English Version 中南大学出版社

最新刊期

2022 年第 10 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

铝灰回收处理研究进展
董良民,焦芬,刘维,王焕龙,蒋善钦
2022, 53(10): 3791-3801. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.001

摘要：铝灰是铝工业生产过程中产生的主要有害固体废物，含氮化铝、碳化铝、可溶盐及氟化物等危害物质。本文综述了铝灰的性质、危害、不同处理方法及各工艺的优缺点。研究结果表明：火法冶金工艺主要用于金属铝的回收，回收率较高，但存在耗能高、剩余残渣仍为危险废物等问题；湿法冶金技术更多地用于处理铝灰中的有害物质，处理效果好，但工艺流程相对冗长，废液无法高效利用；同时，在合成高附加值产品(铝尖晶石、莫来石、净水剂等)方面铝灰具有良好的效果。高效回收处理铝灰不仅解决了其直接填埋或堆存造成的环境污染问题，而且充分发挥了铝灰价值，对提高铝行业的经济效益具有重要意义。建议加强对铝灰处理过程中所产生的气体回收利用，研究有害离子的迁移规律，在源头上探寻铝灰无害化产出方法等。
关键词：铝灰;火法冶炼;湿法浸出;无害化处置;综合利用

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发布时间：2022-11-11
基于Box-Behnken响应面法优化蛇纹石富硅渣制备硅酸钠工艺
高凌宇,杨喜云,吴玉楼,陈莹丽
2022, 53(10): 3802-3810. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.002

摘要：蛇纹石经磁感应强度为0.5 T的磁场磁选后，采用两级硫酸浸出，在最佳浸出条件下得到富硅渣。通过单因素试验确定富硅渣碱浸制备硅酸钠的主要影响因素为NaOH质量分数、反应温度和液固比。以此为基础，根据Box-Behnken试验设计原理，采用响应面分析法确定蛇纹石酸浸富硅渣制备硅酸钠的最优条件，并分析各主要因素间的交互作用。研究结果表明：碱浸出的最佳工艺条件是NaOH质量分数为10%，反应温度为70 ℃，液固比为2.5 mL·g^-1。各因素对于加权值W的影响程度按从大到小排序依次为NaOH质量分数、液固比、反应温度，其中，NaOH质量分数与液固比交互作用较为显著。在最佳条件下，W实际值为82.4，与W预测值82.6的相对误差仅为0.24%，表明经响应面模型优化后的工艺参数可靠，可为蛇纹石富硅渣资源化利用提供新途径。
关键词：蛇纹石;富硅渣;硅酸钠;响应面法;Box-Behnken试验设计

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发布时间：2022-11-11
铜冶炼多源固废资源环境属性的解析
唐巾尧,王云燕,徐慧,彭宁,张李敏,杜嘉丽,柴立元
2022, 53(10): 3811-3826. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.003

摘要：为科学指导铜冶炼多源固废中有价金属资源回收最大化及有害元素环境风险最小化，采集湖南某铜冶炼企业(底吹熔炼—P-S转炉吹炼)全工艺过程中的13种固废样品，分析含水率和粒径分布，采用ICP-OES、XRD分析各类固废的化学元素质量分数、物相结构，通过TCLP、BCR等方法分析各类固废中重金属的浸出毒性及赋存形态，并结合PERI评价方法对铜冶炼系统多源固废的环境活性进行评价。根据资源与环境属性解析结果建立初步解析清单，并对同工艺类型企业的铜冶炼固废提出处理建议。研究结果表明：多种铜冶炼固废中的铜、砷、铅、锌等有价金属含量较高，具有一定的资源利用潜力。除废耐火材料外，其余固废的重金属浸出毒性均较高，其中有6种固废的浸出毒性超标倍数较高、存在多种重金属复合风险，潜在生态风险水平均为严重风险。
关键词：固废;资源属性;环境属性;铜冶炼

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发布时间：2022-11-11
SiO₂颗粒在CaO-SiO₂-FeO-MgO-Al₂O₃转炉渣体系中的熔解机理
李金豹,刘训良,温治,楼国锋,豆瑞锋,苏福永,李永谦
2022, 53(10): 3827-3837. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.004

摘要：为了研究SiO₂调质剂颗粒在熔融转炉渣中的熔解机理，提高其在转炉渣中的熔解反应效率，首先，采用原位观察法并利用超高温共焦显微镜观察温度在1 430~1 510 ℃之间时SiO₂颗粒在CaO-SiO₂-FeO-MgO-Al₂O₃转炉渣体系中的熔解过程，研究温度、颗粒粒径对SiO₂颗粒熔解时间及速率的影响；其次，结合FactSage软件以及收缩核模型和实验数据拟合的方法揭示SiO₂颗粒的熔解动力学机理；最后，借助高温黏度测试仪测得转炉渣黏度，定义衡量SiO₂熔解速率的函数 $Δ c_{S i O_{2}} / η$ ，并构建SiO₂颗粒的熔解动力学方程。研究结果表明：温度和颗粒粒径对熔解过程有明显影响，温度升高、粒径减小可提高熔解速率。函数 $Δ c_{S i O_{2}} / η$ 越大，同粒径下颗粒在转炉渣中的熔解速率越快，SiO₂颗粒在五元系CaO-SiO₂-FeO-MgO-Al₂O₃转炉渣熔解时界面间无固态产物层形成，且颗粒熔解主要受化学反应机理控制，其表观活化能约为213.054 kJ/mol。
关键词：转炉渣;SiO₂颗粒;HT-CSLM;收缩核模型;熔解机理;反应动力学

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发布时间：2022-11-11
MCGA的制备及其吸附有机染料的性能与机理研究
冯坤,李红艳,崔建国,董颖虹,李尚明,侯佳卉
2022, 53(10): 3838-3848. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.005

摘要：以工业固体废弃物煤矸石(CG)为原料，通过ZnCl₂改性法将其制备成改性煤矸石吸附剂(MCGA)，并用于水体中甲基橙(MO)、孔雀石绿(MG)的吸附。研究不同制备条件对MCGA溶液中MO和MG吸附性能的影响，以确定MCGA的最佳制备条件，并在此最佳制备条件下，研究不同投加量、pH以及染料种类对吸附的影响。采用比表面积分析(BET)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪 (FT-IR)和Zeta电位分析对MCGA进行表征，分析MCGA的理化特性及其对MO和MG的吸附动力学、吸附等温线及作用机制。研究结果表明：MCGA的最佳制备条件是CG和ZnCl₂质量比为2꞉1，煅烧温度为600 ℃，煅烧时间为2 h；对MO和MG吸附效果最佳的MCGA比表面积大，以狭缝中孔结构为主，表面含有多种官能团。MO和MG的吸附动力学符合准二级动力学模型，吸附等温线符合Freundlich方程，MO和MG主要吸附于MCGA的中孔中，其在MCGA上的吸附以化学吸附为主，物理吸附为辅，包括MCGA表面官能团与染料分子间的氢键、阳离子— $π$ 、 $π$ — $π$ 作用以及MCGA与染料分子之间的静电作用。
关键词：改性煤矸石吸附剂;印染废水;甲基橙;孔雀石绿;吸附动力学;吸附等温线

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发布时间：2022-11-11
蠕变时效成形曲率对7075合金疲劳裂纹扩展的影响
洪大亮,邓运来,张劲,郭晓斌
2022, 53(10): 3849-3858. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.006

摘要：为了探明蠕变时效成形过程中内应力消减对铝合金韧性的影响，采用蠕变时效成形、室温拉伸、疲劳裂纹扩展速率实验等方法和扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)等表征手段研究2.5 mm厚的T6态7075合金薄板在300，600和1 800 mm曲率半径下蠕变时效成形后(对应的试样编号分别为CA300，CA600和CA1800)的疲劳裂纹扩展速率。研究结果表明：T6态薄板的残余应力(初始值为517.1 MPa)在蠕变时效成形后下降明显，CA300样品的残余应力下降为54.0 MPa，其疲劳裂纹扩展速率最低，在裂纹稳态扩展阶段，相对于T6态样品降低了28.2%，CA600和CA1800样品的疲劳裂纹扩展速率也分别降低了21.7%和16.0%。蠕变成形后CA300试样的几何必要位错密度更为均匀，疲劳裂纹不仅在晶界处发生偏转，也在晶内发生偏转，相比于其他试样疲劳裂纹路径更曲折，相邻晶粒实际激活滑移面之间的夹角α增大，疲劳裂纹扩展阻力更大，因此其疲劳裂纹扩展速率最低。
关键词：7075铝合金;蠕变时效成形;疲劳裂纹扩展;残余应力;电子背散射衍射

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发布时间：2022-11-11
SLM制备工艺对316L不锈钢致密度的影响
郑志军,彭乐
2022, 53(10): 3859-3868. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.007

摘要：通过正交试验研究工艺参数对选择性激光熔化(SLM)制备316L不锈钢致密度的影响。首先，采用阿基米德法、金相法及工业CT法测试试样致密度；然后，利用极差分析研究不同工艺参数对SLM制备316L不锈钢致密度的影响；最后，用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)观察不同参数下制备的SLM试样的微观组织。研究结果表明：不同方法测得的试样致密度基本一致；扫描间距d对试样致密度的影响最大，其次是激光功率p、扫描速度v和旋转角θ。获得的最佳工艺参数为p=260 W，v=1 700 mm/s，d=0.05 mm和θ=67°，此时，能量密度为76.47 J/mm³，致密度高达98.5%。能量密度存在一个临界值35.19 J/mm³，当能量密度低于此临界值时，试样致密度显著下降(<95%)，其原因是低能量密度导致金属粉末未完全熔化；而能量密度过高，也会导致试样致密度下降，其原因是高能量密度导致出现过熔现象。
关键词：SLM 工艺;工艺参数;致密度;316L 不锈钢

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发布时间：2022-11-11
服役高铁制动盘微观组织演变和力学性能表征
谢晓东,李志强,刘志成,李志龙,杨智勇,李卫京,韩建民
2022, 53(10): 3869-3878. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.008

摘要：以高速列车铸钢制动盘为研究对象，借助SEM和TEM手段表征服役后铸钢制动盘微观组织演变，通过拉伸试验测试服役制动盘的力学性能，采用热循环和DIC拉伸试验研究制动盘材料力学性能退化机理。研究结果表明：在摩擦制动导致的大温度梯度、不同的冷却速度下，制动盘表层局部区域发生了“自淬火”并形成细小的马氏体晶粒；摩擦剪切作用产生的塑性变形进一步细化晶粒并形成粒径小于50 nm的纳米晶，局部晶粒细化和相变使制动盘表层至心部以及沿表层方向上的组织呈现出晶粒粒径非均匀分布的特征。服役制动盘表层材料的屈服强度、抗拉强度以及断后伸长率相比新材料分别衰退了20.1%，21.2%和43.3%。制动盘表层晶粒粒径非均匀分布使断口呈现出韧性与脆性的混合形貌以及裂纹的快速扩展特征。晶粒粒径非均匀分布在导致硬度非均匀分布的同时，还会使材料在承载时容易出现应力应变局域化进而导致材料承载能力下降。
关键词：制动盘;晶粒细化;晶粒粒径非均匀分布;应力应变局域化;力学性能衰退

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发布时间：2022-11-11
废胶粉复合改性沥青相容性研究
王辉,王旭,黄威麟,周争辉
2022, 53(10): 3879-3889. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.009

摘要：采用分子动力学模拟、差示扫描量热分析、离析软化点差3种方法研究废胶粉复合改性沥青在化学助剂作用下胶粉与沥青相容性的变化。首先，采用Materials Studio软件构建沥青四组分代表分子、胶粉代表分子、化学助剂代表分子的单体模型与混合体系模型，模型经优化处理后进行分子动力学分析，计算得到各模型的溶解度参数和沥青与胶粉代表分子-丁苯橡胶及各混合体系的溶解度参数差；然后，根据差示扫描量热分析和离析软化点差的试验结果对废胶粉复合改性沥青中沥青与胶粉的相容性进行综合分析。研究结果表明：在化学助剂的作用下，胶粉与沥青的相容性得到增强；废胶粉复合改性沥青的总吸热量低于普通胶粉改性沥青的总吸热量，废胶粉复合改性沥青更加稳定；废胶粉复合改性沥青的相容性优于普通胶粉改性沥青的相容性。
关键词：道路材料;废胶粉复合改性沥青;相容性;分子动力学模拟;差示扫描量热法;离析软化点差

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发布时间：2022-11-11

机械工程 • 控制科学与工程

基于遗传算法的铝合金斩波盘等强度优化设计
鲍明森,龚海,张涛,余周香,刘晓龙
2022, 53(10): 3890-3900. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.010

摘要：当前斩波盘主要采用等厚度和变厚度(阶梯变化)设计方案，通过对这2类斩波盘在20 000 r/min转速下的受力情况进行有限元分析，发现等厚度斩波盘塑性变形严重，变厚度(阶梯变化)斩波盘整体应力大、中心孔及槽口底部应力集中，存在变形失效的隐患。针对以上问题，开展7050铝合金斩波盘的等强度优化设计。首先，基于理论计算和遗传算法，提出一种连续变厚度轮廓曲线，实现连续变厚度转盘等强度优化设计；其次，通过有限元模拟，对斩波盘槽口进行局部加厚及增大圆角半径以减小应力集中现象；最后，通过变厚度斩波盘应力的数值计算结果与有限元模拟结果进行验证。研究结果表明：优化后的斩波盘在20 000 r/min转速下，平均应力减小27.8%，应力分布均匀性提高80%，中心孔应力减小33.8%，槽口底部应力减小40.4%。
关键词：斩波盘;等强度;遗传算法;有限元;7050铝合金

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发布时间：2022-11-11
缩尺车轮-环轨试验台轮轨静态接触相似性研究
罗易飞,赵鑫,周志军,尹利钧,温泽峰,杨吉忠
2022, 53(10): 3901-3911. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.011

摘要：为研究缩尺车轮-环轨试验台对我国高速铁路服役轮轨的模拟能力，以轮轨滚动行为模拟试验台为例，分别建立轮轨静态接触有限元模型以及我国典型高速铁路系统的全尺寸服役轮对-轨道接触有限元模型，分析轮径、钢轨曲线半径、轮轨几何等非恒定缩尺比例因素存在时的轮轨接触相似性，对比试验和服役轮轨系统在不同冲角、横移、相对位置等条件下的轮轨静态接触解，具体包括最大接触压力、接触斑面积及轨内Von Mises等效应力。研究结果表明：在最大法向接触压力相等的模拟准则下，高速轮轨系统对应的试验车轮垂向载荷为10.56 kN，而其在最大轨内Von Mises等效应力相等的模拟准则下的相应载荷为9.34 kN。冲角和轮轨相对于轨枕的位置的影响可以忽略；试验车轮横移-3.0~1.0 mm与服役轮对相应横移-9.0~3.0 mm条件下的最大接触压力相对误差小于5.2%，接触压力分布、接触斑面积、轨内Von Mises等效应力等均具有良好相似性，但在更大正向横移下接触状态存在无法忽略的差异。由此可见，在负向和正向小横移时，轮轨滚动行为模拟试验台在轮轨法向接触方面能够精确地模拟服役轮轨系统。
关键词：高速轮轨试验台;有限元方法;轮轨静态接触;应力;相似性

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发布时间：2022-11-11
基于电流半波差异的单相四象限整流器开路故障诊断
伍珣,李凯迪,田睿,于天剑
2022, 53(10): 3912-3922. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.012

摘要：单相四象限整流器是变流系统的重要组成部分，由于系统控制的复杂性、器件老化、环境干扰以及机械振动等原因，单相四象限整流器不可避免地会出现开关器件模块烧损、模块振裂、线路松动和接触不良等现象，进而引发绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或反并联二极管的开路故障，导致网侧输入电流畸变、直流侧电压幅值降低，给整个系统带来极大安全隐患。因此，本文针对单相四象限整流器开路故障提出一种基于电流半波差异的故障诊断方法。该方法以单相四象限整流器输入电流作为开路故障诊断变量，分析IGBT及其反并联二极管分别发生开路故障时的整流器等效电路以及电流变化规律；对输入电流进行标准化处理以削减负载变化对电流幅值的影响，采用间隔半个周期的电流幅值之和及其均方根来描述输入电流相邻半波的特征差异，并以此为故障判定依据对IGBT开路故障与反并联二极管开路故障进行有效区分。研究结果表明：本文所提方法能够对IGBT开路故障与反并联二极管开路故障进行准确辨别，在负载波动、网压波动以及载波频率变化时具有较好的鲁棒性。
关键词：单相四象限整流器;开路故障;故障诊断;输入电流

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发布时间：2022-11-11

地质工程 • 土木工程

类矩形盾构隧道上穿施工引起既有隧道剪切错台变形研究
傅鹤林,于归,邓皇适,吴疆,张凯源
2022, 53(10): 3923-3935. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.013

摘要：基于镜像法和Mindlin解，建立类矩形盾构隧道上穿施工计算模型，推导出土体损失、盾构正面推力、盾壳摩擦力和注浆压力在既有隧道轴线处产生的附加应力计算公式。采用剪切错台模型将既有隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁，运用最小势能原理得出既有隧道的竖向位移计算公式。依托工程实例，对比理论计算结果和数值模拟结果，验证本文计算方法的适用性。最后，分析既有隧道的竖向位移、环间错台量和剪切力随掘进施工的变化过程，并对工程中的关键参数进行敏感性分析。研究结果表明：相比于Winker地基梁模型，剪切错台模型计算结果与数值模拟结果更接近，验证了本文计算公式的正确性；随着新建隧道掘进，既有隧道的隆起变形、环间错台量和剪切力不断增大，在盾构机通过既有隧道轴线20 m后趋于稳定；在既有隧道隆起变形最大处，环间错台量和剪切力最小；在隆起变形曲线反弯点处，环间错台量和剪切力最大；随着隧道矩形长边宽度和土体损失间隙增大，既有隧道隆起变形增加，隆起拱宽度增加；随着既有隧道埋深增加，隆起变形减小，隆起拱宽度变化不明显。
关键词：类矩形盾构隧道;既有隧道;上穿施工;镜像法;Mindlin解;剪切错台模型

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发布时间：2022-11-11
主桥与引桥断面形式差异对大跨桥上列车气动特性的影响
汪震,邹云峰,何旭辉,刘路路,刘志鹏
2022, 53(10): 3936-3947. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.014

摘要：列车气动特性受下部结构的影响较大，大跨度桥梁主桥与引桥主梁断面形式的差异会引起桥上列车风荷载发生突变，对桥上行车的安全性和舒适性产生不利影响。为研究主桥与引桥断面差异带来的影响，以某新建高铁大跨斜拉桥为背景，通过风洞试验对比研究高速列车在主桥和引桥上的气动特性。研究结果表明：当列车由引桥驶入主桥，单列列车通过时和双车交汇时，迎风侧车的升力系数C_V明显减小；单列列车通过时，背风侧车的阻力系数C_H与升力系数C_V显著增加，并且在特定风攻角下出现了由负到正的变化；单列列车通过时，背风侧车的平均风压系数与脉动风压系数受主梁断面变化影响最为显著，主要体现在列车迎风面、顶部与底部圆弧过渡段区域，背风侧车的阻力系数C_H变化随风攻角的增大而减小，升力系数C_V变化随风攻角增大而增大，主梁断面形式差异引起的平均风压系数与脉动风压系数变化随风攻角的增大有所减弱。
关键词：高速铁路;车-桥系统;行车安全;气动特性;风洞试验

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发布时间：2022-11-11
高吸水性树脂(SAP)对沥青黏度及力学性能的影响
吴昊,孙雨轩,宋卫民,詹易群
2022, 53(10): 3948-3958. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.015

摘要：高吸水树脂(SAP)具有极强的吸水和保水能力，吸水后的SAP在沥青中具有发泡降黏的作用。为了探究吸水后的SAP对沥青胶浆的降黏效果，采用不同掺量的SAP等体积替代矿粉。首先，采用红外光谱试验分析SAP与沥青的相互作用机理；然后，探究SAP替代不同掺量的矿粉(10%，20%，30%和40%，体积分数)并预先吸收不同质量的水时沥青胶浆黏度的变化情况，在此基础上进行动态剪切蠕变试验以及低温弯曲试验探究SAP改性沥青的高、低温性能；最后，通过沥青与集料黏附性试验探究SAP对沥青胶浆与集料黏附性的影响。研究结果表明：SAP与沥青以物理共混状态存在；用吸水后的SAP替代矿粉有很好的降黏效果，但SAP替代量超过30%、吸水量超过SAP自身质量的3倍后对降黏的作用不再明显；当SAP等体积替代矿粉不超过10%时，沥青胶浆的高温稳定性能有一定提升，低温抗裂性能有所下降，但当SAP等体积替代矿粉超过10%时，沥青胶浆的高温稳定性能有所下降，下降幅度均低于15%，低温抗裂性能有所提升；SAP的加入不会对沥青胶浆与集料之间的黏附性产生影响。
关键词：高吸水树脂(SAP);降黏作用;流变性能;低温性能

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发布时间：2022-11-11
局部脱冰对导线跳跃高度影响的参数化分析及局部脱冰效应系数研究
张跃龙,楼文娟,黄赐荣,黄铭枫,周为政
2022, 53(10): 3959-3966. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.016

摘要：导线脱冰引发的最大跳跃高度与局部脱冰的发生位置及其脱冰率紧密相关，为了设计合理的电气绝缘间隙，需要准确估计其脱冰跳跃高度，现有的跳跃高度计算方法考虑了局部脱冰效应，但其提供的局部脱冰效应系数难以精细化取值，以此设计的线路存在一定的安全隐患。为此，本文将非线性有限元方法应用于输电线路脱冰跳跃高度分析，通过改变冰厚、跨距、高差、档数、初始张力及脱冰模式等参数，研究跳跃高度对脱冰率变化的敏感程度。在此基础上，分析局部脱冰效应系数m在不同参数组合下的变化规律，并基于最小二乘法提出系数m的计算公式。研究结果表明：脱冰率对导线跳跃高度的影响在很大程度上取决于冰厚、跨距、档数及脱冰模式，而受高差、初始张力变化的影响较小；m受脱冰率的影响较大，而受其他参数变化的影响可以忽略。本文所提出的方法可用于精细化计算导线脱冰跳跃高度。
关键词：输电线路;数值模拟;脱冰;跳跃高度;局部脱冰效应系数

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发布时间：2022-11-11
单轴压缩过程中岩石的实时超声波特性
贾蓬,祝鹏程,李博,徐雪桐
2022, 53(10): 3967-3977. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.017

摘要：岩石损伤破裂过程的实时声学特性与其损伤发展密切相关，为获得岩石破坏过程中的实时超声波声学参数与岩石应力及损伤的内在关系，利用实时超声波声学参数预测岩石的应力状态以获得破坏前兆信息。首先，采用HS-YS403B型岩石声波参数测试仪对花岗岩、红砂岩和大理岩试样在单轴压缩过程中的实时超声波进行测试，获得不同岩石压缩过程中的实时纵、横波波速变化规律、岩石动弹参数与岩石受力状态的内在关系；然后，基于实时超声波声学参数，提出评价岩石损伤和预测岩石破裂的分析方法。研究结果表明：实时横波波速变化可分为快速上升阶段、平稳增加阶段和下降阶段，分别对应岩石裂纹的萌生、扩展和贯通；进入下降阶段后，实时横波波速先于实时纵波波速达到峰值点，表明实时横波波速峰值点可以作为岩石，尤其是渐进性破坏特征明显的岩石破裂的前兆；压密方向的实时纵波波速和横波波速与岩石所处的应力状态呈指数函数关系，可用于预估岩石的应力范围；利用实时首波振幅定义的损伤变量能够有效反映岩石内部损伤发展的程度，实时纵、横波谱面积与主频幅值均能有效预测岩石破裂，其中实时横波的预测效果优于实时纵波的预测效果。
关键词：单轴压缩;实时超声波;损伤;岩石破裂

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发布时间：2022-11-11
层状板岩单轴压缩试验及数值研究
赵宁宁,李二强,冯吉利
2022, 53(10): 3978-3988. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.018

摘要：为研究层理结构面对岩体力学性能的影响，以陕西木寨岭隧道层状炭质板岩为研究对象，对层状板岩在单轴压缩作用下的力学性能进行试验及数值分析。在数值模拟中，使用离散元框架MUSEN即固体键合颗粒模型(BPM)模拟层状岩体在准静态压缩过程中的破坏行为。研究结果表明：1) 微观弹性模量与宏观弹性模量大致呈线性关系，通过插值计算，可将试样弹性模量映射为微观模量进行数值模拟计算。2) 随着轴向与切向强度增加，对应的峰值荷载及位移随之增加。3) 在相同参数及边界条件下，根据随机性原理，形成多种不同颗粒分布模型，最终的荷载-位移曲线表明模型对其力学响应影响较小。4) 试验中，当层理倾角为0°及90°时，峰值荷载较大；当层理倾角分别为30°，45°及60°时，峰值荷载较接近，即随着倾角的逐渐增加，大致呈“U”型分布。5) 在破坏形态上，不同层理倾角下大致呈现劈裂拉伸破坏、剪切滑移破坏以及复合型拉剪破坏。6) 在相同模型下，通过程序编制构建不同层理的模型，模拟结果的力学响应及破坏形态对比试验具有良好的一致性，再现了不同层理倾角层状板岩的劈裂演化过程。
关键词：层状炭质板岩;单轴压缩试验;固体键合颗粒模型;层理

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发布时间：2022-11-11
预应力UHPC-NC组合梁抗弯承载力计算方法
朱劲松,秦亚婷,史腾
2022, 53(10): 3989-4000. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.019

摘要：为有效预测预应力超高性能混凝土-普通混凝土(UHPC-NC)组合梁的抗弯承载力，首先基于有限元方法建立纯弯曲作用下预应力UHPC-NC组合梁的数值分析模型，考虑材料非线性及复杂界面接触等问题，分析预应力筋配筋率、普通钢筋直径、普通钢筋强度等级以及高跨比等参数对预应力UHPC-NC组合梁抗弯承载力的影响规律；然后，基于平截面假定和截面平衡条件以及UHPC、普通混凝土、预应力筋和钢筋的本构关系，并考虑受拉区UHPC对抗弯承载力的贡献，提出预应力UHPC-NC组合梁的抗弯承载力理论计算公式，并将理论计算值与有限元模拟值进行对比。研究结果表明：提高预应力筋配筋率、普通钢筋直径和高跨比可以有效提高预应力UHPC-NC组合梁的抗弯承载能力；抗弯承载力公式计算值与有限元模拟值吻合良好，可为预应力UHPC-NC组合梁的设计和应用提供参考。
关键词：超高性能混凝土组合梁;有限元分析;抗弯承载力;预应力混凝土结构;普通混凝土

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发布时间：2022-11-11
围岩-支护结构时效性共同作用下运营隧道服役特性
杜建明,房倩,程荔琼,王军
2022, 53(10): 4001-4011. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.020

摘要：为探究围岩与支护结构共同作用下运营隧道的服役特性，通过虚拟支护力法实现隧道开挖过程的可视化，考虑围岩时变、支护结构劣化及损伤的同时，构建围岩时变-支护结构性能退化共同作用下的力学分析模型。通过与既有研究成果及三维数值仿真结果对比分析，验证本文所提力学模型的正确性，然后探究围岩时变、支护结构劣化和损伤、支护结构厚度等参数影响下围岩-支护结构接触面位移及压力、支护结构服役寿命的变化规律。研究结果表明：围岩-支护结构接触面位移与围岩时变系数、支护结构劣化及损伤系数呈正相关，与支护结构厚度呈负相关；接触面压力与围岩时变系数及支护结构厚度呈正相关，与支护结构劣化及损伤系数呈负相关；支护结构寿命与围岩时变系数、支护结构劣化及损伤系数呈负相关，与支护结构厚度呈正相关；在不同条件下，支护结构服役寿命变化幅度与围岩时变系数变化幅度、支护结构劣化系数变化幅度、损伤系数变化幅度、厚度变化幅度的比值分别为1.3，0.278，0.061和0.787。
关键词：运营隧道;围岩时变;支护结构;服役性能

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发布时间：2022-11-11
柱式充填体单轴压缩损伤演化及破坏特征研究
冯国瑞,赵永辉,郭育霞,冉洪宇,解文硕
2022, 53(10): 4012-4023. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.021

摘要：为研究结构充填中柱式充填体在承受上覆岩层荷载作用下的损伤破坏，制备高宽比为3的3种不同截面边长矸石胶结充填柱并对其进行单轴压缩试验；基于数字图像相关法(DIC)，对加载过程中充填柱的表面散斑图像进行分析，同时对加载过程中试件的声发射及电阻率变化进行监测，并建立了不同截面边长矸石胶结充填柱的损伤模型及本构方程。研究结果表明：矸石胶结充填柱的抗压强度及弹性模量随截面边长的增大而减小，峰值应变随截面边长的增大而增大；不同截面边长的充填柱均以斜剪切破坏为主，随着截面边长的增大充填柱会出现部分拉伸破坏的特征，压缩过程中试件的全场应变演化云图与应力-应变曲线有较好对应关系；在初始压密阶段与峰后破坏阶段，不同截面边长矸石胶结充填柱的声发射振铃不同，声发射事件定位点的空间演化与破坏形态有一定对应关系；可将声发射振铃的突变及电阻率的稳定阶段作为判定充填体被破坏的前兆。
关键词：柱式充填体;破坏形式;数字图像相关法;声发射;电阻率;损伤模型

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发布时间：2022-11-11
水力联合TBM射流移动速度与切割能力匹配问题
徐福通,周辉,李彦恒,高阳,卢景景,邱浩权
2022, 53(10): 4024-4035. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.022

摘要：水力联合TBM(隧道掘进机)在刀盘边缘高线速度状态下，高压水射流喷嘴难以有效发挥射流切割能力，成为制约水射流技术助力机械滚刀破岩效率提升的关键问题，基于此，本文首先对比TBM刀盘边缘的线速度(2.6~4.0 m/s)与水射流岩石切割试验中喷嘴移动速度(0.01~1.50 m/s)，发现当前实验室水射流切割试验无法合理反映TBM工作时刀盘高线速度与切割能力的匹配问题；其次，开展砂岩和花岗岩的水射流重复切割试验；最后，探讨提高水射流喷嘴高速移动状态下切割能力的方案，提出实验室开展高速水射流切割试验装备的优化方向，并分析TBM开展磨料水射流破岩的可行性。研究结果表明：试验最大速度下重复切割后砂岩及花岗岩切割深度分别增大100%和55%，说明重复切割可以显著提高水射流切割能力；重复切割岩石产生的热量会导致试样表面温度上升，试验后砂岩和花岗岩表面温度最大分别达到53.0 ℃和48.1 ℃；采用水射流重复切割以及研发特殊射流破岩技术，对于提高TBM刀盘边缘高线速度条件下水射流切割深度具有重要意义。
关键词：水力联合隧道掘进机;水射流切割试验;切割能力;喷嘴移动速度;切割装置优化

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发布时间：2022-11-11
单轴压缩条件下含层理煤岩力学特性的细观研究
周喻,李程,王文林,周贤
2022, 53(10): 4036-4047. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.023

摘要：层理是煤层的主要构造标志，通过CT扫描与扫描电镜开展层理的观察，采用室内试验及PFC2D程序，构建含不同层理倾角的煤岩试样，对其进行单轴压缩试验，研究其在不同层理倾角条件下的强度、破坏模式及裂纹分布情况。研究结果表明：1) 在单轴压缩条件下，试样的抗压强度试验值与计算值均随着层理倾角的增大呈现出先减小后增大的规律，近似为“V”字形，当层理倾角为0°时均取得最大值，当层理倾角为60°时均取得最小值。2) 当层理倾角为0°时，试样破坏模式为脆性破坏，高速弹射出大量碎屑，表现出很强的冲击能力；当倾角为30°，45°与60°时，试样破坏模式为剪切破坏，破裂面与层理面平行；当倾角为90°时，试样破坏模式为劈裂破坏，破裂面与轴向力方向呈小角度。3) 当层理倾角为0°与90°时，试样裂纹主要集中于加载端部与试样中部，且其发展方向与加载方向呈一定夹角，其中以张拉型裂纹为主，含少量剪切型裂纹；当倾角为30°，45°与60°时，裂纹主要沿层理面发展，以张拉型裂纹为主，含少量剪切型裂纹。
关键词：层理煤岩;单轴压缩;CT扫描;扫描电镜;颗粒流程序

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发布时间：2022-11-11
雨水入渗条件下地基瞬态极限承载力解析解及其应用
徐瑞麟,秦卫星,胡惠仁,刘泽辰,熊轩宇
2022, 53(10): 4048-4056. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.024

摘要：为研究雨水入渗作用下非饱和均质地基承载性能演化特性，首先，基于Richards瞬态非饱和渗流方程，引入Gardner土-水特征曲线模型，获得雨水以恒定雨强入渗时均质地基瞬态基质吸力解析解，并利用有限元方法进行考证；其次，基于非饱和土抗剪强度理论，推导基质吸力沿深度非线性分布时地基极限承载力表达式并利用试验数据证明其正确性；最后，以概化非饱和均质地基为研究对象，基于获得的地基瞬态基质吸力解析解和极限承载力表达式，揭示不同雨强和降雨历时情况下地基基质吸力和极限承载力的演化规律。研究结果表明：随着雨水入渗，地基中上部土体基质吸力的大小和分布会发生变化，基质吸力逐渐减小且减小速度呈现先快后慢的特点，沿地基深度呈现明显非线性分布特征；地基极限承载力受基底以下1.5倍基础宽度应力球范围内平均基质吸力的显著影响，其值随着雨水入渗时间或雨强增加而快速降低，最终因应力球范围土体逐渐饱和降低至饱和抗剪强度理论计算的极限承载力；当降雨历相同时时，基底平均基质吸力和地基极限承载力与降雨强度几乎呈线性关系：降雨强度越大，基质吸力减小幅度越大，极限承载力降低越多。建议重点做好基底以下1.5倍基础宽度范围内防渗排水，特别要加强降雨初期地基基质吸力监测，防止雨水入渗引起地基承载性能大幅降低诱发的地基失稳破坏。
关键词：非饱和土;地基极限承载力;基质吸力;解析解;雨水入渗

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发布时间：2022-11-11
改性镁渣基矿用复合胶凝材料的水化性能
孙伟吉,刘浪,徐龙华,方治余,阮仕山,侯东壮
2022, 53(10): 4057-4070. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.025

摘要：为了实现镁企业镁渣固废和燃煤电厂粉煤灰低成本绿色充填、安全处置和资源化利用，采用改性镁渣(MMS)与粉煤灰(FA)复掺制备矿山充填胶凝材料(MSCM)替代硅酸盐水泥。首先分析MMS与FA的物化性能，然后通过微量热法、X射线衍射试验、红外光谱试验、热重试验、单轴抗压强度和扫描电镜试验等对MSCM的微观结构、水化性能和宏观强度进行分析。研究结果表明：MMS与FA复掺的最佳质量比为 4:1(FA20试样)，养护3 d和28 d的抗压强度分别为1.50 MPa和5.64 MPa，分别比改性镁渣净浆试样高57%和21%。MSCM的水化产物主要为C-S-H凝胶、ettringite和Ca(OH)₂。随水化反应的进行，水化产物数量显著增多，相互交错，紧密团聚，使其内部微观结构更加密实，且ettringite由水化初期的针状逐渐转变为棒状，更有助于试样机械性能的提升。掺加FA对MSCM的水化具有显著影响，可有效缩短MSCM在水化加速阶段的反应时间，提高整体水化反应速率。这也是MMS与FA中的Al₂O₃、SiO₂等氧化物共同水化反应的结果。
关键词：改性镁渣;水化特性;协同反应;复合胶凝材料

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发布时间：2022-11-11
震后可恢复功能摇摆柱滞回特性及恢复力模型研究
刘阳,钟沛杰,许一鹏,刘小娟,任彧,苏龙辉
2022, 53(10): 4071-4084. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.026

摘要：为实现框架结构的震后性能快速恢复，采用震后可恢复功能摇摆柱(ERR柱)；通过建立ERR柱的精细化有限元模型，在试验验证的基础上进行参数分析，并提出ERR柱的恢复力模型。研究结果表明：轴压比是影响ERR柱滞回特性及可恢复性的主要因素。随着轴压比的增加，试件承载力增加，残余变形迅速减小，ERR柱滞回曲线由捏拢的“梭型”逐渐转变为“旗帜型”，表现出良好的可恢复性能。螺栓群的设计是保证ERR柱滞回耗能性能的另一个关键因素，柱根处连接板与开缝钢板阻尼器之间的相对滑移会造成试件滞回曲线出现捏拢现象并削弱其耗能能力。建议采用高强摩擦型螺栓并按照“强连接、弱阻尼器”原则进行试件设计。本文所提模型计算结果与试验及有限元分析结果吻合良好。
关键词：可恢复功能摇摆柱;有限元模拟;抗震性能;恢复力模型

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发布时间：2022-11-11
顶板诱导崩落工程覆岩裂隙的空间分布规律与共轭现象
陈庆发,林开汕,吴家有,周科平,高峰
2022, 53(10): 4085-4095. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.027

摘要：以广西铜坑矿92号矿体连续采矿顶板诱导崩落工程为背景，根据探测得到的覆岩裂隙数据，采用3DMine数字化软件构建覆岩裂隙的赋存模型，开展覆岩裂隙的空间分布规律分析。研究结果表明：在东西方向上，裂隙数量因覆岩厚度增大而呈现出由少至多的分布规律，覆岩裂隙的倾角分布呈现出高度的一致性，两帮预裂钻孔裂隙倾向于沿回采方向集中，崩顶钻孔裂隙倾向于发散；在深度方向上，裂隙数量分布呈现出先增后减的抛物线分布趋势，倾角、倾向无明显的分布规律；在回采方向上，裂隙数量在钻孔深度方向上显现出逐步减少的分布规律，顶板中部因受应力集中的影响而出现较多大倾角裂隙，预裂钻孔裂隙倾向于在回采方向集中，崩顶钻孔裂隙倾向于发散；覆岩裂隙同时存在共面共轭与对称共轭2种共轭现象。
关键词：顶板诱导崩落;覆岩裂隙;空间分布规律;共轭现象

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发布时间：2022-11-11
实际车载下的在役混凝土梁桥承载性能演化分析
陈水生,赵辉,李锦华,朱朝阳
2022, 53(10): 4096-4105. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.028

摘要：为了探究在役混凝土梁桥在未来服役时间的承载力失效概率演化规律，首先采用蒙特卡罗随机抽样的方法生成随机车流荷载；然后，综合考虑桥梁车致荷载效应的随机性和桥梁抗力退化的时变性，基于经典极值理论和结构可靠度原理，给出在役混凝土梁桥的承载性能演化分析方法和步骤；最后，以一座在役简支T梁桥为工程案例，分析其在实际车流荷载作用下的承载力失效概率。研究结果表明：随着桥梁服役时间的增加，桥梁抗力的均值和标准差逐渐减小，而桥梁车致荷载效应极值的均值增大，标准差减小；混凝土梁桥的承载力失效概率随着桥梁服役时间的增加而增大，直接承受车辆荷载作用的主梁承载力失效概率大于非直接承受车辆荷载作用的主梁承载力失效概率，整个桥梁系统的承载性能取决于承载力失效概率最大的主梁；桥梁承载性能受运营环境的影响较大，抗力低速退化的承载力失效概率是抗力不退化的5.6倍。为保证在役混凝土梁桥的运营安全，针对重型货车出现频率较高和恶劣使用环境的桥梁，建造时应该提高安全储备，管养时可以采取适当的政策进行干预。
关键词：性能演化;随机车流;经典极值;抗力退化;失效概率

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发布时间：2022-11-11
隧道开挖作用下桩基水平位移简化解析解
韦征,江玉生,殷明伦,杨星
2022, 53(10): 4106-4114. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.029

摘要：为研究隧道开挖卸荷下桩基的水平位移响应，把桩基简化为置于Winkler地基上的具有等效抗弯刚度的Euler-Bernoulli连续梁，提出一种计算既有桩基在邻近隧道开挖卸荷下的水平变形响应理论计算方法。采用Loganathan理论计算隧道开挖引起既有桩基位置处的自由土体水平位移；将桩基位置处的自由土体水平位移施加于既有桩基之上，基于桩基与地层土体的位移耦合条件建立桩基水平位移平衡方程；通过求解得到隧道近距离开挖引起桩基水平位移解析解。将理论计算结果与文献中的边界元模拟结果、有限元模拟结果和现场监测结果进行对比，验证了所提方法的正确性。最后，对隧道开挖引起桩基水平位移响应进行参数分析，提出计算隧道开挖引起桩基最大水平位移的参数预测公式。研究结果表明：桩基最大水平位移受隧道埋深、开挖尺寸、隧道与桩基间距影响较为显著，与隧道埋深近似呈线性增长关系，受桩径变化影响较小。
关键词：隧道开挖;Winkler地基;桩基水平变形;简化解析解

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发布时间：2022-11-11
弧形结构PMMA火蔓延阶段性演化行为
卜蓉伟,陈飞,张笑男,周洋
2022, 53(10): 4115-4122. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.030

摘要：为了明晰弧形结构聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的潜在火灾风险性，设计1꞉10的缩尺寸实验平台，测量和分析火蔓延速度、质量损失速率和火焰长度等关键参数的演化规律，研究弧度对弧形结构PMMA火蔓延行为的影响规律和控制机理。研究结果表明：弧形结构PMMA火蔓延过程呈现2个阶段的演变行为，包括减速阶段(顺流蔓延过程)和稳定阶段(逆流蔓延过程)，提出减速阶段时变火蔓延速度和质量损失速率的经验关系。基于预热区均匀热流的假设和能量守恒关系，建立稳定阶段质量损失速率和火蔓延速度数学预测模型。此外，稳定阶段平均质量损失速率随弧度增加先减小( $30 ° \leq θ < 90 °$ )后增大( $90 ° \leq θ \leq 180 °$ )，平均火焰长度则先减小后保持不变，而且通过传热分析，揭示了随弧度增加火蔓延过程由气相传热主导向固相导热主导的控制机理。
关键词：弧形结构;PMMA;弧度;火蔓延速度;质量损失速率;火焰长度

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发布时间：2022-11-11
基于板梁状陡坡地基倾倒稳定性分析的G-B改进模型研究
胡惠华,张奇华,张鹏
2022, 53(10): 4123-4131. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.031

摘要：为研究板梁状陡坡地基的倾倒变形，引入G-B块体倾倒模型，并针对以往G-B模型及其改进模型的研究中存在的2个问题(即对坡顶荷载考虑为连续均布荷载，无法考虑荷载作用点位置影响的问题，以及以往方法采用强度参数折减，无法判断板梁状陡坡破坏模式的问题)，经过公式推导提出改进的G-B传递系数分析模型。该模型全面考虑坡顶局部荷载、裂缝静水压力及水平地震力，可用于各种因素影响下的陡坡倾倒稳定分析。将改进模型应用至矮寨悬索桥吉首岸陡坡地基稳定性分析中，探讨基础荷载、静水压力等因素对吉首岸陡坡地基倾倒稳定性的影响，分析不同工况下陡坡地基的稳定性。根据各种因素对吉首岸陡坡地基稳定性影响机理，提出相应的防治措施。研究结果表明：比较工况二(暴雨)与工况一(非暴雨)地基稳定系数计算结果，得到暴雨条件使地基倾倒稳定系数降低49%，地基滑移稳定系数降低19%；比较工况三(暴雨+地震)与工况二(暴雨)地基稳定系数计算结果，得到地震条件使地基倾倒稳定系数降低48%，地基滑移稳定系数降低20%。可见暴雨及地震不利工况对陡坡地基倾倒稳定性的影响比滑移稳定性影响更大。工况三(暴雨+地震)与工况四(暴雨+地震+塔基荷载)稳定系数计算结果相同，说明设计塔位下的塔基荷载对陡坡地基倾倒稳定性没有影响，设计塔位恰当。施工监测结果表明该塔基岩体尚无明显位移，说明该模型具有一定的理论价值与工程指导价值。
关键词：板梁状;陡坡;稳定性分析;G-B模型;倾倒

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发布时间：2022-11-11
悬浮隧道子结构简化模型与动力响应分析
潘权,易壮鹏,杨胜江,颜东煌,杨聪
2022, 53(10): 4132-4141. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.032

摘要：基于子结构离散/整合技术构建一种新的悬浮隧道简化分析模型，研究跨度范围内支撑锚索的刚度及不均匀性对自振特性与移动荷载响应的影响。将管体沿跨径划分为多段梁单元，将支撑锚索等效为具有不同约束刚度的弹性支撑，建立多节段管体整体振动方程，动力响应采用多模态Galerkin截断获取。采用Morison方程研究水动力荷载，考虑移动荷载响应。研究结果表明：频率分布与锚索数目、支撑刚度相关，频谱图存在多阶频率汇集现象；位移峰值出现在移动列车经过该位置时刻，位移、内力与锚索数目、浮重比及刚度不均匀性密切相关；当锚索支撑数目减少、浮重比增大且支撑刚度变大时，弯矩、剪力的上下限值均变大；所提出的将锚索等效为竖向弹性支撑、采用子结构离散/整合技术建立悬浮隧道动力模型的方法是可行的，基于该模型的结构自振特性、移动荷载响应的分析及与有限元结果的对比验证了该方法的正确性，可为进一步确定锚索支撑式悬浮隧道结构的合理支撑刚度提供借鉴。
关键词：悬浮隧道;子结构简化模型;锚索刚度不均匀性;浮重比;自振特性;移动荷载响应

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发布时间：2022-11-11

能源工程 • 交通运输工程

煤泥抗拉强度特性试验研究
范浩东,史鉴,杨海瑞,吕俊复,金燕,高琴,张缦,秦舒宁,周宝
2022, 53(10): 4142-4149. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.033

摘要：为了研究煤泥抗拉强度进而判断煤泥的入炉形态，设计一套单轴拉伸试验系统来测量煤泥的抗拉强度，通过试验确定煤泥最佳静置时间及步进伺服电动机拉伸速率，并研究不同含水率及压实度对煤泥抗拉强度的影响规律。研究结果表明：当静置时间小于等于2 d时，煤泥的抗拉强度及其增速随着静置时间的延长而增大，而后，随着静置时间进一步延长，煤泥的抗拉强度趋于不变；拉伸速率通过影响煤泥内部的孔隙水压力进而影响煤泥抗拉强度，过大或过小的拉伸速率都会使测量结果产生较大误差，选取0.8 mm/min 拉伸速率可有效避免端部应力集中的影响；含水率与煤泥抗拉强度之间呈负相关关系，含水率越大，煤泥抗拉强度越小，当含水率由25.12%增加至35.17%时，煤泥抗拉强度从25.23 kPa减小至21.39 kPa；压实度与煤泥之间呈正相关关系，压实度越大，煤泥抗拉强度呈线性增大，当压实度从85 g增加至100 g时，煤泥抗拉强度从19.44 kPa增加至29.92 kPa。
关键词：煤泥;单轴拉伸;含水率;压实度;静置时间;拉伸速率

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发布时间：2022-11-11
电场与声场协同作用下微细通道流动沸腾传热特性
罗小平,杨书斌,张超勇,许静姝
2022, 53(10): 4150-4164. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.034

摘要：为探究电场与声场协同作用下微细通道流动沸腾传热特性，搭建将电场和声场加入微细通道的流动沸腾传热实验平台。实验工质采用制冷剂R141b，工质质量流率为115.91~231.82 kg/(m²·s)，实验系统压力为142 kPa，工质进口温度为34 ℃，通过调节施加电场外部电压、超声波换能器功率与频率、声场布置方式进行不同工况下微细通道流动沸腾传热实验，根据实验工质与实验系统操作条件选取电场电压变化范围为400~800 V，超声波换能器功率变化范围为12.5~50.0 W、频率变化范围为23~40 kHz。通过COMSOL软件模拟仿真研究进口施加超声波和进出口同时施加超声波时微细通道内声场分布，进而研究声场布置方式对微细通道强化传热影响。通过可视化研究在无外加物理场、单独电场、单独声场、电场与声场协同作用下受限气泡长径比变化情况，进而研究不同工况下微细通道平均饱和沸腾传热系数。研究不同外场参数作用下，微细通道有效强化传热(传热强化因子大于1.4)热流密度变化范围。研究结果表明：电场与声场协同作用后能显著提高微细通道强化传热能力且强化传热效果比单独电场和单独声场的强，在本实验工况范围内，与无外加物理场相比，单独电场、单独声场、电场与声场协同作用的平均饱和沸腾传热系数最大分别提高57%，75%和124%。电场与声场协同作用后有效强化传热热流密度范围比单独电场、单独声场作用有明显增大。
关键词：微细通道;电场;声场;协同作用;流动沸腾;传热

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发布时间：2022-11-11
不同结构参数下漂浮式海上风机水动力性能分析
李青,张礼贤,高山,王滨,施伟,李昕
2022, 53(10): 4165-4173. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.035

摘要：基于势流理论，采用面元法建立Windfloat半潜浮式风机平台的频域水动力数值模型，探究不同结构参数(立柱直径、立柱间距以及吃水深度等)下的Windfloat半潜浮式风机的稳性、附加质量、辐射阻尼与一阶波浪激励力的变化规律。研究结果表明：立柱直径对Windfloat半潜浮式风机平台的稳性、附加质量、辐射阻尼以及一阶波浪激励力有较大影响。平台吃水的改变对附加质量影响较大，对辐射阻尼与一阶波浪激励力影响较小。立柱间距的改变不仅会影响水动力系数，同时会导致Windfloat半潜浮式平台水动力系数在高频区域的峰值对应频率产生偏移。
关键词：漂浮式风机;水动力性能;Windfloat半潜浮式平台

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发布时间：2022-11-11
城市污泥和煤泥混燃过程中交互作用的影响及机理
王彦霖,贾里,王碧茹,张柳,向军,金燕
2022, 53(10): 4174-4184. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.036

摘要：为了明确污泥(sewage sludge，SS)和煤泥(coal slime，CS)在混燃过程中的交互作用并区分催化机制和非催化机制对交互作用的贡献，在获得燃料基本特性的基础上，利用热重分析仪研究不同污泥(原污泥、酸洗污泥、脱挥发分污泥)和煤泥的混燃特性，分析交互作用的影响及机理，并采用Coats-Redfern积分法研究燃烧动力学特征。研究结果表明：在混燃过程中，污泥可以提高共混物的着火性能，煤泥则可提高共混物的高温反应性；混燃过程中出现明显的交互现象，可归因于非催化和催化机制的共同作用，其中，非催化作用主要发生在挥发分析出阶段，对燃烧有抑制作用，协同指数为-0.24~-0.01。催化作用主要发生在固定碳燃烧阶段，可有效促进燃烧，协同指数为0.1~0.44。对于整个燃烧过程来说，污泥和煤泥具有协同作用，且脱挥发分可使协同作用增强；SS和CS的活化能分别为37.33~42.35 kJ/mol和80.77 kJ/mol，混燃时SS可降低共混物的表观活化能，同时协同作用使共混物的表观活化能低于其理论值。
关键词：污泥;煤泥;混燃;交互作用;燃烧动力学

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发布时间：2022-11-11
高速磁浮列车气动声学特征的数值模拟研究
张洁,吴雨薇,高建勇,高广军,杨志刚
2022, 53(10): 4185-4196. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.037

摘要：基于大涡模拟(LES)及Kirchhoff-Ffowcs Williams-Hawkings(K-FWH)方程，对400 km/h速度级下高速磁浮列车与高速列车气动/声学特性进行对比研究，获取高速磁浮列车气动激扰发声关键特征；通过分区合理构建扰动源积分面，对600 km/h高速磁浮列车辐射气动噪声进行数值模拟研究。研究结果表明：高速列车车体不平整，几何诱导发声为主要发声机制；而高速磁浮列车车身平顺，尾车流线型区域附面层分离引起的空间扰动是主要发声源；当磁浮列车以600 km/h运行时，气动激扰发声的能量主要由尾车流线型区域偶极子声源及尾流区域四极子声源组成；尾流区四极子声源的平均辐射贡献超过偶极子声源的平均辐射贡献，达到60.9%。
关键词：高速磁浮列车;气动噪声;可穿透积分面;噪声源;辐射噪声

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发布时间：2022-11-11
虚拟轨道列车侧墙结构声学优化设计
付辰辰,姚丹,杨益,齐玉文,肖新标,金学松
2022, 53(10): 4197-4205. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.10.038

摘要：基于有限元-统计能量分析方法(finite element-statistical energy analysis，FE-SEA)和周期结构理论，提出虚拟轨道列车车体结构的声学优化设计方法。首先，基于FE-SEA法对虚拟轨道列车侧墙结构进行声振特性分析；然后，基于周期结构理论建立侧墙结构的声振特性优化模型，结合自适应模拟退火算法(adaptive simulated annealing，ASA)，对侧墙结构进行多目标参数优化设计；最后，根据多目标参数优化设计的结果，替换侧墙结构的几何参数并建立其声振特性预测模型，验证声学优化效果。研究结果表明：提出的车体结构声学优化设计方法可有效用于轻量化约束下的虚拟轨道列车车体结构声学优化设计。优化后侧墙结构的质量降低25.9%，计权隔声量提高1.0 dB，总辐射声功率级降低1.7 dB。车体结构的声学性能得到改善的同时，刚度变化也很小。
关键词：虚拟轨道列车;侧墙结构;有限元-统计能量分析方法(FE-SEA);周期结构;多目标参数优化;隔声;声学性能

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发布时间：2022-11-11

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