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2022年  41卷  第11期

机械动力学
面向连续体结构拓扑优化的分区密度修正敏度过滤方法研究
张国锋, 徐雷, 王鑫, 李大双
2022, 41(11): 1641-1649. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200502
摘要:
变密度法因设计变量少、效率高等优点,已成为解决连续体结构拓扑优化问题的一种有效方法。传统变密度法在优化过程中常出现数值不稳定问题,其优化结果常具有灰度单元,使得优化模型提取较为困难。Sigmund敏度过滤方法虽然能有效减少数值不稳定现象,但该方法容易产生边界扩散的问题,不具备良好的可制造性。为得到边界清晰的拓扑优化结果,提出一种面向连续体结构的分区密度修正敏度过滤方法,该方法将原过滤区域进行划分,采取新的复合卷积因子对不同区域处理,进一步采用一种带有预设密度修正权值的方法,有效弱化边界扩散的问题。通过对多个算例及不同处理方法进行比较分析,验证该方法的可行性及稳定性。
切削系统刀尖点动力学行为分异特征研究
马维贞, 胡腾
2022, 41(11): 1650-1657. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200531
摘要:
作为切削系统工作特性的输出端,刀尖点动力学行为具有强非线性及分异特征,直接影响着零件加工质量与生产效率。现阶段,基于理论或实验方法的刀尖点动力学特性研究存在建模复杂或测试成本过高等局限性。为此,以基于逆稳定性求解的半理论方法为理论基础,充分考虑切削系统中刀尖点及工件的双柔性,提出一种刀尖点动力学行为分异特征辨识方法。该方法将刀尖点在不同运行状态下动力学行为分异特征的辨识转化为一类优化设计问题,即以不同运行条件下刀尖点动力学参数为变量,以理论预测与实验标定所得极限切深及颤振频率的综合偏差最小为目标构建优化模型并求解,从而揭示刀尖点动力学行为的分异特征及演化规律。通过实施变切深铣削实验,对所得结果进行验证。对比分析表明,所提方法能较准确地获取刀尖点动力学行为的分异特征,有利于实现运行状态下切削稳定性的精准预测。
电磁挤压的多盘式磁流变液传动性能研究
邱锐, 熊洋, 黄金
2022, 41(11): 1658-1664. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200556
摘要:
针对高转矩磁流变液装置结构复杂及使用场景受限等问题,提出了一种电磁挤压的多盘式磁流变液传动方法,利用励磁线圈通电后产生的电磁力对磁流变液进行挤压,使其在传递高转矩的同时,装置的结构更加简单紧凑。利用Maxwell和Abaqus对装置进行了磁场及结构场有限元分析,计算得到了不同输入电流下磁流变液的剪切屈服应力、电磁力以及各工作间隙内磁流变液所受挤压应力;分析了磁流变液在受到挤压强化后的剪切屈服应力,并计算得出装置所能传递的转矩。对比实验表明:利用电磁挤压,磁流变液的传动性能显著增强,在3 A输入电流、7 241.4 N电磁力时,相较于未挤压状态,装置传递转矩提升了约78.6%。
面向高校大类招生质量评估的跨尺度结构拓扑优化模型
李佩, 周涵, 张睿, 王克勤, 杨益新
2022, 41(11): 1665-1670. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220241
摘要:
机械结构跨尺度拓扑优化从细观微结构构造和宏观结构布局实现协同设计。受此启发,提出了基于机械结构跨尺度拓扑优化的高校大类招生质量评估量化模型。主要包括:将个体入学成绩、入学报考大类和大类忠诚度按照微结构体分比、特征相关度和性能折减进行量化;基于多尺度有限元和人工神经网络建立微结构等效弹性矩阵表征模型;构建以不同属性微结构在宏观尺度布局为设计变量的跨尺度拓扑优化模型,对整体大类招生质量进行量化评估。在此基础上,对西北工业大学某大类近三年招生质量进行评估,有效优化了学校招生政策。
粗糙曲面无摩擦接触下的亚表面裂纹扩展分散性研究
周炜, 罗柏瑶, 唐进元
2022, 41(11): 1671-1678. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200554
摘要:
针对粗糙曲面无摩擦接触,为探究表面粗糙度对亚表面裂纹扩展分散性的影响,借助FFT粗糙表面重构方法获得不同统计分布下的随机形貌样本,通过弹性接触数值计算确定形貌样本对应接触压力分布,以所得接触压力分布为输入,基于线弹性接触力学和扩展有限元法计算亚表面裂纹在不同曲率半径和外载下的扩展路径与寿命。结果表明:1)相同粗糙度统计分布下裂纹扩展路径与寿命表现出较大分散性,且分散性与粗糙度标准偏差、曲率半径和外载有关;2)曲率半径对裂纹扩展寿命影响很大,不同曲率半径下裂纹扩展寿命变化规律相差迥异;3)粗糙度相关长度对裂纹扩展影响较小,两者未表现出显著相关性。
Al2O3纳米流体自激式脉动传热的热流道结构优选
袁红梅, 汪朝晖
2022, 41(11): 1679-1685. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200537
摘要(111) HTML (52) PDF 925KB(11)
摘要:
在对流传热过程中,如何增加边界扰动以改善传热性能,是实现强化传热的关键问题。基于自激振荡腔的脉动效应和纳米流体的高热导率,提出了一种纳米流体无源脉动强化传热机制。采用正交数值试验方法对自激振荡热流道的主要结构参数进行优化研究,利用大涡模拟湍流模型分析了热流道的结构参数对Al2O3纳米流体传热特性的影响规律,并获得了最优结构参数配比。结果表明:腔室长度对热流道中纳米流体的传热性能影响最大,腔室直径影响最小,并观察到无量纲参数L/d1=7、D/d1=11、d2/d0=1.1的自激振荡热流道具有最佳传热性能。
橡胶四元件模型动力学特性分析
俞力洋, 黄然, 吴少培, 丁旺才, 李国芳, 屈鸣鹤
2022, 41(11): 1686-1692. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220209
摘要:
采用四元件模型表征橡胶等黏弹隔振系统的动力学特性,利用谐波平衡法求解了系统的无量纲运动微分方程,分析了参数对系统幅频特性与力传递率的影响规律,推导了系统单频激励与多频激励下最优阻尼系数的计算方法。结果表明:增大阻尼系数或刚度比会使系统共振峰向高频方向偏移,同时也会拓宽系统在低频区的有效隔振范围;刚度比的合理设计可使系统共振峰远离被隔振系统工作主频,而在不降低系统静挠度的条件下,还可通过调整阻尼系数实现系统共振频率的小范围微调;确定刚度比时,系统不同阻尼系数下的幅频响应曲线与力传递率曲线各有一个公共点,基于这一典型特征可计算出系统既定参数下的最优阻尼系数,使系统共振峰值最小、隔振性能最佳;该方法同样适用于多频激励作用下系统最优阻尼系数的计算。
柔性联轴器平行不对中轴系振动特性分析
赵博, 谷伟伟, 潘渤, 王延博
2022, 41(11): 1693-1697. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200555
摘要:
考虑联轴器弯曲、扭转和横向柔度的影响,分析了转子轴承系统在联轴器平行不对中情况下的振动特性。计及转子的径向位移、偏转角和扭转角自由度,并考虑轴承特性的各向异性,利用各自由度之间的耦合关系,通过第二类拉格朗日方程建立了平行不对中多转子系统的动力学控制方程。通过数值方法求解非线性方程,得到了稳定运行时转子振动的时域波形、频谱及轴心轨迹。平行不对中程度对振动的影响分析表明,在实际可能发生的平行不对中量级下,即不对中量与转子长度之比小于10−3时,横向振动始终以基频分量为主,扭转振动有明显的二倍频分量,未表现出明显的非线性特性。
考虑漏磁因素的盘式永磁涡流联轴器传动特性分析
王帅, 徐伟杰, 程启超, 何俊, 杨世锡
2022, 41(11): 1698-1704. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200522
摘要:
针对流体机械传统节流调节易造成大量电能浪费的问题,设计了一种具有传递动力和调速功能的盘式永磁涡流联轴器。建立了永磁涡流联轴器的等效磁路,构建了永磁涡流联轴器传递转矩和涡流损耗的计算模型,分析了漏磁因素对磁感应强度的影响,进一步探讨了转差、气隙大小、永磁体厚度等因素对传动特性的影响。结果表明:考虑漏磁后,气隙磁场的磁感应强度计算结果小于忽略该因素的结果,且两者之间的偏差随着气隙大小的增加而增加;永磁涡流联轴器传动转矩随着转差的增加先快速增加,然后缓慢下降,随着永磁体厚度的增加而增加,随着气隙大小的增加而减小。研究结果对盘式永磁涡流联轴器的设计具有指导意义。
精密制造与加工
大尺寸表面喷涂的交界区涂层均匀性分析
王毅, 王国磊, 李波, 闫继宇, 路敦民
2022, 41(11): 1705-1712. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200510
摘要(142) HTML (102) PDF 7718KB(19)
摘要:
针对喷涂机器人利用空气喷枪在大尺寸表面自动喷涂时面片交界区的涂层厚度均匀性难以保证问题,首先分析了导致涂层厚度偏差的原因,然后通过对平板匀速直行实验数据进行拟合,建立了一个具有喷涂起始、终止位置处涂层厚度分布描述的喷枪模型。在此模型基础上,对面片交界区的横向搭接参数进行了分析与数学最优值区间求解,得到了最优取值区间为0.2 ~ 0.4的结论。最终通过多组对比试验证明此参数准确,能够有效改善面片交界区的涂层厚度均匀性。
修形圆锥滚子轴承参数化建模方法研究
赵文哲, 刘创来, 黄立, 赵海涛, 孟凡明
2022, 41(11): 1713-1718. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200496
摘要:
为了提高修形圆锥滚子轴承三维模型的创建效率,提出了一种基于ADAMS二次开发的参数化建模方法。通过对修形圆锥滚子进行区域划分,降低了修形滚子数学模型的构建难度,并在ADAMS/VIEW中编写建模宏命令创建修形圆锥滚子轴承三维模型,极大的缩短了建模所需时间。此外通过实例分析,分别将使用该方法和使用Creo创建的轴承三维模型导入ABAQUS,分析其在不同工况下的滚子-滚道接触应力分布。结果表明两类模型的接触应力分布曲线间的平均相对误差均小于1.8%,验证了该方法的准确性。
面向铝合金加工的GRA-SVM-CPSO混合多目标优化方法
庄可佳, 张服林, 代星, 翁剑
2022, 41(11): 1719-1726. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200463
摘要:
为有效改善铝合金切削时不同指标优化出现的冲突问题,本文提出了一种新的多目标优化方法。首先,应用灰色关联分析(Grey relations analysis,GRA)将切削加工过程中切削力、表面粗糙度和材料去除率等多目标问题转化为灰色关联度(Grey relational grade,GRG)的单目标问题;然后,基于支持向量机模型(Support vector machine,SVM)建立切削参数与GRG之间关联模型;最后,以切削力和表面粗糙度最小化、材料去除率最大化为优化目标,采用混沌粒子群优化算法(Chaos particle swarm optimization, CPSO)优选得到的铝合金加工最优参数(切速为400 m/min,进给为0.15 mm/r,切深为1 mm)。将优化结果与粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)对比发现,CPSO算法具有更强的全局搜索能力,能够更快地收敛至全局最佳位置,获得更好的优化结果。
数控系统连续微线段加工方法研究
潘盛湖, 胡涵, 刘云强, 张小军, 冯一夫
2022, 41(11): 1727-1732. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200528
摘要:
针对当前微小线段加工中存在加减速频繁、曲线加工处理算法复杂等缺陷,提出一种简单、易于实现的基于曲线分段微线段加工方法。分析了曲线微小线段加工与速度控制方法,给出了分段加工思想。基于“离散曲率”原理,推导了分段算法,结合直接过渡及圆弧过渡两种方法,对曲线加工速度进行规划设计,给出了算法实现流程及前瞻加工的实现要点。最后利用该方法对平面曲线进行了分段加工实验。实验结果表明,该加工方法计算简单,加工效率高,加减速较其它方法少,加工平稳。
概念层次开发在产品概念设计多属性决策方法中的应用
裴卉宁, 谭昭芸, 黄雪芹, 温志强, 杨冬梅
2022, 41(11): 1733-1745. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200545
摘要:
为了解决目前产品概念设计方案中系统层级结构考虑欠缺以及多属性之间无相互联系的问题,提出一种基于概念层次开发(Concept hierarchy development,CHD)的产品概念设计多属性决策方法。首先,通过CHD理论将各备选产品概念设计方案的图像划分为模块部件、角度视图、物理属性三个设计层次开发,构建每个层次开发中多属性准则之间的相似度比较矩阵。进而利用毕达哥拉斯模糊集(Pythagorean fuzzy sets,PFS)和前景理论(Prospect theory,PT)相结合的方法,得到各决策专家及设计准则的权重分配,从而实现客观合理的产品概念设计多属性决策。最后以响堂山佛像益智玩具的产品概念设计方案为例,验证了该方法的可行性和有效性。
一维残差卷积神经网络的刀具磨损识别方法研究
杨斌, 樊志刚, 王建国, 王民, 李志星
2022, 41(11): 1746-1752. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200525
摘要(116) HTML (199) PDF 2070KB(27)
摘要:
传统的机器学习方法对于刀具磨损进行监测时需要人为提取特征,并且在刀具磨损监测过程出现所需时间较长、精度低等问题。本文提出基于一维残差卷积神经网络的刀具磨损状态识别方法。对原始振动信号进行小波包阈值降噪、快速傅里叶变换处理后,将生成的频谱数据作为残差卷积神经网络模型的输入,通过卷积连接、残差连接和融合等操作自动进行特征提取,最后与刀具磨损状态进行匹配。结果表明:与目前常用的其它神经网络相比较,本文所提出的方法在多次测试中后平均准确率提高了0.6%,训练耗时对于频谱图输入降低30%,具有流程简单、准确率更高的特点,相比于其他方法更有优势。
仪器、仪表科学与技术
脉宽调制型液压变压器的设计与仿真
刘涛, 韩炎, 李浩, 赵丁选
2022, 41(11): 1753-1758. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200472
摘要:
设计了一种脉宽调制型液压变压器,其由泵/马达流量单元和控制阀组组成,通过控制A、B两侧高速开关阀脉宽信号的占空比实现变压功能。介绍了脉宽调制型液压变压器的工作原理,通过理论推导和数学建模验证了其原理的可行性,并利用AMESim仿真软件对脉宽调制型液压变压器的变压过程进行仿真分析。脉宽调制型液压变压器控制灵活,调压范围大,可作为恒压网络系统中的二次调节元件驱动直线负载,还可回收负载端的压力能,对提高液压系统效率具有重要意义。
粒子群算法优化机器人路径规划的研究
巫光福, 万路萍
2022, 41(11): 1759-1764. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200465
摘要(122) HTML (210) PDF 1682KB(28)
摘要:
针对标准粒子群算法在移动机器人路径规划问题上存在的收敛速度慢、易陷入“早熟”现象以及路径不平滑等缺点,对粒子群优化算法进行改进,该方法在粒子陷入局部最优值时,对全局最优粒子的速度进行了轻微的干扰,从而提高收敛速度。为了平衡局部和全局搜索能力,提出了非线性惯性权重。最后提出一个考虑路径最短和平滑性的适应度函数。仿真结果表明,在一个动态环境中,改进之后的粒子群优化算法收敛快,并能避开障碍物,寻找到符合要求的最优路径。
运载工程
两级载荷作用下城轨列车传动齿轮弯曲疲劳寿命预测
高翔, 杨建伟, 李欣, 王金海, 吕中和
2022, 41(11): 1765-1772. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200530
摘要:
齿轮弯曲疲劳对列车安全运营具有重要影响。本文针对城轨列车载荷特点,建立一种适用于城轨列车的齿轮疲劳寿命预测模型。通过分析城轨列车实际运行过程的齿轮载荷特点,并结合主动齿轮累积受载频次,确定两级载荷大小,以两级应力比作为损伤参量,对城轨列车齿轮弯曲疲劳进行试验研究与寿命预测。研究结果表明:齿轮在两级载荷作用下疲劳寿命明显低于单一载荷作用下的疲劳寿命。通过将本文提出的疲劳寿命预测模型预测结果与试验数据进行对比发现,本文建立的疲劳寿命预测模型可以较为准确的预测齿轮的疲劳寿命。
冷却方式对柴油机活塞温度及二阶运动的影响
邓立君, 熊培友, 张学禄, 李猛猛
2022, 41(11): 1773-1779. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220240
摘要(136) HTML (138) PDF 1910KB(12)
摘要:
为了研究冷却方式对活塞温度场及二阶运动的影响,应用硬度塞法测试了两种结构柴油机活塞的表面温度(内腔无冷却盲孔和有冷却盲孔),以此测试数据对活塞温度场有限元仿真结果进行了标定,仿真计算得到了两种结构的活塞温度场分布,进而分析了内腔冷却盲孔对活塞温度及二阶运动摆角和摩擦磨损的影响规律。结果表明:有冷却盲孔活塞相对于无冷却盲孔活塞各关键部位温度都有所降低,尤其是二环槽主推力侧部位,降低了13.2 ℃,裙部主、次推力侧也均降低了约11 ℃;同时,活塞内腔温度最大降低25 ℃,降低了约10%,对于降低活塞热负荷作用十分明显;另外,活塞裙部接触压力、磨损载荷及摩擦损失都明显降低。
材料科学
燃料电池极板材料及制备技术的研究热点与演进
肖罡, 孙卓, 李时春, 杨钦文, 张鹏飞
2022, 41(11): 1780-1793. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200536
摘要(155) HTML (102) PDF 4876KB(13)
摘要:
针对Web of Science核心合集数据库中2000年1月至2020年10月的燃料电池双极板材料与制备工艺文献进行计量学分析,并利用CiteSpace可视化分析工具绘制了核心研究国家、作者、研究机构及关键词演进的结构图谱。结果表明:双极板研究热点主要是金属材料双极板的耐腐蚀性与高聚物基复合材料双极板的导电性。金属极板耐蚀性问题存在离子污染、基体材料与涂层技术等研究内容,离子污染研究揭示了极板腐蚀的负面影响,基体材料与涂层技术研究则是去通过调整材料成分或制备工艺上提升性能。高聚物复合材料导电性问题的研究内容是高聚物基体、导电填料以及复合材料导电率等预测模型,导电率预测模型是研究复合材料组成的重要理论依据。
航空、宇航工程
叶片铣削及喷丸加工残余应力测试与三维表征
梁巧云, 蔺治强, 张吉银, 姚倡锋
2022, 41(11): 1794-1804. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200520
摘要:
为了研究具有典型薄壁结构特征的叶片铣削及喷丸加工后残余应力的分布情况,以叶片为研究对象,采用X射线衍射方法,结合叶片具体结构特征,进行针对钛合金叶片对象的三维残余应力测试;依据叶片表面及表层残余应力的测试结果,进行叶片表面残余应力及表层残余应力的分析,发现叶片叶背及叶盆表面的残余应力都是残余压应力,且分布没有一致的规律,但叶背及叶盆的残余应力沿深度方向的分布趋势大体是一致的;最后在叶片表面及表层残余应力测试结果的基础上,采用数值拟合的方法,获得了基于叶片三维坐标(x-y-h)分布的残余应力预测经验公式;根据特定测量点残余应力测试结果,验证了喷丸叶片残余应力三维表征经验公式的可行性。