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2021年  40卷  第12期

机械动力学
携行式上肢抗振外骨骼减振器参数设计
陈俞鹏, 王海波, 吴小笛
2021, 40(12): 1805-1812. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200286
摘要:
针对手持振动工具对人体的负面影响和现有减振措施不足, 提出一种轻量化、高舒适性的携行式上肢抗振外骨骼作为新型个体防护装备, 并对外骨骼核心部件减振器进行参数设计, 提高了减振性能。利用直角坐标法求解机构的运动方程, 根据拉格朗日原理建立人机耦合系统运动微分方程, 分析得到影响抗振外骨骼减振性能的关键参数。基于人机耦合力学模型和外骨骼初始样机参数, 使用Minitab以标准正交表L27(313)设计考虑交互作用的5因素3水平正交仿真试验。ADAMS仿真试验结果表明: 各因素及其部分交互项对合力F的影响显著性排序为l2/l1>l2/l1×c1>l2/l1×c2>c2>c1>c1×c2>k2>k1; 减振器安装位置l2/l1是影响减振性能的主要因素; 结合交互作用分析二元图, 试验范围内因素最佳水平组合为l2/l1(1)k1(1)c1(3)k2(1)c2(3)。最佳水平组合下外骨骼达到较好的减振效果。
液力自动变速箱换挡策略优化研究
张金石, 王立勇, 李乐
2021, 40(12): 1813-1819. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200290
摘要:
重型特种车辆行驶在恶劣环境下,为了保护传动系统,要求不闭锁液力变矩器。本文提出了一种以提高液力变矩器液力工况下传动效率为目的的换挡策略优化方法。首先根据TR50矿车的实车数据制定最佳动力性换挡规律,然后分析液力变矩器工作特性,建立数学模型实时计算液力变矩器传动效率,建立优化目标函数,最后在最佳动力性换挡规律基础上对各挡位换挡点做出整体优化。在Simulink仿真系统模型上分别对优化前后的换挡规律进行仿真分析,结果表明,优化后的换挡规律在保证动力性的基础上明显提高了液力变矩器液力工况下的传动效率。
轴向超声振动辅助铣削力的建模与实验研究
魏学涛, 岳彩旭, 刘献礼, 严复钢, 魏士亮, StevenY. Liang
2021, 40(12): 1820-1828. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200288
摘要:
轴向超声振动辅助铣削工艺是近年来铣削领域的最新进展之一, 目前对于轴向超声振动铣削力建模的研究相对较少。针对这一问题, 提出了一个考虑轴向振动的超声铣削力建模方法。根据空间中刀尖运动轨迹的坐标, 建立了准确的瞬时切厚模型, 得到不同切削角度下切屑形成力和摩擦力模型。将铣削力与未变形的切屑截面面积建立函数关系, 考虑了瞬时未变形切厚模型以及瞬时切深模型, 得到了轴向冲击力模型。结合切屑形成力模型、摩擦力模型和轴向冲击力模型得到轴向超声振动辅助铣削力模型。研究结果表明: 预测的铣削力变化趋向与实验测得的铣削力变化趋向吻合, 最大峰值力的误差范围在7.53%~17.35%之间。本文结果将为超声振动辅助铣削工艺的优化研究提供理论基础。
内置扰流柱的人字形板式换热器的数值模拟
刘凯, 付婷, 曾良才, 汪朝晖
2021, 40(12): 1829-1835. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200300
摘要:
设计了一系列具有不同尺寸扰流柱的人字形板式换热器, 基于COMSOL软件研究其传热效率。应用了冷热双通道模型, 并创新性的提出了在人字形纹波中间添加空心的扰流柱。通过数值模拟方法研究了冷热双通道模型中的多物理场(流体流动和温度)。仿真结果表明, 扰流柱可以减小通道两侧速度较小的流动区域, 从而使温度传递更加均匀。此外, 内置扰流柱的通道出口处的压力损失很小。为了进一步降低压力损失, 可以在出口处不设置扰流柱。同时, 与传统板片相比, 内置扰流柱板片可将传热效率提高3%。
NURBS螺杆转子啮合线设计方法的研究
范海港, 何雪明, 龙骥
2021, 40(12): 1836-1841. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200292
摘要:
螺杆压缩机转子型线设计和优化过程中, 组成曲线段的类型众多, 方程各异且多变, 计算过程复杂。为了实现转子型线的简捷设计, 提高设计效率, 提出一种将NURBS曲线引入螺杆转子啮合线设计的新方法。首先对典型的曲线类型进行分析和总结, 推导出适用于各曲线类型的统一表达式; 然后对啮合线各段进行插值拟合, 并推导高阶连续曲线拼接算法, 解决了分段NURBS曲线在公共端点处的连续问题, 实现了啮合线在节点区间内无限可微; 最后以复盛型线为例, 生成由一段式NURBS高阶连续表达的啮合线, 计算其曲率变化, 并对其转子型线做动力学分析。结果显示转子型线的光顺性和传动性能均得到显著提升, 验证了该方法的可行性与高效性, 还极大地简化了计算过程。
一种可编程的群机器人自主成形方法
王荪馨
2021, 40(12): 1842-1848. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200609
摘要:
针对用户给定的二维目标构形任务, 提出了一种"分层规划、分层填充"的群机器人自主成形策略, 以期将群体系统的全局行为转化为当前构型体内边缘层机器人个体的局部行为; 在此分层成形策略基础上设计了一种包含预处理、边缘层运动链规划和链内分层填充三阶段的群机器人层式成形方法。最后研制了一种晶格式全向移动机器人, 并通过9台机器人的2类试验分别验证了运动链规划方法的鲁棒性和层式成形方法的有效性。这种通过"软编程"方式操控一群移动机器人自主、有序地完成预期的二维几何构形任务, 使得群机器人系统具备了随目标任务柔性变形的适应能力。
采用NURBS曲线的钢球减速器的型线设计研究
王娟娟, 平雪良, 周忠良, 蒋路明
2021, 40(12): 1849-1855. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200258
摘要:
摆线钢球减速器在摆线盘型线设计与优化过程中对型线的自由度与可控性要求越来越高,由此本文提出了将NURBS曲线应用到减速器摆线盘的型线设计过程中,深入研究基于NURBS的摆线型线,通过对已知摆线型线进行采样,获取样本点,反求控制点、权因子、节点矢量,得到符合精度要求的拟合型线,并以此型线完成虚拟样机与试验样机的设计,仿真与实验结果显示NURBS曲线表示方法可以保证摆线钢球减速器的传动精度,为进一步提高摆线盘型线设计的灵活性与局部可调整性奠定了基础,并验证了减速器样机的传动误差和噪音等性能明显优于传统的行星减速器。
改进经验小波变换在齿轮低频微弱故障特征提取中的应用
杜思雨, 冷军发, 绳飘, 荆双喜, 罗晨旭
2021, 40(12): 1856-1862. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200283
摘要:
齿轮振动信号的经验小波变换频谱分割, 可能会将啮合频率及其边频带划分到不同频带上, 导致频带划分不合理, 分离出的调幅-调频(AM-FM)分量不理想。针对上述主要问题, 提出了一种采用频谱趋势进行频谱边界划分的改进经验小波变换方法, 将齿轮啮合频率与其相应的边频带划分到同一频带内, 得到比较理想的AM-FM分量, 实现了依据齿轮振动信号频谱局部特征的自适应分解。同时, 对提取的AM-FM分量进行自相关分析以进一步增强改进经验小波变换的低频微弱故障特征提取效果。通过仿真与试验分析, 验证了提出方法在齿轮低频微弱故障特征提取中的有效性及优势。
多层复合材料飞轮的应力分析与优化设计
杨立平, 任正义
2021, 40(12): 1863-1870. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200285
摘要(187) HTML (118) PDF 2384KB(24)
摘要:
修正多层复合材料飞轮转子因过盈装配产生的应力的计算方法, 给出一种飞轮转子在纤维缠绕时产生的应力的计算方法; 研究基于改进海明距离的种群初始化方法和基于进化代数的反馈变异方法, 提出反馈自适应遗传算法(Feedback adaptive genetic algorithm, FAGA); 利用FAGA算法, 考虑应力约束、质量约束, 以储质量储能密度(EPM)、成本储能密度(EPC)为目标, 探讨多层复合材料飞轮优化问题。仿真分析验证了应力计算方法的合理性和FAGA算法的寻优能力, 揭示了应力约束、质量约束及设计目标对内外径比、转速、EPMEPC的影响规律。
VMD-SVD在机械故障信号欠定源数目估计中的应用
王俊雄, 周俊
2021, 40(12): 1871-1876. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200302
摘要:
针对在观测信号数目小于机械故障振动信号源数目的欠定情况下, 源信号的个数难以估计的问题, 提出一种变分模态分解(Variational mode decomposition, VMD)和奇异值分解(Singular value decomposition, SVD)相结合的盲源数目估计方法。首先利用VMD对振动信号进行分解, 得到若干本征模态函数分量(Intrinsic mode function, IMF), 然后对IMF进行重新组合得到多维观测信号的协方差矩阵, 最后依据奇异值分解的结果来对信号源数目进行最终确定。仿真信号分析验证了该方法的有效性, 将该方法运用到轴承复合故障振动信号中, 分析结果表明, 该方法能够实现欠定情况下源数目的可靠估计。
轮毂电机驱动的全向运行型AGV的位姿纠偏研究与实验
吴晓君, 马广强, 李妍, 贾慧波
2021, 40(12): 1877-1884. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200289
摘要:
由于各种因素的干扰, 全向AGV在行驶过程中会偏离期望路径, 针对这一问题, 本文开发基于轮毂电机的全向AGV样机并对其进行位姿纠偏研究和实验。首先, 根据样机四轮独立驱动、独立转向的特点, 进行运动学分析, 得到不同转向模式下转速与转角之间的关系。其次, 将位姿偏差分解为角度偏差和位置偏差, 利用模糊PID控制-多步预测最优控制联合控制的方式消除全向AGV的路径偏差, 并在轮毂电机和转向电机之间进行解耦计算。最后, 对控制策略进行仿真, 且在所开发的样机上进行直线与圆弧的路径跟踪实验, 结果表明全向AGV可以实现稳定的路径跟踪, 拥有良好的纠偏性能。
六足仿生机器人自主爬行步态设计与仿真分析研究
刘玲, 靳伍银, 王洪建
2021, 40(12): 1885-1891. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200298
摘要(439) HTML (124) PDF 2115KB(55)
摘要:
为提高六足机器人对崎岖不平地势的适应能力, 开发了一款基于树莓派视觉导航的六足仿生机器人, 利用三维软件SolidWorks设计六足仿生机器人的机械结构; 通过建立D-H坐标系和步态模型, 对机器人进行了正-逆运动学方程推导, 构建六足仿生机器人的运动学模型; 运用多项式差值拟合对六足仿生机器人的摆动相和支撑相进行步态规划; 使用MATLAB-ADAMS完成六足仿生机器人的位姿仿真, 并进行六足仿生机器人实物验证。实验结果表明: 该步态设计能有效对六足仿生机器人腿部运动轨迹进行跟踪, 验证了步态设计的正确性和有效性, 为改善多足类机器人行走提供有益参考。
精密制造与加工
盒形件充液拉深成形工艺优化及试验研究
李星, 贺尔铭, 黄峻峰
2021, 40(12): 1892-1897. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200617
摘要(153) HTML (117) PDF 2846KB(21)
摘要:
本文主要研究充液拉深成形技术在复杂异形长法兰类盒形件成形过程中的应用, 首先对该类零件的材料进行了力学性能和成形性能测试分析, 获取材料的成形极限, 确定了充液拉深成形方案; 建立了盒形件的有限元仿真模型, 模拟了盒形件在充液拉深成形过程中材料的壁厚变化情况, 通过成形缺陷分析对关键工艺参数低压充液时间TLP、整形时间TIP、最大压边力Fmax、液体流速Vel%, 最大成形力Pmax及时效时间Tw等进行了重新设计, 并通过数值模拟和试验验证相结合的方法优化了工艺参数; 最终, 完成了盒形件充液拉深成形流程再造, 确定出最优的工艺参数, 并成功实现盒形件的充液拉深成形, 使其制造效率和产品质量大幅提升, 为低塑性、难变形材料盒形件的批量制造奠定了工艺基础。
DP780胶接点焊试件拉伸损伤过程的声发射特征分析
王凯伟, 曾凯, 邢保英, 易金权
2021, 40(12): 1898-1903. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200299
摘要:
针对1.2 mm厚的DP780高强钢板, 进行胶接点焊响应面实验。采集胶焊接头拉伸过程的声发射信号, 拟合拉伸过程撞击计数的历程图, 对信号进行小波包分解并分析归一化能量特征, 对比分析胶焊接头界面撕裂与基板撕裂失效形式声发射信号时域及频域特征, 并建立胶层失效时的累计撞击计数与焊接工艺参数之间的回归模型。结果表明: 界面撕裂与基板撕裂失效形式在屈服和断裂阶段产生声发射信号, 且两种失效形式对应阶段频率分布相似, 屈服阶段与断裂瞬间频率分别分布于31.25~281.25 kHz和31.25~125 kHz, 但界面撕裂失效在胶层断裂瞬间比基板撕裂失效产生更多组声发射信号; 胶层失效时累计撞击计数与焊接电流存在负相关性。
改进PSO算法优化的电液位置伺服系统自抗扰跟踪控制
蔡改贫, 周小云, 刘鑫
2021, 40(12): 1904-1912. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200259
摘要:
针对电液位置伺服系统由于参数不确定性、非线性、复杂时变性而导致的响应速度慢、跟踪精度低、抗干扰能力差的问题, 提出一种具有更高跟踪精度及抑制抖振能力的改进PSO算法优化的自抗扰控制(Improved-PSO auto disturbance rejection control, IPSO-ADRC)方法。首先, 建立电液位置伺服系统的误差状态空间方程, 采用3阶跟踪微分器、扩张状态观测器及状态误差反馈律构建自抗扰控制器模型; 其次, 分析惯性权重递减PSO算法存在的早熟、易陷入局部最小值等问题, 综合考虑粒子迭代次数及当前粒子与全局最优粒子间距离两个因素对寻优结果的影响, 提出一种改进PSO算法; 最后, 将改进后的PSO算法应用于所设计的自抗扰控制器中以提高控制性能。仿真及试验结果表明, 相比于传统PID控制和常规自抗扰控制, 采用改进PSO算法优化的自抗扰控制具有位置跟踪精度高、抗干扰能力好的优点。
微孔超精密加工研究进展
武晓龙, 马玉平, 王海航, 韩源
2021, 40(12): 1913-1928. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200588
摘要(361) HTML (350) PDF 4175KB(74)
摘要:
近年来,电子、医药、航空航天等行业对高质量微孔结构的需求量日益增加,但加工精度低、加工半径尺寸受限、在复杂零件上加工困难等问题限制了其应用。传统微孔加工方法已无法满足高加工质量要求,超精密微孔加工方式仍有许多问题亟待解决。因此,本文对电化学、微细电火花、超声波、飞秒激光、复合加工等超精密加工方式在微孔加工中存在的问题进行了总结,并对不同的超精密加工方法的特点和相应问题的研究进展进行了综述,最后对微孔加工方式未来的发展趋势进行了展望。
仪器、仪表科学与技术
VCM模型下的IBAS-EKF锂电池荷电状态估计
寇发荣, 王思俊, 王甜甜, 洪锋, 杨慧杰
2021, 40(12): 1929-1938. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200287
摘要:
为解决锂电池荷电状态(SoC)难以精确估计的问题,提出了极化电压修正模型(VCM)和改进天牛须优化扩展Kalman滤波算法(IBAS-EKF)共同实现电池SoC的精确估计。在建立3阶RC电池模型和参数辨识的基础上,使用Elman循环神经网络对模型极化电压实现在线修正和优化,形成VCM模型;采用改进天牛须搜索算法优化扩展Kalman滤波算法的系统噪声协方差矩阵和量测噪声协方差矩阵,形成IBAS-EKF锂电池SoC估计算法。在测试平台上进行城市道路循环工况试验,结果表明:基于VCM模型的IBAS-EKF锂电池SoC估计算法的各项误差指标均低于传统的SoC估计算法,估计误差在0.6%以内,效果满足实际工程要求。
带式输送机大块异物视觉检测系统设计
王燕, 郭潇樯, 刘新华
2021, 40(12): 1939-1943. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200284
摘要:
为了提高煤矿井下带式输送机大块异物检测的效率和准确性,设计了基于机器视觉的大块异物检测系统。构建了大块异物检测系统的总体框架,并进行了硬件设计与选型;给出了大块异物检测系统的流程,设计了基于帧间差分法、阈值分级和Select-Shape算子的带式输送机大块异物识别算法, 并采用卡尔曼滤波对大块异物进行追踪;最后,设计了大块异物检测系统上位机软件,搭建了大块异物检测实验台,并开展相关实验。实验结果表明:对于超过设定阈值的大块异物,识别准确率为99.5%。研究成果对预防皮带撕裂、维持带式输送机稳定运行、实现煤矿企业智能化生产具有重要意义。
运载工程
整车载荷相关性分析方法与道路模拟试验优化应用
栾世杰, 于佳伟, 郑松林
2021, 40(12): 1944-1951. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200619
摘要:
整车多通道道路模拟试验是快速验证服役条件下车辆结构强度的重要试验方法,如何准确、高效地模拟车辆复杂结构多通道随机载荷谱是试验的关键难题。提出了基于载荷相关性分析的整车多通道载荷谱模拟的通道优选与调控方法。以试验车辆试验场实测载荷谱数据为基础,基于载荷谱频域相干系数分析方法,研究了在试验场特定道路工况条件下轮心六分力载荷谱与整车结构关键部位应变谱的相关性,总结了试验场特征道路工况下的轮心六分力损伤主导载荷谱,确定了迭代试验中多通道载荷模拟的优先级,实现了载荷模拟工作的降维。最后依据以上方法建立了整车多通道道路模拟试验,达到了较好的载荷模拟效果。论文研究成果可为整车及关键零部件多通道道路模拟试验的高效执行提供一定的借鉴。
模糊环境下汽车故障模式风险水平综合评价方法
周文财, 魏朗, 邱兆文, REZALangari
2021, 40(12): 1952-1960. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200297
摘要(399) HTML (148) PDF 1270KB(19)
摘要:
针对车辆故障模式风险评价,提出了一种新的模糊综合评价方法,即先利用基于维修数据的失效模式与效果分析(FMEA)筛选出关键故障模式进行进一步研究,再分别采用模糊层次分析法(AHP)与模糊扩展全乘比例多目标优化(MULTIMOORA)计算风险评价因素与故障模式的权重,通过计算车辆故障模式的最终权重得到故障模式进行风险排序。同时利用逻辑语言表征评审专家的评估信息并将其转化为三角模糊数,实现了客观维修数据与专家经验判断的有机结合。利用本文提出的新评价方法对现代一款轻型客车进行故障模式风险评估与排序,进行灵敏度分析验证此方法的有效性。
高速地铁列车空气阻力数值模拟研究
陈杨, 周朝晖, 张学飞
2021, 40(12): 1961-1965. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200296
摘要:
针对高速地铁列车空气阻力直接影响列车运行速度、能耗及安全,采用三维数值模拟方法对6编组全尺寸列车运行在设置有通风竖井的区间隧道的列车空气阻力进行研究,对隧道内空气阻力随时间变化、列车各节车厢阻力的分布特性、每节车厢转向架在整车阻力所占的比重情况进行分析。研究结果表明:列车逐渐向竖井靠近的时间段内,阻力系数一直在下降,最小值为1.57;在经过竖井的时间段,阻力系数大大增加,最大值为4.85,是最小值的3.08倍。列车匀速行驶时,尾车空气阻力在整车中占比最大,头车略小,分别为39.6%和24.7%;过竖井正下方时,头车空气阻力占比是整车的一半之多,达到了53.9%。过竖井前,前5节车厢转向架阻力在35%~45%内波动,尾车的仅占12.7%;过竖井时,4车厢转向架阻力占比最大,最大值为52.7%,头车的降到了17.0%;过竖井后,中间4车厢转向架区域占比最大,头车尾车的占比略小。
航空、宇航工程
非结构环境六轮腿机器人典型路况步态规划及分析
张元勋, 刘应波, 韩亮亮, 谷程鹏, 杜雪松, 黄范
2021, 40(12): 1966-1972. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200254
摘要:
针对非结构环境下六轮腿机器人地形通过性及高效行走问题,在已有并联六轮腿机器人模型的基础上,建立六足轮腿机器人运动学模型,分析机器人在凸起、凹坑、斜坡、崎岖等典型非结构地形下的移动能力,获得典型非结构地形机器人移动能力与机器人构型参数的相互影响关系。进而规划了六轮腿机器人典型大尺度非结构地形条件下的运动步态,通过ADAMS软件仿真验证了运动模型的正确性及运动步态的可行性;研究结果可为六轮腿机器人非结构地形条件下实现高效行走的控制策略提供借鉴。