English Version 中南大学出版社

最新刊期

2022 年第 8 期

矿业工程 • 冶金工程 • 环境工程 • 化学与化学工程 • 材料科学与工程

含铬电镀废水处理技术研究进展
韩明君,孙伟,岳彤,余恒,李赛,张晨阳
2022, 53(8): 2819-2832. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.001

摘要：表面镀铬技术可极大提高基体材料的防护性、装饰性和功能性，但同时也产生了大量重金属含铬电镀废水。含铬电镀废水的酸性强，化学需氧量高，致癌、致畸、致突变等生物毒性问题突出，严重威胁人类健康和生态环境。本文从物化、化学、生物以及组合技术4个方向，总结了现有含铬电镀废水的主要处理技术，对相关方法的基本原理和优缺点进行了阐述，结合实例讨论了相关处理技术的应用效果，并对今后防治技术的发展方向前景进行了展望，以期对电镀行业的清洁生产、电镀涉重废水的污染防治和资源化处理提供借鉴与指导。
关键词：重金属铬;电镀废水;物化处理;化学处理;生物处理;组合处理

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发布时间：2022-09-09
配加生石灰的两段式圆筒铁矿制粒行为研究
熊林,彭志伟,俞景峰,毛晓明,李光辉,姜涛
2022, 53(8): 2833-2842. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.002

摘要：针对铁矿烧结厂普遍采用的两段式圆筒制粒工艺，在配加生石灰强化制粒和原料适宜的制粒水分范围内研究其制粒过程中制粒颗粒的粒度组成、黏附粉黏附率、成分均匀性、显微结构变化以及原始颗粒的制粒行为。研究结果表明：生石灰在二混阶段前消化程度小于6.53%，其主要是在二混阶段起到强化制粒作用。当制粒水分(质量分数)从6.92%增加到7.53%，二混阶段后粒径>3 mm粒级占比和黏附粉的高强度黏附率(A_rb)分别提高了22.80%和10.55%，制粒颗粒各粒级间的w(CaO)/w(SiO₂)标准差下降了10.32%。在制粒过程中，粒径≤0.25 mm颗粒和>1 mm颗粒作为核颗粒的分配系数变化范围分别为0~0.20和0.93~1.00，基本是分别作为黏附粉和核颗粒存在，(0.25，0.50] mm颗粒和(0.5，1.0] mm颗粒的分配系数变化范围分别为0~0.83和0.68~0.98，是制粒的中间粒子。制粒颗粒的长大机理可分为2个阶段，二混阶段之前遵循成层长大机理，二混阶段则同时遵循成层和聚合长大机理。
关键词：烧结;两段式圆筒制粒;生石灰;分配系数;长大机理

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发布时间：2022-09-09
铜渣磁选过程中元素分布行为研究
罗立群,张晓雪,王洪阳
2022, 53(8): 2843-2850. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.003

摘要：采用化学分析、X射线衍射仪、扫描电镜和能谱仪对铜渣磁选过程中铁、锌和铅的分布进行研究。研究结果表明：铁橄榄石和磁铁矿是铜渣中主要含铁物相，其占比分别为70.71%和29.29%，其中磁铁矿的平均粒径为3.29 μm。锌主要分布在铁橄榄石和部分磁铁矿中，铅主要存在于玻璃体中。磨矿—磁选可实现铜渣中锌和铅的定向富集，80%以上的Zn和90%以上的Pb被富集于磁选尾矿中。在磨矿粒度为 5.12 μm和磁场强度为0.1 T条件下，可获得含51.82% Fe，0.95% Zn和0.087% Pb的磁选精矿，此精矿中铁分布率为48.20%。磁铁矿中硅的存在及其单体解离困难是造成磁选精矿中铁品位低的主要原因。
关键词：铜渣;磁选;元素分布;锌;铅

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发布时间：2022-09-09
气淬粒化熔渣液膜破碎过程研究
刘晓宏,温治,杜宇航,楼国锋
2022, 53(8): 2851-2860. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.004

摘要：采用计算流体力学的方法研究气淬粒化工艺中熔渣的粒化环节及其破碎机理，利用VOF模型追踪自由界面以及RNG K-epsilon模型描述湍流流动，对气淬作用下的熔渣粒化过程进行数值模拟，得到气淬熔渣粒化的液膜变化过程和气体流场分布，并分析局部动量比对熔渣破碎过程的影响。研究结果表明：熔渣射流在气淬作用下存在球孔状破碎和扁平状破碎2种破碎过程，气液界面间的速度梯度使K-H不稳定性产生，从而生成K-H表面波，这是发生扁平状液膜破碎的主要原因；气液界面间的压力梯度使R-T不稳定性产生，从而生成R-T表面波，这是发生球孔状液膜破碎的主要原因。当局部动量比较小时，K-H不稳定性的影响更大，增大局部动量比，K-H不稳定性的影响随之降低，R-T不稳定性的影响增强，球孔状液膜形成所需时间更短，熔渣破碎逐渐由R-T不稳定性占主导地位；增大局部动量比使R-T和K-H表面波波长均增大，使熔渣颗粒从液膜表面剥离和撕裂的难度增大，颗粒形成的频率降低，增加熔渣粒化的难度；增大局部动量比会让熔渣液膜破碎长度增大，使熔渣发生破碎的时间更晚，熔渣颗粒的飞行距离和换热时间变长。
关键词：气淬粒化;表面波;局部动量比;数值模拟

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发布时间：2022-09-09
氧化联合湿法吸收净化NO_x与SO₂
刘恒恒,高凤雨,易红宏,李典泽,倪书权,唐晓龙
2022, 53(8): 2861-2868. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.005

摘要：采用催化氧化联合O₃共同氧化NO，再利用优配Ca(OH)₂吸收液同时吸收NO_x和SO₂，研究高效低成本一体化脱硫脱硝方法，并采用不同元素(Co/Ni/Fe/Sn/Cu/Mg)对MnCeO_x催化剂进行改性，筛选出氧化活性优良的MnCeCoO_x和MnCeNiO_x催化剂。研究结果表明：MnCeCoO_x和MnCeNiO_x催化剂的最佳焙烧温度均为450 ℃，最佳元素配比分别为Mn_0.4Ce_0.5Co_0.1O_x和Mn_0.4Ce_0.5Ni_0.05O_x，在反应温度为250 ℃时，NO转化率分别达到76%和82%。MnCeCo(Ni)O_x催化剂具有一定的抗硫性能，但效果不佳，而O₃氧化的加入大大提高了系统的脱硫脱硝性能，当O₃与NO物质的量比为0.5时，脱硝率达到80%，脱硫率约为100%。联合氧化工艺不仅提升了NO的氧化率，而且在最佳氧化度(60%)的条件下，O₃用量可以减少25%。
关键词：催化氧化;O₃氧化;湿法吸收;脱硫脱硝

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发布时间：2022-09-09
KI界面改性实现钙钛矿太阳电池效率提升
蒋婷,张帆,王云帆,杨雅洁,赵德威,武莉莉,王文武,张静全,郝霞
2022, 53(8): 2869-2877. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.006

摘要：在低温制备的SnO₂电子传输层(ETLs)和钙钛矿层之间插入KI插层，制备平面钙钛矿太阳电池；研究KI插层对SnO₂ ETLs/钙钛矿吸收层界面的修饰作用及其对钙钛矿薄膜性质和器件性能的影响。研究结果表明，KI插层可促进钙钛矿薄膜的晶粒生长，并提升ETLs/钙钛矿层的界面载流子输运效率；虽然添加KI插层后引入的寄生吸收会造成电池短路电流(J_sc)略微降低，但也会显著提升开路电压(V_oc)和填充因子(FF)，从而使得刚性器件和柔性器件的光电转换效率均得到明显提高，刚性和柔性钙钛矿太阳电池的平均光电转换效分别从17.71%和14.52%提升到18.64%和17.46%。
关键词：钙钛矿太阳电池;SnO₂ ETLs;KI;界面修饰

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发布时间：2022-09-09
石墨烯纳米片增强ODS钢复合材料的制备及其拉伸性能
曹书光,王辉,周张健
2022, 53(8): 2878-2885. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.007

摘要：为了提高ODS FeCrAl合金的机械性能和导热性能，采用机械合金化法将石墨烯纳米片(GNPs)和ODS FeCrAl粉末进行混合，并利用放电等离子烧结(SPS)技术制备GNPs/ODS FeCrAl复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、电子万能试验机和热盘法(hot-disk法)等分析混合粉末混合前后的形貌，研究石墨烯添加对烧结态复合材料微观结构、拉伸性能和导热性能的影响。研究结果表明：在混合粉体中未检测到碳化物，而烧结态复合材料中发现了少量Cr₂₃C₆和Cr₇C₃，这表明在固结过程中部分石墨烯与基体中Cr元素发生了反应。经过高能球磨后，部分石墨烯纳米片被镶嵌在ODS钢粉末中，而其他石墨烯纳米片则保持其固有结构。烧结态GNPs/ODS钢复合材料的抗拉强度和导热系数分别达到了1 078 MPa和10.88 W/(m·K)，相比未添加石墨烯的ODS钢，分别提高了18%和22%。
关键词：GNPs;ODS钢基复合材料;机械合金化;拉伸性能;导热性能

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发布时间：2022-09-09
Cu含量对UNS S33207特超级双相不锈钢组织、抗菌性和耐蚀性的影响
向红亮,饶少辉,郑开魁,刘东
2022, 53(8): 2886-2897. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.008

摘要：通过向UNS S33207特超级双相不锈钢中添加不同含量的Cu并经固溶加抗菌时效处理，制备不同类抗菌特超级双相不锈钢材料。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、覆膜法、ICP-MS质谱检测仪、电化学测试等方法研究Cu含量对UNS S33207组织、抗菌性和耐蚀性的影响。研究结果表明，富铜相析出量随着Cu含量的增加而增多；当Cu含量低于2.55%(质量分数)时，富铜相优先在铁素体及相界析出，进一步增加Cu含量，奥氏体也会析出富铜相；铁素体中析出的富铜相的尺寸为几十纳米，形态呈球状或椭球状，具有稳定的FCC结构，与基体为非共格关系。随Cu含量的增加，Cu离子溶出率增大，抗菌性能提高，且其抗菌率随与菌液作用时间的延长而增大。富铜相会成为钝化膜中的薄弱点，其含量越多，耐蚀性能越差，因此，在确保正常相关性能时，Cu含量要适当。
关键词：特超级双相不锈钢;Cu含量;富铜相;抗菌性能;耐蚀性能

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发布时间：2022-09-09

机械工程 • 控制科学与工程

难互溶合金的机械合金化研究进展：反应机制、结构转变与成形技术
高成德,李传志,杨友文
2022, 53(8): 2898-2919. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.009

摘要：难互溶合金是一类存在液相分离特性的合金，其组元性质的差异使其具备特殊的力学及物化性能，作为结构和功能材料具有广阔的应用前景。但此类合金的混合热通常为正值，原子间的排斥作用很难形成固溶体或化合物；此外，难互溶合金组元间密度或熔点往往相差较大，平衡相图中存在明显的弓形不混溶区域，传统熔铸方法极易发生重力偏析导致两相分离，难以制备出组织均匀的合金，这极大地限制了难互溶合金的应用。机械合金化是一种非平衡态下的粉末固态冶金方法，不仅能使组元间发生非平衡相变，而且能有效避免重力偏析，从而制备出均质难互溶合金。本文综述近年来难互溶合金机械合金化的研究进展，着重阐述机械合金化过程中的反应机制和影响因素，分析机械合金化难互溶合金过程中的结构转变，总结面向机械合金化的粉末成形技术，并对所成形的难互溶合金性能进行讨论，最后对机械合金化在难互溶合金制备领域的发展趋势进行展望。
关键词：难互溶合金;机械合金化;非平衡态转变;粉末成形;性能

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发布时间：2022-09-09
一种基于VSG控制的光伏电站对多机系统的低频振荡自适应控制策略
周昕怡,成庶,伍珣,饶新亮,刘畅,赵俊栋
2022, 53(8): 2920-2931. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.010

摘要：虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)技术在引入虚拟惯性与虚拟阻尼以提高系统稳定性的同时也继承了传统同步发电机的振荡特性，从而引起新的振荡。针对该问题，首先采用模式分析法与特征值分析法分别对VSG接入四机两区系统前后振荡模式的变化以及VSG主要参数对系统低频振荡的影响进行分析。通过提高虚拟阻尼和减少虚拟惯性的方式提高区间振荡的阻尼比，从而使弱阻尼的区间振荡表现出局部振荡的高阻尼特性。在此基础上，采用基于广域信号控制的自适应虚拟惯性和广域阻尼稳定器的综合控制策略。以联络线上的功率监测信号作为控制输入，通过自适应虚拟惯性控制器与广域阻尼稳定器调整区间振荡阻尼以抑制联络线上的功率低频振荡，并通过DIgSILENT仿真对本方法进行验证。研究结果表明：该方法可以有效缩短低频振荡的持续时间，减少振荡的超调量，增强系统的稳定性。
关键词：虚拟同步发电机;低频振荡;模式分析;阻尼;自适应;广域阻尼稳定器

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发布时间：2022-09-09
载荷和安装误差对小模数螺旋锥齿轮啮合特性影响分析
夏茂浩,宋朝省,梁成成,刘思远,魏沛堂,汪言
2022, 53(8): 2932-2945. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.011

摘要：基于双重双面法切齿原理和加工方法，建立小模数螺旋锥齿轮数学模型，采用有限元仿真技术，建立齿轮副加载接触分析模型，形成小模数螺旋锥齿轮精确数学模型-实体模型-加载接触分析模型的建模分析流程；分析额定载荷和载荷变化2种情况下的双重双面法螺旋锥齿轮啮合特性，探究小轮轴向安装误差、大轮轴向安装误差和轴交角安装误差对齿轮副啮合特性的影响规律。研究结果表明，随着载荷的增大，啮合印痕面积、传动误差、齿根弯曲应力和齿面接触应力均增大，但当载荷远小于额定载荷时，传动误差大于额定载荷时下的传动误差；小轮远离轴交点的轴向安装误差对螺旋锥齿轮啮合特性有较大的影响，大轮靠近轴交点的轴向安装误差对齿根弯曲应力和齿面接触应力影响较大，但对传动误差影响较小，轴交角安装误差、大轮轴向安装误差和小轮轴向安装误差对螺旋锥齿轮副啮合特性的影响逐渐增大。
关键词：小模数螺旋锥齿轮;双重双面法;载荷;安装误差;啮合特性

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发布时间：2022-09-09
面向飞行模拟器的立体视觉刺激脑机接口系统
毛玲,魏士松,张灵维,章栩苓,周正东
2022, 53(8): 2946-2954. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.012

摘要：为了提高脑控虚拟现实(VR)飞行模拟驾驶的准确率，提出一种基于桌面式虚拟现实技术的立体视觉刺激脑机接口(BCI)系统。该系统运用自主研发的桌面式虚拟现实视觉刺激子系统提供平面视觉刺激和立体视觉刺激2种刺激模式。结合Emotive EPOC+脑电设备采集用户的稳态视觉诱发电位(SSVEP)信号并传输至OpenVIBE脑电处理模块，利用OpenVIBE脑电处理模块对脑电信号进行滤波处理、特征提取和BCI分类器训练，然后运用训练好的BCI分类器在线对脑电信号进行采集和分类并实时转换为飞行控制指令，实现对虚拟现实(VR)飞行模拟器的在线操控。研究结果表明：在刺激频率为8.57，10，12和15 Hz及采集时间窗口为1.5 s的条件下，与平面视觉刺激相比，立体视觉刺激模式下的脑机接口分类器的平均准确率提升了6.5%，由此可见，立体视觉刺激能够诱发用户产生更具激励性的脑电响应，有利于提高脑控飞行模拟驾驶的性能。
关键词：桌面式虚拟现实;立体视觉刺激;稳态视觉诱发;脑机接口;飞行模拟器

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发布时间：2022-09-09
无人工结构辅助的表面等离激元涡旋场激发研究
郑佳新,陈佳,陶少华,张榕鑫,王大鹏
2022, 53(8): 2955-2963. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.013

摘要：光学涡旋是一种携带轨道角动量(OAM)的特殊光场，它可以对微观粒子实现精确地无接触操控，但光学涡旋的生成一般需要复杂的光路系统或昂贵的微纳结构加工辅助实现。针对这一问题，提出一种无结构产生表面等离激元涡旋的方法，基于光的自旋轨道耦合理论与表面等离激元激发原理，利用时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)仿真所产生的表面等离激元涡旋场，研究金膜厚度、透镜的数值孔径(NA)以及入射圆偏振光的手性对光学涡旋场的影响。研究结果表明：当入射光波长为633 nm时，能有效激发表面等离激元的金膜厚度为50 nm左右，入射光经过高数值孔径的聚焦后照射在金膜上能够形成一阶的表面等离激元涡旋场，且该涡旋场的振幅和相位分布与入射圆偏振光的偏振特性有关，同时，数值孔径是形成一阶表面等离激元涡旋场的重要因素。本文所提出的光学涡旋场产生办法具有不依赖波长的优点，可满足宽谱器件的应用需求。
关键词：轨道角动量;表面等离激元涡旋;数值孔径

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发布时间：2022-09-09

地质工程 • 土木工程

基于模块化多电平变换器的高压瞬变电磁发射系统
李刚,张昕昊,于生宝
2022, 53(8): 2964-2973. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.014

摘要：为了对深部矿产资源进行探测，实现基于低压器件进行高压大功率输出的目的，提出一种基于模块化多电平变换器(MMC)的新型瞬变电磁发射电路及其控制策略。该发射电路采用模块化结构，由多个半桥子模块(SM)级联而成，各子模块在高压直流侧串联以分担高电压应力。建立发射电路的等效电路模型，分析调节发射电流上升沿、下降沿的原理，采用分段控制策略，将1个周期内的发射电流分为8段，对各段电流实现精确控制。在MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型，并搭建4级MMC发射系统样机验证所提发射系统的可行性。研究结果表明：相比于H桥发射电路，所提发射电路的电流上升沿和下降沿更快，有利于提高探测效率。
关键词：瞬变电磁法;模块化多电平变换器;分段控制策略;高压发射系统

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发布时间：2022-09-09
高陡边坡段桥梁大直径桩基变形内力传递矩阵解
杨果林,林天爵,谭鹏,肖洪波
2022, 53(8): 2974-2987. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.015

摘要：为分析高陡坡段桥梁大直径桩基在土体侧移作用下的受力变形特性，根据桩身所受水平荷载的差异，将桩基划分为自由段、被动段和主动段；引入桩身竖向摩阻抗力矩，基于三参数地基抗力模型和TIMOSHENKO梁理论，建立考虑桩身竖向摩阻与剪切变形影响的桩身侧向响应分析模型，应用矩阵传递法结合Laplace正逆变换推导桩身内力和变形的半解析解。通过现场试验结果和文献数值解结果的对比分析，验证本文计算方法的合理性，并结合工程实例分析桩身被动段竖向摩阻、剪切变形对桩身内力与变形的影响。研究结果表明：对于大直径桥梁桩基，桩身被动段竖向摩阻对桩身内力与变形的影响不可忽视；随着桩身被动段竖向摩阻增大，桩身的水平变形和弯矩减小，桩身最大弯矩逐步向浅层地基方向移动，桩身被动段在桩基受力变形中的荷载承载比提高；随着桩身直径增大，桩身剪切变形对于桩身弯矩的削减作用逐渐明显，荷载深层传递效应逐渐增强。
关键词：高陡边坡;桥梁桩基;竖向摩阻;剪切效应;矩阵传递法

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发布时间：2022-09-09
聚乙烯吡咯烷酮对石墨烯-水性聚氨酯体系分散性的影响
董荣珍,冯朝阳,卫军,祝学真,刘晨语
2022, 53(8): 2988-2995. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.016

摘要：石墨烯的分散状态直接影响石墨烯-水性聚氨酯柔性应变传感元件的最终性能，采用聚乙烯吡咯烷酮增强石墨烯在水性聚氨酯体系中的分散性，固定水性聚氨酯与石墨烯的复合质量比，改变聚乙烯吡咯烷酮的掺量，采用溶液共混法并结合超声分散工艺制备石墨烯-水性聚氨酯复合导电浆料及其复合导电膜。通过紫外可见分光光度计和扫描电镜对石墨烯在水性聚氨酯中的分散性进行表征。研究结果表明：聚乙烯吡咯烷酮能够有效抑制石墨烯的团聚作用，从而提高石墨烯在水性聚氨酯中的分散性；随着聚乙烯吡咯烷酮掺量增加，石墨烯分散效果明显增强，聚乙烯吡咯烷酮与石墨烯的质量掺比(质量比)为3꞉1时石墨烯的分散效果最佳。
关键词：柔性应变传感元件;石墨烯;水性聚氨酯;聚乙烯吡咯烷酮;分散性

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发布时间：2022-09-09
富水圆砾地层斜向并行隧道上部盾构掘进对下部管片力学状态的影响
倪准林,王树英,黄硕,瞿勇,刘奥林
2022, 53(8): 2996-3007. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.017

摘要：受地下空间限制，盾构区间双线隧道不可避免地存在斜向上下并行的空间关系。依托昆明地铁4号线小菜园—火车北站区间段盾构隧道工程，采用现场实测、数值模拟等方法，研究富水圆砾地层上部后行盾构隧道施工对下部先行盾构隧道管片力学行为的影响规律。研究结果表明：富水圆砾地层上部后行盾构隧道掘进过程中，下部先行隧道管片靠近侧的竖向位移大于背离侧的竖向位移，导致下部先行隧道管片发生顺时针旋转；在上部后行隧道开挖引起的地层应力释放作用下，两隧道中心连线方向上存在对下部先行隧道管片类似“斜向拉力”的外部荷载作用；下部先行隧道管片竖向位移和环向附加应力大致经历缓慢变化、快速增长和趋于平稳3个阶段，其中，快速增长阶段位于上部后行隧道刀盘与下部先行隧道目标管片前后水平距离2.9倍管片外径的范围内；在上部后行隧道盾构刀盘到达下部先行隧道目标管片竖向对应的上部隧道管片位置时，目标管片竖向位移增长最快；上部后行隧道掘进对地层所产生的应力扰动并不会显著改变目标管片所受弯矩状态。建议针对富水圆砾地层斜向并行隧道，对上部隧道与下部隧道之间的地层从先行隧道洞内深孔注浆加固，以降低后行洞开挖引起的地层扰动和先行洞的变形。
关键词：盾构区间;富水圆砾;斜向并行隧道;管片力学状态

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发布时间：2022-09-09
盾构隧道曲线段掘进引发邻近地下管线变形分析
邓皇适,傅鹤林,史越,赵运亚,黄齐兵
2022, 53(8): 3008-3020. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.018

摘要：城市中管线分布错综复杂，盾构隧道掘进易对管线造成扰动，导致管线变形甚至裂损。盾构机沿曲线段掘进时对周边环境的扰动更大，因此，明确盾构机在曲线段掘进时引发既有管线变形情况意义重大。将既有管线视为放置在Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁，基于镜像汇源法和Mindlin解，推导盾构机在曲线段掘进时引发既有管线变形的计算公式，根据实际工程案例构建对应的数值计算模型，分析盾构机沿曲线段掘进时引发既有管道的变形情况以及本文公式的适用性。研究结果表明：管道变形理论计算结果、数值模拟结果以及现场监测结果三者计算误差较小，验证了数值计算模型及理论公式的正确性；管道横向沉降槽呈非对称分布，靠近曲线内侧的管道变形大于曲线外侧管道变形；随着盾构机不断掘进，既有管线变形由轻微隆起转变为沉降，当盾尾通过管道后，管道沉降量达到最大值，管道的最大变形位置首先出现在管道中心位置，随后偏向弯道内侧，最终回归管道中心位置；转弯半径R₀对既有管线变形的影响较小，管线模量E以及隧道半径R对既有管线变形影响极大，管道最大沉降位置偏离管道中心线约0.5R。
关键词：曲线盾构隧道;既有管线;变形;镜像汇源法;Mindlin解

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发布时间：2022-09-09
高温冻土-现浇混凝土接触面影响因素及本构模型
张琪,张建明,张斌,张添渊,王宏磊,李艳
2022, 53(8): 3021-3030. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.019

摘要：通过一系列高温冻土-现浇混凝土接触面的负温直剪试验，分析接触面剪切力学特性和受力变形机理，采用二元介质模型对接触面受力变形机理进行力学抽象，引入破损率和应力分担率函数，假设接触面各微元强度服从Weibull概率分布，建立高温冻土-现浇混凝土接触面的本构方程。研究结果表明：接触面剪切变形破坏发生在富含冰膜的界面冻土上，接触面应力-位移曲线表现为应变软化型，可将其划分为4个阶段。在各接触面影响因素中，温度对接触面冻结强度影响最显著，二者呈指数函数关系，法向应力和含水率与冻结强度呈线性关系。基于二元介质理论建立的力学模型和本构关系科学地揭示了接触面微观受力变形机理，较好地描述接触面应力-位移曲线全过程及应变软化现象，可为高温冻土地基中结构承载力的数值模拟和安全评价提供理论依据。
关键词：高温冻土-混凝土接触面;直剪试验;二元介质理论;Weibull概率分布;本构模型

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发布时间：2022-09-09
基于磁电阻率法的堤坝渗漏路径磁异常分布特征分析
万玲,叶睿,汪满满,林小雪,林婷婷
2022, 53(8): 3031-3039. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.020

摘要：首先，将磁电阻率法应用于堤坝渗漏隐患探测中，通过构建堤坝渗漏探测模型，分别在堤坝上游和下游布设电极，借助渗漏路径形成电流回路；其次，推导渗漏路径的磁异常分布表达式；计算不同渗漏位置、不同渗漏半径的磁异常三分量空间分布；最后，分析渗漏路径所产生的磁异常强度x方向水平分量B_x的空间分布特征，研究堤坝渗漏深度和渗漏半径对探测效果的影响。研究结果表明：B_x高于磁异常y方向的水平分量B_y和z方向的垂直分量B_z。B_x与渗漏深度成反比，与渗漏半径成正比，使用磁电阻率法探测堤坝渗漏方向时，应用B_x分量能够获取最优探测效果。
关键词：磁电阻率法;堤坝渗漏;数值模拟;磁异常分布

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发布时间：2022-09-09
波浪作用下软黏土海床动力响应离心模型试验
吴雷晔,万佳怡,孔德琼,朱斌,陈仁朋,陈云敏
2022, 53(8): 3040-3051. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.021

摘要：利用自主研发的机载波浪模拟装置、采用摇板造波方式开展离心模型试验，对波浪作用下软黏土海床的动力响应问题进行研究。通过预试验确定最佳吸波参数，作为模型试验中降低边界效应的依据，对比海床表面实测波压力和理论值，验证该装置模拟海洋波浪的有效性。在离心加速度20g下进行离心模型试验，采用3次波浪加载测试软黏土海床在多次波浪作用和间歇期内的动力响应，观测海床内部孔压和强度以及海床表面的位移。研究结果表明：在循环波浪作用下，在软黏土海床1.4 m深以内，超静孔压达到初始竖向有效应力，该范围内土体强度大幅下降且随波浪产生流态化振荡；波浪导致的超静孔压在间歇期内(对应原型波浪15 d)无法完成消散；经多次波浪作用及重固结循环后，海床抵抗波致孔压累积的能力和不排水抗剪强度均明显提升。
关键词：波浪作用;软黏土海床;离心模型试验;超静孔隙水压力;不排水抗剪强度

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发布时间：2022-09-09
飞机制动滑行作用下跑道的动力响应
黄博,王宇,盛文军,何淳健,凌道盛
2022, 53(8): 3052-3061. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.022

摘要：基于半解析有限元模型NASP，推导并实现飞机制动滑行模拟，以B738飞机为例，分析跑道道面结构形式、飞机滑跑速度影响下飞机单轮和轮组制动力作用下跑道的动力响应，揭示飞机制动滑行影响跑道疲劳寿命的机理。研究结果表明：高速紧急制动的飞机会引起跑道结构面层纵向应力显著增加，进而急剧缩短机场跑道的疲劳寿命。制动力产生的道面附加纵向拉应力在飞机低速滑行时仍存在不低的幅值，建议在整个跑道区域的设计中均考虑制动力的影响。
关键词：制动力;柔性道面结构;附加应力;疲劳寿命;半解析有限元模型

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发布时间：2022-09-09
基于虚拟冲击原理的呼吸性粉尘连续分离技术
惠立锋,李德文,郭永彩
2022, 53(8): 3062-3070. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.023

摘要：呼吸性粉尘连续分离技术是实现其在线监测和尘肺病预警的基础及关键。为了解决常见的旋风分离、水平陶析及平板冲击等分离方式易积尘、过载、堵塞等弊端，提出一种基于虚拟冲击原理的呼吸性粉尘连续分离技术。基于虚拟冲击理论，建立呼吸性粉尘虚拟分离三维模型，仿真分析其速度场和压力场的分布，通过分域法阐释虚拟冲击的分离机理，并构建分离效能和分离时效一体化测试系统，对设计的虚拟冲击器进行验证。研究结果表明：分离效能模拟曲线随着喷嘴与收集腔间距和收集腔直径增大而上移，而收集腔直径对分离效能的影响作用强于喷嘴与收集腔间距的影响。当喷嘴与收集腔间距为4.0 mm、收集腔直径为3.0 mm时，各个粒径点的分离效率与BMRC曲线的偏差在±5%以内。在工作点流量为4 L/min、弱流比为0.1条件下，分离器的分离效能曲线与BMRC曲线相比，整体呈负偏差，最大偏差为-4.7%。在质量浓度为35~40 mg/m³的粉尘浓度环境下，传统旋风分离器容易出现排灰口和排气口堵塞，测试结果偏差较大，连续运行1 d后已不能满足连续分离要求，而虚拟冲击式分离器内部颗粒损失及截留较少，可实现15 d以上的连续运行而无需人工清理，连续分离时效提升了10倍以上，验证了本文方法的可行性及优越性，满足呼吸性粉尘浓度在线测量对粉尘连续分离的分离效能及分离时效要求。
关键词：呼吸性粉尘;连续分离;分离效能;BMRC曲线;虚拟冲击

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发布时间：2022-09-09
硬脆性岩石多尺度损伤蠕变模型及长期强度研究
赵伦洋,赖远明,牛富俊,李鹏飞,朱其志
2022, 53(8): 3071-3080. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.024

摘要：从损伤累积角度，考虑在应力溶蚀作用下微裂纹的亚临界扩展，在硬脆性岩石多尺度摩擦损伤耦合力学模型的基础上，探究细观时效损伤的演化规律。在摩擦准则中引入时效损伤变量，构建合适的时效损伤演化准则，进而推导宏观非弹性应变和细观损伤之间的定量关系，建立可完整反映硬脆性岩石蠕变曲线三阶段特征的多尺度损伤蠕变本构模型。以裂纹损伤应力作为反映硬脆性岩石长期强度的指标，结合摩擦损伤耦合分析和细观时效损伤演化规律研究，获得硬脆性岩石长期强度的解析表达式和模型参数的跨尺度标定方法。运用提出的多尺度损伤蠕变模型模拟向家坝砂岩的三轴压缩蠕变试验，验证模型的准确性和有效性。研究结果表明：提出的蠕变模型不仅完整地描述了不同应力水平下硬脆性岩石各阶段的蠕变特征，而且充分考虑了应变历史对时效损伤的影响。此外，长期强度的解析表达式也为蠕变试验荷载的分级提供理论依据。
关键词：多尺度;硬脆性岩石;时效损伤;蠕变;长期强度

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发布时间：2022-09-09
基于DIC技术的矿岩散体剪切运动特征研究
金爱兵,姚宝顺,唐坤林,孙浩,赵怡晴
2022, 53(8): 3081-3091. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.025

摘要：为探究散体边坡滑坡特性，揭示矿岩散体剪切作用下运动特征，利用自主设计制作的可视化剪切模型并基于数字图像相关技术(digital image correlation method，DIC)开展矿岩散体直剪试验，研究剪切作用下矿岩散体颗粒剪切面颗粒运动、局部应变和剪切带的演变等。研究结果表明：1) 在距剪入口1/3剪切面长度处剪胀效应发生突变，表现为颗粒位移和旋转的加速度正负发生改变；2) 随着剪切率增加，局部应变分布由随机位置逐渐向剪切面聚集转变，剪切面局部应变概率密度以及上下两部分最大剪切带厚度随时间均呈logistics函数形式变化；3) 局部应变贯穿剪切面形成类似于“半梭形”剪切带，上部呈圆弧面，上下两部分最大厚度差为颗粒中位粒径的2~3倍；4) 散体边坡滑坡中也有类似直剪试验的颗粒运动突变点，在距剪入口1/3剪切面长度处进行治理能够有效预防边坡滑坡。
关键词：矿岩散体;直剪试验;局部应变;剪切带;DIC

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发布时间：2022-09-09
基于Talbot理论的断层破碎凝灰岩三轴渗透特性试验
黄昌富,张帅龙,高永涛,吴顺川,周喻,孙浩,王文强,王悦,杨文志
2022, 53(8): 3092-3103. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.026

摘要：为研究富水断层破碎凝灰岩在不同轴向位移、围压及渗透压条件下的渗流特性和渗流失稳基本特征，采用破碎岩石三轴渗流试验系统，开展三轴压缩条件下不同Talbot幂指数n的级配破碎凝灰岩渗流试验，得到破碎凝灰岩渗流特性参数及非线性渗流失稳特征，并研究渗流参数随孔隙率的演化规律。研究结果表明：1) 在三轴应力条件下，不同幂指数n的级配破碎凝灰岩的渗透参数更加符合非线性Forchheimer关系，拟合度不低于99%。当幂指数n相同时，渗透率k随孔隙率φ₀增大而增大，非Darcy因子β随孔隙率φ₀增大而减小。β因子的绝对值反映了非线性渗流特征的强度，β因子为负值时，极有可能发生渗流失稳突变。 2) 当幂指数n为0.2和0.4时，级配试样在高应力及高水压条件下存在渗流失稳突变现象，利用雷诺数Re判断破碎凝灰岩试样在三轴应力条件下渗流紊乱程度，得到雷诺数的最大值为12.518。3) 在三轴应力条件下，渗透率k随幂指数n和孔隙率φ₀增大而非线性增大，非Darcy因子β相应呈整体减小趋势。级配粒径越细小或孔隙结构越复杂，破碎凝灰岩渗流过程的非线性特征越明显。随着轴向位移与围压增大，渗透率k的量级为10^-12~10^-13 m²，非Darcy流因子的量级为10⁶~10⁹ m^-1。
关键词：断层;破碎凝灰岩(颗粒);三轴应力;渗流特性;孔隙率;雷诺数

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发布时间：2022-09-09
基于扩展度表征高浓度混合骨料充填料浆流变特性及应用
吴凡,杨发光,肖柏林,高谦
2022, 53(8): 3104-3112. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.027

摘要：为探究高浓度混合骨料充填料浆扩展度与流变特性的关系，首先基于扩展度和料浆受力分析理论，构建屈服应力解析模型；然后测试充填料浆的扩展度和流变参数，分析充填料浆质量分数、水泥掺量对扩展度的影响并建立流变参数经验模型；最后对比解析模型与经验模型，并对模型输送阻力的工程应用进行分析评价。研究结果表明：利用料浆流动后的形态优化了屈服应力解析模型，简化了原模型复杂的计算过程。当水泥掺量不变时，料浆扩展度随充填料浆质量分数增加显著减小；当充填料浆质量分数一定时，料浆扩展度随水泥掺量增加无显著变化；对料浆扩展度的影响以充填料浆质量分数为主，而水泥掺量对料浆扩展度的影响较小。屈服应力与黏度系数均随扩展度增加呈现负指数型减小趋势，屈服应力与黏度系数经验模型的复相关系数分别为0.951 9和0.950 8，可信度较高。当料浆质量分数为79%，80%，81%，82%和83%时，解析模型所得屈服应力相对误差比经验模型的分别高0.17%，0.94%，0.71%，0.79%和-0.41%，解析模型所得屈服应力的平均相对误差比经验模型的高0.43%，经验模型具有更高的可信度。工程应用表明，监测点1~4的平均输送阻力模型值分别为2 920.18，2 833.93，2 761.73和2 739.25 Pa/m，监测点1~2，2~3和3~4的平均实际输送阻力分别为2 874.97，2 933.96和2 949.06 Pa/m，输送阻力模型值与实际输送阻力最大相差7.02%。基于扩展度可有效表征流变特性，指导矿山充填料浆管道输送。
关键词：充填料浆;扩展度;流变特性;解析模型;经验模型;管输阻力

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发布时间：2022-09-09
季冻区公路路基水热场阴阳坡差异与防冻胀模拟
邓青松,曾超,何先志,陈风光,刘晓
2022, 53(8): 3113-3128. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.028

摘要：在国道G109那曲至拉萨的季节性冻土路段设置监测断面，对季节性冻土区路基的地温、含水率和冻胀位移进行连续监测，依据实时监测数据，利用所建立的冻土路基水-热耦合模型，分析季节性冻土区公路路基水-热场的季节变化特征以及阴阳坡差异，并结合水-热场计算结果分析路基的冻胀性以及多种措施下防冻胀效果，并以路基监测期内含冰量的标准差表征路基损伤程度。研究结果表明：季节性冻土区公路路基的温度场与水分场具有明显季节变化特征，在路基路面以下8 m深度范围内，地温受外界环境变化影响较大；由于阴阳坡效应，温度场、水分场、冻胀量场与损伤场的横向分布不对称，相较于阳坡，阴坡冻胀量更大，严重损伤区域更多；路基冻胀量在2月份达到最大，2月底正常天气下路基阴坡肩和阳坡肩冻胀量分别为31.5 mm和26.0 mm左右，而极寒天气下，路基冻胀量明显增大；在保温板措施下，路基损伤区域明显减小，并集中于保温板外表面与路面之间；综合使用保温板、水泥稳定砂和碎石隔水层的措施下，路基阴阳坡肩冻胀峰值分别减少25.4%与30.7%，有效降低了路基冻害。
关键词：季节性冻土;公路路基;水热耦合模型;阴阳坡效应;路基损伤;防冻胀

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发布时间：2022-09-09
考虑时变效应的堆载引发邻近单桩水平变形分析
闵鹏,申玉生,林作忠,董俊,雷龙
2022, 53(8): 3129-3143. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.029

摘要：为研究桩-土间相互作用的时变效应，提出一种预测黏弹性条件下地面堆载诱发邻近单桩水平变形的简化计算方法。采用两阶段分析法研究地面堆载对桩基产生的影响，首先，忽略既有桩体的存在，基于三维Burgers模型推导Boussinesq的黏弹性解，计算由地面堆载引发的既有桩体处的地层附加应力；其次，将桩体简化为搁置在黏弹性Pasternak地基上的Timoshenko梁，建立桩体水平变形微分控制方程，利用有限差分法和Laplace逆变换求解得到单桩水平变形的黏弹性解，并将数值模拟结果以及已有解进行对比，验证该方法的正确性，最后，分析Burgers黏弹性模型参数、堆载宽度、堆载载荷以及堆载-桩体水平距离对既有单桩水平变形的影响。研究结果表明：桩体水平变形有明显的时变效应，Maxwell弹性模量G_m越小，桩体水平变形越大，Kelvin弹性模量G_k主要反映由时变效应产生的黏弹性变形，Maxwell黏滞系数η_m越小，桩体水平变形速率越快，而Kelvin黏滞系数η_k越大，变形进入稳定阶段所需的时间越长。
关键词：单桩;水平变形;黏弹性地基;地面堆载;时变效应

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发布时间：2022-09-09
路堤下混凝土桩复合地基抗桩体弯折破坏地梁效应
罗强,马宏飞,王腾飞,张良,蒋良潍
2022, 53(8): 3144-3155. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.030

摘要：采用能较好地描述混凝土张拉裂缝的Mohr-T模型，基于有限差分方法，开展混凝土桩-地梁复合地基支承路堤的三维数值仿真，分析地梁对混凝土桩弯折破坏的抑制效应，讨论混凝土强度及桩体嵌入深度对路堤下混凝土桩-地梁复合地基稳定性的影响规律。研究结果表明：路堤荷载引起复合地基产生不均匀侧向变形，处于路堤坡脚附近的混凝土桩抗弯能力较弱，故率先发生断裂，断桩局部位置产生应力转移，引发邻近的混凝土桩逐根发生断裂，是复合地基主要的失稳破坏模式；桩顶设置地梁可联结混凝土桩群，能有效加强混凝土桩的水平抗弯刚度，提高复合地基的抗横向变形能力，大幅削减复合地基整体的侧向位移，增大桩体轴向压力，减小桩身弯矩，降低桩体截面弯拉应力和桩间土附加应力，从而强化桩体的抗弯能力，继而提高混凝土桩-地梁复合地基整体稳定性。此外，地梁对混凝土桩复合地基破坏机制具有重要的影响。
关键词：混凝土桩复合地基;弯折破坏;路堤荷载;地梁效应;Mohr-T模型

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发布时间：2022-09-09
Rayleigh波椭圆极化与地震映像在城市地层扰动探测中的数值模拟和应用
王天,张立,孙康,陈雨翔,刘争平,冯栋,陈善林
2022, 53(8): 3156-3167. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.031

摘要：为研究瑞利面波椭圆极化频散方法的探测效果，首先，利用有限元方法对基于工程实例的城市盾构隧道及土层扰动简化二维模型进行数值模拟，分析各隧道模型的点震源波场特征和瑞利面波椭圆极化频散特征；其次，利用传统地震映像方法对比验证结果的可靠性；最后，结合盾构隧道施工前后场地实测主动源地震数据，分析隧道开挖前后的瑞利面波椭圆极化特征。研究结果表明：在盾构隧道模型及隧道土层扰动模型的模拟地震波场中，隧道边界及塌落空洞区域产生了椭圆极化频散现象，在空洞边界处出现了“左高右低”椭圆极化率数值异常分布特征，相应模型的地震映像剖面验证了模拟结果的可靠性；在工程实例中，隧道开挖前后场地的椭圆极化频散特征也与地震映像及现场勘察结果相对应，验证了瑞利面波椭圆极化方法在盾构隧道场地扰动探测的有效性。
关键词：瑞利面波勘探;椭圆极化频散;地震映像;数值模拟

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发布时间：2022-09-09
全长黏结非金属抗浮锚杆体系设计方法研究
白晓宇,井德胜,张明义,涂兵雄,魏国,吕承禄,黄春霞
2022, 53(8): 3168-3177. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.032

摘要：从全长黏结非金属抗浮锚杆的作用机理和破坏模式出发，对非金属抗浮锚杆的选型、内锚固段设计、外锚固段设计以及稳定性验算进行论述。研究结果表明：在锚杆选型中，应充分利用直径小、强度高的GFRP抗浮锚杆替代大直径钢筋锚杆；在外锚固设计中，明确了内锚固段极限黏结长度的计算方法，提出了机械锚固、金属-GFRP混合连接以及不同直径锚筋连接的设计方法，为抗浮工程设计提供了新思路；在内锚固设计中，建议在保证锚杆抗拔承载力的前提下，适当缩短锚固段长度；在抗浮稳定性设计中，应采用综合安全系数法和分项系数表达方式进行抗浮体系验算。
关键词：非金属抗浮锚杆;设计方法;内锚固段;外锚固段;稳定性验算

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发布时间：2022-09-09
不同倾角隐伏结构面类岩石材料动力学破坏特性试验研究
杨砚,刘连生,曾鹏,易文华,钟抒亮,柴耀光,陶铁军
2022, 53(8): 3178-3190. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.033

摘要：为探究不同倾角隐伏结构面岩体的动态力学特性与破坏规律，使用相似模拟材料制作完整试件和不同倾角的隐伏结构面试件，并利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统，以不同速度对试件进行单次破坏冲击和循环冲击试验。研究结果表明：在单次破坏冲击下，随结构面倾角增大，试件的平均应变率逐渐增加，峰值应变出现先增大后减小的趋势；含隐伏结构面试件动态应力-应变曲线的裂纹扩展阶段出现明显的应力“双峰”现象，试件破坏出现弧形剪切裂纹，与张拉裂纹垂直；随着结构面倾角增大，剪切裂纹更易出现且逐渐向试件端面靠近。循环冲击下，试件累计冲击总次数随结构面倾角增大而减少；含隐伏结构面试件应力-应变曲线并没有出现单次破坏冲击下的应力“双峰”现象，但随着冲击次数增加，应力-应变曲线的裂纹扩展阶段有逐渐下凹的趋势；含隐伏结构面试件的宏观裂纹演化过程为张拉裂纹萌生—张拉裂纹发育扩展—剪切裂纹形成—裂纹相互贯通破坏。
关键词：隐伏结构面;结构面倾角;相似模拟;破坏特征;动态抗压强度

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发布时间：2022-09-09

能源工程 • 交通运输工程

典型潮差条件下半潜浮式风机系泊系统设计及动力学特性研究
宋兆波,施伟,张礼贤,李昕,王滨
2022, 53(8): 3191-3201. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.034

摘要：针对适用于中等水深的钢筋混凝土浮式风机平台，设计4种不同的悬链式系泊系统，利用一体化分析软件Sima进行耦合时域分析，从而得到运行和停机工况下不同潮位对应风机基础的运动响应及锚链张力特性。研究结果表明：相较于锚链-压载块组合系泊系统，锚链-浮筒组合系泊系统对应的系泊张力和纵荡位移均值受潮位变化的影响较小，增加系泊线数量会显著降低锚链-浮筒组合系泊系统对应平台纵荡和系泊张力受潮位变化的影响，但锚链-浮筒组合系泊系统对应的张力幅值在不同工况下均比锚链-压载块组合系泊系统的张力幅值大，在停机工况下张力幅值大50%左右。
关键词：半潜浮式风机;耦合动力响应;系泊系统;潮差;动力学特性

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发布时间：2022-09-09
电场作用下的气泡生长动力学特性实验研究
张伟,王军锋,詹水清,王东保,许浩洁
2022, 53(8): 3202-3211. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.035

摘要：采用高速摄像技术对非均匀电场作用下气泡在无水乙醇中的动力学行为进行可视化研究，结合量纲一化分析，重点研究气体流量和施加电压对气泡生长特性的影响。研究结果表明：气泡的生长过程在无电场和低电场强度下包含成核、稳定增长及颈缩3个阶段，其中稳定增长阶段在高电场强度下难以出现；随雷诺数(Re)和电邦德数(Bo_E)增大，气泡生长周期缩短，脱离频率和脱离速度加快。以气泡半径表征的气泡动力学特性主要取决于Bo_E，受Re影响较小；以纵横比(E_R)表征气泡形态，在无电场情况下，气泡在不同成长阶段对应的E_R演化特征区别明显，在高Bo_E条件下，随着电场强度在竖直方向上的快速衰减，E_R先快速增大而后平稳发展。
关键词：电流体动力学(EHD);气泡生长;气泡半径;气泡形态;电邦德数

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发布时间：2022-09-09
高速铁路箱梁-无砟轨道结构温度场模型的级数解
戴公连,张强强,刘文硕,黄志斌
2022, 53(8): 3212-3221. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.036

摘要：为了预测高速铁路箱梁-无砟轨道结构的温度场分布及升温模式，结合箱梁-无砟轨道结构的实测温度和气象参数，建立第三类边界条件的温度场预估模型。基于热阻网络法分析箱梁-无砟轨道结构的复合换热过程，采用积分变换法求得结构升温过程的级数解，并结合预估模型对箱梁-无砟轨道结构升温模式进行分析。研究结果表明：采用积分变换法求得结构升温过程的级数解，其前8项求和结果与数值结果和实测结果的最大误差分别为5%和8%；当辐射气温大于混凝土结构表面温度时，可采用半无限域温度场模型近似计算表面温度，与有限域模型的温度级数解的相对误差在1 ℃之内；高速铁路箱梁-无砟轨道结构的四折线及指数温度模式与实测温度模式拟合度很高，可满足实际工程应用。结构指数温度模式的计算公式可预测不同截面高度、不同工况（施工、运营）的结构升温模式。
关键词：箱梁-无砟轨道结构;升温模式;表面温度;积分变换法;级数解

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发布时间：2022-09-09
地铁车轮多边形磨耗对轮轨系统动力特性的影响
刘奇锋,陶功权,梁红琴,卢纯,温泽峰,龙辉
2022, 53(8): 3222-3231. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.037

摘要：基于ANSYS有限元分析软件和SIMPACK动力学软件建立考虑轨道和轮对柔性的地铁车辆-轨道刚柔耦合动力学模型，以地铁运营过程中常出现的低阶多边形和高阶多边形磨耗作为输入，研究不同速度下车轮多边形磨耗对轮轨系统动力特性的影响规律。研究结果表明：当车轮多边形激振频率在60~95 Hz频段内时，不圆时变率与轴箱垂向加速度之间具有较强的线性相关性；当多边形激振频率在P2共振频率附近时，不圆时变率与轮轨垂向力之间具有较强的线性相关性。在对车轮多边形进行状态监控时，可考虑在一定频段内利用轴箱垂向加速度和轮轨垂向力来评估车轮多边形的磨耗状态。
关键词：车轮多边形;轴箱垂向加速度;轮轨垂向力;不圆时变率;动力特性

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发布时间：2022-09-09
基于轮轨系统耦合振动的地铁钢轨波磨研究
汤雪扬,蔡小培,彭华,马超智
2022, 53(8): 3232-3244. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.038

摘要：针对某地铁短枕式整体道床轨道出现的钢轨波磨问题，开展波磨状态的现场测试，获得波磨特征参数。基于有限元理论建立轮对模型、轨道模型、单轮对-轨道模型和双轮对-轨道模型，采用谐响应分析验证模型的正确性。通过对比4种模型的固有频率以及振型特征，明确适用于钢轨波磨成因分析的理论模型。研究钢轨波磨成因与轮轨系统振动特征之间的内在联系，分析转向架轴距及扣件刚度对钢轨波磨波长及幅值的影响。研究结果表明：当钢轨波磨主、次波长分别为50 mm和315 mm时，对应的波磨通过频率为472 Hz和75 Hz；双轮对-轨道模型由于考虑了轮轨之间的相互作用以及钢轨振动波的反射，对于波磨通过频率处的轮轨系统振动特征描述更为全面，更适用于钢轨波磨成因的分析；主波长波磨的产生主要与轮轴的垂、纵向二阶弯曲振动以及两轮对之间钢轨的三阶弯曲振动有关；次波长波磨的产生主要与轮轨系统的P2共振有关；转向架轴距的增大仅会导致由钢轨横向弯曲振动引起的波磨波长增大，对由轮轴垂向、纵向振动及P2共振引起的波磨波长几乎无影响；扣件刚度的增大仅会导致由P2共振引起的波磨波长减小，对由轮轴垂向、纵向振动及轮对之间钢轨横向弯曲振动引起的波磨波长几乎无影响；钢轨波磨幅值随转向架轴距增大呈现波动趋势，但随扣件刚度增大而减小。
关键词：轮轨振动;钢轨波磨;有限元理论;固有频率;谐响应分析

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发布时间：2022-09-09
基于室内外风洞试验的铁路风吹雪特性研究
李鹏翔,白明洲,丁录胜,邱树茂
2022, 53(8): 3245-3258. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.039

摘要：为了研究铁路路堑区域风吹雪作用下路基内外的风雪场分布特征，减少沉积在铁路路堑内的积雪量，基于新建铁路路堑和3种不同形式的防雪栅，在风吹雪灾害易发区域采用原状雪进行风洞试验。结合CFD多相流模型分析方法，建立与风洞试验相同的模型，得到路堑内外不同区域的流场分布变化规律。将试验结果与现场实际布设防雪栅区域的冬季积雪分布进行对比。研究结果表明：本文所采用的模拟试验与现场试验段积雪分布有较好的一致性，路堑内积雪平台的存在可以使得雪粒较多的沉积在积雪平台内，并增加路基表面风速，减少风吹雪作用下沉积在路基顶面的雪量；防雪栅主要影响路堑外流场分布，使雪粒沉积在栅栏两侧并抑制路堑边坡顶部的侵蚀作用；防雪栅与路基间的布置距离应当大于栅栏高度的10倍以上，防雪栅对流场的影响作用与栅栏高度呈非线性关系，而多排防雪栅作用下各排栅栏对流场的影响基本一致；增大风速会减小风雪平衡状态的自然雪深，使得路堑外更多的雪粒被吹向路堑内，路堑内结构形式会明显减弱流场流速，近地面雪粒在六级强风条件下依旧处于小于起动速度的状态，因此，来流风速越大，路堑内雪量堆积越多，路堑内积雪平台也会越快到达雪量承载上限。
关键词：铁路路堑;风吹雪;风洞试验;流场特征;沉积雪量

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发布时间：2022-09-09
轴箱内、外置车辆轮轴弯曲对轮轨接触的影响
方凌昊,关庆华,温泽峰
2022, 53(8): 3259-3269. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.08.040

摘要：建立三维轮轨接触有限元模型和考虑轮轴弯曲的轮轨空间接触模型，分析轴箱内、外置车辆因轮轴弯曲引起的轮轨接触参数变化规律；采用Hertz接触理论和有限元模型分别求解轮轨接触应力。研究结果表明：随轴重增加，因轮轴弯曲引起的车轮偏角会不断增加，轮对内侧距会随之发生改变，最大变化量不超过2 mm；当轮对横移量分别为[0，6) mm和(9，12] mm时，轮轴弯曲对轮轨接触参数的影响较小；当轮对横移量为[6，9] mm时，轮轴弯曲会导致轮轨接触点位置、等效锥度发生相对明显的变化；当轮对横移量在[0，6] mm内时，轴箱内置和外置车辆计算得到的接触斑形状都近似为椭圆形，Von-Mises等效应力、接触应力大小基本相等。通过与Hertz接触理论比较可知，有限元模型能反映轮轨接触的实际情况。
关键词：轮轴弯曲;轴箱内、外置;轮轨接触;接触应力;Von-Mises等效应力

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发布时间：2022-09-09

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