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2015年 34卷 第9期
2015, 34(9): 1313-1316.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0901
摘要
PDF 2512KB
摘要:
通过对某卧式加工中心的立柱筋板形式进行优化，使得其主机动态刚度提高。首先利用SolidEdge对主机建立模型，适当简化后导入ANSYS Workbench进行网格划分，并对重要结合面建模，模拟实际工况，得到主机模态振型和以主轴端面为观测点的谐响应曲线。找到主机薄弱环节，并针对立柱筋板形式加以改进。结合Workbench拓扑优化分析，去除立柱外侧壁板部分材料，使得立柱累计减轻质量931.9 kg，约占原有结构质量的9.6%。立柱优化后的主机在前六阶模态频率基本不变的情况下，X方向动刚度提高为原结构的1.82倍，Y方向动刚度提高为原结构的1.37倍。
通过对某卧式加工中心的立柱筋板形式进行优化，使得其主机动态刚度提高。首先利用SolidEdge对主机建立模型，适当简化后导入ANSYS Workbench进行网格划分，并对重要结合面建模，模拟实际工况，得到主机模态振型和以主轴端面为观测点的谐响应曲线。找到主机薄弱环节，并针对立柱筋板形式加以改进。结合Workbench拓扑优化分析，去除立柱外侧壁板部分材料，使得立柱累计减轻质量931.9 kg，约占原有结构质量的9.6%。立柱优化后的主机在前六阶模态频率基本不变的情况下，X方向动刚度提高为原结构的1.82倍，Y方向动刚度提高为原结构的1.37倍。
2015, 34(9): 1317-1321.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0902
摘要:
以表述机构关联特性的拓扑图为基础，引入单开链叠加的方法，即依次将单开链两端的运动副联接在已有运动链的构件上以得到完整的运动链拓扑图，从而为机构类型综合提供研究方法。利用引入的单开链叠加法对欠驱动三指节手指机构进行运动链的生成，分别综合了三自由度及二自由度手指机构的运动链结构类型，并从中优选出一部分拓扑图，进而反推出一些可行的新型手指机构，为欠驱动灵巧手手指提供更多机构类型。
以表述机构关联特性的拓扑图为基础，引入单开链叠加的方法，即依次将单开链两端的运动副联接在已有运动链的构件上以得到完整的运动链拓扑图，从而为机构类型综合提供研究方法。利用引入的单开链叠加法对欠驱动三指节手指机构进行运动链的生成，分别综合了三自由度及二自由度手指机构的运动链结构类型，并从中优选出一部分拓扑图，进而反推出一些可行的新型手指机构，为欠驱动灵巧手手指提供更多机构类型。
2015, 34(9): 1322-1327.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0903
摘要:
TBM掘进时的重载冲击激励可能会造成刀盘剧烈振动进而影响掘进效率。由于物理实验的不可行性和理论分析的复杂性，计算机仿真是研究TBM主机振动特性的理想方式。基于多体系统动力学仿真平台ADAMS建立了TBM主机模型，对TBM的掘进过程进行了动力学仿真。仿真结果表明：刀盘径向振幅为10-1 mm量级比轴向振幅小一个量级；刀盘分体与中心块之间的径向作用力为102 kN量级比轴向作用力小一个量级且峰值频率不同；盾体与主梁之间的径向作用力为104 kN量级比轴向作用力也小一个量级，但刀盘分体与中心块之间的轴向作用力和盾体与主梁之间的轴向作用力结果类似。
TBM掘进时的重载冲击激励可能会造成刀盘剧烈振动进而影响掘进效率。由于物理实验的不可行性和理论分析的复杂性，计算机仿真是研究TBM主机振动特性的理想方式。基于多体系统动力学仿真平台ADAMS建立了TBM主机模型，对TBM的掘进过程进行了动力学仿真。仿真结果表明：刀盘径向振幅为10-1 mm量级比轴向振幅小一个量级；刀盘分体与中心块之间的径向作用力为102 kN量级比轴向作用力小一个量级且峰值频率不同；盾体与主梁之间的径向作用力为104 kN量级比轴向作用力也小一个量级，但刀盘分体与中心块之间的轴向作用力和盾体与主梁之间的轴向作用力结果类似。
2015, 34(9): 1328-1332.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0904
摘要:
根据颚式破碎机的工作特点，应用数值模拟技术，采用脆性开裂材料模型建立三维模型。以朗金准则作为开裂探测原理，模拟和分析单颗粒物料在齿板作用下发生的破碎行为，获得单因素条件下齿距对破碎的影响，验证数值模拟方法研究物料动态破碎的可行性。模拟结果表明：单颗粒物料在单向压缩条件下破碎过程可分为断裂渐变期和断裂突变期，渐变期包含压实阶段及微裂纹萌生和拓展阶段；在其他齿形参数不变的情况下，齿板最大反作用力和最大应力随着齿距增加而增加，最大应力主要出现在齿顶圆角和齿根处，物料的裂解效果随着齿距增加而改善。基于灰色理论得到齿距和性能参数的关联度以及单因素条件下的最优齿距。
根据颚式破碎机的工作特点，应用数值模拟技术，采用脆性开裂材料模型建立三维模型。以朗金准则作为开裂探测原理，模拟和分析单颗粒物料在齿板作用下发生的破碎行为，获得单因素条件下齿距对破碎的影响，验证数值模拟方法研究物料动态破碎的可行性。模拟结果表明：单颗粒物料在单向压缩条件下破碎过程可分为断裂渐变期和断裂突变期，渐变期包含压实阶段及微裂纹萌生和拓展阶段；在其他齿形参数不变的情况下，齿板最大反作用力和最大应力随着齿距增加而增加，最大应力主要出现在齿顶圆角和齿根处，物料的裂解效果随着齿距增加而改善。基于灰色理论得到齿距和性能参数的关联度以及单因素条件下的最优齿距。
2015, 34(9): 1333-1339.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0905
摘要:
为了提高改进型五自由度直角坐标机器人对数控折弯机折弯动作跟随的精确度和同步性，研究了一种基于折弯机滑块实时位置的折弯随动路径规划与运动控制技术。使用Matlab软件进行了折弯随动算法的仿真分析，获得了较好的理论路径。设计开发了折弯机位置采集模块，并采用固高运动控制器组建了机器人折弯随动控制系统。结果表明：该折弯机器人进行折弯随动控制的实际同步路径误差小于0.8 mm，具有较高的跟随精度、加工精度和一致性。
为了提高改进型五自由度直角坐标机器人对数控折弯机折弯动作跟随的精确度和同步性，研究了一种基于折弯机滑块实时位置的折弯随动路径规划与运动控制技术。使用Matlab软件进行了折弯随动算法的仿真分析，获得了较好的理论路径。设计开发了折弯机位置采集模块，并采用固高运动控制器组建了机器人折弯随动控制系统。结果表明：该折弯机器人进行折弯随动控制的实际同步路径误差小于0.8 mm，具有较高的跟随精度、加工精度和一致性。
2015, 34(9): 1340-1344.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0906
摘要:
依据风力机风轮结构设计理论和微型风力机的具体工况，从叶片数、叶片形状和翼型3方面对微型风力机风轮结构进行了优化，得到3种不同的风轮结构方案。结合微型风力机风轮的结构特点和实际工况，运用计算流体动力学软件（FLUENT）建立风轮的三维流场仿真模型，并验证该仿真模型的有效性。分别对3种不同的风轮结构进行气动性能分析，对比其输出转矩和输出功率，确定最优的微型风轮结构。
依据风力机风轮结构设计理论和微型风力机的具体工况，从叶片数、叶片形状和翼型3方面对微型风力机风轮结构进行了优化，得到3种不同的风轮结构方案。结合微型风力机风轮的结构特点和实际工况，运用计算流体动力学软件（FLUENT）建立风轮的三维流场仿真模型，并验证该仿真模型的有效性。分别对3种不同的风轮结构进行气动性能分析，对比其输出转矩和输出功率，确定最优的微型风轮结构。
2015, 34(9): 1345-1349.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0907
摘要:
为了解决混凝土泵车臂架末端布料管在施工现场操作人员的牵引下朝某个任意方向移动时，整个臂架能够随之平稳移动的优化控制问题，提出了基于泵车稳定性要求，以臂架系统整体重心移动范围最小为目标的臂架移动轨迹规划的优化算法。通过建立和求解受臂架多冗余度运动学方程约束的非线性优化目标函数确定了各节臂架移动的期望路径。为验证所提优化方案的合理性，对不同工况下的臂架系统的自动浇筑问题进行仿真分析，并与现有几种轨迹优化方案进行对比，分析结果表明所提优化方案确能使臂架整体重心的移动范围最小。
为了解决混凝土泵车臂架末端布料管在施工现场操作人员的牵引下朝某个任意方向移动时，整个臂架能够随之平稳移动的优化控制问题，提出了基于泵车稳定性要求，以臂架系统整体重心移动范围最小为目标的臂架移动轨迹规划的优化算法。通过建立和求解受臂架多冗余度运动学方程约束的非线性优化目标函数确定了各节臂架移动的期望路径。为验证所提优化方案的合理性，对不同工况下的臂架系统的自动浇筑问题进行仿真分析，并与现有几种轨迹优化方案进行对比，分析结果表明所提优化方案确能使臂架整体重心的移动范围最小。
2015, 34(9): 1350-1354.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0908
摘要:
为了实现对煤炭采样机械臂的精确控制，对采样机械臂的逆解结果进行了择优确定。通过运动学逆解求得逆解组，并采用工作区域划分定位法，在划分好的工作区域内定位出所属区域，根据所属区域内各连杆的运动范围，确定出在少移动大关节，多移动小关节的择优原则下的运动学逆解的最优解，并通过随机选择采样机械臂的工况下的目标位姿，将目标位姿和逆解结果产生的位姿进行了对比，其误差完全符合工作需求，验证了该方法的正确性。得到了各关节运动量，实现了采样机械臂末端执行器的精确定位。
为了实现对煤炭采样机械臂的精确控制，对采样机械臂的逆解结果进行了择优确定。通过运动学逆解求得逆解组，并采用工作区域划分定位法，在划分好的工作区域内定位出所属区域，根据所属区域内各连杆的运动范围，确定出在少移动大关节，多移动小关节的择优原则下的运动学逆解的最优解，并通过随机选择采样机械臂的工况下的目标位姿，将目标位姿和逆解结果产生的位姿进行了对比，其误差完全符合工作需求，验证了该方法的正确性。得到了各关节运动量，实现了采样机械臂末端执行器的精确定位。
2015, 34(9): 1355-1359.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0909
摘要:
在柔顺机构优化中如何考虑设计变量的随机波动与外界随机载荷的不确定性干扰成为柔性机构稳健可靠性保障的关键问题。引入6σ稳健设计方法，建立了稳定性优化模型，并对以柔性悬臂梁为载体的柔顺机构进行了柔度稳健优化设计，通过与传统柔性悬臂梁柔度确定性优化结果对比表明，其柔度稳健水平达到了8σ，验证了6σ稳健优化设计具有良好的效果。
在柔顺机构优化中如何考虑设计变量的随机波动与外界随机载荷的不确定性干扰成为柔性机构稳健可靠性保障的关键问题。引入6σ稳健设计方法，建立了稳定性优化模型，并对以柔性悬臂梁为载体的柔顺机构进行了柔度稳健优化设计，通过与传统柔性悬臂梁柔度确定性优化结果对比表明，其柔度稳健水平达到了8σ，验证了6σ稳健优化设计具有良好的效果。
2015, 34(9): 1360-1364.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0910
摘要:
运用脆性材料的临界切削深度理论，结合Hertz弹性接触理论和运动学方程对超声波磨粒冲击去除机理进行了理论分析，并采用光滑质点流体动力学（SPH）方法，研究了加工过程中磨粒冲击对脆性材料裂纹形成及扩展的影响。结果表明：光学石英玻璃的临界切削深度为0.013 μm。采用粒度为W7的磨粒，加工间隙一定，超声工具头端面振幅在约低于23.87 μm加工时，可实现在延性模式下研抛出高质量的石英玻璃表面；当振幅高于23.87 μm时，可实现在脆性断裂模式下对玻璃表面的高效率研磨。仿真结果表明：脆性材料在磨粒冲击过程中首先表现为弹塑性变形，当达到材料的临界断裂应力时，材料内部开始出现裂纹。
运用脆性材料的临界切削深度理论，结合Hertz弹性接触理论和运动学方程对超声波磨粒冲击去除机理进行了理论分析，并采用光滑质点流体动力学（SPH）方法，研究了加工过程中磨粒冲击对脆性材料裂纹形成及扩展的影响。结果表明：光学石英玻璃的临界切削深度为0.013 μm。采用粒度为W7的磨粒，加工间隙一定，超声工具头端面振幅在约低于23.87 μm加工时，可实现在延性模式下研抛出高质量的石英玻璃表面；当振幅高于23.87 μm时，可实现在脆性断裂模式下对玻璃表面的高效率研磨。仿真结果表明：脆性材料在磨粒冲击过程中首先表现为弹塑性变形，当达到材料的临界断裂应力时，材料内部开始出现裂纹。
2015, 34(9): 1365-1369.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0911
摘要:
高温镍基合金GH4169是一种用于制造航空发动机叶片的特殊难加工材料，传统机械加工方法易使该材料烧伤、使叶片发生变形从而不能保证叶片的表面精度和形位精度。针对该难加工材料，展开了高温镍基合金GH4169砂带磨削工艺试验，着重讨论了多种砂带加工该材料的优劣并进行选择，对砂带磨削的工艺参数进行了分析优化。试验表明：R270（P240）砂带加工该材料较为理想，在一定条件下既满足粗糙度要求，又可实现较大的材料去除率，工艺参数合理。
高温镍基合金GH4169是一种用于制造航空发动机叶片的特殊难加工材料，传统机械加工方法易使该材料烧伤、使叶片发生变形从而不能保证叶片的表面精度和形位精度。针对该难加工材料，展开了高温镍基合金GH4169砂带磨削工艺试验，着重讨论了多种砂带加工该材料的优劣并进行选择，对砂带磨削的工艺参数进行了分析优化。试验表明：R270（P240）砂带加工该材料较为理想，在一定条件下既满足粗糙度要求，又可实现较大的材料去除率，工艺参数合理。
2015, 34(9): 1370-1374.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0912
摘要:
针对三角形网格曲面加工中刀具轨迹的误差均匀性问题，提出了一种等误差步长规划的刀具路径生成算法。该方法将刀具沿网格曲面运动方向的线性误差和转动误差联合作为设计公差，在满足给定精度要求条件下，通过控制设计公差来优化各条刀具轨迹上的刀触点的位置分布，并生成相应的刀位点。在生成完整三角网格曲面刀具路径时充分利用了网格曲面的边界特性，保证了边界一致性。实验表明：该方法生成的刀具路径保持了良好的边界一致性，并显著提高了加工精度和加工质量的均匀性。
针对三角形网格曲面加工中刀具轨迹的误差均匀性问题，提出了一种等误差步长规划的刀具路径生成算法。该方法将刀具沿网格曲面运动方向的线性误差和转动误差联合作为设计公差，在满足给定精度要求条件下，通过控制设计公差来优化各条刀具轨迹上的刀触点的位置分布，并生成相应的刀位点。在生成完整三角网格曲面刀具路径时充分利用了网格曲面的边界特性，保证了边界一致性。实验表明：该方法生成的刀具路径保持了良好的边界一致性，并显著提高了加工精度和加工质量的均匀性。
2015, 34(9): 1375-1380.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0913
摘要:
利用有限元分析软件建立了旋转唇形油封的二维轴对称模型，分析了过盈量、弹簧劲度系数、空气侧唇角3种重要参数对油封接触宽度和唇口接触压力分布的影响，并用理论分析的方法估算出泵汲率和生热量。结果表明：随过盈量的增大，生热量几乎呈直线增加，泵汲率也不断增加，但其增速逐渐变缓；随弹簧劲度系数的增加，生热量不断增加，泵汲率变化不大；随空气侧唇角的增加，油封的泵汲率不断减少；随轴转速增加，油封的泵汲率和生热量均快速增加。
利用有限元分析软件建立了旋转唇形油封的二维轴对称模型，分析了过盈量、弹簧劲度系数、空气侧唇角3种重要参数对油封接触宽度和唇口接触压力分布的影响，并用理论分析的方法估算出泵汲率和生热量。结果表明：随过盈量的增大，生热量几乎呈直线增加，泵汲率也不断增加，但其增速逐渐变缓；随弹簧劲度系数的增加，生热量不断增加，泵汲率变化不大；随空气侧唇角的增加，油封的泵汲率不断减少；随轴转速增加，油封的泵汲率和生热量均快速增加。
2015, 34(9): 1381-1387.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0914
摘要:
以具有解耦作用的八磁极径向AMB为研究对象，基于对象的离散模型设计了常规数字PID控制器使系统稳定。考虑到实际AMB系统具有一定的不确定性，且常规PID对于非线性、结构参数不确定、被控对象受外部影响较大的系统，其控制性能往往不够理想，设计了具有参数在线调整功能的模糊PID控制器。由于模糊PID的变量基本论域在实际的控制过程保持不变，一定程度上降低了控制的精度，为此进一步设计了基于比例缩放思想的改进模糊PID控制器。仿真结果表明：改进模糊PID控制相较于其他控制方法具有更好的控制性能。
以具有解耦作用的八磁极径向AMB为研究对象，基于对象的离散模型设计了常规数字PID控制器使系统稳定。考虑到实际AMB系统具有一定的不确定性，且常规PID对于非线性、结构参数不确定、被控对象受外部影响较大的系统，其控制性能往往不够理想，设计了具有参数在线调整功能的模糊PID控制器。由于模糊PID的变量基本论域在实际的控制过程保持不变，一定程度上降低了控制的精度，为此进一步设计了基于比例缩放思想的改进模糊PID控制器。仿真结果表明：改进模糊PID控制相较于其他控制方法具有更好的控制性能。
2015, 34(9): 1388-1393.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0915
摘要:
利用三坐标测量机测量整体叶轮，需要分度装置来满足各个叶片的测量。由于各种误差特别是安装误差的影响，会引起整体叶轮中心轴与分度装置的中心轴不重合从而产生运动偏心，使得测头无法顺利接触叶片并影响整体叶轮叶片型面的检测精度。提出两种测量策略：分次独立坐标系测量法和统一坐标系测量法。前者在每次分度后都重新建立坐标系，减少分度过程中造成的误差；后者只建立一次坐标系，通过计算叶轮中心与分度装置中心间的偏心来进行误差补偿。
利用三坐标测量机测量整体叶轮，需要分度装置来满足各个叶片的测量。由于各种误差特别是安装误差的影响，会引起整体叶轮中心轴与分度装置的中心轴不重合从而产生运动偏心，使得测头无法顺利接触叶片并影响整体叶轮叶片型面的检测精度。提出两种测量策略：分次独立坐标系测量法和统一坐标系测量法。前者在每次分度后都重新建立坐标系，减少分度过程中造成的误差；后者只建立一次坐标系，通过计算叶轮中心与分度装置中心间的偏心来进行误差补偿。
2015, 34(9): 1394-1398.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0916
摘要:
复杂产品的实时碰撞检测是虚拟装配仿真过程中的计算瓶颈。在树形装配模型中，以面片表示的模型碰撞检测精度不足，而以实体建模的模型利用全局干涉检查的时间则开销太大，无法满足系统实时性要求。针对上述问题，提出了CAD环境中的分布式碰撞检测算法，CAD主机完成零件对的包围盒预碰撞检测，基于负载均衡原则，对需精确检测零件对进行任务分配并发送至CAD从机，而从机则完成零件对的精确碰撞检测及结果返回。仿真实验结果表明：该算法在满足精确性要求同时，能有效提高碰撞检测的实时性。
复杂产品的实时碰撞检测是虚拟装配仿真过程中的计算瓶颈。在树形装配模型中，以面片表示的模型碰撞检测精度不足，而以实体建模的模型利用全局干涉检查的时间则开销太大，无法满足系统实时性要求。针对上述问题，提出了CAD环境中的分布式碰撞检测算法，CAD主机完成零件对的包围盒预碰撞检测，基于负载均衡原则，对需精确检测零件对进行任务分配并发送至CAD从机，而从机则完成零件对的精确碰撞检测及结果返回。仿真实验结果表明：该算法在满足精确性要求同时，能有效提高碰撞检测的实时性。
2015, 34(9): 1399-1405.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0917
摘要:
为了弥补基于统计特征提取算法对三维模型的内容描述不够充分，以及识别能力不高的缺陷，提出了三维模型特征面分级过滤检索方法。在线下阶段对IGES格式的模型文件进行解析，得到模型的面属性信息。在线上阶段手绘输入模型特征面对模型进行多级过滤，再根据归类统计的特征面数据表转化的模型特征向量进行精确检索，并通过距离算法进行相似性计算和排序。实验结果表明：该检索方法在效率和准确率上有所提高，并且能够满足一般工程检索的需要。
为了弥补基于统计特征提取算法对三维模型的内容描述不够充分，以及识别能力不高的缺陷，提出了三维模型特征面分级过滤检索方法。在线下阶段对IGES格式的模型文件进行解析，得到模型的面属性信息。在线上阶段手绘输入模型特征面对模型进行多级过滤，再根据归类统计的特征面数据表转化的模型特征向量进行精确检索，并通过距离算法进行相似性计算和排序。实验结果表明：该检索方法在效率和准确率上有所提高，并且能够满足一般工程检索的需要。
2015, 34(9): 1406-1409.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0918
摘要:
对某液体静压电主轴系统进行热态特性研究，分析系统热源和散热方式，建立基于热-结构耦合的电主轴系统有限元分析模型，通过对电主轴系统进行热-结构耦合分析，得到某工况下电主轴系统的温度场和不同方向的热变形分布。结果表明：电主轴系统的最高温度出现在主轴前轴承处；电主轴系统轴向最大热变形出现在主轴前端砂轮安装处，沿径向的热变形偏大，影响加工精度。
对某液体静压电主轴系统进行热态特性研究，分析系统热源和散热方式，建立基于热-结构耦合的电主轴系统有限元分析模型，通过对电主轴系统进行热-结构耦合分析，得到某工况下电主轴系统的温度场和不同方向的热变形分布。结果表明：电主轴系统的最高温度出现在主轴前轴承处；电主轴系统轴向最大热变形出现在主轴前端砂轮安装处，沿径向的热变形偏大，影响加工精度。
2015, 34(9): 1410-1414.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0919
摘要:
以减弱机架间张力耦合作用、减小张力波动对下游区段张力稳定的影响为目标，提出线性自抗扰解耦控制解决方案。在建立系统动态机理模型的基础上，将各机架间的动态耦合视为扰动，由线性扩张状态观测器实时估计并采用状态反馈控制予以补偿，通过设计与静态解耦器串联的线性自抗扰控制器，使复杂的多输入多输出MIMO（multi-input-multi-output， MIMO）系统解耦成多个并行的单输入单输出子系统。仿真结果表明：与传统的分散PID控制方法相比，该控制器不仅有效减弱了机架间张力的耦合作用，抑制了张力波动向下游段传播，而且使系统对模型失配和外部干扰等不确定因素具有良好的鲁棒性能。
以减弱机架间张力耦合作用、减小张力波动对下游区段张力稳定的影响为目标，提出线性自抗扰解耦控制解决方案。在建立系统动态机理模型的基础上，将各机架间的动态耦合视为扰动，由线性扩张状态观测器实时估计并采用状态反馈控制予以补偿，通过设计与静态解耦器串联的线性自抗扰控制器，使复杂的多输入多输出MIMO（multi-input-multi-output， MIMO）系统解耦成多个并行的单输入单输出子系统。仿真结果表明：与传统的分散PID控制方法相比，该控制器不仅有效减弱了机架间张力的耦合作用，抑制了张力波动向下游段传播，而且使系统对模型失配和外部干扰等不确定因素具有良好的鲁棒性能。
2015, 34(9): 1415-1418.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0920
摘要:
白车身优化过程中，由于板件较多，直接使用模态灵敏度分析的分析对象多且计算量大。本文引入模态应变能分析方法，从而减少模态灵敏度分析对象，提高优化效率。基于模态试验验证的有限元模型，选取模态应变能分析的一阶模态振型下的薄弱位置，缩小模态灵敏度分析的板件范围，再根据灵敏度分析结果对板件厚度进行调整，提高白车身一阶模态频率。最终结果表明，优化后一阶模态频率由15.75 Hz提高到了16.50 Hz，同时白车身质量未增加，实现了白车身模态性能提升的同时车身不增重。
白车身优化过程中，由于板件较多，直接使用模态灵敏度分析的分析对象多且计算量大。本文引入模态应变能分析方法，从而减少模态灵敏度分析对象，提高优化效率。基于模态试验验证的有限元模型，选取模态应变能分析的一阶模态振型下的薄弱位置，缩小模态灵敏度分析的板件范围，再根据灵敏度分析结果对板件厚度进行调整，提高白车身一阶模态频率。最终结果表明，优化后一阶模态频率由15.75 Hz提高到了16.50 Hz，同时白车身质量未增加，实现了白车身模态性能提升的同时车身不增重。
2015, 34(9): 1419-1423.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0921
摘要:
以三轴商用车ASR为研究对象，研究了低附路面下发动机扭矩控制和分离路面下差动制动控制的驱动防滑控制算法，设计了发动机扭矩PID控制器和以滑转量和轮加速度为门限的差动制动门限逻辑控制算法，并研制了ABS/ASR控制器。采用Trucksim、Labview RT及转向、制动系统实物搭建硬件在环仿真平台，对开发的ABS/ASR 控制器进行典型工况试验分析。试验结果表明：所开发的驱动防滑控制算法能较好地抑制车轮滑转，提高了车辆动力性和燃油经济性。
以三轴商用车ASR为研究对象，研究了低附路面下发动机扭矩控制和分离路面下差动制动控制的驱动防滑控制算法，设计了发动机扭矩PID控制器和以滑转量和轮加速度为门限的差动制动门限逻辑控制算法，并研制了ABS/ASR控制器。采用Trucksim、Labview RT及转向、制动系统实物搭建硬件在环仿真平台，对开发的ABS/ASR 控制器进行典型工况试验分析。试验结果表明：所开发的驱动防滑控制算法能较好地抑制车轮滑转，提高了车辆动力性和燃油经济性。
2015, 34(9): 1424-1426.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0922
摘要:
为了研究复合材料层合结构在疲劳载荷下的分层扩展行为，开发了复合材料层间疲劳损伤数值计算模型。定义层间材料模型包括层间材料本构关系、损伤判据以及疲劳损伤演化法则。疲劳损伤通过定义内聚力单元损伤变量的演化规律来表示。通过有限元商用软件，考虑到疲劳问题的特点，运用加速算法和疲劳载荷等效原理，并结合自定义材料子程序实现了疲劳损伤的模拟。最后，运用该模型模拟了层状复合材料双悬臂梁的疲劳分层扩展，并将数值模拟结果与实验数据对比，表明该模型在模拟层间裂纹的形成和扩展的有效性。
为了研究复合材料层合结构在疲劳载荷下的分层扩展行为，开发了复合材料层间疲劳损伤数值计算模型。定义层间材料模型包括层间材料本构关系、损伤判据以及疲劳损伤演化法则。疲劳损伤通过定义内聚力单元损伤变量的演化规律来表示。通过有限元商用软件，考虑到疲劳问题的特点，运用加速算法和疲劳载荷等效原理，并结合自定义材料子程序实现了疲劳损伤的模拟。最后，运用该模型模拟了层状复合材料双悬臂梁的疲劳分层扩展，并将数值模拟结果与实验数据对比，表明该模型在模拟层间裂纹的形成和扩展的有效性。
2015, 34(9): 1427-1430.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0923
摘要:
提出了头枕安全气囊的设想：在前排座椅头枕内部增设安全气囊，在正面碰撞中该气囊打开并迅速膨胀，在后排乘员头部与座椅间形成气垫，并吸收碰撞能量，避免头部与前排头枕或靠背发生二次碰撞，从而达到减轻乘员伤害的目的。为此，以某型轿车相关尺寸与性能参数为依据，采用碰撞仿真软件MADYMO建立了后排乘员约束系统仿真模型，并经试验验证。仿真结果表明：相比于普通前排座椅，头枕气囊能够使后排乘员头部伤害值HIC15下降66.4%，颈部枕骨伸张弯矩下降63.9%，而胸部伤害值T3MS仅增加5.5%。
提出了头枕安全气囊的设想：在前排座椅头枕内部增设安全气囊，在正面碰撞中该气囊打开并迅速膨胀，在后排乘员头部与座椅间形成气垫，并吸收碰撞能量，避免头部与前排头枕或靠背发生二次碰撞，从而达到减轻乘员伤害的目的。为此，以某型轿车相关尺寸与性能参数为依据，采用碰撞仿真软件MADYMO建立了后排乘员约束系统仿真模型，并经试验验证。仿真结果表明：相比于普通前排座椅，头枕气囊能够使后排乘员头部伤害值HIC15下降66.4%，颈部枕骨伸张弯矩下降63.9%，而胸部伤害值T3MS仅增加5.5%。
2015, 34(9): 1431-1437.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0924
摘要:
针对重型商用车采用多持续制动系统进行制动时车速稳定性差和驾驶员操作复杂等问题，对发动机制动、排气制动和电涡流缓速器的联合制动匹配控制进行了研究。通过道路试验获得不同制动方式的制动特性并提出联合匹配控制方案；采用BP神经网络控制方法设计了联合制动匹配控制系统，并运用Matlab/Simulink进行控制系统仿真模拟。仿真结果表明：该控制系统能够保证车辆在一定的坡度上以期望车速稳定行驶，有效降低了驾驶员操作强度和复杂性，从而提高了商用车长下坡的行驶安全性。
针对重型商用车采用多持续制动系统进行制动时车速稳定性差和驾驶员操作复杂等问题，对发动机制动、排气制动和电涡流缓速器的联合制动匹配控制进行了研究。通过道路试验获得不同制动方式的制动特性并提出联合匹配控制方案；采用BP神经网络控制方法设计了联合制动匹配控制系统，并运用Matlab/Simulink进行控制系统仿真模拟。仿真结果表明：该控制系统能够保证车辆在一定的坡度上以期望车速稳定行驶，有效降低了驾驶员操作强度和复杂性，从而提高了商用车长下坡的行驶安全性。
2015, 34(9): 1438-1441.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0925
摘要:
考虑到模型跟踪控制时的车辆状态误差主要来自于初始状态和车辆参数的差异，针对仅存在初始状态差异的主动四轮转向车辆设计了最优控制，该控制策略能让其很快地跟踪上参考模型。针对两种差异同时存在的主动四轮转向车辆，采用最优控制设计了滑模面以消除因初始状态差异所导致的车辆状态误差，并在此基础上设计了分数阶滑模控制器以进一步消除因车辆参数差异所导致的状态误差。仿真结果表明：当主动四轮转向车辆和参考模型的参数不匹配时，也能很快地让控制车辆跟踪上参考模型。可见，采用最优控制设计滑模面的分数阶滑模控制是有效的。
考虑到模型跟踪控制时的车辆状态误差主要来自于初始状态和车辆参数的差异，针对仅存在初始状态差异的主动四轮转向车辆设计了最优控制，该控制策略能让其很快地跟踪上参考模型。针对两种差异同时存在的主动四轮转向车辆，采用最优控制设计了滑模面以消除因初始状态差异所导致的车辆状态误差，并在此基础上设计了分数阶滑模控制器以进一步消除因车辆参数差异所导致的状态误差。仿真结果表明：当主动四轮转向车辆和参考模型的参数不匹配时，也能很快地让控制车辆跟踪上参考模型。可见，采用最优控制设计滑模面的分数阶滑模控制是有效的。
2015, 34(9): 1442-1445.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0926
摘要:
以某乘用车后轴为研究对象，将有限元方法与后轴的可靠性试验相结合，在静力分析结果的基础上，采用名义应力法和局部应力应变法两种疲劳分析方法，对两种不同热处理方式得到后轴进行疲劳仿真计算，并以后轴疲劳台架可靠性试验结果为标准，对比分析结果与试验结果，寻找更接近实际台架试验情况的疲劳分析方法。结果表明：当低周疲劳的工作应力接近或超过材料的屈服极限时，采用应变疲劳分析法对结构进行疲劳分析，其结果更为精准。
以某乘用车后轴为研究对象，将有限元方法与后轴的可靠性试验相结合，在静力分析结果的基础上，采用名义应力法和局部应力应变法两种疲劳分析方法，对两种不同热处理方式得到后轴进行疲劳仿真计算，并以后轴疲劳台架可靠性试验结果为标准，对比分析结果与试验结果，寻找更接近实际台架试验情况的疲劳分析方法。结果表明：当低周疲劳的工作应力接近或超过材料的屈服极限时，采用应变疲劳分析法对结构进行疲劳分析，其结果更为精准。
2015, 34(9): 1446-1450.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0927
摘要:
为进一步探索金属疲劳过程中内部结构及表面形貌的变化规律，进行了T2纯铜的低周疲劳试验，通过远端显微镜获取材料表面形貌显微图像并使用图像灰度直方图及灰度共生矩阵方法用Matlab编程对图像进行处理及特征提取。通过对不同循环周次图像特征值提取和分析，发现了表面形貌及其特征值与疲劳损伤的密切相关性。
为进一步探索金属疲劳过程中内部结构及表面形貌的变化规律，进行了T2纯铜的低周疲劳试验，通过远端显微镜获取材料表面形貌显微图像并使用图像灰度直方图及灰度共生矩阵方法用Matlab编程对图像进行处理及特征提取。通过对不同循环周次图像特征值提取和分析，发现了表面形貌及其特征值与疲劳损伤的密切相关性。
2015, 34(9): 1451-1454.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0928
摘要:
基于裂纹尖端钝化理论及尖切口根部断裂准则，以裂纹尖端临界钝化半径ρc为两种模型的物理关联点，提出了裂纹尖端微试棒材料元受载方向的变形能力即延伸率δ与ρc直接相关的假设，进而给出了高塑性金属材料断裂韧性预测的δ模型。分析表明断裂韧性KIc与材料的弹性模量和延伸率相关，而对于同一种材料，则断裂韧性KIc仅与延伸率相关。2124铝合金在不同热处理状态和不同取向上的试验结果验证了上述δ模型的正确性。给出了2124铝合金断裂韧性KIc定量估算的线性表达式，且预测结果与试验结果符合性较好。
基于裂纹尖端钝化理论及尖切口根部断裂准则，以裂纹尖端临界钝化半径ρc为两种模型的物理关联点，提出了裂纹尖端微试棒材料元受载方向的变形能力即延伸率δ与ρc直接相关的假设，进而给出了高塑性金属材料断裂韧性预测的δ模型。分析表明断裂韧性KIc与材料的弹性模量和延伸率相关，而对于同一种材料，则断裂韧性KIc仅与延伸率相关。2124铝合金在不同热处理状态和不同取向上的试验结果验证了上述δ模型的正确性。给出了2124铝合金断裂韧性KIc定量估算的线性表达式，且预测结果与试验结果符合性较好。
2015, 34(9): 1455-1460.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0929
摘要:
对于不同环境试验温度，针对冷杆与高温试样接触时间问题，采用ABAQUS商用软件系统的模拟了在不同接触时间内高温试样、加载杆的热传导与分布，然后对SHPB中高温高应变率气动同步机构试验方法，利用激光测速技术测试了高温试样与冷加载杆在加载前和过程中可实现的接触时间，对气动同步机构的可靠性和试验测试的有效性进行了分析。结果表明，当接触时间超过约200 ms，高温试样的温度会下降超过约10%；在1 200 ℃时，接触时间超过500 ms，加载杆端中心温度超过金属杆允许温度约250 ℃；通过精细调整，本文介绍的高温高应变率SHPB试验气动同步机构可实现10 ms量级的冷杆与高温试样的接触时间，试验验证高温高应变率测试方法具有可信性。
对于不同环境试验温度，针对冷杆与高温试样接触时间问题，采用ABAQUS商用软件系统的模拟了在不同接触时间内高温试样、加载杆的热传导与分布，然后对SHPB中高温高应变率气动同步机构试验方法，利用激光测速技术测试了高温试样与冷加载杆在加载前和过程中可实现的接触时间，对气动同步机构的可靠性和试验测试的有效性进行了分析。结果表明，当接触时间超过约200 ms，高温试样的温度会下降超过约10%；在1 200 ℃时，接触时间超过500 ms，加载杆端中心温度超过金属杆允许温度约250 ℃；通过精细调整，本文介绍的高温高应变率SHPB试验气动同步机构可实现10 ms量级的冷杆与高温试样的接触时间，试验验证高温高应变率测试方法具有可信性。
2015, 34(9): 1461-1466.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0930
摘要:
以典型金属加筋板为鸟撞实验研究对象，采用数字图像相关法的非接触测试方法实现鸟撞区域测试点三维位移信息的测量，与传统的接触式测试方法相比，测试精度和可靠性得到了提高。并通过分析高速摄像结果，得到数值模拟中鸟体应采用的描述流体行为的本构模型。最后通过对比不同撞击点的实验结果，确定了典型加筋板的鸟撞危险点，验证了加筋板不同的蒙皮-筋条间连接强度对结构抗鸟撞性能的影响。
以典型金属加筋板为鸟撞实验研究对象，采用数字图像相关法的非接触测试方法实现鸟撞区域测试点三维位移信息的测量，与传统的接触式测试方法相比，测试精度和可靠性得到了提高。并通过分析高速摄像结果，得到数值模拟中鸟体应采用的描述流体行为的本构模型。最后通过对比不同撞击点的实验结果，确定了典型加筋板的鸟撞危险点，验证了加筋板不同的蒙皮-筋条间连接强度对结构抗鸟撞性能的影响。
2015, 34(9): 1467-1471.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0931
摘要:
为了提高型材滚弯成形外形轮廓的精度，研究了Z型材滚弯成形回弹变形规律，建立了型材成形半径与滚弯机侧滚轮位移的关系，给出了考虑回弹变形的型材滚弯成形工艺参数。基于ABAQUS有限元软件，建立了型材滚弯成形过程的三维模型，分析了主滚轮尺寸、夹紧力和摩擦系数对型材沿长度方向各段曲率变化的影响。结果表明：主滚轮尺寸越大，曲率分布越均匀；并确定出该型材滚弯成形时合理的夹紧力和摩擦系数范围。应用模拟分析确定的最佳工艺参数完成该型材的滚弯成形加工，验证了该参数对滚弯型材外形精度的提高作用。
为了提高型材滚弯成形外形轮廓的精度，研究了Z型材滚弯成形回弹变形规律，建立了型材成形半径与滚弯机侧滚轮位移的关系，给出了考虑回弹变形的型材滚弯成形工艺参数。基于ABAQUS有限元软件，建立了型材滚弯成形过程的三维模型，分析了主滚轮尺寸、夹紧力和摩擦系数对型材沿长度方向各段曲率变化的影响。结果表明：主滚轮尺寸越大，曲率分布越均匀；并确定出该型材滚弯成形时合理的夹紧力和摩擦系数范围。应用模拟分析确定的最佳工艺参数完成该型材的滚弯成形加工，验证了该参数对滚弯型材外形精度的提高作用。
2015, 34(9): 1472-1476.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.0932
摘要:
根据反射面天线结构的设计特点和工作特性，在传统多工况离散变量优化设计的基础上，通过引入天线增益损失，建立了以天线质量或增益为优化目标、结构加权应变能为约束的机电耦合优化模型。通过对某反射面天线结构的结构优化，将本文方法与传统优化方法进行了对比分析。数值结果表明：采用传统优化方法即使增加天线结构刚度也未必能提高天线的电性能。而通过耦合优化设计，在容许的设计范围内，既能保证天线的电性能指标，又能满足结构的刚度要求。
根据反射面天线结构的设计特点和工作特性，在传统多工况离散变量优化设计的基础上，通过引入天线增益损失，建立了以天线质量或增益为优化目标、结构加权应变能为约束的机电耦合优化模型。通过对某反射面天线结构的结构优化，将本文方法与传统优化方法进行了对比分析。数值结果表明：采用传统优化方法即使增加天线结构刚度也未必能提高天线的电性能。而通过耦合优化设计，在容许的设计范围内，既能保证天线的电性能指标，又能满足结构的刚度要求。
