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2021年  40卷  第10期

机械动力学
采用组合赋权与雷达图法的张紧臂多目标优化
汪利洋, 胡玉梅, 何造
2021, 40(10): 1477-1483. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200244
摘要:
以自动张紧器为研究对象,结合发动机前端附件轮系(Engine front end accessory drive, EFEAD)系统的非线性有限元分析,采用折衷规划法定义张紧臂各摆角工况下结构的静态、稳态刚度和动态振动频率最大化的综合目标函数,并提出了一种改进的组合赋权雷达图法来确定各工况的最优权重系数,进行张紧臂结构的多目标优化设计。同时对比经验法、平均分配法和层次分析法定义权重系数的优化结果,验证了改进的组合赋权雷达图法的优越性。最后对张紧臂进行优化设计,分析结果表明:优化后张紧臂在质量减少的情况下,刚度性能和强度性能明显提高,各阶模态频率均可达到要求。
信息熵和合成峭度优化的VMD和PSO-SVM的轴承故障诊断
刘臻, 彭珍瑞
2021, 40(10): 1484-1490. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200239
摘要:
为了解决变分模态分解参数人为确定的问题,并能够实现轴承故障的精确诊断,构建了一种信息熵和合成峭度优化的变分模态分解(VMD)和粒子群算法优化支持向量机(PSO-SVM)的轴承故障诊断方法。该方法首先运用合成峭度倒数与信息熵乘积的最小值原则对VMD参数进行优化,再由优化的参数对原始故障信号进行变分模态分解,得到既定的若干本征模态分量(IMFs),再选取信息熵与合成峭度倒数的乘积最小的IMF作为最佳IMF,再对其提取故障特征构成特征向量,输入PSO-SVM进行故障分类。最后,运用仿真信号和实际轴承数据验证了本文方法的有效性。
SEA模型的参数全局灵敏度分析
司癸卯, 展梓荃, 高康平, 魏孟
2021, 40(10): 1491-1496. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200234
摘要:
为了定量探究串联弹性驱动器(SEA)系统阻抗和力输出带宽的参数全局灵敏度,本文利用基于方差分解的Sobol方法,计算不同取值下的弹簧刚度、阻尼和质量对SEA的输出力的带宽以及系统阻抗的全局灵敏度,并通过分析灵敏度计算结果的收敛性,验证了灵敏度分析结果的可靠性。研究结果表明:在不同工作频率下,弹簧刚度、阻尼和质量对于SEA的输出力带宽以及系统阻抗大小影响各不相同,且三者对所求目标函数具有交互影响的作用;系统阻尼和质量对于输出力带宽以及系统阻抗大小的影响均远大于弹簧刚度的影响,这表现在系统阻尼和质量对上述所求目标函数的总阶灵敏度在任何频率下均约为弹簧刚度的总阶灵敏度的3~4倍;对于参数的采样,当采样个数小于5 000时,Sobol指数波动较大,当采样个数为5 000时,既能节约计算开支又能获得可靠的Sobol参数。
NURBS柔性弧面凸轮曲线设计与优化
罗康, 何雪明, 吴佳, 范海港
2021, 40(10): 1497-1502. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200242
摘要:
为使弧面凸轮在高速转动过程中有振动小、磨损小、精度与效率高等优点。利用NURBS优越的性能对现有的空间弧面分度凸轮的轮廓曲线进行设计,依据不同起止边界条件选定阶数并得到各种运动控制条件的NURBS柔性凸轮曲线。在标准双停留5次NURBS凸轮曲线基础上作多目标优化。采取依托NX“规律曲线”功能建立弧面凸轮三维模型新的建模方式,该法所构造的轮廓面曲线精确、效率高,然后利用MATLAB对NURBS柔性凸轮曲线和MS曲线进行对比。利用ADAMS对凸轮机构进行运动仿真,仿真结果表明,5次NURBS凸轮曲线的运动性能要优于MS曲线。用该方法制造的弧面凸轮有振动平稳、磨损小、运动性能好等优点。
轮毂轴承旋转弯曲疲劳寿命分析及可靠性评估
张珂, 刘思源, 郭长建, 阎卫增, 童学根
2021, 40(10): 1503-1507. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200236
摘要:
轮毂轴承的寿命和损伤是直接影响汽车寿命和安全性的重要因素之一。本文对第三代轮毂轴承的旋转弯曲疲劳寿命进行预测,首先应用ABAQUS进行动力学有限元仿真,其次用nCode寿命分析软件得出模型的寿命云图预其测疲劳寿命。然后用旋转弯曲疲劳试验机进行试验,分析试验数据,以此验证旋转弯曲疲劳寿命预测模型的可行性。最后,对试验结果进行可靠性分析,以可靠性函数图评估预测结果的可靠度。
配电机器人剥线器的RLS阻抗力控制算法
徐显金, 胡世超, 杨宇航, 涂细凯
2021, 40(10): 1508-1514. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200210
摘要:
针对配电机器人剥线过程中导线线芯易受损问题提出一种适合末端剥线器的基于阻抗控制的切进力跟踪控制算法。目前很多阻抗控制无法完成环境刚度突变的任务要求,针对配电机器人工作环境刚度的复杂性,在阻抗控制算法中引入递推最小二乘法(RLS)对导线绝缘层和线芯刚度进行在线辨识实现对切进力的精确稳定跟踪,并在MATALAB/Simulink中对配电机器人剥线环节的阻抗力控制算法和提出的基于RLS的阻抗算法进行对比仿真试验。仿真结果显示,基于RLS参数辨识的力控算法在环境刚度突变的情况下依然有着较好的力跟踪性能,且稳态误差趋近于零,试验结果的对比显示了RLS阻抗控制算法的可行性和有效性。
考虑疲劳影响的蝶阀阀轴计算方法研究
谢斌斌, 童成彪, 文海东, 张波, 任杰
2021, 40(10): 1515-1522. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200251
摘要(296) HTML (165) PDF 2192KB(25)
摘要:
阀轴是蝶阀的关键受力部件,传统方法基于扭矩计算阀轴应力而未充分考虑弯矩的影响,应用于大型蝶阀设计存在一定的风险。本文分别将滑动轴承支反力简化为均布载荷和集中力,与变形协调方程相结合,提出了一种新的阀轴弯扭组合数学模型,采用有限元方法和实验方法对数学模型进行了验证;最后,分别采用冯·密斯应力和Goodman准则对阀轴应力进行评定,得到阀轴设计安全系数。结果表明,本文提出的阀轴计算数学模型与评估方法具有较高的精度,对改进蝶阀设计方法具有重要指导意义。
一种时移多尺度排列熵与ELM相结合的滚动轴承故障诊断方法
董治麟, 郑近德, 潘海洋, 刘庆运
2021, 40(10): 1523-1529. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200252
摘要(189) HTML (163) PDF 4444KB(25)
摘要:
多尺度排列熵(Multi-scale permutation entropy, MPE)随着尺度因子的增加得到的粗粒化序列长度越来越短,造成时间序列信息的严重损失。为此,提出了时移多尺度排列熵(Time-shifted multi-scale permutation entropy, TSMPE)。首先,采用仿真信号分别对TSMPE与MPE做仿真对比分析,结果表明,TSMPE对原始振动信号的长度依赖性较小,得到的熵值更加稳定。进一步地,提出了一种基于TSMPE与极限学习机的滚动轴承故障检测与诊断方法,将其应用于两组实际滚动轴承测试数据对滚动轴承故障类型和程度进行识别, 结果表明:所提出故障诊断方法不仅能够准确地诊断滚动轴承的故障类型和程度,而且识别率高于基于MPE与ELM的故障诊断方法。
VMD改进多尺度排列熵和LLTSA的列车车轮损伤诊断
田英, 刘启跃
2021, 40(10): 1530-1535. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200233
摘要:
针对列车车轮损伤振动信号特征难以提取的问题,本文提出基于变分模态分解(VMD)改进多尺度排列熵和线性局部切空间排列算法(LLTSA)的车轮损伤诊断方法。首先利用VMD方法分解原始振动信号得到若干个模态分量,计算各模态分量的改进多尺度排列熵,然后采用LLTSA方法进行特征维数约简,并与等距映射流形算法(ISOMAP)降维结果对比,获得最优的低维特征向量, 最后将低维特征向量作为核极限学习机(KELM)的输入进行分类辨识。实验分析结果表明,该方法能够成功识别出车轮损伤状态。
精密制造与加工
快反镜辅助的回转刀具磨损状态在机检测技术研究
胡家皓, 闵峻英, 李永记, 郝沛时, 林建平
2021, 40(10): 1536-1540. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200246
摘要:
在机检测技术可实现刀具在工作状态下的实时检测,有助于及时发现刀具质量问题,并提高检测效率。基于机器视觉技术,本文将快反镜用于辅助工业相机直接拍摄旋转状态下的刀具图像;建立了图像采集系统,研究了快反镜偏转关系模型,并在此基础上开发快反镜控制程序;在获取刀具图像后,基于OpenCV库进行图像处理,获取刀具磨损面积值;将该检测系统应用于工业机器人铣削实验平台上,实验结果验证了该技术的有效性。
球轴承外圈沟道ELID成形磨削工艺参数优化
李新, 赵坤, 陈光, 任成祖, 张宇鑫, 刘泽栋
2021, 40(10): 1541-1548. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200250
摘要:
为了优化球轴承外圈沟道ELID(Electrolytic In-process Dressing) 成形磨削工艺参数,通过多因素正交试验研究了ELID成形磨削过程中磨削参数和电解参数对砂轮磨损和工件表面粗糙度的影响规律,综合砂轮径向磨损量和工件表面粗糙度两个指标对磨削试验进行了综合评估。结果表明,磨削参数中的径向进给速度对砂轮径向磨损量的影响最大,砂轮转速对工件表面粗糙度影响最大;电解参数中的占空比对砂轮径向磨损量的影响较大,电解电压对工件表面粗糙度影响较大;砂轮转速为18 000 r/min,工件转速为100 r/min,径向进给速度为1 μm/min,占空比为50%,电解电压为90 V(6.7 Ω)时,综合效果最优。
SiC磨粒辅助钛合金EDM和ECM并行加工的工艺参数优化
栾晓声, 孟建兵, 胡益忠, 董小娟, 李丽, 曲凌辉, 张宏伟
2021, 40(10): 1549-1554. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200243
摘要:
针对钛合金的难加工特点,单纯EDM、ECM的局限性以及EDM和ECM串行加工的低效率问题,在低电阻去离子水中加入碳化硅磨粒,开展了磨粒辅助作用下的EDM和ECM并行复合加工。将材料去除率、电极损耗率和表面粗糙度作为评价指标,通过正交试验和灰关联度分析,将多工艺目标转化为单一评价指标,得到峰值电流、脉冲宽度、磨粒浓度和放电电压主要工艺参数的优化组合,并进行了试验验证。结果表明:峰值电流为1.5 A、脉冲宽度为30 μs、磨料浓度为5 g/L、放电电压为40 V的工艺参数组合所得到的电极损耗率、表面粗糙度和表面形貌都得到明显改善。
新型双定子永磁游标电机
王群京, 任泰安, 田杰, 阚超豪, 储国良
2021, 40(10): 1555-1560. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200235
摘要:
永磁游标电机具有高转矩密度,直接驱动等优点,在低速大转矩、宽速度范围运行等领域有较好的发展前景。文中提出了一种新型双定子永磁游标电机,介绍了该电机的结构、工作原理以及磁路走势,并以内、外定子均为4对极为例,利用有限元法与转子内部有隔磁层的电机进行了对比仿真分析,结果表明,无隔磁层的新型双定子永磁游标电机具有转子空间利用率高、电机饱和程度和谐波含量低、气隙磁场增速效果优、输出电压波形正弦性好等优点;通过对外定子齿开辅助槽的方式减小了转矩脉动,提升了电机的性能。
微棱锥阵列薄膜UV压印成型及光学特性研究
石平, 许志龙, 徐西鹏, 陈秀玉, 吴海锋
2021, 40(10): 1561-1566. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200238
摘要:
采用UV压印固化成型的方法制备具疏水性的微棱锥阵列减反薄膜,并设计正交试验探究了各工艺对其微观结构成型的影响,得到复形度高的微棱锥阵列薄膜的优化方案(压强0.5~0.8 MPa,充型时间30 s,光固化时间1 min)。通过对其减反性能分析,所制备的微棱锥阵列薄膜比无织构的平膜加权反射率低5%,分析各影响因素发现抑制气泡缺陷,并控制微棱锥特征结构参数高度和侧面夹角精度可使微织构薄膜减反能力相比提高21%,同时织构膜水滴接触角表明其具有自洁性。
纵扭复合超声换能器的频率灵敏度及其结构优化研究
杨宇辉, 钟守炎, 谢春晓, 马文举, 叶国良, 陈立甲
2021, 40(10): 1567-1573. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200245
摘要:
针对现有超声换能器结构设计方法存在效率低、计算繁琐及与实际应用偏差较大等问题,提出了一种基于有限元模态频率灵敏度的结构优化方法。本文以纵扭复合超声换能器为例,从传统解析法与实际应用尺寸边界约束条件相结合角度,初步确定换能器结构参数;在此基础上,采用模态频率灵敏度方法,通过改变对换能器模态频率影响较大的主要结构参数值,优化得到符合实际应用的换能器结构,并通过阻抗分析与振幅测试试验对结构模型进行了验证。试验结果表明,换能器谐振频率为27.6 kHz,纵向振幅为4 μm,扭转振幅为1.33 μm,纵扭比为33.25%,与仿真值相比误差较小,能够实现纵扭复合振动,且谐振频率、振幅及阻抗均可满足大部分超声加工要求,验证了设计方法的有效性及结构设计的合理性。
微量润滑切削多组分在线混合器结构设计及仿真
宋海潮, 代祥, 刘润泽
2021, 40(10): 1574-1580. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200501
摘要:
为促进不同切削液在线混合,设计了混合器结构,进行了切削液雾滴分布均匀性数值仿真试验,并开展试验验证。结果表明:具有分流器结构,且进液口位于混合管中心部位的混合器均匀性指数γa值和变异系数CV值分别为0.873 4和0.363 8,均高于其他混合器;进行实际喷雾试验,基于水敏纸上雾滴分布,所得γaCV值分别为0.892 8和0.284 4,近似于数值仿真结果。试验证明了基于数值仿真进行均匀性分析的可行性,验证了具有分流器结构,且进液口位于混合管中心部位的混合器性能优良,可以用于生产中切削液的在线混合式微量润滑。
仪器、仪表科学与技术
深度学习与多信号融合在铣刀磨损状态识别中的研究
穆殿方, 刘献礼, 岳彩旭, Steven Y. LIANG, 陈志涛, 李恒帅, 徐梦迪
2021, 40(10): 1581-1589. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200209
摘要(303) HTML (103) PDF 4203KB(37)
摘要:
为精确地识别刀具磨损状态,提出了一种深度学习与多信号融合相结合的识别方法。以自编码网络为基础,构建了堆叠稀疏自编码网络。采集铣刀不同磨损状态下的力信号、振动信号及声发射信号,并对上述信号进行小波包分解以便获取能够表征铣刀磨损的时频域特征。利用无监督学习和有监督学习对堆叠稀疏自编码网络进行训练,建立了深度学习的铣刀磨损状态识别模型。研究结果表明,多信号融合的深度学习模型对铣刀磨损状态识别准确率达到94.44%。
核酸检测一体化微流控芯片设计与液滴操纵分析
杭跃航, 任晓龙, 刘竹丽, 赵子龙, 郭攀
2021, 40(10): 1590-1594. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200248
摘要(233) HTML (125) PDF 2633KB(21)
摘要:
设计了一种基于磁珠法的两相流液滴微流控芯片,包含样品提纯、扩增和检测一系列连续的生化过程,可用于快速核酸检测。首先建立了磁珠和液滴在两相流体系内的动力学模型,并借助有限元仿真平台对磁珠微团所处环境进行了磁场仿真,得到不同体积磁珠微团所受的磁力。进一步还分析了磁珠微团、液滴体积、永磁体移动速度对液滴运动状态的影响,最终总结出液滴操纵图。
多关节机械臂干扰观测器的自适应滑模控制
张润梅, 罗谷安, 袁彬, 毕利君
2021, 40(10): 1595-1602. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200543
摘要:
为了解决多关节机械臂在外部干扰和建模误差的轨迹跟踪问题,提出了多关节机械臂干扰观测器的机械臂自适应滑模控制方法。针对干扰信号,采用干扰观测器对可观测干扰进行观测,对于未观测到的干扰通过自适应律的设计进行估计补偿;针对机械臂控制系统中的抖振问题,采用新型趋近律来设计滑模控制律,以减小抖振影响;最后,利用李雅普诺夫函数验证了系统的稳定性。仿真结果表明,该方法不仅可以有效地削弱抖振问题,而且还可以克服外界干扰和建模误差带来的不确定性,同时保证了系统的鲁棒性。
高声压级换能器磁路有限元仿真及优化设计
王开懂, 郭三学, 王明用, 张琦
2021, 40(10): 1603-1607. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200553
摘要(371) HTML (119) PDF 2164KB(25)
摘要:
为使高声压级换能器磁路获得更大的磁感应强度和更小的质量,采用COMSOL Multiphysics仿真软件,建立高声压级换能器内磁式磁路结构有限元仿真模型,分析上导磁板相对下导磁板高度差对磁感应强度的影响;运用参数化扫描的方法,优化磁路结构永磁体厚度、上导磁板相对下导磁板高度差、导磁板内环半径与永磁体内环半径之差3个基本尺寸,使得参考线磁感应强度平均值最大化;利用软件优化模块,建立优化模型,优化后,参考线磁感应强度平均值基本不变,导磁板重量明显下降。
疲劳裂纹扩展声发射信号去噪盲分离
王兴路, 贺利乐, 贺瑞, 石嘉堃, 柴健湣
2021, 40(10): 1608-1613. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200552
摘要:
采用声发射技术评估疲劳裂纹扩展状态时,评估结论会受到其它类型声发射信号和噪声的干扰。针对上述问题,在分析经验模态分解和独立分量分析特点的基础上,提出集合导数优化经验模态分解与独立分量分析相结合的声发射信号去噪盲分离方法,用于疲劳裂纹扩展声发射信号的处理。分别进行模拟声发射信号和疲劳裂纹扩展试验,采用上述方法对采集声发射信号进行去噪盲分离,结果表明:基于集合导数优化经验模态分解与独立分量分析的声发射信号去噪方法可有效去除噪声信号的干扰,准确分离出疲劳裂纹扩展声发射信号,为进行含裂纹结构的疲劳损伤状态评估和剩余寿命预测奠定基础。
运载工程
车用压缩机管道内部流场分析与优化设计
吴飞, 余神志, 介远航
2021, 40(10): 1614-1618. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200240
摘要:
针对某电动客车的往复式压缩机组振动明显,本文就其中一段管路进行气流脉动研究,而孔板是抑制气流脉动最简单有效的方法,虽然在相关行业中已被广泛应用,但是目前孔板的各个设计所需参数还处于靠经验取值阶段。针对这种情况,根据计算流体动力学(CFD)方法建立了管道系统的流体力学模型,选择了合理的边界条件,通过数值模拟,分析了不同孔径比、孔板厚度、孔板位置对管道系统气流脉动的影响,并与无孔板的情况进行了比较,表明添加适当尺寸参数的孔板确实对管道系统的气流脉动具有良好的抑制效果。
湿式双离合器的摩擦参数估计
郝洪涛, 马辉
2021, 40(10): 1619-1628. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200241
摘要(353) HTML (113) PDF 2999KB(28)
摘要:
湿式双离合器扭矩的精准传递对其换挡品质具有重要影响,但离合器的摩擦特性受材料间的相互作用及油液的热降解等因素影响而变化,进而影响传递扭矩的精度,本文提出了一种在线估计离合器摩擦参数的方法。首先设计了自适应扭矩观测器,该观测器可通过车辆已有的传感器估计出离合器换挡时的传递扭矩;其次将离合器结合阶段分为流体动力润滑阶段、部分润滑阶段和机械接触阶段,并基于Stribeck摩擦模型建立了湿式离合器摩擦因数模型,利用递推最小二乘方法估计出了相应的系数;最后利用Stribeck摩擦模型对所估计出的参数进行计算得到了离合器接合时的实时动态摩擦因数模型,为湿式双离合器在线故障诊断及传递扭矩的精准控制提供了基础。
材料科学
负泊松比基元蜂窝结构研究
刘宇, 郝琪, 田钰楠, 毛怡
2021, 40(10): 1629-1635. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200237
摘要(222) HTML (376) PDF 3477KB(41)
摘要:
以传统凹角六边形负泊松比结构为主要参考对象,通过拓扑优化得到较为完整的负泊松比基元优化构型,并基于该构型建立了6种基元几何模型。探讨了不同蜂窝排列方式下的蜂窝结构性能差异,选取合适的排列方式对6种基元建立的蜂窝结构进行了冲击仿真研究。以吸能量、比吸能、峰值碰撞力及结构等效泊松比为评价指标,对比分析了不同基元蜂窝结构的结构性能,筛选出综合性能最优的基元结构。选取汽车前端结构,将传统凹角六边形结构及最优基元结构进行三维排列组合填充入吸能盒内,进行了汽车前端碰撞应用对比。结果表明基于拓扑优化的各基元结构在吸能效果及承载能力上皆高于传统凹角六边形结构,选取的最优基元结构在汽车前端碰撞应用中具有更好的吸能效果及负泊松比特性,其压溃距离大大降低。
航空、宇航工程
星载天线锁紧机构滑移故障识别方法
张磊, 戚学良, 李岩咏, 徐明龙, 韦娟芳
2021, 40(10): 1636-1640. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200253
摘要:
锁紧机构是星载可展结构中常用的压紧和释放机构。在使用过程中,锁紧机构常常会因振动过大发生接触面滑移,导致锁紧释放失效。针对此问题,本文提出了一个根据锁紧座内力变化判别滑移故障的识别方法。首先通过标定试验得到锁紧机构的载荷-应变关系标定曲线;而后设计、加工了星载天线锁紧机构模型,并进行了正弦振动试验。试验过程中分别采集锁紧机构应变数据和加速度响应数据;最后对比根据动力特性变化识别滑移故障和根据内力变化识别滑移故障这两种方法的判定结果,说明本文提出的内力变化滑移识别方法准确有效。