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2021年  40卷  第1期

机械动力学
凹槽型织构对钻头滑动轴承表面摩擦学性能影响分析
何霞, 杜文鑫, 王国荣, 李梦媛, 钟林, 廖代胜
2021, 40(1): 1-8. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200017
摘要(140) HTML (107) PDF 3244KB(27)
摘要:
基于雷诺方程建立表面织构化滑动轴承润滑理论模型,探究不同织构参数(分布角度、深度、面积比、偏斜角度、长度)对钻头滑动轴承承载力和摩擦因数的影响规律。在油膜收敛和最小油膜厚度附近区域布置织构,有利于增加轴承表面润滑性能,而织构布置在油膜发散处反而会减小轴承承载力,增大摩擦因数。织构的最佳织构深度与轴承的工况相关,不同偏心率条件下最优织构深度不同,轴承所承载的载荷越大,凹槽型织构化轴承的最佳织构深度越深;摩擦因数随织构面积比的增加先增大后减小,当面积比为18%时,摩擦因数最小。织构深度对织构偏斜角度的影响较小,轴承摩擦因数随偏斜角度的增加逐渐减小;织构长度为轴承宽度的1/2时,轴承润滑效果最佳。
柴油机机体紧固面微动裂纹开闭现象的研究
王一凡, 张翼, 李斌茂, 刘唱
2021, 40(1): 9-15. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200097
摘要:
柴油机机体材料ZL702A铝合金的微动疲劳实验中,裂纹形核于接触后缘,且在拉应力下裂纹处于闭合状态,在压应力下裂纹处于张开状态。本文针对该特殊的开闭机制采用有限元进行分析。首先利用累计耗散能的概念确定了裂纹萌生的位置,运用SWT参数法和MTS准则法模拟得到的裂纹拓展路径,与实验对比发现MTS准则可以较为准确地模拟裂纹纹路径;其次运用MTS准则模拟裂纹拓展时,测量了裂纹表面的法向应力与切向应力,得出这种特殊的裂纹的开闭现象是由微动接触引起裂纹表面一侧变形造成的;最后,引入裂纹张开度参数RCOD与有效应力强度因子对Paris公式进行修正,得出具有裂纹开闭现象的微动疲劳寿命方程,对比之下发现:不考虑裂纹开闭的疲劳寿命预测值明显高于实验值,而考虑裂纹开闭的疲劳寿命预测值则与实验值一致性较好。
隔振硅橡胶Maxwell分布阶本构模型及其冲击力学行为特性
秦园, 李占龙, 孙大刚, 王瑶, 孙宝
2021, 40(1): 16-21. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200261
摘要(303) HTML (143) PDF 2074KB(30)
摘要:
为精确描述隔振硅橡胶冲击力学行为,基于高应变率下硅橡胶呈阶段性力学响应,且分数阶Maxwell模型中阶数α可体现材料粘弹性分布,将阶数α分布取值,构建了Maxwell分布阶本构模型。采用SHPB技术开展了高应变率下的隔振硅橡胶冲击力学性能实验,对模型进行验证。结果表明:高应变率下隔振硅橡胶的应力-应变实验曲线可分为4个阶段,即弹性阶段、软化阶段、硬化阶段和失效阶段;随应变率的增大,屈服应变、屈服应力及割线模量均增大;软化阶段内曲线的上凸曲率增大;硬化阶段内分子链运动能力越差,硬化效应越显著;分析了Maxwell分布阶本构模型对实验数据的表征能力,结果表明不同应变率下该模型的RMSE均值仅为0.087 2。Maxwell分布阶本构模型对粘弹性冲击力学行为的表征具有较好的综合优势,即精度高、物理含义明确,可在较宽应变率范围准确描述隔振硅橡胶的冲击力学行为特性。
一种改进的LCD滚动轴承故障特征提取方法
杨创艳, 王晓东, 罗亭, 李卓睿
2021, 40(1): 22-32. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190335
摘要:
为了有效提取出滚动轴承振动信号的故障特征,提出一种基于分段三次Hermite插值-局部特征尺度分解PCHIP-LCD的故障特征提取方法。采用分段三次Hermite插值代替LCD中的三次样条插值(Cubic spline interpolation, CSI),提出了改进的LCD方法,完成振动信号x(t)分解,获得若干内禀尺度分量(Intrinsic scale components, ISCs);建立基于峭度和相关系数K-C组合权重指标的有效ISCs分量筛选规则,完成ISCs分量的选择和重构,获得重构信号xnew(t);对重构信号xnew(t)进行Teager能量算子(Teager energy operator, TEO)解调分析,获得TEO解调能量谱图,进而实现滚动轴承的故障特征提取。结果表明,该方法可增强对信号的包络拟合能力,提高信号的分解精度。
一种新型软体驱动器的设计与研究
李明鑫, 宁萌, 陈海卫
2021, 40(1): 33-39. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190344
摘要:
现有软体机器人的驱动器结构大多为纤维增强型和多腔体型,针对此类软体驱动器存在的问题,开展新型软体驱动器的研究。首先介绍了新型软体驱动器结构的设计思路,为进一步研究结构的合理性,进行了基于Yeoh模型的软体驱动器弯曲特性理论的分析,得到曲率半径与充气压强之间的数学模型,并通过软体驱动器的制作和实验平台的搭建对理论模型进行验证,证明了结构模型的正确性。
可重构机器人模块间装配误差识别方法研究
高文斌, 江自真, 余晓流
2021, 40(1): 40-46. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200022
摘要:
基于对可重构机器人配对接口间位姿误差的分析划分,研制模块间装配误差在线测量识别接口,建立配对接口位姿误差与接口几何结构偏差之间的关系模型,进而建立配对接口位姿误差与配对接口内部测距传感器测量值之间的映射关系模型,提出一种基于内部测距传感器位移量的模块间装配误差在线识别、补偿方法。为验证方法的正确性,研制单关节-连杆试验平台。试验结果表明装配误差经在线识别、补偿后,连杆末端的位置误差平均值减少7倍多。
五轴联动加工中心动力学建模及质量匹配优化
王晨升, 苏芳, 罗茹楠, 田海明
2021, 40(1): 47-54. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200020
摘要:
为了解五轴联动加工中心结构件质量对整机性能的影响规律,结合集中参数法和子结构综合法建立整机动力学模型。依据五轴联动加工中心拓扑结构特点,基于子结构综合思想,将其分为两个拓扑子链并分别开展影响规律分析;基于结构件间的质量关系,提出了机床质量匹配度的评价指标-结构件质量比(RT)。通过分别对刀具链和工件链中结构件质量进行匹配优化,获得整机的质量匹配优化方案,并基于有限元仿真软件对优化结果进行验证。结果显示,通过该优化方法,整机质量减轻10.3%,整机首阶固有频率提高3.9%。
接触器触头系统弹跳行为仿真及影响因素分析
李亚峰, 王发展, 王雁琨, 郭宝良
2021, 40(1): 55-62. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200016
摘要:
为了揭示接触器触头系统弹跳动力学行为及影响因素,从振动角度提出了触头和铁心弹跳全过程分段振动微分方程并得到其数值解。基于ADAMS和ANSYS软件建立了交流接触器三维动态耦合仿真模型,并通过实验对仿真模型和数值解进行验证。实验结果表明,数值解能准确反映触头、铁心弹跳的全过程; 分析了触头曲率半径、线圈匝数对触头弹跳的影响,同时对动静触头分别为圆弧形-圆弧形、圆弧形-平面形、平面形-平面形3种配合情况进行了分析和比较。结果表明,当触头曲率为0.625时,触头弹跳时间最短。采用圆弧形与平面形触头配合可以大幅降低触头弹跳时间。
泡沫铝夹芯结构机床立柱多目标优化设计
于英华, 单翔宇, 范中海, 孙苗苗
2021, 40(1): 63-68. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200015
摘要:
为探索提高机床综合性能的新途径,提出了泡沫铝夹芯结构立柱新构型。首先,选取XK714数控机床立柱为原型,运用等刚度设计理论和轻质性设计理论初步设计泡沫铝夹芯结构机床立柱;然后,运用多目标优化设计的方法对泡沫铝夹芯结构机床立柱进行优化设计;最后,对原型立柱和优化前后的泡沫铝夹芯结构立柱的静、动、热态性能及轻质性进行对比分析。结果证明:泡沫铝夹芯结构机床立柱在提高机床立柱乃至整机的静、动、热态性能及轻质性方面的有效性。
具有极间隙的新型永磁式丝杠仿真研究
宋晓庆, 张永鑫, 张海, 赵武
2021, 40(1): 69-75. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200019
摘要:
为解决实际工程应用中加工精度或装配误差等因素导致的磁极间存在间隙或其他绝缘性材料形成间隔的问题, 设计了一种具有极间隙的新型永磁式丝杠结构。提出了极距比的概念, 应用有限元仿真技术, 研究了极距比及直径、节距对最优极距比的影响。结果显示:峰值推力和峰值转矩随极距比的增大而减小; 存在最优极距比为0.3, 使得输出推力密度与转矩密度较大的同时, 比推力和比转矩最大, 磁能利用率最高; 改变丝杠直径和节距, 最优极距比不变。
精密制造与加工
模糊物元在元动作单元可靠性分析中的应用
鞠萍华, 胡晓波, 冉琰, 陈资
2021, 40(1): 76-83. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190330
摘要:
动作是机电产品的基本运动单元,为了保障整机的可靠性,首先必须保障基本动作单元的可靠性,本文基于模糊物元法提出一种对产品最小动作单元进行可靠性分析的方法-基于模糊物元的元动作单元可靠性分析方法。首先按照“功能-运动-动作”对整机功能进行结构化分解得到最基本的元动作单元;通过模糊物元分析方法提取出相似的元动作单元,并构建出用于元动作单元可靠性分析的失效数据;然后选用三参数威布尔分布模型对失效数据建模和可靠性分析,并利用K-S检验方法对元动作单元的失效数据分布进行检验,以判断选用的分析模型是否合理。以某加工中心数控转台的回转油缸活塞移动元动作单元为例进行分析,验证了本文方法的合理性与可行性。结果表明该元动作单元的失效数据服从三参数威布尔分布模型。
一维振动式滚磨光整贴壁式加工工艺实验研究
卢俊亮, 李秀红, 李文辉, 杨胜强, 赵鑫
2021, 40(1): 84-91. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190332
摘要(141) HTML (148) PDF 2315KB(17)
摘要:
通过一维振动式贴壁加工实验,研究了频率、振幅、试件固定高度和固定方位对试件表面加工质量的影响规律。基于电动式振动试验系统,将6061铝合金块以不同高度嵌在橡胶衬垫里贴于垂直、平行于振动方向的自制振动容器内壁上进行加工实验。试件垂直于振动方向固定时,同一固定高度,频率(振幅)越高,试件表面粗糙度值下降越快,加工效果越好; 试件平行于振动方向固定时,同一固定高度,频率越低反而加工效果越好。一定频率和振幅下,两个固定方位的试件表面粗糙度随固定高度变化规律趋于一致,但不同频率振幅下,变化规律差异大。结果表明,在相同条件下,垂直振动方向明显比平行振动方向加工效果好。垂直于振动方向固定试件主要受磨块碰撞和挤压作用,平行于振动方向主要受磨块滑擦作用。在一定范围内,频率(振幅)越大,越有利于试件的加工。
旅游文化创意产品多文化意象色彩设计评价方法
何劲涛, 陈登凯, 余隋怀
2021, 40(1): 92-100. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200293
摘要:
为了使旅游文化创意产品更好得承载文化意象,需要通过计算机辅助技术来优化和评价设计方案,匹配色彩与多文化意象之间的关系,提高设计效率。本文通过结合灰关联分析法(GRA)和逼近理想解法(TOPSIS),利用梯形模糊数以描述用户对旅游文化创意产品配色方案中文化元素的文化意象偏好,提出了基于灰关联分析-逼近理想解排序法的旅游文化创意产品色彩设计方案评价方法。
面向FDM筒形件尺寸收缩特性的数值模拟研究
南思豪, 刘健, 关舒文
2021, 40(1): 101-108. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200021
摘要(166) HTML (101) PDF 4384KB(17)
摘要:
针对筒形件在熔融沉积成型(fused deposition modeling, FDM)过程中产生的尺寸收缩问题,建立了筒形件成型过程的有限元模型,基于"生死单元技术"编写了成型过程的温度场、应力场仿真分析命令流,对筒形件熔融沉积成型过程进行了热力耦合数值模拟,探讨了3D打印及冷却过程中筒形件的尺寸收缩机理。结果表明,筒形件在径向的温度梯度分布很不均匀,且等效应力较大; 而轴向的温度梯度分布较为均匀,等效应力较径向小。径向和轴向温度梯度的差异导致筒形件在径向收缩大、轴向变形小。
免疫度下的柔性车间动态重调度研究
张守京, 王彦亭, 罗罗志轩
2021, 40(1): 109-115. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200029
摘要:
柔性车间具有的机器柔性选择等柔性特点,使动态随机干扰下的车间调度问题更具有灵活性和优化空间。本文针对柔性车间生产系统的动态随机事件的干扰,对车间受影响程度进行量化分析和判断,针对车间调度的调整提出了基于免疫度的规则导向策略,以确保实际生产计划的健康执行。首先本文根据动态随机的干扰环境对车间系统的干扰程度,提出免疫度的概念,以免疫度值作为系统的自修复调度与调度调整的判定依据。在调度调整中,根据当前生产的状态,进行以规则为导向的动态调整,合理选择调度方式,以提高车间调度调整与车间实际目标需求的契合度。
透明件表面缺陷的机器视觉检测综述
明五一, 贾豪杰, 何文斌, 魏爱云
2021, 40(1): 116-124. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190331
摘要(243) HTML (1130) PDF 1913KB(115)
摘要:
随着现代科技的发展,透明件几乎运用于各个行业并起着不可或缺的作用,透明件表面质量是衡量其合格与否的一个重要指标,同时机器视觉技术因具有速度快、精度高、成本低、稳定性好等优点被广泛用于透明件表面缺陷的检测。本文主要从图像采集、图像处理和缺陷识别几个环节来介绍透明件表面缺陷的检测,对检测系统的类型,采集图像的处理方法以及实验数据的整理进行深入的研究,结合图像特征与深度学习方法对透明件表面缺陷进行归类,探讨机器视觉检测透明件技术发展近状及现存问题。进一步,本文阐述了机器视觉检测透明件的最新进展,并对未来可能发展趋势进行预测,为后续研究工作提供基础理论参考。
运载工程
汽车ESP系统关键参数估算研究
徐劲力, 蒋园健, 魏翼鹰, 刘伟光, 李豪
2021, 40(1): 125-131. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200014
摘要:
汽车ESP系统的关键参数对ESP系统控制效果起着至关重要的作用,而这些参数很难直接获取,对其进行估算是一种切实可行的方法。在CarSim阶跃工况下,利用递推最小二乘算法对不同转角、车速下等效前、后轴侧偏刚度进行辨识,并拟合辨识的MAP图。建立汽车3自由度简化模型,模型中等效前、后轴侧偏刚度随转角和车速自适应变化。将改进后的Sage-Husa噪声估计器结合无迹卡尔曼滤波对汽车行驶状态参数质心侧偏角、横摆角速度、纵向车速和横向车速进行估算,估算结果与CarSim软件仿真结果吻合度高;将估算的汽车行驶状态参数作为输入,利用自适应无迹卡尔曼滤波对高附着路面、低附着路面以及对接路面的附着系数进行估算,估算结果与CarSim路面附着系数设置值吻合程度高。
轮缸压力估算与控制仿真研究
黄丰云, 刘伟光, 魏翼鹰, 蒋园健, 李豪
2021, 40(1): 132-138. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200013
摘要(337) HTML (185) PDF 1744KB(41)
摘要:
汽车传统制动系统一般都是采用PWM(Pulse width modulation)控制技术来调节轮缸压力,根据占空比与轮缸压力变化关系控制增、减压。但是通过探究高速开关阀PWM控制特性,发现PWM控制减压有效占空比范围小,难以实现压力精确调控。因此结合查表法增压、阶梯法减压,提出了一种分段控制方法。并且将轮缸压力估算算法应用到压力控制中,作为压力控制环反馈。通过搭建Simulink/AMEsim联合仿真模型对压力估算算法和压力控制算法进行了验证,证明了估算算法的准确性和压力控制算法的可行性、优越性。
麦弗逊悬架螺旋运动分析及其优化设计
王成志, 王云超
2021, 40(1): 139-145. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200012
摘要(296) HTML (252) PDF 1833KB(38)
摘要:
用更接近悬架实际运动状态的刚体螺旋运动理论建立了麦弗逊(MacPherson)悬架和配用转向机构的运动学模型,提出了考虑转向轮初始状态的车轮外倾角和前束角的计算方法,讨论了车轮前束角和转向角的区别,推导了转向过程中转向悬架中两个压力角的计算公式。以最小转向误差为目标,并限制车轮跳动时四定位参数的变化范围、转向过程中压力角的最大值和最小转弯半径,建立了MacPherson悬架及配用转向机构优化模型。样例分析结果表明,在给定条件下优化后,不仅车轮跳动时前束角的变化范围减小,使悬架运动学性能更加稳定;而且在保证车辆的给定最小转弯半径和机构压力角下,转向性能得到明显改善。
材料科学
湿热环境下含脱粘损伤蜂窝夹芯材料弯曲性能研究
卢翔, 曾琼芝
2021, 40(1): 146-154. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190343
摘要:
通过使用三明治夹芯等效理论将蜂窝芯层等效为均匀连续的实体单元,将湿热环境中的湿应力等效为热应力,建立湿热环境下的蜂窝夹芯材料本构方程,以改进Hashin准则与Besant准则作为蜂窝夹芯材料的失效判据,并通过编写VUMAT子程序实现。采用Cohesive单元模拟面板与芯层间的连接方式建立湿热环境下蜂窝夹芯板的有限元模型,研究湿热环境对蜂窝夹芯材料弯曲性能的影响。切除某些Cohesive区域模拟面板与芯层脱粘现象并计算脱粘损伤对材料性能的影响,对比边缘脱粘与内部脱粘研究脱粘位置对蜂窝夹芯材料弯曲性能的影响。结果表明湿热环境降低了材料的极限承载能力,脱粘现象会加速面板与芯层分离,脱粘位置影响材料的损伤扩展性能,降低材料的弯曲强度。
航空、宇航工程
直接位置更新策略的试变异粒子群优化算法及其在可靠性优化中的应用
郑波, 马昕, 张小强, 高会英
2021, 40(1): 155-164. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200255
摘要:
为了提升粒子群优化(Particle swarm optimization, PSO)算法的全局寻优能力,增强PSO算法在处理复杂的、高维的、多模态优化问题的寻优性能,提升PSO算法在可靠性优化应用中的优化效果,提出了一种基于直接位置更新策略的试变异(Direct position updating-based trying-mutation PSO, DTPSO)算法。设计了直接位置更新策略和试变异策略,有效维持了种群的多样性,维持了探索和开发的平衡,提升了获得全局最优解的概率。通过9种复杂测试函数的验证和比较,证明了DTSPO算法设计的合理性,以及算法拥有的优异的全局寻优能力。对可靠性冗余分配和可靠度分配问题进行了优化,并和其它先进的改进算法进行比较,结果证明了DTPSO算法的稳定性和寻优性能。