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2016年  35卷  第10期

机械动力学
AFM探针-样品作用力模拟及动力学分析
周德元, 张琪昌, 王炜
2016, 35(10): 1477-1483. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1001
摘要:
针对原子力显微镜中探针-样品系统间力学特性的复杂性,本文建立了针尖-样品系统的分子动力学模型,采用混合势模拟了它们间的相互作用力并获得了力-距离曲线表达式。基于该表达式,建立了系统动力学方程,分别采用多尺度法和数值仿真研究了不同样品材料对原子力显微镜针尖-样品耦合系统动力学特性的影响。结果表明:不同样品材料对针尖的受力情况影响较大,力-距离曲线波动明显,分析中应区别对待;针尖样品系统中存在丰富的周期运动,且不同的样品材料对原子力显微镜耦合系统的非线性动力学行为有较大的影响。
多点分布载荷作用下TBM刀盘裂纹萌生寿命预测
欧阳湘宇, 孙伟, 霍军周
2016, 35(10): 1484-1488. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1002
摘要:
隧道掘进机(TBM)是用于隧道掘进的大型复杂工程机械,刀盘是TBM的关键部件承载数十把滚刀与岩石作用。掘进时的反力和扭矩作用在刀盘上容易产生裂纹降低寿命,刀盘的寿命制约着TBM的寿命。为了研究刀盘的寿命,提出了综合运用多体动力学和有限元计算刀盘动应力的一种方法并使用此方法计算了刀盘的动应力,计算结果与实测数据的均值误差仅为13%。对动应力进行统计计数并按照幅值的分布规律将其分为八级,结合材料的应力-寿命曲线对刀盘裂纹萌生寿命进行了预测,预测结果表明刀盘的裂纹萌生寿命为84天。裂纹萌生寿命预测结果可以为TBM刀盘的抗疲劳设计提供参考,也可以为安排施工检修周期提供依据。
TBM刀盘有限元参数化建模方法
韩美东, 陈馈, 蔡宗熙, 曲传咏
2016, 35(10): 1489-1493. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1003
摘要:
受结构复杂性的影响,TBM刀盘的有限元建模过程将耗费大量的时间成本。基于APDL(ANSYS parametric design language)语言,研究了典型刀盘结构的有限元参数化建模方法,并通过模态实验对建模方法的可靠性进行了验证。结果表明:刀盘固有频率的计算值与测试值的最大误差仅为6.58%,按本文方法建立的刀盘有限元模型能够较好地反映实物模型的固有特性,可作为相关仿真计算的基础模型。研究结果可为刀盘的仿真分析及复杂结构的快速有限元建模提供参考。
微尺度湍流风速液压风力发电短期储能特性研究
李富柱, 王存堂, 郭玉琴
2016, 35(10): 1494-1498. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1004
摘要:
研究微尺度湍流风速对风力机输出功率的影响,在均速为额定风速的微尺度湍流风速作用下,分析蓄能器有效容积、单位质量储能和充电状态等主要参数与湍流部分的关系。并在此基础上,提出一种既能短期储能又能使发电机处于额定功率运行的液压风力发电系统。并就微尺度湍流强度为12%额定风速情况,对带有蓄能器短期储能的10 kw液压风力发电系统进行仿真研究,结果表明,带蓄能器短期储能的液压风力发电系统比没有蓄能器的液压风力发电系统输出能量提高11.3%。
机敏约束层阻尼薄板有限元建模与实验研究
鲁俊, 王攀, 邓兆祥, 李政, 孔德飞
2016, 35(10): 1499-1504. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1005
摘要:
基于Kichhoff薄板理论,考虑基层、粘弹性层和压电层的耦合运动及位移协调关系,采用有限元法建立了机敏约束层阻尼结构的单元动力学方程。在单元组集后的系统总动力学方程中将基层的弹性结构阻尼以比例阻尼的形式给出,同时为表征粘弹性材料随温度、频率变化的力学特性,结合GHM(Golla-Hughes-Mctavish)模型推导出了结构的有限元总动力学分析方程。以局部覆盖机敏约束层阻尼的对边固支板铝板为实例,通过动力学参数理论计算与模态试验对比分析,结果表明:考虑基层阻尼后的分析结果明显好于不考虑基层阻尼的分析结果,与实验更接近;在总动力学方程中引入GHM模型,可以用相对较少的耗散自由度得到较准确的有限元动力学模型,减少了计算工作量。
平面八杆复铰单自由度机构的构型综合
曹毅, 王强, 陈桂兰
2016, 35(10): 1505-1512. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1006
摘要:
为综合得到含复合铰链的八杆机构所有构型,提出了一种基于杆组邻接矩阵的构型综合方法。首先,根据机构构件数目,分析机构所有可能的装配组合,并且构造杆组邻接矩阵对角元素。其次,由于机构中复铰类型及个数情况均有不同,将机构分为复铰因子v=1~4的不同类型,根据不同类型,将各级Assur杆组依次连接到前各元素的构件或者运动副上,形成多副杆或者复铰,同时逐步构造杆组邻接矩阵中其余元素,并同步辨识同构体。最后,直至将所有杆组全部连接完成,获得含复铰的八杆机构全部构型。应用该方法,求出了含各类型复铰及不同复铰因子的八杆机构共681种。
3-UPS/PU飞行模拟器运动平台伺服电机参数预估
洪振宇, 张志旭, 许致华
2016, 35(10): 1513-1519. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1007
摘要:
研究一种三自由度飞行模拟器运动平台的伺服电机参数预估方法,该运动平台由动平台、静平台以及二者之间的3条无约束主动支链和1条恰约束从动支链组成。提出了运动平台的恰约束从动支链由气动支撑单元和对动平台约束的机构构成。其中,气动支撑单元通过压缩气体承载动平台的自重和主要负载,减小了主动支链的驱动力。通过虚功原理建立了运动平台“最坏情况”的逆动力学模型,研究了运动平台在“最坏情况”下的伺服电机参数预估,并以此为依据进行伺服电机的选型。在算例中,研究了气动支撑单元支撑力对伺服电机峰值力矩的影响,通过运动平台“最坏情况”模拟某青岛到北京航班起飞部分过程对伺服电机参数进行校核,验证了方法的有效性和选择伺服电机的合理性。
分数阶微分型黏弹性地基上变厚度矩形板的动力响应分析
赵凤群, 张瑞平, 王小侠
2016, 35(10): 1520-1524. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1008
摘要:
研究了黏弹性地基上变厚度矩形薄板的动力响应。采用分数阶微分的Kelvin-voigt模型描述地基的黏弹性特征,基于弹性板的基本假设,对于小变形问题,建立了黏弹性地基上变厚度矩形薄板的动力控制微分方程。针对该分数阶变系数偏微分方程,采用Galerkin法和Haar小波配点法进行数值求解。分析了四边简支板的动力响应特性,得到了均布载荷作用下线性模型、抛物线模型板中心挠度曲线,讨论了变厚度矩形板的厚度比、长宽比、分数阶导数的阶数、地基弹簧系数、粘滞系数、水平剪切系数等参数变化对板动力特性的影响。
ABAQUS模拟粉末冲击压制冲模质量数值优化
胡海烽, 刘军
2016, 35(10): 1525-1530. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1009
摘要:
采用有限元软件模拟金属粉末冲击压制过程时,由于计算量过大,所建立的模型颗粒数远低于实际粉末压制中的颗粒数,造成计算结果偏差过大,需要对冲模质量等相关参数进行优化。优化基于SHPB实验结果,通过ABAQUS对铝粉建立密排球堆积简化模型,有序增加模型横向与纵向颗粒数,确定仿真模型中冲模的质量,进而构建模拟中颗粒数与冲模相对质量之间关系,分别得到横向和纵向颗粒排数与冲模相对质量的关系;确立了粉末微观模拟压制中最常用的密排9堆积模型的冲模相对质量为0.093;通过与铜粉的冲击压实实验结果对比,验证所建立的模型颗粒数与冲模相对质量关系式在其他材料计算中也是适用的。
机械结合面微观接触弹流润滑数值分析
王立华, 杨竹, 陆梓, 王鹏程
2016, 35(10): 1531-1537. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1010
摘要:
结合传统点接触润滑问题和分形接触理论,将与表面形貌相关的微观参数引入部分膜弹流润滑问题,建立了机械结合面在润滑状态下的微观弹流分形点接触分析模型。对该模型进行无量纲化处理后,将其中的Reynolds方程、膜厚方程和载荷平衡方程分别采用有限差分法和二重积分的九点Simpson方法在求解域网格上进行离散,然后分别采用多重网格法和多重网格积分法计算得到润滑油膜压力和油膜厚度的三维分布。从计算结果可得,当微观接触表面具有一定粗糙度时,在出现油膜压力峰位置附近会出现油膜收缩。
结构参数对床鞍动态特性的影响
段明德, 李言
2016, 35(10): 1538-1543. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1011
摘要:
为得到床鞍结构参数对其动态特性的影响规律,以高速精密数控车床ADGM35的床鞍为研究对象,建立并验证了有限元分析模型。结合正交试验设计的方法,以床鞍关键结构参数为因素,以床鞍前两阶固有频率和质量为试验指标,进行三因素五水平正交试验设计。通过极差与方差法确定床鞍结构参数对试验指标影响的灵敏度,最后建立床鞍结构参数与固有频率和质量之间的响应面模型,可为床鞍结构优化设计提供参考。
3-RPRS并联机构的运动学及仿真研究
郝亮亮, 李虹, 李瑞琴, 随磊, 李晓润
2016, 35(10): 1544-1549. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1012
摘要:
以3-RPRS并联机构为研究对象,机构动平台3个顶点之间的长度为约束条件,建立约束方程,研究该并联机构正解的封闭解形式;运用欧拉角描绘物体运动的Z-Y-X型坐标变换法将动平台顶点坐标转换到定坐标系中,求解了位置反解。对正反解结果进行数值验证,并进行了ADAMS运动学仿真,验证数值计算正反解的结果是正确的。最后,研究了该机构在跳跃机器人关节中的应用,并进行了运动学的仿真,结果表明该机构有类似蛙跳的功能。
扩展卡尔曼滤波和配准算法的工业机器人误差补偿
罗天洪, 刘淼, 马翔宇, 陈才, 张剑
2016, 35(10): 1550-1555. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1013
摘要:
针对现有工业机器人误差,特别是工业机器人末端轨迹精度低、实时监测计算复杂等问题,提出利用扩展卡尔曼滤波器和配准算法组合提高机器人末端轨迹精度的算法,解决了机器人末端精度低、控制补偿不准确等问题。建立SCARA机器人数学模型,同时建立基于扩展卡尔曼滤波和配准算法的机器人误差补偿模型,通过扩展卡尔曼滤波、配准算法进行误差补偿,实现了末端精度的提高。通过仿真验证,分析对比机械手末端轨迹补偿前后的误差,证明了算法的可靠性与准确性。
柴油机表面辐射噪声源识别研究
孟浩东, 干为民, 李舜酩, 徐毅, 廖连莹
2016, 35(10): 1556-1562. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1014
摘要:
以某单缸柴油机为研究对象,建立近场声压与表面振速联合信息法对该柴油机进行了表面辐射噪声源识别的研究。首先,利用近场声压阵面扫描快速定位了标定工况下主要辐射表面的主要辐射部件;再基于平板结构的辐射模型,研究分析了主要辐射部件的声辐射能力;然后,在综合考虑声辐射系数影响因素基础上,识别分析了主要辐射部件结构表面噪声的辐射特性,与传统方法相比提高了识别精度;再结合隔声法深入地识别了主要辐射部件结构噪声中的主要噪声源;最后,对建立方法识别结果进行了降噪试验验证。该识别方法可为明确柴油机降噪目标以及结构低噪声设计目标提供理论指导。
螺杆压缩机转子反向设计与动力学仿真
何雪明, 童洁, 叶水平, 武美萍, 张荣, 纪小刚
2016, 35(10): 1563-1571. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1015
摘要:
针对传统的双螺杆压缩机转子型线的正向设计方法,计算过程繁琐复杂,且无法预判型线综合性能的问题,在深入研究啮合线与转子型线间关系的基础上,提出一种反向设计方法:通过设计啮合线反求获得阴阳转子型线。建立反向设计时阴阳转子的坐标转换关系,基于啮合原理推导反向设计阴阳转子型线的具体过程,分别以几种典型曲线作为啮合线段反求阴阳转子型线方程。在GHH型线的研究基础上,自行设计了一条啮合线,反向推导计算出一对阴阳转子型线进行流体分析并与GHH型线对比,发现该反向设计转子型线与GHH型线性能接近。结合实验结果表明,反向设计方法可有效应用于螺杆转子型线设计。
MK7-3拦阻器刚柔耦合动力学建模与分析
刘成玉, 王斌团
2016, 35(10): 1572-1577. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1016
摘要:
结合MK7-3拦阻系统结构特点和工作原理,建立了完整包含拦阻液压缓冲器、滑轮组系统和拦阻索在内的刚柔耦合拦阻系统动力学仿真分析模型。模型采用三维索单元模型模拟拦阻索在高速冲击作用下的弯折波现象,采用非线性弹簧阻尼单元模拟液压缓冲器的输出载荷,采用刚性体模拟动滑轮和定滑轮。数值仿真分析结果表明,本文建立的拦阻系统动力学模型能够很好的描述拦阻索在拦阻初始阶段产生的弯折波,舰载机着舰滑跑数据的计算结果与实验结果吻合。
精密制造与加工
挤压筒颤振辅助双杯挤压成形过程有限元分析
胡新华, 杨庆华, 王志恒, 鲍官军, 洪潇潇, 薛军义
2016, 35(10): 1578-1585. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1017
摘要:
阐述挤压筒颤振辅助双杯挤压成形机理,运用Deform-3D有限元分析软件进行数值模拟仿真,分析比较不同施振参数下的行程载荷、材料流动速度、杯高比及等效应力分布。仿真结果表明挤压筒颤振可降低平均行程载荷,其平均行程载荷的最大下降值随颤振速度的提高而增加,但对实际挤压力影响不明显;上杯材料流动速度随颤振速度的提高而减小,下杯材料则相反;当颤振速度小于下杯材料流动速度时,杯高比大于无颤振时的值,且随颤振速度的提高而增加,而当颤振速度大于下杯材料流动速度时,上杯材料流动速度方向会出现反向,杯高比小于无颤振时的值,并随颤振速度的提高而减小;邻近挤压筒侧的塑性变形区随颤振周期性上下运动,但并不改变最大等效应力。
渐开线花键连续分度冷滚打干涉量分析与表征
马群, 李言, 杨明顺, 袁启龙
2016, 35(10): 1586-1592. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1018
摘要:
针对渐开线花键连续分度冷滚打过程中滚打轮与工件之间的干涉现象,分析了滚打轮在打入和打出过程对工件干涉现象的形成机理,分析表明:打入和打出过程干涉现象分别出现在键槽轮廓的两侧。建立了计算冷滚打干涉量的数学模型,提出了利用齿厚误差表征干涉量的方法。计算结果表明:渐开线花键连续分度冷滚打具有展成法的特点;干涉现象主要集中在渐开线根部,键槽轮廓两侧干涉量相等。利用DEFORM软件对冷滚打过程进行了有限元模拟,分析了工件变形力分布情况,得到了键槽截面轮廓曲线,验证了分析和计算的正确性。进一步计算表明:干涉量与花键模数成正比,与滚打轮回转半径和齿形压力角成反比。干涉量的定量表征为滚打轮安装角计算和滚打轮轮廓设计奠定了理论基础。
直齿轮减振修形优化设计
于东洋, 蒋进科, 贾海涛, 方宗德
2016, 35(10): 1593-1596. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1019
摘要:
为了提高齿轮副实际齿面啮合性能,设计齿廓修形曲面,与理论齿面叠加构造了直齿轮实际修形齿面,结合TCA、LTCA技术,建立考虑啮入冲击、刚度激励的直齿轮弯扭耦合的多齿对振动模型,以传动误差幅值、啮合冲击、啮合线向相对加速度均方根最小进行多目标优化,设计了最佳修形齿面。研究表明:无修形齿轮的传动误差幅值随载荷增加而增大,修形后随载荷增加重合度逐渐增大,幅值会产生波动,然后保持稳定,修形后直齿轮啮入啮出端载荷明显降低,因此啮合冲击降低;该方法确定的齿轮修形参数精确、有效,能大幅度减小齿轮的振动。
718镍合金切削过程微结构变化有限元仿真
王保卫, 孙军龙
2016, 35(10): 1597-1602. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1020
摘要:
为对718镍合金切削过程加工表面晶粒细化和微硬度变化较为准确的仿真预测,首先将仿真与实验对比,选取一组最佳的本构模型参数,其次通过有限元校准法对仿真过程的相应物理参数进行优化,使得仿真的相关参数达到最优,并通过对Deform-2D进行二次开发,运用Zener-Hollomon方程对718镍合金正交切削过程中动态再结晶过程仿真,运用Hall-Petch方程对加工表面和次表面微硬度变化仿真,最终得到了718镍合金正交切削过程加工表面晶粒尺寸和微硬度的变化,为718镍合金表面加工质量的评估提供了较为可靠的依据。
仪器、仪表科学与技术
机载泵阀协调控制EHA的设计与仿真分析
王云鹏, 郭创, 谢伟
2016, 35(10): 1603-1608. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1021
摘要:
为了解决机载电静液作动器(EHA)响应速度与作动效率难以兼顾的问题,设计了一种泵阀协调控制的EHA并利用MATLAB/Simulink软件进行了建模与仿真分析。首先结合典型的变转速定排量EHA与直接驱动阀,阐述了系统的结构组成与工作原理,提出了根据飞行任务阶段不同而互为备份的3种工作模式;然后考虑到系统的复杂性与非线性,分别建立了泵控与阀控模式下的数学模型;最后根据某型飞行控制系统的性能要求,设计了系统的控制器并进行了仿真实验。结果表明,泵阀协调控制EHA具有较高的精确度和稳定性,同时阀控模式下系统的动态响应特性要明显优于泵控模式。
侧拉式斜单轴太阳能跟踪装置的设计及发电效率研究
李欢东, 许启明, 石鑫
2016, 35(10): 1609-1612. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1022
摘要:
侧拉式斜单轴太阳能跟踪装置利用将旋转驱动力从转动轴分离到远离轴心的支架上这一机械结构创新理念,并结合“杠杆原理”大大降低了跟踪驱动力;减小跟踪控制半径提高跟踪精度;引入“三点决定一个平面”几何原理改善装置运行稳定性;并采用下潜式双层结构降低设备转动部件的重心以便减小风力扰动引起的不稳定性。样机测试表明:与固定式光伏发电系统相比,侧拉式太阳能跟踪装置的发电量可以提高28.9%-51.9%;不论晴天或是多云,其发电效率提升稳定性好;月均发电效率提升40.57%,接近并超过部分双轴跟踪系统。
LED光源平均发光强度检测的影响因素分析
乔卫东, 方静, 刘康
2016, 35(10): 1613-1617. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1023
摘要:
以LED光度光色空间分布综合校准装置中平均发光强度的测量为对象展开研究。为提高检测精度,通过在远/近场条件下测量距离和LED安装角度偏差对平均发光强度影响的分析,对检测系统中距离、定位实现装置提出精度要求。系统中采用满足精度要求的位移台实现远/近场距离调节;以CCD采集LED轮廓图像,使用Hough变换和图像质心结合的方法对LED的安装进行准确定位,从而提高LED平均发光强度的测量精度,保证检测系统具有良好的可靠性和准确性。
运载工程
高速接触线动态疲劳可靠性研究
刘方林, 张静, 杨红梅, 金光
2016, 35(10): 1618-1623. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1024
摘要:
接触线在实际运营中长期受到受电弓的冲击,易发生疲劳破坏,对其疲劳可靠性分析具有重要意义,为解决实际统计数据匮乏的问题,提出了一种基于弓网动态仿真的接触线疲劳可靠性评估方法。采用威布尔分布来描述接触线的疲劳寿命,结合其S-N曲线,通过推导建立了接触线疲劳可靠性与使用寿命和应力循环的关系;基于模态分解法建立高速弓网动力学模型,计算接触线最薄弱单元的应力时程;利用雨流计数法统计出每个应力循环的均值和幅值,带入可靠性模型中,绘制接触线疲劳可靠性曲线,并研究了接触线预张力的变化对接触线可靠性的影响。算例中,当使用时间超过9年时,接触线疲劳可靠性将会低于0.98,预张力的增大会导致接触线可靠性的下降。
RBF近似模型在汽车碰撞变复杂度建模中的应用
谢晖, 陈龙, 李凡
2016, 35(10): 1624-1628. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1025
摘要:
针对汽车正面碰撞过程中考虑到车身后部部件结构几乎不发生明显变形的特点,采用最优拉丁超立方试验设计,利用较少的样本点数据在简化模型和高精度模型中建立一个差值补偿近似模型,在此模型和简化模型基础上构造新的样本点数据,利用RBF近似模型建立新的近似模型。利用该方法对以汽车前部7个主要吸能部件的板厚作为设计变量,以整车质量和整车碰撞加速度峰值aB作为优化目标函数的汽车100%正面碰撞的多目标优化问题进行仿真研究,结果表明该方法在保证模型精度的同时能够快速地得到优化值。
高速列车铝型材模态参数识别及阻尼影响分析
刘佳, 王瑞乾, 肖新标, 金学松, 张玉梅, 韩健
2016, 35(10): 1629-1635. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1026
摘要:
为准确辨识像波纹状铝型材板这样的“空腔铝型板”结构模态,利用力锤敲击方法,获取激励点与响应点之间的频率响应函数并进行模态参数识别。模态参数识别过程中,首先获取了复模态指示函数法、稳态图法两种方法的识别结果,结合声振试验探讨识别结果中声腔模态对结构模态的影响,利用模态判定准则(MAC)验证模态重根;进而根据仿真频率和振型,对比两种模态参数识别结果的准确性;最后,基于仿真验证后的模态参数识别方法,探究阻尼材料对于铝型材模态密度和模态阻尼比的影响。结论表明:对波纹状铝型材板而言,复模态指示函数法结合声振试验分析可获取其真实模态;喷涂4 mm123WF阻尼材料后,模态阻尼比在整个频段内大大提高,模态密度在500 Hz、1 250 Hz和1 600 Hz频段内显著降低;结合我国高速列车车体板件振动实测频谱,建议车体顶板、边顶板、侧墙中部和侧板使用4 mm此类型阻尼材料。
泡沫铝夹芯结构汽车顶板的研究
徐平, 石瑞瑞, 阮文松, 王珏
2016, 35(10): 1636-1640. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1027
摘要:
为了提高汽车的环保性、安全性,以某汽车顶板为设计原型,以轻量化为约束条件,设计泡沫铝夹芯结构汽车顶板。然后,利用Ansys软件对两种结构汽车顶板的静态性能和高空坠物、倾翻安全性做仿真分析。结果表明,泡沫铝夹芯结构汽车顶板与原型结构汽车顶板相比,其质量减轻了32.68%,静态载荷作用下的最大应力和最大位移均减少20%,高空坠物、倾翻试验中,最大应力分别减少5.92%和27.78%,最大位移分别减少35.91%和20.67%,表明泡沫铝夹芯结构汽车顶板不仅实现了汽车轻量化达到了节能减排的目的,而且提高了汽车的安全性。