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2021年  40卷  第4期

机械动力学
线接触弹流摩擦副的动特性研究
夏伯乾, 高磊, 张绍林, 郭红
2021, 40(4): 493-499. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200127
摘要:
基于机械振动学和弹流润滑理论,将弹流油膜简化为弹簧阻尼,建立了线接触摩擦副的摩擦学、动力学耦合模型,用数值方法求解了摩擦副的振动响应,通过简谐激励下系统的阻尼环求得摩擦副的刚度和阻尼,分析了载荷、速度对摩擦副动力学特性的影响。结果表明:弹流油膜具有显著的刚度、阻尼特征;弹流状态下,当速度一定时,摩擦副的刚度、阻尼随载荷增加而几乎线性地增加;而当载荷一定时,摩擦副的刚度、阻尼随速度的增加而指数般减小。
永磁超环面电机结构参数对齿槽转矩的影响分析
刘欣, 王洪达
2021, 40(4): 500-507. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200082
摘要:
为了分析永磁超环面电机结构参数对齿槽转矩的影响,在分析该电机齿槽转矩产生机理的基础上,针对该电机空间螺旋变截面的结构特点,将齿槽转矩的产生分为自转和公转两个分量进行分析;运用磁共能法推导了该电机齿槽转矩与输出转矩的数学表达式,并采用有限元仿真验证了数学模型的有效可行性;分析了该电机重要结构参数对齿槽转矩削弱的同时对输出转矩幅值的影响规律。结果表明,内定子槽开口系数、行星轮齿的极弧系数和气隙值的合理选择,能够在削弱齿槽转矩波动的同时提高输出转矩的幅值,有效地提高永磁超环面电机的输出性能。
含有末端质量的竖直梁压电俘能器参数共振及其特性研究
邹政, 谢进, 马戈, 汪灿
2021, 40(4): 508-517. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200096
摘要:
为了改善参数共振压电俘能器的俘能特性,提出在竖直梁的自由端固结一个质量块。利用拉格朗日方程和高斯定律建立了系统的机电耦合方程,并进行了数值仿真。仿真结果表明,梁从竖直的单稳态系统转变为屈曲的双稳态系统的临界末端质量Mc为0.0509 kg。当梁的阻尼比为0.05,末端质量从0增加到Mc时,参数共振激励阈值从47.5 m/s2减小到趋向于0;当M大于Mc时,对于任何阻尼比的梁,激励阈值都为零,并且当外激励的幅值和频率使得梁处于两稳态势阱间的大幅周期运动时,俘能器才可以产生出较高的输出功率。
HMCVT段内无级跟踪调速控制研究
卢震, 鲁植雄, 程准
2021, 40(4): 518-526. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200101
摘要:
为了解决拖拉机在实际行驶过程中,由于马达转速的变化存在响应的滞后,造成各工况下拖拉机的车速并非最优值。设计了HMCVT泵控马达系统转速跟踪控制器,实现马达转速的实时跟踪。建立了HMCVT泵控马达系统的数学模型,采用模糊PID控制器对马达转速进行实时控制。提出了一种改进粒子群算法寻优的方法,对模糊PID控制器的参数进行寻优。根据寻优的最优系数,在MATLAB/Simulink中搭建HMCVT泵控马达系统的仿真模型并进行相关仿真。仿真结果表明:采用改进粒子群算法优化的模糊PID控制器能够很好地实现马达转速的跟踪控制,跟踪误差以及超调量很小,同时在系统受到外负载扰动时表现出良好的跟随特性。研究结果为制定拖拉机HMCVT的最佳燃油经济性和最佳动力性的段内控制策略提供了理论参考。
水力聚结器结构参数优选
邢雷, 蒋明虎, 赵立新, 高金明
2021, 40(4): 527-533. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200249
摘要:
为了增强水力旋流器对小粒径油滴的分离性能,基于旋流分离原理提出一种可通过增大油滴间碰撞机率使小油滴碰撞聚结的水力聚结器结构。借助正交试验方法对水力聚结器的主要结构参数进行优化设计,利用Euler-Euler模型与群体平衡模型(Population Balance Model,PBM)相结合的方法,开展水力聚结器结构参数对油滴分布特性及聚结性能的影响研究,得出聚结器内油滴粒度分布聚结性能受结构参数变化的影响规律,并获得了最佳的结构参数配比。结果表明:水力聚结器对油水混合液中的油滴呈现出了较好的聚结效果,聚结器的聚结内芯底径D3、锥段长度L4、出口管长度L5均会对聚结器内油滴粒径分布产生影响,且各参数对聚结性能影响显著性由高到低为D3 > L4 > L5。优化得出最佳结构参数配比方案为C3A2B2L4 = 600 mm、L5 = 100 mm、D3 = 10 mm),最佳结构参数条件下混合液中油滴粒度分布在25 ~ 55 μm时,经水力聚结器聚结后油滴粒度分布均值增加到524.7 μm,较初始结构聚结后的平均粒径增加了48.56%。
压裂液对四通管冲蚀磨损的仿真分析
钟功祥, 胥卜轩, 谢锐, 程柯文, 吴陈
2021, 40(4): 534-541. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200099
摘要:
在页岩气压裂开采过程中,为了提高压裂效率,部分井场在地面采用一种新型的高压管汇快接装置。针对该装置中四通管处的冲蚀磨损问题,基于DPM冲蚀预测模型,利用FLUENT软件研究水力压裂下快接管汇装置的四通部位的冲蚀磨损规律。结果表明,冲蚀集中面位于相贯线及其附近的管壁上;质量流不变的情况下,随着粒度的增大,相贯线上最大冲蚀率呈指数式降低,管壁上最大冲蚀率先增大后减小;质量流不变的情况下,随着黏度的增大,最大冲蚀磨损量增大,且随着粒径的增大,其变化规律由对数型向指数型过渡。
足踝关节复合运动模拟与测量
张春强, 吉晓民, 薛艳敏, 王旭鹏, 胡钢
2021, 40(4): 542-547. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200291
摘要(73) HTML (19)
摘要:
人体足踝关节复杂,其运动主要包含背伸、跖屈、内收、外展、内翻以及外翻等,建立足踝关节复合运动模型利于对人体足踝运动的正确理解和应用。结合距上关节、距下关节活动方式以及距骨形态特征,假设随距骨运动的距下关节斜行纵轴运动轨迹为球面等角螺旋线;采用球型连接和铰链连接结合,并通过构件形态设计约束足踝运动角度的方式,构建了一种新型简易的足踝关节复合运动模型;讨论了模型参数范围以及该模型模拟足踝运动特征的可行性,调整和设置模型的各项具体参数,通过动作捕捉测量足表面上点的实际运动数据,对比分析了运动仿真与测量数据的差异。结果显示足踝复合关节的运动模型与实际测量数据吻合,说明能够通过该模型描述足踝关节的综合运动。
电动式主动横向稳定器模型预测控制策略开发
刘世杰, 严天一, 贾兆功, 赵燕乐
2021, 40(4): 548-555. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200094
摘要:
为进一步提升高速行驶车辆侧倾稳定性,本文以永磁同步电机式主动横向稳定器为被控对象,设计该电动式主动横向稳定器模型预测控制器及其电子控制单元,并完成相关离线仿真和硬件在环性能试验。首先利用MATLAB/Simulink搭建九自由度整车动力学模型,并利用模型预测控制方法,构建电动式主动横向稳定器控制策略模型,然后设计基于英飞凌32位TC275主控芯片的电动式主动横向稳定器电子控制单元,利用自行开发的电动式主动横向稳定器性能试验台,分别在转向盘角阶跃工况和鱼钩工况下验证了电动式主动横向稳定器模型预测控制策略有效性。相关仿真和台架试验结果表明,电动式主动横向稳定器模型预测控制策略可有效提高车辆抗侧倾能力。
乘用车悬架静强度与疲劳载荷研究
邓小强, 胡浩炬, 余家皓, 郭绍良
2021, 40(4): 556-561. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200100
摘要:
为了快速获得平台悬架静强度与疲劳载荷,本文依据某A级平台5款量产车型试验场道路载荷数据,以前麦弗逊悬架为研究对象,先对轮心载荷幅值进行统计分析,根据应力-强度干涉模型,得到该平台前悬架的强度载荷边界,及其与车辆满载轮荷的G载荷系数。再通过研究5款车型车轮轮心疲劳伪损伤与轮荷的关联关系,得到该平台悬架的疲劳载荷。此方法可快速获得同平台悬架静强度与疲劳载荷,省去实车道路谱采集并提升了工作效率。
精密制造与加工
激光熔覆Ti-6Al-4V高速铣削切削力研究
张立峰, 王盛, 王宁, 唐杰, 陈鑫灿, 安海涛
2021, 40(4): 562-565. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200085
摘要:
为了研究激光熔覆Ti-6Al-4V这类材料的高速切削加工性能,探明高速铣削切削力的影响机制,采用硬质合金刀具侧铣工艺对激光熔覆和铸造钛合金进行高速铣削的对比实验研究。结果表明,激光熔覆Ti-6Al-4V铣削时出现明显的各向异性,其中沿熔覆轨迹0°方向铣削时切削力最大,90°方向铣削时切削力最小,且各方向铣削力均低于铸造型钛合金。钛合金铣削过程中,当切削速度超过400 m/min时,铣削主切削力呈明显降低趋势。此外,铣削参数每齿进给量和铣削深度是影响切削力变化最显著的因素。
深冷处理对钛合金力学性能及摩擦磨损性能的影响
雷达, 李永刚, 李文辉, 李秀红, 杨胜强, 王瑶
2021, 40(4): 566-571. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200078
摘要:
为了探究深冷处理对TC4钛合显微组织,力学性能及摩擦磨损性能的影响,采用显微硬度计测定钛合金的表面硬度,光学显微镜观测钛合金经深冷处理后微观组织的变化,万能拉伸试验台测定其拉伸性能,利用摩擦磨损仪研究了深冷处理前后钛合金的磨损性能及利用SEM、EDS分析磨痕的微观形貌和化学成分。结果表明:深冷处理可以提高TC4钛合金的显微硬度,深冷处理时间为11 h时其显微硬度可以达到最大值361 HV1,比初始时提高了3.7%。经过深冷处理后不规则的晶体边角破碎,晶体内的组织均匀化提高;深冷处理可以显著提高材料的抗拉强度,屈服极限及弹性模量,提高材料的力学性能;深冷处理后摩擦系数增加,磨损加剧。
图像与图形动态配准的误差检测方法
单东日, 徐建聪, 高立营, 李龙
2021, 40(4): 572-578. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200102
摘要:
针对零件加工精度检测要求较高、检测环境复杂,提出了一种新型的加工精度检测方法。通过动态调整被检测零件的三维设计图形的空间位姿,使调整后的图形空间位姿与工业相机采集到的被检测零件的高质量图像处于同一拍摄角度,保存零件此时的三维设计图形的空间位姿图像,使用改进后的SIFT-Harris算法将采集到的零件高质量图像与保存的空间位姿图像实现配准, 进而实现零件与其对应的三维设计图形尺寸的对比检测。通过实验测试表明:本文提出的图像与图形动态配准的误差检测方法,具有较高的精度和速度,并且检测精度符合误差分布概率,对加快误差检测技术的发展具有一定的推动和探索意义。
PCA-TOPSIS法在不锈钢电弧增材工艺参数优化中的应用
姜宇杰, 陈菊芳, 赵彩虹, 李小平
2021, 40(4): 579-585. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200086
摘要:
为了提高不锈钢电弧增材工艺的增材效率,利用308不锈钢丝材在304不锈钢基体上进行电弧增材。利用正交试验法设计工艺参数,运用光学显微镜分析增材组织的形貌,通过显微硬度计测试增材组织的显微硬度分布。依据熔覆层的熔池尺寸,采用PCA-TOPSIS法作为评价方法。以熔宽、余高最大,熔深最小为优化目标,通过MATLAB计算得出最佳工艺参数为电弧电流I = 200 A,焊接速度Vs = 42 cm/min,送丝速度Vf = 180 cm/min。结果表明,该工艺参数下的熔覆层与基体呈现良好的冶金结合,无气孔和裂纹等缺陷。
仪器、仪表科学与技术
电火花深孔加工中螺旋电极对间隙流场影响研究
常皓, 王文建, 王昕妍, 刘宇, 张文超
2021, 40(4): 586-591. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200081
摘要:
针对电火花深孔加工过程中排屑问题,提出采用螺旋电极改善加工间隙的流场环境。为探究螺旋电极的螺旋角和电极的旋转方向对排屑产生的影响,利用Fluent软件建立不同螺旋角电极下间隙流场的流体动力学模型,分析了螺旋电极不同螺旋角及不同旋转方向对间隙流场及电蚀产物运动的影响。结果表明,采用45°螺旋角的螺旋电极进行加工其排屑效果最好,螺旋电极正向旋转加工更有利于电蚀产物排出加工间隙。
减震稳扭旋冲钻井提速工具可变节流口特性分析
赵建军, 赵晨熙, 崔晓杰, 胡群爱
2021, 40(4): 592-597. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200083
摘要:
底部钻具组合耦合振动,不仅降低了钻头的稳定性和攻击性,还易造成钻具疲劳破坏,诱发井下事故。目前,大部分常规的辅助破岩工具只能抑制单一形式的钻具振动,针对多种振动形式耦合的复杂工况,提速效果有限。为此,提出一种减震稳扭旋冲钻井提速工具,该工具集复合冲击和减震稳扭功能于一体,可有效抑制钻头不规则振动,保证钻头平稳快速钻进。以该工具冲击能量发生单元为研究重点,建立了动静阀盘可变节流口数学模型,基于MATLAB仿真模型数值分析得到了可变节流口过流面积与节流压差之间的关系,确定了动静阀盘的几何结构参数。最后完成样机试制和地面性能测试,节流压差测试结果与仿真分析结果相符,满足现场应用需求。
多时间尺度下依据深度学习的前馈扰动预测
宋震, 李俊良, 周萌, 刘贵强
2021, 40(4): 598-603. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200095
摘要:
为加强过程自动化控制中前馈控制系统的稳定性与可靠性,降低控制过程中时滞的影响。提出一种基于LSTM深度学习网络组合多时间尺度对扰动信号进行预测的方法,在考虑精度的同时也注重预测误差波动对系统产生的冲击。预测结果显示均方根误差(RMSE)在0.0013 ~ 0.0074之间,满足的工程实际要求。其次使用峭度来评定预测误差序列在各时刻的变化波动。最后保证预测精度满足工程要求的同时,通过组合时间尺度的方法来调整预测误差序列在各阶段冲击波动变化,使其在具体的工程应用中达到更优的控制效率与更低的风险
用于旋转环境的磁致伸缩振动能量收集方法研究
晚冬, 刘慧芳, 张靖, 赵强
2021, 40(4): 604-608. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200093
摘要:
随着无线传感器的功率消耗从mW级降到了μW级,对无线小功率设备的供电有了新的可能。本文设计并实验了一种新型的基于磁致伸缩材料(铁镓合金)的振动能量收集装置。可以应用于对低频旋转环境中存在的振动进行收集并转换为电能,工作转速范围为0 ~ 150 r/min。搭建了实验平台,进行实验分析。实验结果表明,偏置磁场摆放在最佳位置,添加5 g的自由配重块,系统可以产生最高电压为320 mV,最大功率为232 μW。
运载工程
并行排序蚁群算法规划仓库AGV路径研究
于军琪, 李若琳, 赵安军, 余紫瑞, 王均峰
2021, 40(4): 609-618. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200103
摘要:
针对智能仓库中的AGV路径规划问题,提出了一种基于并行排序蚁群算法的路径规划方法,该方法通过多个子蚁群之间较优蚂蚁释放的信息素交互,提高蚁群整体的搜索能力。建立以路径最短和AGV转弯次数最少为优化目标的多目标函数模型,用并行排序蚁群算法求解,再对生成的初始路径通过减少中间节点的方式进行平滑处理。在MATLAB上进行多次仿真,对比实验结果表明,该算法在进行仓库AGV路径规划时收敛速度更快,稳定性更好,且平滑处理后的路径更优。
分布式驱动电动汽车复合制动控制研究
杨璐, 谭迪
2021, 40(4): 619-626. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200118
摘要:
针对分布式驱动电动汽车制动模式切换条件限制能量回收的问题,制定了一种制动工作模式切换条件,设计了一种复合制动控制策略,其中,制动转矩分配采用分层控制的方法,上层控制器计算需求制动力矩,选择制动工作模式,下层控制器根据制动控制策略分配各轮的液压制动力和电机制动力。在建立分布式驱动电动汽车复合制动模型的基础上,利用AMEsim与Simulink在各种行驶工况下进行联合仿真,对所提出的复合制动控制策略进行验证。结果表明,本文所提出的复合制动系统能够准确地切换制动工作模式,在保证车辆的制动效能和稳定性的同时最大程度回收制动能量。
材料科学
V形辊辊式矫直过程分析及压下量设计
郭一行, 孙东明, 王斌
2021, 40(4): 627-632. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200079
摘要:
基于弹塑性变形理论,利用ANSYS LS-DYNA建立了V形辊的七辊矫直机的三维有限元模型,对V形辊辊式矫直过程进行分析。进行了下压量的参数设计,并分析了不同下压量下,菱形型材在矫直过程中的变形及矫直后的残余应力分布规律。结果表明:菱形型材被矫直后残余应力主要分布在边界处,随着下压量的增大最大残余应力先减小后增大。通过有限元仿真确定了截面尺寸为22 mm×22 mm菱形型材的最佳下压量。结果表明:该下压量下,被矫直件矫直后的平直度满足精度要求,且仿真结果与实验结果相一致,验证了理论模型的正确性。
航空、宇航工程
航空发动机整体叶盘回转式滚磨光整加工数值模拟与分析
李鹏, 李文辉, 李秀红, 杨胜强, 郭鹏辉
2021, 40(4): 633-640. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200089
摘要:
为探究航空发动机整体叶盘回转式滚磨光整加工的作用机理,基于离散元法对加工过程进行仿真计算。以叶片表面的Archard磨损量和累积接触能量为评价标准,研究滚抛磨块装入量和滚筒转速对加工效果的影响。结果表明:叶片型面的加工效率受工艺参数的影响较大,且叶背、叶盆呈现出明显的差异。回转式滚磨光整加工可以有效保证不同叶片间的加工均匀一致性,且在50%装入量、60 r/min转速条件下,同一叶片不同区域的加工均匀性最好。综合考虑加工效率与加工均匀性,优选以下参数范围:50%~60%装入量;0.65nmax~0.8nmax转速。
飞机蒙皮检测爬壁机器人结构设计与运动分析
诸葛晶昌, 曾昭鹏, 徐鋆, 吴军
2021, 40(4): 641-648. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200084
摘要:
针对传统的飞机蒙皮检测技术效率低、工作周期长、识别率差等问题,提出了一种能够自主完成飞机蒙皮检测工作的螺旋桨推力吸附式爬壁机器人。首先,以爬壁机器人应用背景为基础,进行了机器人的机械结构设计,以履带传动作为其移动机构,设计了相应的履带变形机构,提升其自适应越障性能,并利用螺旋桨提供其反向运行吸附力;其次,分析了其爬坡运动稳定性;最后,建立了机器人的运动学模型,分析了其越障能力,论证了其应用于飞机蒙皮检测的可行性。
航空宇航工程
BGA算法在备件库存控制策略优化中的应用研究
张守京, 秦小凡
2021, 40(4): 649-656. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200088
摘要:
建立一个考虑备件重要度库存控制模型,并运用提出的BGA算法(BAS-Genetic algorithm)实现运算收敛快,获得总成本更优。首先以库存成本最小化为原则,建立库存模型的目标函数,其次建立了以基于重要度的服务水平为约束条件,构建库存控制模型。最后根据考虑维修备件重要度的库存控制策略模型。提出BGA(BAS-Genetic algorithm)算法用于最优库存控制策略解的查找。结果表明,BGA算法的收敛比GA(Genetic algorithm)收敛的速度快,且计算的目标函数成本值更小,不易陷入局部最优。