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2019年  38卷  第12期

机械动力学
挖泥船绞刀挖岩的离散单元法数值模拟
田蓝, 蔡宗熙, 张凌博, 苏召斌
2019, 38(12): 1805-1811. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190052
摘要(527) HTML (359) PDF 1088KB(159)
摘要:
对挖泥船绞刀挖岩的三维离散单元法数值仿真过程进行了研究,使用离散元软件EDEM通过虚拟休止角试验标定了颗粒及边界的摩擦系数,通过虚拟单轴压缩试验和虚拟巴西圆盘劈裂试验标定了接触模型微观参数,并完成了绞刀挖岩的离散元动态切削仿真。结果显示切削形貌与实际基本相符,扭矩平均值与实验值以及有限元仿真值基本相符,进而验证参数标定的可靠性,对预测绞刀受力具有参考意义;同时不同于有限元仿真,材料破碎后碎屑颗粒依然保持运动,为进一步研究碎屑的导送提供可能。
新型动静压转台内部油膜压力场的数值模拟
李佳, 马金奎, 丁龙威, 刘志颖
2019, 38(12): 1812-1818. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190094
摘要(467) HTML (270) PDF 1208KB(80)
摘要:
以新型螺旋油楔动静压转台为研究对象,采用基于Navier-Stokes方程的CFD(Computational fluid dynamics)软件模拟转台内部润滑油的压力场分布,分析不同转速和油膜厚度对转台内部压力场分布的影响,并进行了实验验证。分析结果表明,在同一供油压力下,油膜厚度较转速对静压油膜压力的影响更为明显;而油膜厚度和转速都会对动压压力峰值造成显著影响;油膜厚度一定且转速较高时,动压压力峰值明显高于静压腔内压力。CFD仿真结果与实验测试结果基本吻合,从而证实了仿真结果的可靠性及分析方法的可行性。
AnyBody环境下人体步态的逆向动力学研究
徐欢欢, 何育民, 孙朝阳, 郭超
2019, 38(12): 1819-1824. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190069
摘要(643) HTML (402) PDF 1114KB(68)
摘要:
为了分析人体步态运动中包含肌骨系统的下肢动力学特性,基于生物力学分析软件AnyBody建立一种包含肌骨系统的下肢运动模型。利用逆向动力学,在下肢运动关节等处设置运动控制点,以运动控制点三维坐标和地面支反力为驱动,完成了人体的正常步态仿真,得到了人体正常步态下的踝关节和膝关节的角度、力矩的变化曲线,分析了关节力矩与角度变化之间的关系;给出了比目鱼肌、缝匠肌、胫骨后肌和胫骨前肌在步态周期内的肌肉力和活性变化曲线,讨论了肌肉力和肌肉活性之间的关系。
高功率密度柴油机曲轴三维耦合振动特性研究
李正文, 赵俊生, 李涵, 章朝栋, 白金霖
2019, 38(12): 1825-1831. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190063
摘要(334) HTML (224) PDF 1162KB(47)
摘要:
针对柴油机强化过程中曲轴三维振动的耦合现象难以准确预测的问题,根据曲轴动力学和简谐分析理论,建立12V150柴油机曲轴振动模型,分析三维耦合现象与机理,并探究安装扭转减振器对三维耦合振动的影响。结果表明:在较强谐次3、4.5次时扭振幅值较大,弯曲振动在较宽频率范围内出现峰值,多个谐次的扭振和弯振会引起同频或倍频轴振;相邻轴颈间的三维振动存在耦合关系;安装扭转减振器对扭转振动控制作用明显,多个主要谐次的弯曲、轴向振动幅值降低,低转速时竖直弯振和轴振反而增大。主要工作转速范围和三维振动耦合作用在柴油机强化设计阶段时应重点考虑。
上肢康复机器人主动轨迹追踪控制方法的研究
陈密杰, 王钰
2019, 38(12): 1832-1839. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190240
摘要(481) HTML (220) PDF 1216KB(61)
摘要:
针对上肢康复机器人在主动康复模式下,末端手部工具的TCP点如何能保持有效追踪给定空间平面内的轨迹,提出了一种空间容差约束控制方法。通过约束TCP距轨迹平面的正负向距离,同时约束其在轨迹面内距离轨迹的正负向距离,产生约束的末端阻力正比于TCP偏离给定轨迹的距离,引导TCP点始终落在轨迹的容差体内。在控制实现上采用了多线程编程技术,以确保患者手部TCP点偏差距离的检测、计算与比较,以及关节力矩实时改变的控制等过程,不会出现感知上的延迟。实验结果表明,该控制方法在辅助患者主动追踪给定的空间平面轨迹时,达到了预期的效果。
圆渐开线型线的涡旋压缩机内部流场模拟分析
吴臻, 冯治国, 苏亚锋
2019, 38(12): 1840-1846. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190060
摘要(372) HTML (221) PDF 1243KB(32)
摘要:
涡旋压缩机运行过程中工作腔内部流场状态参数难以通过试验测试获得。为此,以圆渐开线型线的动、静涡旋盘为对象,建立了带有动边界、径向与轴向间隙的动、静涡旋盘啮合的三维流场数值模型。利用CFD动网格技术设置流场边界、内部网格的变形,获得动、静涡旋盘啮合过程内部流场参数,并结合试验对模拟模型进行验证。结果表明:模拟结果与试验结果基本一致,获得了工作腔内流体流动压力和速度的动态分布规律,探索了压缩过程中腔内压力、速度、温度分布不均匀的原因。
VX380T数控加工中心工作台拓扑分析及多目标参数优化设计
沈佳兴, 徐平, 于英华
2019, 38(12): 1847-1853. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190058
摘要(289) HTML (205) PDF 1227KB(36)
摘要:
为使VX380T数控加工中心工作台同时具有优越的静、动态性能和轻量化特点。利用拓扑分析的方法研究工作台截面的最佳载荷传递路径,依据拓扑分析结果设计了工作台的加强筋布局。将新结构工作台的整体质量和最大频响幅值为目标函数,以各加强筋的结构参数为设计变量,以原始工作台的静态性能和前3阶固有频率为约束条件进行多目标参数优化设计。对参数优化后工作台的质量、静动态性能进行对比分析,结果表明,其质量减轻了12.19%的同时,其静动态性能也得到了显著提高,证明了优化设计的可行性和有效性。
热弹耦合运动斜板振动特性研究
郭旭侠, 薛晓飞
2019, 38(12): 1854-1860. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190064
摘要(296) HTML (209) PDF 992KB(27)
摘要:
分析无量纲运动速度、边长比、斜角,无量纲热弹耦合因子等参数对热弹耦合运动斜薄板振动特性的影响。以运动热弹耦合运动斜薄板为研究对象,基于弹性薄板小挠度弯曲理论,建立运动微分方程,采用微分求积法进行离散建立热弹耦合运动斜板的特征方程。得到了热弹耦合运动斜板前3阶模态的无量纲复频率与运动速度之间的关系曲线。结果表明,相同条件下,第1阶模态发散失稳的临界速度随着斜板角度的增加而减小,第1阶模态的发散失稳临界速度随着无量纲热弹耦合因子的增大而增大。
刨煤机刨刀三向力实验测试及理论公式修正
杨辛未, 毛君, 张瑜, 陈洪月, 宋秋爽
2019, 38(12): 1861-1867. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180082
摘要(252) HTML (229) PDF 1119KB(20)
摘要:
为了研究刨煤机工作状态下刨刀载荷特性,根据刨煤机破煤理论,建立了刨煤机力学检测平台,研制了刨刀三向测力系统。以BH38/2×400型刨煤机作为研究载体,对刨煤机刨削煤岩进行了实验测试,得到了不同刨深、不同刨速条件下的刨刀三向力测试结果,并将实验结果与理论计算结果进行了对比分析。研究结果表明:不同刨深条件下,实验所测得的三向力均值比理论计算值小,且三向力的实验值与理论计算比值在一定系数附近波动;不同刨速条件下,实验测得的三向力均值与理论计算值存在差异,且三向力实验值与理论计算比值呈一定倍数。
精密制造与加工
深沟球轴承非赫兹接触及失效机理分析
奚强, 胡玉梅, 皮阳军, 金晓清
2019, 38(12): 1868-1876. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190059
摘要(437) HTML (264) PDF 1275KB(42)
摘要:
考虑轴向载荷、弹塑性本构、协调接触、轴承游隙等因素的影响,对某汽车变速器中所采用的深沟球轴承在服役过程中出现的失效问题通过非赫兹有限元数值模型进行了求解,并据此分析了该轴承在工作过程中的失效机理。进一步研究了轴承材料本构、交变载荷等因素对接触状态的影响。结果表明:弹性本构承载体积小于弹塑性本构,应力水平高于弹塑性本构;载荷按一定角度作用可以降低轴承内部应力极值;载荷增加使应力极值和初始屈服深度增加,但当载荷过大时,初始屈服深度会急剧减小。
拟合函数系数特征的SVDD行星齿轮故障诊断方法
王亚萍, 王艳, 葛江华, 许迪, 孙永国
2019, 38(12): 1877-1884. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190074
摘要(226) HTML (170) PDF 1133KB(12)
摘要:
行星齿轮振动信号复杂多变,离散型故障信号需进行降噪、降维等复杂的处理过程,且信号处理过程中易造成信息缺失等。针对以上存在的问题,提出将函数型数据分析(Functional data analysis,FDA)与改进的支持向量数据描述(Support vector domain description,SVDD)相结合的故障诊断方法。根据齿轮不同故障类型建立不同的故障拟合基函数,将训练集数据与傅里叶基函数进行拟合,根据拟合得到的函数系数特征建立SVDD模型,并以ROC(Receiver operating characteristic)的评价函数为优化目标使用模拟退火算法对SVDD模型中的核参数σ和惩罚因子c进行优化;将不同的测试样本带入SVDD模型中,通过计算测试样本到超球体球心的相对距离来识别故障种类,进而完成行星齿轮的故障诊断。实验结果对比表明,本文中提出的方法能够解决离散型故障信号处理复杂、信息丢失等问题,准确地识别行星齿轮故障种类。
可装配特征的结构化描述与匹配推理研究
徐凯, 阴艳超, 廖伟智, 柳翠寅
2019, 38(12): 1885-1893. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190054
摘要(254) HTML (139) PDF 1122KB(16)
摘要:
针对复杂产品装配设计过程中零部件间匹配关系描述不清晰,装配设计过程中零件配对精度不高等问题,提出了可装配特征的结构化描述与匹配推理研究方法。在分析影响零件获取、匹配、调整以及装配的工艺关联、匹配型面特征,以及装配设计意图的基础上,给出了包括工程语义、装配约束、装配端口、装配空间关系的装配关键结的定义和结构化描述。基于装配关键结的复杂产品零部件进行了可装配性分析,确定了装配关键结中各因素权重,并通过模糊理想解法完成了对复杂零部件装配属性邻接图的求解,最终通过复杂产品装配从定性输入到定量求解,再到定性输出的映射变换实现了零部件间的精准匹配,给出了推理匹配过程。最后,通过应用算例验证了方法的有效性。
正矢曲线加减速加加加速度连续算法研究
潘海鸿, 贺飞翔, 易健, 刘梦, 陈琳
2019, 38(12): 1894-1903. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190055
摘要(469) HTML (213) PDF 1206KB(25)
摘要:
针对传统的加减速算法如S型曲线加加速度不连续、正弦型曲线加加加速度(snap)不连续导致进给过程中存在柔性冲击等问题,提出snap连续的全类型非对称七段式正矢曲线加减速控制算法。通过利用系统最优机械性能,分析最大加、减速度和最大速度的可达性,规划17种速度曲线类型;针对给定轨迹段长度小于系统从起点速度运动到终点速度所需最短轨迹段长的问题,给出该算法下基于给定轨迹段长约束的起点速度和终点速度的可达性校验方法,同时采用盛金公式修正起点速度和终点速度。在自主开发的多轴运动控制器验证所提出的snap连续的全类型非对称七段式正矢曲线加减速控制算法。实验结果表明:在保证snap连续以提高系统柔性及最大加、减速度和最大速度不超限情况下,该算法可规划出17种速度曲线类型;在给定轨迹段长度较短系统无法从起点速度运动到终点速度的情形下,该算法解决起点速度和终点速度的可达性校验及修正问题。
主动磁悬浮电主轴最佳切削速度区间研究
陈攀, 康辉民, 陈鹏, 华协冰, 陈伟专, 戴隆宇, 吴勋, 欧阳普仁
2019, 38(12): 1904-1909. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190224
摘要(310) HTML (184) PDF 1067KB(17)
摘要:
为研究主动磁悬浮电主轴在不同速度区间内的振型和振幅对工件加工精度的影响过程和机理,基于转子动力学、电磁学和金属切削理论,采用有限元法对"磁悬浮轴承-主轴"系统在切削过程中的一系列物理现象进行理论分析和定量解释。结果表明:系统振型是影响系统运行品质及加工质量的重要因素;主轴的最佳切削速度由主轴的振型、工件形位精度及系统在负载激励下的动态响应共同决定;工件的实际形位精度由系统在负载激励下的最大单向振动响应幅值决定。
复合行星轮系故障诊断方法研究进展
吴守军, 冯辅周, 吴春志, 丁闯
2019, 38(12): 1910-1920. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190045
摘要(568) HTML (187) PDF 1032KB(26)
摘要:
复合行星轮系在大型武器装备和能源装备中得到了广泛应用,是装甲车辆、直升机、风力发电机等传动系统变速换挡的核心部件,其零部件繁多、自由度高且含有多级行星排。高速重载的运行环境经常导致行星轮系的太阳轮、行星轮等关键零部件出现磨损、疲劳裂纹、断齿等故障,降低了设备的使用安全性和可靠性。开展行星轮系的故障诊断研究对降低其维修保障成本、最大化使用效率和提高运行可靠性具有重要意义。振动信号常用于行星轮系典型故障的诊断,由于行星齿轮箱的振动信号具有噪声强烈、频率分量多、幅频调制复杂等特点,使得其故障诊断极为困难。综述了复合行星轮系的结构特点和故障诊断的难点,从动力学分析、信号降噪、多分量信号解调、多信息融合等方面系统阐述了复合行星轮系故障诊断国内外研究现状,提出了该研究领域目前存在的重点和难点。
自适应遗传算法在直线电机进给系统伺服参数优化中的应用研究
杨泽青, 张炳寅, 刘丽冰, 彭凯, 黄凤荣
2019, 38(12): 1921-1927. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190072
摘要(421) HTML (162) PDF 1091KB(29)
摘要:
针对传统经验方法难以得到合理的直线电机进给伺服系统控制参数,提出一种改进的自适应遗传算法对直线电机伺服系统五个控制参数进行同步优化。在分析直线电机进给系统控制原理的基础上,采用实数编码对控制参数进行编码生成种群,根据控制需求确定了由误差积分项、超调量惩罚项、稳定时间项组成的适应度函数,为加快遗传算法的收敛速度、防止算法进入局部收敛,采用非线性变化的自适应交叉率和变异率对算法进行改进。仿真结果显示,改进的自适应遗传算法在保证系统无超调的情况下使稳定时间达到4.1 ms,优于"三环参数整定法"的39 ms和传统遗传算法的5.9ms,相比于三环参数整定法系统达到稳态所需要的时间减少了89.4%;采用改进的自适应遗传算法后正弦信号的平均相对跟随误差绝对值为24.70%,优于"三环参数整定法"和传统遗传算法的51.02%和24.77%。因此,改进的自适应遗传算法在解决直线电机伺服系统多控制参数同步优化问题时,性能优于"三环参数整定法"和传统遗传算法。
仪器、仪表科学与技术
双排孔静压止推气体轴承数值模拟
徐磊磊, 杨光伟, 阳红, 钟良
2019, 38(12): 1928-1936. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190057
摘要(406) HTML (138) PDF 1236KB(18)
摘要:
为了给超精密设备的研制提供参数依据,建立双排孔静压止推气体轴承气膜模型,并结合理论验证其正确性,然后用Fluent进行仿真计算,找出了结构参数对轴承承载力及刚度的影响规律,最后进行了参数优化。Fluent仿真表明:仿真与理论吻合;当0.01 mm < h < 0.04 mm有均压腔的轴承的承载力及刚度大于无均压腔的;d越大,轴承的承载力越大,对应刚度的最大值越小;0.1 mm < h2 < 1.3 mm时对轴承的承载力及刚度无影响;当h < 0.018 mm时d1越大,轴承的承载力及刚度越大。参数优化结果表明:当hh1都相同时d1d同时取最大值时轴承的承载力最大。
压电尺蠖直线电机的结构设计及特性分析与测试
张志豪, 孙庆龙, 惠相君, 周鹏飞, 崔玉国
2019, 38(12): 1937-1943. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190075
摘要(324) HTML (163) PDF 1227KB(24)
摘要:
为实现大行程、高分辨率定位,采用推动式结构来设计压电尺蠖直线电机的新构型。首先,采用斜楔式机构及蝶形弹簧对钳位机构进行了设计,并基于柔性结构对驱动机构进行了设计,所设计的电机结构紧凑、易于调节、可断电自锁;其次,采用有限元对钳位机构和驱动机构的静动态进行了仿真分析;最后,搭建了实验系统,对电机的位移、速度、分辨率进行了测试。结果表明:在4.5 mm的运动范围,电机输出位移具有良好的线性,在50 Hz的驱动电压作用下,电机的运动速度为59.1 μm/s,电机输出位移的分辨率为24 nm。
运载工程
爆胎汽车稳定性控制的模糊滑模控制算法研究
刘维, 张向文
2019, 38(12): 1944-1953. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190079
摘要(438) HTML (200) PDF 1264KB(31)
摘要:
汽车在爆胎过程中会出现侧倾、侧翻和甩尾等危险情况,严重威胁了行驶汽车的安全性。为了保证爆胎汽车在行驶过程的稳定性,提高爆胎汽车的鲁棒性和自适应性,在目前汽车爆胎控制算法研究的基础上,提出了一种模糊滑模控制算法。利用UniTire模型建立了爆胎汽车的轮胎模型,并运用Carsim软件搭建爆胎汽车的整车模型。设计了模糊滑模控制器对横摆力矩进行非线性控制,再根据传统的电子稳定性控制理论,对各个车轮施加不同的制动压力,来保证爆胎汽车的稳定运行。在直行与弯道工况下,利用Carsim软件与Simulink模型进行联合仿真实验。实验结果表明,设计的控制器能够有效的提高爆胎汽车的稳定性,汽车的横摆角速度、质心侧偏角、侧向加速度和侧向位移都明显减小。
材料科学
Q235钢拉伸过程声发射能量谱与奇异性指数特征提取
雷经发, 邬竞雄, 刘涛, 张冰琦
2019, 38(12): 1954-1959. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190280
摘要(378) HTML (299) PDF 1092KB(19)
摘要:
为明确试样拉伸损伤过程声发射信号的变化规律,选取Q235钢试样开展轴向拉伸实验,并进行声发射信号的稳定连续采集。通过小波包分解与重构,提取声发射信号的小波包能量谱及信号幅值的奇异性指数特征。结果表明:信号能量在低频段较为集中,低频段中各频段能量占比随频段增加而降低,而高频段中则相反。随着损伤程度增加,高频能量占总能量比例不断减小,低频能量的总能量占比不断增加,奇异性指数不断下降。当拉伸速率增大时,高频能量在各拉伸损伤阶段的总能量占比不断下降,而低频能量占比和奇异性指数均升高。最后结合拉伸断口进行了宏、微观形貌特征分析。
一种模拟舰船表面破坏的冲蚀、空蚀和腐蚀交互磨损试验研究
唐蒲华, 梁亮, 庞佑霞, 朱宗铭, 唐勇
2019, 38(12): 1960-1965. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190222
摘要(819) HTML (210) PDF 1084KB(19)
摘要:
海洋装备表面材料破坏的主要原因是冲蚀、空蚀和腐蚀及其交互作用,而量化其表面磨损程度对海洋装备材料和结构的设计具有重要意义。冲蚀、空蚀和腐蚀交互磨损试验台是研究海洋装备表面材料破坏的有效工具。通过流场数值对比分析,在研究冲蚀和空蚀交互作用的基础上,优化设计了冲蚀、空蚀和电化学腐蚀交互磨损综合试验台,完成了人造海水中,不同材料的舰船工作表面受到高速流体冲击产生的冲蚀、空蚀和电化学腐蚀交互磨损试验。结果表明:同一种金属材料冲蚀、空蚀和电化学腐蚀交互作用的失重量大于冲蚀、空蚀和自然腐蚀交互作用的失重量,高强度塑性金属材料的腐蚀磨损较为严重,其三者交互作用的磨损程度大于低强度塑性金属材料。
航空、宇航工程
四旋翼轴距对下洗气流聚合及抗风扰能力的影响
樊佳荣, 汪朝晖, 冯亚楠, 李毅轩
2019, 38(12): 1966-1974. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190070
摘要(386) HTML (206) PDF 1242KB(34)
摘要:
旋翼轴距对下洗气流的聚合流动有重要影响。依据下洗气流形成过程,研究下洗气流与涡团挤压效果和涡干涉下洗气流低压聚合效应,并定义了旋翼下洗气流聚合度。采用Realizable k-ε湍流模型与滑移网格计算方法,并进行风速试验验证,探究多旋翼下洗气流间的聚合流动特性并分析下洗气流在不同聚合程度下的抗风扰能力。结果表明:多旋翼间隙内近地涡团的压缩是下洗气流间发生聚合现象的关键特征,下洗气流聚合现象使下游气流速度分布更加均匀,提高气流流动的稳定性。悬停状态下,旋翼距径比为1.1至1.4范围时,旋翼距径比越高,聚合程度越低。气流聚合现象有利于抵抗前飞来流的干扰,但前飞速度超出某一临界值时,下洗气流向下的流动形态被破坏,聚合现象对来流风扰的抵抗作用被削弱。
总目录
总目录
2019, 38(12): 1975-1984.
摘要: