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2021年  40卷  第2期

机械动力学
热源影响下的涂层板滑动接触问题研究
向金兰, 刘娟, 沈火明
2021, 40(2): 165-171. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200040
摘要:
基于离散卷积快速傅里叶变换(DC-FFT),推导了三维热弹性涂层压头-涂层板接触问题的频率响应函数的半解析解,应用数值模拟方法验证了半解析解的正确性,进而探讨涂层压头及涂层板的接触应力与涂层厚度h之间的关系。结果表明:三维热弹性域下涂层厚度与表面接触压力表现为负增长趋势,随着涂层厚度增加,表面接触压力呈现先快后慢的下降规律,涂层与基体弹性模量与接触压力之间呈现一次线性递增关系,表面接触压力增加速率与涂层厚度有较大关系,涂层与基体之间泊松比、热源Q对接触压力也具有较大程度的影响。
负刚度结构的座椅悬架优化及隔振分析
时培成, 李云龙, 肖平, 李静
2021, 40(2): 172-180. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200054
摘要:
为进一步提升车辆座椅悬架的隔振性能,利用连杆弹簧负刚度结构与正刚度弹性元件并联的方式,设计了一种具有准零刚度的座椅悬架系统。基于多目标参数协调优化原理,进行了结构参数优化,获得了使座椅悬架刚度动刚度趋于准零刚度的最佳值。通过对座椅悬架隔振系统的动力学响应分析,以及仿真实验,验证了座椅悬架隔振系统优化的有效性。研究结果表明,采用连杆弹簧负刚度结构的座椅悬架系统能有效提升座椅的隔振效果,并可降低系统本身的固有频率,实现低频和超低频隔振。
自激振荡剪切层涡流演变研究及热流道设计
甘霖, 汪朝晖
2021, 40(2): 181-187. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200087
摘要:
流体边界层的运动特性对管道能量交换系数变化有重要影响,基于时均分部对自激振荡腔室进行划分,分析脉冲射流剪切层中边界层的流速变化。以流体流速和努塞尔数表示壁面换热性能,并分析了自激振荡腔室出流管道剪切涡流演变规律。结合自激振荡腔室有限元模型,采用大涡模拟数值方法,分析截切层涡流的演变及其对换热的影响。计算得到不同自振腔出口管长与自振腔腔长的比值下热流道的边界层近壁面流速与努塞尔数。研究结果表明:剪切层射流在与壁面碰撞后生成回流涡,继续沿管道向下运动,并在下游管道继续运动过程中多次重复这一过程,破环边界层,在维持大尺度拟序涡结构的涡核稳定的基础下加强了管道换热效果;随着自振腔出口管长与自振腔腔长的比值的增大,壁面湍流的强度先增大后减小,当比值大于1.6时,湍流强度明显开始减小,比值在1.2 ~ 1.6范围内综合性能系数可提高12% ~ 35.5%。
深度学习在机器人加工颤振辨识中的应用
王桃章, 王宇, 王宇斐, 张明锴
2021, 40(2): 188-192. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200036
摘要:
工业机器人在大型复杂零件的加工中被广泛应用,由其低刚度引发颤振问题是目前学者研究的重要领域之一。本文针对机器人铣削颤振辨识问题,使用变分模态分解-连续小波变换(VMD-CWT)方法对加工过程中产生的振动信号进行处理,构建去噪时频谱图表征机器人颤振状态并作为辨识模型的输入。使用深度残差卷积网络模型对其进行辨识,并通过确定连续小波变换的分解尺度和引入输入归一化,提升模型的收敛速度和预测精度。优化后模型的预测精度可达到95.28%。实现了离线状态下,对时频谱图的颤振状态辨识。
钻井液固相对井下涡轮发电机性能影响
李方韬, 薛启龙, 王晋, 刘宝林
2021, 40(2): 193-197. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200032
摘要:
井下涡轮发电机是常见的井下供电电源之一,钻井液固相会对井下涡轮发电机的性能产生影响。利用Fluent软件,基于Eulerian多相流模型,对涡轮发电机进行三维数值模拟,研究了钻井液固相含量、固相粒径、固相密度对井下涡轮发电机的性能影响。仿真结果表明:随着固相含量增加,涡轮发电机的压降、扭矩、输入输出功率及效率增加;随着固相粒径的增加,涡轮发电机的压降、扭矩、输入输出功率先增加后趋于稳定,效率逐渐增加但增幅减小;随着固相密度增加,涡轮发电机的压降、扭矩、输入输出功率及效率近似呈线性增加,效率增加但增幅逐渐变小。
应用加速度响应Chirplet积分的线性时变系统参数识别
张杰, 史治宇
2021, 40(2): 198-203. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200039
摘要:
提出了线调频小波积分运算方法,在仅获得加速度响应的情况下对结构速度和位移响应进行重构,将时变微分方程转化成区间线性方程组,进而构造最小二乘算法识别结构的时变物理参数。Chirplet基适用于处理时变信号,能在短区间拟合时变系统各阶响应,相比传统小波能更好地追踪信号频率变化特征,通过与微分方程结合提高了时变系统参数识别的效率。方法的有效性和适用性通过一个3自由度时变结构模型进行了验证。
人体步态差异性的参数化辨识方法及应用
高静, 崔亚辉, 刘更, 韩冰, 王旭鹏
2021, 40(2): 204-210. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200042
摘要:
通过对下肢3个关节步态曲线建立具有共性控制点的数学模型,提出了以个体的局部形状参数作为区别同一关节中不同曲线的方法。实验采用Perception Neuron动作捕捉系统,对正常组10名健康男性青年,验证组2名健康和3名处于不同康复期的右腿踝关节损伤男性青年在正常步速下的步态数据进行实验测量以获得髋关节、膝关节和踝关节的上下位移轨迹曲线,并计算得出正常组步态曲线的局部形状参数作为判别步态正常与否的参考调整范围。经分析,验证组中健康被试者的局部形状参数大多属于该范围,而恢复较差的病人参数大多超出该范围,表明该参数化方法可有效辨别步态曲线差异,此外还可对康复评价的方法提供依据。
轮腿式自动引导小车结构设计与行走步态规划
张楠, 姜文通, 牛宝山, 尹阔, 梅林
2021, 40(2): 211-217. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200047
摘要:
为了提高自动引导小车在存有障碍物的硬质平坦地面上的工作能力,设计了一种新型的轮腿式自动引导小车,并阐述了小车在不同运动模式下的工作原理。对行走模式下的小车进行了运动学分析,得到足端工作空间。以足端的最大工作范围为前提规划了足端的运动轨迹,同时规划了车体的运动轨迹,并基于静态稳定裕度原理规划了小车整体的行走步态。利用ADAMS软件对该小车进行运动仿真分析,仿真结果表明所规划运动轨迹和行走步态是可行的。
LT1350涂层线水冷辊结构仿真优化设计
李会荣, 刘跃, 李俊涛, 管小荣
2021, 40(2): 218-222. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200092
摘要:
亲水铝箔在生产过程中由于冷却速度过快会产生“起皱”问题,其原因为目前LT1350涂层线水冷辊冷却速度与工艺要求不匹配。本文采用添加空气隔层减缓冷却速度来改善这一工艺难题,使用Fluent软件对不同水冷辊结构时的铝箔冷却速率进行了数值模拟,给出了流场温度分布及量化值比较,并分析了空气隔层厚度对冷却过程的影响规律。结果表明:由于设置纯水隔层,目前LT1350涂层线水冷辊冷却速率过快,在旋转45°时铝箔降温即接近于水层温度;添加空气隔层可有效改善使用纯水隔层水冷辊时铝箔温度速度下降过快的问题;随着空气隔层厚度的增加,空气隔温效果增加,温度变化梯度降低,针对LT1350涂层线水冷辊,空气隔层厚度设置为4 ~ 6 cm可满足铝箔冷却工艺要求。
比例-积分-微分控制算法求解结构拓扑优化问题
王文玥, 赵清海, 张洪信, 张铁柱, 袁林, 李信卿, 王新亮
2021, 40(2): 223-229. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200058
摘要:
拓扑优化具有设计变量多、目标性能与约束条件为设计变量的非线性、非单调隐式函数的特征,计算效率值得商榷。因此探索高效稳定的求解方法是结构拓扑优化的核心问题。提出一种基于PID控制算法的拓扑优化求解方法,采用固体各向同性微结构材料惩罚模型(SIMP)方法建立单工况条件下质量约束条件下结构柔度最小化拓扑优化模型,推导出基于PID法的设计变量迭代格式,引入基于Helmholtz偏微分方程的过滤方式抑制出现的数值不稳定问题,并将所提方法扩展到两类多工况结构拓扑优化问题,通过与优化准则法(Optimality criteria, OC)和移动渐近线法(Method of moving asymptotes,MMA)进行数值结果比较可知,PID控制方法具有设置简便、高效求解、收敛稳定且无需梯度信息的优点。
面向网络个性化定制的三维参数化头部模型创建方法
白晓波, 武凯, 胡钢
2021, 40(2): 230-236. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200218
摘要:
为了解决头部可穿戴产品网络个性化定制设计时,数据传输速度慢、消费者头部数据获取困难、数据不准确等难题,根据人体头部特征,确定了23个用户可准确定位的特征点;依据特征点将头部三维模型分割成不同截面,提取截面的轮廓曲线,将该曲线分为三类;利用带有自由参数的Hermite插值曲线描述这三类曲线,并用Grasshopper软件建立参数化头部模型;利用带贴片的用户正交照片,计算得到用户的头部数据,并修改Grasshopper程序参数,获得用户的头部三维参数化模型。通过对3个志愿者拍摄照片验证,该方法可有效的应用于面向网络的头部可穿戴产品个性化定制设计。
精密制造与加工
转子铜排鱼尾槽视觉检测机构设计与分析
吴锐, 吴龙, 刘星, 叶松涛, 严思杰
2021, 40(2): 237-242. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200033
摘要:
汽轮发电机转子铜排在完成端部铣削加工后需对其加工精度进行严格地检测。本文中设计一种视觉检测机构,通过输送装置的动力输入、校正模块的位姿校正、检测模块的图像获取及算法处理,实现转子铜排自动检测,解决人工检测的安全和效率问题。建立数学模型计算了校正模块的可行性,利用ANSYS Workbench对夹具-工件系统的接触变形进行了仿真计算。实验结果证明,视觉检测机构能迅速准确地校正转子铜排位姿并获取高精度的鱼尾槽尺寸信息。
工程陶瓷磨削声发射和磨削温度磨削力联合监测的研究
郭力, 郭君涛, 李波
2021, 40(2): 243-248. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200035
摘要:
磨削声发射可以对磨削过程实时监测,磨削声发射信号均方根AERMS可以用来分析磨削过程的特征。为了使用磨削力、磨削温度、磨削声发射来联合对工程陶瓷氧化锆与氧化铝磨削过程进行全面监测和对工程陶瓷磨削机理进行深入研究,通过实验研究了磨削声发射信号与磨削力和磨削温度之间的内在联系,建立了工程陶瓷氧化锆与氧化铝磨削声发射信号与磨削力和磨削温度、磨削表面粗糙度关系式。结果证明,磨削声发射是实时工程陶瓷磨削过程监测的有效方法。
CEEMDAN和样本熵相结合的球磨机负荷识别方法
刘吉顺, 杨丽荣, 罗小燕, 程铁栋
2021, 40(2): 249-256. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200037
摘要:
针对磨矿作业过程中球磨机的筒体内部情况复杂难以仅靠经验估计负荷状态的问题,提出一种自适应白噪声的完整经验模态分解(CEEMDAN)结合样本熵和极限学习机(ELM)的球磨机负荷状态识别方法。首先,通过CEEMDAN算法对不同负荷状态下原始信号进行分解,利用相关系数法筛选有效的IMF分量;然后,通过分析3种负荷状态下振动信号的有效IMF分量的样本熵在不同数据长度、嵌入维度和相似容限下的值,来确定计算样本熵的最佳参数。结果表明,3种负荷状态下振动信号的有效IMF分量样本熵有明显区别,可以有效识别出磨机不同负荷状态。将各组信号有效IMF分量样本熵作为ELM的输入,球磨机负荷状态为输出,建立了磨机负荷状态识别模型。利用磨矿实验进行验证,表明此种方法应用在球磨机负荷识别上的有效性,整体识别率高达96.81%,且对比于EMD-样本熵和MEEMD-样本熵,总体识别率分别提高了12.41%和9.01%。
面向自动修补的复杂零件孔洞识别
王春香, 周国勇, 王耀
2021, 40(2): 257-261. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200056
摘要:
依据样点的邻域在其局部微切平面投影的分布情况,提出了一种针对采样密度不均、几何形状复杂、孔洞面积大小不一的散乱点云模型的孔洞识别方法。通过使用NP邻域,使得位于密度过渡区域的点被准确分类;由于样点的邻域可能跨过多个面,常规PCA方法估算的点云法矢不准确,从而导致模型尖锐位置上的点误判,通过引入距离权重,保证了局部微切平面计算的准确性;针对邻域点数k取值较少,检测结果中存在较多噪声点,而k值较大又会覆盖模型中较小的孔洞,通过邻域支持的方法,有效地检测出模型中的小面积孔洞;为有利于自动化修补孔洞,文中采用划分空间栅格聚类的方法确定孔洞位置及数量,避免了点与点之间距离的反复计算,加快了聚类速度。实验结果表明,该方法能有效检测模型中面积大小不一的孔洞,得到的检测结果噪声点少,孔洞轮廓清晰。
仪器、仪表科学与技术
融合多层次特征Faster R-CNN的金属板带材表面缺陷检测研究
王海云, 王剑平, 罗付华
2021, 40(2): 262-269. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200024
摘要:
针对金属板带材表面缺陷呈现形式存在多样性和随机性而导致难以快速定位并准确识别的问题,提出一种融合多层次特征的Faster R-CNN缺陷目标检测算法(Defect-target detection network, DDN)。该算法采用多层次特征融合网络(Multilevel-feature fusion network, MFN)融合Faster R-CNN中VGG-16提取的各层次特征图,得到具有丰富位置信息和语义信息的融合特征图,后续网络基于该融合特征图产生最终的缺陷检测结果。利用钢带和铜板表面缺陷检测数据集评估本文算法性能,实验结果表明,提出的DNN能够快速准确检测出具有不同尺度的多类缺陷,与Faster R-CNN相比,在不损耗过多检测时间的前提下具有更优的检测精度,平均检测时间为129.65 ms或153.17 ms,平均准确率均值(Mean average precision, mAP)为86.13%或92.54%。
多关节机械臂的分数阶滑模变结构神经网络自适应控制
李正楠, 张锦, 殷玉枫, 武奎扬, 孙煊广
2021, 40(2): 270-275. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200038
摘要:
在分数阶滑模控制方法的基础,设计了新型的滑模函数趋近律,提升了多关节机械臂轨迹跟踪控制系统的鲁棒性和响应速度。机械臂在建模过程中存在多种建模误差,工作过程中存在外界干扰等不确定因素,因此采用神经网络对各种不确定项进行逼近,对径向基函数神经网络自适应控制中存在的误差,提出了神经网络误差的自适应补偿项,减小了径向基函数神经网络对不确定项的逼近误差。结果表明,该控制算法有效地提高了轨迹的跟踪速度和跟踪精度,并降低了系统中存在的抖颤。
粒子群优化模糊PID在燃烧器温度控制中的应用
李雪吉, 程海鹰, 胡志勇, 张勇, 蒋新春
2021, 40(2): 276-280. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200044
摘要:
针对燃烧器温度控制系统是一个时变、大延迟和非线性的控制系统,无法建立准确数学模型,难以进行精确控制的问题,常使用模糊PID算法实现对此类系统的控制。但模糊PID算法需要专家给出模糊规则并调节参数,且参数调节过程中存在误差,控制性能较差。本文采用粒子群优化模糊PID算法中的量化因子KeKec和比例因子Ku,快速整定模糊PID参数,然后利用MATLAB对控制系统进行仿真。结果表明,通过粒子群优化的模糊PID,系统的响应速度更快、超调量更小、达到稳态的时间更短。
运载工程
轨道不平顺激励下高速磁浮列车垂向动力学仿真
邹逸鹏, 刘放, 庞振华, 唐语, 吴涛
2021, 40(2): 281-286. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200041
摘要:
为了分析高速磁浮列车直线行驶过程中各项因素的影响,基于多体动力学软件Simpack建立了高速磁浮列车的垂向动力学模型,施加轨道谐波高低不平顺激励,研究了行驶速度、轨道不平顺波长和幅值、车重和悬浮架重以及一二系悬挂参数对于平稳性的影响。对全高速域的仿真结果表明:该型高速磁浮列车满载通过直线线路时,不同车速对应于不同的敏感波长范围。随着列车速度的增加,引起车体主频响应的波长增长,敏感波长范围扩大。并且随高低不平顺幅值的增大,垂向Sperling指标非线性上升,且上升速率逐渐减小。另外,车体重量的增加,悬浮架重的减小,会改善平稳性。在高速磁浮列车的工程应用参数范围内,适当减小一系悬挂刚度、二系悬挂刚度和阻尼,增大一系悬挂阻尼,有助于改善平稳性。其中二系悬挂对车辆平稳性的贡献最大。
四轮驱动电动汽车动力系统研究
薛奇成, 张欣, 崔宇轩
2021, 40(2): 287-295. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200045
摘要(200) HTML (14) PDF 842KB(37)
摘要:
四轮驱动纯电动汽车将四轮驱动方式良好的车辆通过性和动力性与新能源汽车的环保性相结合,有利于提高新能源电动汽车的动力性和整车控制技术。本文从纯电动汽车动力系统的结构布置形式和转矩传递方式等方面入手,对四轮驱动纯电动汽车不同类型动力系统的结构形式、工作特性和研究热点等方面进行综述分析研究。研究结果表明,分布式四轮驱动系统在结构布置、控制精度和工作效率等方面具有更多的优势和潜力。其中,智能分配转矩技术和四轮轮毂电机驱动技术将成为分布式四轮驱动系统的研究热点和发展趋势。
考虑路面附着条件影响的电动汽车制动力变比值优化分配算法研究
胡文超, 张向文, 李向杰, 陈胜利
2021, 40(2): 296-304. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200034
摘要:
制动力分配算法是电动汽车再生制动研究的基础,为了能够在不同路面制动时均能获得较好的制动效果,设计了一种考虑路面附着条件影响的电动汽车制动力变比值优化分配算法。利用汽车动力学方程进行滑移率和利用附着系数估算,实现对路面类型的辨识。然后根据辨识的路面类型选择对应的制动力变比值分配系数,进行算法实现。最后通过与dSPACE软件联合仿真验证了算法有效性,与未考虑路面附着条件的算法相比,新算法制动所需时间至少减少了6.6%。
材料科学
复合材料控制臂的多区域铺层结构优化
印立, 徐中明, 马媛媛, 张志飞
2021, 40(2): 305-312. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200053
摘要:
使用碳纤维复合材料设计某乘用车悬架控制臂,对4个区域的铺层结构进行优化设计。首先以各角度铺层厚度为设计变量对控制臂模态频率、质量和各工况应变能进行优化;然后以前三阶模态频率为目标,弯曲刚度参数作为设计变量优化铺层顺序。针对设计变量间存在的工艺约束条件使样本空间不规则且优化变量较多的问题,利用聚类分析进行试验设计确定训练近似模型需要的样本点,并用高斯过程回归方法建立近似模型以减少计算时间,验证模型R2在0.9以上。两步优化后,对比复合材料初始铺层各性能指标均有不同程度改善,复合材料质量减少11.4%;对比原钢制控制臂,各性能均满足要求,质量降低37.1%。
微通道纳米结构的润湿接触状态对滑移减阻影响的分子动力学研究
施鹏程, 卢艳
2021, 40(2): 313-320. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200055
摘要:
针对流体在纳米通道的微尺度流效应,采用分子动力学方法以SPC/E水分子为纳米流动介质,分别计算模拟其在不同纳米结构的微通道内的润湿接触状态和Poiseuille流动行为,研究通过微通道壁面微纳结构改变而导致的不同润湿状态起到的滑移减阻效应。结果表明:纳米结构的周期性增加,会使得壁面的亲疏水性呈现马太效应,从而达到润湿性控制的目的。增加壁面亲水性,会使主流区密度、流体速度和滑移速度都减小;在增加壁面疏水性的过程中,主流区的密度增加;并且流体的状态由Wenzel向Cassie转变,流体速度和滑移长度先减小后增加;而亲疏水转变过程中,随着表征接触角的增加,当动静态流体与壁面的接触状态相同时,流体流动的壁面摩擦因数值呈现单调递减趋势;而当动静态流体与壁面的接触状态存在差异时,摩擦因数会出现轻度无规律波动。
航空、宇航工程
仿生扑翼机构的运动精度影响因素研究
张博利, 刘光泽, 刘新杰, 张威
2021, 40(2): 321-328. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200043
摘要:
本文对“Sparrow” MAV(Micro air vehicle)模型进行了分析。该模型的曲柄滑块传动机构,可紧凑地实现转动和移动之间运动形式的转换,因而在扑翼飞行器的应用中占有重要地位。机构各构件的尺寸误差和变形直接影响着扑翼机构的运动精度,进而影响机构的驱动转矩。针对机构中各构件的尺寸误差和变形对运动精度的影响,进行了理论分析、仿真比较且完成了实验验证。研究发现,曲柄的尺寸误差是影响扑翼机构运动精度的最重要参数。曲柄尺寸误差对驱动转矩影响最大达到79.66%。连杆不仅是影响扑翼机构运动精度的最重要变形件,也对翅翼扑动角的影响最大(达到6.88%),会影响翅翼的气动效率。