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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2021年第43卷第7期

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金礦非氰化浸金研究進展

彭科波, 高利坤, 饒兵, 龔志輝, 沈海榕, 高廣言, 何飛, 張明

2021, 43(7): 871-882. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.15.001

[摘要](1536)

[HTML全文] (763)

[PDF 1011KB](191) [施引文獻] ()

摘要:
隨著易處理金礦石資源枯竭，含砷、含碳、高硫、超細顆粒金礦石已成為金礦開采的重點，這些難處理金礦通過常規氰化浸金等方法浸出效果差，由于氰化物有劇毒，會危害人體健康，并嚴重污染生態環境。非氰化法浸金因具有環保、浸出速率快、效率高等優點受到了廣泛關注。在綜述了硫代硫酸鹽法、甘氨酸法、鹵素法、石硫合劑法、碘化焙燒工藝、硫脲浸出法和非水溶液浸金7種非氰浸金方法的浸金原理及其在難處理金礦方面的最新研究進展的基礎上，討論了非氰浸金方法存在的浸出劑昂貴、浸出液中金回收困難、浸出體系復雜、浸出劑性質不穩定及消耗量大等問題，并對非氰浸金技術的發展方向進行了展望。

二氧化碳相變致裂技術研究進展與展望

周盛濤, 羅學東, 蔣楠, 張宗賢, 姚穎康

2021, 43(7): 883-893. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.006

[摘要](1845)

[HTML全文] (673)

[PDF 1244KB](227) [施引文獻] ()

摘要:
二氧化碳相變致裂作為一種環境友好的綠色破巖技術，具有破巖效率高、振動小、無污染等優點，近年來已成為巖石破碎與開挖領域的熱門研究課題，相關研究發展迅速。大量學者運用理論分析、實驗研究和數值模擬等手段對二氧化碳相變致裂技術進行了廣泛探究，并取得了一些有益進展。通過對現有相關研究成果的調研分析，闡述了二氧化碳相變致裂技術的破巖機理，回顧了二氧化碳相變致裂荷載特征及其測試手段，歸納了致裂荷載表征方法，概括了致裂荷載與致裂效果的主要影響因素，分析了二氧化碳相變致裂的有害效應，總結了二氧化碳相變致裂技術在多領域的應用，并探討了二氧化碳相變致裂當前存在的問題與未來挑戰，以期為二氧化碳相變致裂技術的理論研究和工程應用推廣提供參考。

切縫藥包爆破定向裂紋與張開節理相互作用的實驗研究

丁晨曦, 楊仁樹, 陳程, 馬鑫民, 康一強, 趙勇

2021, 43(7): 894-902. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.15.001

[摘要](1250)

[HTML全文] (308)

[PDF 1232KB](72) [施引文獻] ()

摘要:
為了探究切縫藥包爆破定向裂紋與張開節理的相互作用過程，采用動態焦散線方法，結合高速攝影技術，開展了爆破模型實驗研究。研究結果表明，張開節理對切縫藥包爆破定向裂紋的擴展有阻滯作用，定向裂紋不會穿過張開節理繼續擴展，而是在經過與節理相互作用后在節理端部產生兩條翼裂紋。當定向裂紋垂直入射時，節理兩端的受力狀態基本相同，兩條翼裂紋的起裂和擴展行為基本一致，兩條翼裂紋的分布狀態基本對稱。張開節理的幾何特征對翼裂紋起裂時的動態應力強度因子有顯著影響，一定程度上決定了翼裂紋起裂的難易程度。當定向裂紋傾斜入射時，節理兩端的受力狀態存在差異，靠近定向裂紋入射點的一端能夠獲得更多的起裂能量，從而優先起裂和擴展，并形成更長的翼裂紋。

復雜應力路徑下裂隙泥巖滲透演化規律試驗研究

張玉, 于婷婷, 張通, 劉書言, 周家文

2021, 43(7): 903-914. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.27.005

[摘要](1956)

[HTML全文] (575)

[PDF 1763KB](100) [施引文獻] ()

摘要:
油氣主要儲集在巖石孔隙和縫洞內，深部復雜應力環境下儲層巖石裂隙滲透演化直接影響油氣的運移規律，是油氣勘探開發的重要研究對象。為了解復雜應力路徑下含裂隙巖石的滲透演化特性，利用高精度滲流?應力耦合三軸實驗設備，對含隨機分布裂隙泥巖開展了單試樣?復雜應力路徑加卸載過程中的滲透性演化試驗研究，試驗方案依次為：(i) 圍壓遞增條件下滲透性測試；(ii) 滲透壓力遞增條件下滲透性測試；(iii) 偏應力循環加卸載條件下滲透性測試；(iv) 圍壓、偏應力同步增長條件下滲透性測試。結果表明裂隙泥巖中的滲流可視為低滲流速度的層流；裂隙發育豐富巖樣（R2）滲透率及應力敏感性明顯較高。滲透率隨滲透壓力、圍壓分別呈正、負的指數函數變化。偏應力加載導致滲透率降低，卸載引起滲透率上升，但整體呈不可逆降低；圍壓、偏應力同步增長引起滲透率呈下降趨勢，并逐步趨于穩定；圍壓10.3 MPa作用下，滲透率基本保持恒定。由此，基于裂隙雙重介質模型，考慮泥巖變形過程中裂隙系統和基質系統的相互作用以及外部應力作用下的裂隙膨脹變形，構建了裂隙泥巖滲透率演化力學模型；模型模擬結果與試驗結果具有較好的一致性。相關成果可為裂隙泥巖滲透性演化預測和油氣高效開采提供重要的理論依據。

單軸壓縮條件下裂隙粗糙度對滲透系數的影響

王帥, 于慶磊, 王玲

2021, 43(7): 915-924. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.26.001

[摘要](1946)

[HTML全文] (720)

[PDF 1507KB](105) [施引文獻] ()

摘要:
裂隙粗糙度是影響裂隙巖體滲流特性和流體流動復雜性的重要因素，為了深入研究單軸壓縮條件下粗糙度對滲透系數的影響，采用3D打印技術和數字建模方法制備了粗糙度不同的裂隙試樣，通過自制的試驗裝置對不同法向壓力下的裂隙試樣進行了試驗。結果表明，在沒有法向壓力的條件下，隨著粗糙度的增加，滲透系數以負指數函數形式減小，采用Forchheimer方程定量的分析了滲流流量與水力梯度之間的非線性關系，Forchheimer方程可以很好地描述粗糙裂隙表面的流動過程，線性項系數隨著粗糙度的增大而減小，非線性項系數隨著粗糙度的增大而增大；在恒定法向壓力且大于水壓的條件下，裂隙試樣的滲透系數隨著粗糙度的增大線性減小，隨著水壓的增大，粗糙度對滲透系數的影響作用增強；定義了系數$\delta $

，分析了在有無法向壓力條件下，粗糙度對滲透系數影響的差異性，$\delta $

隨著水力梯度的增加而增加，隨著法向壓力的增加而減小。研究結果可以加深對粗糙裂隙表面流體流動的認識，為進一步研究巖體流動特性奠定堅實的基礎。

浸入式水口內壁特征對邊界層流場結構和氧化鋁夾雜物運動行為的影響

華承健, 王敏, 張孟昀, 鄭瑞軒, 包燕平

2021, 43(7): 925-934. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001

[摘要](1939)

[HTML全文] (1045)

[PDF 2259KB](117) [施引文獻] ()

摘要:
鋁鎮靜鋼液澆注過程中，浸入式水口耐材內壁特征受到鋼液侵蝕和夾雜物聚集影響，從近光滑壁面逐漸向多孔耐火材料壁面和含結瘤物的粗糙結瘤壁面轉變，壁面形貌的變化影響邊界層流場結構和氧化鋁夾雜物的輸運。采用物理模擬的方法在浸入式水口模型內壁鑲嵌多孔耐火材料結構和含結瘤物耐材壁面結構，結合粒子圖像測速技術研究不同特征壁面附近流場邊界層。使用MATLAB耦合流場測速結果和氧化鋁夾雜物運動數學模型，研究了不同特征壁面的流場邊界層中氧化鋁夾雜物的運動軌跡。使用象限分析法確定了浸入式水口邊界層流場存在上拋和下掃事件。氧化鋁夾雜物位于下掃事件區域時，朝向壁面運動，粒徑為1 μm的氧化鋁夾雜物在下掃事件中運動軌跡更接近壁面，增加了沉積的可能性；氧化鋁夾雜物位于上拋事件區域時，遠離壁面運動。多孔耐火材料壁面和結瘤壁面邊界層內氧化鋁夾雜物運動幅度大于光滑壁面邊界層流場內氧化鋁夾雜物運動幅度。壁面狀態由近光滑壁面轉變為多孔耐火材料和結瘤壁面時，流場邊界層中下掃事件平面占比由10.17%增加到39.77%，上拋事件平面占比由32.96%減小到9.24%；同時，流場邊界層中下掃事件發生的概率由25.83%增加到28.24%，這將加速氧化鋁夾雜物在多孔耐火材料和結瘤壁面的沉積進程。

Cu摻雜對硫化鎳精礦制備高效異相類Fenton催化劑(Ni, Mg, Cu)Fe₂O₄的影響

劉雅賢, 陳婷, 韓星, 張梅, 郭敏

2021, 43(7): 935-945. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.18.002

[摘要](1249)

[HTML全文] (899)

[PDF 1733KB](89) [施引文獻] ()

摘要:
以硫化鎳精礦為原料，采用共沉淀–煅燒法成功制備出Cu摻雜尖晶石鐵氧體(Ni, Mg, Cu)Fe₂O₄異相類Fenton催化劑。利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線光電子能譜(XPS)等手段系統研究了Cu摻雜量對所制備產物微觀結構、形貌及催化性能的影響；確立了最優催化體系為光助類Fenton催化體系“(Ni, Mg, Cu)Fe₂O₄催化劑/H₂O₂/可見光”，揭示了Cu摻雜對(Mg, Ni)Fe₂O₄催化活性的增強機制。結果表明：在選定的實驗條件下，制備得到的產物均為純相立方尖晶石鐵氧體。當Ni與Cu摩爾比為1∶1時，合成的(Ni, Mg, Cu)Fe₂O₄在可見光照180 min條件下對質量濃度為10 mg?L^?1的羅丹明B(RhB)溶液的降解率可達94.5%。究其主要原因為：隨著Cu摻雜量的增加，占據(Ni, Mg, Cu)Fe₂O₄八面體位的Fe³⁺和Cu²⁺的相對含量增加，即裸露于鐵氧體表面的Fe³⁺和Cu²⁺數量增多，以及兩者的協同作用，加速了羥基自由基(·OH)反應的發生，最終使得RhB溶液的降解效率從73.1%提高至94.5%。

特殊鋼渣超微粉改性廢棄核桃殼制備鋼渣基生物質活性炭及其吸收氯氣的性能

孫大為, 鄧軍

2021, 43(7): 946-951. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.04.004

[摘要](981)

[HTML全文] (353)

[PDF 854KB](44) [施引文獻] ()

摘要:
以特殊鋼渣超微粉與廢棄核桃殼為研究對象，利用特殊鋼渣超微粉的化學成分對廢棄核桃殼進行改性處理制備鋼渣基生物質活性炭。研究廢棄核桃殼超微粉與特殊鋼渣超微粉的質量比、特殊鋼渣超微粉細度和吸附環境溫度對鋼渣基生物質活性炭吸收氯氣性能的影響。結果表明：廢棄核桃殼超微粉與特殊鋼渣超微粉的質量比為100∶6，特殊鋼渣超微粉的細度為600目，吸附環境溫度為30 ℃時鋼渣基生物質活性炭吸收氯氣性能較好。特殊鋼渣超微粉中Fe₂O₃具有磁性有利于氯氣在鋼渣基生物質活性炭表面形成富集，提高其吸附能力，CuO和MnO具有催化性可以協助促進鋼渣基生物質活性炭的吸附能力。特殊鋼渣超微粉細度過大，會造成小粒徑顆粒團聚，從而影響鋼渣基生物質活性炭對氯氣的吸附能力進一步提高；在特殊鋼渣超微粉粒徑較小時，均勻性較好的特殊鋼渣超微粉對提高鋼渣基生物質活性炭吸附氯氣較小。較高的吸附環境溫度可能導致鋼渣基生物質活性炭對氯氣出現解析現象；同時鋼渣基生物質活性炭表面沒有出現特殊鋼渣超微粉團聚與沉積的現象，具有層狀結構特征，為吸附氯氣提供了空間。

苧麻纖維增強聚乳酸復合材料性能研究

展江湖, 王迎宵, 楊志浩, 李姣, 林軍, 王桂龍, 管延錦

2021, 43(7): 952-959. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.02.002

[摘要](3856)

[HTML全文] (203)

[PDF 2569KB](38) [施引文獻] ()

摘要:
通過密煉?注塑成型工藝制備了不同苧麻纖維含量的聚乳酸基復合材料，研究了纖維含量對復合材料性能的影響規律，并揭示了纖維增強機理。研究表明，苧麻纖維的添加提高了復合材料的耐熱性能，尤其是當纖維質量分數為40%時，復合材料的熱變形溫度提高了10.5%。此外，苧麻纖維均勻地分散在基體中，由于纖維與聚乳酸的界面強度較弱，斷面上有大量的纖維拔出和纖維孔洞；差示掃描量熱儀測試表明高含量的纖維限制了聚乳酸分子鏈的運動，促進復合材料形成更加致密完善的晶核；同時，流變行為也表明苧麻纖維含量的增加有助于提高復合材料的黏彈響應和復合黏度；最后，苧麻纖維的加入提高了復合材料的拉伸和彎曲強度，且隨纖維含量的增加而增大。與聚乳酸相比，當纖維質量分數為40%時復合材料的拉伸和彎曲強度分別提高了30%和21.9%。

經濟型耐腐蝕鋼中氧作用的研究

陳學群, 張萬靈, 陳珊, 劉建容, 曹國良, 李國明

2021, 43(7): 960-965. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.29.001

[摘要](1953)

[HTML全文] (654)

[PDF 813KB](54) [施引文獻] ()

摘要:
為了冶煉不同氧含量的碳素船體鋼，通過機械性能試驗和周浸試驗研究了鋼中氧含量對鋼材腐蝕性能和機械性能的影響。結果表明，在連鑄生產許可的氧范圍內，隨著鋼水脫氧程度的減弱，鋼中氧質量分數增加，鋼材的平均腐蝕率略有下降，而耐點蝕性能有較明顯增強，變化曲線的高氧端比低氧端平均點蝕深度下降約22.7%。弱脫氧鋼的機械性能符合規范要求，可達到D級鋼水平。分析認為，氧提高鋼材耐蝕性的原因主要是固溶氧可提高鐵的熱力學穩定性，提高了蝕孔內鐵的腐蝕電位，降低了蝕坑擴展速度。氧作為耐蝕元素應用可以顯著降低耐蝕鋼的成本，提高經濟性。

螺紋插裝式溢流閥閥套內錐面制造的誤差控制

張祝, 肖名濤, 沈陸明, 童成前

2021, 43(7): 966-975. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.002

[摘要](1633)

[HTML全文] (726)

[PDF 1373KB](256) [施引文獻] ()

摘要:
螺紋插裝式溢流閥閥套精加工采用碳氮共滲后磨削的制造工藝，內錐面的形位誤差會影響溢流閥的使用壽命和靜動態特性，制造過程需要精準控制內錐面的誤差。通過對工藝分析建立制造誤差模型并應用研究，由此獲得內錐面自身角度的合理誤差范圍，以及內錐角誤差與磨削量之間的變化關系。根據閥套結構特點設計專用的檢測裝置，并對檢測原理和測量誤差進行分析，通過誤差校對提高檢測精度。對熱處理后的閥套進行軸向尺寸分組，并采用基準統一原則，保證磨削制造精度的穩定性。根據檢測原理和誤差模型對試磨件進行誤差計算，并據此調整磨削參數，使制造誤差合格；后續制造時采用檢測裝置快速測量閥套的密封圓軸向尺寸，使制造誤差均落在控制范圍內，保證批量生產的可控性。研究表明，基于某型溢流閥的設計及工藝參數，內錐面自身角度的實際制造誤差控制以±0.8°為宜，對應的密封圓軸向最大磨削公差為0.186 mm、修正后的最小磨削公差為0.075 mm；實驗驗證了誤差模型的準確性，所述檢測方法的角度測量誤差為0.06°、密封圓軸向尺寸測量誤差為2 μm，因角度測量誤差帶來的最大、最小磨削量范圍偏差可通過內錐角實際制造誤差的收縮進行補償；所研究的理論與方法也為其他內錐面的制造控制及逆向工程提供了系統的方法。

基于快速SR-UKF的鋰離子動力電池SOC聯合估計

章軍輝, 李慶, 陳大鵬, 趙野

2021, 43(7): 976-984. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.30.002

[摘要](2026)

[HTML全文] (455)

[PDF 2182KB](70) [施引文獻] ()

摘要:
針對標準無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman filter, UKF) 算法本身存在著因狀態誤差協方差矩陣無法實現Cholesky分解而導致濾波發散的隱患，以及在電池狀態估計過程中由離線標定的電池等效模型參數而造成的累積誤差的問題，本文發展了一種平方根無跡卡爾曼濾波(Square-root unscented Kalman filter, SR-UKF)算法，并設計了一種電池狀態聯合估計策略。首先快速SR-UKF算法通過對觀測方程進行準線性化處理，降低了每次無跡變換時的計算開銷；然后在迭代過程中，用狀態誤差協方差矩陣的平方根代替狀態誤差協方差矩陣，該平方根是由QR分解與 Cholesky因子的一階更新得到，解決了UKF 算法迭代過程中可能由計算累積誤差引起狀態誤差協方差矩陣負定而導致濾波結果發散的問題，保證了電池荷電狀態(State of charge，SOC)在線滾動估計的數值穩定性；最后采用聯合估計策略，對電池等效模型參數進行實時辨識，保證了電池等效模型的準確性與有效性，從而提高了電池SOC的估計精度。仿真對比結果驗證了快速SR-UKF算法以及電池狀態聯合估計策略的可行性與魯棒性。

基于CEEMDAN–LSTM組合的鋰離子電池壽命預測方法

史永勝, 施夢琢, 丁恩松, 洪元濤, 歐陽

2021, 43(7): 985-994. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.30.007

[摘要](3398)

[HTML全文] (1073)

[PDF 1919KB](190) [施引文獻] ()

摘要:
針對目前鋰離子電池壽命預測結果不準確的問題，提出了一種多模態分解的鋰離子電池組合預測模型，從而學習鋰離子電池退化過程的微小變化。該方法在單一長短期記憶（LSTM）預測模型的基礎上，采用了自適應噪聲完全集成的經驗模態分解(CEEMDAN)算法將鋰電池容量分為主退化趨勢和若干局部退化趨勢，然后使用長短期記憶神經網絡（LSTMNN）算法分別對所分解的若干退化數據進行壽命預測，最后將若干預測結果進行有效集成。結果表明，所提出的CEEMDAN?LSTM鋰離子電池組合預測模型最大平均絕對百分比誤差不超過1.5%，平均相對誤差在3%以內，且優于其他預測模型。

基于深度循環神經網絡的協作機器人動力學誤差補償

徐征, 張弓, 汪火明, 侯至丞, 楊文林, 梁濟民, 王建, 顧星

2021, 43(7): 995-1002. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.30.003

[摘要](1806)

[HTML全文] (773)

[PDF 1204KB](124) [施引文獻] ()

摘要:
由于協作機器人的結構比普通工業機器人更為輕巧，一般動力學模型所忽略的復雜特性占比較大，導致協作機器人的計算預測力矩誤差較大。據此提出在考慮重力、科里奧利力、慣性力和摩擦力等的基礎上，采用深度循環神經網絡中的長短期記憶模型對自主研發的六自由度協作機器人動力學模型進行誤差補償。在實驗中采用優化后的基于傅里葉級數的激勵軌跡驅動機器人運動，以電機電流估算關節力矩，獲取的原始數據用來訓練長短期記憶模型(LSTM)補償網絡。網絡的訓練結果和評價指標為預測力矩相比實際力矩的均方根誤差。計算與實驗結果表明，補償后的協作機器人動力學模型對實際力矩具有更好的預測效果，各軸預測力矩與實際力矩的均方根誤差相比于未補償的傳統模型降低了61.8%至78.9%不等，表明了文中所提出補償方法的有效性。

一維卷積神經網絡特征提取下微震能級時序預測

裴艷宇, 楊小彬, 傳金平, 吳學松, 程虹銘, 呂祥鋒

2021, 43(7): 1003-1009. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.22.001

[摘要](524)

[HTML全文] (623)

[PDF 919KB](53) [施引文獻] ()

摘要:
微震能級隨時間發生變化，高能級微震事件與沖擊地壓有良好的對應關系，為預測礦山微震能量時序變化，基于一維卷積神經網絡（Convolutional neural networks，CNN），建立微震能級時間序列預測模型；通過模型訓練，實現以前十次微震事件的能量級別作為輸入來預測下一次微震事件的能量級別。由于微震樣本數據類間不平衡問題，導致模型測試時將10⁶能量級別的微震事件全部判斷為10⁵能量級別的微震事件，為進一步提高模型對10⁶能級微震事件預測的準確率，對模型進行改進并使用混合采樣方法訓練改進后的模型；利用硯北煤礦250202工作面微震能級實測部分數據，改進后模型的總體測試正確率達到98.4%，其中10⁶能量級別的微震事件測試正確率提升到99%。將模型應用于硯北煤礦250202工作面進行微震能級時序預測，模型的預測正確率整體達到93.5%，且對高能級微震事件的預測正確率接近100%。