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2019年  38卷  第2期

机械动力学
可逆风机用翼型气动特性分析与实验研究
张森, 席德科, 李华星
2019, 38(2): 165-169. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180161
摘要(141) HTML (45) PDF 889KB(29)
摘要:
可逆翼型气动性能的优劣对可逆风机性能好坏起着至关重要的作用。选取了形式不同的三种翼型,即对称翼型、S型翼型和常规非对称翼型,利用X-foil软件对上述三种翼型的气动性能进行数值计算。结果显示,在较大的攻角范围内,常规非对称翼型的升力特性和升阻比特性都明显优于另外两种翼型。为了比较三种翼型在可逆风机中的应用效果,通过调整设计参数使采用三种翼型设计的叶片具有相同的弦长和扭曲变化规律,然后在标准风管式出气试验台上进行了空气动力性能实验。研究表明:在选取的三种翼型中,采用对称翼型设计的可逆风机叶轮最为理想,其额定工况点的实验性能满足设计要求,且具有良好的反风性能,同时正、反风工况下都有较宽的高效工作范围。
PAM-Motor复合驱动仿生肩关节结构设计及动力学特性研究
罗天洪, 李会兰
2019, 38(2): 170-177. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180154
摘要:
针对仿生机器人关节重载情况下难以实现精确控制的问题,以及气动人工肌肉(Pneumatic artificial muscle,PAM)控制非线性、时变性、滞后性等特点,受生物关节在肌肉和骨骼的协作下产生运动的启发,提出一种气动人工肌肉和电机复合驱动的新型驱动仿生肩关节结构设计,用于提高仿生机器人肩关节的控制精度及驱动性能。基于Chou模型及能量守恒定理,推导了复合驱动仿生肩关节结构参数与动力学特性之间的映射模型;通过构建基于拉格朗日动力学的PAM-Motor复合驱动系统俯仰运动和侧摆运动的动力学模型,探究了仿生肩关节复合驱动机理。研究结果表明,PAM-Motor复合驱动仿生肩关节具有良好的精度、灵巧度和承载能力,验证了复合驱动仿生肩关节结构的合理性和有效性。
CEEMD与卷积神经网络特征提取的故障诊断方法研究
张朝林, 范玉刚
2019, 38(2): 178-183. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180166
摘要(271) HTML (180) PDF 1035KB(38)
摘要:
轴承动力学行为具有非线性的特点,导致其振动信号特征与运行状态之间存在较强的非线性关系;且振动信号的特征提取与选择往往需要大量的先验知识,导致特征的设计难以准确反映不同的运行状态。针对以上问题,提出一种基于互补集合经验模态分解(Complementary ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)与卷积神经网络(Convolutional neural networks,CNN)的特征提取方法,从振动信号时频图中自适应提取其敏感特征,反映设备运行状态。首先采用CEEMD算法分解得到振动信号的固有模态函数(Intrinsic mode function,IMF)分量,构造各个IMF时频图,并采用CNN提取时频图的特征;然后,将提取到的特征与小波包分频带能量值相结合,组建特征指标向量,用于构建轴承故障诊断模型。将该方法应用于不同负载、不同故障深度的轴承试验中,结果表明该方法能够在多种工况下有效地提高故障识别率。
扑翼式风力发电机机构设计与分析
王钊, 朱建阳, 蒋林
2019, 38(2): 184-189. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180146
摘要(591) HTML (62) PDF 990KB(39)
摘要:
与传统风力发电机相比而言,仿生扑翼风力发电机具备噪音低,启动风速低,环境影响小和风能捕捉效率高等长处。基于仿生学原理,设计了一款往复振荡式扑翼风力发电机样机,并采用理论分析和数值计算相结合的方法,分析了该样机所产生的升力,阻力和输出力矩之间的关系。结果表明:所研制的样机在一个运动周期内输出正的力矩均值,可有效的将扑翼的往复直线运动转化为发电马达的旋转运动。
螺杆转子型线正向设计中的曲线连续性研究
龙骥, 何雪明, 吴佳, 黄涛涛
2019, 38(2): 190-197. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180151
摘要(1051) HTML (40) PDF 1019KB(22)
摘要:
螺杆转子是双螺杆压缩机的核心,而传统规则曲线的构造自由度越来越不能满足螺杆转子型线的设计要求,由此本文提出了利用自由曲线代替传统规则曲线来获得更高自由度和曲线连续性的型线。对自由曲线的转子型线设计深入研究,利用几何解析法实现对规则曲线的控制点及权因子的获取,实现只由控制点、权因子和节点矢量决定的一段式自由曲线典型型线设计,减少了传统分段设计型线的步骤,大幅提高了设计效率。提出利用控制型线段端点矢量的方法设计曲线连续级别为G0、G1和G2的自由曲线型线,利用控制点与次数对曲率变化规律研究,得到了曲率平稳且与典型型线误差低于0.1 μm的自由曲线型线。
轮-履复合被动自适应机器人设计与参数分析
张明路, 李敏, 田颖, 吕晓玲
2019, 38(2): 198-204. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180148
摘要(267) HTML (110) PDF 1053KB(31)
摘要:
针对地形狭窄、障碍物较高的非结构环境,提出了一种可正反向越障的轮-履复合被动自适应机器人。该机器人由车体模块、尾轮模块和两个左、右对称布置的轮-履复合模块组成。简述该机器人的整体结构和模式转换原理,并详细介绍了其动力传递过程和运动过程。通过建立机器人轮-履复合模块数学模型,分析各构件的运动关系,对轮-履模块的模式转换过程及受力情况进行研究,并研究了轮-履复合模块结构变形过程中履带长度的变化情况。分析结果验证了参数设计的合理性和方案的可行性。
精密制造与加工
薄壁件残余应力变形仿真预测与切削参数优化
丛靖梅, 莫蓉, 吴宝海, 王骏腾
2019, 38(2): 205-210. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180322
摘要(243) HTML (175) PDF 998KB(30)
摘要:
针对薄壁件铣削残余应力变形难以准确预测的问题,提出了一种仿真预测方法,并在此基础上研究了薄壁件铣削切削参数优化方法。首先,提出了基于工况映射与薄壳应力贴合的残余应力变形仿真预测方法,实验结果表明该方法能够有效预测薄壁件的加工残余应力变形。在此基础上,利用支持向量回归机建立了基于切削参数的残余应力变形响应预测模型;然后,根据所建立的预测模型,采用遗传算法,以残余应力变形为约束、最大加工效率为目标对工艺参数进行优化。结果分析表明,该优化方法获得了最优的加工参数。
泵齿轮端面砂带磨削及倒棱关键技术研究
尹佳超, 黄云, 邹莱
2019, 38(2): 211-217. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180160
摘要(196) HTML (239) PDF 1042KB(26)
摘要:
为了实现齿轮端面及其棱边的高效一次加工,结合新型开式砂带磨削的方案和特点,设计了一种适用于齿轮端面的砂带磨削装置。该系统既有砂带磨削的柔性和适应性广的特点,又能通过磨削参数的调节实现端面棱边微小倒棱尺寸的精确控制。磨削系统采用了接触轮的往复振动方式,能够改善砂带表面磨料等高性。最后通过磨削试验探索得到最佳表面质量和倒棱尺寸的磨削参数,表面粗糙度能够维持在0.05 μm以下,棱边不同位置微小倒棱尺寸能够满足给定的尺寸范围,也验证了该系统进行高精度磨削的有效性和稳定性。
过盈量对轮轴压装过程的影响
刘晓东, 张军, 马贺, 封全保
2019, 38(2): 218-223. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180156
摘要:
为提高轮轴压装过程中轮对的检查验收合格率,利用ABAQUS软件依据试验数据以及不同参考标准建立轮轴压装过程的动态有限元模型,对压装力以及轮座与轮毂孔配合面之间的等效应力进行分析。结果表明:在轮轴压装过程中,轮座与轮毂孔配合面之间的过盈量对压装结果影响较大,建议按照我国的铁道标准规定的过盈量取值范围进行加工,可提高轮轴压装的合格率。综合分析压装过程中轮轴间等效应力的变化以及压装结束后等效应力的分布状态,总结出应力集中的位置,为轮轴探伤提供一定的参考依据。
锡青铜超疏水表面纳秒激光制备及润湿性转变机理研究
蔡兴兴, 王权岱, 李鹏阳, 侯晓莉, 李言
2019, 38(2): 224-229. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180155
摘要:
以锡青铜为基底,研究采用纳秒紫外激光代替飞秒激光制备金属超疏水表面的方法。通过改变激光加工参数制备了不同表面微观结构,并采用扫描电子显微镜和接触角测量仪对所制备的微观结构和润湿性进行了表征,通过X射线光电子能谱(XPS)分析了所制备的样片表面化学元素含量及其随时间的演变,对润湿性转变的机理进行了解释。研究结果表明,采用纳秒紫外激光可以在锡青铜基底制备类似飞秒激光加工得到的金属超疏水表面;激光加工后的样片润湿性随时间变化,转变机理是激光加工过程中生成的CuO在磷元素的催化脱氧作用下生成了本征疏水的Cu2O;在紫外激光能量密度为5.61 J/cm2下,激光扫描速度100 mm/s时,所制备的表面具有微纳复合结构的表面接触角超过150°,滚动角小于10°。
利用导波传输实现二维高频超声振动
黄志鹏, 皮钧, 杨光
2019, 38(2): 230-236. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180162
摘要:
为简化二维超声椭圆振动结构,提高刀尖振动响应精度,利用导波具备单向动态刚度特性,研制了利用导波线传导超声振动的高频二维振动装置。该装置由101.96 kHz的纵振换能器和纵-弯复合振动工具头组成,用导波线将换能器和振动工具头连接起来,通过两路激励电源输出相位差的调节,能够获得相应的二维振动轨迹,并利用有限元仿真模态分析对该装置进行结构优化,确定最优结构。对整体二维振动装置振动特性检测结果表明,振动工具头前端的刀尖能产生一个0.4 mm振幅的纵-弯复合振动。该装置可以应用于超精密切削,如航空航天、军事、电子和光学等需要高精度或难加工零部件的加工。
公理设计在公差设计中的应用初探
徐旭松
2019, 38(2): 237-243. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180149
摘要(227) HTML (52) PDF 904KB(23)
摘要:
公差设计依赖于设计人员的经验、缺乏科学设计理论指导;产品公差设计通常为多功能需求设计,且功能需求之间往往又存在耦合,需要分析和解耦;功能方程组(功能需求与功能尺寸之间建立的函数方程组)的求解存在不同的求解策略,需确定最佳的求解策略。针对此类问题,引入公理设计理论至公差设计领域,首先将公差设计过程看作是功能域-尺寸与公差域的映射,利用独立公理和信息公理等来理解和分析公差设计问题,提高公差设计的科学性;其次,以轴承座装配为例分析了如何利用独立公理指导公差耦合设计的求解;最后,以齿轮组装配公差设计为例分析了独立公理和信息公理在解耦设计和判断求解顺序中的应用。研究结果表明,公理设计的引入可为公差设计提供理论框架和逐步分解、展开的机制,辅助判断和求解耦合设计问题,为公差设计理论由经验设计变为科学设计提供了有益的启示。
机械零部件可再制造性评价模型研究与应用
任仲贺, 武美萍, 龚玉玲, 张学东
2019, 38(2): 244-252. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180038
摘要(214) HTML (112) PDF 919KB(24)
摘要:
再制造评价作为绿色再制造工程的设计基础,是开展再制造的前提。为了评价机械零部件的可再制造性,判断其是否适合进行再制造,基于层次分析法,提出一种以再制造相对加工指数为目标层的可再制造性评价模型;建立了涵盖技术、经济和环境三个方面的再制造评价指标体系及量化方法,并根据层次分析法确定各评价指标的权重,计算出再制造相对加工指数。以柴油机曲轴为案例,得到再制造相对加工指数为0.70,表明该曲轴可再制造性较好。
转子系统配合面过盈联接的可靠性灵敏度分析
同剑, 赵云涛, 李锐
2019, 38(2): 253-259. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180153
摘要(136) HTML (37) PDF 907KB(27)
摘要:
基于摄动原理,推导出了转子系统在过盈联接配合面发生打滑及塑性变形两种失效模式下的随机变量均值、方差、协方差及随机变量间相关系数的可靠性灵敏度公式;结合电主轴实例,讨论了电主轴的主轴与其内装转子过盈配合设计有关的各随机变量的均值、方差、协方差及随机变量相关系数对结构可靠性的影响;对影响系统可靠度的尺寸参数的均值的重要性进行了排序,通过排序得到了实际过盈量的均值是影响可靠度的最敏感参数的结论。应用遗传算法对配合面实际过盈量的均值进行一维无约束优化,优化后系统可靠度得到了提高。
仪器、仪表科学与技术
粒子群优化的流形SVM模拟电路故障诊断
单剑锋, 杨雨
2019, 38(2): 260-264. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180157
摘要:
支持向量机(SVM)一直被广泛应用于分类判别领域,在模拟电路的故障诊断中,电路普遍复杂多样,传统支持向量机只考虑数据类间距离最大化。本文中提出的粒子群优化的流形支持向量机,在保证数据最大类间间隔的同时,使映射在特征空间的数据,能保持原始空间的流形结构。同时将粒子群算法与SVM相结合,对支持向量机中的权重参数优化,使得对故障的诊断率比传统方法提高了2%~6%。通过实验发现,本文方法有效增强了模拟电路故障诊断的精确度。
全反射棱镜式激光陀螺温度误差标定及参数辨识方法研究
王青青, 牛振中
2019, 38(2): 265-270. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180301
摘要(223) HTML (125) PDF 966KB(21)
摘要:
全反射棱镜式激光陀螺的光路与传统镀膜反射式激光陀螺的光路不同,有较长的光路在棱镜中通过,温度的变化是影响其输出精度的一个重要因素。研究了变化的物理场下,温度、温度变化率和温度梯度对激光陀螺的影响机理,推导了温度变化条件下激光陀螺的零偏二阶模型,刻度系数的三阶模型,设计了激光陀螺的温度误差标定方案,并进行了试验。采用逐步回归分析法和BP神经网络两种方法对温度误差模型参数进行了辨识,通过温度误差补偿结果证明了两种方法的有效性。
ELMD熵特征融合与PSO-SVM在齿轮故障诊断中的应用
何园园, 张超, 朱腾飞
2019, 38(2): 271-276. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180171
摘要(325) HTML (106) PDF 1000KB(21)
摘要:
提出基于ELMD熵特征融合与PSO-SVM的齿轮故障诊断方法。该方法首先对原始信号进行总体局部均值分解(Ensemble local mean decomposition,ELMD),得到若干乘积函数(PF);其次,对ELMD分解得到的前5个PF分量进行求取能量熵和近似熵,并利用KPCA对其进行特征融合;然后,选取部分融合特征作为训练样本,其余作为测试样本;最后,利用PSO优化的支持向量机对融合特征样本进行训练与测试。实验中,将单特征和融合特征分别进行SVM和PSO-SVM识别精度的对比。实验结果证明,所提方法可有效地应用在齿轮故障诊断中。
结合立体视觉与超像素技术的道路障碍物概率检测
吴宗胜, 李红, 韩改宁
2019, 38(2): 277-282. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180288
摘要(167) HTML (120) PDF 1043KB(25)
摘要:
针对道路障碍物检测问题,提出了一种基于立体视觉与超像素技术的双目障碍物概率检测算法。该算法首先利用双目相机采集的左右视图进行立体匹配获取视差图,通过三维重建到得3D点云,然后采用最小二乘法拟合地平面方程,并计算图像空间点到地平面的距离,接着使用SLIC算法得到超像素,并计算超像素到地平面的中值距离,最后使用逻辑回归方法和信任函数计算像素为障碍物的概率。实验结果表明,该方法能够可靠地检测道路障碍物,并为障碍物检测的多传感器融合方法提供有价值的概率数据。
运载工程
车身的最优承载度及正向概念设计方法
杨静, 刘子建, 刘瑜
2019, 38(2): 283-291. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180158
摘要:
在车身结构正向概念设计阶段,确定最优承载度对指导非承载式纯电动汽车车身轻量化设计具有重要意义。针对模块化的纯电动汽车结构建立了车身的简化几何模型;确定了多点集中载荷作用下非承载式车身承载度与耦合力的函数关系;建立了耦合力作用下车身与车架一致性回传刚度链计算模型;以弯曲刚度为约束条件,以整车质量最轻为目标函数进行优化,得到某款非承载式纯电动汽车的车身与车架各自承受载荷的最优比例及各梁简化截面属性参数。最后利用有限元法建模计算,验证了本文研究方法的合理性和有效性。
纯电动汽车的再生制动力分配策略研究
于德亮, 任玉龙, 刘冬, 孙浩
2019, 38(2): 292-297. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180150
摘要(315) HTML (97) PDF 993KB(22)
摘要:
针对电动汽车在低附着路面的驾驶稳定性的问题进行研究。因为汽车在冰雪路面制动时,大多数制动力分配方案以再生制动为主要制动力,此时很有可能发生抱死,从而发生汽车驾驶稳定性下降。本文中提出了一种在制动力分配上加入滑移率的控制方法,该方法以纯电动汽车为模型,设计出以汽车滑移率为控制对象的滑膜控制器。该控制方法在改进再生制动力分配策略上,特别在小制动强度时,电动汽车驱动轴有趋于抱死的情况立即减少再生制动力,使电动汽车恢复原有的稳定性。仿真结果表明:在强度恒定的制动工况下,电动汽车模型具有良好的驾驶稳定性,电动汽车模型在需要频繁制动的城市路况下,能量回收率提升了4.1%。
结构区间参数反求的DIRECT算法
蔡恒, 刘杰, 王青云, 张连怡
2019, 38(2): 298-303. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180169
摘要:
提出一种基于DIRECT算法的结构区间参数反求方法。对于结构不确定性参数反求问题,一般转化为不确定性传播和模型参数优化的双层求解问题。首先,区间模型用来描述响应和待识别结构参数的不确定性,并建立了相应区间参数反求模型。其次,在迭代反求过程中自适应更新径向基函数用来近似原系统模型,并利用DIRECT算法来求解内层不确定性传播问题。最后,通过遗传算法来求解外层的优化模型,从而识别结构不确定性参数的区间。数值算例用来验证了该方法的正确性和有效性,并将该方法应用来反求车辆乘员约束系统中的不确定性参数。
四轮独立转向汽车转向控制器线性优化设计
崔宁, 刘向阳, 马雷
2019, 38(2): 304-310. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180152
摘要:
建立以四轮侧偏角为输入的四轮独立转向车辆二自由度动力学模型。以四轮侧偏角绝对值之和为最小值,构建包含前馈和反馈控制的性能指标函数。根据动力学模型静态表达式和理想横摆角速度,获得前馈控制约束条件。建立车辆控制模型和理想跟踪模型,获得反馈控制约束。利用优化理论进行控制器求解,并进行仿真分析,讨论了车辆横摆转矩的选取与作用。建立人-车-路闭环仿真模型,进行模拟道路实验和实车低速跟踪实验,验证了控制器可根据路面附着情况分配各轮转角,充分利用路面附着条件,保证轮胎侧偏角处于较好附着区域。实验表明,控制器具有良好的跟踪性和鲁棒性,进一步提高了车辆的操纵稳定性。
时间序列载荷法的桁架式车架疲劳分析
刘建伟, 王宇, 孙昌迎
2019, 38(2): 311-316. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180037
摘要(148) HTML (177) PDF 1078KB(20)
摘要:
桁架式车架因具有刚度大、质量小等优点,已在高性能车辆上得到广泛使用。为确保车辆安全性和耐久性,对其进行疲劳分析、预测疲劳危险点具有重要意义。根据该类车辆的特性,规划了测试路线,并通过加速度传感器获得加速度载荷谱;分析了车架系统特性和载荷变化频率,确定采用时间序列载荷法;使用雨流计数法对载荷谱进行计数,并对比分析了几种常用的平均应力修正理论;对车架进行疲劳分析,获得车架预测寿命与疲劳危险点的位置。
材料科学
平纹编织复合材料嵌套对力学性能的影响
杨光猛, 赵美英, 侯赤
2019, 38(2): 317-321. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180259
摘要(147) HTML (113) PDF 862KB(19)
摘要:
针对平纹编织复合材料中复杂的纱线几何形状及层压过程中铺层间相互滑移嵌套的现象,本文基于域分解法建立参数化的双铺层单胞有限元模型。该模型分别建立纱线域和整体域,采用节点自由度耦合方法使两相重合区域满足变形协调关系,通过对纱线域的材料属性进行修正处理实现了材料力学性能的完全等效。研究表明,嵌套会导致平纹编织复合材料层合板弹性模量增大约15%,通过对影响因素的分析明确了纤维体积含量的改变是力学性能变化的主要原因。
航空、宇航工程
细长偏心舱体振动试验夹具设计分析与验证
杭超, 燕群, 张昕
2019, 38(2): 322-328. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180147
摘要:
振动试验是考核航空航天产品可靠性与环境适应性的重要手段。针对某大型细长偏心舱体的振动试验,介绍了振动试验的二自由度系统理论模型,然后采用配重法设计了其振动试验夹具,并通过有限元软件ABAQUS分析了夹具在自由状态和连接试验件状态的模态参数和随机振动响应。结果表明,该夹具自由状态的1阶固有频率为198.6 Hz,连接试验件状态的1阶固有频率为202.1 Hz,最大放大因子为1.6,连接点加速度的最大偏差为31.4%,上述指标均符合振动试验夹具设计要求。最后用该夹具对细长偏心舱体进行了随机振动试验,试验控制平稳,偏差在容差范围内,验证了夹具设计的合理性。