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2022年  41卷  第2期

机械动力学
CQTBEW算法及其在轴承早期故障诊断中的应用
邹金玉, 王太勇, 王鹏
2022, 41(2): 165-171. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200322
摘要:
滚动轴承出现局部剥落、点蚀等故障时,会产生周期性的振动冲击信号,通常对此信号进行分析即可诊断出故障的严重程度以及出现的位置。但是,设备工作时往往伴随着较大的噪声,因此冲击信号,尤其是早期故障的振动冲击信号,很容易被噪声淹没。针对此问题,本文提出一种基于恒Q变换与二进制能量权重的CQTBEW算法,首先将振动冲击信号进行恒Q变换分析,获得时频谱矩阵;其次对矩阵进行频率分段处理,在时间轴设置滑移窗口,筛选局部极值并二值化时频谱,向时域叠加获得能量时域信号,进行功率谱分析诊断获得特征频率;最后进行仿真信号与实验信号的分析验证。结果表明,该方法具有可行性。
一种适用于有机朗肯循环的球形滚珠膨胀机
胡惠惠, 欧阳新萍, 侯庆亚, 白桦
2022, 41(2): 172-177. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200339
摘要:
针对目前应用于有机朗肯循环(ORC)的容积型小容量膨胀机结构复杂、难以应用推广的现状,提出了一种新型球形滚珠膨胀机。其组合了滚动转子式膨胀机和往复活塞式膨胀机的部分特征及优点,结构简单、零件数少、制作方便、运动平衡性好。介绍了球形滚珠膨胀机的工作原理和运行过程以及部分主要零件的设计,并在此基础上设计了一种区别于常规进气结构的优化方案,取消了进气阀,减小了流动损失和阀门振动噪声。针对某一工况设计了膨胀机尺寸,并进行了润滑设计和泄漏分析以及容积效率估算。
POMDP模型在多机器人环境探测中的应用研究
孟磊, 吴芝亮, 王轶强
2022, 41(2): 178-185. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200318
摘要(200) HTML (145) PDF 2725KB(23)
摘要:
为了提高多机器人环境探测的效率和精度,本文提供了一种基于部分可观马尔可夫决策过程(Partially observable markov decision process, POMDP)的路径规划方法来控制多个装有传感器的机器人实现对环境的协同探测。建立了多机器人环境探测系统的POMDP模型,以信息熵作为回报函数,令机器人沿着信息熵最大的方向不断移动。机器人对环境的信念采用非参数的、基于样本的表示,并用贝叶斯滤波来更新机器人对环境的信念。在仿真试验中,对两种环境的CO浓度进行了探测,都得到了精确的测量结果。与传统的全覆盖路径规划的方法相比,该方法在效率和精度上都具有优势。
仿猫爪掌垫子午线轮胎胎冠设计
刘从臻, 李永强, 孙运芬, 谢孟雨, 徐成伟
2022, 41(2): 186-191. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200323
摘要:
为缓解轮胎抓地与磨损性能间的固有矛盾,以某205/55R16乘用车子午线轮胎为研究对象,对轮胎胎冠进行仿生设计。采用WALKWAY压力测试系统获取猫前爪动态接地特性,并配合3D激光扫描仪进行逆向拓扑。对猫爪掌垫横截面点云进行多项式拟合并采用相似原理对胎冠进行仿生设计。利用ABAQUS建立模型,对比仿生胎与样胎静载、制动、侧偏工况下接地面积与压力分布。结果表明:仿生轮胎设计可有效增大接地面积,降低峰值接地压力,改善轮胎偏磨损现象,实现轮胎抓地与磨损性能协同提升。
树脂混凝土机床立柱的结构设计及性能仿真
李有堂, 吴荣荣, 黄华, 汤雷武
2022, 41(2): 192-198. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200325
摘要:
传统的以铸铁或钢材为主的机床构件的性能优化已接近极值,而高速高精的加工对机床性能的要求进一步提高,树脂混凝土材料在机床基础件中的应用得到了广泛的关注。以CK5116数控机床为例,根据等价截面原则,设计了树脂混凝土材料的立柱模型,应用有限元方法对其进行静态分析、模态分析和谐响应分析,并与传统的铸铁材料机床立柱的分析结果进行对比。结果表明:同铸铁材料机床立柱相比,树脂混凝土材料机床立柱满足了轻量化的设计要求,且静刚度有所提升,其最大响应振幅在X轴、Y轴、Z轴的振幅缩减率依次为:55.18%、77.27%、20.88%。从而证明树脂混凝土机床立柱具有更优越的抗振性能。
丝驱动蛇形臂机器人的被动柔顺特性分析
刘北, 尹来容, 黄龙, 胡波
2022, 41(2): 199-206. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200340
摘要:
常见的丝驱动蛇形臂机器人在末端受到外部横向力作用时易发生丝松弛现象,导致丝驱动蛇形臂机器人的构型不可控,这种特性即为被动柔顺特性。为解决被动柔顺问题,首先总结并分析了典型丝驱动蛇形臂机器人关节类型及其结构特点。其次以一种含有典型关节的丝驱动蛇形臂机器人为例,详细分析被动柔顺特性的产生机理,进而提出一种被动柔顺指标。通过研究丝驱动蛇形臂机器人的关节结构参数对被动柔顺指标的具体影响,得到了可避免被动柔顺特性的关节参数设计要求。在此基础上,建立3种不具有被动柔顺特性的丝驱动蛇形臂机器人构节。
一种软体末端执行结构设计与试验分析
曹淼龙, 杨元健, 张波, CHIWAWATafara Austine
2022, 41(2): 207-212. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200315
摘要:
设计了一种类似于手指的末端执行器结构, 包含3个"关节", 由邵氏硬度为83 A的热塑性弹性体(TPE)3D打印而成。因成型温度等因素对材料结构参数的影响, 通过拉伸试验获取应力应变曲线, 计算出基于Mooney-Rivlin模型下当前材料参数C10C01, 籍此有限元软件仿真分析其弯曲性能, 进行弯曲性能试验对比分析有限元仿真结果。搭建试验台架进行抓取试验, 有效抓取0~100 g范围内的试验物体。
十一柱塞航空泵转子系统轴径比对功重比的影响
郭长虹, 罗进, 权凌霄, 张青松
2022, 41(2): 213-219. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200316
摘要:
为研究不同轴径比转子系统对航空泵功重比的影响, 建立了十一柱塞航空液压泵缸体、传动轴、支撑轴承这3部分组成的转子系统。首先, 建立了泵排量、流量和功率的计算模型, 基于排量不变原则, 设计了16组不同轴径比的航空柱塞泵转子系统, 并对缸体强度进行理论校核; 然后建立了转子系统的功重比计算模型; 最后, 通过对缸体强度有限元仿真计算和功重比理论计算, 得到了重构建的不同轴径比缸体能够满足转子系统的强度要求和不同轴径比转子系统对功重比的影响规律。为后续航空液压泵的不平衡响应分析以及缸体结构优化设计提供了理论支撑。
精密制造与加工
椭圆凹坑布置对钻头滑动轴承减磨性能的影响
罗敏敏, 钟林, 王国荣, 廖文玲, 魏刚
2022, 41(2): 220-226. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200338
摘要:
利用纳秒激光打标机在钻头滑动轴承销-盘单元试样表面加工椭圆凹坑织构, 其长轴为600 μm, 深度20 μm保持不变, 短轴200~500 μm范围。采用MDW-1型立式万能摩擦磨损试验机的销-盘摩擦副开展试验载荷为435 N、速度为0.29 m/s模拟工况下的牙轮钻头滑动轴承单元摩擦学试验, 研究椭圆凹坑织构分别加工于滑动轴承轴径和轴套表面时对钻头滑动轴承摩擦学性能的影响。结果表明: 椭圆凹坑同时交错分布于销、盘试样表面的润滑减磨效果最优, 椭圆凹坑同时平行分布于销、盘试样表面的润滑减磨效果最差。
在线产品评论中用户体验信息采集与分析方法
成方敏, 余隋怀, 初建杰, 胡宇坤, 赵杭
2022, 41(2): 227-234. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200408
摘要:
面向产品设计改进, 提出一种在线产品评论中用户体验信息采集与分析方法。首先构建用户体验要素模型; 然后, 依据要素模型采用分步提取的方法提取单个评论句中的用户情感、产品特征和使用情境三类要素; 最后, 对提取出的用户体验要素信息进行分类整合, 通过定量分析评论数据识别出对用户体验影响较大的产品特征和使用情境。以京东商城上某款智能手机的在线评论为例进行实例验证。实验结果表明, 方法能有效提取在线产品评论中的用户体验要素, 识别对用户体验产生较大影响的产品特征和使用情境, 辅助设计师有针对性地改进产品设计。
Bi2Te3基晶棒线锯切片翘曲度的有限元分析
赵华东, 马新伟
2022, 41(2): 235-238. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200345
摘要:
碲化铋基热电材料切片的翘曲度对热电制冷片的质量有重要影响, 是多线切割过程中必须控制的质量因素。通过建立多线切片过程的顺序耦合热应变分析有限元模型, 以切片表面节点位移反映切片翘曲度。首先建立温度场三维有限元模型, 模拟切割过程温度场分布; 然后以温度场结果为边界条件, 建立热应变分析模型; 按照不同的张紧力、进给速度、线速度工艺参数组合进行仿真模拟, 计算出相应的翘曲度值, 研究翘曲度与各工艺参数之间的关系。结果表明: 张紧力增加, 翘曲度减小; 进给速度增加, 翘曲度增大; 线速度增大, 翘曲度增大。
往复式手动攻丝扭矩分离与降扭机理试验研究
陈婷, 郑建明, 胡亚卿, 曹超, 赵晨
2022, 41(2): 239-245. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200317
摘要:
小直径内螺纹攻丝存在扭矩大、丝锥易折断、螺纹质量差等问题, 目前仍以手动攻丝为主要加工手段。本文分析了手动攻丝往复式进退对攻丝扭矩的作用机理, 建立了考虑切削、挤压摩擦与切屑阻力的攻丝过程扭矩模型。通过试验测试获得了手动攻丝过程扭矩变化规律与攻丝扭矩的分离, 研究了往复式手动攻丝熨压次数与切屑碾压折断对摩擦扭矩及切屑阻力扭矩的影响规律。结果表明挤压摩擦扭矩与往复熨压次数呈指数减小规律, 切屑阻力扭矩随连续攻丝时间呈线性增长, 建立的攻丝扭矩公式可准确预测攻丝过程扭矩的变化趋势, 为实现自动仿人攻丝运动策略提供了依据。
改进VMD-LSTM法在刀具磨损状态识别中的应用
姜超, 李国富
2022, 41(2): 246-252. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200627
摘要:
针对车刀在实际加工时工况复杂导致磨损状态识别精度不高的问题,提出了一种基于最大包络峰度法的变分模态分解(Variational mode decomposition,VMD)结合长短时记忆网络(Long short-term memory,LSTM)的组合分类算法。采用最大包络峰度法确定VMD最佳分解模态数,计算信噪比对高频信号进行降噪重构,然后对原始信号以及分解后的信号进行特征提取和清洗,针对数据样本不均衡的问题,引入SMOTE算法合成少数类样本,结合特征变化以及刀具加工过程中的磨损划分数据集,使用LSTM模型实现多工况下车刀磨损状态的分类。最后通过实验验证所提出的模型和方法的有效性,实验结果表明,此模型与其他分类模型相比具有更高的分类精度以及更好的泛化性。
NURBS曲线插补弓高误差的双向Hausdorff距离评估方法
鲁毛毛, 刘宝泉, 徐梦杰, 方建平
2022, 41(2): 253-262. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200577
摘要(340) HTML (148) PDF 3134KB(46)
摘要:
数控系统中采用插补方法进行复杂曲线加工会引入弓高误差。利用密切圆(Osculating circle,OC)近似法和单向Hausdorff距离近似法可以获取弓高误差并对其进行后续补偿,但弓高误差求解与补偿精度较低。基于弓高误差的双向Hausdorff距离定义,提出了一种弓高误差的迭代评估算法。该算法能在不考虑曲线复杂度的情况下提升弓高误差的求解精度,并获取满足误差限制要求的最大插补步长,从而进一步生成精确的进给速度限制,防止加工精度及效率因引入其它误差而下降。最后利用该算法对‘∞’形和花瓣形NURBS曲线进行仿真,仿真结果验证了算法的性能及其有效性。
薄壁零件铣削的磁流变弹性体吸振器的理论分析及试验
杨清艳, LIWeihua
2022, 41(2): 263-269. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200319
摘要:
薄壁件由于刚性差,在铣削过程中难免会出现各种扰动,从而容易发生颤振,严重影响了加工零件的精度和表面质量。为了解决该问题,考虑到同种材料不同尺寸的工件,或者不同材料的工件其固有频率不同,提出了在加工过程采用变频率的磁流变吸振器(Magneto rheological elastomer (MRE) absorber)的方法。文中详细介绍了磁流变吸振器的设计过程,并对吸振器的在不同电流下的频率进行测试,分析了磁流变吸振器在铣削加工中使用性能,对比铣削系统的稳定性叶瓣图及抗干扰的能力。结果表明所设计的变频率磁流变吸振器对于防止切削颤振是可行的,并且可以通过改变通电电流将其应用于不同材料的工件,不同尺寸的工件。
钛合金超声振动辅助切削锯齿形切屑形成机理的数值分析
陈德雄, 陈金国
2022, 41(2): 270-277. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200353
摘要(182) HTML (104) PDF 4703KB(17)
摘要:
超声振动辅助切削(UVAM)作为一种新颖而有效的加工技术,可有效提高工件的切削加工性能,被广泛应用于钛合金切削加工领域。建立热-力耦合模型仿真超声振动切削钛合金Ti6Al4V的瞬态切削过程,研究不同振幅对钛合金锯齿切屑的影响。数值研究结果表明:超声振动与切削速度的耦合作用导致材料出现大塑性变形,且高温是形成锯齿形切屑的主要原因。随着振动振幅的增大,切屑的弯曲半径、锯齿齿距和锯齿化系数均随之增大。本文结论为钛合金超声振动辅助切削的锯齿形切屑形成机理研究提供了参考。
仪器、仪表科学与技术
SOM与EWMA在滚动直线导轨故障预测中的应用
钟健康, 陈元华, 张瑞宾
2022, 41(2): 278-287. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200343
摘要:
提出了一种基于机器学习的滚动直线导轨故障预测集成方法。首先,通过寿命试验,对由三轴加速度传感器采集的振动信号进行小波包分解,提取分部能量作为信号特征;其次,运用提取的特征训练自组织映射(Self-organizing map,SOM)神经网络,应用训练后的SOM识别线轨健康状态;最后,使用最小量化误差与指数加权移动平均控制图(Exponentially weighted moving-average,EWMA)实现动态故障预警。该方法将SOM与小波包分解相结合,选用最小量化误差构建EWMA控制图,解决了线轨状态监测可视化与疲劳程度数值评定问题,验证了该集成方法用于直线导轨故障预测的有效性。
运载工程
白车身焊点电涡流检测尺寸辨识方法研究
王月, 凌鹤, 姚旭朝
2022, 41(2): 288-294. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200324
摘要:
本文主要对车身焊点尺寸模式识别方法进行研究,利用COMSOL仿真工具,建立电涡流传感器检测焊点的简化模型,分析焊点对涡流检测电压的影响,通过实验验证仿真结果。得到结论如下:激励频率越大,涡流趋肤深度越小,检测灵敏度越大。提离高度越大,钢板表面电涡流密度越小,检测灵敏度越低,焊点更难测量。焊点会引起检测线圈的输出电压呈凸起状态,有明显的波峰信号,焊点的尺寸越大,输出电压幅值越大。本文将检测电压曲线的时域积分和电压幅值梯度的波长宽度作为特征值,与焊点尺寸进行回归分析来辨识焊点尺寸信息,通过不同深度焊点相轨迹的频率响应来辨识焊点的深度信息。
正面碰撞安全气囊点火时刻的研究
田钰楠, 郝琪, 毛怡, 刘宇
2022, 41(2): 295-299. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200341
摘要(430) HTML (206) PDF 1624KB(22)
摘要:
以安全气囊点火时刻为研究对象, 根据乘员碰撞能量守恒及T5in-30 ms原则, 推导出正面碰撞下安全气囊最佳点火时刻的计算公式, 利用小型纯电动汽车的碰撞试验参数计算安全气囊的点火时间。建立驾驶员约束系统有限元模型, 讨论气囊点火时刻对乘员损伤的影响趋势, 最后用乘员加权伤害准则WIC稳定的最低范围确定最佳气囊点火时刻。结果表明, 公式计算出的安全气囊点火时刻与仿真结果得到最佳点火时刻一致并且乘员伤害值符合要求, 验证了安全气囊点火时刻公式的准确性。
材料科学
铣削参数对碳纤维复合材料力学性能影响研究
龚佑宏, 范文涛, 陈燕, 郭南, 刘军, 刘卫平
2022, 41(2): 300-305. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200320
摘要:
为研究铣削参数对复合材料力学性能的影响, 开展了以主轴转速与进给量2个变量为试验因素的全因素铣削加工试验, 并统计分析了不同加工参数下复合材料试样的拉伸性能及压缩性能。试验结果表明: 复合材料的拉伸性能和铣削加工参数无关, 而压缩性能随着主轴转速的提高而降低, 与进给量无关。同时, 不同加工条件下的拉伸及压缩测试断口形貌表明, 过高的主轴转速会造成加工区域基体的热损伤, 分析认为这是造成材料压缩性能下降的原因。
深冷处理对钴基合金摩擦磨损性能的影响
王兴富, 李永刚, 李学楠, 师佑杰
2022, 41(2): 306-310. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200344
摘要:
将K6509钴基合金样品在-196 ℃液氮中深冷4~44 h, 通过金相分析、硬度分析等技术手段研究深冷处理后微观结构以及力学性能的变化情况, 对深冷后的钴基合金样品进行直线往复式摩擦磨损实验, 研究其摩擦因数和磨损率的变化情况。试验结果表明, 随着深冷时间的延长, 硬度基本呈逐渐提高趋势, 深冷44 h后硬度达到最高, 较未深冷样品提高了23.6%, 通过摩擦磨损试验研究, 发现经深冷后的钴基合金样品的摩擦因数曲线变得较为平稳, 平均摩擦因数明显降低, 其中DCT36钴基合金样品摩擦因数最为平稳, 并达到最低的摩擦因数, 磨损率随着深冷时间的延长先提高后降低, 其中DCT28钴基合金样品磨损率达到最高, 在加载载荷为3 N、4 N、5 N的工况下磨损率分别提高了57.91%、44.29%、27%。
航空、宇航工程
面向高精度手工操作的增强现实指令设计
王卓, 白晓亮, 郭健, 谢饶生, 任志伟
2022, 41(2): 311-315. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200326
摘要:
在增强现实装配中, 高精度的手工任务只能由有经验的工人来完成, 其原因在于他们已经将反映操作精度的信息转化为了一系列手工操作法则。由于暂未在大脑中形成这些法则, 致使新手的操作精度不高、操作效率低下。为了描述这些法则, 本文首次阐述了面向操作精度的AR可视化定义了, 明确它与传统AR可视化在引导操作方面的区别和联系。其次, 提出了一种面向手工操作法则的增强现实指令(MicroAR)。根据传统AR和MicroAR, 分别设计了对应指令辅助新手的微装配过程。通过案例研究测试了这2个界面在物理任务下的装配时间、操作体验等方面的性能。结果表明MicroAR指令比传统AR指令能更好地提升用户的装配效率, 加深用户对于任务的认知程度。
鲁棒近似时间最优的EMA位置伺服策略研究
张瑶, 赵东标, 付文强
2022, 41(2): 316-321. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200342
摘要:
针对EMA(机电作动器)伺服系统中常见的速度限幅处理以及高动态响应要求, 提出了一种基于1阶LADRC(线性自抗扰控制算法)速度环的PTOC(鲁棒近似时间最优位置控制)控制策略。将速度环与位置环控制律进行结合, 避免一般PTOC伺服系统中对速度控制律与位置控制律的切换。分析了速度环不同工作状态下对PTOC控制律的影响, 分别设计了速度环饱和以及非饱和工作状态下的PTOC控制律。针对典型PTOC控制律中参数选择过于保守的问题, 提出了一种基于可变切换区和线性区的改进方法, 并且给出了稳定性证明。仿真实验结果表明, 提出的控制策略能够有效提高EMA的位置伺服动态性能以及对扰动的抵抗能力。
飞机金属加筋壁板结构强度校核软件设计与实现
艾森, 王晓辉, 许向彦, 吴存利, 聂小华
2022, 41(2): 322-328. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200604
摘要:
作为飞机结构的主承力构件, 加筋壁板结构的强度校核一直是设计人员重点关注的问题之一。为降低该项工作的复杂性和重复性, 在国产CAE软件平台HAJIF基础上, 研发了金属加筋壁板结构强度校核软件, 实现了强度校核工作的流程化和自动化。软件采用统一分层架构思想, 依次研发了独立的前端界面、强度计算、工作应力提取、结果后处理等核心模块, 并与HAJIF软件的前后置有机融合, 实现模块之间的统一调度。验证算例表明, 该软件能够满足飞机加筋壁板典型分析情况校核要求, 符合强度校核流程和使用习惯, 明显提高了强度设计与分析人员的工作效率。