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2019年  38卷  第8期

机械动力学
输入转速和输出扭矩波动下的弹簧离合器接合与滑移特性分析
严宏志, 秦娟, 李智, 朱楚, 田昊, 刘建睿, 李算
2019, 38(8): 1149-1156. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180292
摘要(603) HTML (399) PDF 1324KB(59)
摘要:
弹簧离合器安装于直升机主减速器输入轴,受到发动机和减速器转速、扭矩的扰动激励。为查明弹簧离合器在输入输出轴扰动下的传扭能力及接触时变特性,建立了弹簧离合器的有限元动力学模型,并结合温差法实现了弹簧/壳体、弹簧/芯轴间预紧配合的模拟,由此分析了弹簧离合器接合传扭过程中跟随特性、接触压力、轴向和切向滑移量的时变规律。结果表明:发动机5%输入转速波动与无转速波动相比,输入输出壳体平均转速差增大2.87倍,平均压应力增加19.3%;5%输出扭矩波动与无扭矩波动相比,输入输出壳体平均转速差增大2.16倍,平均压应力增加61.3%。此外,弹簧输入端切向滑移大于输出端,弹簧中部轴向滑移最大,转速波动对离合器输出端的切向滑移影响显著。
双稳态振动能量发电系统脉冲激励响应研究
刘丽兰, 吴子英, 朱国栋
2019, 38(8): 1157-1164. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180286
摘要(582) HTML (377) PDF 1454KB(31)
摘要:
将双稳态振动发电系统与单自由度质量弹簧系统串联,建立了两自由度双稳态振动能量发电系统的力学模型和控制方程,借助数值仿真分析了矩形脉冲和半正弦脉冲激励的幅值和占空比对该发电系统动态响应的影响。绘制了两种脉冲激励下发电系统输出功率与非线性刚度比的关系曲线,得到了较大输出功率下的最佳非线性刚度比,并通过改变发电系统的质量比和调频比,分别获得了矩形和半正弦脉冲激励下发电系统可产生较大输出功率的结构参数配置范围。
组合转子-轴承系统非线性振动相似律研究
廖泽雨, 王艾伦, 徐文标
2019, 38(8): 1165-1172. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180302
摘要(224) HTML (159) PDF 1029KB(19)
摘要:
针对重力对系统原型、模型滑动轴承处振动相似性影响的问题,采用量纲分析法推导了考虑重力影响的组合转子-轴承系统非线性振动相似律表达式。理论分析了考虑重力对缩比模型建立的限制,并提出补偿方案满足完全相似关系。在此基础上,考虑尺寸畸变的影响,采用优化理论推导了轮盘尺寸畸变相似关系。分别建立考虑重力影响和同时考虑重力和尺寸畸变影响的数值仿真模型对相似关系进行验证,并与未修正模型进行对比。结果表明,考虑重力影响和同时考虑重力和尺寸畸变影响建立的修正模型均能对原型轴承处振动响应及油膜涡动过程进行准确预测;而未修正模型的预测误差很大,不能指导非线性振动试验。
二次VMD筛选-MPE和FCM相结合的故障诊断方法
周成江, 吴建德, 袁徐轶
2019, 38(8): 1173-1184. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180293
摘要(451) HTML (273) PDF 1333KB(19)
摘要:
针对单向阀振动信号含有背景噪声,故障特征提取困难和诊断精度不高的问题,提出了二次变分模态分解(二次VMD)、多尺度排列熵(MPE)和模糊C均值聚类(FCM)相结合的故障诊断方法。首先,通过二次VMD对振动信号进行分解,再使用双阈值法筛选得到有用的本征模态函数(IMF)。其次,提取重构信号中具有敏感特性的MPE特征。最后,将故障特征输入至FCM得到聚类中心,并根据海明贴近度对待识别样本进行分类。通过多组对比实验,结果表明二次VMD筛选能有效去除噪声及虚假成分,MPE具有更好的敏感故障特征表征能力。同时,使用FCM对模糊特征进行聚类能够取得比传统支持向量机(SVM)更好的效果。
仿生爪刺式双足爬壁机器人设计与分析
刘彦伟, 黄响, 王李梦, 梅涛, 李言
2019, 38(8): 1185-1190. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190107
摘要(412) HTML (365) PDF 1174KB(178)
摘要:
针对自然界广泛存在的粗糙壁面应用环境,提出了一种模仿昆虫攀爬动作的仿生爪刺式双足爬壁机器人。该机器人包括双腿和尾部车轮,由腿部切比雪夫连杆机构驱动双足在壁面上交替抓附爬行,可以实现类似昆虫足部的抓附、脱附动作,能够实现在竖直粗糙砖面上稳定爬行,具有一定的越障能力。建立了机器人腿部连杆机构模型,分析了机器人爬行过程中的足部爪刺的抓附、脱附动作,并在多种壁面上对机器人样机开展了爬行实验。
挤压油膜阻尼器长径比对风车碰摩转子系统动力学特性影响
杨坤, 李宇, 何文博
2019, 38(8): 1191-1198. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180290
摘要(240) HTML (284) PDF 1105KB(17)
摘要:
为了研究挤压油膜阻尼器长径比对转子系统风车定点碰摩动力学特性的影响,搭建了转子-轴承-刚性机匣系统风车不平衡模拟碰摩实验台,简化实验器得双盘-滚动轴承转子模型,在实验之前对双盘-滚动轴承转子风车状态下定点碰摩故障动力学响应特性进行研究,为实验做出相应的预估。将双盘-滚动轴承转子系统碰摩模型简化为集中质量模型,基于达朗贝尔原理建立了考虑非线性油膜力、碰摩力以及支承轴承力作用的双盘-滚动轴承转子系统碰摩非线性动力学运动方程,采用四阶Runge-Kutta法对动力学运动方程进行求解,分析了系统响应位移随挤压油膜阻尼器长径比的变化规律。结果表明:长径比是影响转子系统运动状态的敏感参数,若增大长径比,转子系统运动状态先后经历混沌运动、周期运动、拟周期运动和混沌运动,之后一直维持在混沌运动状态;随长径比增大,转子系统抗失效不平衡量呈现先增大后缓慢减小的趋势;长径比在0.4时,转子系统抗振性能最优。
质量比对柔性构件次碰撞现象的影响
李锋, 戚晓利
2019, 38(8): 1199-1205. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180284
摘要(225) HTML (243) PDF 1132KB(17)
摘要:
为了深入研究质量比和碰撞相对速度对柔性构件次碰撞现象的影响,搭建了球与柔性梁碰撞的试验模型。通过设计4种碰撞试验组合,并建立与试验结构尺寸1:1的有限元模型,对球-梁的次碰撞诱因展开了讨论。研究表明,有限元仿真方法可以准确的模拟次碰撞试验过程。试验结果如下:1)如果质量比不合适,碰撞相对速度的改变不会激发次碰撞现象;2)质量比处于激发次碰撞现象的临界值时,碰撞相对速度的改变将直接影响后续次碰撞的次数和形式。研究表明,质量比对激发次碰撞行为起到主导作用,该结果可作为控制柔性构件次碰撞次数的参考。
双盘转子系统不对中-碰摩故障仿真及实验研究
董庆运, 马梁, 鲁鑫
2019, 38(8): 1206-1213. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180304
摘要(273) HTML (172) PDF 1193KB(16)
摘要:
本文建立了通过齿式联轴器连接、滚动轴承支承的双盘转子动力学模型。该模型引入了齿式联轴器啮合力,不对中力和碰摩力。同时搭建转子实验台,并且进行了低转速下不对中-碰摩实验,研究转子在低速下的动力学特性和碰摩力特征。结果表明:低速实验下转子碰摩对于整体振动影响不大,在低转速下会产生一定的分数频率,并对倍频幅值产生一定影响;仿真结果显示,随着转速的增加,转子与静子产生碰摩,系统逐渐产生分数频率,并且系统的运动稳定性变差,碰摩力变得无规律。
精密制造与加工
一种机器人的平面约束自标定技术研究
李楠, 平雪良, 王晨学, 徐超, 蒋毅
2019, 38(8): 1214-1222. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180298
摘要(243) HTML (185) PDF 1019KB(23)
摘要:
针对目前基于平面约束的标定方法误差模型复杂、实验条件较为苛刻等问题,提出了一种操作简单的平面约束标定方法。首先提出了修正的末端位置误差模型;其次在标定块的角点上建立坐标系,利用测量头对经过该角点的三个平面分别进行接触式测量,记录接触瞬间的各组关节角度值并将机器人末端位置转换到标定块坐标系中,从而建立平面约束误差模型;另外通过接触式测量头及编程实现了自动化测量,提高了标定效率;最后对运动学参数误差进行辨识并将结果修正到控制器。实验表明,机器人的绝对位置精度有明显提高。该标定方法成本低、效率高、操作简单,在保证精度的前提下简化了误差模型,具有实际应用价值。
改进PSO算法优化的电液位置伺服系统滑模控制
蔡改贫, 刘鑫, 罗小燕, 陈慧明
2019, 38(8): 1223-1230. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190109
摘要(309) HTML (201) PDF 1146KB(14)
摘要:
针对电液位置伺服系统因参数不确定性、复杂时变性与非线性而导致控制性能不佳的问题,提出了一种基于改进PSO算法的电液位置伺服系统滑模控制方法。建立电液位置伺服系统的误差状态空间方程,通过设计滑模面和控制律推导出滑模控制器结构,利用李雅普诺夫函数验证了控制器的稳定性,采用柯西变异和自适应速度更新策略改进了PSO算法,并把改进后的PSO算法应用至滑模控制器中进行参数优化,基于AMEsim/MATLAB联合仿真研究了几种方法下系统对位置的跟踪情况。结果表明,相比于PSO算法和APSO算法,改进PSO算法寻优性能更好,从而验证了该方法是有效的;通过对比分析,采用改进PSO算法的滑模控制器极大地提高了系统的控制性能,在抑制抖振的同时实现了系统对状态轨迹的快速精确跟踪。通过现场试验研究,验证了所提方法的应用可行性。
熔融沉积成型中对自适应分层方法的改进及实验研究
王馨翊, 李淑娟, 马维东, 杨磊鹏
2019, 38(8): 1231-1238. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180297
摘要(272) HTML (332) PDF 1070KB(14)
摘要:
目前,熔融沉积成型技术中提出了各种自适应分层算法来改善成型效率和成型精度无法兼顾的缺点。其中,基于STL模型三角面片法向量的自适应分层算法存在以下问题:如果三角面片法向量与分层方向间的夹角过大或过小,这一算法无法实现层厚随着法向量与分层方向之间夹角的变化而自适应变化。为此,本文应用归一化的方法对其进行改进,将模型等厚分层后再根据归一化的原理确定每一层的自适应层厚值;其次基于MATLAB对这一自适应分层算法及其改进算法进行仿真;最后在熔融沉积实验平台上对其进行实验验证。实验结果表明,相对于原始算法,改进算法的自适应分层效果显著提高,且零件成型效率上升了22%,成型精度上升了29%,切实有效。
局部保形映射到整体能量优化的曲面展平
彭威, 吉卫喜
2019, 38(8): 1239-1243. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190108
摘要(412) HTML (208) PDF 911KB(24)
摘要:
针对复杂网格曲面提出了一种局部保形映射到整体弹性能量优化的曲面展平算法。该方法基于局部到整体的思路,通过分析作用在局部三角形上的仿射变换雅可比矩阵的奇异值,得到三角形到平面参数域的保形映射。在此基础上,通过迭代优化由网格线弹性应变能组成的能量函数,使得整体网格的节点内力达到平衡状态,对局部保形映射后的网格进行整体拼接和优化。应用实例表明,该方法稳定可靠,能得到较好的网格曲面展平结果。
微流挤出工艺的分层算法研究
戈权珍, 段国林, 孟雯杰
2019, 38(8): 1244-1249. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180287
摘要(247) HTML (136) PDF 926KB(13)
摘要:
在3D打印技术中,模型切片是非常重要的一环,一个好的模型切片算法不仅可以提高精度,同时也可以大大节约时间与内存空间。而在微流挤出成型工艺中,层片的厚度也对加工产品的质量有很大的影响,所以确定分层的厚度也是至关重要的。综合了现有的多种切片算法,根据微流挤出成型工艺的特点,提出了一种根据材料流变特性来确定层厚的基于模型几何信息的3D打印方法,经过大量的实验验证发现,这种算法确定的层厚与实际相符,并且算法大大减少了打印时间,增加了切片的精确度。
加加速度连续有界的PTP运动轨迹规划研究
林建雄, 白瑞林, 王延玉
2019, 38(8): 1250-1256. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180303
摘要(476) HTML (189) PDF 1054KB(24)
摘要:
针对SCARA机器人高速PTP运动时的轨迹跟随误差和力矩突变问题,提出两种关节空间加加速度连续有界的PTP运动轨迹规划方法。分别通过关节空间的九次多项式和三角函数两种形式进行PTP轨迹规划,保证规划的轨迹速度、加速度在限定范围内,加加速度值连续且有界。实验表明,相比较梯形速度曲线,三角函数和9次多项式的PTP轨迹规划分别将关节空间轨迹跟随误差降低了0.16°和0.33°,轨迹跟随的定位时间明显减小,关节驱动力矩的突变、振荡情况得到有效的改善。
刀具磨损的机器视觉监测研究
彭锐涛, 降皓鉴, 徐莹, 唐新姿, 张珊
2019, 38(8): 1257-1263. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180291
摘要(446) HTML (266) PDF 1074KB(26)
摘要:
为提高铣削加工时的刀具利用率、降低刀具成本,提出采用机器视觉技术在机监测铣刀磨损状态,及时更换刀具。建立刀具磨损监测系统,由电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)相机获取刀具磨损图像,通过图像预处理、阈值分割、基于Canny算子和亚像素的边缘检测方法建立刀具磨损边界,提取刀具磨损量。开展GH4169镍基高温合金铣削实验,将监测系统检测的磨损量与超景深显微镜的测量结果进行比对,结果表明:该系统具有较高的检测精度,可实现铣削加工时刀具磨损状态的在机监测。
收腰型铝散热器的空气侧优化
马秀勤, 赵津, 袁征, 李梅珺
2019, 38(8): 1264-1269. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180305
摘要:
为寻找一种与收腰管匹配效果更好的散热翅片结构,先应用正交试验与模拟仿真对收腰管百叶窗散热器翅片的4个主要结构参数,即翅片间距Fp、百叶窗间距Lp、百叶窗宽度Lw和百叶窗角度La进行优化,得到各结构参数对散热器传热性能和压降性能的影响规律,即百叶窗角度La影响最大,翅片间距Lp影响最小。随后,在此基础上提出了散热翅片的优化方案。最后,利用风洞试验对优化前后的散热器性能进行了比较。结果显示,优化后的百叶窗翅片结构可以明显提高散热器空气侧的传热,同时降低了风阻。
仪器、仪表科学与技术
柔性臂坐标测量机动态误差补偿算法研究
朱嘉齐, 章家岩, 冯旭刚
2019, 38(8): 1270-1275. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190110
摘要(334) HTML (147) PDF 931KB(19)
摘要:
针对柔性臂坐标测量机误差因素复杂且误差影响之间呈非线性的问题,分析了误差因素并对部分动态误差进行研究,提出了一种基于模拟退火和神经网络的柔性臂坐标测量机动态误差补偿方法。利用BP神经网络建立动态误差补偿模型,通过模拟退火算法优化权值从而解决了神经网络的收敛速度慢的问题。通过实验获得数据样本,训练所建模型后对测试数据进行误差补偿。与BP神经网络模型进行对比结果表明,补偿测试点后得出的单点重复性测量误差提高了60.85%,长度测量误差的精度提高了54.79%,证明了所提方法的有效性和可行性。
稀疏点测量航空导管的圆柱拟合算法研究
郝雪, 刘京亮, 晁艺
2019, 38(8): 1276-1281. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180306
摘要(339) HTML (85) PDF 873KB(15)
摘要:
航空导管是航空管路系统的重要组成部分,为保证导管质量需要对导管进行测量获得其几何参数。为获得导管几何参数需要对测量点进行空间圆柱拟合。目前已有的圆柱拟合算法需要稠密的点云,有时受限于测量时间和环境只能获得稀疏的测量点,过少的测量点影响了圆柱拟合的精度,无法准确获得导管几何参数。针对这一问题,提出一种通过计算点云投影点的圆度来选取圆柱拟合时的初值的圆柱拟合算法。算法首先将采集的点云分别投影到以各个单位向量为法向量的平面上,将投影点拟合成圆,计算其圆度;然后将圆度最好的一组单位向量作为拟合圆柱轴向的初始向量,对应投影圆的圆心坐标和半径作为圆柱轴心和圆柱半径的初始值;最后利用梯度下降法对圆柱进行拟合。实验结果验证了该算法不需要大量的测量数据就可以较为准确地拟合圆柱,可以用于航空导管几何参数获取。
运载工程
跨座式单轨走行轮轮胎工作模态与偏磨关系研究
黄继刚, 于丽波, 杨正林
2019, 38(8): 1282-1288. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180307
摘要(299) HTML (133) PDF 973KB(12)
摘要:
跨座式单轨列车在重庆推广运营过程中出现了严重的偏磨损现象并引发一系列安全、环境、运行成本等问题。为探索其偏磨机理及控制方法,采用ABAQUS软件建立了走行轮轮胎的有限元模型,通过轮胎模态试验验证了其建模方法的有效性,并基于行波理论,利用有限元方法计算了考虑走行轮轮胎滚动效应的工作模态,同时探索了走行轮轮胎工作模态与偏磨的关联关系。并根据轮胎结构与模态的内在关系,提出了通过改变轮胎结构参数来控制走行轮轮胎偏磨的控制方法。分析结果表明:通过合理改变0°带束层弹性模量可以降低走行轮一阶扭转前后行波差,有效降低跨座式单轨走行轮的偏磨。
高温环境船舶基座振动功率流特性研究
朱越, 吴乙万, 白鸿柏, 邵一川, 张培林
2019, 38(8): 1289-1295. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180295
摘要:
船舶设备基座常工作于高温环境下,但在设计中并未考虑温度的影响。通过对Abaqus软件二次开发实现功率流计算功能,并以功率流作为评价指标,采用不同激励方案对不同温度条件、肘板厚度、肘板间距的设备基座进行研究。结果表明,肘板厚度和肘板间距在各阶固有频率处对基座纵向传递功率流影响并不一致;低阶固有频率处温度上升将会改变肘板厚度对功率流的影响趋势;高阶固有频率处温度升高加剧功率流的波动程度且使功率流变化更为复杂。
材料科学
单向碳纤维复合材料界面力学性能测试研究
张立峰, 王盛, 乔伟林, 李战, 甄婷婷, 王映
2019, 38(8): 1296-1300. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180310
摘要(262) HTML (194) PDF 1119KB(17)
摘要:
编织陶瓷基复合材料由于复杂的纤维编织结构,其界面力学性能测试与表征较困难。为了研究编织复合材料的界面力学性能,探明应力作用下的界面失效机制,本文设计并制备了单向模型复合材料,开展相关单纤维压出的微纳实验。结果表明,C/SiC采用PyC界面时,其界面剪切强度约为35 MPa。通过对纤维的压出过程进行分析,揭示了载荷作用下的裂纹萌生及扩展规律。课题研究不仅对拓展复合材料的应用具有重要的经济意义,而且可为复合材料界面力学与断裂力学的研究提供一定的理论和实验支撑。
航空、宇航工程
尾缘锯齿结构对压气机叶片尾迹特性的影响
贺艳文, 冯和英, 李学军, 屈伟
2019, 38(8): 1301-1306. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180313
摘要(573) HTML (186) PDF 1124KB(20)
摘要:
航空发动机的效率和噪声一直是人们关注的热点,压气机是航空发动机的重要组成部件,压气机叶片尾缘结构对其尾迹特性影响重大。为此,对某型轴流压气机叶片尾缘进行典型三角形锯齿建模,通过Fluent软件模拟研究锯齿尾缘叶片尾迹区域的三维湍流流场信息,对比不同尺寸的锯齿尾缘叶片与无锯齿尾缘叶片的尾迹流动特征和声场特征,分析锯齿尾缘叶片的流动损失机理及降噪机理。研究发现:流过锯齿尾缘的气流会通过锯齿缝隙从压力面流向吸力面,给予尾迹区域一定的能量补偿,从而减小尾迹的速度亏损和总压损失;尾缘锯齿结构会破坏叶片展向涡流结构,使大尺度涡变成各种不同尺度的小涡,通过涡能量扩散来降低尾缘噪声;在齿宽一定的情况下,存在一个最佳的齿高,使得降低流动损失和降低噪声的效果最佳。
拦阻钩缓冲器动力学性能试验研究与分析
豆清波, 杨正权, 刘继军, 李霄
2019, 38(8): 1307-1312. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180294
摘要(419) HTML (266) PDF 944KB(18)
摘要:
开展了舰载机拦阻钩缓冲器动力学特性研究,提出了舰载机拦阻钩缓冲器动态力学特性及拦阻钩系统冲击性能试验方法,搭建了试验系统,进行了拦阻钩系统垂向冲击试验,揭示了拦阻钩缓冲器阻尼力随行程的变化规律。结果表明,缓冲器初始充填压力较小时,不利于拦阻钩顺利挂索,通过提高缓冲器初始充填气体压力,可以有效提高拦阻钩止转性能,有利于拦阻钩顺利挂索。将缓冲器动态阻尼特性曲线引入冲击环境下的拦阻钩纵向运动分析模型,对拦阻钩反弹高度计算结果与试验实测数据进行比较。结果表明,反弹高度计算曲线有效地反映了拦阻钩钩头的运动特点,计算结果在弹跳高度和弹跳时间上均大于试验测试结果,分析说明了计算误差产生的原因。