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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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6期

欄目

礦業工程
材料科學與工程
機械工程·控制科學與工程
能源工程

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礦業工程

金屬礦尾砂濃密技術研究現狀與展望

王洪江, 彭青松, 楊瑩, 郭佳賓

2022, 44(6): 971-980. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.11.001

[摘要](3291)

[HTML全文] (593)

[PDF 1160KB](116) [施引文獻] ()

摘要:
作為金屬礦山膏體充填技術的首要環節，尾砂濃密技術能夠顯著提高尾砂脫水效率和尾砂利用率，是礦山綠色發展的重要組成部分。在概述了尾砂濃密脫水技術發展歷程的基礎上，將濃密機發展階段分為普通濃密機階段、高效濃密機階段和膏體濃密機階段，闡述了尾砂濃密工藝的應用現狀和國內外幾個典型的應用案例。介紹了對尾砂起捕捉作用的單一絮凝理論和多重絮凝理論，靜態/動態壓縮條件下的床層壓縮理論與重力濃密理論，并闡述了各理論的最新研究進展。闡述了現階段尾砂濃密靜態沉降實驗、小型濃密實驗和半工業濃密實驗等主要研究方法，介紹了聚焦光束反射測量技術、顆粒錄影顯微鏡技術等先進的觀測手段和尾砂濃密技術數值模擬研究現狀。現階段，尾砂濃密脫水技術仍處于發展階段，存在尾砂濃密的關鍵參數不穩定、尾砂濃密的生產調控不及時和尾砂濃密的信息平臺不健全等問題，尾砂濃密技術的發展仍面臨諸多挑戰。最后提出了尾砂濃密技術個性化、自動化和智能化的發展方向。

短壁連采連充式膠結充填采煤技術應用研究

林海, 楊仁樹, 李永亮, 路彬, 徐斌, 范子儀, 李劍楠

2022, 44(6): 981-992. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.13.003

[摘要](3770)

[HTML全文] (468)

[PDF 2686KB](99) [施引文獻] ()

摘要:
針對西部脆弱環境地區高強度開采產生的矸石減排及地表沉陷控制現實需要與意義，提出了采用短壁巷式膠結充填采煤技術。在研究短壁巷式膠結充填采煤技術開采原理基礎上，介紹了該技術工作面布置方式、采充工藝流程；在充填材料方面，分析了多種充填原材料礦物成分和微觀特性，并測試了不同配比條件下膠結充填材料的強度和流動特性；提出了該技術充填系統組成及整體設計思路，包括料漿制備系統、管道輸送系統、監測系統和工作面充填系統四大部分。工業實踐表明：短壁連采連充式膠結充填采煤技術在5 m厚近水平煤層中充實率可達98%以上，頂板最大下沉量為102 mm，地表最大下沉量為8.9 mm，共消耗了24.5萬噸矸石，應用效果良好。

基于固液兩相流模擬的選礦循環水深度澄清裝置優化

胡文韜, 田凱, 李佳鴻, 梁思懿, 宋超, 李杰, 劉欣偉, 王化軍

2022, 44(6): 993-1001. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.10.01.003

[摘要](476)

[HTML全文] (189)

[PDF 3622KB](38) [施引文獻] ()

摘要:
部分選礦循環水中含一定量的高分散性懸浮顆粒，僅依靠簡單濃縮沉降難以澄清，無法達到回用要求。針對這一難題，提出了一種選礦循環水固體懸浮物澄清裝置。為優化裝置的結構參數與運行參數，建立了選礦循環水深度澄清裝置的二維物理模型，基于計算流體力學（CFD）的方法，選用Mixture和RNG k?ε 模型對裝置主要的結構參數與運行參數展開了數值模擬研究。研究發現適當降低水力循環區噴嘴長度，增加喉管與噴嘴管徑比、顆粒沉降區開口尺寸、裝置直徑等結構，能夠降低顆粒沉降區平均湍動能，由于湍動能為單位質量流體由于紊流脈動所具有的動能，故降低了顆粒沉降區流場的紊流程度，增加了水流的穩定性，提高了裝置對懸浮顆粒的去除效果；同時發現降低入口流速、增加懸浮顆粒粒徑有助于提高懸浮物的去除率，當進水流速為0.1 m·s^?1、經過混凝的懸浮顆粒形成粒徑大于100 μm時，裝置對選礦循環水中的懸浮顆粒去除效果顯著。

材料科學與工程

連續驅動摩擦焊接技術的研究與工程應用

張晗, 朱志明

2022, 44(6): 1002-1013. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.13.001

[摘要](4010)

[HTML全文] (426)

[PDF 3150KB](63) [施引文獻] ()

摘要:
在對摩擦焊接進行分類并簡要說明的基礎上，對連續驅動摩擦焊接技術的研究發展和應用現狀進行了全面梳理和深入剖析，涉及焊接工藝過程特征和主要工藝參數、工藝探索及工藝參數對接頭性能的影響、數值分析和模擬及工藝參數優化、異種金屬和非金屬材料摩擦焊接與工藝創新、實際工程應用和焊接設備等方面。從摩擦焊接技術的潛在應用、核心科學問題、新型摩擦焊接設備的研發、數值分析和模擬、與新興技術的結合等方面，對連續驅動摩擦焊接技術進行了評述和探討。

陰離子F摻雜SOFCs陰極La_1?xSr_xCo_1?yFe_yO_3?δ的氧還原性能

董雨龍, 李宗寶, 王傲, 花仕洋

2022, 44(6): 1014-1019. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.21.005

[摘要](999)

[HTML全文] (382)

[PDF 910KB](49) [施引文獻] ()

摘要:
固體氧化物燃料電池(SOFC)因其高效、清潔及便攜性等優點被認為是當前最具應用前景的新能源技術之一。傳統SOFC較高的工作溫度（>800 ℃）限制了其商業推廣，降低其工作溫度成為當前研究的熱點。鈣鈦礦陰極材料La_1?xSr_xCo_1?yFe_yO_3?δ(LSCF)因具有較高的電子離子混合導電性而成為中溫SOFC陰極材料的較佳選擇，同時實驗證明F替代O位能有效提升SOFC穩定性。基于已有實驗報道，本文采用第一性原理計算了F摻雜對LSCF電子結構影響、氧氣分子在(100)表面吸附能的變化、陰極體內氧空位形成能及氧離子遷移活化能的影響。通過與未摻雜材料性能的比較，證明：適量F摻雜LSCF在有效提升陰極表面對氧氣分子吸附能力同時能進一步提高體內氧離子遷移效率，從而提升陰極氧化還原反應能力。

Ni₅₅Mn₂₅Ga₁₈Ti₂高溫形狀記憶合金的熱循環穩定性

辛燕, 王福星

2022, 44(6): 1020-1026. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.26.001

[摘要](549)

[HTML全文] (472)

[PDF 1155KB](42) [施引文獻] ()

摘要:
選擇雙相韌化的Ni?Mn?Ga?Ti高溫形狀記憶合金為研究對象。制備了淬火態Ni₅₅Mn₂₅Ga₁₈Ti₂高溫形狀記憶合金，并對其在室溫至480 ℃之間進行高達500次的相變熱循環，獲得了5, 10, 50, 100和500次熱循環態樣品。采用X射線衍射、掃描電鏡、能譜儀、同步熱分析儀及室溫壓縮等實驗方法，研究了淬火態和熱循環態合金樣品的微觀組織、相變行為、力學及記憶性能，進而分析其熱循環穩定性。研究結果表明：經500次循環后，Ni₅₅Mn₂₅Ga₁₈Ti₂合金相結構和顯微組織未發生明顯變化，均為由非調制四方結構的板條馬氏體相和面心立方富Ni的γ相組成的雙相結構；隨著循環次數增加，馬氏體相變溫度幾乎不變，逆馬氏體相變溫度和相變滯后在循環5次后趨于穩定；抗壓強度及壓縮變形率波動幅度較小；形狀記憶性能下降，但形狀記憶應變仍保持在1.4%以上；Ni₅₅Mn₂₅Ga₁₈Ti₂高溫形狀記憶合金顯示出良好的熱循環穩定性。

NiCo層狀雙氫氧化物負載痕量Pt的催化析氫研究

陳旭芳, 李楊, 陳榮生, 倪紅衛

2022, 44(6): 1027-1035. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.05.003

[摘要](543)

[HTML全文] (338)

[PDF 1833KB](47) [施引文獻] ()

摘要:
降低鉑的用量，提升鉑基催化劑在堿性環境中的析氫反應性能，是電解水工業化應用的一個關鍵問題。本工作是在三電極體系中，以Pt絲對電極為Pt源，采用簡單易于控制的循環伏安（Cyclic voltammetry, CV）電化學沉積方法，在水熱制備的鎳鈷層狀雙氫氧化物（NiCo-LDHs）上實現了高分散Pt的痕量負載。利用NiCo-LDHs促進水的解離，Pt位點推動H的結合和脫附，有效解決Pt在堿性環境中析氫反應過程動力學滯緩的問題。在1 mol·L^?1 KOH溶液中，在Pt負載量為30.4 g·cm^?2時，Pt?NiCo-LDHs電極驅動10 mA·cm^?2電流密度的過電位僅需要56 mV，塔菲爾斜率僅為43 mV·decade^?1，擺脫了Volmer步驟的限制，展現了優異的析氫催化活性。在100 mV的過電位下，Pt?NiCo-LDHs的質量活性比商品化Pt/C電極高5.6倍。另外，Pt?NiCo-LDHs在100 h的恒電流測試中表現出了良好的穩定性。

航空發動機阻燃鈦合金力學性能預測及成分優化

李雅迪, 弭光寶, 李培杰, 曹京霞, 黃旭

2022, 44(6): 1036-1043. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.12.001

[摘要](483)

[HTML全文] (313)

[PDF 2760KB](66) [施引文獻] ()

摘要:
采用支持向量機算法，在實驗數據的基礎上，建立航空發動機阻燃鈦合金的合金化元素與力學性能關系模型，分析合金化元素對力學性能的影響規律。模型的輸入參數為V、Al、Si和C元素，輸出參數為室溫拉伸性能（抗拉強度、屈服強度、延伸率和斷面收縮率）。結果表明：各個力學性能支持向量機模型的線性相關系數均在0.975以上，具有較高的預測能力；各個力學性能測試樣本實驗值與模型預測值的絕對百分誤差均在5%以內，具有良好的泛化能力，能夠有效地反映出阻燃鈦合金的合金化元素與力學性能之間的定量關系，進而實現對該合金的成分優化。對于Ti?35V?15Cr阻燃鈦合金，可以通過加入質量分數為0～0.1%的Si元素和質量分數為0.05%～0.125%的C元素，并減少質量分數為2%～5%的V元素，來提高力學性能；對于Ti?25V?15Cr阻燃鈦合金，可以通過加入質量分數為1.5%～1.8%的Al元素和質量分數為0.15%～0.2%的C元素，來提高力學性能。

機械工程·控制科學與工程

面向工業自動化的5G與TSN協同關鍵技術

李衛, 孫雷, 王健全, 馬彰超

2022, 44(6): 1044-1052. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.08.004

[摘要](2573)

[HTML全文] (608)

[PDF 1460KB](232) [施引文獻] ()

摘要:
面向工業制造領域數字化、網絡化及智能化轉型需求，簡要介紹了時間敏感網絡的起源及發展現狀，并針對第三代合作伙伴計劃(3GPP)中5G支持TSN的標準研究進行了闡述，重點針對5G與TSN協同面臨的技術挑戰進行了分析，進一步闡述兩種異構網絡間協同所需的時間同步、連接增強及統一資源管理等關鍵技術，最后給出5G-TSN協同網絡在智能工廠中的應用場景，旨在深化推動5G融入工業控制領域，實現5G先進信息通信技術與工業應用的深入融合。

基于連續反演算法的時滯補償控制綜述

馬永浩, 張爽, 何修宇, 劉志杰

2022, 44(6): 1053-1061. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.10.002

[摘要](1428)

[HTML全文] (349)

[PDF 792KB](82) [施引文獻] ()

摘要:
在實際系統的工作過程中，時滯現象普遍存在，如控制信號的采集與傳輸、控制器的構建與實施、事件的決策與處理等。考慮并有效處理時滯特性的影響有助于提升系統的性能。基于連續反演算法的時滯補償控制策略是一種有效的控制方法且取得很多研究成果。該時滯補償控制的主要思路是將具有時滯特性的常微分方程或偏微分方程變換為不具有時滯特性的常微分方程?偏微分方程/常微分方程?偏微分方程(ODE?PDE/PDE?PDE)級聯系統。進一步地，基于變換的級聯系統，結合連續反演算法提出相應的控制策略。該方法具有系統的穩定性證明簡單，魯棒性強，易于求取閉環系統精確解等優點。詳細論述了連續反演算法的基本原理，并針對基于連續反演算法的時滯補償控制算法在處理輸入、輸出、狀態等類型時滯特性的最新研究進展做簡單的闡述和總結。最后，開放式地論述了時滯系統的未來研究方向。

機器學習在深沖鋼質量自動判級中的應用

徐鋼, 黎敏, 徐金梧

2022, 44(6): 1062-1071. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.08.002

[摘要](1151)

[HTML全文] (246)

[PDF 1109KB](57) [施引文獻] ()

摘要:
在流程工業中，生產過程需根據客戶對產品質量要求進行判級，以滿足客戶提出的產品質量需求。目前，企業主要采用“事后”抽檢方式，但因無法對所有產品實現在線自動判級，常發生索賠和退貨，導致我國鋼鐵企業每年近100億元損失。為了實現產品質量在線自動判級，提出基于高維數據非線性同等縮放與核簡支集類邊界確定相結合的質量在線智能判級方法。首先，將高維的工藝參數通過非線性同等縮放算法變換成低維的數據集，并對縮放后數據集進行聚類，分析工藝參數的類分布特征。然后，根據分類后樣本的質量指標值分布，采用核簡支集類邊界算法來確定不同產品質量級別的類邊界。最后，依據已確定的類邊界，通過質量指標預測實現產品在線判級。通過深沖鋼(IF鋼)應用實例，證實該方法在訓練階段的在線自動判級準確率達到97.2%，測試階段的準確率為96%。

一種輕量型人體行為識別學習模型

南靜, 建中華, 寧傳峰, 代偉

2022, 44(6): 1072-1079. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.18.001

[摘要](585)

[HTML全文] (278)

[PDF 996KB](76) [施引文獻] ()

摘要:
提出一種基于近鄰成分分析(Neighbourhood component analysis, NCA)、L₂正則化和隨機配置網絡(Stochastic configuration networks, SCNs)的輕量型人體行為識別學習模型. 首先, 針對人體行為特征集維數過高且可分性差的問題, 利用NCA從特征集中選擇高相關性特征子集, 進而提高模型建模計算過程的輕量性和識別精度. 其次, 針對SCNs隱含層節點過多時容易出現過擬合的問題, 采用L₂正則化方法增強SCNs的泛化能力, 同時利用監督機制約束產生隱含層參數的方法, 極大地提高了SCNs模型的輕量性. 最后, 將所提NCA?L₂?SCNs學習模型在UCI HAR特征集上進行驗證, 實驗結果表明, 相比于其他模型, 本文所提輕量型模型對于人體行為識別具有更好的識別精度和更快的建模速度.

新冠疫情下的SEIRD時滯性謠言傳播模型及辟謠策略

唐梁鴻緒, 王衛蘋, 王昊, 員曼曼, 羅熊, 李建武

2022, 44(6): 1080-1089. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.16.005

[摘要](1305)

[HTML全文] (523)

[PDF 1115KB](85) [施引文獻] ()

摘要:
隨著互聯網的發展與新冠疫情的蔓延，疫情相關謠言的流量與受關注度大大提高，使其能夠迅速發酵并造成極其不良的社會影響。由此可見，研究網絡謠言的傳播過程并給出遏制網絡謠言傳播的策略有著重大意義。在傳統網絡謠言傳播SIR(Susceptible, infected, recovered)模型的基礎上加入潛在信謠者與鐵桿信謠者群體，引入政府辟謠機制，同時考慮辟謠者與政府辟謠的滯后性以及高等教育普及率對謠言傳播及辟謠過程的影響，建立了SEIRD(Susceptible, exposed, infected, recovered, die-hard-infected)謠言傳播模型，以研究一個網絡謠言自誕生起，不知情者、潛在信謠者、信謠者、鐵桿信謠者以及醒悟者這五類網民比例在有無政府辟謠、辟謠是否具有滯后性、以及網民不同比例高等教育率下的變化規律，并通過實驗仿真驗證了模型的有效性，為控制網絡輿情傳播提供參考。此外，還提出了用于衡量辟謠者群體及政府權威機構辟謠能力的辟謠系數。研究結果表明，提高高等教育普及率對于減緩謠言傳播、降低謠言傳播峰值有著顯著效果；政府權威機構辟謠對于最終徹底消滅謠言起決定性作用；消滅辟謠的滯后性對于減緩網絡謠言傳播同樣有極大幫助。為此，還提出了一種未來可能的消滅辟謠滯后性的網絡謠言抑制策略。

能源工程

質子交換膜燃料電池用膜增濕器仿真分析

李志遠, 李娜, 李慶雨, 包成, 滕越

2022, 44(6): 1090-1097. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.30.002

[摘要](1091)

[HTML全文] (436)

[PDF 1401KB](81) [施引文獻] ()

摘要:
膜增濕器為質子交換膜燃料電池水熱管理系統的關鍵部件，本研究考慮與燃料電池工作條件的強耦合，系統地進行了膜增濕器運行參數和幾何參數的敏感性仿真分析。基于Matlab/Simulink建立了膜增濕器穩態數學模型，分析了濕側和干側的入口質量流量、溫度和壓力以及膜厚度和面積對膜增濕器傳熱量、水分傳遞量、干側出口相對濕度和水分傳遞率的影響。研究表明：提高入口質量流量會提高傳熱量，并且能有效提高水分傳遞量，但會使水分傳遞率和出口相對濕度降低；干濕兩側溫度的增加可以使膜中水的擴散系數和水傳遞量增加，但過高的溫度會顯著提高水蒸氣飽和壓力，降低水的活度，進而降低膜含水量，不利于水的傳遞；壓力的變化對傳熱的影響很小，但總壓的提高會使濕側入口含濕量下降，水分傳遞量下降，但水分傳遞率升高；較大的膜面積以及較低的膜厚度能夠提高膜水分傳遞量和水分傳遞率，可以有效地提高膜增濕器和燃料電池系統水熱管理性能。

海上風電復合基礎承載性能對比研究

孫艷國, 許成順, 杜修力, 王丕光, 席仁強, 孫毅龍

2022, 44(6): 1098-1107. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.07.007

[摘要](941)

[HTML全文] (343)

[PDF 1411KB](55) [施引文獻] ()

摘要:
受到上部結構自重以及海洋環境荷載的影響，海上風電基礎設計時應考慮豎向荷載、水平荷載以及彎矩荷載作用下基礎的承載性能。本文通過有限元軟件ABAQUS，對比研究了飽和黏土場地中大直徑單樁基礎、樁?平臺復合基礎以及樁?筒復合基礎在豎向荷載V、水平荷載H、彎矩荷載M作用下的承載性能。研究結果表明兩種復合基礎較單樁基礎呈現出顯著的承載性能優勢。樁?平臺復合基礎的豎向承載力、水平承載力以及抗彎承載力隨著附加平臺直徑的增大呈指數型增加；樁?筒復合基礎的豎向承載力以及抗彎承載力隨著筒結構入土深度的增加先增大然后趨于穩定，樁?筒復合基礎的水平承載力與筒直徑以及筒入土深度為雙參數線性增加關系。V?H以及V?M復合荷載加載條件下，兩種復合基礎比單樁基礎的破壞包絡線空間大，兩種復合基礎的穩定性相對單樁基礎有顯著提升。在一定承載范圍內，附加平臺結構或筒型結構可以減小樁的直徑或入土深度。