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2020年  39卷  第12期

机械动力学
纯电动汽车的复合制动系统多目标控制研究
邢志伟, 毕凤荣, 马小强, 马腾, 吕振鹏, 黄宇
2020, 39(12): 1805-1812. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190339
摘要:
以电动汽车的复合制动系统作为研究对象,设计并优化了其转矩分配控制策略。为了使汽车在制动时能同时满足制动稳定性和提高制动回收率的多目标需求,采用了带精英策略的多目标优化算法(NSGA-II)进行优化求解,针对其帕累托解集的决策过程提出基于模糊控制的改造理想解法选择最优方案,利用Simulink-Cruise联合仿真的方式进行了电动汽车的模拟计算。仿真结果验证了所提决策方法相较于其他决策方法更加符合实际的制动需求。
双重螺旋法加工齿轮副安装位置对其正反驱啮合性能的影响
陈义忠, 吴顺兴, 朱楚, 谭武中, 李智, 严宏志
2020, 39(12): 1813-1821. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190348
摘要:
螺旋锥齿轮副轴心偏置距、安装距、轴交角对其啮合性能有重要影响,本文针对准双曲面齿轮副正、反驱啮合性能,考虑不同相对安装位置调整量,在建立双重螺旋法加工的齿面基础上,采用齿面接触分析(TCA)和动力学分析方法,分别对齿轮副接触轨迹、传动误差和动态特性进行了研究。结果表明:极限VH值对大轮反驱面角加速度影响较正驱面显著;正极限V值有利于大轮正驱面动态性能改善;负极限V值易使大轮正驱面在齿根处产生边缘接触;正极限H值易使大轮正反驱面在齿根处产生边缘接触;通过齿轮副滚检实验验证了TCA仿真结果的正确性。同时,建立了安装位置调整量与接触迹位移量之间的映射关系,为预控齿面接触迹线位置提供参考。
主轴振动对表面波纹度影响及预测模型分析
陈东菊, 李源, 李天宝, 范晋伟
2020, 39(12): 1822-1827. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200006
摘要:
机床加工精度的影响因素中,静压主轴系统的动态特性引起的振动是加工表面波纹度产生的重要因素。基于主轴振动信息建立波纹度的生成模型,求解得到6个影响因素的灵敏度中径向轴承的位置是影响表面波纹度的主要因素。建立评价体系,通过相关法来评估生成模型与实际加工表面波纹结果之间的关系,得到了高于0.45的相关系数。最后利用功率谱密度提取主轴系统的频谱特性,发现主轴振动是影响加工精度的主要因素。
轨迹驱动式踝关节被动康复方案设计
杨捷, 孙振辉, 张弢, 宋轶民, 孙涛
2020, 39(12): 1828-1835. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190349
摘要:
并联外固定技术是一种面向踝关节骨折的新型治疗方法,亟需研究该治疗模式下的骨折术后康复理论。结合临床上连续被动运动康复理念,提出了通过正常运动轨迹驱动并联外固定器械运动的新型踝关节骨折被动康复方案。该方案设计了踝关节运动规律测定实验,通过Optotrak Certus三维测量系统捕捉正常运动状态下的标记物位置,在MATLAB中计算踝关节运动轨迹与运动范围。选取符合正常踝关节运动规律的康复轨迹,使外固定器械动平台按该轨迹运动,通过并联机构运动学逆解计算各支链杆长,形成被动康复方案。该方案可为采用并联外固定器械的踝关节骨折提供一种有效的术后康复方法。
双非线性变压器基础隔振降噪研究
李文鹏, 刘海波, 曹春诚, 段炼, 聂京凯, 董光旭, 何强
2020, 39(12): 1836-1843. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200273
摘要:
为降低居民区内变压器的振动和噪声对居民生活舒适性的不利影响,基于新型磁性负刚度和几何非线性阻尼设计了一种应用于变压器减振降噪的双非线性隔振系统。采用分子电流方法建立了磁性负刚度弹簧的理论模型,开展了磁力和磁性负刚度性能仿真分析。基于电磁分支电路阻尼提出一种位移-速度依赖的几何非线性阻尼,结合等效磁荷法研究了几何非线性阻尼的机电耦合特性,开展了相应的参数优化设计。应用谐波平衡法仿真分析了应用于变压器减振降噪的双非线性隔振系统的动力学特性,开展了变压器的低频减振降噪性能分析。结果表明:磁性负刚度降低了系统的共振频率,拓宽了隔振频带,有效隔离了变压器低频振动在固体结构中的传播;同时,几何非线性阻尼抑制共振而不影响非共振区振动的衰减,高效抑制了变压器振动噪声的传播。
斯特林驱动反渗透海水淡化增压泵设计研究
耿冬寒, 金龙, 李秀兵
2020, 39(12): 1844-1851. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190346
摘要:
提出一种用于小型反渗透海水淡化新型增压装置,将β型自由活塞斯特林发动机与往复式活塞泵耦合成为自由活塞斯特林发动机驱动式增压泵。确定初始设计参数,建立结构原理图,利用实用等温模型建模,分析斯特林发动机内部工作参数;在确定斯特林发动机参数后利用伯努利方程和一维不稳定流动方程对往复泵进行建模,得出泵吸排水口压力以及泵腔内压力变化;研究了斯特林发动机热源温度对输出功的影响,排出管口压力影响因素;利用MATLAB软件对所建立模型求解计算。结果表明,本设备理论上满足设计初始工况要求并可正常运行。
一种冗余机械臂多目标轨迹优化方法
宋成, 袁杰
2020, 39(12): 1852-1858. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190352
摘要:
针对冗余机械臂在轨迹规划过程中构型不唯一的特点,对冗余机械臂轨迹的多目标优化方法进行了研究,建立了以减小机械臂动作幅度、能量消耗和关节运动冲击为指标的多目标优化模型。通过改进的双模式混合差分进化算法(DHDE),对机械臂运动轨迹进行优化以获得逆运动学解的数值解。DHDE算法将DE/current-to-best/1/bin策略中的F因子改进为互补因子K,并利用天牛须算法原理进行优化,同时结合DE/rand/1/bin策略,改进后算法具有求解精度高、收敛速度快和鲁棒性强等特点。仿真表明所提方法能有效优化关节轨迹,理论定位精度可达到10−5 mm。最后实验验证了该方法的合理性和正确性。
罗茨风机进气空滤器声学与阻力特性数值分析
戚美, 付琪琪, 陈庆光, 王伯韬
2020, 39(12): 1859-1864. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190337
摘要:
以某型罗茨风机用空气滤清器为研究对象,采用声学有限元法和计算流体动力学方法,分别对空气滤清器的声场和流场进行数值模拟,分析有无滤芯及不同进气速度下滤芯高度、内径和外径对空气滤清器传递损失和压力损失的影响。研究表明:有滤芯时空气滤清器对1200 Hz以上高频噪声的消声性能有较大改善,提供了更好的宽频消声特性,但滤芯也会产生附加的压力损失;要使空气滤清器具有较好的消声性能且压力损失较小,滤芯高度应在300 ~ 350 mm范围内选取;在允许的压力损失范围内,相同滤芯厚度下应尽可能以增大滤芯外径的方式来提高消声性能。本文的研究结果可以为空气滤清器的结构优化与设计提供参考。
限矩型液力偶合器流场特性预测
王阳, 李志鹏
2020, 39(12): 1865-1871. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200023
摘要:
限矩型液力偶合器的工作状态始终是部分充液,内部气—液两相流体介质在泵轮流道和涡轮流道之间做螺旋环流运动。以YOX500液力偶合器为研究对象,利用CFD(Computational fluid dynamics)软件中的滑移网格法与流体体积法VOF(Volume of fluid)对液力偶合器内部流场进行瞬态分析,得到了液力偶合器内部两相、速度、压力分布,总结了其流场结构的变化与规律。同时对其外特性进行计算,将模拟结果与实验结果进行比较分析,对所使用的CFD数值计算方法的有效性进行评价,为液力偶合器内部流道的设计和优化提供方法。
FPCA和径向基极限学习机的齿轮箱故障检测方法
张文兴, 刘文翰, 王建国
2020, 39(12): 1872-1876. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190350
摘要(106) HTML (15) PDF 861KB(19)
摘要:
为了克服在数据处理中出现的信息缺失和冗余以及在故障检测上准确率较低等缺陷,利用函数型主成分所具有的鲁棒性和稳定性强的优点来弥补极限学习机在稳定性方面的不足,结合径向基极限学习机,提出了一种基于FPCA(函数型主成分分析)-RBF(径向基函数)-ELM(极限学习机)的齿轮箱故障检测方法。首先用基函数对原始数据进行预处理,然后应用FPCA提取特征信息建立RBF-ELM齿轮诊断模型,最后利用行星齿轮箱实验数据验证故障检测性能,并与FPCA、FPCA-SVDD和PCA-RBF-ELM的行星齿轮箱故障检测结果对比。结果表明:FPCA-RBF-ELM检测率最高且检测效率快,可用于行星齿轮箱的故障检测,此方法具有可行性和有效性。
多楔带非线性摩擦振动建模与分析
唐武生, 宁凯, 史尧臣
2020, 39(12): 1877-1881. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190351
摘要:
为了研究汽车多楔带的非线性摩擦振动,首先建立了多楔带非线性摩擦振动的二自由度模型,通过求解系统特征值,分析了非线性刚度和张紧力对平衡点处局部稳定性的影响。其次,对振动过程中带与带轮的分离和接触状态进行数值分析,研究了非线性刚度和张紧力对多楔带振动的影响。数值分析结果表明:非线性刚度和张紧力对系统稳定性的影响是复杂的,随着非线性刚度的增加,分岔点对应的临界摩擦系数减小,多楔带的振动幅值逐渐减小,系统的振动稳定性逐步提高,但是过大的非线性刚度会使分离时的振动产生较大振幅,影响系统的稳定性,研究结果为多楔带摩擦振动的控制提供了理论基础。
计及惯量比变化的直线进给系统动态误差分析
苏芳, 王晨升, 郭刚, 高颜萌
2020, 39(12): 1882-1888. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200187
摘要:
直线进给系统的性能是机床加工精度的基础保障,为研究工作过程中惯量比对直线进给系统运动精度及动态特性影响,充分考虑丝杠和工作台振动特性建立了进给系统动力学模型;基于Simulink,将机械结构动力学模型与伺服驱动系统模型相结合,搭建了直线进给系统机电耦合仿真模型,并以此为基础开展了惯量比对直线进给系统性能影响规律研究。分析结果显示,惯量比对直线进给系统动态特性有重要影响,惯量比增大,进给系统调整时间增加,超调量增大,响应性能变差,直线进给系统动态特性也变差;惯量比与定位精度有直接关系,特定的直线进给系统机械结构对应的最佳定位精度具有特定的惯量比要求;随着惯量比的增加,直线进给系统动刚度降低。研究结论可为直线进给系统设计及工况选择提供有效参考。
超稠油环境下管道内修复机器人流场分析
张翔宇, 包瑞新, 陈保东, 张辉, 李慧清
2020, 39(12): 1889-1897. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200002
摘要:
利用Fluent对管道内修复机器人周围流场情况进行了仿真分析,在此基础上模拟了在不同粘度的超稠油环境下,超稠油流体对机器人周围速度场的影响,并且对产生影响的部件进行改进;利用Ansys后处理进行面积分计算,讨论了不同粘度的超稠油对机器人表面产生的压力和粘性力的影响,得出超稠油环境中粘性力也作为推力的形式存在,分析了不同压差情况下机器人运动状态。
精密制造与加工
混联机器人UD-CFRP铣削过程切削力及加工质量分析
秦旭达, 张艳, 李皓, 李士鹏, 牛文铁, 尚帅
2020, 39(12): 1898-1905. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190345
摘要:
随着碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)在航空航天领域应用比例的增多,其切削加工也逐渐成为研究热点。基于TriMule混联机器人加工平台,通过螺旋立铣刀CFRP铣削实验,识别了不同切削条件下对应的切削力系数,发现CFRP铣削过程中的径向、切向切削力系数可以表示为纤维切削角的三角函数。结合不同切削参数的CFRP铣削实验对所提出的铣削力模型的准确性进行验证,分析了纤维切削角对CFRP铣槽加工质量的影响规律。在CFRP铣削加工中,毛刺按照其形成机理可以分为Ⅰ型和Ⅱ型两种,其中Ⅰ型毛刺由纤维在切削平面的弯曲变形引起,Ⅱ型毛刺由纤维在切削平面和垂直于切削平面的弯曲变形引起。试验结果表明,Ⅰ型毛刺长度随起始纤维切削角βs的增大而减小,Ⅱ型毛刺长度随截止纤维切削角βe的增大而增大。
金属增材制造中的并行化异构切片算法
李慧贤, 王硕, 马良
2020, 39(12): 1906-1911. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200010
摘要:
金属增材制造行业飞速发展,对数据处理的速度也有越来越高的要求,传统的串行切片算法以及不能满足工业制造需求。本文研究了在金属增材制造领域中对传统的基于面片拓扑关系的切片算法的异构并行化改进。首先我们对基于面片拓扑关系的数据结构进行改造,然后使用了GPU通用并行架构CUDA技术对算法进行并行计算加速。为了使用CUDA架构进行并行化加速,我们对数据进行了一系列的准备工作,以提高性能。经过实验验证此算法大大提高了三角面片与切平面求交时间,对整体切片过程的效率也有很大的改进,并且当数据量增大时,算法效率提升更加明显。
Al2O3/La2O3/(W,Mo)C刀具干切削钛合金实验研究
郭世柏, 段晓云, 胡涛, 胡忠举
2020, 39(12): 1912-1917. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200008
摘要:
采用等离子烧结制备新型Al2O3/La2O3/(W,Mo)C无粘结相硬质合金刀具,并与YG8刀具进行干切削钛合金的对比,实验结果表明,在相同切削用量下,Al2O3/La2O3/(W,Mo)C无粘结相硬质合金刀具干切削TC4时切削力和粗糙度数值都小于YG8,无粘结相刀具对钛合金拥有更好的切削性能,刀具受切削参数的影响较小,拥有较宽的切削用量范围。无粘结相硬质合金刀具干切削TC4的磨损量比YG8刀具更低,耐磨性更好,刀具磨损机理主要为边界磨损以及少量的粘附磨损,并有少许崩刃破坏,而YG8刀具的磨损有粘附磨损、磨粒磨损、月牙洼磨损。
底刃钝圆半径对微细铣削加工的影响研究
李阳, 程祥, 周怀彪, 王飞, 郑光明, 刘焕宝
2020, 39(12): 1918-1922. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190312
摘要:
在微细铣削过程中,刀具大多数为径向进给,侧刃为主要切削刃,针对侧刃进行的研究较多,但是缺少对底刃的研究,因此本文对仅有底刃参与切削的情况进行了仿真与试验研究。通过对仿真中切屑形貌与试验中表面粗糙度的分析,分别确定了仿真与切削试验的最小未变形切屑厚度值。仿真与切削试验结果表明,最小未变形切屑厚度的仿真值与试验值没有明显差异,最小未变形切屑厚度为0.61 ~ 0.70倍的铣刀钝圆半径。根据仿真结果,发现切屑的形成受切削速度的影响。本研究可以用于指导微细铣削加工中对于不同刀具钝圆半径及工件材料加工参数的选择和量化,对于减少刀具磨损,提高微小工件加工质量,有较为重要的指导意义。
42CrMo轴承钢超声滚挤压表面加工硬化程度研究
王晓强, 刘东亚, 阮孝林, 刘飞
2020, 39(12): 1923-1929. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200052
摘要(142) HTML (10) PDF 832KB(15)
摘要:
为探究超声滚挤压强化对42CrMo轴承钢表面加工硬化程度的影响,本文通过正交试验、极差分析、方差分析探究各工艺参数对加工硬化程度的影响规律、显著性和贡献率,采用逐步回归的方法构建超声滚挤压表面加工硬化程度预测模型。研究表明:超声振幅和静压力是影响42CrMo材料应变的主要因素,而工件转速和进给速度影响应变的分布;振幅表面加工硬化程度影响最大,贡献率达到了71.61%,进给速度最小,贡献率仅为0.41%;表面硬化程度随超声振幅、静压力增大而增大,随工件转速的增大先增大后减小,随进给速度增大缓慢减小;基于逐步回归预测模型获得的加工硬化程度值与实测值基本一致,所构建的预测模型整体显著性较强具有很高的可靠性和预测能力。
仪器、仪表科学与技术
具有主辅棘爪的新型汽车门锁锁紧机构
汪千升, 杭鲁滨, 余亮, 黄晓波, 郭辉, 王明远, 刘哲, 陈勇
2020, 39(12): 1930-1936. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200009
摘要:
针对大密封反力下的汽车车门闭合造成门锁锁紧机构较大冲击和磨损,提出一种具有主辅棘爪的新型棘轮棘爪锁紧机构,构造了弹簧连杆机构组成的辅助棘爪;新型锁紧机构利用辅助棘爪柔性冲击和被滞后的主棘爪刚性冲击的两次冲击代替常规锁紧机构刚性冲击,降低锁紧机构上锁过程中的冲击和磨损,弹簧连杆机构的奇异位形实现主辅棘爪快速切换;通过力传递特性分析辅助棘爪在主棘爪上铰接位置,保证主辅棘爪的初始状态和运动特性,探讨了不同辅助棘爪弹簧刚度对主棘爪滞后和接触力的影响。结果表明,设定辅助棘爪弹簧刚度为2.75 \begin{document}${\rm{ N/mm}}$\end{document},主棘爪冲击比常规锁紧机构低14.7%,整体摩擦功耗仅有常规锁紧机构的47.1%。
交腕结成形的拓扑与几何形态组合指标研究
陈君荣, 杭鲁滨, 黄晓波, 汪千升, 刘子玉, 白乐乐
2020, 39(12): 1937-1943. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190353
摘要:
打结过程绳带拓扑与几何形态控制是新型打结机构研制的关键问题。基于纽结理论Reidemeister基本变换提出交腕结成形绳带的等效操作和成形原理,构建以非完整空心齿轮盘驱动绳带旋转缠绕、弧形立面凸轮支撑绳带、可动支臂夹爪拾取固定绳带的新型打结机构。提出以绳带交叉点与绳带悬链线极值点构造的拓扑与几何形态组合指标,将绳带成结过程划分为4个关键阶段,利用悬链线理论求解各阶段边界瞬态绳带几何形态。实验结果表明,对边界瞬态绳带拓扑与几何形态控制,实现了绳带在新型打结机构成结过程中的形态保持。
光滑凝聚函数小波算法在采煤机截齿载荷去噪中的应用
白杨溪, 陈洪月, 陈洪岩, 王鑫
2020, 39(12): 1944-1951. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190338
摘要:
针对采煤机截齿载荷中含有噪声问题,提出了基于一种光滑凝聚函数的小波去噪算法,为了更全面地评估去噪效果,构建了综合评价指标。依据截齿载荷信号特点,选取含有噪声的Blocks、Bumps和Leleccum作为测试信号。采用本文方法对测试信号进行去噪处理,经综合评价得到sym5小波基3层分解时去噪效果最佳,并通过横向与软、硬阈值小波去噪算法对比。结果表明:本文方法对应Blocks、Bumps以及Leleccum信号综合评价指标S分别为0.31、021和0.15,相比与传统方法去噪效果提升了0.02~0.09,最后将本文方法应用到截齿载荷信号去噪中,并取得了良好的效果。
运载工程
桥隧连接路段厢式半挂车侧风稳定性分析
胡振, 苏楚奇, 张倩文, 汪怡平
2020, 39(12): 1952-1956. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190341
摘要:
为揭示侧风条件下桥隧连接路段厢式半挂车瞬态气动特性变化及其对操纵稳定性影响规律,建立了计算流体力学与多体动力学动态双向耦合的仿真平台。在考虑牵引车与半挂车的相对转动基础上,对车辆行经不同位置时车身所承受的空气动力学载荷及周围流场结构进行分析,并利用横摆角和侧向位移评价整车的侧风稳定性。结果表明,牵引车与半挂车的相对转动会增大厢式半挂车在桥隧连接路段行驶时车辆的横摆角、侧向位移与气动载荷的幅值,固联牵引车和半挂车可以提高车辆的侧风稳定性。
材料科学
TiAl与GH3039异种材料摩擦焊接工艺及接头组织
王松林, 杜随更, 李娜
2020, 39(12): 1957-1962. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200272
摘要:
为提高TiAl与GH3039异种材料摩擦焊接接头性能,对主要摩擦焊接参数进行优化,利用半自然热电偶法对焊接过程界面温度进行实时测量,采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对界面组织结构及拉伸断口进行分析。结果表明:GH3039出模量的变化对接头抗拉强度影响较大,当出模量为4.1 mm时,接头强度可达374 MPa。通过标定NiSi-GH3039热接点热电势与温度的关系,测量得到准稳定摩擦阶段界面温度为960 ~1 030 °C,处于TiAl合金的超塑性温度范围。焊后界面结合良好,没有裂纹及孔穴等缺陷,焊合区形成了五层合金相过渡层。接头断裂易发生于Al3NiTi2脆性相层,断口主要形貌为凹凸的摩擦环。
航空、宇航工程
网格化复杂曲面延拓算法研究
周宇, 王小平, 张乐恩, 裴竞宇
2020, 39(12): 1963-1968. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190347
摘要:
曲面延拓在航空复材零件的模具设计领域有着广泛的应用,针对CAD造型软件无法对复杂曲面进行直接延拓的问题,将曲面细分为三角网格,并对STL(STero-Lithography)格式的文件进行拓扑重建,利用网格线面间的几何关系检测出曲面内部孔洞及外边界,在边界网格处生成延拓面片。为了避免缝隙和自交的产生,对曲面的凹凸角点进行检测并分别处理。为了提高延拓质量,避免产生狭长网格,提出了分步延拓算法,并给出步长计算方法。最后通过CATIA的逆向工程模块对数据进行重建,针对存在内部孔洞和不连续边界的复杂曲面以及拼接曲面,验证了本算法的有效性。
非完美维修下民航发动机剩余寿命预测
曹惠玲, 崔科璐, 郭静
2020, 39(12): 1969-1974. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200001
摘要:
针对现阶段剩余寿命(RUL)预测方法没有考虑在发动机性能衰退阶段维修因素影响的问题,提出了以考虑非完美维修下的性能衰退模型预测民航发动机RUL的方法。采用带漂移点的Wiener过程对民航发动机的性能退化进行建模。根据历史性能退化数据以及历史维修记录数据,通过极大似然估计算法对模型参数进行估计,实现对航空发动机的RUL预测。通过航空公司实际发动机机载快速存取记录器(QAR)数据进行模型验证,结果表明:该方法能够更好地跟踪发动机实际性能退化过程,预测精度较高,能为民航发动机维修计划的制定提供依据。
中国共产党第十九届中央委员会第五次全体会议公报
2020, 39(12): 1975-1976.
摘要: