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2020年 39卷 第5期
2020, 39(5): 657-661.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200050
摘要
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摘要:
为了在低流速下提高水轮机的效率，利用计算流体力学软件Fluent对设计在低流速下工作的叶片进行数值模拟，研究尖速比对低流速水轮机叶片的功率特性、流场特性的影响。研究结果表明：尖速比不仅会影响叶片周围的流场，而且对叶轮尾流场有一定的影响，尖速比越小，其尾流场恢复的越快。
为了在低流速下提高水轮机的效率，利用计算流体力学软件Fluent对设计在低流速下工作的叶片进行数值模拟，研究尖速比对低流速水轮机叶片的功率特性、流场特性的影响。研究结果表明：尖速比不仅会影响叶片周围的流场，而且对叶轮尾流场有一定的影响，尖速比越小，其尾流场恢复的越快。
2020, 39(5): 662-667.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190206
摘要:
以覆膜钢板为研究对象，主要研究运动薄膜非线性振动问题以及覆膜钢板膜层附着性能。运用ANSYS模拟不同覆膜角度对运动薄膜运动的影响以及分析各频率区间的拉、压应力变化规律，通过杯突仪检验覆膜钢板膜层的附着性能。结果表明：覆膜角度45°为运动薄膜的临界角度，其中运动薄膜在覆膜角度40°的非线性振动效果最佳；覆膜角度30°、35°运动薄膜的幅频变化规律相同，在550~1 100 Hz与1 950~2 100 Hz区间内覆膜角度30°、35°与40°运动薄膜的各轴方向应力变化相同；通过杯突实验检验覆膜角度30°、35°与40°的覆膜钢板膜层附着性能，覆膜角度40°覆膜钢板膜层性能最好。
以覆膜钢板为研究对象，主要研究运动薄膜非线性振动问题以及覆膜钢板膜层附着性能。运用ANSYS模拟不同覆膜角度对运动薄膜运动的影响以及分析各频率区间的拉、压应力变化规律，通过杯突仪检验覆膜钢板膜层的附着性能。结果表明：覆膜角度45°为运动薄膜的临界角度，其中运动薄膜在覆膜角度40°的非线性振动效果最佳；覆膜角度30°、35°运动薄膜的幅频变化规律相同，在550~1 100 Hz与1 950~2 100 Hz区间内覆膜角度30°、35°与40°运动薄膜的各轴方向应力变化相同；通过杯突实验检验覆膜角度30°、35°与40°的覆膜钢板膜层附着性能，覆膜角度40°覆膜钢板膜层性能最好。
2020, 39(5): 668-675.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190199
摘要:
随着海洋深水钻井技术不断成熟，隔水管系统的稳定性和安全性研究越来越重要，现有研究多是基于海洋水体呈现出各向同性的性质的假设下，然而经研究发现忽略海洋水体的粘度差异设置相关波浪参数及海流参数进行力学响应分析有过度简化的性质。为更详细地研究隔水管水下力学动态响应，本文在考虑粘度差异影响下，建立了相关振动模型，利用MATLAB进行了数值求解和曲线拟合，通过对不同深度下的隔水管进行了横向振动分析和纵向比较，发现平台漂移量会对隔水管所受弯矩及剪力造成较大的负担，在大漂移情况下对隔水管的材料性能是严峻的考验；另一方面，随着水深的增大，柔性隔水管的不稳定性逐渐增大，且海流力对隔水管的影响将强于波浪力对隔水管的影响。
随着海洋深水钻井技术不断成熟，隔水管系统的稳定性和安全性研究越来越重要，现有研究多是基于海洋水体呈现出各向同性的性质的假设下，然而经研究发现忽略海洋水体的粘度差异设置相关波浪参数及海流参数进行力学响应分析有过度简化的性质。为更详细地研究隔水管水下力学动态响应，本文在考虑粘度差异影响下，建立了相关振动模型，利用MATLAB进行了数值求解和曲线拟合，通过对不同深度下的隔水管进行了横向振动分析和纵向比较，发现平台漂移量会对隔水管所受弯矩及剪力造成较大的负担，在大漂移情况下对隔水管的材料性能是严峻的考验；另一方面，随着水深的增大，柔性隔水管的不稳定性逐渐增大，且海流力对隔水管的影响将强于波浪力对隔水管的影响。
2020, 39(5): 676-681.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190191
摘要:
与扭转刚度相比，膜盘联轴器的轴向刚度较小，因此轴向振动的固有频率和临界转速更低，膜盘联轴器更加容易受到两侧设备轴向窜动激励的影响。本文以某新型联轴器为研究对象，分别利用有限元方法和集中参数法对联轴器轴向振动模态进行了分析，并进一步对不同轴向伸缩量、转速和扭矩下的膜盘联轴器轴向刚度进行了研究，以此为基础分析了轴向伸缩量和转速对膜盘联轴器轴向临界转速的影响。研究结果表明：通过对比膜盘联轴器有限元模型与集中参数集模型的模态分析结果，验证了两种模型的准确性；膜盘联轴器轴向刚度分析结果表明随着轴向绝对位移的增加，膜盘轴向出现应力刚化，其轴向刚度呈非线性变化；而膜盘联轴器的轴向刚度随转速的增加而增大，同时各阶临界转速受转速和轴向伸缩量的影响出现明显变化，此研究为膜盘联轴器的进一步优化和使用提供了依据。
与扭转刚度相比，膜盘联轴器的轴向刚度较小，因此轴向振动的固有频率和临界转速更低，膜盘联轴器更加容易受到两侧设备轴向窜动激励的影响。本文以某新型联轴器为研究对象，分别利用有限元方法和集中参数法对联轴器轴向振动模态进行了分析，并进一步对不同轴向伸缩量、转速和扭矩下的膜盘联轴器轴向刚度进行了研究，以此为基础分析了轴向伸缩量和转速对膜盘联轴器轴向临界转速的影响。研究结果表明：通过对比膜盘联轴器有限元模型与集中参数集模型的模态分析结果，验证了两种模型的准确性；膜盘联轴器轴向刚度分析结果表明随着轴向绝对位移的增加，膜盘轴向出现应力刚化，其轴向刚度呈非线性变化；而膜盘联轴器的轴向刚度随转速的增加而增大，同时各阶临界转速受转速和轴向伸缩量的影响出现明显变化，此研究为膜盘联轴器的进一步优化和使用提供了依据。
2020, 39(5): 682-687.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200049
摘要:
针对某工程机械驾驶室的振动过大问题，采用试验测试与仿真模拟相结合的方法，对驾驶室的减振性能进行了评估与优化。通过对各测点振动加速度频谱图的分析，探究了驾驶室振动过大问题的原因，并采用壳单元模型进行模态分析，实现了故障再现；进而根据仿真结果，对驾驶室进行了优化设计，并对该优化方案进行了验证。结果表明：驾驶室的振动放大问题是因驾驶室底板模态与发动机激振频率在50 Hz和80 Hz附近发生共振所致；通过对驾驶室结构的优化设计，有效地规避了发动机的激振频率，振动传递率满足小于70%的要求，达到了减振的目的。
针对某工程机械驾驶室的振动过大问题，采用试验测试与仿真模拟相结合的方法，对驾驶室的减振性能进行了评估与优化。通过对各测点振动加速度频谱图的分析，探究了驾驶室振动过大问题的原因，并采用壳单元模型进行模态分析，实现了故障再现；进而根据仿真结果，对驾驶室进行了优化设计，并对该优化方案进行了验证。结果表明：驾驶室的振动放大问题是因驾驶室底板模态与发动机激振频率在50 Hz和80 Hz附近发生共振所致；通过对驾驶室结构的优化设计，有效地规避了发动机的激振频率，振动传递率满足小于70%的要求，达到了减振的目的。
2020, 39(5): 688-694.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190192
摘要:
针对一般EMD-WVD方法在提取时频图像信息不充分的问题，提出一种基于CEEMD-WVD多尺度时频图像的滚动轴承故障诊断方法。该方法采用互补集合经验模态分解（CEEMD）方法对故障振动信号进行分解，自适应地获得不同频段的固有模态函数（IMF）分量；选取前几个高频信号IMF模态分量，运用Wigner-Ville分布（WVD）对各IMF分量分别做时频分析，进一步转化成对应的多尺度的时频图像；然后提取各尺度时频图像的局部二进制（LBP）纹理特征，并利用其特征训练SVM分类器；最后用训练好的分类器对不同的轴承故障振动信号进行故障识别。实验结果表明，该方法有较强的自适应性且能生成高分辨率图像，故障识别率高，在凯斯西储大学（CWRU）的滚动轴承数据库上进行5类故障的实验，诊断正确率为99.75%。
针对一般EMD-WVD方法在提取时频图像信息不充分的问题，提出一种基于CEEMD-WVD多尺度时频图像的滚动轴承故障诊断方法。该方法采用互补集合经验模态分解（CEEMD）方法对故障振动信号进行分解，自适应地获得不同频段的固有模态函数（IMF）分量；选取前几个高频信号IMF模态分量，运用Wigner-Ville分布（WVD）对各IMF分量分别做时频分析，进一步转化成对应的多尺度的时频图像；然后提取各尺度时频图像的局部二进制（LBP）纹理特征，并利用其特征训练SVM分类器；最后用训练好的分类器对不同的轴承故障振动信号进行故障识别。实验结果表明，该方法有较强的自适应性且能生成高分辨率图像，故障识别率高，在凯斯西储大学（CWRU）的滚动轴承数据库上进行5类故障的实验，诊断正确率为99.75%。
2020, 39(5): 695-700.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190204
摘要:
下肢外骨骼机器人是一种具有辅助助力和医疗康复功能的智能型机械装置。本文通过对人体踝关节结构分析，设计了被动气弹簧踝关节下肢外骨骼机器人，并建立了被动踝关节力学模型；利用OpenSim获得了正常人行走时一个步态周期髋、膝关节步态数据，将其导入ADAMS对所设计的下肢外骨骼机器人踝关节未加气弹簧和加气弹簧两种模型进行了动力学仿真，通过对两种模型运动曲线对比分析，验证了所设计的下肢外骨骼机器人在步态行走和动力学方面的可行性和正确性。
下肢外骨骼机器人是一种具有辅助助力和医疗康复功能的智能型机械装置。本文通过对人体踝关节结构分析，设计了被动气弹簧踝关节下肢外骨骼机器人，并建立了被动踝关节力学模型；利用OpenSim获得了正常人行走时一个步态周期髋、膝关节步态数据，将其导入ADAMS对所设计的下肢外骨骼机器人踝关节未加气弹簧和加气弹簧两种模型进行了动力学仿真，通过对两种模型运动曲线对比分析，验证了所设计的下肢外骨骼机器人在步态行走和动力学方面的可行性和正确性。
2020, 39(5): 701-705.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190205
摘要:
移动手术方舱是进行应急救援任务的重要组成部分，因此有必要对手术方舱在紧急情况下的洁净性能进行评估和改善。首先对工况下某型号手术方舱的气流组织和悬浮颗粒浓度展开实验与仿真工作，验证仿真流程的准确性与可靠性。基于已验证的计算流体动力学（CFD）气流组织计算结果，对送风口进行结构优化分析。结果表明，送风量一定的情况下，送风口的形状对手术区域的洁净性能有很大影响。通过送风方式的改进，手术区域的洁净性能得到了明显提升。这对于评价紧急情况下移动手术方舱的洁净性能以及降低病人术后感染率具有重要意义。
移动手术方舱是进行应急救援任务的重要组成部分，因此有必要对手术方舱在紧急情况下的洁净性能进行评估和改善。首先对工况下某型号手术方舱的气流组织和悬浮颗粒浓度展开实验与仿真工作，验证仿真流程的准确性与可靠性。基于已验证的计算流体动力学（CFD）气流组织计算结果，对送风口进行结构优化分析。结果表明，送风量一定的情况下，送风口的形状对手术区域的洁净性能有很大影响。通过送风方式的改进，手术区域的洁净性能得到了明显提升。这对于评价紧急情况下移动手术方舱的洁净性能以及降低病人术后感染率具有重要意义。
2020, 39(5): 706-713.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190200
摘要:
针对挖掘机器人执行机构的运动学逆解求解难、速度慢的问题，提出一种基于APSO-LM-BP神经网络的逆运动学求解方法。利用自适应粒子群（APSO）算法对BP神经网络中的连接权值以及阈值进行优化，再把BP神经网络训练过程中的梯度下降法用LM算法代替，以克服传统BP神经网络的输出误差大，陷入局部极优解的缺陷。仿真结果表明，与传统BP神经网络相比，APSO-LM-BP神经网络输出误差大大降低，训练时间更短，改善了算法的收敛精度和收敛速度，且满足挖掘机器人运动学逆解要求。该方法可以推广至任意自由度串联机器人的逆运动学求解，具有较强的实用性。
针对挖掘机器人执行机构的运动学逆解求解难、速度慢的问题，提出一种基于APSO-LM-BP神经网络的逆运动学求解方法。利用自适应粒子群（APSO）算法对BP神经网络中的连接权值以及阈值进行优化，再把BP神经网络训练过程中的梯度下降法用LM算法代替，以克服传统BP神经网络的输出误差大，陷入局部极优解的缺陷。仿真结果表明，与传统BP神经网络相比，APSO-LM-BP神经网络输出误差大大降低，训练时间更短，改善了算法的收敛精度和收敛速度，且满足挖掘机器人运动学逆解要求。该方法可以推广至任意自由度串联机器人的逆运动学求解，具有较强的实用性。
2020, 39(5): 714-720.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190212
摘要:
在机械臂轨迹跟踪控制过程中，当利用观测器对模型参数不确定性和外部未知动态扰动进行估计时，估计时间容易受扰动初值的影响，为此基于固定时间扰动观测器设计了一种自适应滑模轨迹跟踪控制方法。利用固定时间观测器的特性，在固定时间内获得机械臂内部模型误差和外部不确定扰动的估计，对扰动估计做出补偿，通过滑模控制策略实现机械臂的轨迹跟踪控制。针对滑模控制伴随抖震的特性，论文对滑模控制器的趋近律进行了抑制抖震的改进设计。通过仿真实验证明：基于固定时间扰动观测器的滑膜控制方法能够在固定时间内准确获取扰动的估计值，能够控制机械臂以高精度跟踪给定轨迹；通过与基于高阶扰动观测器的滑模控制方法进行仿真对比，验证了该方法在消除不确定扰动的基础上，能够有效地抑制系统抖振，并且跟踪误差能够在短时间内以指数速率完成收敛。
在机械臂轨迹跟踪控制过程中，当利用观测器对模型参数不确定性和外部未知动态扰动进行估计时，估计时间容易受扰动初值的影响，为此基于固定时间扰动观测器设计了一种自适应滑模轨迹跟踪控制方法。利用固定时间观测器的特性，在固定时间内获得机械臂内部模型误差和外部不确定扰动的估计，对扰动估计做出补偿，通过滑模控制策略实现机械臂的轨迹跟踪控制。针对滑模控制伴随抖震的特性，论文对滑模控制器的趋近律进行了抑制抖震的改进设计。通过仿真实验证明：基于固定时间扰动观测器的滑膜控制方法能够在固定时间内准确获取扰动的估计值，能够控制机械臂以高精度跟踪给定轨迹；通过与基于高阶扰动观测器的滑模控制方法进行仿真对比，验证了该方法在消除不确定扰动的基础上，能够有效地抑制系统抖振，并且跟踪误差能够在短时间内以指数速率完成收敛。
2020, 39(5): 721-728.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190198
摘要:
针对传统柔性作业车间调度问题只考虑完工时间，设备利用率，完工成本等因素的局限，构建了以碳排放成本和完工时间成本加权和最小为目标的低碳柔性作业车间调度问题模型，并设计了一种改进的鲸鱼优化算法对其进行求解。首先，采用等长的两段式编码方式来表示柔性作业车间调度问题，引入基于ROV规则的转换机制，实现鲸鱼个体位置向量与调度解之间的相互转换。其次，采用基于一定比例的全局搜索、局部搜索和随机搜索的混合式种群初始化方法，生成一定质量的初始种群，同时设计了非线性收敛因子和自适应惯性权重系数来加强算法协调全局搜索和局部寻优的能力。再次，引入自适应调整搜索策略以提高算法跳出局部最优的能力。最后，通过实验数据验证了改进鲸鱼算法在求解低碳柔性作业车间调度问题方面的有效性。
针对传统柔性作业车间调度问题只考虑完工时间，设备利用率，完工成本等因素的局限，构建了以碳排放成本和完工时间成本加权和最小为目标的低碳柔性作业车间调度问题模型，并设计了一种改进的鲸鱼优化算法对其进行求解。首先，采用等长的两段式编码方式来表示柔性作业车间调度问题，引入基于ROV规则的转换机制，实现鲸鱼个体位置向量与调度解之间的相互转换。其次，采用基于一定比例的全局搜索、局部搜索和随机搜索的混合式种群初始化方法，生成一定质量的初始种群，同时设计了非线性收敛因子和自适应惯性权重系数来加强算法协调全局搜索和局部寻优的能力。再次，引入自适应调整搜索策略以提高算法跳出局部最优的能力。最后，通过实验数据验证了改进鲸鱼算法在求解低碳柔性作业车间调度问题方面的有效性。
2020, 39(5): 729-735.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190196
摘要:
原始刀具图像通常存在背景纹理复杂、噪声大等问题，导致磨损区域分割结果的准确性较差，为此本文提出了一种基于形态学成分分析（MCA）的改进分水岭算法，用于提取刀具磨损区域并估算其面积。首先分析了刀具磨损图像各组成成分的形态差异；然后研究了各成分对应字典的选取方法，将原始刀具图像分解成目标刀具图像、背景图像和噪声；最后对目标刀具图像使用分水岭算法提取磨损区域并估算面积。以铣刀磨损图像作为样本完成了多次方法验证，结果表明：传统分水岭算法的检测误差为80%左右，而该方法的检测误差为5%以下，可见使用该算法可以分割得到更加准确的磨损区域。
原始刀具图像通常存在背景纹理复杂、噪声大等问题，导致磨损区域分割结果的准确性较差，为此本文提出了一种基于形态学成分分析（MCA）的改进分水岭算法，用于提取刀具磨损区域并估算其面积。首先分析了刀具磨损图像各组成成分的形态差异；然后研究了各成分对应字典的选取方法，将原始刀具图像分解成目标刀具图像、背景图像和噪声；最后对目标刀具图像使用分水岭算法提取磨损区域并估算面积。以铣刀磨损图像作为样本完成了多次方法验证，结果表明：传统分水岭算法的检测误差为80%左右，而该方法的检测误差为5%以下，可见使用该算法可以分割得到更加准确的磨损区域。
2020, 39(5): 736-742.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190148
摘要:
基于VUMAT子程序编写三维Hashin失效准则、材料刚度退化，采用Abaqus/Explicit建立求解CFRP高速铣削渐进损伤切削力模型，并通过相同实验参数进行验证，分析了纤维方向对铣削过程中切削力、应力以及材料失效的影响机制。结果表明，CFRP高速铣削切削力实验值与仿真值误差小于5%，说明渐进损伤模型可靠性较高；纤维方向对切削过程中切削力和应力有显著影响，切削力与应力都遵循规律：45° > 90° > 0 > 135°，不同角度切削力与应力差异主要是由纤维强度各向异性以及纤维受到刀尖不同类型作用力导致的。此外，切削过程中材料损伤是渐进发生的，纤维角度对材料失效也有重要影响，其中45°方向纤维失效规模最大，135°方向纤维失效规模最小。
基于VUMAT子程序编写三维Hashin失效准则、材料刚度退化，采用Abaqus/Explicit建立求解CFRP高速铣削渐进损伤切削力模型，并通过相同实验参数进行验证，分析了纤维方向对铣削过程中切削力、应力以及材料失效的影响机制。结果表明，CFRP高速铣削切削力实验值与仿真值误差小于5%，说明渐进损伤模型可靠性较高；纤维方向对切削过程中切削力和应力有显著影响，切削力与应力都遵循规律：45° > 90° > 0 > 135°，不同角度切削力与应力差异主要是由纤维强度各向异性以及纤维受到刀尖不同类型作用力导致的。此外，切削过程中材料损伤是渐进发生的，纤维角度对材料失效也有重要影响，其中45°方向纤维失效规模最大，135°方向纤维失效规模最小。
2020, 39(5): 743-750.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190201
摘要:
为解决T样条曲面造型中控制点插入的规范与半规范问题，提出基于均匀T网格样条曲面的局部细分算法。首先根据T样条曲面定义，将B样条曲面转换成均匀T网格样条曲面，然后在均匀T网格样条曲面中进行局部均匀控制点插入。为满足曲面局部特征细分要求，采用递进控制点插入形式：拥有局部特征的网格先进行全行（或全列）均匀控制点插入，之后进行局部列（局部行）均匀控制点插入，在此基础上，可以再次进行均匀控制点插入，以达到对网格的嵌套细分。该算法对初始网格控制点的混合函数进行矩阵转换，得到最终T网格上控制点的混合函数，实现最终曲面构造。与T样条曲面的局部细分相比，该方法简化了任意控制点插入的复杂度，与B样条曲面的局部细分相比，该方法减少了多余控制点。
为解决T样条曲面造型中控制点插入的规范与半规范问题，提出基于均匀T网格样条曲面的局部细分算法。首先根据T样条曲面定义，将B样条曲面转换成均匀T网格样条曲面，然后在均匀T网格样条曲面中进行局部均匀控制点插入。为满足曲面局部特征细分要求，采用递进控制点插入形式：拥有局部特征的网格先进行全行（或全列）均匀控制点插入，之后进行局部列（局部行）均匀控制点插入，在此基础上，可以再次进行均匀控制点插入，以达到对网格的嵌套细分。该算法对初始网格控制点的混合函数进行矩阵转换，得到最终T网格上控制点的混合函数，实现最终曲面构造。与T样条曲面的局部细分相比，该方法简化了任意控制点插入的复杂度，与B样条曲面的局部细分相比，该方法减少了多余控制点。
2020, 39(5): 751-757.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190197
摘要:
针对金属管道腐蚀问题，提出了一种基于支持向量机（Support vector machine，SVM）与粒子群优化（Particle swarm optimization，PSO）相结合的管道腐蚀缺陷的分类方法。对预处理后的超声缺陷信号进行经验模态分解（Empirical mode decomposition，EMD），提取相应的时域无量纲参数作为特征向量；建立SVM缺陷分类模型，并采用PSO算法优化SVM参数，提高模型的缺陷分类准确率。实验证明，该方法建立的模型针对不同深度的超声缺陷信号的识别率达到87.5%，优于相同试验样本下BP神经网络和RBF神经网络的分类准确率。
针对金属管道腐蚀问题，提出了一种基于支持向量机（Support vector machine，SVM）与粒子群优化（Particle swarm optimization，PSO）相结合的管道腐蚀缺陷的分类方法。对预处理后的超声缺陷信号进行经验模态分解（Empirical mode decomposition，EMD），提取相应的时域无量纲参数作为特征向量；建立SVM缺陷分类模型，并采用PSO算法优化SVM参数，提高模型的缺陷分类准确率。实验证明，该方法建立的模型针对不同深度的超声缺陷信号的识别率达到87.5%，优于相同试验样本下BP神经网络和RBF神经网络的分类准确率。
2020, 39(5): 758-764.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190193
摘要:
滚动轴承故障诊断普遍采用有监督学习的方式，针对有标签数据难以获取的问题，提出一种VMD分解与t-SNE流形学习相结合的滚动轴承故障诊断方法。利用VMD分解将滚动轴承原始振动信号分解为若干本征模态分量（IMF）；计算每个模态分量的时频特性指标组成高维故障特征，通过t-SNE对故障进行二次特征提取，获取低维敏感特征并将其作为K-means分类器的输入，实现故障类型的识别。将该方法应用到滚动轴承故障诊断中并与VMD + PCA、原始时频特征+ t-SNE两种方法进行对比，结果表明VMD + t-SNE方法以无监督学习的方式实现了故障诊断的去标签化和自适应性，同时提高了故障诊断的准确性。
滚动轴承故障诊断普遍采用有监督学习的方式，针对有标签数据难以获取的问题，提出一种VMD分解与t-SNE流形学习相结合的滚动轴承故障诊断方法。利用VMD分解将滚动轴承原始振动信号分解为若干本征模态分量（IMF）；计算每个模态分量的时频特性指标组成高维故障特征，通过t-SNE对故障进行二次特征提取，获取低维敏感特征并将其作为K-means分类器的输入，实现故障类型的识别。将该方法应用到滚动轴承故障诊断中并与VMD + PCA、原始时频特征+ t-SNE两种方法进行对比，结果表明VMD + t-SNE方法以无监督学习的方式实现了故障诊断的去标签化和自适应性，同时提高了故障诊断的准确性。
2020, 39(5): 765-772.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190195
摘要:
针对壁面障碍物的不确定性，设计了一种爬壁机器人双目视觉障碍检测系统。具体包括搭建双目平行视觉系统，根据双目视觉理论对摄像机进行标定，获取相机标定参数；通过标定参数和极线约束对双目图像进行校正，解决图像畸变不共面问题；利用块搜索模型和相似度函数获取视差，保证视差获取的快速性与鲁棒性；最后提出一种障碍物检测算法：建立壁面检测模型约束检测范围，引入面积阈值，过滤干扰并实现障碍物提取，提出一种障碍物定位算法，通过宽度、深度与偏距三个方面对障碍物进行定位，同时，通过线性插值解决障碍物中心视差丢失问题。实验结果表明：在保证实时性的基础上，该系统能够有效检测前方障碍物且准确提取率能够达到95.9%，定位误差为4.91%，满足爬壁机器人检测要求。
针对壁面障碍物的不确定性，设计了一种爬壁机器人双目视觉障碍检测系统。具体包括搭建双目平行视觉系统，根据双目视觉理论对摄像机进行标定，获取相机标定参数；通过标定参数和极线约束对双目图像进行校正，解决图像畸变不共面问题；利用块搜索模型和相似度函数获取视差，保证视差获取的快速性与鲁棒性；最后提出一种障碍物检测算法：建立壁面检测模型约束检测范围，引入面积阈值，过滤干扰并实现障碍物提取，提出一种障碍物定位算法，通过宽度、深度与偏距三个方面对障碍物进行定位，同时，通过线性插值解决障碍物中心视差丢失问题。实验结果表明：在保证实时性的基础上，该系统能够有效检测前方障碍物且准确提取率能够达到95.9%，定位误差为4.91%，满足爬壁机器人检测要求。
2020, 39(5): 773-779.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190189
摘要:
准确识别不对中严重程度是保障航空发动机双转子系统安全稳定运行的重要途径。但不对中程度信息微弱，现有方法难以对其准确识别，为此本文提出了基于变分模态分解与深度信念网络的双转子不对中程度识别方法。实验采集了3种不对中程度下的振动加速度信号，首先采用变分模态分解将振动信号分解；其次对模态函数进行分析，根据互信息理论确定VMD的分解层数，重构模态信号作为特征输入向量，并用于深度信念网络分类模型训练。通过与VMD+BP、VMD+SVM、原始信号+DBN模型的识别率进行对比分析，结果表明，本文提出的VMD+DBN模型提高了双转子不对中程度的识别准确度，验证了该方法的有效性。
准确识别不对中严重程度是保障航空发动机双转子系统安全稳定运行的重要途径。但不对中程度信息微弱，现有方法难以对其准确识别，为此本文提出了基于变分模态分解与深度信念网络的双转子不对中程度识别方法。实验采集了3种不对中程度下的振动加速度信号，首先采用变分模态分解将振动信号分解；其次对模态函数进行分析，根据互信息理论确定VMD的分解层数，重构模态信号作为特征输入向量，并用于深度信念网络分类模型训练。通过与VMD+BP、VMD+SVM、原始信号+DBN模型的识别率进行对比分析，结果表明，本文提出的VMD+DBN模型提高了双转子不对中程度的识别准确度，验证了该方法的有效性。
2020, 39(5): 780-785.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200051
摘要:
针对足球机器人赛场的态势评估问题，提出了一种赛场态势评估的直觉模糊算法，首先建立了直觉模糊综合评判模型，接着制定态势评估所需的指标体系，并给出了评判指标的效用值计算等度量问题和指标值的规范化方法，最后结合德尔菲和层次分析法来确定评估指标的权重向量。实验表明，该评估方法计算复杂度小，在赛场评估中可给出有效的综合评价，具有较高的可信性。
针对足球机器人赛场的态势评估问题，提出了一种赛场态势评估的直觉模糊算法，首先建立了直觉模糊综合评判模型，接着制定态势评估所需的指标体系，并给出了评判指标的效用值计算等度量问题和指标值的规范化方法，最后结合德尔菲和层次分析法来确定评估指标的权重向量。实验表明，该评估方法计算复杂度小，在赛场评估中可给出有效的综合评价，具有较高的可信性。
2020, 39(5): 786-794.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190188
摘要:
已知压电振子只有处于共振状态才能保证电能的输出水平，但环境中的振源频率远低于普通压电振子的固有频率。对于两种周期结构悬臂梁，建立其理论模型，分别通过数值仿真软件与有限元软件求解其固有频率。结果表明，折叠梁的固有频率对梁段数的增加更为敏感，在梁段数较高的情况下折叠梁的固有频率较低，低频俘能性能优于螺旋梁，但是其各阶模态固有频率之间的跨度较大且不平均，能够与环境中振源频率匹配的模态阶数较少，其宽频俘能能力不如螺旋梁。
已知压电振子只有处于共振状态才能保证电能的输出水平，但环境中的振源频率远低于普通压电振子的固有频率。对于两种周期结构悬臂梁，建立其理论模型，分别通过数值仿真软件与有限元软件求解其固有频率。结果表明，折叠梁的固有频率对梁段数的增加更为敏感，在梁段数较高的情况下折叠梁的固有频率较低，低频俘能性能优于螺旋梁，但是其各阶模态固有频率之间的跨度较大且不平均，能够与环境中振源频率匹配的模态阶数较少，其宽频俘能能力不如螺旋梁。
2020, 39(5): 795-803.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190194
摘要:
为了预防长时间的高温高压环境所产生的应力松弛现象，本文将传统应力松弛理论与Arrhenius理论相结合建立用于斜圈弹簧的应力松弛模型。通过在不同载荷和不同温度下的应力松弛加速试验，探究弹簧应力松弛模型参数的变化规律，实现预测实际工作环境下斜圈弹簧的松弛特性以及服役寿命。通过workbench对单圈弹簧进行有限元仿真分析，不仅可以得出弹簧的载荷松弛量和内部等效应力松弛率，还可以看出在弹簧发生应力松弛后的位移变化以及蠕变量的大小。通过改变弹簧的结构参数，运用workbench分析不同结构参数下单圈弹簧的应力松弛率，探究结构参数与应力松弛率之间的关系，为提高弹簧寿命给出理论依据。
为了预防长时间的高温高压环境所产生的应力松弛现象，本文将传统应力松弛理论与Arrhenius理论相结合建立用于斜圈弹簧的应力松弛模型。通过在不同载荷和不同温度下的应力松弛加速试验，探究弹簧应力松弛模型参数的变化规律，实现预测实际工作环境下斜圈弹簧的松弛特性以及服役寿命。通过workbench对单圈弹簧进行有限元仿真分析，不仅可以得出弹簧的载荷松弛量和内部等效应力松弛率，还可以看出在弹簧发生应力松弛后的位移变化以及蠕变量的大小。通过改变弹簧的结构参数，运用workbench分析不同结构参数下单圈弹簧的应力松弛率，探究结构参数与应力松弛率之间的关系，为提高弹簧寿命给出理论依据。
2020, 39(5): 804-809.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190202
摘要:
通过添加石墨碳粉改变SLM成形过程中316L不锈钢的碳元素含量，研究3D打印过程中不同碳含量对316L不锈钢微观结构和力学性能的影响。结果表明：随着碳含量的增加，不同碳含量的316L不锈钢的硬度也随之增加，而拉伸强度性能却随之先增大后减小。通过对断口形貌的观察发现，在低、中碳含量下的断裂状态为韧性断裂，而在高碳含量下的断裂为脆性断裂。这是由于碳元素所形成的碳化物在低含量阶段增强了不锈钢的拉伸性能，但随着碳含量增多，微裂纹所形成的缺陷逐渐起到主导地位，严重影响拉伸性能。
通过添加石墨碳粉改变SLM成形过程中316L不锈钢的碳元素含量，研究3D打印过程中不同碳含量对316L不锈钢微观结构和力学性能的影响。结果表明：随着碳含量的增加，不同碳含量的316L不锈钢的硬度也随之增加，而拉伸强度性能却随之先增大后减小。通过对断口形貌的观察发现，在低、中碳含量下的断裂状态为韧性断裂，而在高碳含量下的断裂为脆性断裂。这是由于碳元素所形成的碳化物在低含量阶段增强了不锈钢的拉伸性能，但随着碳含量增多，微裂纹所形成的缺陷逐渐起到主导地位，严重影响拉伸性能。
2020, 39(5): 810-814.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190209
摘要:
通过风扇叶片外物撞击试验平台来模拟真实发动机叶片受外物撞击的过程，使用基于叶尖定时原理的非接触式叶尖振动测量方法获取叶片叶尖振动信号。采用基于短时能量的方法对原始振动信号进行处理，获取风扇不同稳定转速状态所对应的叶尖振动参考短时能量值，经过反复试验及数据统计分析给定门限系数，依据在线检测原理获取外物撞击风扇叶片的检测门限值。对不同尺寸、质量外物撞击给定风扇转速的叶片振动数据进行分析，获取其对应的短时能量分布，进而准确判断出叶片发生外物撞击的时刻、次数。
通过风扇叶片外物撞击试验平台来模拟真实发动机叶片受外物撞击的过程，使用基于叶尖定时原理的非接触式叶尖振动测量方法获取叶片叶尖振动信号。采用基于短时能量的方法对原始振动信号进行处理，获取风扇不同稳定转速状态所对应的叶尖振动参考短时能量值，经过反复试验及数据统计分析给定门限系数，依据在线检测原理获取外物撞击风扇叶片的检测门限值。对不同尺寸、质量外物撞击给定风扇转速的叶片振动数据进行分析，获取其对应的短时能量分布，进而准确判断出叶片发生外物撞击的时刻、次数。
2020, 39(5): 815-820.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200048
摘要:
机器人制孔系统是实现飞机自动化装配的重要设备，制孔作业前的精度标定是保证系统各项指标满足生产要求的关键环节，以往对系统进行简单的单次制孔标定无法全面掌握各个维度上的精度指标。针对位置补偿、孔位、法向、孔径及锪窝深度精度，分别提出了精度标定方法，并利用飞机装配站位上投入使用的满足精度要求的制孔系统进行检验，结果表明所提出的标定方法和测量实际产品所得结果有良好的一致性，能够用于自动制孔系统的快速标定。
机器人制孔系统是实现飞机自动化装配的重要设备，制孔作业前的精度标定是保证系统各项指标满足生产要求的关键环节，以往对系统进行简单的单次制孔标定无法全面掌握各个维度上的精度指标。针对位置补偿、孔位、法向、孔径及锪窝深度精度，分别提出了精度标定方法，并利用飞机装配站位上投入使用的满足精度要求的制孔系统进行检验，结果表明所提出的标定方法和测量实际产品所得结果有良好的一致性，能够用于自动制孔系统的快速标定。
