工程科學學報

深部開采安全機理及災害防控現狀與態勢分析

近年來,深部開采安全機理與災害防控領域已取得一定的研究成果,但基于現行理論與技術還難以全面解決未來深部采礦過程面臨的防災減災問題,至今尚未建立起完善的深部開采災變與防控研究體系.本文開展了對深部開采災害研究領域的文獻調研和問題探討,總結有關深部地應力場測量與分布規律、深部巖體力學與耦合損傷機理、深部動力災害機理與預報、深部突水災害機理與預警以及深部開采圍巖變形機理與防控等方面的研究成果,進而分析當前研究的不足,凝練出深部開采誘發災害研究領域亟待解決的關鍵問題,并就未來超深開采災害研究態勢予以分析.

工程科學學報. 2017 39(8): 1129-1140.

方鋼約束混凝土拱架補強機制研究及應用

方鋼約束混凝土(SQCC)拱架作為復雜條件地下工程中的一種新型支護方式,具備很高的支護強度和后期承載能力,而拱架留設的灌漿孔因局部削弱和應力集中效應而成為拱架的關鍵破壞部位,對拱架整體承載能力具有很大的影響,需對灌漿孔進行補強處理以提高拱架開孔后的整體強度.針對SQCC開孔短柱進行室內試驗及數值試驗,對比分析短柱變形破壞形態、荷載位移曲線及極限承載力等力學性能,研究方鋼約束混凝土拱架補強機制;建立約束混凝土強度及經濟指標,綜合對比短柱補強效果.以SQCC150×8短柱為例,留設灌漿孔后短柱極限承載力相比SQCC短柱降低29.9%;側彎鋼板補強(ASS)后短柱的強度指標達148.7%,經濟指標為90.8%,補強效果最好,且補強鋼板長度在180~240 mm范圍內,厚度為8 mm時,側彎鋼板對灌漿孔補強效果最明顯,經濟指標增長率最大.側彎鋼板補強試驗結果在全比尺拱架室內試驗中得到充分驗證,在現場巷道支護應用中效果良好,研究成果為約束混凝土支護設計提供了依據.

工程科學學報. 2017 39(8): 1141-1151.

組合抑制劑CCSL浮選分離PbS、ZnS與單斜Fe<sub<1-<i<x</i<</sub<S的研究

進行了組合抑制劑CCSL分離方鉛礦、閃鋅礦與磁黃鐵礦的浮選研究.單礦物浮選實驗結果表明,浮選過程添加該組合抑制劑時,磁黃鐵礦基本不浮,而方鉛礦與閃鋅礦的可浮性很好.方鉛礦與磁黃鐵礦混合礦浮選實驗結果表明,添加該組合抑制劑時,方鉛礦的浮選回收率可達90%以上,而磁黃鐵礦基本不浮,從而很好地實現兩種礦物的分離;閃鋅礦與磁黃鐵礦混合礦浮選實驗結果表明,添加該抑制劑時也能實現兩種礦物的分離,但分離效果不及方鉛礦與磁黃鐵礦.X射線光電子能譜、紅外光譜、Zeta電位測試表明,CCSL處理后的磁黃鐵礦表面的醋酸根吸附不是單純的物理吸附.紫外吸收光譜掃描結果表明,CCSL中的醋酸根并沒有阻礙磁黃鐵礦表面雙黃藥的生成,磁黃鐵礦可浮性下降僅僅是由于醋酸根對其造成的親水性大于雙黃藥造成的疏水性.CCSL中的醋酸根既與磁黃鐵礦中的Fe<sup<3+</sup<發生親合,又與水中的H<sup<+</sup<形成氫鍵,最終增強了磁黃鐵礦的親水性;而醋酸根對方鉛礦和閃鋅礦基本沒有影響,這是組合抑制劑CCSL能夠分離方鉛礦、閃鋅礦與磁黃鐵礦的原因.

工程科學學報. 2017 39(8): 1152-1158.

氧燭中錳金屬粒徑對氯酸鈉熱解的催化作用

分別制備了兩組粒徑的Mn金屬燃料(平均粒徑分別為18.73和5.24 μm),利用激光粒度分析儀測試了其粒徑分布,掃描電鏡分析了表面形貌,能譜儀確定了所含元素.對NaClO<sub<3</sub<,NaClO<sub<3</sub<與Co<sub<3</sub<O<sub<4</sub<,NaClO<sub<3</sub<、Co<sub<3</sub<O<sub<4</sub<與Mn的混合物分別進行了熱重與示差掃描量熱聯合分析實驗(TGA-DSC),通過對比各混合物熱解起始溫度及其他特征溫度,探究了Mn金屬粒徑對NaClO<sub<3</sub<熱解的催化強度與熱解穩定性的影響.研究結果表明:Co<sub<3</sub<O<sub<4</sub<雖對NaClO<sub<3</sub<熱解具有催化性,熱解開始溫度(<i<T</i<<sub<o</sub<)由512.3℃下降為333.0℃,但其可導致NaClO<sub<3</sub<熱解的不穩定,熱解階梯由1個變為3個;Mn金屬燃料對NaClO<sub<3</sub<中間產物具有明顯的催化性,且隨著粒徑減小,催化強度逐漸增加,熱解終止溫度(<i<T</i<<sub<f</sub<)由419.8℃下降為351.9℃,同時NaClO<sub<3</sub<熱解階梯減少,熱解溫度區間變窄(由180.6℃減小為19.4℃),熱解更加穩定.

工程科學學報. 2017 39(8): 1159-1165.

核殼結構Fe<sub<3</sub<O<sub<4</sub<@C粒子在UV-Fenton氧化去除VOCs過程中的吸附-催化作用

采用一步水熱法制備核殼結構Fe<sub<3</sub<O<sub<4</sub<@C微米粒子,通過比表面積及孔徑分析儀、X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜儀等對粒子結構和形貌進行表征,并研究了粒子作為非均相催化劑在UV-Fenton氧化去除揮發性有機物(VOCs)中的作用機制.結果表明,核殼結構Fe<sub<3</sub<O<sub<4</sub<@C粒子由于包覆了孔隙狀碳層而具有較強的吸附能力,可顯著增加VOCs氣體分子與Fenton試劑的接觸幾率,有助于提高VOCs的去除效率.通過計算反應速率常數及協同因子,證實在核殼結構Fe<sub<3</sub<O<sub<4</sub<@C粒子去除VOCs的過程中存在吸附-催化氧化協同作用.

工程科學學報. 2017 39(8): 1166-1173.

基于原位觀察的H13鋼中液析碳化物高溫行為研究

使用原位觀察方法研究了不同凝固條件H13鋼鑄錠樣品中液析碳化物的高溫行為.實驗發現連鑄錠及電渣錠兩種樣品在所研究的枝晶間存在明顯的合金元素偏析,其中Cr、Mo、V、C的偏析較為明顯,液析碳化物存在于凝固枝晶間偏析最嚴重的區域,成分為V、Mo、Cr、Ti的液析碳化物.連鑄錠及電渣錠兩種樣品分別在1200℃及1250℃圍繞液析碳化物周圍出現局部液相,理論計算的局部液相出現溫度與實驗觀察到的接近;隨著溫度的升高,局部液相范圍擴大,與電渣錠相比,加熱至相同溫度時,連鑄錠液析碳化物周圍的局部液相范圍更大.液析碳化物周圍局部液相的出現加快了枝晶間合金元素的擴散,對液析碳化物的高溫行為具有重要影響.

工程科學學報. 2017 39(8): 1174-1181.

成型工藝對樹脂基摩擦材料及其摩擦學性能的影響

以碳纖維2.5D淺交彎聯結構為預制體,分別采用樹脂傳遞成型工藝(RTM)和熱壓成型工藝(HPM)制備了碳纖維增強酚醛樹脂基摩擦材料.通過MS-T3001摩擦磨損試驗機考核了材料的摩擦磨損性能,采用掃描電子顯微鏡、激光三維形貌掃描儀觀測了材料的磨損形貌,對比分析了兩種成型工藝對材料摩擦學性能的影響.結果表明:隨著滑動速度和工作載荷的增大,材料的摩擦系數均減小.熱壓成型工藝成型摩擦材料的主要磨損形式為磨粒磨損,摩擦系數0.085~0.130,磨損率1.5×10<sup<-8</sup< g·N<sup<-1</sup<·m<sup<-1</sup<.樹脂傳遞成型工藝成型摩擦材料的主要磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損,摩擦系數0.075~0.120,磨損率7.5×10<sup<-8</sup< g·N<sup<-1</sup<·m<sup<-1</sup<.

工程科學學報. 2017 39(8): 1182-1187.

軋輥偏移條件下六輥軋機的板形調控特性

為提高冷軋帶鋼六輥軋機輥系的穩定性,目前常采用軋輥偏移方法.本文通過ABAQUS有限元軟件建立輥系-軋件一體化耦合模型,對不同軋輥偏移輥系進行受力分析,揭示了不同軋輥偏移條件對六輥軋機板形調控特性的影響規律.結果表明,中間輥正向偏移軋制時,工作輥彎輥力對二次凸度調控功效最好,對四次凸度影響較大;在四種偏移方式條件下,中間輥彎輥力在0~300 kN范圍內對帶鋼二、四次凸度調控功效基本相同;中間輥正向偏移軋制時,中間輥彎輥力在300~500 kN范圍內對帶鋼二次凸度調控功效最好;工作輥正向偏移軋制時,中間輥彎輥力對四次凸度影響較大;不同軋輥偏移條件下中間輥竄輥對帶鋼二次凸度調控趨勢基本相同,且負竄輥對二次凸度的調控功效優于正竄輥,工作輥正、反向偏移軋制條件下中間輥竄輥對四次凸度影響較大.

工程科學學報. 2017 39(8): 1188-1197.

基于Lemaitre模型的輥式沖裁工藝斷面質量分析

為了準確表征材料變形中逐漸劣化的過程,引入考慮損傷與裂紋萌發的彈塑性本構模型.基于Abaqus/Explicit的二次開發接口,編寫耦合Lemaitre損傷模型的用戶子程序,根據算例驗證其可靠性.通過反復加載-卸載拉伸試驗并利用彈性模量變化法來獲得損傷參數值.建立輥式沖裁工藝有限元模型,應用Lemaitre損傷模型來預測斷面質量,并進行試驗驗證.分析沖裁間隙、模具磨損與板厚等工藝參數對斷面質量、沖裁力及扭矩的影響.結果表明:前刃口斷面質量總體上要好于后刃口,但光亮帶具有一定的傾角;塌角區會隨沖裁間隙增加而增大;模具磨損程度增加會導致毛刺急劇增大;最大沖裁力與扭矩會隨著板厚的增大而增大.

工程科學學報. 2017 39(8): 1198-1206.

新型硬質合金微坑車刀切削能對比研究與預測

切削能絕大部分會轉化為切削熱,進而直接影響切削溫度,因此研究切削能的產生、傳遞與轉化對切削溫度的研究尤顯重要.本文以304不銹鋼專用新型硬質合金微坑車刀創新設計為例,通過對新型微坑車刀和原車刀切削過程的切削能比較研究,建立車刀切削過程切削能與前刀面溫度的關系模型,開展新型微坑車刀剪切能和摩擦能的預測研究和切削實驗驗證.研究結果表明,用實際生產推薦切削參數,干式切削情況下,新型硬質合金微坑車刀相比原車刀,輸入能量降低8.96%,剪切能降低10.50%,摩擦能降低5.32%;刀具前刀面的切削溫度與剪切能和摩擦能呈正相關關系;所建立切削能預測模型可為復雜切削條件下的切削能預測及前刀面切削溫度研究提供參照.

工程科學學報. 2017 39(8): 1207-1214.

采煤機機電傳動系統調速動態特性分析

為研究滾筒調速的可行性及調速對傳動系統動態性能的影響,采用MATLAB/Simulink搭建了采煤機截割-牽引耦合機電傳動系統動力學模型.針對截割部過載工況,綜合考慮采煤機可靠運行和高效生產,制定了4種調速降載方案,并提出了通過截割電機電流計算目標切削厚度、依據目標切削厚度選擇調速方案的方法.最后通過仿真對比了各種調速方案下電機和傳動系統的動態響應特性,結果表明:當截割電機過載倍數較小時,采用滾筒調速方案能夠在降低系統負載的同時使采煤生產率不受影響;當過載倍數較大時,采用牽引調速方案可獲得較高的系統可靠性,而采用牽引-滾筒順序調速方案可獲得較高的采煤生產率.

工程科學學報. 2017 39(8): 1215-1223.

基于SiC功率器件的大功率DC-DC變換器

以燃料電池、光伏電池等為代表的新能源在實際應用中需要大功率DC-DC變換器對其輸出電壓進行調節,同時對其輸出功率進行控制.本文將高效SiC MOSFET應用于燃料電池汽車兩相交錯式Boost型DC-DC變換器中,基于計算、仿真和實驗手段分析了應用SiC功率器件變換器的性能.研究結果表明:在大功率DC-DC變換器中,新型SiC功率器件的應用能夠提高變換器功率密度、增強變換器可靠性,提升動力系統工作效率.該研究結果將為新型電力電子器件的應用以及新能源相關領域的研究提供參考.

工程科學學報. 2017 39(8): 1224-1231.

考慮磁滯的鐵稼磁致伸縮位移傳感器輸出電壓模型及結構設計

基于Jiles-Atherton模型、魏德曼效應和壓磁效應建立了考慮磁滯影響下磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型,計算結果與實驗結果基本吻合,表明所建立的輸出電壓模型的正確性.對傳統Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器的結構進行了改進,消除了由磁致伸縮材料的磁滯效應帶來的位移遲滯,降低了剩磁和驅動脈沖電流對輸出電壓的影響,使電壓信號的信噪比由14.7 dB提高至27.6 dB.制作了Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器樣機,通過實驗驗證了新結構能改善傳感器的線性度、重復性、遲滯性和精度.基于新的傳感器結構,此研究可為磁致伸縮位移傳感器的優化、生產提供理論依據和實驗基礎.

工程科學學報. 2017 39(8): 1232-1237.

序列圖像運動自適應V1-MT光流估計算法

針對傳統算法在抗光照變化影響、大位移光流和異質點濾除等方面的不足,從人類視覺認知機理出發,提出了一種基于機器學習和生物模型的運動自適應V1-MT (motion-adaptive V1-MT,MAV1MT)序列圖像光流估計算法.首先,引入基于ROF模型的結構紋理分解(structure-texture decomposition,STD)技術,有效解決了光照和色彩變化的影響.其次,利用多V1細胞加權組合及非線性正則化模擬MT細胞模型,并結合嶺回歸訓練學習得到運動自適應的權重,解決對目標的運動速度感知問題.最后,引入由粗到精的增強方法和圖像金字塔局部運動估計采樣,將V1-MT運動估計模型應用于實際大位移視頻序列.理論分析和實驗結果表明,新方法能更加擬合人眼視覺信息處理特性,對視頻序列具有普適、有效、魯棒的運動感知性能.

工程科學學報. 2017 39(8): 1238-1243.

基于聚類欠采樣的集成不均衡數據分類算法

傳統的分類算法大多假設數據集是均衡的,追求整體的分類精度.而實際數據集經常是不均衡的,因此傳統的分類算法在處理實際數據集時容易導致少數類樣本有較高的分類錯誤率.現有針對不均衡數據集改進的分類方法主要有兩類:一類是進行數據層面的改進,用過采樣或欠采樣的方法增加少數類數據或減少多數類數據;另一個是進行算法層面的改進.本文在原有的基于聚類的欠采樣方法和集成學習方法的基礎上,采用兩種方法相結合的思想,對不均衡數據進行分類.即先在數據處理階段采用基于聚類的欠采樣方法形成均衡數據集,然后用AdaBoost集成算法對新的數據集進行分類訓練,并在算法集成過程中引用權重來區分少數類數據和多數類數據對計算集成學習錯誤率的貢獻,進而使算法更關注少數數據類,提高少數類數據的分類精度.

工程科學學報. 2017 39(8): 1244-1253.

MMSE準則下基于玻爾茲曼機的快速重構算法

全連接的玻爾茲曼機模型可全面描述稀疏系數間統計依賴關系,但時間復雜度較高.為了提高基于玻爾茲曼機的貝葉斯匹配追蹤算法(BM-BMP)的重構速度和質量,本文提出一種改進算法.第一,將BM-BMP算法的最大后驗概率(MAP)估計評估值分解為上一次迭代的評估值與增量,使得每次迭代僅需計算增量,極大縮短了計算耗時.第二,利用顯著最大后驗概率估計值平均的方式,有效近似最小均方誤差(MMSE)估計,獲得了更小的重構誤差.實驗結果表明,本文算法比BM-BMP算法的運行時間平均縮短了73.66%,峰值信噪比(PSNR)值平均提高了0.57 dB.

工程科學學報. 2017 39(8): 1254-1260.

基于半自主導航與運動想象的多旋翼飛行器二維空間目標搜索

提出一種腦-機接口系統實現多旋翼飛行器室內二維空間目標搜索.系統由半自主導航與決策子系統組成.半自主導航子系統用于為決策子系統提供可行飛行方向并實現多旋翼飛行器半自主避障.決策子系統采用互相關方法與邏輯回歸方法完成運動想象的腦電特征提取與分類.實際的室內目標搜索實驗驗證了使用該系統是可行且有效的.相比其他方法,減少了被試者負擔,降低控制難度,控制精度約提高±10 cm.

工程科學學報. 2017 39(8): 1261-1267.

一種新型綜合注漿加固試驗系統的研制及應用

針對現有注漿加固試驗裝置難以平衡高壓注漿所需密封效果和多功能試驗所需空間結構的缺點,研制了一套新型多功能綜合注漿加固試驗系統.該試驗系統的優點為:(1)尺寸適中、結構合理,既具有布設監測元件的試驗空間又具有良好的密封效果;(2)適用范圍廣,可針對不同巖土體介質開展多類注漿加固試驗;(3)具備多元物理信息并行采集功能;(4)可同時滿足加固體宏觀物理力學性質測試及漿-巖界面微觀耦合機制的研究需求.該系統成功應用于斷層角礫介質注漿加固室內模擬試驗,分別從應力響應-傳遞特征、加固體強度增長規律及加固模式等方面探究了斷層角礫介質的注漿加固機理,提出了角礫介質強度增長的經驗公式,揭示了加固過程中注漿壓力的傳遞分配機制.

工程科學學報. 2017 39(8): 1268-1277.

初始損傷對混凝土硫酸鹽腐蝕劣化性能的影響

通過試驗研究含初始損傷混凝土在硫酸鹽腐蝕和干濕循環共同作用下的性能,分析了不同初始損傷程度混凝土隨腐蝕時間的增加,其質量、超聲波傳播速度、強度、單軸壓縮應力應變曲線以及聲發射活動的變化,運用損傷力學對腐蝕損傷進行定量評價和參數擬合,基于聲發射特性建立含初始損傷混凝土的腐蝕受荷損傷模型并進一步分析其損傷演化過程,借助環境掃描電鏡與電子能譜技術觀測分析受硫酸鹽腐蝕作用初始損傷混凝土微結構的變化,揭示其損傷機理.試驗結果表明,隨著腐蝕時間的增加,不同初始損傷程度混凝土的質量、超聲波傳播速度和強度均呈先增大后減小,初始損傷程度增加會加速混凝土在腐蝕作用下物理力學性能的劣化,其影響存在閾值,分別以抗壓強度、超聲波速為損傷變量可以建立混凝土的腐蝕損傷劣化方程,并進一步得出不同損傷表達式間的函數關系;相同腐蝕時間下,初始損傷的增加使聲發射活動減弱且產生明顯的聲發射的時間滯后;初始損傷下,基于聲發射特性的混凝土損傷演化過程可分為初期壓密階段、損傷穩定演化階段和損傷加速發展階段3個階段;初始損傷的增加使混凝土內部腐蝕反應更為活躍,微裂紋網絡體系比無初始損傷狀態下更加發達,呈現龜裂狀延伸和擴展,進而改變了混凝土的宏觀物理力學性質.

工程科學學報. 2017 39(8): 1278-1287.

混合型應力強度因子的光彈性多參數測定

提高裂紋尖端應力強度因子值的計算精度,對于準確分析受力結構的起裂條件和破壞模式具有重要意義.本文采用3D打印技術獲得了不含殘余應力的平板模型,高精度打印預置裂紋避免了傳統加工過程產生殘余應力的缺點;綜合考慮奇異場和非奇異場對裂紋尖端區域應力場的影響,引入遠場邊界控制的三個常數項應力,提出了光彈性多參數法;采用三點彎曲試驗,運用最小二乘法計算了不同載荷下純I型和I-Ⅱ混合型應力強度因子值,并與理論解對比分析.結果表明:對于純I型應力強度因子,計算結果的平均誤差為6.1%,對于I-Ⅱ混合型應力強度因子,計算結果的平均誤差分別為6.4%和5.5%,多參數法與理論解相比較小的計算誤差驗證了該方法的可靠性和準確性,可為精確計算應力強度因子的光彈性實驗研究提供借鑒.

工程科學學報. 2017 39(8): 1288-1294.