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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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2期

欄目

礦業工程
冶金工程·材料科學與工程
控制科學與工程
土木工程·環境工程

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礦業工程

超細全尾砂深錐動態絮凝濃密試驗

王洪江, 王小林, 張璽, 吳愛祥, 田志剛, 杜向紅

2022, 44(2): 163-169. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.005

[摘要](961)

[HTML全文] (433)

[PDF 1131KB](70) [施引文獻] ()

摘要:
為探明超細全尾砂的濃密特性，開展量筒沉降實驗，小型和半工業深錐動態濃密試驗。結果表明，分子量1200萬的非離子型絮凝劑最利于尾砂沉降，隨絮凝劑單耗增加，溢流濁度降低，底流濃度基本不變。隨固體通量增加，溢流濁度增加，底流濃度降低。固體通量0.4 t·m^?2·h^?1，給料固體質量分數12%，絮凝劑單耗50 g·t^?1的最佳參數條件下，小型和半工業動態濃密試驗的底流平均固體質量分數分別為62.8%和74.4%，泥層高度對底流濃度影響顯著。深錐濃密機底流固體質量分數隨泥層高度增加呈DoseResp函數增長，分為緩慢增長（泥層1～4 m）、快速增長（泥層4～7 m）和基本穩定（泥層超過7～8 m）3個階段，這跟尾砂絮團在不同泥層高度下的壓縮性能有關。可根據底流濃度與泥層高度的函數關系，調節泥層高度來滿足井下充填所需底流濃度。

結合多尺度分割和隨機森林的變質礦物提取

唐淑蘭, 孟勇, 王國強, 卜濤

2022, 44(2): 170-179. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.08.004

[摘要](739)

[HTML全文] (454)

[PDF 7740KB](27) [施引文獻] ()

摘要:
為提高遙感影像變質礦物提取精度，提升變質帶的識別效果，以甘肅北山ASTER影像為研究區，結合了比值運算、多尺度分割、隨機森林分類法進行變質礦物提取。首先，通過礦物特征性光譜特征構造比值運算公式、進行影像增強；然后，對增強影像進行基于光譜及變差函數的多尺度分割；接著，采用隨機森林法提取目標礦物；最后，通過野外勘查、采樣、薄片鑒定進行精度評價。結果表明，黑云母、白云母、角閃石在ASTER影像上具有鑒定性特征，提取精度分別為85.4088%、84.7640%和85.7308%；其他含量較少的變質礦物提取精度可達到60%以上。多尺度分割能充分利用礦物的叢集特征；變差函數紋理能增強形態特征對礦物的區分能力；隨機森林分類法對礦物混合引起的噪聲不敏感、提取結果穩定。

基于機器學習的邊坡安全穩定性評價及防護措施

武夢婷, 陳秋松, 齊沖沖

2022, 44(2): 180-188. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.06.02.008

[摘要](708)

[HTML全文] (309)

[PDF 1449KB](97) [施引文獻] ()

摘要:
為了更加快捷、高效地判定邊坡穩定與否，基于機器學習，融合主成分分析法（PCA）、參數調整、影響因素權重分析等，建立了一種邊坡安全穩定性評價體系。研究發現，運用PCA可以在保留80%數據原信息的前提下將輸入變量維度從六維降至三維，但此時模型效果有所下降；隨機森林及梯度提升(XGBoost) 兩種學習算法均可搭建有效的邊坡安全穩定性評估模型，通過對其預測效果的對比分析，確定XGBoost為最佳評價模型。與此同時，采取卡方檢驗、F檢驗以及互信息法3種相關性檢驗手段，并通過計算評價因子的重要程度且加以可視化展示，明確了容重、坡高、內摩擦角以及內聚力4個內在因素的重要性，最終將評估結果與實際結合提出了邊坡安全防護措施。

冶金工程·材料科學與工程

脹斷連桿用高碳微合金鋼連鑄大方坯的鑄態組織

夏勇, 李亮, 王璞, 鐵占鵬, 蘭鵬, 唐海燕, 張家泉

2022, 44(2): 189-197. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.03.001

[摘要](1032)

[HTML全文] (539)

[PDF 1131KB](83) [施引文獻] ()

摘要:
脹斷連桿是汽車精密傳動用高端產品，需具高強高韌和裂解加工脆性解理斷裂特性。連鑄化生產高碳易切削脹斷連桿用微合金非調質鋼是當前的發展方向。基于大方坯連鑄生產典型工藝及其鑄態組織、成分均勻性分析，研究了脹斷連桿加工過程常見斷口形貌不合的鋼坯遺傳性因素。以常用德系C70S6鋼為例，采用250 mm×280 mm斷面弧形連鑄機，解析其在一定結晶器電磁攪拌條件下所澆鑄大方坯的鑄態低倍結構和枝晶形貌，并分析其不同晶區的成分分布特點。結果表明，當前連鑄條件下大方坯中心縮孔和后續熱軋棒材探傷合格率可控，但鑄坯初凝坯殼凝固前沿發生明顯的C、S負偏析白亮帶區及其柱狀晶偏轉現象。金相試樣圖像分析和相場法凝固模擬表明，鑄坯中柱狀晶具有逆流生長特征，其偏轉角是一次枝晶尖端向旋流方向逆向生長的結果。自鑄坯角部至寬、窄面中心，實測柱狀晶區的一次枝晶偏轉角約在?7°到27°之間。利用X射線能譜分析（EDS）進一步檢測了鋼中主要合金元素Si、Mn、Mo在鑄坯不同晶區的分布，揭示了其鑄態偏析特征與差異性。據此，探討了這種鑄態組織和成分偏析對后續熱軋棒材和連桿成品組織的遺傳性，以及對其脹斷加工斷口不合的影響，可為源頭鑄態質量的控制提供依據。

高強度耐腐蝕ODS?FeCrAl合金微觀結構、力學性能研究進展

賈皓東, 周張健

2022, 44(2): 198-207. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.17.005

[摘要](1604)

[HTML全文] (384)

[PDF 1738KB](132) [施引文獻] ()

摘要:
氧化物彌散強化（Oxide dispersion strengthened，ODS）FeCrAl合金由于加入一定量的Al元素，使合金表面可形成一層薄而致密的Al₂O₃保護膜，使得合金即便在1400 ℃的水蒸汽下也不會因為腐蝕導致失效。同時，大量超細氧化物粒子的彌散強化作用使其具備優異的高溫強度。這種兼具高溫強度和耐腐蝕的特性使得ODS?FeCrAl合金成為非常有前景的事故容錯燃料（Accident tolerant fuel , ATF）包殼候選材料，也是快堆等其他工作于高溫強腐蝕環境的先進反應堆包殼的重要候選材料。Al元素的引入會使ODS鐵基合金中彌散粒子的種類發生變化，進而影響其顯微組織和力學性能。針對ODS?FeCrAl合金中引入Al元素所導致的顯微組織變化及其對蠕變性能的影響，總結了國內外相關研究進展，旨在為適用于先進反應堆的ODS?FeCrAl合金的發展提供參考。

硫酸鹽侵蝕作用下纖維鋰渣混凝土裂縫的分形特征

張廣泰, 陳勇, 魯海波, 李雪藩

2022, 44(2): 208-216. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.10.001

[摘要](1418)

[HTML全文] (791)

[PDF 1403KB](44) [施引文獻] ()

摘要:
為探究新型混凝土受硫酸鹽侵蝕后的力學性能，采用質量分數為5%的硫酸鹽溶液全浸泡加速侵蝕法，對11組聚丙烯纖維混凝土（PC）試塊、11組聚丙烯纖維鋰渣混凝土（PLiC）試塊、8根PC大偏心受壓柱和8根PLiC大偏心受壓柱進行侵蝕試驗，得到了不同侵蝕時間下混凝土的力學性能。基于分形理論分析了試塊及構件破壞時表面裂縫分布的分形特征，詳細討論了試塊及構件表面裂縫分形維數與其侵蝕時間、抗壓強度、極限承載力之間的關系。研究表明，PC和PLiC立方體抗壓強度隨侵蝕天數先增加后降低，在120 d達到最大；試塊及構件破壞時表面裂縫分布具有分形特征，試塊表面裂縫分形維數隨侵蝕天數的增加呈現先增加后減少再增加的規律，隨試塊抗壓強度的提高而減少；PC及PLiC混凝土大偏心柱極限承載力隨侵蝕天數的增加先增加后減少，鋰渣的摻入可以提高聚丙烯纖維混凝土柱的抗硫酸鹽侵蝕能力，構件破壞時表面裂縫分形維數隨硫酸鹽侵蝕天數呈現震蕩上升的趨勢；因此混凝土表面裂縫的分形特征可作為判定構件損傷程度的指標之一，可為今后對在役混凝土結構承載力和壽命預測提供參考。

高超音速火焰噴涂粒子飛行行為研究

王文瑞, 張峰, 張佳明, 張賀強

2022, 44(2): 217-227. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.24.001

[摘要](573)

[HTML全文] (228)

[PDF 2026KB](37) [施引文獻] ()

摘要:
以高超音速火焰噴槍為研究對象，采用計算流體力學軟件Fluent對高超音速火焰噴涂(HVOF)過程中的焰流流場以及粒子飛行過程進行數值模擬。HVOF系統以氧氣為助燃氣體，煤油為燃料。研究了加入粒子前噴槍內火焰焰流溫度、速度和壓力分布規律，采用離散相模型計算噴涂粒子的動力學飛行行為，探究了粒子大小、注入速度、球形度對粒子飛行行為的影響。發現最佳粒子粒徑范圍應為30～50 μm，在此范圍內粒子均勻的分布在焰流中心，且為熔融狀態，更易形成結合強度較高的涂層；小粒徑粒子最佳注入速度為10～15 m·s^?1，中等粒徑粒子最佳注入速度為5～10 m·s^?1，大粒徑粒子最佳注入速度為1～5 m·s^?1；與球形顆粒相比，非球形顆粒具有較高的阻力系數，在飛行過程中獲得更大的動能和更少的熱量。

石墨化鋼石墨化過程的金相分析及其動力學方程

張永軍, 李新鵬, 王九花, 劉靖, 韓靜濤

2022, 44(2): 228-234. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.10.004

[摘要](543)

[HTML全文] (315)

[PDF 1514KB](37) [施引文獻] ()

摘要:
在650、680和710 ℃不同溫度條件下對碳質量分數為0.66%的淬火高碳鋼進行了石墨化處理，并利用場發射掃描電子顯微鏡、電子探針、X-射線衍射儀和透射電子顯微鏡對其石墨化過程的組織進行金相分析，以及利用組織轉變動力學理論，繪制了其石墨化過程的動力學曲線，并建立了相應的動力學方程。研究結果顯示：在石墨化過程中，淬火馬氏體首先向析出碳化物的穩定狀態轉變，且在碳化物為滲碳體Fe₃C時，石墨粒子析出速度開始明顯增加；基體組織中針葉狀α-Fe發生再結晶，由等軸狀鐵素體逐步代替針葉狀的α-Fe；鐵素體中的碳含量隨著石墨化時間的延長而逐步降低，即由過飽和狀態轉變為穩定態，碳含量在石墨粒子中突變增為峰值，而鐵含量則突變降為谷值，由此表明，滲碳體分解的碳向石墨核心擴散，鐵自石墨核心處擴散出來，而形成石墨粒子；石墨粒子面積分數隨時間變化的曲線呈S形狀，即該動力學過程符合動力學模型JMAK（Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov）方程，且該方程中的n值為1.5～1.7。

控制科學與工程

神經網絡在無人駕駛車輛運動控制中的應用綜述

張守武, 王恒, 陳鵬, 張笑語, 李擎

2022, 44(2): 235-243. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.23.001

[摘要](854)

[HTML全文] (370)

[PDF 842KB](182) [施引文獻] ()

摘要:
無人駕駛車輛自身具有強烈的非線性、信號時延和參數不確定性，對它的控制還受到道路附著系數的變化、側向風等外界因素影響。因此傳統控制方法往往難以對其穩定和精確地控制。神經網絡所具有的學習能力、自適應能力和近似非線性映射的能力，為解決車輛模型參數的不確定性、外界的擾動以及車輛自適應控制問題提供了有效的途徑。針對上述幾個方面，對近幾年國內外學者將神經網絡應用到無人駕駛車輛運動控制中所取得的成果與進展進行了歸納分類，分別介紹了應用情況并對優缺點進行評價。最后總結了神經網絡在無人駕駛車輛運動控制中存在的主要問題，并展望了可能的發展方向。

面向六關節機器人的位置域控制

崔旭東, 鄧少豐, 王平江

2022, 44(2): 244-253. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.07.002

[摘要](1369)

[HTML全文] (595)

[PDF 1818KB](74) [施引文獻] ()

摘要:
多軸聯動下的串聯多關節工業機器人在空間軌跡運動時，在時間上保證各關節軸單獨具有良好的跟蹤性能，而由于機械電氣的遲滯效應，并不能完全保證理想的輪廓軌跡，這說明各個伺服軸的運動在幾何空間中的同步非常重要。針對運動指令與實際位置之間的遲滯所帶來的機器人末端輪廓精度不高的問題，本文結合工業機器人現有的運動學和動力學以及傳統的PID控制理論，研究了六關節機器人位置域控制算法。將機器人空間輪廓軌跡的控制，通過采用主?從運動關系實時建立的方法，將時域中的各個伺服關節的同步控制方法，變換到位置域的各個伺服關節的主?從跟隨的控制方法，在實現位置域的同步控制的同時，引入基于位置域的PD控制，減少了主?從跟隨控制的跟隨誤差，從而整體提高機器人末端的輪廓運動精度。該方法在Linux CNC(Computerized Numerical Control)數控系統上，以某公司HSR-JR605機器人為對象進行了實驗，證明采用位置域控制方法對六關節機器人空間運動軌跡精度的提高有積極作用。

空間機械臂在軌插、拔孔操作基于力/位姿跟蹤指數型阻抗控制

曾晨東, 陳力

2022, 44(2): 254-264. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.31.002

[摘要](1156)

[HTML全文] (344)

[PDF 2748KB](55) [施引文獻] ()

摘要:
討論了空間機械臂在軌插、拔孔操作的阻抗控制問題。為此，結合系統動量守恒關系，空間機械臂替換部件末端輸出插、拔孔主動力與孔內所受摩擦阻力作用關系，以及第二類拉格朗日方程，推導得到了載體位置、姿態均不受控制情況下，空間機械臂在軌插、拔孔操作過程系統動力學方程。同時，根據相關操作控制系統設計需要，利用系統位置幾何關系分析、建立了空間機械臂替換部件末端相對基聯坐標系的相對運動雅可比關系。之后，由空間機械臂替換部件末端位姿與末端輸出插、拔孔主動力之間的動態關系并結合阻抗控制原理，建立了二階線性阻抗模型。在上述工作基礎上，針對空間機械臂在軌插、拔孔操作過程同時存在運動學與動力學不確定性的情況，設計了空間機械臂替換部件末端力/位姿跟蹤指數型阻抗控制策略；并通過李雅普諾夫理論，證明了控制系統的穩定性。提到的控制策略具有結構簡單、收斂速度快、穩定性好的特點。系統數值仿真，驗證了上述控制策略的有效性。

土木工程·環境工程

隧道初支合理支護時機確定方法及其工程應用

梁鵬, 高永濤, 周喻, 鄧代強

2022, 44(2): 265-276. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.06.15.004

[摘要](813)

[HTML全文] (293)

[PDF 1761KB](48) [施引文獻] ()

摘要:
將巖體破壞接近度指標(FAI)引入隧道支護設計，明確了圍巖臨界支護時機判別準則。基于有限差分數值計算程序，合理考慮巖體峰后應變軟化特性，建立了一種隧道最優支護時機確定方法。通過算例分析，定量探討了表征支護時機的重要參數，從工程角度闡釋了支護時機的本質意義。結果表明：巖體地質強度指標GSI由75減小至25時，支護時機提前8.32 m；巖石材料常數m_i由20減小至10時，支護時機提前5.85 m；巖石單軸抗壓強度σ_ci由80 MPa減小至40 MPa時，支護時機提前3.74 m；工程擾動參數D由0增加至0.8時，支護時機提前7.44 m。將建立方法在玉渡山隧道工程中進行應用，計算出研究區段的支護時機為3.3 m，經現場監測表明該方法有效、可行。該研究成果可為隧道支護體系的量化設計提供參考。

古磚塔子結構壓剪復合受力性能分析

盧俊龍, 范金鑫, 王振山, 贠作義

2022, 44(2): 277-288. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.12.004

[摘要](867)

[HTML全文] (395)

[PDF 1669KB](35) [施引文獻] ()

摘要:
為研究古塔子結構的受力性能，設計制作了3件不同樓層的子結構縮尺模型試件，進行低周反復加載試驗，觀察試件的開裂、變形及破壞現象；建立數值模型進行計算，得到了試驗荷載作用下各試件的等效塑性應變、荷載?位移曲線，將計算結果與試驗結果進行對比，分析豎向壓應力對古塔砌體抗震性能的影響。結果表明，特征荷載的計算值相對試驗值的誤差均小于21%，等效塑性應變的分布與試件開裂破壞區域一致；當豎向壓力保持恒定時，隨著水平荷載的增大，塔體沿砌筑縫逐漸開裂破壞，裂縫寬度亦隨之增大，在塔體洞口周圍的破壞更為明顯，且試件殘余變形增大；隨著壓剪比的增大，古塔砌體開裂破壞的范圍減小，抗剪承載力、剛度以及耗能能力均有所提高，但延性和變形能力略有降低。研究結果為磚石古塔建筑結構損傷及抗震能力評定提供參考。

重毒性鉛污染土壤清潔高效修復研究進展

肖龍恒, 唐續龍, 盧光華, 張穎, 郭敏, 張梅

2022, 44(2): 289-304. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.08.002

[摘要](1606)

[HTML全文] (336)

[PDF 1105KB](65) [施引文獻] ()

摘要:
在介紹了鉛元素污染背景、現狀與危害的基礎上，對土壤中鉛的來源、賦存形式及其提取方法進行了詳細介紹。結合土壤修復技術研究現狀，對三大修復方法如物理、化學及生物修復法進行了系統綜述，并從效率、適用性、經濟性等方面評估了3種修復方法的優勢與劣勢，發現化學修復最適合重毒性鉛污染治理。隨之對化學淋洗法和固定化/穩定法作了詳細介紹，探討并評價了不同種類淋洗劑和固化劑的修復機制、修復效果、適用性和應用前景等。最后對未來重毒性鉛污染土壤清潔高效修復提出了展望，修復方法應盡量減少對土壤的破壞；對高鉛污染土壤來說聯合修復技術的發展是土壤修復富有潛力的發展方向；應當盡可能地確定鉛污染土壤修復機制，實現定向修復；同時應加強多功能復合材料的研發。

建筑環境中有機磷酸酯污染特征和控制技術研究進展

韓旭, 厲文輝, 劉杰民, 吳傳東, 莊媛, 裴素云

2022, 44(2): 305-318. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.11.001

[摘要](1039)

[HTML全文] (288)

[PDF 786KB](47) [施引文獻] ()

摘要:
有機磷酸酯（Organophosphate esters, OPEs）作為一類阻燃劑和增塑劑，在建筑材料和室內裝修材料中廣泛使用。由于該類物質主要以物理添加而非化學鍵合的方式加入到材料中，因此易在使用過程中進入環境。研究表明OPEs普遍存在于室內環境中，并且濃度較高，人體長期暴露在高濃度OPEs的室內環境中，可能存在一定的健康風險。本文在綜述了常見OPEs的性質、應用和生物毒性的基礎上，總結了其在建筑環境中的污染特征、環境行為和暴露水平，介紹了建筑環境中OPEs的源匯特性、控制技術與人體暴露風險，并對未來研究方向進行了展望。