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

國內訂閱：全國各地郵局

郵　　箱：xuebaozr@ustb.edu.cn

單　　價：40元/期，全年480元

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2022年第44卷第1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·能源工程

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礦業工程·冶金工程·材料科學與工程

寧夏地區煤炭資源綠色開發現狀與思路

蔡美峰, 吳允權, 李鵬, 潘繼良, 洪偉, 李軍

2022, 44(1): 1-10. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.21.002

[摘要](668)

[HTML全文] (352)

[PDF 995KB](74) [施引文獻] ()

摘要:
針對寧夏地區煤礦開采現狀，歸納總結了寧夏煤礦開采亟待解決的技術問題，如基礎理論與技術瓶頸亟待突破、綠色開發技術標準與規范不完善、綠色開發技術與裝備保障不足以及缺乏示范引領與政策支持。從寧夏煤炭工業未來發展的現實需求出發，提出了寧夏煤礦綠色開發的戰略思想、發展藍圖和戰略目標，形成其總體戰略布局。在此基礎上，從多方面提出了寧夏煤礦未來綠色開發的技術路徑，主要包括煤炭開采水資源保護技術、礦井水大規模低成本處理技術、礦區地表生態減損和修復技術、智能化綠色開采技術以及潔凈煤技術。最后，提出了寧夏煤礦綠色發展的可行性建議。明確綠色發展理念與目標，積極實施綠色礦業，助力生態環境和生態文明建設邁上新的臺階，最終實現寧夏煤炭產業的高質量可持續發展。

金屬礦山固廢充填研究現狀與發展趨勢

程海勇, 吳愛祥, 吳順川, 朱加琦, 李紅, 劉津, 牛永輝

2022, 44(1): 11-25. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.08.001

[摘要](1074)

[HTML全文] (393)

[PDF 2072KB](167) [施引文獻] ()

摘要:
介紹了以膏體+多介質協同充填、同步充填和功能性充填為代表的新興充填理念。系統闡述了以流變力學和固體力學為主體的礦山充填力學架構，剖析了原位多場多因素擾動作用，并介紹了最新研發的充填體多場耦合監測系統。總結了全尾砂深度濃密、固液混合攪拌以及長距離漿體輸送等充填核心環節的發展特點及研究進展。分析了充填智能化發展的必要性，梳理了充填領域涉及的智能化算法，提出了充填智能化未來發展思路。通過對礦山固廢充填發展趨勢分析，認為未來礦山固廢充填需要深度拓展綠色發展內涵，進一步探索模塊化、規模化和智能化之路，積極融入并服務深地開采需求，充填采礦法或將成為深部采礦和綠色采礦未來可期的唯一解決方案。

溫度對不同尺寸砂巖巴西劈裂特性影響

孫浩, 蘇楠, 金愛兵, 陳帥軍, 韋立昌, 徐浩淳

2022, 44(1): 26-38. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.26.001

[摘要](735)

[HTML全文] (439)

[PDF 1814KB](63) [施引文獻] ()

摘要:
為研究高溫與尺寸效應耦合作用下的砂巖巴西劈裂特性，分別對經過25、200、400、600、800和1000 ℃高溫處理后的標準砂巖試件進行巴西劈裂室內試驗，并基于顆粒流軟件開展不同尺寸高溫砂巖巴西劈裂數值模擬，研究砂巖巴西劈裂強度及其劣化規律、孔隙率增加相對于裂紋擴展貫通的滯后性規律。研究結果表明：（1）在25～1000 ℃的溫度范圍和50～100 mm的直徑范圍內，溫度與尺寸效應對砂巖巴西劈裂強度均有顯著影響，且尺寸效應影響程度更大。在加熱過程中，由于巖石內部首先發生熱膨脹，然后在熱應力作用下產生損傷，因此砂巖劈裂強度先有所增大，在400 ℃之后持續降低，劈裂強度下降約34.66%～35.10%；隨著尺寸增大，巖石內部積聚的能量釋放產生大量微裂隙，導致砂巖試樣劈裂強度降低，下降約55.61%～56.99%。（2）砂巖巴西劈裂強度劣化幅值與其直徑之間滿足負指數函數關系，可用于預測不同尺寸高溫砂巖的巴西劈裂強度。（3）砂巖在巴西劈裂過程中的孔隙率增加相對于裂隙擴展貫通滯后的荷載差值隨溫度升高以及尺寸增大而增大；考慮兩因素的耦合作用，尺寸效應對荷載差值的影響程度隨溫度的升高而降低，溫度對荷載差值的影響程度隨砂巖尺寸的增大而降低。研究成果對火災后頂板維護，初步預測頂板強度具有一定參考意義，也可為核廢料處理、地熱資源開發和深井工程等涉及高溫和尺寸變化的巖體工程設計提供有益參考。

褐鐵礦在燒結工藝中的優化配置

張國成, 羅果萍, 柴軼凡, 田碩, 郝帥, 任強

2022, 44(1): 39-49. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.29.001

[摘要](1210)

[HTML全文] (528)

[PDF 1395KB](53) [施引文獻] ()

摘要:
為了探究全進口礦條件下褐鐵礦在燒結工藝中的合理配置，實現褐鐵礦的高效利用以進一步提鐵降本，針對S鋼鐵公司500 m²大型燒結機實際原燃料條件，基于試驗用鐵礦粉的常規理化性能和高溫燒結基礎特性開展了不同褐鐵礦配比的燒結杯試驗研究，結合Factsage 7.1熱力學軟件，模擬計算了不同褐鐵礦配比條件下的黏附粉含量和理論液相生成量及性能，并采用礦相顯微鏡分析了燒結礦的顯微結構，探明了褐鐵礦與赤鐵礦和磁鐵礦的優化搭配規律。研究表明：澳大利亞褐鐵礦具有粒度粗、礦化能力弱，同化溫度低、黏結相強度差、吸液性強的特點，當褐鐵礦質量分數由45%增加至55%時，提高磁鐵精礦OD礦的質量分數至15%，同時降低OC礦質量分數至10%，燒結礦轉鼓強度和低溫還原粉化性能等指標達到最優，這是由于一方面提高磁鐵精礦配比不僅具有增加黏附粉比例、改善液相生成數量和性能的作用，而且可以均勻液相分布，消除過熔現象；另一方面，增加磁鐵精礦配比可以改善燒結料球的粒度組成，減少褐鐵礦吸液量，提高燒結礦強度。因此，在高褐鐵礦配比條件下，增加適宜的磁鐵精礦配比有利于穩定燒結礦質量，全面改善燒結礦性能。

退火時間對Ti?6.0Al?3.0Zr?0.5Sn?1.0Mo?1.5Nb?1.0V鈦合金組織及力學性能的影響

丁平, 肖寒, 陳磊, 劉開元, 黃海廣, 余堃, 周榮鋒

2022, 44(1): 50-58. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.22.005

[摘要](703)

[HTML全文] (351)

[PDF 1826KB](56) [施引文獻] ()

摘要:
針對近α型Ti?6.0Al?3.0Zr?0.5Sn?1.0Mo?1.5Nb?1.0V新型鈦合金，在退火溫度740 ℃的基礎上，研究了退火時間對其組織與力學性能的影響。結果表明：經過3次真空自耗電弧爐熔煉，三火熱軋后得到的板材組織由初生α相基體及β轉變組織組成的部分再結晶組織和加工態組織等組成。隨著退火時間的增加，退火板材的顯微組織均以初生α相為主，且α相所占的比例從81.73%逐漸增加至85.61%，組織中長條狀α相逐漸破碎球化，等軸α相開始均勻化、粗化。隨著退火時間的增加，退火板材的延伸率逐漸增加，抗拉強度先降低再增加然后又降低，屈服強度先增加后降低，顯微硬度先增加后降低。退火時間為1 h時，板材的斷口由滑移帶、漣波、小等軸韌窩組成，斷裂方式為韌性斷裂，退火時間大于等于2 h時，板材的斷口完全由等軸韌窩組成，斷裂方式為韌性斷裂。最佳退火工藝為740 ℃退火2 h，此時板材的抗拉強度、屈服強度、延伸率和顯微硬度分別為：984 MPa、941 MPa、15.27%、HV 347.67。研究結果對高強耐蝕鈦合金退火工藝的制定有指導作用，為解決鈦合金在實際生產中遇到的問題提供了科學依據。

機械工程·控制科學與工程

楔橫軋內直角小臺階精確軋齊曲線

張凱利, 王寶雨, 沈謹霞

2022, 44(1): 59-67. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.25.003

[摘要](4640)

[HTML全文] (378)

[PDF 1820KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
內直角臺階的軋齊一直是楔橫軋的關鍵技術之一，一般內直角臺階的軋齊曲線公式和算法不適合小臺階的生產應用。為了解決這一問題，通過改進幾何模型，針對內直角小臺階的螺旋體體積提出一種新的計算方法。根據楔橫軋工藝的特點，比較軋件初始半徑與對應輔助圓半徑的大小關系，指出了二輥軋齊過程中內直角小臺階的判斷條件。根據軋件大端半徑與旋轉角度的關系，將軋齊過程分成了三個階段。通過對小臺階螺旋體的分塊，將其近似成三個規則體積的組合，推導出了軋齊過程中各個階段的體積公式。依據體積平衡原理和楔橫軋模具特點，得到了二輥楔橫軋內直角小臺階隨軋件旋轉角度變化的軋齊曲線。最后采用剛塑性有限元軟件Deform-3D對一定斷面收縮率范圍內的軸類件進行楔橫軋數值模擬，驗證了本文所提出的軋齊曲線計算方法的適用性。同時通過對比分析，發現在小斷面收縮率軸類件直角臺階成形時展寬角應盡量取小。

智能法律合約及其研究進展

王迪, 朱巖, 陳娥, 郭倩, 李冀寧, 孫貽滋, 伊然

2022, 44(1): 68-81. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.22.001

[摘要](1441)

[HTML全文] (607)

[PDF 1002KB](176) [施引文獻] ()

摘要:
從智能合約、智能法律合約等概念入手，依據現行法律條目的要求對智能合約法律化問題進行探討，指出智能合約法律化需滿足文法要求、非賦權原則、審查準則三個基本規則，并以典型智能法律合約語言SPESC、CML為實例剖析了其法律效力，辨析使其與原合同文本具有同等法律效力需滿足的條件。進而，結合智能合約系統架構及部署運行過程，在對所部署智能合約進行法律化辨析基礎上對區塊鏈智能合約及其鏈碼的法律地位進行了論證。最后，對當前智能法律合約邏輯模型與語言模型的研究進展進行總結，并加以討論和評價。上述工作表明當前智能法律合約研究是一條解決智能合約法律地位的可行途徑，有利于從現行法上把握智能合約在合約邏輯、仲裁流程、形式化驗證等方面的未來發展方向。

一種改進的l_p-RWMKE-ELM故障診斷模型

劉星, 趙建印, 朱敏, 張偉

2022, 44(1): 82-94. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.09.001

[摘要](997)

[HTML全文] (353)

[PDF 1487KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
針對裝備各類故障樣本分布不平衡、現有算法故障診斷精度較低的問題，通過引入p范數約束多核極限學習機和基于AdaBoost的集成學習策略，定義了一種p范數約束下正則化加權多核集成極限學習機的故障診斷模型。首先，在p范數約束下，基于各類故障樣本自身規模，分別進行了兩種自適應的樣本權重分配；其次，在每層分類器的優化中，將多核學習的多源數據融合能力和極限學習機運算高效的特點相結合，同時，將樣本的權重$ {\boldsymbol{W}} $

更新融入到多核極限學習機的優化進程；最后，通過Adaboost集成策略，自適應提升富含信息的樣本在模型中的權重，從而顯著提升故障診斷的精度。以6個UCI公共數據集以及1個實裝案例為例，進行了故障診斷實驗。結果表明，與核極限學習機、加權核極限學習機（使用$ {{\boldsymbol{W}}^{\left( 1 \right)}} $

和$ {{\boldsymbol{W}}^{\left( 2 \right)}} $

加權方式）以及多核極限學習機（在1范數和p范數約束下）相比，診斷精度有顯著提升；范數約束形式對模型的診斷性能影響有限。

低合金鋼海水腐蝕監測中的雙率數據處理與建模

陳亮, 付冬梅

2022, 44(1): 95-103. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.17.003

[摘要](1966)

[HTML全文] (495)

[PDF 1294KB](55) [施引文獻] ()

摘要:
隨著物聯網技術的發展，前端傳感器的使用使得低合金鋼的海水腐蝕監測成為了現實，從而獲得了大量的腐蝕數據。針對傳統均值法處理雙率腐蝕數據帶來的數據信息損失以及建模精度下降問題，提出了一種基于綜合指標值(CIV)和改進相關向量回歸(IRVR)的雙率腐蝕數據處理和建模算法(CIV-IRVR)。首先，通過構建CIV表征輸入數據的綜合影響并采用天牛須搜索(BAS)算法對其參數進行尋優；然后，建立最優CIV序列與輸出數據間的線性回歸模型將雙率數據轉化為建模用的單率數據，能夠更多地保留原始數據信息；最后，給出了一種BAS算法優化的具有組合核函數的改進相關向量回歸建模方法(IRVR)，并建立了針對低合金鋼海水腐蝕雙率數據的CIV-IRVR預測模型。結果表明：相比于均值方法處理雙率腐蝕數據，所提方法將建模樣本數量由196提升到了1834；相比于海水腐蝕建模領域常用的人工神經網絡(ANN)和支持向量回歸(SVR)建模方法，所提模型的平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)和決定系數(CD)分別為1.1914 mV、1.5729 mV以及0.9963，在各項指標上均優于對比算法，說明所提模型不僅減少了信息損失還提高了建模精度，對于雙率海水腐蝕數據建模具有一定現實意義。

基于S-LRCN的微表情識別算法

李學翰, 胡四泉, 石志國, 張明

2022, 44(1): 104-113. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.15.006

[摘要](2275)

[HTML全文] (946)

[PDF 1362KB](130) [施引文獻] ()

摘要:
基于面部動態表情序列，針對靜態表情缺少時間信息等問題，將空間特征與時間特征融合，利用神經網絡在圖像分類領域良好的特征，對需要進行細節分析的表情序列進行處理，提出基于分離式長期循環卷積網絡(Separate long-term recurrent convolutional networks, S-LRCN)的微表情識別方法。首先選取微表情數據集提取面部圖像序列，引入遷移學習的方法，通過預訓練的卷積神經網絡模型提取表情幀的空間特征，降低網絡訓練中過擬合的危險，并將視頻序列的提取特征輸入長短期記憶網絡(Long short-team memory, LSTM)處理時域特征。最后建立學習者表情序列小型數據庫，將該方法用于輔助教學評價。

基于有向權值網絡的航班運行風險傳播與控制

王巖韜, 楊志遠, 劉錕, 謝春生

2022, 44(1): 114-121. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.15.002

[摘要](1065)

[HTML全文] (477)

[PDF 1071KB](35) [施引文獻] ()

摘要:
為了分析航班運行風險傳播過程，進而有效控制保障飛行安全，基于復雜網絡理論，首先參照民航局咨詢通告選取機組、航空器、運行環境共29個終端因素作為網絡節點，統計民航安全監察記錄，根據事件中節點關系，構建無向網絡；統計前后節點間的作用關系和發生概率，提出一種有向帶權的航班運行風險網絡；然后，引入改進感染率和改進恢復率概念，構建一種適用于航班運行風險傳播分析的改進SIR(Susceptible-infected-recovered)模型；定義感染起始范圍，最后采取多參數控制方式，大規模計算該有向帶權網絡的傳播和控制過程。結果表明：有向網的平均最短路徑為1.788，屬于小世界網絡；參照使用民航常規管控措施，有向網節點感染下降幅度可達到37.4%；對入度值排序前3或前4的節點控制后，感染節點峰值下降率高達50.6%和58.1%，網絡傳播抑制明顯。結果證實：在該航班運行風險有向帶權網絡中，按入度值控制節點對抑制風險傳播最為有效。

土木工程·能源工程

中國非開挖水平定向鉆進裝備與技術研究應用進展

孫平賀, 劉偉勝, 楊涵涵, 韋幫第, 夏余宏燁

2022, 44(1): 122-130. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.24.001

[摘要](1376)

[HTML全文] (348)

[PDF 4673KB](83) [施引文獻] ()

摘要:
從非開挖水平定向鉆進（Horizontal directional drilling，HDD）裝備技術、地下生命線工程的探測與信息化、雙向對穿HDD技術、大口徑HDD技術、HDD回拖力計算模型、地表變形與冒漿6個方面開展了文獻調研工作，分析了HDD裝備與技術研究應用進展：世界上最大回拖力（20000 kN）的電驅動鉆機被設計并研發；電磁感應法被廣泛用于既有生命線的空間探測，復雜干擾下的數據解析與精度提高仍是研究重點；基于三維數據，融合建筑信息模型、人工智能、大數據等技術，借鑒美國“811”體系，局部完成了地下生命線的信息化；采用對穿技術完成了長距離的地下生命線敷設；基于過程化的HDD工藝參數、設備參數和控制監測技術被大量應用，有效提升了應用中的風險識別能力；針對不同地層條件下的回拖力計算為設備選型提供了依據，并為HDD多學科融合研究提供了途徑；復雜地質條件下的冒漿、卡鉆等熱點和難點也得到初步探索研究，構建了理論、實驗和數值分析模式，為提高HDD的應用效率和質量提供了依據。綜合國內外研究進展，進一步分析了HDD的發展趨勢。

巴西圓盤劈裂二維及三維數值模擬研究

喬蘭, 劉建, 李慶文, 趙國彥

2022, 44(1): 131-142. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.28.006

[摘要](1870)

[HTML全文] (754)

[PDF 2013KB](139) [施引文獻] ()

摘要:
為揭示巴西圓盤起裂模式的變化規律及其破裂演化過程，運用連續介質彈塑性分析開展巴西圓盤劈裂二維及三維數值模擬研究。通過開展二維模擬研究，探究壓拉比及加載角對試樣起裂破壞模式的影響；通過三維模擬研究，探究圓盤試樣三維破裂面的形成及擴展過程。二維數值模擬結果表明，接觸加載角及壓拉比越大，巴西圓盤試樣越容易發生中心起裂；端部起裂由剪切破壞引起，而劈裂裂紋進一步擴展則由張拉破壞驅動。三維數值模擬結果表明，初始起裂點位于三維圓盤端面，隨加載角增大其逐漸向端面圓心移動；當圓盤發生端面中心起裂時，三維破裂面以弧形邊界向試樣內部發散擴展。無論圓盤試樣發生中心起裂還是端部起裂，由于三維效應巴西劈裂試驗可能都會低估巖石的抗拉強度。

循環加卸載下閃長玢巖蠕變特性及損傷本構模型

劉振, 楊圣奇, 柏正林, 黃運龍

2022, 44(1): 143-151. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.004

[摘要](1238)

[HTML全文] (400)

[PDF 1990KB](46) [施引文獻] ()

摘要:
分級加載壓縮蠕變試驗未能充分考慮穩定蠕變中的黏塑性應變，故采用三軸循環加卸載壓縮蠕變試驗來實現巖石的黏彈、塑性應變分離，從而使巖石黏彈、塑性應變在巖石蠕變的各個階段得以充分考慮。以某水電站閃長玢巖為例，探討該類巖石蠕變特性。在破壞前，巖石的瞬時彈性應變以及瞬時塑性應變隨著偏應力逐級增大呈線性增長；隨著偏應力的增加，黏彈性應變和黏塑性應變呈非線性增長。引入一個分數階Abel黏壺與Kelvin模型串聯形成新型黏彈性模型；用分數階Abel黏壺代替傳統的黏塑性模型中的線性牛頓體并基于損傷建立黏塑性損傷模型。然后將新型黏彈性模型和黏塑性損傷模型與瞬時彈性模型和瞬時塑性模型串聯組成一個新的巖石蠕變損傷模型。最后將該模型與巖石蠕變曲線進行擬合，從而證明該模型的適用性。

抗生素菌渣水熱催化產油及其特性

鄭子軒, 洪晨, 李再興, 邢奕, 李益飛, 楊健, 秦巖, 趙秀梅

2022, 44(1): 152-162. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.17.003

[摘要](494)

[HTML全文] (340)

[PDF 856KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
探究了菌渣的水熱液化轉換成生物油燃料的過程。結果表明，抗生素菌渣在260 ℃、保留時間是135 min時，獲得最大的生物油產率（28.01%）。通過6種不同的催化劑進行催化，加入催化劑后，生物油產率最大的是Na₂CO₃（36.06%）和NaOH（36.31%）。堿催化的生物油的含氮化合物的質量分數在41.16%～49.74%之間，而酸催化產生的生物油含氮化合物的量在57.62%～59.32%之間。通過調節催化劑Na₂CO₃、NaOH的添加量發現，在投加量為8%時，生物油含氮量均最低，Na₂CO₃和NaOH催化產生的生物油組分的含氮化合物質量分數分別為29.12%和35.67%。在催化劑投加量為10%時，對氧的脫除效果都最好，分別為32.12%和29.02%，此時產生的生物油的熱值達到最大（達到33.3220和34.7320 MJ?kg^?1）。