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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2022年第44卷第5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
能源工程
管理科學

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礦業工程

熱損傷巖石物理力學特性演化機制研究進展

吳星輝, 李鵬, 郭奇峰, 蔡美峰, 任奮華, 張杰

2022, 44(5): 827-839. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.007

[摘要](1400)

[HTML全文] (440)

[PDF 2360KB](162) [施引文獻] ()

摘要:
為深入了解溫度作用下巖石熱損傷演化機制，對超深鉆探、深地實驗室、核廢料處置庫、地熱資源開發等地下巖體工程的安全性和穩定性做出合理性評價，本文通過分析整理國內外文獻，系統綜述了溫度作用下巖體變形破壞方面的研究進展與成果。簡述了高溫作用下巖石的物理力學特性，側重總結了巖石物理力學參量隨溫度變化的演化規律。重點分析了深部巖石材料在高溫條件下巖體結構及相關物理場探測技術的最新研究成果，梳理了聲發射(AE)、超聲波(UT)、X射線分析（XRD）、偏光顯微鏡(PM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、核成像技術（NMR）以及CT掃描技術等先進的輔助試驗設備在熱破裂分析中的應用。歸納總結了國內外學者采用的熱力耦合模型和數值分析方法及適用條件，簡略闡述了溫度作用下巖石力學參量變異性特征。最后，指出了當前巖石熱損傷研究中存在的一些局限性，并從深部地下工程建設方面展望了未來的發展方向，即多尺度、多場?相探究巖石熱損傷機理，宏?細?微觀角度系統分析巖石熱損傷演化規律。

堆存溫度對半水磷石膏膠凝性能影響

王志凱, 王貽明, 吳愛祥, 李根, 李劍秋

2022, 44(5): 840-848. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.13.001

[摘要](3999)

[HTML全文] (411)

[PDF 1429KB](47) [施引文獻] ()

摘要:
半水磷石膏（HPG）長時間堆存狀態下會出現固結現象，其膠凝性能也相應下降。以室內HPG結晶水檢測和單軸壓縮試驗為基礎，通過設定4種不同堆存溫度，分別為20，40，60和80 ℃，探究不同堆存溫度作用下HPG試樣結晶水質量分數變化和堆存后制備的充填膠凝材料（HCM）抗壓強度發展規律，并采用掃描電鏡等微觀分析手段研究堆存溫度對其強度影響機制。結果表明，堆存溫度對HPG膠凝性能影響顯著，高的堆存溫度會加快HPG試樣中的自由水轉變為結晶水速率，而且會抑制堆存后制備的HCM強度發展。采用數據標準化對不同堆存溫度作用后的試樣抗壓強度作出預測，被證實與實測值較吻合。微觀分析發現，堆存溫度主要影響體系的過飽和度，而使不同堆存溫度作用后制備的HCM微觀形態表現差異。

高磷鮞狀鐵礦直接還原?磁選提鐵降磷擴大試驗研究

吳世超, 孫體昌, 寇玨, 李小輝

2022, 44(5): 849-856. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.29.002

[摘要](797)

[HTML全文] (364)

[PDF 3282KB](60) [施引文獻] ()

摘要:
為給回轉窯工業試驗提供參數，以小型試驗最佳結果為基礎，進行了高磷鮞狀鐵礦煤基直接還原?磁選提鐵降磷擴大試驗。結果表明，在最佳的條件下可獲得鐵品位94.17%、鐵回收率77.47%以及磷質量分數0.08%的粉末還原鐵，推薦的回轉窯工業試驗初始條件為：石灰石用量（質量分數）28%、無煙煤用量（質量分數）16%、還原溫度1300 ℃，還原時間3 h。采用XRD以及SEM-EDS研究了無煙煤的作用機理，發現無煙煤用量增加，促進了浮氏體、鎂鐵尖晶石的還原以及鐵顆粒長大，從而提高了鐵的回收效果，但過多的無煙煤通過增強還原氣氛及其帶入的灰分消耗了石灰石，使鐵礦物中的磷以及磷灰石還原成單質磷并與鐵顆粒形成鐵磷合金。

模擬凍結法施工環境對大體積混凝土的性能影響

吳瑞東, 劉娟紅, 紀洪廣, 車樹武, 周昱程, 張廣田

2022, 44(5): 857-864. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.01.002

[摘要](431)

[HTML全文] (215)

[PDF 1046KB](29) [施引文獻] ()

摘要:
模擬大體積混凝土在凍結法施工環境的狀態，將混凝土澆筑7 h后施加?5/60 ℃和?5/70 ℃溫差，測試施加模擬環境后混凝土的超聲波參數、抗壓強度、劈裂抗拉強度、氯離子擴散系數和沖擊傾向性，分析混凝土的掃描電鏡微觀形貌。結果表明，凍結施工環境對于混凝土內部會造成一定的損傷，且平行于加溫方向的損傷要大于垂直方向，C50混凝土的損傷大于C70混凝土，溫度梯度會加劇混凝土內部的損傷。模擬凍結環境會對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、氯離子滲透性能和沖擊傾向性造成不利影響，溫差與性能降低率正相關，且這種影響對于低強度混凝土更加顯著。模擬凍結環境造成混凝土試塊的內部微觀結構不均勻，低溫端混凝土結構比較疏松，高溫端結構比較致密，導致部分混凝土性能的降低。

巖爆數據庫管理系統開發及應用

姚志賓, 牛文靜, 張宇, 胡磊, 張偉

2022, 44(5): 865-875. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.12.002

[摘要](909)

[HTML全文] (297)

[PDF 4142KB](54) [施引文獻] ()

摘要:
針對深部巖體工程科學前沿的巖爆研究難題，分析了制約其動態定量及智能化預警研究的挑戰性問題。為突破挑戰問題制約，采用面向對象的B/S+C/S結構，建立了巖爆數據庫管理系統，包含巖爆案例數據庫、微震波形數據庫、微震時序數據庫，具備多工程管理、詳細數據采集、查詢分析、結果導出等功能的巖爆數據庫管理系統，成功實現了多工程、多源巖爆災害信息的詳細采集與有效管理。利用多個具有巖爆災害的深埋巖體工程，對巖爆數據庫管理系統進行了應用，取得了較好的效果。結果表明建立的巖爆數據庫管理系統具有較好的適用性，可為不同工程巖爆類比研究、巖爆智能預警研究等提供科學、可靠的數據基礎與參考。

非煤露天礦山巖質邊坡穩定性評價標準探討

吳順川, 賀鵬彬, 程海勇, 王廣和, 張小強, 張中信

2022, 44(5): 876-885. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.01.001

[摘要](838)

[HTML全文] (592)

[PDF 837KB](92) [施引文獻] ()

摘要:
根據露天礦山的生產工藝特征，將巖質邊坡劃分為總體邊坡、路間邊坡和臺階邊坡三種尺度，并對其控制因素、破壞模式進行了分析；結合土木工程邊坡規范和非煤露天礦山邊坡規范的邊坡設計安全系數取值，討論了國內外非煤露天礦山邊坡設計安全系數的要求，提出了六條建議；綜合考慮服務年限、邊坡尺度規模的設計安全系數改進方案，并引入失穩概率，拓展了不同尺度邊坡穩定性評價的設計標準，可有效提升非煤露天礦巖質邊坡穩定性評價的合理性和科學性，進一步完善了礦山邊坡設計理論和方法。

冶金工程·材料科學與工程

碳熱焙燒還原砷酸鈣制備金屬砷

熊民, 史冠勇, 田磊, 劉重偉, 曹才放, 張志輝, 徐志峰

2022, 44(5): 886-893. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.14.002

[摘要](850)

[HTML全文] (445)

[PDF 1506KB](77) [施引文獻] ()

摘要:
致力于碳熱焙燒還原砷酸鈣制備具有商業價值的金屬單質砷，為推進砷危廢物無害化處理向砷資源化回收利用前進展開科學研究。其中熱重分析表明，砷酸鈣與碳粉混合熱解的質量損失分為3個階段，階段1和階段2為失水過程，階段3為碳還原砷酸鈣生成CaO和砷蒸氣過程。且研究發現，可以利用相邊界反應動力學模型解釋階段3反應機制。而單因素條件實驗結果表明：在溫度1000 ℃、碳配入系數1.4、恒溫時長60 min條件下砷揮發率高達99.94%。X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡能譜儀(SEM?EDS)對反應體系中有關產物表征表明，較優條件下產品砷主要為片狀金屬砷和粉末非晶體砷，焙燒殘渣為CaO。

鐵尾礦兩步法制備多級孔ZSM-5分子篩

張鵬, 李素芹, 郭鵬輝, 趙鑫, 趙澤坤

2022, 44(5): 894-899. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.002

[摘要](776)

[HTML全文] (442)

[PDF 1294KB](77) [施引文獻] ()

摘要:
以鐵尾礦為原料替代純化學試劑，采用兩步法制備含有介孔–微孔復合孔的多級孔ZSM-5分子篩。首先在介孔模板劑（CTAB）作用下合成介孔分子篩（MCM-41），然后通過固相轉換法將MCM-41晶化轉變為多級孔ZSM-5分子篩。采用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和氮氣吸附脫附測試（BET）等技術對樣品進行表征。實驗結果表明，由于體系中沒有液態水相參與，成功避免了CTAB與微孔結構導向劑（TPABr）在水溶液中相互競爭，從而得到高結晶度的多級孔ZSM-5分子篩。因此，本文為鐵尾礦制備多級孔ZSM-5提供了一種全新方法。

基于磁記憶檢測的橋鋼箱梁翼緣損傷狀態力磁關系

蘇三慶, 秦彥龍, 王威, 左付亮, 鄧瑞澤, 劉馨為

2022, 44(5): 900-910. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.00214

[摘要](343)

[HTML全文] (266)

[PDF 5072KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
金屬磁記憶檢測技術由于其能夠快速便捷的對鐵磁性構件的損傷進行識別，且被認為具有識別隱性損傷的能力，而被廣泛研究。為推進金屬磁記憶檢測技術在橋鋼箱梁損傷檢測方面的應用，對橋鋼箱梁進行了靜力受彎試驗，提取其變形最嚴重的上翼緣磁信號分布，建立了損傷區域力與磁信號和磁信號梯度的關系曲線，并提出用磁場梯度指數來表征鋼梁的受力和損傷狀態。結果表明：上翼緣磁信號曲線與應力變化形態正好相反，磁信號曲線在進入塑性后發生反轉變為負值，且隨應力變化的速度增快，可以判斷構件進入塑性狀態，即將發生損傷；磁場梯度曲線在損傷最嚴重的區域出現最大值，且隨著荷載的增大，磁梯度最大值點不斷向鋼梁中間移動，由此可以進行破壞狀態的預警；磁場梯度與應力關系曲線可將構件整個受力過程明顯的區分為初始、屈服、塑性、損傷4個狀態；可以用磁場梯度指數來進行構件受力狀態與損傷狀態的表征。該研究可為金屬磁記憶檢測技術在橋鋼箱梁損傷狀態的定量評估和預警方面的應用提供依據和參考。

基于IPSO-GRU深度學習算法的海底管道缺陷尺寸磁記憶定量反演模型

邢海燕, 王松弘澤, 弋鳴, 楊健平, 朱孔陽, 劉超

2022, 44(5): 911-919. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.06.001

[摘要](575)

[HTML全文] (466)

[PDF 1285KB](50) [施引文獻] ()

摘要:
針對海底管道缺陷磁記憶定量反演的難題，提出一種基于改進粒子群優化的門控循環神經網絡模型，即IPSO-GRU模型。以兩端焊有盲板的X52管道作為實驗材料，其上預制有不同直徑、深度的缺陷，采用TSC-5M-32磁記憶檢測儀，外接11-6W非接觸探頭，進行水下磁記憶檢測試驗，提取不同缺陷尺寸的磁記憶信號特征值。考慮到磁記憶信號特征值隨缺陷尺寸呈復雜的非線性變化,引入門控循環神經網絡，利用其雙門結構能夠記憶缺陷處的信號特征，非線性回歸擬合能力強的特點，構建海底管道缺陷定量反演模型，進一步考慮到模型超參數選擇的隨機性，采用改進粒子群算法進行超參數尋優。驗證結果表明：該模型對缺陷深度反演平均精度達96%；對缺陷直徑反演平均精度達93%，為海底管道缺陷的磁記憶定量化識別與反演提供了新的思路和方法。

機械工程·控制科學與工程

基于深度學習的行人重識別方法綜述

李擎, 胡偉陽, 李江昀, 劉艷, 李夢璇

2022, 44(5): 920-932. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.22.004

[摘要](1181)

[HTML全文] (706)

[PDF 1322KB](237) [施引文獻] ()

摘要:
對深度學習在行人重識別領域的應用現狀進行總結與評價。首先，對行人重識別進行介紹，包括行人重識別的應用場景、數據集與評價指標，并對基于深度學習的行人重識別的基本方法進行總結。之后，針對行人重識別的研究現狀，將近年來國內外學者的研究工作歸納為基于局部特征、基于生成對抗網絡、基于視頻以及基于重排序4個方向，并對每個方向所使用的方法分別進行梳理、性能對比以及總結。最后，對行人重識別領域現存的問題進行了分析與討論，并探討了行人重識別未來的發展方向。

基于六端網絡法的壓電超聲換能器優化設計

劉世杰, 馮平法, 查慧婷, 馮峰

2022, 44(5): 933-939. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.24.008

[摘要](1968)

[HTML全文] (490)

[PDF 1189KB](65) [施引文獻] ()

摘要:
壓電超聲換能器傳統四端網絡設計方法忽略了壓電陶瓷晶堆內部的機電耦合過程，使用該方法所設計的壓電超聲換能器尺寸誤差大，輸出的超聲振幅較小。為了提高壓電超聲換能器尺寸設計精度、增大換能器輸出的超聲振幅，本文將考慮壓電陶瓷晶堆內部機電耦合作用的六端網絡引入到壓電超聲換能器的設計中，分別采用四端網絡法和六端網絡法設計得到兩個不同尺寸的壓電超聲換能器A和B，通過有限元方法對比分析了兩個換能器的固有頻率和輸出振幅，并進一步通過實驗驗證了設計理論與仿真分析的有效性。研究結果表明，在相同激勵電壓下，采用六端網絡法設計得到的壓電超聲換能器B輸出的超聲振幅是換能器A輸出振幅的1.5倍，六端網絡法設計壓電超聲換能器可以提高所設計換能器的振動性能。

基于梯度壓縮的YOLO v4算法車型識別

牟亮, 趙紅, 李燕, 仇俊政, 孫傳龍, 劉曉童

2022, 44(5): 940-950. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.28.006

[摘要](1037)

[HTML全文] (434)

[PDF 1732KB](90) [施引文獻] ()

摘要:
為進一步提高智能交通系統對車輛及不同車型識別的泛化性、魯棒性與實時性。根據檢測區域的特征有針對性地構建數據集，改變余弦退火衰減（CD）學習率的更新方式，提出一種基于梯度壓縮（GC）的Adam優化算法（Adam?GC）來提高YOLO v4算法的訓練速度、檢測精度以及網絡模型的泛化能力。為驗證改進后YOLO v4算法的有效性，對實際路況的車流進行采集后，利用訓練完成的網絡模型對不同密度車流進行定量的車型檢測實驗驗證。經實驗驗證，改進后方法的整體檢測結果要優于改進前，YOLO v4和YOLO v4 GC CD訓練得到的網絡模型在阻塞流樣本下檢測得到的準確率分別為94.59%和96.46%；在同步流樣本下檢測得到的準確率分別為95.34%和97.20%；在自由流樣本下檢測得到的準確率分別為95.98%和97.88%。

能源工程

多孔介質細觀流動理論研究進展

朱維耀, 李華, 鄧慶軍, 馬啟鵬, 劉雅靜

2022, 44(5): 951-962. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.30.005

[摘要](1265)

[HTML全文] (621)

[PDF 1475KB](197) [施引文獻] ()

摘要:
首先，從理論分析、實驗研究和數值模型三個方面概述了當前多孔介質細觀流動的研究現狀，重點圍繞納微孔隙中流體流動界面作用與細觀力學特性關系及表征、細觀?宏觀網絡仿真模擬、細觀尺度流體（油/水、氣/水）流動細觀動力學機制及數學模型等關鍵問題展開論述。在此基礎上介紹了當前細觀流動界面作用與細觀力學特性研究情況，明確了細觀尺度流體非線性流動機理，構建了反映微觀力作用下細觀尺度流動的數學模型，形成了網絡仿真模擬方法。將為非常規油氣開發過程中揭示影響流動細觀成因，進一步闡明不同條件下的動用機理，確定高效開發方法提供指導，同時促進滲流力學學科的發展，具有重要的理論和現實意義。