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2020年  39卷  第11期

机械动力学
阻尼复合板声辐射特性的参数化水平集拓扑优化
李壮, 黄逸哲, 郑伟光, 黄其柏
2020, 39(11): 1641-1646. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190334
摘要:
围绕自由阻尼复合板的阻尼层分布形式对结构声辐射特性的影响,采用基于全局支撑径向基函数(GSRBF)插值的参数化水平集方法,提出了一种以复合板表面法向复振速幅值之和作为简化目标的声辐射特性优化方法。在阻尼层材料体积分数约束下,求解目标函数的变分并构建水平集函数速度场,以数值算例验证了该简化模型在避免复杂计算的同时能有效降低结构声辐射功率,说明参数化水平集方法用于基于声辐射特性的复合板结构拓扑优化是行之有效的。
振动传递路径频域分析方法研究进展
舒俊成, 贺尔铭
2020, 39(11): 1647-1655. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200270
摘要:
飞机、汽车等复杂系统的过度振动常常会造成结构的局部破坏。而传递路径分析(TPA)方法是研究系统振动主要工具之一,常用来分析这类振动的各路径振动贡献量,辨识振动的主要来源。经过近40年的发展,TPA方法已经衍生出了传统传递路径分析(CTPA)、工况传递路径分析(OTPA/OPA)、拓展工况传递路径分析(OPAX)、快速传递路径分析(FTPA)、多级传递路径分析(MTPA),混合传递路径分析(HTPA),逆子结构传递路径分析(ITPA)以及全局直接传递率(GTDT)等8种方法。为了在振动传递问题分析中更好地理解和应用不同TPA方法,回顾了这些方法的历史,归纳总结了其基本原理和特点,比较研究了不同TPA方法的应用情况;最后结合大型客机座椅舒适性研究,讨论了各种TPA方法的适用性,并对TPA方法未来的发展作了展望。
立管环焊缝残余应力Kriging近似预测模型研究
王祺, 张洪伟, 王小涵, 樊恒明, 王琳
2020, 39(11): 1656-1661. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190323
摘要:
深海立管的焊接残余应力严重影响结构的服役寿命和安全性能。以立管用X65管线钢作为研究对象,建立有限元模型,选择双椭球热源模型模拟移动热源,采用生死单元法模拟焊料填充过程,进行环焊缝焊接过程模拟得到管道焊接残余应力场的分布规律。通过正交试验优化设计焊接工艺参数,在有限元分析基础上确定焊接残余应力,进行简化假设而建立了残余应力Kriging近似预测模型,对比分析了模型预测结果和有限元计算结果,发现一致性高。因而可通过此模型预测不同工艺参数下的残余应力数值,其表现出较高的工程应用价值。
自适应噪声极值加权模态分解及其在低速滚动轴承故障诊断中的应用
苏缪涎, 郑近德, 潘海洋, 童靳于, 刘庆运, 潘紫微
2020, 39(11): 1662-1670. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190329
摘要:
极值加权模态分解(Extreme-point weighted mode decomposition,EWMD)是在经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)的基础上提出的一种自适应信号分解方法,能够改善EMD的分解能力。针对于EWMD的模态混叠问题,借鉴噪声辅助分解思想,提出了自适应噪声极值加权模态分解(Complete ensemble extreme-point weighted mode decomposition with adaptive noise,CEEWMDAN)。CEEWMDAN通过向原始信号中添加辅助噪声,用改进的均值曲线构造方式提取内禀模态函数,有效地抑制模态混叠,且分解结果对集成次数的依赖性小,在保证分解精度的前提下减少了计算量。通过仿真实验数据分析验证了CEEWMDAN在提高分解性能和抑制模态混叠方面的有效性。提出了一种基于CEEWMDAN和快速谱峭度的低速滚动轴承故障诊断方法,并应用于实测数据分析。结果表明所提出的方法能够有效地识别低速滚动轴承故障。
根据PCA-GA-Elman的风机齿轮箱轴承温度预测
贾依达尔·热孜别克, 袁逸萍, 孙文磊, 赵琴, 樊盼, 王炜超
2020, 39(11): 1671-1675. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190311
摘要:
针对风电机组齿轮箱轴承温度易受随机因素影响及预测准确性低的问题,以准确预测短期内温度变化为目标,通过对风电机组齿轮箱轴承温度发展趋势的研究,提出一种主成分分析(Principal component analysis,PCA)、遗传算法(Genetic algorithm,GA)及Elman神经网络结合的预测模型。该模型通过主成分分析对高维复杂原始变量进行降维,主成分(PC)作为经GA优化的Elman神经网络的输入。新方法充分考虑轴承温度发展趋势中的随机波动成分,挖掘历史数据变化规律。结果表明:新方法对轴承温度发展中的随机波动趋势拟合效果较好,稳定性、准确性均优于文中其他方法,能够有效实现轴承温度的精确预测。
足踝形态与弹性护具压力分析及应用研究
张春强, 吉晓民, 薛艳敏, 胡钢
2020, 39(11): 1676-1684. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200186
摘要:
弹性护踝为足踝提供一定的压力而起到保护作用,但是压力过大或是分布不均会带来不舒适性,为提高弹性护踝的舒适性,本研究扫描了306个足踝样本数据,分析弹性护踝织物经纬线与足踝形态曲线之间的映射关系,通过凸闭曲线的方式构建弹性护踝相应的形态曲线,确立足踝形态与弹性护踝形态以及织物拉、压力之间的关系。根据扫描样本数据,建立足踝和弹性织物的标准模型,通过与标准模型的比例系数,将足踝尺寸划分为9个类型组。以特征曲线为代表计算了不同足踝尺寸类型的最大压力及相应的位置,结果显示6个适合的护踝尺寸,同时找出弹性护踝对足踝产生的极小压力区域。结合影响压力变化的织物弹性系数和织物伸长量要素,提出形态变化的方法增加相应位置所需压力,从而消除压力分布不均的问题。
拖拉机变速器箱体动态特性分析与优化设计
王海林, 郑锐禹, 王昱, 张廷浩, 胡德正
2020, 39(11): 1685-1690. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190322
摘要:
针对重型拖拉机液压机械无级变速器箱体的减振降噪问题,对箱体进行动态特性分析,并运用结构优化方法进行箱体的优化设计。根据箱体的初始设计几何模型,建立箱体壳单元和体单元耦合的有限元模型,进行箱体模态分析和瞬态动力学分析;基于分析结果以箱体的前六阶加权模态频率最大化为目标,运用拓扑和形貌联合优化的方法得到了箱体最优化的材料分布和加强筋分布。分析结果表明:优化后箱体的强度和刚度满足要求,质量减少8.7%,前六阶固有频率都得到提高并且避开了激励频率。该方法为同类变速器箱体的优化设计提供了参考,降低产品设计成本,缩短研发周期。
脱气除油一体化旋流器结构参数优选
卢秋羽, 刘合, 宋健
2020, 39(11): 1691-1697. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190296
摘要:
为了解决原油开采过程中伴生气的存在会影响介质间的分离效率,同时无效放空会影响环境的问题,基于旋流分离原理提出了一种多级分离结构的脱气除油一体化旋流器,其分为外层气-液分离腔和内层液-液分离腔,实现了油气水三相之间的高效分离。利用正交试验结合计算流体动力学软件对外层气-液分离腔旋流腔圆柱段长度(A)、锥角(B)、排气管插入深度(C)进行结构参数优选。分别对试验结果进行直观分析和方差分析,两种方法所得结果具有一致性,最终得到理想的参数:气液旋流腔圆柱段长度为280 mm、锥角为5°、排气管插入深度为125 mm,使分离效率提高到95%以上,并通过室内试验对该多相流分离旋流器分离效果进行验证。
双跨转子系统油膜失稳的数值仿真与试验研究
罗跃纲, 徐昊, 王鹏飞, 王晨勇, 付豪
2020, 39(11): 1698-1704. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190324
摘要(213) HTML (102) PDF 6253KB(18)
摘要:
本文以双跨转子试验台为研究对象进行数值仿真与试验测试以模拟实际机组的油膜失稳情况。在数值计算方面,基于有限元法,利用Capone圆轴承油膜力模型建立试验台的动力学模型,对比分析了不同转速下偏心量与圆盘质量的影响规律。试验方面通过试验台改变圆盘偏心量与圆盘质量对转子系统的影响进行分析,并与仿真结果进行比较。结果表明:适当增大偏心量与转盘质量后一定程度上抑制了油膜振荡对系统运转的影响,且油膜振荡发生会延后,但工频幅值会升高。这些故障特征为今后识别油膜失稳提供一定的理论与实际依据。
自适应可变形轮腿式移动机构
张娜, 沈灵斌, 李晔卓, 荀致远, 王丹, 姚燕安
2020, 39(11): 1705-1712. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190320
摘要(304) HTML (299) PDF 4318KB(33)
摘要:
提出一种可自适应切换移动模式的轮腿式移动机构,通过欠驱动切换设计以提高移动机构在复杂地形的移动能力。该移动机构无需驱动单元即可在类轮模式和轮腿模式之间进行模式切换,减小了变形驱动模块的复杂度以及机构的整体质量。该机构在平坦路面上机构以类轮模式行走,遇到障碍时旋转车身可切换成轮腿模式通过。对该机构在两种运动模式下直行、转弯、越障等过程进行理论分析并建立动力学仿真模型,得到并验证机构转弯半径函数及最大越障高度等。制作一台理论样机验证其可行性。理论分析与实验结果表明,该机构具有传统轮式机构行驶稳定性以及腿式机构高越障性,且自适应切换可显著提高其地面通过能力。
钢丝绳隔振器动态迟滞特性建模与参数识别研究
王红霞, 陈大顶, 戢玉莹
2020, 39(11): 1713-1719. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190333
摘要:
对钢丝绳隔振器的动态迟滞特性进行研究。针对小振幅下修正的归一化Bouc-wen模型拟合精度低的问题,在模型中引入一个关于激励位移的非线性函数,建立了隔振器动态迟滞特性模型;采用线性最小二乘法和带噪声统计估计器的自适应无迹卡尔曼滤波算法对模型参数进行识别。结果表明:建立的模型能够很好地描述钢丝绳隔振器动态迟滞特性,采用的参数识别方法可以准确有效地识别出模型参数,试验曲线和识别的模型拟合曲线吻合较好,验证了建立的模型和参数识别方法的有效性。
精密制造与加工
GH4169断续车削负倒棱参数对刀具寿命影响研究
李福稼, 李士鹏, 秦旭达, 林文亮, 刘剑锋, 冯宇
2020, 39(11): 1720-1727. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190321
摘要(160) HTML (121) PDF 7132KB(25)
摘要:
针对镍基高温合金GH4169的断续车削过程,通过单因素实验的方法,研究了硬质合金刀片刃口负倒棱参数对刀具寿命及加工表面粗糙度的影响规律。通过超景深显微镜与SEM扫描电镜分析了负倒棱参数对刀具磨损机理影响规律,利用有限元仿真从冲击应力与切削温度的角度,对实验结果进行了讨论。结果表明:在研究范围内,随着负倒棱角度与宽度的增加,刀具寿命均呈先增大后减小的趋势,而加工表面粗糙度随负倒棱参数的变化规律不明显,总体上差距不大;适当增加负倒棱角度与宽度可以减小切入切出冲击使得刀具寿命升高,但负倒棱角度与宽度过大使切削温度升高加剧了刀具磨损,从而导致刀具寿命降低。
大型复杂曲面透明件非接触在线测量与建模方法
刘其广, 徐飞飞, 赵吉斌, 吕杰
2020, 39(11): 1728-1732. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190310
摘要:
实现了一种对大型复杂曲面透明件的非接触在线测量和建模方法,该方法能够适应航空座舱透明件刚度低、表面易划伤的结构特点。基于五轴数控加工中心,利用光谱共焦位移传感器和数据采集卡,在线记录运行过程中工件表面和机床各轴的位置坐标,对采集的两组数据进行矢量求和,并通过开发软件进行处理,实现了透明件的非接触测量与数学模型的重建。通过实验完成了曲面点云的采集、数据处理以及曲面模型的重构,验证了方法的可行性。
多物理场耦合分析下的电解加工环形窄槽数值模拟研究
穆瑞元, 曹岩, 黄亮, 贾峰
2020, 39(11): 1733-1739. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190325
摘要(232) HTML (193) PDF 3101KB(26)
摘要:
针对环形窄槽结构电解加工过程工艺试验周期长,型面难以预测的问题,建立掩膜电解加工过程电场、流场、温度场耦合数学模型,利用COMSOL软件对多物理场进行数值模拟仿真,得到加工间隙内电解液电流密度、流速和压力的分布规律,并将加工过程中不同时刻耦合场仿真结果进行对比,得到加工进程中各参数变化规律。研究结果表明,多物理场耦合仿真能够准确模拟实际电解加工过程,实现了工艺参数选取,为实际工艺提供了理论依据,对提高窄槽结构电解加工质量和效率有重要意义。
螺纹铣刀牙型轮廓的少干涉优化方法
唐翊然, 胡自化, 樊远皞, 秦长江, 张旭东, 邹业明
2020, 39(11): 1740-1746. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190327
摘要(177) HTML (110) PDF 2419KB(22)
摘要:
根据螺纹铣削过程的径向和轴向干涉误差分析,提出了调整铣刀牙型轮廓特征点位置的螺纹铣刀牙型轮廓少干涉优化方法。首先,利用特征点法分别对标准螺纹和螺纹铣刀的牙型轮廓进行参数化表示;然后,建立螺纹轮廓面和螺纹铣刀铣削加工包络面的数学计算模型,以及螺纹铣削加工的干涉误差计算模型;最后,利用干涉模型计算得到的轴向和径向干涉误差,对螺纹铣刀牙型轮廓特征点进行适当调整,优化螺纹铣刀轮廓以减少干涉误差。以∅8×1.5螺纹铣刀加工M14×1.5内螺纹的加工仿真与切削实验为例,利用MATLAB计算螺纹铣刀优化后的最大干涉误差为2.6 μm,相比于螺纹铣刀优化前(8.1 μm)降低了67.9%;内螺纹铣削实验结果表明螺纹铣刀优化后的最大干涉误差仅为15.5 μm,相比于普通螺纹铣刀的最大干涉误差值(24.8 μm)降低了37.5%。可见,螺纹铣刀牙型轮廓少干涉优化方法能极大减小螺纹铣削加工干涉误差,有效提高螺纹加工精度。
一面两销无间隙定位方法的研究
吴盘龙, 胡东方
2020, 39(11): 1747-1752. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190297
摘要(259) HTML (142) PDF 1707KB(21)
摘要:
针对箱体、壳体类零件大批量生产中,由于采用的传统一面两销定位存在配合间隙,各工序无法达到完全基准统一,易造成产品质量不稳定的问题。提出了一种采用两个带挠性的多齿瓣圆柱销代替传统的圆柱销和菱形销的无间隙定位方法。通过最小二乘法寻找到定位销弹性齿瓣的最小弹性区间,定位孔中心距公差带只需满足在最小弹性区间内变化即可。利用定位销弹性齿瓣的回复力与定位孔自适应配合的方法消除销孔之间的配合间隙,实现定位基准统一。数值仿真计算验证了提出的无间隙定位方法的有效性。
仪器、仪表科学与技术
光纤Bragg光栅振动传感器的标定与不确定度分析
卢淑源, 赵振刚, 姚敏
2020, 39(11): 1753-1758. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190295
摘要:
采用相对校准法对振动传感器进行标定,将被校传感器与标准传感器背靠背固定在振动台中心,承受相同的振动信号,对标准振动传感器的输出量与被校振动传感器的输出量作比较和分析,并且引入了不确定度分析。实验结果表明:Fiber Bragg Grating(FBG)振动传感器标定平台标定得到FBG振动传感器的灵敏度为5.115 pm/g,线性度为3.5%,重复性误差为4.9% FS,校准装置的测量不确定度为0.003 8 g。满足待测FBG振动传感器的标定要求,提高了FBG振动传感器检定的工作效率和标定精度,可以运用于实际工程中。
三维点云预采样的曲面自适应布点策略及应用
龚瑗, 邱兆祥, 郑新建, 李西兴
2020, 39(11): 1759-1765. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190318
摘要:
针对现有的自适应布点策略大多无法在三维模型未知的前提下进行智能布点的问题,将点云信息、颜色信息与接触式测量进行结合,提出一种三维点云预采样的曲面自适应布点策略。通过预处理后的深度点云与HSV颜色空间下分割后的点集,获取待测曲面的显著性点云。提出一种改进的欧式分割算法将显著性点云分割为数个点云簇。根据均值漂移算法,以质心Voronoi结构的成本函数作为均值漂移算法的权函数,在各点云簇中迭代计算出最佳采样点的具体位置。通过实验对比该布点策略与均匀采样、随机采样、自适应采样的采样精度和采样效率。结果表明三维点云预采样的曲面自适应布点策略能够在保证测量精度的前提下提高采样效率,相较常规自适应采样的采样计算时间时间缩短了60%。
天然气涡旋压缩机排气温度双预测模型
刘涛, 梁成玉
2020, 39(11): 1766-1773. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190298
摘要:
为了能够准确预测出天然气涡旋压缩机的排气温度,建立了实验系统,并针对主要部位进行了温度测量。通过建立多元回归预测模型、灰色预测模型和双预测模型对温度进行了分析,研究了入口温度,主轴转速,压力比等主要因素对排气温度的影响,并评估了模型的准确性,最终对不同运行状态下的排气温度进行预测、分析。结果表明:多元回归预测的误差为3.06%,灰色预测的误差为2.11%,双模预测的误差为1.69%,可见双模预测误差最小,稳定性最强;在影响排气温度的因素中,入口温度的影响程度最大,其次是主轴转速,压力比最小。
改进型传递矩阵法的多穿孔率复合微穿孔板吸声性能研究
胡齐笑, 丁善婷, 刘荻
2020, 39(11): 1774-1781. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200271
摘要(401) HTML (226) PDF 2717KB(25)
摘要:
针对传统单层微穿孔板吸声体吸声带宽较窄的不足,本文研究了多穿孔率复合微穿孔板的吸声性能优化作用。基于体积流连续原理,采用改进型传递矩阵法,推导了多穿孔率复合微穿孔板吸声系数公式,探讨了多穿孔率对吸声性能的影响。数值仿真和实验验证表明,多穿孔率复合微穿孔板较传统单层板有更好的吸声带宽,不同穿孔率分布对微穿孔板吸声结构最大吸声系数的影响显著。
运载工程
鸟巢结构式汽车免充气轮胎设计及性能分析
向仲兵, 安子军, 刘涛
2020, 39(11): 1782-1787. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190328
摘要:
根据鸟巢结构原理,设计一种新型鸟巢结构式免充气轮胎,建立了该免充气轮胎的三维分析模型。应用ABAQUS有限元仿真计算的免充气轮胎下沉量与实验值进行了对比分析,以验证其可行性。利用其下沉特性,分析该免充气轮胎的径向弹性性能,并与充气轮胎的径向弹性性能进行对比分析。利用有限元仿真方法研究了不同阵列数的鸟巢结构式免充气轮胎的压力分布,并进行了特性规律和影响因素分析。结果表明,随着载荷增大,免充气轮胎和充气轮胎的下沉量相近,并且改变辐条阵列数可满足免充气轮胎不同径向刚度的要求,阵列数较大的免充气轮胎在较大下沉量时接地压力连续。
材料科学
微观结构下多晶材料的疲劳损伤模型及裂纹的数值模拟方法
杨静, 胡志伟, 刘栋, 张育飞
2020, 39(11): 1788-1793. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190326
摘要(380) HTML (241) PDF 2397KB(36)
摘要:
考虑多晶材料疲劳行为受晶粒拓扑结构的影响,建立了多晶材料Voronoi镶嵌的有限元微观结构模型,并在Voronoi边界插入内聚力单元模拟晶界特性。在此基础上,基于Abaqus双线性内聚力本构关系,建立了内聚力单元的疲劳累积损伤模型,定义了损伤变量,损伤判据以及损伤规律;通过Abaqus UMAT(User-defined material mechanical behavior)子程序编写了内聚力单元疲劳损伤的数值计算程序,实现了对微观结构下材料滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展的行为模拟。以滚子与滚道的接触疲劳分析为例,将数值模拟结果与实测结果相比,表明了该数值仿真方法模拟多晶材料裂纹形成和扩展的有效性。
航空、宇航工程
中介轴承波纹度对双转子系统动力学特性的影响
李静, 曹树谦, 郭虎伦
2020, 39(11): 1794-1804. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190317
摘要(231) HTML (108) PDF 5768KB(22)
摘要:
针对航空发动机双转子系统,根据转子动力学理论和拉格朗日方程建立中介轴承-双转子系统模型,采用数值仿真方法获得系统动力学特性,借助时变刚度曲线、幅频响应曲线、三维瀑布图、分岔图以及庞加莱截面图等,对比分析了理想中介轴承-双转子系统和考虑波纹度的中介轴承-双转子系统的时变刚度特性、中介轴承力、主共振、频谱特征以及分岔与混沌特性。结果表明,中介轴承波纹度使双转子系统运动状态更加复杂,尤其在较低转速下,波纹度会对双转子系统的动力学特性产生显著影响。