工程科學學報

動態擾動下頂板塊體失穩冒落研究綜述

朱萬成, 代風, 任敏, 關凱, 牛雷雷, 董航宇 — 2023-09-25

朱萬成, 代風, 任敏, 關凱, 牛雷雷, 董航宇巷道、采場等地下開挖空間周邊圍巖的次生結構面發育，巖體極易被切割成多個獨立巖塊，并在準靜態地應力或外界動力擾動作用下發生滑動冒落。針對準靜態條件下的頂板失穩冒落問題，研究的重點在于結構面的擴展分析以及塊體系統的受力平衡條件分析。對于動態擾動條件下的頂板巖塊滑動失穩問題，不僅涉及到應力波促進下的裂隙擴展問題，還與塊體系統中應力波的傳播規律和應力波影響下巖塊動態受力條件有關。本文分別從靜態條件下與動態擾動條件下兩個方面總結了頂板巖塊穩定性相關研究。目前針對靜態條件下的頂板塊體穩定性研究已經形成了諸多較為成熟的理論體系；而對于動態擾動條件下的塊體穩定性的研究主要還是集中于塊體系統內部應力波傳播過程的分析，忽略了對頂板巖體受擾過程中裂隙擴展和應力失衡的分析。因此，針對頂板巖塊動態失穩問題的研究尚不能揭示冒落機理，而該研究的難點在于“揭示動態擾動誘發塊體失穩的本質機理”。最后，介紹了課題組針對動態擾動下頂板塊體滑動失穩問題開展的一系列實驗與數值模擬研究，揭示了不同方向動態擾動作用誘發頂板塊體滑動失穩的機理，為地下礦山冒頂災害的防控提供一定的理論參考。工程科學學報. 2023 45(9): 1425-1440.

一種滑移型危巖體的力學判識方法

李恒, 杜巖, 謝謨文, 張金戈, 蔣宇靜, 李博 — 2023-09-25

李恒, 杜巖, 謝謨文, 張金戈, 蔣宇靜, 李博邊坡巖體在地震、長期降雨或施工擾動等影響因素的強烈作用下，穩定巖體逐漸演化成危巖體，基巖開始分離而導致穩定性不斷下降，隨之發生下滑破壞，是威脅工程施工運維安全的主要隱患之一。單一的穩定性系數只能判斷破壞是否發生，而無法識別巖體由穩定階段至分離階段這一變化，也就難以實現危巖體的定量力學判識。通過引入黏結穩定性系數，對潛在滑動面黏聚力及其抗滑占比進行了分析，以期實現滑移型危巖體穩定階段、分離階段和破壞階段的動態考量。當黏結穩定性系數小于1，黏聚力抗滑占比小于結構面長期強度與破壞強度的比值時，即可判定為危巖體。實驗結果得出，單一的穩定性系數無法有效識別A8危巖體，而黏結穩定性系數的引入則從力學角度實現了A8危巖體的定量評價。此外現場案例研究表明，基于雙力學指標的滑移型危巖體判識方法可以提供相對客觀統一的判識結果，有效區分了重慶三峽等地區穩定性系數在1.2附近的滑移型危巖體，提高了傳統力學識別方法的準確率與科學性，為我國地質災害高風險地區更好地應對滑移型崩塌災害提供新的技術支持。工程科學學報. 2023 45(9): 1441-1449.

復合粘結劑對球團高溫固結的影響及機理

韓鳳光, 楊濤, 趙賀喜, 汪名赫, 王毅璠, 龍紅明, 雷杰, 姜濤 — 2023-09-25

韓鳳光, 楊濤, 趙賀喜, 汪名赫, 王毅璠, 龍紅明, 雷杰, 姜濤膨潤土是球團礦生產過程中的主要粘結劑，能顯著改善原料成球性、提升球團質量，但較高的SiO₂和Al₂O₃含量會造成煉鐵生產渣量增加。添加少量有機粘結劑替代部分膨潤土已成為改善球團性能的必要手段。本文考察了有機粘結劑P替代部分膨潤土對球團高溫強度的影響，結合激光閃射法和熱重法（TG）研究了有機粘結劑對磁鐵礦球團內部結構及傳熱、傳質的影響。結果表明，復合粘結劑可以替代部分膨潤土，適量有機組分的增加有利于預熱球、焙燒球強度的提升和球團的氧化。主要原因是有機粘結劑P經過高溫后熱解，并在球團內部形成適量孔隙，球團熱傳導系數降低，內部升溫梯度減緩，避免了球團表層因過快氧化結晶而形成致密的氧化層。同時，細小的孔隙有利于氧氣進入球團內部，促進Fe₃O₄氧化成Fe₂O₃，氧化分數

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_TGA隨著有機粘結劑P的添加而逐漸升高，由90.80%提至92.17%。工程科學學報. 2023 45(9): 1450-1458.

間隙原子摻雜高熵合金的研究進展

朱晨輝, 徐流杰, 劉美君, 郭明宜 — 2023-09-25

朱晨輝, 徐流杰, 劉美君, 郭明宜分析了間隙原子C、N、O、B對高熵合金組織和性能的影響；總結了四種間隙原子含量及其產生的固溶強化、晶粒細化、第二相強化作用對高熵合金組織及性能等方面影響，大量的研究表明，在高熵合金體系中摻雜間隙原子不僅可以調控相結構組成（促進/抑制相變，析出第二相顆粒），還可以改變其形變機制（TWIP、TRIP效應）以實現材料的強韌化。其有效利用既可以拓寬高熵合金的設計思路，也可以有效降低航空材料的制備成本。最后提出了含間隙原子的高強高韌高熵合金組織結構設計研究的新方向：（1）了解不同類型高熵合金的摻雜機理，建立更適合高熵合金體系的固溶強化模型；（2）找出合適的間隙原子及其摻雜量來調節高熵合金微觀結構和力學性能。研究設計摻雜不同間隙原子的高熵合金有望揭示不同間隙原子對其相結構、形變機制和力學性能的影響，具有重要的科學及工程實踐意義。工程科學學報. 2023 45(9): 1459-1469.

廢舊三元鋰電池正極材料資源化再生的研究進展

王文龍, 李蘇, 孫靜, 江鎮宇, 賈平山 — 2023-09-25

王文龍, 李蘇, 孫靜, 江鎮宇, 賈平山近些年來，隨著全球新能源汽車和智能電子產品市場的逐漸擴大，鋰離子電池數量急劇增加，從保護生態環境和節約資源的角度來看，開展廢舊鋰電池的回收再生研究具有極大的社會和經濟價值。以三元鋰電池為例，介紹了三元鋰電池正極失效原因以及傳統火法冶金和濕法冶金浸出工藝的回收條件、應用現狀和優缺點，綜述了廢舊三元鋰電池濕法冶金浸出后再生和直接再生的研究進展。基于此，特別論述了再生后的三元鋰電池正極材料通過離子摻雜和表面包覆改性升級的創新策略。最后，展望了廢舊三元鋰電池回收再生工藝的發展前景，以期對廢舊鋰電池回收體系的完善提供一定的參考和建議，形成經濟效益好、綠色環保的鋰電池生產—回收閉路循環回收體系。工程科學學報. 2023 45(9): 1470-1481.

新能源汽車驅動電機用高強無取向硅鋼力、磁性能調控研究進展

程朝陽, 鐘柏林, 倪正軒, 景文強, 張施琦, 劉靜 — 2023-09-25

程朝陽, 鐘柏林, 倪正軒, 景文強, 張施琦, 劉靜新能源汽車能夠有效緩解傳統汽車行業對化石燃料的嚴重依賴和全球所面臨的環境問題，是未來發展的必然趨勢。驅動電機作為新能源汽車的動力核心，不僅需要具有優異的磁性能提高能源轉換效率，同時需要具有高強度來抵抗高速運轉時的離心力。然而，無取向硅鋼的強度和磁性能難以兼顧，因此無取向硅鋼力、磁性能的協同調控是新能源汽車驅動電機發展過程中的一個關鍵科學問題。本文綜述了國內外有關高強無取向硅鋼力學性能和磁性能調控的相關研究現狀，分析了不同強化方式對無取向硅鋼磁性能的影響，指出了新能源汽車驅動電機用高強無取向硅鋼力學性能和磁性能協同調控的未來發展趨勢，即多種強化方式共同作用或利用細小彌散的納米共格析出相實現高強無取向硅鋼力、磁性能的最佳匹配，為新能源汽車驅動電機用高強無取向硅鋼的發展提供借鑒。工程科學學報. 2023 45(9): 1482-1492.

鋰/鈉離子電池納米紅磷負極結構調控與性能優化

周怡, 苗文康, 蔡岳玲, 董余兵, 歐斌, 李倩倩 — 2023-09-25

周怡, 苗文康, 蔡岳玲, 董余兵, 歐斌, 李倩倩開發高性能二次電池材料是緩解能源與環境危機的有效途徑。商業鋰離子電池石墨負極由于理論容量較低且在鈉離子電池中幾乎不顯示容量，無法滿足人類日益增長的能量需求。紅磷由于理論容量高（2596 mA?h?g^–1）、氧化/還原電位適宜、地球資源占比豐富以及價格低廉等優點成為堿金屬離子電池研究中的熱點，有望成為商業化大規模儲能系統中應用的負極材料。但是，紅磷在作為負極材料時具有導電性差、體積膨脹大等缺點，導致活性材料利用率低，電極粉化現象嚴重，電極循環穩定性差，嚴重限制了其在二次電池中的商業應用。最近研究表明，通過合理的結構設計可以有效地提高紅磷的電子導電率及結構穩定性，進而改善紅磷負極的循環穩定性和倍率性能，促進紅磷在商業鋰/鈉離子電池中的廣泛應用。本文綜述了近年來納米紅磷負極材料在可控合成方法、結構設計與改性以及性能優化機理上的研究進展。最后，總結了目前紅磷負極材料研究存在的問題，并提出可能的應對策略，對納米紅磷基負極材料未來在電池領域發展前景進行了展望，旨在促進其商業應用。工程科學學報. 2023 45(9): 1493-1508.

N₂對增材制造鈦基復合材料組織和性能的影響

朱磊, 楊勇, 張繼元, 范樹遷, 魏文猴 — 2023-09-25

朱磊, 楊勇, 張繼元, 范樹遷, 魏文猴鈦合金廣泛應用于航空航天、生物醫學等領域。但由于其力學性能不理想（如硬度低、耐磨性差）和加工性差，限制了其應用范圍。為了直接近凈成形出結構復雜且性能提升的鈦合金零部件。本文在選區激光熔化（SLM）Ti6Al4V鈦合金過程中通入氮氣（N₂），通過Ti-N反應制備鈦基復合材料（TMCs）。該創新方法的成形原理為：激光誘導Ti6Al4V高溫熔池附近的N₂分解生成N原子或者離子，并與熔融狀態的鈦原位反應生成TiN增強相，通過層層疊加，成形TiN增強鈦基復合材料。本文采用3種不同體積分數（3%、10%和30%）的N₂氣氛SLM成形了鈦基復合材料，并對比了純氬氣（Ar）氣氛中SLM成形的Ti6Al4V鈦合金。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了材料的微觀組織。X射線衍射（XRD）圖譜表明部分N固溶進入Ti晶格中。能譜（EDS）證實了TiN的生成。高分辨透射電鏡（HR-TEM）圖進一步確認了基體相和第二相分別為Ti和TiN。這種原位合成的氮化物增強相分散均勻，尤其是在低體積分數N₂氣氛（3%和10%）下制備的復合材料中均勻分布著大量納米級增強相。此外，在低體積分數N₂氣氛（10%）下制備的復合材料強度和塑性同時提高。本文研究了不同N₂濃度對鈦基復合材料微觀組織和力學性能的影響規律，并闡明了復合材料的強韌化機理。工程科學學報. 2023 45(9): 1509-1516.

機器學習在非晶合金開發中的應用

胡靜怡, 徐翔, 季小妹, 徐明賢, 姜岱峰, 王巹 — 2023-09-25

胡靜怡, 徐翔, 季小妹, 徐明賢, 姜岱峰, 王巹在材料科學過去幾十年的發展過程中，經驗試錯法和基于密度泛函理論的方法等傳統的非晶合金開發方法，幫助研發人員探索出多種非晶合金體系。但是，這些方法由于開發周期長、效率低等缺點，目前已難以滿足研發人員的需求。而機器學習方法因其實驗成本低、性能強大以及開發周期短等優點，被越來越廣泛地應用到非晶合金材料的設計、分析和性能預測中。本文首先按照機器學習建模的主要流程闡述了各步驟的基本操作和發展情況。其次，著重介紹了數據預處理、模型構建以及模型驗證方面的研究工作，在數據預處理章節，簡述了數據收集、特征工程以及目前較為流行的數據預采樣方法；在模型構建章節，論述了四類在非晶合金開發中常用的機器學習算法，包括人工神經網絡、支持向量機、隨機森林以及極端梯度提升方法；在模型驗證章節，主要介紹了K折交叉驗證和留一法交叉驗證方法。最后，本文從多個角度對比分析了現有的機器學習應用，為后續的相關研究提供了可能的研究方向和思路。工程科學學報. 2023 45(9): 1517-1527.

腦機接口在元宇宙中的應用研究進展

王雪, 李莎, 李榮洋, 寧煥生 — 2023-09-25

王雪, 李莎, 李榮洋, 寧煥生近期，隨著元宇宙研究重心轉向內容交流和社會互動，如何打破當前視聽媒體交互瓶頸成為了亟待解決的問題，使用腦機接口進行感官模擬就是解決方案之一. 目前，腦機接口已經作為生理信號采集工具在元宇宙諸多領域表現出了不可替代的應用潛力. 研究三個應用場景，元宇宙藝術中的生成藝術、元宇宙醫學中醫療保健嚴肅游戲、元宇宙虛擬社會中的虛擬人表情合成中腦機接口應用現狀，調查已經存在的商業產品和專利(MindWave Mobile、GVS、Galea )，類比網絡安全和神經安全、生物倫理學和神經倫理學的發展過程，探討腦機接口成熟并被廣泛應用后可能面臨的挑戰和潛在問題，展望未來腦機接口在元宇宙中深入多樣應用的可能性. 工程科學學報. 2023 45(9): 1528-1538.

基于YOLOX-drone的反無人機系統抗遮擋目標檢測算法

薛珊, 王亞博, 呂瓊瑩, 曹國華 — 2023-09-25

薛珊, 王亞博, 呂瓊瑩, 曹國華為解決現實場景下無人機目標被部分遮擋，導致不易檢測問題，本文提出了基于YOLOX-S改進的反無人機系統目標檢測算法YOLOX-drone。首先，建立無人機圖像數據集；其次，搭建YOLOX-S目標檢測網絡，在此基礎上引入坐標注意力機制，來增強無人機的目標圖像顯著度，突出有用特征抑制無用特征；然后，再去除特征融合層中自下而上的路徑增強結構，減少網絡復雜度，并設計了自適應特征融合網絡結構，增強有用特征的表達能力，抑制干擾，提升檢測精度。在DUT-Anti-UAV數據集上的測試結果表明：YOLOX-drone與YOLOX-S、YOLOv5-S和YOLOX-tiny相比，平均準確率(IoU=0.5)提升了3.2%、4.7%和10.1%；在自建的無人機圖像數據集上的測試結果表明：YOLOX-drone與原YOLOX-S目標檢測模型相比，在無遮擋、一般遮擋、嚴重遮擋情況下，平均準確率(IoU=0.5)分別提高了2.4%、2.1%和6.4%，驗證了改進的算法具有良好的抗遮擋檢測能力。工程科學學報. 2023 45(9): 1539-1549.

基于速度調節與路徑跟蹤的差動機器人運動控制

張俊娜, 白國星 — 2023-09-25

張俊娜, 白國星差動機器人是一種常見的移動機器人，在倉儲、農業等行業的應用十分廣泛。針對縱向速度接近最大值時差動機器人跟蹤參考路徑的能力與保持縱向速度的能力之間存在沖突的問題，從差動機器人縱向速度與轉彎曲率之間的映射關系出發，提出了基于預瞄信息的速度調節控制器，并提出了配套的基于非線性模型預測控制的路徑跟蹤控制器，形成了基于速度調節與路徑跟蹤的差動機器人運動控制系統。仿真與實驗結果表明，提出的運動控制系統可以在差動機器人的縱向速度設定值較高時主動調節縱向速度，保障較高的路徑跟蹤控制精確性，其中位移誤差的絕對值不超過0.0499 m，航向誤差的絕對值不超過0.0726 rad，相比無速度調節的運動控制系統，該系統可將位移誤差和航向誤差的最大絕對值分別減少達97.57%和45.04%。工程科學學報. 2023 45(9): 1550-1558.

自適應動模式分解和GA-SVM在行星軸承故障分類中的應用

蔡志鑫, 黨章, 呂勇, 袁銳, 安柄南 — 2023-09-25

蔡志鑫, 黨章, 呂勇, 袁銳, 安柄南行星齒輪箱在運行過程中由于齒輪間的相互作用會產生強噪聲，導致行星軸承的故障特征被完全淹沒在背景噪聲中并難以提取，從而使得行星軸承故障分類的準確率較低。本文提出一種自適應動模式分解(ADMD)和遺傳算法優化支持向量機(GA-SVM)的行星軸承故障分類方法。首先，針對傳統動模式分解(DMD)中截斷秩無法準確選取的問題，定義了一種新的適應度函數，并采用改進的蚱蜢優化算法(IGOA)自適應選取最優截斷秩，進而實現對原始振動信號的降噪處理。然后對處理后的信號計算其歸一化后的復合精細多尺度離散熵(IRCMDE)并構成特征矩陣。最后采用遺傳算法優化支持向量機，構建GA-SVM分類模型，并將其應用到行星軸承故障診斷中。利用行星齒輪箱中行星軸承故障數據驗證了此方法的有效性和實用性，最終分類結果為96.43%，表明了該方法可以準確識別出行星軸承的故障類型。工程科學學報. 2023 45(9): 1559-1568.

埋入式水泥基球形壓電傳感器的制備表征及其在聲發射監測中的應用

代建云, 劉宇, 姜清輝, 李應衛, 馬永力 — 2023-09-25

代建云, 劉宇, 姜清輝, 李應衛, 馬永力研究設計、制備以及表征了一種基于球形壓電陶瓷殼的埋入式水泥基壓電聲發射傳感器。相比于傳統的片狀壓電聲發射傳感器只能接收特定方向信號的特點，該水泥基球形壓電傳感器具有全向接收信號的優勢。之后，將該水泥基球形壓電傳感器埋入鋼筋混凝土梁中，對梁試件四點彎加載過程進行了聲發射監測研究。對比分析了水泥基球形壓電傳感器與商業外貼式片狀壓電聲發射傳感器的監測結果，包括聲發射幅值、b值以及分形維數隨加載過程的演化關系。結果表明，相比于商業外貼式聲發射傳感器，水泥基球形壓電傳感器可以取得較好的監測效果，且在結構加載后期對低強度信號具有更高的靈敏度。兩種傳感器采集到的的聲發射信號的b值和分形維數均反映了結構破壞階段的演化，可以將b值和分形維數的持續下降并維持在較低水平作為該鋼筋混凝土梁試件最終破壞的預警標志。此外，相較于純商業聲發射傳感器組成的定位組，該埋入式水泥基球形壓電傳感器所在聲發射定位組捕捉到的破裂點數量大幅提高，有效提高了破裂點定位的準確度與靈敏度。工程科學學報. 2023 45(9): 1569-1582.

鋼鐵工業低碳綠色發展路徑與實踐

李毅仁, 邢奕, 孫宇佳, 田京雷 — 2023-09-25

李毅仁, 邢奕, 孫宇佳, 田京雷在全球進入低碳發展的新階段的背景下，分析了不同時期的技術變革影響世界鋼鐵工業中心轉移的歷史發展趨勢，提出了在全球碳中和背景下鋼鐵工業所面臨的機遇與挑戰。從國際、國內鋼鐵工業低碳發展現狀出發，結合中國典型鋼鐵企業的綠色制造實踐，及低碳發展規劃，闡述了當前中國鋼鐵行業在低碳綠色發展方面所做出的探索與貢獻，為鋼鐵企業助力國家“碳達峰、碳中和”目標的實現提供實踐案例。建議未來發展路徑可從四方面開展，一是在“十三五”超低排放成效的基礎上向減污降碳過渡，推廣燒結煙氣循環及高比例球團冶煉等技術；二是實施以氫能為中心的能源結構的變革，開展多元化制氫技術，并配套加氫站網絡的建設，加速綠色物流體系的構建，并在探索氫冶金技術的實踐中引領行業發展；三是打造低碳綠色產業生態圈，從整個產業鏈、上下游協同出發，開發全生命周期評價平臺及產品，并結合上下游重點企業全面推進綠色制造；四是行業突破性技術研發，加強產學研合作，整合全球創新資源。最后，在上述低碳發展路徑的基礎上，提出未來鋼鐵行業需要重視的發展建議。工程科學學報. 2023 45(9): 1583-1591.

微波輔助炭基催化劑催化熱解生物質的研究進展

李攀, 胡秋輝, 胡俊豪, 陳志勇, 張永勝, 方書起, 常春 — 2023-09-25

李攀, 胡秋輝, 胡俊豪, 陳志勇, 張永勝, 方書起, 常春炭基催化劑具有制備成本低、催化后處理簡單等優點，但存在易積碳失活、產物選擇性低等缺點，結合微波效應，可明顯提高炭基催化劑的競爭力。本文對微波輔助炭基催化劑熱解生物質的研究進展進行了現狀綜述。主要介紹了微波加熱原理，吸波劑和催化劑對于微波熱解的影響機制。分析了不同改性方法（金屬負載法、化學法、磺化等）對炭基催化劑的孔隙結構、含氧官能團和酸性基團及催化反應產物特性的影響。總結了微波輔助改性炭基催化劑在焦油重整和改善生物質熱解產物特性等方面的應用進展。本文對該研究方向存在的問題提出建議并進行展望，為基于微波催化熱解作用下炭基催化劑的選擇、改性和生物質高值化利用提供一定的參考。工程科學學報. 2023 45(9): 1592-1601.

鋼鐵工業煙氣脫硝技術應用進展及前景

張柏林, 洪華, 王天球, 張新遠, 鄔博宇, 劉波, 張深根 — 2023-09-25

張柏林, 洪華, 王天球, 張新遠, 鄔博宇, 劉波, 張深根氮氧化物（NO_x）已成為我國首要大氣污染物，鋼鐵工業是工業源NO_x排放的主要來源。燒結、球團、煉焦等工序是鋼鐵工業NO_x超低排放改造的重點，但其煙氣特性與火電廠煙氣存在差異，煙氣脫硝技術不能完全照搬現有燃煤鍋爐脫硝工藝。目前，選擇性催化還原（SCR）、活性炭（焦）（AC）吸附催化、臭氧（O₃）氧化協同吸收等技術已在燒結、球團、煉焦等工序成功應用，并均取得了良好效果。本文針對鋼鐵工業超低排放的迫切需求，梳理了鋼鐵工業燒結、球團、煉焦等主要工序的現有煙氣脫硝技術及其應用，重點總結并對比分析了SCR技術、AC吸附催化和O₃氧化協同吸收技術的應用進展及優劣勢。其中，SCR技術正逐步成為鋼鐵工業脫硝市場的主流技術，占比超過70%，因此脫硝催化劑及其再生具有長期巨大的市場需求。AC吸附催化和O₃氧化協同吸收等新型技術因其適用溫度低，無需煙氣升溫等，在鋼鐵工業越來越受到青睞，將逐步得到更多鋼鐵企業的支持。工程科學學報. 2023 45(9): 1602-1612.