形式模擬螺栓搭接部分的力學特性，提出用反推辨識技術確定虛擬材料儲能模量與耗能模量的方法。接著，基于能量法并用正交多項式假定模態，推導了螺栓連接薄板的半解析分析模型，并創新性地給出了求解半解析模型任意錘擊點與拾振點處頻響函數的公式。最后，以一個具體的螺栓連接薄板結構為對象進行了實例研究，結果表明：用所創建的半解析模型計算出的各階仿真固有頻率與實驗測得的各階固有頻率的誤差均在5%以內，計算得到的各階仿真模態振型以及頻響函數曲線與實測值均較為接近，從而證明了利用復模量非均勻分布的虛擬材料模擬螺栓搭接部分可有效簡化螺栓結合部建模，亦可達到較高的仿真計算精度。

基于DEM的高頻振網篩多參數優化

陳兵, 燕紀威, 尹忠俊, 孫志輝, 肖有鵬

2021, 43(6): 852-861. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.16.005

[摘要](1492)

[HTML全文] (846)

[PDF 2037KB](60) [施引文獻] ()

摘要:
利用離散單元法（Discrete element method，DEM）對球形顆粒群以及非球形顆粒群的篩分過程進行了仿真并開展了實驗研究，結果表明球形和非球形顆粒的仿真與實驗中篩分效率的變化是一致的，但非球形顆粒的仿真結果與實驗結果更接近。正交設計多組模擬試驗，分析了各振動參數（振動頻率、振幅以及篩面傾角）對顆粒分布曲線、篩分效率以及物料平均運輸速度的影響規律。對正交試驗表中的數據進行多元非線性擬合，得到篩分效率與振動參數間的關系式；并在此關系式的基礎上，對振動參數進行優化設計，得到了最優振動參數且在仿真中得到了驗證。研究內容不但為高頻振網篩振動參數的設計提供了理論依據，而且為研究高頻振動系統的篩分機理提供了實驗和仿真數據支持。

基于空間近鄰關系的非平衡數據重采樣算法

李睿峰, 李文海, 孫艷麗, 吳陽勇

2021, 43(6): 862-869. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.05.002

[摘要](1547)

[HTML全文] (726)

[PDF 992KB](66) [施引文獻] ()

摘要:
為了提高非平衡數據集的分類精度，提出了一種基于樣本空間近鄰關系的重采樣算法。該方法首先根據數據集中少數類樣本的空間近鄰關系進行安全級別評估，根據安全級別有指導的采用合成少數類過采樣技術（Synthetic minority oversampling technique，SMOTE）進行升采樣；然后對多數類樣本依據其空間近鄰關系計算局部密度，從而對多數類樣本密集區域進行降采樣處理。通過以上兩種手段可以均衡測試數據集，并控制數據規模防止過擬合，實現對兩類樣本分類的均衡化。采用十折交叉驗證的方式產生訓練集和測試集，在對訓練集重采樣之后，以核超限學習機作為分類器進行訓練，并在測試集上進行驗證。在UCI非平衡數據集和電路故障診斷實測數據上的實驗結果表明，所提方法在整體上優于其他重采樣算法。