工程科學學報

考慮巖石交界面方向效應的巴西劈裂試驗研究

為了研究硬巖與軟巖交界面方向對其破壞形式的影響,對含巖石-水泥砂漿(代替軟巖)交界面的組合試樣進行了多組加載角度的巴西劈裂試驗,獲得了不同交界面方向的組合試樣的"抗拉"強度,并利用顆粒流程序PFC2D研究了交界面的破壞機理.計算得到的"抗拉"強度隨交界面與加載方向夾角的增大而增大.當交界面平行于加載方向時,沿交界面發生劈裂破壞,計算得到的"抗拉"強度可認為是交界面的抗拉強度;當交界面與加載方向不平行時,發生更為復雜的拉-剪復合破壞.此外,為了進一步分析交界面的抗拉強度對破壞形式的影響,采用提高水泥用量和增大交界面粗糙度兩種方法增加交界面的抗拉強度,并進行了一系列試驗.試驗得到了含交界面的巴西劈裂試驗的典型破壞模式分布圖,對更好地理解硬巖與軟巖交界面的破壞形式具有指導意義.

工程科學學報. 2017 39(9): 1295-1304.

復合激發劑對銅爐渣活性影響及充填材料制備

為了實現銅爐渣的廢物利用,以堿激發方式為主研究銅爐渣制備礦用膠凝材料的可能性.選取生石灰、NaOH和早強劑組成的混合物作為復合激發劑,開展銅爐渣活性激發和充填材料制備試驗,并采用X射線衍射和掃描電子顯微鏡對銅爐渣水化產物進行分析.試驗結果表明,各激發劑對銅爐渣活性的影響順序依次為生石灰 < 早強劑 < NaOH,在復合激發劑的作用下爐渣凈漿試樣的7和28 d強度分別可以達到1.5和3.0 MPa以上.銅爐渣尾砂充填料28 d強度為1.0 MPa,流動性良好,滿足充填材料要求.銅爐渣早期水化產物主要有片狀的Ca(OH)<sub<2</sub<和C-S-H凝膠,隨著養護時間的增加,C-S-H凝膠Ca/Si比不斷減小,水化產物結構更加致密.養護時間至28 d時,銅爐渣中活性成分基本反應完全.

工程科學學報. 2017 39(9): 1305-1312.

超聲波作用下尾砂漿濃密沉降及放砂

為了提高砂倉中尾砂濃密效率,實現高濃度的放砂,引入聲場作為研究手段,創新性的利用聲場輻射方式傳播的特性,將聲場非接觸性地作用于尾砂漿介質中.通過設計試驗,配制質量分數為40%的尾砂砂漿,在尾砂漿分別沉降15,20,25,30,35和40 min后,施加頻率20 kHz,功率50 W的超聲波,探究不同沉降時間后施加超聲波作用對最終沉降時間和濃度的影響,同時將超聲波作用在砂倉放砂階段,并對超聲波作用后不同濃度的砂漿進行流變參數測定.試驗結果表明:在沉降20 min后施加超聲波,砂漿沉降濃密時間最短為80 min,尾砂漿最終質量分數可達77.5%,與此同時超聲波作用下可以實現砂倉穩定高濃度的放砂,放出砂漿質量分數為74.04%.對比超聲波處理前后砂漿黏度與屈服應力可知,超聲波可有效降低砂漿黏度22.3%,具有良好的降黏效果.超聲波的振動作用,空化作用以及聲流效應是使得砂漿快速濃密沉降以及放出的原因.

工程科學學報. 2017 39(9): 1313-1320.

低品位氧硫混合銅礦的酸性制粒及機理

制粒技術是改善含粉礦堆浸滲透性差最有效的措施之一,同時選擇合適的耐酸黏結劑是銅礦制粒堆浸成功的關鍵.本文以氧硫混合銅礦為研究對象,對其進行了制粒試驗研究,研究結果表明Biometek-WLAG001是一種理想的耐酸黏結劑;單因素條件試驗考察了黏結劑添加量、噴水量、轉速、固化時間、熟化加酸量、熟化時間等因素對球團抗壓強度、濕強度的影響;采用響應面法考察了黏結劑添加量、固化時間、熟化加酸量、熟化時間對球團濕強度的影響,并采用Design-Expert 8.0軟件對試驗結果進行了優化與分析.采用傅里葉紅外光譜分析、Zeta電位的測定等分析手段研究了黏結劑與礦石之間的作用機理,結果表明黏結劑與礦石之間存在化學吸附作用,不存在靜電引力作用.

工程科學學報. 2017 39(9): 1321-1330.

生物質松木鋸末中低溫還原高鐵拜耳法赤泥

對生物質松木鋸末和煙煤還原焙燒高鐵拜耳法赤泥進行對比試驗研究,包括還原溫度、還原時間、還原劑用量對還原效果的影響.生物質松木鋸末還原高鐵拜耳法赤泥所需還原溫度低而且還原時間短最終還原效果較好.試驗通過熱分析和X射線衍射、動力學研究結果揭示出生物質松木鋸末中低溫還原高鐵拜耳法赤泥機理.同時確定了生物質松木鋸末中低溫還原的最佳還原條件.研究表明生物質松木鋸末為赤泥質量分數的20%,還原溫度為650℃,還原時間為30 min可將赤泥完全磁化.生物質松木鋸末熱重試驗分析表明250~375℃溫度區間為鋸末熱解的主要階段,350℃左右熱解速率達到最大,450℃后熱解反應趨于平緩;煙煤熱重試驗表明300~700℃溫度區間為煙煤熱解的主要階段,450℃左右熱解速率達到最大,650℃后熱解反應趨于平緩.動力學研究表明鋸末在300~400℃區間熱解表觀活化能比煙煤熱解表觀活化能要低很多,說明在此溫度范圍內鋸末比煙煤更加容易發生熱解反應.生物質能夠中低溫還原高鐵拜耳法赤泥,還原溫度比煤基還原的還原溫度低200℃左右.

工程科學學報. 2017 39(9): 1331-1338.

特厚鋼板陣列射流淬火的表面換熱

采用特厚鋼板專用輥式射流淬火試驗裝置和多通道鋼板溫度記錄儀,測試出射流速度3.39~26.8 m·s<sup<-1</sup<、雷諾數12808~117340、水流密度978.7~6751.5 L·(m<sup<2</sup<·min)<sup<-1</sup<條件下,84 mm厚鋼板淬火冷卻曲線;進而基于反傳熱修正方法計算高溫鋼板淬火過程壁面溫度和熱流密度,描繪出沸騰曲線,分析多束圓孔陣列射流對特厚鋼板淬火表面換熱的影響.結果表明:射流速度、水流密度等參數影響鋼板表面射流滯止區和平行流區換熱機制,進而影響最大熱流密度分布.射流速度較低時,壁面平行流區觀察到混合換熱和"熱流密度肩"現象;隨射流速度增大,膜沸騰換熱機制消失,最大熱流密度移至較低壁面過熱度處.相關研究將對特厚鋼板淬火過程溫度場計算和組織性能調控提供有益的幫助.

工程科學學報. 2017 39(9): 1339-1346.

超聲處理對2219大規格鋁錠微觀組織與宏觀偏析的影響

在半連續鑄造過程中施加超聲,成功制備了φ1250 mm 2219鋁合金鑄錠.利用光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀及直讀光譜儀等儀器對鑄錠的組織與成分分布進行檢測與分析,探究超聲對鑄錠組織與偏析的內在作用機制.研究結果表明:超聲振動引起的空化和聲流效應能明顯均勻組織結構,細化晶粒,尤其是心部晶粒細化率達到39.6%.超聲促進鑄錠晶間第二相呈枝丫狀斷續分布,晶內析出物點狀彌散分布.同時,超聲有效減小近表面負偏析,降低邊部與心部之間的溶質濃度差異,弱化整個橫截面的濃度波動,從而改善宏觀偏析.

工程科學學報. 2017 39(9): 1347-1354.

壓水堆一回路主管道316L不銹鋼的電化學腐蝕行為

通過中心復合設計試驗法設計試驗,結合動電位極化曲線和電化學阻抗譜的測量以及氧化膜形貌觀察和成分測量,研究了溫度(30~350℃)、Cl<sup<-</sup<質量濃度(10~1000 μg·L<sup<-1</sup<)和溶解氧質量濃度(0~200 μg·L<sup<-1</sup<)3種因素對壓水堆一回路主管道316L不銹鋼電化學腐蝕性能的影響.結果表明:溫度是影響316L不銹鋼電化學腐蝕性能最顯著的因素,溫度越高,腐蝕電流密度越大,點蝕電位越低;Cl<sup<-</sup<濃度和溶解氧濃度對316L不銹鋼電化學腐蝕性能的影響與溫度密切相關,溫度較低時(<i<T</i< < 150℃),Cl<sup<-</sup<濃度和溶解氧濃度均對316L腐蝕電流密度幾乎無影響,但點蝕電位卻隨Cl<sup<-</sup<濃度增加和溶解氧濃度的降低而降低;溫度較高時,分別為<i<T</i< < 130℃和<i<T</i< < 150℃,Cl<sup<-</sup<濃度和溶解氧濃度均對316L點蝕電位幾乎無影響,但腐蝕電流密度卻隨Cl<sup<-</sup<和溶解氧的濃度增加而顯著增加,腐蝕加劇.電化學阻抗譜的測量和氧化膜形貌的觀察也進一步驗證了上述試驗結果.

工程科學學報. 2017 39(9): 1355-1363.

鑄坯取樣位置對經濟型雙相不銹鋼2101熱塑性的影響

為了解大型鑄錠在軋制過程中產生邊裂的原因,通過對比鑄坯中部和邊部的成分、不同溫度下相比例、兩相硬度差等的變化規律,利用光學顯微鏡,掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射觀察分析試驗鋼的微觀組織和斷口形貌,分析了邊部容易開裂的原因.結果表明,和中部相比,邊部晶粒細小,且鐵素體含量較多,但邊部開裂更嚴重.這說明晶粒尺寸和相比例并不是影響使邊部開裂嚴重的主要原因.而和中部比,鑄錠邊部試樣兩相硬度差較大,使兩相在熱變形過程中應變分配不均勻,容易在相界處產生應力集中,導致開裂.同時邊部析出物較中部多,相界析出物的產生破壞了基體的連續性,容易在相界處產生顯微裂紋,導致開裂.

工程科學學報. 2017 39(9): 1364-1371.

鐵基非晶合金的輻照性能

鐵基非晶合金由于成本低較、易制備、較好的溫度穩定性等優點,并具優異的機械性能、磁性能和耐腐蝕性能而被廣泛研究.并且其固有的無序結構有助于抵抗輻照導致的損傷,使得鐵基非晶合金可作為抗輻照材料使用.輻照既可以試驗鐵基非晶合金的性能也是優化鐵基非晶合金結構和性能的有效方法.本文綜述了鐵基非晶合金中子輻照、離子輻照和電子輻照性能的研究進展,探討了鐵基非晶合金的結構和性能與非晶合金的成分以及輻照粒子的類型、能量、注量之間的關系,以及輻照晶化的機制,為進一步促進高性能鐵基非晶合金的研究提供了有價值的參考.

工程科學學報. 2017 39(9): 1372-1379.

聚二硫二丙烷磺酸鈉在二元絡合化學鍍銅體系中的作用

用電化學方法研究添加劑聚二硫二丙烷磺酸鈉(SPS)對乙二胺四乙酸(EDTA)/四羥丙基乙二胺(THPED)二元絡合化學鍍銅過程的影響,測量體系的混合電位-時間關系,加入SPS后混合電位負移,負移過程較平緩,無突躍現象;采用線性掃描伏安法研究體系,表明SPS促進了陰陽兩極的極化,但主要是影響甲醛氧化的陽極極化過程.SPS也因此一定程度上提高了過程的沉積速率.通過掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀對結構的分析,鍍層銅純凈度較高,無氧化銅等夾雜,鍍層細致平滑,發現SPS有促進(200)晶面擇優取向的作用.

工程科學學報. 2017 39(9): 1380-1385.

基于漸進變分法的蛋盒型結構等效剛度分析及優化

對蛋盒型結構的等效剛度特性進行了分析并實現了蛋盒型結構參數的優化設計.首先以蛋盒型結構的單胞為研究對象,基于漸進變分法,得到了蛋盒型結構等效剛度特性的數值計算方法.隨后用該方法計算蛋盒型結構不同參數情況下的等效剛度特性,并以結構參數為自變量,等效剛度特性為因變量進行擬合.最后應用擬合公式在限定泊松比或等效剛度的情況下,分別以最大化結構的屈曲載荷和最大化單位質量吸能能力的優化為例,對蛋盒型結構參數進行了量綱為一的優化設計.計算結果表明:蛋盒型結構拉伸剛度降低,彎曲剛度升高;蛋盒型結構的剛度特性與結構參數之間呈現非線性的特點,結構表現出負泊松比的特性;在給定優化目標和限定條件時應用擬合公式可以快速實現蛋盒型結構參數的主動優化設計.

工程科學學報. 2017 39(9): 1386-1395.

干/濕狀態下HFRP搭接接頭的剪切蠕變試驗及分數階導數流變模型

搭接是纖維增強復合材料(FRP)的重要連接方式,長期性能是該技術實際工程應用的關鍵.對不同恒定應力和濕度狀態下混雜FRP (HFRP)雙搭接接頭的剪切蠕變性能進行了試驗研究.試驗觀測到了明顯的蠕變變形,測定了蠕變與恒定應力及濕度的關系.進一步采用分數階導數流變模型對試件的蠕變進行模擬.根據模型所包含的Mittag-Leffler函數的性質采用了改進的Powell優化算法,并確定了合理的初值,結合試驗曲線擬合得到模型各參數值.根據搭接接頭蠕變的特點,在經典分數階流變模型中引入了表征應力水平對搭接接頭非線性蠕變特性影響的函數,提出了一種改進的分數階蠕變柔量計算公式.研究結果表明,該流變模型能夠采用簡單的表達形式和較少的參數對試件的非線性蠕變行為進行擬合,在30%~70%恒定應力范圍內準確模擬了雙剪搭接接頭的蠕變曲線.

工程科學學報. 2017 39(9): 1396-1402.

基于安全傳輸策略的網絡化預測控制系統設計

為確保網絡控制系統中傳輸數據的完整性、實時性、機密性和可用性,提高系統對抗數據攻擊的能力,提出了一種基于MD5散列碼、時間戳和AES加密算法的數據安全傳輸策略,該策略兼顧了系統中控制器端和被控對象端數據傳輸的安全性和實時性.并從控制策略的角度出發,考慮在系統遭受到數據攻擊后,采用基于網絡回路時延的網絡預測控制方法對數據攻擊進行補償,使系統在受到一定強度的數據攻擊后仍然能夠進行穩定的控制,從而提高網絡控制系統應對攻擊的能力.采用S100-1實訓平臺管道壓力控制系統驗證了基于安全傳輸策略的網絡化預測控制系統有較好的安全性和抗數據攻擊能力.

工程科學學報. 2017 39(9): 1403-1411.

混合選別過程半實物仿真系統

為了滿足復雜工業過程控制技術的研究需求,需要建立具有代表性的半實物仿真系統.針對混合選別過程,研發由對象計算機、控制器設計計算機、監控計算機、虛擬執行機構與檢測儀表裝置和控制系統組成的半實物仿真系統.該系統基于工業控制系統軟件開發控制算法,運用MATLAB研發虛擬對象、虛擬執行機構和檢測儀表、控制器設計模型,研發了相應的可視化界面.在對象計算機、控制器設計計算機和監控計算機的基礎上完成了被控對象機理建模、控制器設計模型參數辨識、控制器設計和控制器性能評價等研究.為復雜控制算法研究進一步工業應用奠定了基礎.

工程科學學報. 2017 39(9): 1412-1420.

立體深度運動引發的立體視覺疲勞的腦電評估

3D技術的發展受到其引發的不舒適感的限制,長時間觀看立體顯示影像將會引起立體視覺疲勞,一種客觀評價立體視覺疲勞的有效指標亟待提出.本文利用EEG (electroencephalography)三個頻帶θ(4~8 Hz)、α(8~13 Hz)、β(13~22Hz)的相對能量及其能量比值<i<E</i<<sub<(α+θ)/β、Eα/β</sub<、<i<E</i<<sub<(α+θ)/(α+β)</sub<在八個不同腦區及整個腦區的54個指標作為備選,借助配對<i<t</i<檢驗、灰色關聯度分析(GRA)、支持向量機(SVM),最后得出指示由立體深度運動引發的視覺疲勞的最佳腦電指標為:頂區<i<E</i<<sub<α/β</sub<.并比較了三個頻帶相對能量在不同疲勞狀態的變化:疲勞狀態下,α頻帶明顯上升(<i<p</i< < 0.01),β頻帶明顯下降(<i<p</i< < 0.01),θ頻帶保持穩定.

工程科學學報. 2017 39(9): 1421-1427.

HTRB600級高強鋼筋高溫下的力學性能

為研究600 MPa級高強鋼筋高溫下的力學性能,對HTRB600級熱處理高強鋼筋進行高溫下的拉伸試驗,分別測得其在20,200,300,400,500,600,700及800℃高溫下的彈性模量、比例極限、屈服強度、極限強度及應力-應變曲線.試驗結果表明:HTRB600級高強鋼筋高溫下屈服強度、極限強度、比例極限與彈性模量均隨著溫度的升高而顯著降低.500℃時其高溫下的彈性模量、比例極限、屈服強度與極限強度降低為不足常溫下的50%,800℃時已不足常溫下的10%.高溫下HTRB600級高強鋼筋應力-應變曲線隨溫度的升高逐漸趨于圓滑,當溫度達到200℃時,屈服臺階就已消失.600 MPa級鋼筋高溫下屈服強度和極限強度的降低程度明顯大于其他鋼筋500 MPa以下強度的鋼筋.最后提出了適用于HTRB600級高強鋼筋的高溫下應力-應變曲線簡化計算模型.

工程科學學報. 2017 39(9): 1428-1435.

考慮土-結構相互作用的運轉狀態風電塔抗震分析

針對某陸上風電場1.5 MW風電塔結構,建立了"塔筒-基礎-地基"整體三維精細有限元模型,研究土-結構相互作用對風機運轉狀態下風電塔結構地震動力響應的影響規律.在風機運轉狀態下,使用FAST程序把風速時程轉化為風荷載時程輸入模型,并使用EERA程序進行土層地震反應分析得到模型土層底部的地震波,作為地震激勵進行輸入,對風電塔進行模態分析并計算風電塔地震動力響應.研究表明,考慮土-結構相互作用效應會引起風電塔體系自振頻率降低,并顯著增加風電塔的結構動力響應.

工程科學學報. 2017 39(9): 1436-1442.

設防烈度對框架-核心筒結構受力性能和材料用量的影響

為了考察設防烈度對鋼筋混凝土框筒結構受力性能、材料用量的影響,在充分調研了目前我國100 m以上已建或在建超高層建筑的基礎上,選擇150~300 m范圍內鋼筋混凝土框架-核心筒辦公類超高層作為代表性研究對象,建立了12個不同烈度、不同高度下的計算模型,詳細分析了其結構的周期比、剪重比、剛重比、地震作用和風荷載影響等結構受力性能以及結構的用鋼量、混凝土用量隨設防烈度的變化情況.研究結果表明,對于濟南恒大國際金融中心工程,隨著設防烈度的提高,結構自振周期減小,扭轉周期滯后于平動周期,扭轉效應減小,而結構剪重比明顯增加;低烈度地區結構受重力二階效應的影響較大,整體穩定性成主要安全控制因素;地震作用的影響隨設防烈度的增加而增大;6度區建筑超過200 m后,用鋼量明顯增加,而8度區用鋼量隨建筑高度呈線性增長;6度和7度區單位面積混凝土用量接近,而8度區混凝土用量增幅約為19%左右,所以設防烈度對結構工程材料用量影響顯著.

工程科學學報. 2017 39(9): 1443-1452.

全風向來流非高斯風場風機疲勞壽命可靠性分析

在Hermite矩模型基礎上,根據Kaimal譜生成某典型風機結構正常風速條件下,三種不同概率特性風場(高斯、非高斯硬化和軟化),在考慮來流風向和平均風速聯合概率密度條件下,以塔架基礎連接處為例,對風機進行疲勞壽命可靠性分析.由葉片的氣動模型和多體動力,計算出風機的動力響應,并對響應的時域和頻域特性進行分析.基于線性損傷累積理論和Paris公式,對來流全風向條件下的裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命進行了詳細討論.結果表明,裂紋形成壽命對風荷載的非高斯性較為敏感,而裂紋擴展壽命對風荷載的非高斯性并不敏感,需要考慮風荷載的非高斯性對風機結構疲勞損傷的影響.此外,在考慮全風向來流條件下,疲勞裂紋形成和擴展階段的失效位置相同,均在主導風向上.

工程科學學報. 2017 39(9): 1453-1462.