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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2022年第44卷第3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·能源工程

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礦業工程

離散元法在磨礦設備及參數優化研究中的應用現狀

戴惠新, 唐冬冬, 王飛旺, 謝佩, 趙明珠

2022, 44(3): 319-327. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.004

[摘要](816)

[HTML全文] (465)

[PDF 826KB](187) [施引文獻] ()

摘要:
介紹了離散元法（DEM）在磨礦領域的應用背景；解釋了DEM中Hertz-Mindlin 接觸模型和顆粒黏結模型的基本原理；分類綜述了DEM在球磨機、攪拌磨機和自磨機/半自磨機等三類磨礦設備及參數優化研究中的應用現狀；指出了DEM在磨礦領域研究中的獨特優勢及其發展方向。

基于文本挖掘的礦山安全隱患大數據分析與可視化

郭對明, 李國清, 胡乃聯, 侯杰

2022, 44(3): 328-338. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.23.004

[摘要](3968)

[HTML全文] (522)

[PDF 1587KB](119) [施引文獻] ()

摘要:
基于大數據分析技術，構建了礦山安全隱患多維度分析模型，分析了隱患在時間和空間兩個維度上的分布規律；利用主題挖掘模型將眾多隱患信息歸類，得到了13個隱患主題；利用關聯規則挖掘模型探究了不同隱患之間的內在聯系，并利用R編程語言對上述結果進行可視化展示。通過對安全隱患的分析研究不僅充分利用了礦山隱患數據，避免了數據資源的浪費，同時也對礦山井下事故預防有一定的指導價值。

C₂H₆、C₂H₄、CO與H₂對甲烷爆炸壓力及動力學特性影響

羅振敏, 劉利濤, 王濤, 張江, 程方明

2022, 44(3): 339-347. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.22.002

[摘要](4163)

[HTML全文] (437)

[PDF 2325KB](68) [施引文獻] ()

摘要:
為量化可燃氣體爆燃引起的潛在危險性提供相關的基礎數據，設計出在氣體燃料加工、儲存和運輸過程中能夠承受爆炸危險的容器。運用20 L球形氣體爆炸系統，在不同初始溫度（298～373 K）與不同的預混氣體（CO、H₂、C₂H₄、C₂H₆）體積分數（0.4%～2.0%）條件下，獲取了甲烷體積分數為7%與11%的甲烷?空氣混合物的爆炸壓力特性參數。此外，采用 CHEMKIN軟件，模擬分析了不同體積分數的預混氣體在爆炸過程中H·、O· 和·OH自由基摩爾分數的變化趨勢，并進行了敏感性分析。結果表明，同一體積分數的預混氣體，隨初始溫度的增加，最大爆炸壓力呈線性降低，最大爆炸壓力上升速率幾乎恒定或下降。同一初始溫度，對于甲烷體積分數為7%的甲烷?空氣混合物，隨著預混氣體的體積分數增大到2%，其最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率均呈增大的趨勢，而甲烷體積分數為11%的甲烷?空氣混合物對應的最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率均呈減小趨勢。隨著預混氣體體積分數的增加，甲烷體積分數為7%的甲烷?空氣混合物在爆炸過程中H·、O·和·OH自由基摩爾分數峰值上升。O·和·OH自由基摩爾分數峰值在甲烷體積分數為11%的甲烷?空氣混合物中呈下降趨勢，H·自由基摩爾分數峰值有所上升。對于甲烷體積分數為7%與11%的甲烷?空氣混合物，其影響甲烷的關鍵基元反應式不變，敏感性系數隨預混氣體體積分數的增加而減弱。

充填型單縫煤巖水力脈動解堵試驗研究

葉功勤, 曹函, 高強, 陳裕, 孫平賀, 張紹和

2022, 44(3): 348-356. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.17.001

[摘要](736)

[HTML全文] (349)

[PDF 1256KB](41) [施引文獻] ()

摘要:
利用室內自行研制的可調頻脈動水力壓裂系統及預制充填型單縫的煤巖，開展不同頻率條件下水力脈動解堵試驗，研究脈動作用下解堵水壓演化過程和解堵效果。試驗結果表明，水力脈動解堵壓力演化過程可分為三個階段：壓力上升階段、壓力下降階段和壓力波動穩定階段。在疲勞損傷和脈動波的雙重作用下，脈動作用下的煤巖解堵表現出解堵壓力閥值比定常流作用下更低、壓降持續時間更短、壓降幅值更小的特點。定常流作用下煤粉運移集中在壓力下降階段；脈動壓力作用下煤粉在壓力下降階段和壓力波動穩定階段均有運移，且壓力下降時間與運移煤粉總量成正相關關系，但煤粉總的運移量和定常流作用下的相當。脈動作用和定常流作用下徑向滲透主要發生在壓力上升至壓力峰值階段，但脈動流的解堵時間短，則濾液滲透半徑小對儲層的傷害小。綜合考慮解堵壓力、煤粉運移、解堵滲透路徑和解堵滲流深度，特別是解堵壓力和解堵滲流深度作為主要評價因素，在3 Hz條件下解堵效果最好，其具有較低的解堵壓力和最小的解堵滲流深度。

冶金工程·材料科學與工程

基于非調質鋼凝固特性的二次冷卻控制

鄒雷雷, 劉青, 杜肖臣, 張江山, 李明

2022, 44(3): 357-366. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.19.001

[摘要](575)

[HTML全文] (325)

[PDF 1668KB](89) [施引文獻] ()

摘要:
提出了基于非調質鋼凝固特性的二次冷卻控制方法。在凝固特性研究方面，運用高溫共聚焦顯微鏡、場發射掃描電鏡研究了冷速對第二相粒子析出規律的影響，并闡釋了先共析鐵素體的相變機制。結果表明，第二相粒子在1086 ℃開始析出，并在912 ℃達到峰值。當冷速在0.1～5 ℃·s^?1時，隨著冷速增大，第二相粒子尺寸和數量均減小，且第二相粒子由晶界處的鏈狀分布向晶體內的彌散分布過渡，提高冷速有助于削弱第二相粒子的釘扎作用，強化鑄坯表層微觀組織；在二冷配水優化方面，建立了考慮鑄坯橫向水量分布的凝固傳熱數學模型，提出了基于非調質鋼凝固特性的二冷配水優化方案，即對出結晶器后的鑄坯實施強冷，以滿足控制第二相粒子析出的合理冷速和溫度區間的要求。工業試驗證實了技術方案的可行性。此外，研究表明，降低噴淋距離有助于改善連鑄坯橫向冷卻不均勻性。本研究統籌考慮二冷水量與噴淋距離對非調質鋼裂紋敏感性的影響，通過開展“縱?橫”凝固冷卻控制研究對連鑄二次冷卻進行系統優化，提出的二冷優化方案有助于改善連鑄坯的表面及皮下裂紋。

鋰離子電池富鋰正極材料的包覆改性研究進展

楊溢, 何亞鵬, 張盼盼, 郭忠誠, 黃惠

2022, 44(3): 367-379. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.04.003

[摘要](1811)

[HTML全文] (677)

[PDF 2063KB](186) [施引文獻] ()

摘要:
隨著新能源汽車及儲能行業的快速發展，傳統正極材料難以滿足人們對電池高能量、高密度鋰電池的要求。富含Li和Mn的層狀氧化物xLi₂MnO₃·(1–x)LiMO₂ (M=Ni，Mn，Co)，其高比容量可超過250 mA·h·g^–1，有希望成為下一代鋰離子電池最理想的正極材料。但是，富鋰材料仍存在首次循環不可逆容量高、循環性能差和倍率容量低等問題，為解決這些問題，本文闡述了富鋰正極材料的結構和電化學反應之間的構效關系，討論了金屬氧化物、金屬氟化物、碳、導電聚合物和鋰離子導體等涂層材料對富鋰正極材料電化學性能的影響規律及作用機理，同時還對以上涂層在富鋰正極材料中應用的優缺點進行了總結。最后，對鋰離子電池富鋰正極材料的包覆改性的未來發展發現作出展望。

基于NARX動態神經網絡的鋰離子電池剩余壽命間接預測

魏孟, 王橋, 葉敏, 李嘉波, 徐信芯

2022, 44(3): 380-388. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.22.005

[摘要](1987)

[HTML全文] (686)

[PDF 1566KB](126) [施引文獻] ()

摘要:
鋰離子電池的直接健康因子難以實現在線測量，針對此問題，提出一種基于動態神經網絡時間序列的鋰離子電池剩余壽命（Remaining useful life, RUL）間接預測方法。首先根據鋰離子電池的放電數據，提出放電截止時間，恒流放電時間以及放電峰值溫度時間三種間接健康因子并進行灰色關聯分析（Grey relation analysis, GRA）。然后，基于非線性自回歸（Nonlinear autoregressive models with exogenous inputs, NARX）動態神經網絡建立鋰離子電池RUL預測模型。最后將粒子群優化前饋神經網絡（Back propagation neural network based on particle swarm optimization, BPNN-PSO），最小二乘支持向量機（Least square support vector machine, LS-SVM），極限學習機（extreme learning machine, ELM），閉環（Closed-loop）NARX和開環（Open-loop）NARX進行對比分析，驗證了所提方法的優越性。

一種描述磁流變彈性體滯回特性的分數階導數改進Bouc?Wen模型

王鵬, 楊紹普, 劉永強, 趙義偉, 王翠艷

2022, 44(3): 389-401. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.06.23.002

[摘要](622)

[HTML全文] (337)

[PDF 2083KB](59) [施引文獻] ()

摘要:
為了準確表征大范圍應變幅值、激勵頻率和磁場下磁流變彈性體(Magnetorheological elastomer, MRE)的力學行為，本文引入黏彈性分數階導數，提出一種描述磁流變彈性體滯回特性的分數階導數改進Bouc?Wen模型。分析了各向同性與異性MRE的微觀形貌特征，對MRE進行了性能試驗，研究發現，MRE的儲能和損耗模量隨著應變幅值(0～100%)增大先不變后減小，隨著頻率(0～100 Hz)增大而增大，隨著磁場(0～545 mT)增大而增大。在此基礎上，基于分數階導數提出改進Bouc?Wen模型，在Simulink軟件中建立仿真模型，利用Oustaloup濾波器算法對分數階導數項近似計算，對比分析驗證了改進模型的有效性，各工況下仿真數據和試驗數據的吻合度均高于98%。結果表明：改進Bouc?Wen模型能準確地模擬MRE應力應變滯回曲線，擬合精度較Bouc?Wen模型明顯提升，改進模型在較寬的應變幅值、頻率和磁場范圍內是準確有效的，為實現MRE的工程應用打下基礎。

控制科學與工程

演化博弈與資源配置綜述

張艷玲, 莫廷鈺, 李松濤, 張妍, 李擎

2022, 44(3): 402-410. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.26.002

[摘要](1333)

[HTML全文] (600)

[PDF 796KB](113) [施引文獻] ()

摘要:
復雜網絡上集群行為的研究是多學科交叉的熱點，行為學實驗不僅證實了集群行為的普遍存在性，而且證實了利用演化論解釋集群行為涌現的合理性。復雜網絡上演化博弈理論已取得長足發展，特別是在兩策略競爭理論分析方法上取得突破性進展。首先介紹了演化博弈框架下合作演化機制的相關研究，詳細總結了近年來被廣泛關注的個體異質性和環境反饋對于合作演化的影響研究；其次闡述了五種復雜網絡上演化博弈的理論分析方法，包括最近提出的適用于任意網絡結構和更新規則的溯祖隨機游走理論；再次給出了基于最后通牒博弈模型的資源配置問題研究；最后總結了復雜網絡最后通牒博弈所面臨的挑戰及未來發展趨勢。

一類離散動態系統基于事件的迭代神經控制

王鼎

2022, 44(3): 411-419. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.28.002

[摘要](832)

[HTML全文] (395)

[PDF 1354KB](73) [施引文獻] ()

摘要:
面向離散時間非線性動態系統，提出一種基于事件的迭代神經控制框架。主要目標是將迭代自適應評判方法與事件驅動機制結合起來，以解決離散時間非線性系統的近似最優調節問題。首先，構造兩個迭代序列并建立一種事件觸發的值學習策略。其次，詳細給出迭代算法的收斂性分析和新型框架的神經網絡實現。這里是在基于事件的迭代環境下實施啟發式動態規劃技術。此外，通過設計適當的閾值以確定事件驅動方法的觸發條件。最后，借助兩個仿真實例驗證本文控制方案的優越性能，尤其是在通信資源的利用方面。本文的工作有助于構建一類事件驅動機制下的智能控制系統.

四足機器人軟硬地面穩定過渡的腿部主動變剛度調節策略

劉帥, 趙慧, 劉清宇

2022, 44(3): 420-429. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.23.001

[摘要](1156)

[HTML全文] (545)

[PDF 1510KB](126) [施引文獻] ()

摘要:
針對四足機器人在變剛度地面環境下動態行進時易出現姿態不穩定的問題，本文提出了一種機器人腿部主動變剛度實時調節策略，該策略根據機器人著地后的機身和腿部的運動狀態實時估計出著地腿和地面的耦合剛度，并將前后腿與地面耦合剛度的差值補償到相應的著地腿上。該策略能夠使機器人著地后迅速適應不同剛度特性的地面，特別是地面剛度相差較大的情況。通過搭建Simulink-SimMechanics仿真平臺，對角腿在同一剛度地面和變剛度地面兩種不同的著地環境，對僅利用常規姿態反饋控制、腿部主動變剛度調節策略與常規姿態反饋控制聯合方式進行了對比實驗。結果表明，通過腿部主動變剛度調節策略的作用，四足機器人在軟硬地面過渡時實現對機身俯仰角和滾轉角的補償修正，調控效果優于單獨通過常規姿態反饋控制。

土木工程·能源工程

不同層理頁巖常規三軸壓縮力學特性離散元模擬

楊圣奇, 孫博文, 田文嶺

2022, 44(3): 430-439. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.12.005

[摘要](1228)

[HTML全文] (491)

[PDF 3369KB](124) [施引文獻] ()

摘要:
頁巖作為頁巖氣儲層，在沉積過程中形成部分弱面，在力學特性上表現出各向異性特征。所以，使用離散元軟件從微細觀層面探討深部頁巖力學各向異性特征具有重要實踐意義。基于頁巖室內常規三軸壓縮試驗結果，采用離元程序PFC^2D對常規三軸壓縮下不同層理傾角頁巖進行了顆粒流模擬研究，分析了層理傾角及圍壓對頁巖力學特性的影響規律。結果表明：（1）頁巖峰值強度與黏聚力隨層理傾角的增加整體呈“U”形變化，但峰值強度在不同圍壓下的變化趨勢有所區別；而內摩擦角隨層理傾角的增大呈非線性變化。（2）層理傾角對頁巖周圍顆粒的位移方向及大小的影響隨著層理面與軸向應力的夾角的增大而減小。（3）同一層理傾角試樣最終破壞時的微裂紋總數隨著圍壓的升高有所增加；同一圍壓下，試樣最終破壞時的微裂紋數目，隨著層理傾角的增加呈現先減少后增多的趨勢。（4）同一層理傾角頁巖的脆性隨圍壓的增長整體呈下降趨勢;低圍壓情況下，頁巖脆性隨層理傾角的增加呈兩端大中間小的變化規律。

降雨和地震條件下淺層黃土滑坡三維穩定性評價

李泊良, 張帆宇

2022, 44(3): 440-450. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.08.002

[摘要](635)

[HTML全文] (397)

[PDF 1639KB](68) [施引文獻] ()

摘要:
以蘭州市大沙溝流域淺層黃土滑坡為研究對象，整合降雨滲透模型到黃土斜坡三維確定性模型，評價不同降雨和地震耦合效應下淺層黃土滑坡穩定性，并用混淆矩陣法和受試者工作特征曲線法（ROC）評價穩定性評價預測的結果。研究結果發現，耦合降雨入滲和地震的三維確定性模型，對流域尺度淺層黃土滑坡穩定性評價具有較好效果，能作為降雨和地震誘發黃土滑坡災害評價和早期預警的工具，對加強不同尺度極端事件下黃土滑坡災害時空災害評價和預測具有重要參考價值。

基于離散裂縫模型的頁巖油儲層壓裂滲吸數值模擬

徐榮利, 郭天魁, 曲占慶, 陳銘, 覃建華, 牟善波, 陳喚鵬, 張躍龍

2022, 44(3): 451-463. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.30.007

[摘要](1172)

[HTML全文] (375)

[PDF 2345KB](113) [施引文獻] ()

摘要:
對于含黏土礦物較高的頁巖油儲層，地層水的礦化度可高達4.786×10³ mol·m^?3，壓裂過程中與注入的低礦化度壓裂液形成的滲透壓作用顯著。為探究滲透壓對滲吸的影響作用，建立了綜合考慮滲透壓和毛管力滲吸作用的油水兩相二維離散裂縫網絡模型，開展了頁巖油儲層壓裂液泵注和關井階段滲透壓、毛管力、關井時間、鹽濃度、膜效率、分支縫面積占比等對滲吸的影響規律研究。結果表明：①濾失主要由壓力差、毛管力和滲透壓3種機制驅動，其中壓力差是濾失的關鍵控制機制；②關井時間對壓裂液的滲吸作用影響較大，關井50 d時，前15 d滲吸量可達到總滲吸量的80%，且關井壓力擴散會波及到兩側壓裂段；③與壓力擴散相比，滲透壓達到平衡的時間較長，對于地層水礦化度為4.786×10³ mol·m^?3的情況，裂縫附近的礦化度達到600 mol·m^?3左右所需關井時間為50 d；④由于壓力差是滲吸主要驅動力，頁巖膜效率對滲透壓力擴散影響微弱，頁巖膜效率30%與5%相比滲吸量僅增加4%；⑤對于密切割壓裂，關井后，含水飽和度受小間距水力裂縫控制，分支縫對滲吸含水飽和度的影響有限。

基于云理論的大壩整體性態評價模型

姜振翔, 陳輝, 陳柏全

2022, 44(3): 464-473. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.15.001

[摘要](1114)

[HTML全文] (671)

[PDF 1552KB](55) [施引文獻] ()

摘要:
現有的大壩整體性態評價方法以定性評價為主，主觀性較強。針對這一問題，以單測點監控模型的計算值與監測儀器實測值之間的殘差為基礎，提出采用多測點融合殘差表征大壩整體性態。結合信息熵理論研究了不同測點的殘差變化規律，從而對各測點殘差的融合權重進行了分配，計算了融合殘差。通過對融合殘差進行分布分析，利用逆向云發生器、正向云發生器建立了表征大壩不同性態的概念云，即評價標準。在此基礎上，結合云相似度算法，建立了大壩整體性態的評價模型。算例表明，該模型能夠有效識別大壩監測資料中的異常測值，并能夠定量、客觀地評價大壩整體性態，評價結果合理、可靠，可為保障大壩安全運行提供重要參考。