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2021年  40卷  第9期

机械动力学
强噪声下工程装备轴承信号的稀疏重构研究
张泽宇, 石泽, 惠记庄, 任余, 张旭辉
2021, 40(9): 1361-1369. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200513
摘要:
工程装备轴承故障工况特征常被外在信息淹没,为了对故障数据有效提取,提出了粒子群寻优与稀疏重构相结合的降噪滤波方法,选取Laplace小波基进行参数寻优与字典预构,进而对轴承的振动信号进行稀疏重构。通过对实验数据施加2 dB的高斯白噪声模拟工程环境下的轴承信号,将优化的稀疏重构算法与巴特沃斯滤波器、小波阈值去噪算法进行对比。结果显示:在峰值信噪比与波形相似性等参数上,所提方法的效果更优,所得的重构信号内外圈故障特征频率与理论特征频率相接近,在充分过滤噪声后,可保留原始特征信息,为后期的故障诊断提供良好的数据基础。
风载下特高压变电站主变套管端部力学特性分析
刘竹丽, 王金洋, 霍翔宇, 谢凯, 陶亚光
2021, 40(9): 1313-1319. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200262
摘要:
以某特高压变电站主变套管端部为研究对象,以Abaqus软件为平台,建立引跨线及主变套管端部精细化有限元模型,分析了风向、风速对套管端部力学性能的影响。结果表明:主变套管端部的端子板及接线柱应力和位移较大,为结构的薄弱环节;各零件上应力及位移随风向出现周期性变化,90°风向为最不利风向角,90°及270°风向角时有峰值,交变应力作用下零件将发生疲劳破坏;风速较小时,接线柱和端子板应力及位移变化较小,风速超过12.65 m/s后,随风速增加应力和位移均表现为非线性急剧增加,局部应力超过了屈服极限。
超临界CO2透平机主轴冷却装置静动态特性分析
郑培培, 李伦, 李济顺, GURGENCIHal, 李俊, 陈稳, 许世钰
2021, 40(9): 1320-1327. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200213
摘要(321) HTML (105) PDF 2428KB(10)
摘要:
以超临界二氧化碳(SCO2)透平机主轴冷却装置为研究对象,基于流体域圆柱曲面展开法建立了流体域压力分布的数学模型,推导出压力分布及承载力的函数表达式;采用CFD分析方法,针对进气压力、主轴转速、偏心率等不同条件下的流场压力、承载力、刚度进行了分析研究。研究结果表明:主轴低速对气膜压力影响极小,轴向压力以冷却装置轴向中心截面呈对称分布;相同偏心率下,承载力随进气压力的提高而增大;进气压力恒定条件下,气膜承载力随偏心率的增大逐渐增大;冷却装置刚度与偏心率呈非线性关系,随偏心率的增大,冷却装置刚度增大,到达极值点后开始减小,极值点出现在偏心率0.35位置。
10支链Stewart衍生型并联机构的位置正解及工作空间
叶鹏达, 尤晶晶, 仇鑫, 王林康, 茹煜
2021, 40(9): 1328-1337. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200220
摘要:
冗余驱动具有刚度大、承载能力强和运动特性好等优点,设计了10-6、10-5两类构型的10支链Stewart衍生构型,构建了一种数值法和解析法相结合的位置正解半解析算法,并分析了两类构型的工作空间。通过引入虚拟支链,两类构型可进一步衍生为同一种12支链台体型拓扑构型。推导了12支链构型的协调方程,并运用Newton-Raphson法得到虚拟支链的数值解;构建了12支链构型位置正解的全解析数学模型。运用区间分析法研究了两类构型的位置工作空间和姿态工作空间。结果表明,10-5构型的工作空间较规则,且具有良好的对称性。
中心距偏差对微线段齿轮系统的动力学特性影响研究
徐锐, 黄康, 张靖, 汪久根
2021, 40(9): 1338-1346. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200223
摘要:
为了提高微线段齿轮的应用性,从中心距偏差的角度对微线段齿轮的动力学特性进行了研究。依据微线段齿轮齿廓构型原理,基于齿轮啮合关系推导了其齿廓数学模型;采用离散化TCA(齿面接触分析)方法计算了微线段齿轮的传动误差,分析了不同中心距偏差对渐开线和微线段齿轮的传动误差和侧隙的影响;通过建立微线段齿轮动力学模型,分析了渐开线和微线段齿轮在不同载荷、转速下中心距偏差对动态响应的影响。结果表明:微线段齿轮比渐开线齿轮对中心距偏差更为敏感;在低速轻载工况下,渐开线齿轮的动力学特性更好,在载荷较大的工况下,尤其是在中高速重载工况下,当中心距偏差被控制在一定范围内时,微线段齿轮具有更好的动态特性。
入口结构对粒径重构旋流器分离性能影响分析
马骏, 何亚其, 白健华, 孙超, 赵宇, 杨磊, 张爽, 宋民航
2021, 40(9): 1347-1354. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200231
摘要:
为提高水力旋流器对细小油滴的分离效率,对旋流器入口结构进行分析,发现弯管形式入口对不同粒径油滴具有重构和聚结的功能,即不同粒径油滴经弯管入口后分布在入口截面的不同位置,结合弯管入口结构设计了一种可实现油滴粒径重构的油水分离旋流器。采用群体平衡模型(Population balance model,PBM)模拟油滴破碎与聚结,对粒径重构旋流器内部流场特性进行数值模拟。对比分析了旋流器在不同角度弯管下的油滴粒度、湍动能、速度、油相体积分数及分离效率变化情况,并开展了室内试验。结果表明:粒径重构旋流器能够提高对细小油滴的分离效率,且180°弯管下分离性能最佳,旋流器总体效率达到97.31%,相对于优化前的旋流器提高了2.85%,内外层入口处油滴粒径分别达到0.36 mm和0.33 mm,呈现出较好的聚结效果。数值模拟结果与试验结果吻合良好,验证了数值模拟的准确性及优化结构的高效性。
OpenSim环境下人体下肢行走生物力学特性研究
郭超, 何育民, 孙朝阳, 汪朝晖
2021, 40(9): 1355-1360. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200225
摘要(450) HTML (254) PDF 2625KB(52)
摘要:
为了分析人体以不同速度和不同负重行走工况下的下肢生物力学特性,基于生物力学分析软件OpenSim建立一种人体下肢肌肉骨骼模型。利用逆向动力学,以地面支反力和运动控制点坐标为驱动,完成了人体以不同速度和负重工况下的步态行走仿真。得到人体以相同速度不同负重和相同负重不同速度行走工况下,踝关节、膝关节和髋关节的力矩变化曲线,分析了行走速度和负重与关节力矩之间的变化关系,得出行走速度和负重与关节力矩的变化呈正相关关系;给出了比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的肌肉活性变化曲线,讨论了行走速度和负重与肌肉活性之间的联系,得出肌肉活性随着行走速度和负重的增加而增加。
主动悬架的二阶滑模容错控制研究
孙晋伟, 刘秋, 顾亮
2021, 40(9): 1370-1377. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200219
摘要:
针对主动悬架执行器故障,基于终端滑模和二阶超螺旋滑模算法,研究不同路面激励及不同执行器故障下悬架系统特性,实现主动悬架容错控制的目的。首先建立了七自由度悬架模型和非线性液压执行器模型,将悬架系统分为簧载质量运动的内部动力学和含有执行器子系统的外部动力学;然后引入非奇异快速终端滑模控制器来抑制簧载质量运动加速度,并利用超螺旋滑模控制器来跟踪终端滑模产生的期望控制力,使主动悬架在外部干扰及执行器故障工况下仍能保持期望性能;最后利用Lyapunov方程证明了超螺旋滑模控制器的稳定性。仿真结果表明:控制算法能有效提升车辆振动系统的性能;相比于传统的H控制,二阶滑模能更有效地提升系统的可靠性。
转子式高压供油泵凸轮轴全周期扭矩计算方法
杨显锋, 王敏, 武文佳, 姜伟, 李汝宁
2021, 40(9): 1378-1384. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200221
摘要:
为提高高压共轨系统常用的转子式高压供油泵峰值扭矩的计算准确性,提出一种凸轮轴全周期扭矩计算方法。计算包含柱塞的液压力、摩擦力、弹簧力和惯性力,根据座圈所受的合力方向,在偏心轮坐标系中确定座圈与偏心轮接触点的位置,并通过坐标变换,得到凸轮轴坐标系下该接触点的坐标,进而计算出不同转角下的凸轮轴扭矩。当只考虑柱塞所受的液压力时,该方法与常用的流量倒推法计算结果相同。计算结果表明,高压供油泵的峰值扭矩可按流量倒推法结果的1.3倍计算;当理论排量和供油压力一定时,峰值扭矩随柱塞直径的增大小幅增大、随着柱塞个数的增多而降低,但柱塞数超过3时,数量增多对峰值扭矩降低的效果减弱。
海底电缆张力弯曲试验装置结构受力有限元分析
乐彦杰, 郑新龙, 黄崇武, 吕安强, 卢正通, 敬强
2021, 40(9): 1385-1390. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200226
摘要:
为了测试在大拉力载荷下,海底电缆张力弯曲试验装置是否能正常工作,利用有限元分析方法对鼓轮与海缆进行了建模与仿真,并对整个有限元模型进行了应力、应变和位移分析。结果表明,该张力弯曲试验装置在2×106 N的拉力载荷下,应力最大值达到1.05×108 Pa,并未超过碳钢的屈服强度,没有发生大变形,能够正常工作,装置设计方案合理。
降低制动摩擦振动的制动器结构拓扑优化设计
袁琼, 唐鹏, 李仕生
2021, 40(9): 1391-1396. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200227
摘要:
本文建立起某车型盘式制动系统三维有限元模型,分析了该制动系统的摩擦振动噪声特性,并基于ABAQUS/Optimization模块对该制动系统进行结构拓扑优化设计,在满足轻量化的目标要求下改善摩擦振动噪声问题。结果表明:制动系统在摩擦力作用下可能出现四种振动模态,且产生频率为3 632.4 Hz的振动噪声的倾向和强度最大。产生该频率摩擦振动噪声的原因是由于制动钳的第4阶模态频率与制动盘的第11阶模态频率非常接近,在摩擦力作用下容易产生共振。通过对制动钳进行结构拓扑优化设计,移除制动钳两侧区域的材料,使其在满足重量最小的目标前提下将第4阶模态频率降低到2 804 Hz,从而避免与制动盘发生共振,且制动钳的重量减轻了17.1%。进一步采用复特征值分析对结构优化后的制动系统进行摩擦振动噪声特性预测,结果表明制动系统仅有两组相邻模态出现模态耦合现象,且原始制动系统出现的3 632.4 Hz的振动噪声频率已经消失,制动系统摩擦振动噪声问题得到显著改善。
EWT-多尺度模糊熵-VPMCD融合算法的轴承故障识别分类应用
车守全, 江伟, 包从望, 朱广勇
2021, 40(9): 1397-1403. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200230
摘要(623) HTML (61) PDF 2260KB(141)
摘要:
针对振动信号提取轴承故障特征及识别分类的研究方式,提出了一种结合EWT-多尺度模糊熵-VPMCD的方法。首先,运用经验小波变换提取振动信号的模态分量。其次,引入信息论中的模糊熵算法,并加以多尺度粗粒度划分得到多尺度模糊熵特征描述。然后,用VPMCD对特征向量进行自适应选择预测模型训练。最终通过实验表明:模态分量多尺度模糊熵能够有效描述故障特征;VPMCD在少训练样本情况下获得了最低90%的分类准确率,相较一些常用的分类方法有着更好的性能表现。
精密制造与加工
全激励FE-SEA法在驾驶室噪声预测中的应用
王洪龙, 高云凯
2021, 40(9): 1404-1409. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200224
摘要:
根据某型挖掘机驾驶室噪声的频谱特性,确定其主要噪声成分为中频噪声。为了准确模拟该噪声水平,采用有限元-统计能量混合分析方法,建立FE-SEA仿真模型;通过计算,获取子系统的模态密度、内损耗因子及耦合损耗因子。利用试验方法测量驾驶室外声场的声压数据及悬置振动数据,作为激励施加在混合模型的相应子系统上。仿真计算驾驶室内部噪声,在200 ~ 1000 Hz中频范围内仿真误差仅为2.38%,验证了混合模型的准确性以及FE-SEA方法对中频噪声问题的适用性。据此结果,进一步分析驾驶室板件的噪声贡献度,找到驾驶室的声学薄弱部位,为优化改进指明方向。
轴套长度对被连接件压缩变形体形状影响的研究
车承牮, 阳光武, 肖守讷, 朱涛, 杨冰, 柯新
2021, 40(9): 1410-1415. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200215
摘要:
螺栓连接结构在其夹紧区域内压缩变形量的计算会受到压缩变形体形状的影响。为了探究更适宜的压缩变形体等效方式,基于压应力4次分布理论修正了与轴套接触的被连接件内压缩变形体的最小外径,得到被连接件轴向压缩变形量的修正解析式。对有限元仿真的节点应力进行曲线拟合和数值积分计算,得到螺栓的轴向压缩变形量。结果表明:螺栓连接结构夹紧区域内压缩变形体为平头圆锥、圆柱与双平头圆锥的组合形式更为恰当,与轴套接触的被连接件内压缩变形体的最小外径修正为轴套外径与螺栓头支承面直径平均值的1.4倍时,其相对误差不超过7.49%;采取正确的压缩变形体等效方式并引入被连接件压缩变形体最小外径的修正有利于计算含有轴套的螺栓连接结构的轴向压缩变形量。
均匀T网格样条曲面的半规范局部细分算法
胡海涛, 纪小刚, 张溪溪, 栾宇豪, 张建安
2021, 40(9): 1416-1424. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200229
摘要:
为解决T样条曲面造型中控制点插入的半规范问题,提出了一种基于均匀T网格样条曲面的半规范局部细分算法。首先根据T样条曲面定义,将B样条曲面转换为均匀T网格样条曲面;然后在任意单一网格上进行控制点插入,或将网格进行嵌套细分。为满足曲面局部特征细分要求,建立超定方程组,用神经网络求解额外系数,添加于特定控制点上,以保证T样条曲面的半规范性;最后,通过额外系数计算新的混合函数,并构造最终曲面。并通过实例证明该算法的可行性,与现有的T样条的相比,曲面在达到相同精度时,该算法减少了多余控制点。
超声雾化辅助切削钛合金的表面质量和刀具磨损
黄丙琪, 孟建兵, 胡益忠, 栾晓声, 董小娟, 徐汝锋
2021, 40(9): 1425-1431. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200222
摘要:
为了减轻钛合金干式切削时的刀具磨损,提高试件表面质量,提出了一种水基切削液超声雾化辅助切削的方法。首先,以TC4钛合金为切削对象,进行了钛合金干式切削试验。然后,以纳米级水溶性油基切削液与去离子水混合后形成的乳化液为雾化介质,由超声雾化器转化为微小液滴并作用于刀工界面,进行了超声雾化辅助切削试验。最后,对比分析了超声雾化辅助前后,TC4工件表面粗糙度、刀具磨损、元素扩散和切屑形貌等情况。实验结果表明:与干式切削相比,超声雾化辅助切削后的钛合金表面粗糙度降低47.6%、后刀面刀具磨损值最大降低36 μm、刀具表面Ti、O元素含量分别从78.72%、6.32%减少到75.49%、1.85%。
先进高强钢DP780板料温成形本构参数识别
王凯迪, 李迪, 冷杨松, 付秋涛, 徐家川, 姜宁
2021, 40(9): 1432-1438. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200232
摘要:
先进高强双相钢板料温成形的本构模型参数识别,是提高塑性变形行为仿真准确度的关键。通过建立基于拉丁超立方抽样法和Spearman秩相关性分析法的本构模型参数敏感度分析方法,进而实现了参数敏感度的整体性分析。然后结合敏感度分析结果、DP780钢单向拉伸试验以及拉伸过程有限元模拟,构建了不同温度下的距离函数和材料本构参数之间的响应面模型。将本构参数识别问题归结为求解最小距离函数问题,利用遗传算法进行优化计算,最终获得了不同温度下的DP780钢井上胜郎本构模型参数。结果表明,建立的本构参数识别方法较好地满足本构模型精度要求。
运载工程
HJI理论下滑模鲁棒控制对磁浮列车悬浮特性影响研究
佟来生, 张文跃, 郑文文, 朱琳, 徐俊起
2021, 40(9): 1439-1443. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200214
摘要:
针对负载扰动和轨道不平顺激励等干扰下磁浮列车悬浮系统的悬浮稳定性问题,提出了一种基于二类李雅普诺夫函数的滑模控制策略使其能够严格保证系统维持在目标悬浮间隙附近。设计了期望悬浮间隙并将其设为虚拟输入,在动力学方程中采取滑模控制算法实现悬浮误差的跟踪控制。根据垂向悬浮间隙的相应约束条件引入HJI理论和李雅普诺夫函数设计相应控制器,使其能够在各种干扰下保证悬浮稳定性。基于李雅普诺夫稳定性定理证明闭环系统稳定性,使系统在受到扰动时能够尽可能的保证悬浮精度并进行误差整定,将悬浮误差收敛到无穷小。对比了现有PID控制算法在同样工况下的悬浮性能,对比了仿真验证所提出控制律的有效性和鲁棒性。
纯电动汽车工况识别和能量控制策略研究
汪伟, 罗金, 王汝佳, 姜苏杰, 盛广庆
2021, 40(9): 1444-1450. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200257
摘要:
针对纯电动汽车能量管理策略优化主要面向单一工况,提出包含BP神经网络工况识别控制的能量管理策略。以锂电池-超级电容复合电源纯电动汽车为研究对象,引入工况识别的复合电源纯电动汽车能量管理策略对整车经济性和蓄电池工作状态的影响。在MATLAB/Simulink平台下修建整车模型并进行综合测试工况仿真,结果表明:包含工况识别的能量控制策略能够准确识别行驶工况,相较于优化前的能量管理策略,蓄电池能量消耗下降2.81%,总能量消耗下降1341 kJ,两种能量源之间的能量分配更加合理,蓄电池工作状态得到进一步优化,有效提高整车经济性。
承载力自适应HTS列车承载特性研究
伊建辉, 张增超, 张道于, 刘琛宝
2021, 40(9): 1451-1456. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200212
摘要:
为解决高温超导磁悬浮(HTS)列车与轨道间隙受负载或扰动影响会发生变化的问题,给出了一种承载力可自适应的高温超导磁悬浮列车结构模型,阐述了其承载力可自适应调节的工作原理,在此基础上研究了承载力计算方法、分析了承载力影响因素。研究结果表明:承载力具有明显的磁滞特性,承载力随超导体与永磁环间隙减小而增大,永磁环在每一个结构参数下都对应一个最优的超导体数量,超导体临界电流密度值越大承载力越大,当超导体直径值与永磁环宽度值相等时承载力有最大值,承载力在一定范围内随永磁环厚度的增加而增加,当超导体与永磁环发生径向偏移时会产生径向回复力、并会降低承载力。
材料科学
接触载荷对铝合金隔水管摩擦学性能的影响
毛良杰, 何鑫, 蔡明杰, 王国荣
2021, 40(9): 1457-1463. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200228
摘要:
通过用7075铝合金销盘和G105钢销钉在UTM摩擦试验机上研究了的实验接触载荷对铝合金隔水管摩擦学性能的影响机理。结果表明:随着接触载荷增加,摩擦系数先大幅减小后略有增大;磨损率先缓慢下降再急剧上升;在10 ~ 30 N接触载荷下,主要磨损机制为磨料磨损;在50 N接触载荷下,主要磨损机制为氧化磨损;在70 N接触载荷下,主要磨损机制为分层磨损;50 N为由轻微磨损向严重磨损转变的临界载荷。研究证明了在铝合金隔水管的运用过程中,应该避免高载接触引发严重磨损而导致材料失效。
光固化光敏树脂蜂窝结构试样动态力学行为及本构模型
雷经发, 卢陈, 刘涛, 孙虹, 魏展
2021, 40(9): 1464-1470. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200512
摘要:
为明确光固化成型技术制备的蜂窝状结构光敏树脂材料的力学性能,使用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆实验装置对原始实心试样和不同胞元直径的圆形蜂窝结构试样进行不同应变率的力学性能测试。结果表明:光敏树脂的弹性模量和屈服极限随应变率的增加而增加。低应变率下,光敏树脂达到屈服极限后出现了应变软化和应变硬化现象,体现出光敏树脂的粘弹性。高应变率下,光敏树脂呈现出显著的应变率效应以及应变率敏感性。蜂窝结构试样的弹性模量和屈服极限随着胞元直径的增加而降低。最后建立了高应变率下光敏树脂的ZWT非线性粘弹性本构模型,拟合的数据与实际数据能够较好地吻合。
航空、宇航工程
几何参数对微型压缩机柔性板弹簧性能影响
周伟楠, 朱海峰, 陈雷, 丁磊, 刘少帅, 蒋珍华
2021, 40(9): 1471-1476. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200217
摘要:
板弹簧技术是线性压缩机驱动的微型斯特林制冷机长寿命、高可靠运行的关键技术之一。本文中设计了3款不同形式的微型压缩机用柔性板弹簧,并基于有限元法展开了不同板簧厚度、涡旋槽宽度、涡旋臂数目这3个几何参数对板弹簧性能的影响分析,最后总结出几何参数对板弹簧性能影响规律。