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2022年  41卷  第7期

机械动力学
汽雾冷却下切削GH4169切削温度仿真与试验分析
冯新敏, 董庆尚, 胡景姝, 王柏惠
2022, 41(7): 985-991. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200421
摘要:
为了研究汽雾冷却下切削GH4169的冷却效果, 本文对汽雾冷却条件下切削GH4169的切削温度进行了试验和仿真分析。首先使用热电偶测温并采用导热反求法将热电偶测得的温度转化为实际的切削温度, 分析干切削和汽雾冷却下切削温度的变化情况。其次建立了汽雾冷却仿真模型, 设置与试验相同的切削参数进行仿真计算, 分析不同汽雾参数对切削温度的影响及产生这一影响的原因。分析得出汽雾冷却能够明显的降低切削温度; 切削温度随着压力参数的增大下降明显, 随着流量参数的增大无明显的变化。
利用平均振动响应能量的螺栓松动检测方法
伍济钢, 邵俊, 周根, 阳德强, 成远
2022, 41(7): 992-997. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200427
摘要:
为简单有效检测结构的螺栓松动故障, 提出了一种利用平均振动响应能量的螺栓松动检测方法。首先, 建立振动响应能量相关的螺栓松动损伤指标; 然后, 为减少噪声对数据结果的影响, 提出将平均振动响应能量作为螺栓松动损伤指标; 最后, 利用螺栓松动前后该指标相对变化量构造损伤指数, 并根据损伤指数大小判断松动螺栓所在位置。实验结果表明, 该方法能有效的进行螺栓松动位置检测。
回流式自激振荡射流喷嘴内部流动特性分析
于振兴, 王宗明, 雷纯兵, 周耀东, 仇性启
2022, 41(7): 998-1002. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200437
摘要(143) HTML (112) PDF 2840KB(23)
摘要:
为解决风琴管喷嘴、赫姆霍兹喷嘴和空化喷嘴较难适用于如钻井液输送等较低频率的场合的问题, 基于附壁效应和回流反馈作用设计了一种新型的回流式自激振荡喷嘴, 应用FLUENT软件对喷嘴的内部流动特性进行了数值模拟, 揭示了射流自激脉动机理, 得到了回流式自激振荡喷嘴脉动流场和频率特性。结果表明, 基本型喷嘴出口速度脉动范围22~39 m/s, 脉冲频率67.1 Hz, 脉动稳定、频率较低; 在出入口压差一定情况下, 脉动频率受围压影响小, 并随振荡腔长度增加而降低, 变型设计容易, 为新型自激振荡脉冲射流喷嘴的开发提供了参考。
滚动电磁式振动能量采集器的结构建模和非线性分析
杨佳星, 陈海川, 宋英子, 龙立
2022, 41(7): 1003-1008. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200417
摘要:
滚动电磁式振动能量采集器利用磁吸力作为回复力。基于非线性分析方法构建滚动电磁式振动能量采集器等效动力学模型, 并重新评估系统中运动磁体的运动方程; 利用有限元方法计算非线性磁力, 通过实验估算系统阻尼, 并分析阻尼对输出性能的影响; 在线圈两端连接阻性负载, 通过比较能量采集器的数值计算结果和实验结果分析洛伦兹力对输出的影响。结果表明: 考虑洛伦兹力对输出性能的影响后, 在13.5 Hz的条件下, 负载电压的计算值和实验值的最大误差从20%降到9%;最大功率对应的阻性负载值由114变为160。通过对比模拟和实验的结果证明, 考虑非线性效应的等效模型能为此类结构的实验研究做指导。
工业机器人关节传动系统机电耦合振动特性分析
仪凌霄, 王之海, 柳小勤, 赖泽浪
2022, 41(7): 1009-1017. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200407
摘要(195) HTML (262) PDF 3682KB(32)
摘要:
在工业机器人常规作业中, 由于关节处存在扭转振动和转矩脉动的现象, 使机器人关节传动系统的末端精度和响应速度受到了严重的影响。因此, 针对关节伺服传动系统的振动问题, 本文首先建立了关节传动系统机电耦合动力学模型, 并对系统的扭转振动与机电耦合振动进行分析。随后开展传动刚度、转动惯量等参数对系统谐振频率影响的研究, 并通过数值方法研究了磁链系数等电气参数与电流谐波频率对系统振幅与调节时间的影响, 最后分析了关节各元件对传动系统的振动影响。研究结果表明, 建立的传动机电耦合模型, 分析系统的扭振、机电耦合等振动特性可有效仿真工业机器人关节传动系统。
视觉机械臂物体识别与抓取技术研究及系统开发
秦志民, 高振清, 高宝雷, 文博宇, 杜艳平, 李宏峰
2022, 41(7): 1018-1022. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200385
摘要(133) HTML (1957) PDF 1635KB(126)
摘要:
为了实现机械臂的目标自动识别与抓取, 基于深度学习检测算法DarkNet-53开展了研究工作, 搭建了结合视觉机械臂的目标抓取实验平台。在深度学习框架下进行特征提取, 采用YOLOv3完成了目标快速分类检测。采用基于DarkNet-53的五参数法完成了目标位姿的检测, 并在物理样机上进行实验测试。研究结果表明, 通过深度学习算法可以实现对目标物体的快速分类识别和抓取区域分析, 实现自动识别与抓取。
转子槽形结构对离心泵水力特性及压力脉动影响研究
柴博, 董浩, 李文华
2022, 41(7): 1023-1030. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220141
摘要(118) HTML (121) PDF 6006KB(15)
摘要:
为提高航空领域小型高转速离心泵的水力性能, 减轻重量并简化机械结构, 且具备更好的轴向力平衡能力, 设计一种新型单级小比转数转子槽形结构离心泵。搭建离心泵水力性能实验台, 研究不同工况下槽形结构对离心泵水力性能及压力脉动的影响, 并结合数值模拟对比分析。研究表明: 转子槽形结构的离心泵与传统离心泵相比, 出口压力、扬程、有效功率分别提升了约7.89%、7.53%、11.1%。实验与数值模拟分析在额定工况下的出口压力、扬程、有效功率误差均小于1.5%, 临界空化余量为1.488 m, 压力脉动总体幅值小于0.2, 且峰值发生在了叶轮2倍频附近。验证了高速小比转数离心泵电机转子上引入螺旋槽结构设计是合理的。
混沌区间多目标粒子群优化算法及其应用
李俊, 李济顺, HALGurgenci, 李伦, GUANZhiqiang, 杨芳
2022, 41(7): 1031-1038. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200456
摘要:
超临界二氧化碳(sCO2)Brayton循环作为下一代能量转换技术近年来得到了广泛的关注。为了综合优化设计Brayton循环轴系的支承和冷却系统参数,基于Riccati传递矩阵,综合考虑了转子的不平衡响应,临界转速和不平衡响应在工作转速点处的导数,建立了高速轴系多目标优化模型。针对轴系的sCO2气体冷却装置的刚度非线性,利用混沌映射引入了混沌区间概念,提出了一种混沌区间多目标粒子群优化算法(CIMPSO),用于解决多目标下二维非线性变量的优化问题。应用CIMPSO算法对微型超临界二氧化碳透平机转子的轴承间距,轴承座的刚度、阻尼和参振质量,和sCO2气体冷却装置的刚度进行了多次综合优化计算,结果表明:优化后的模型共振幅值得到有效抑制,且临界转速点远离工作转速,体现了优化算法的鲁棒性。最后基于任意一组优化解和经验解,建立轴系的有限元模型进行仿真计算,结果表明优化解对于转子系统的设计、控制转子的振动具有一定的指导意义。
响应面法在汽车侧面结构多目标优化中的应用
孙喜龙, 王登峰, 荣宝军, 李汝恒
2022, 41(7): 1039-1047. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200448
摘要(173) HTML (100) PDF 5402KB(19)
摘要:
针对车身侧面结构抗撞性能不足的问题,利用拉丁超立方试验设计方法以及整车仿真模型,建立13个设计变量7个响应的样本数据,并构建3阶多项式响应面近似模型,最后利用模拟退火优化算法,对侧面结构进行多目标优化。优化结果表明,在B柱和门槛区域,使用高强度钢板以及增加板厚的方法,有效提高车身的侧面抗撞性能;优化思路由传统的设计经验与仿真模拟、试验验证的组合方式转变为数学优化问题,降低优化方案对设计经验的依赖,有效提高优化效率和解的精度。
精密制造与加工
钨电极侧壁绝缘双极性脉冲电解加工工艺研究
周佐霖, 马世赫, 张永俊, 罗红平, 刘桂贤
2022, 41(7): 1048-1054. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200428
摘要:
为了解决电解加工中难以对工具侧壁绝缘以及工具涂覆的绝缘层易于损耗的问题,提出了一种在钨工具电极侧壁实时生成绝缘层的方法。为了实现该方法,设计了正负电压、占空比均独立可调的双极性脉冲电解电源。该电路使用两路MOSFET管对两独立直流电源进行控制,并使用STM32控制两路MOSFET管。实验结果表明,实际输出电压波形满足设计要求,输出电压频率在240 kHz以下时有较好的波形;选用1 mm钨棒为工具电极并使用正电压为12 V(占空比为20%),负电压为19 V(占空比为50%),正脉冲时间占总脉冲时间90%的双脉冲电源加工不锈钢,对比钨棒侧壁不绝缘的情况,其定域性得到明显改善。
一种流水车间预测性维护与生产调度集成优化方法
李杨, 杨明顺, 陈曦, 韩周鹏, 徐二宝, 李言
2022, 41(7): 1055-1061. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200434
摘要:
生产调度和设备维护是制造车间的两项重要活动,将预测性维护与生产调度研究相结合,既能保证车间生产调度计划正常运行,提升车间加工效率,提高产品质量;又有效地控制机器维护成本,对企业内部资源整合,做出合理分配。针对车间物联网环境下设备预测性维修及生产调度困难问题,提出了一种流水车间设备预测性维护与生产调度集成优化方法。以机器发生故障时所属的状态区间为维护活动的决策依据,考虑机器完美维护和非完美维护两种维护方式,建立流水车间以加工时间最小为目标的预测性维护与生产调度集成优化模型,并设计一种改进的蝙蝠算法求解该问题。最后通过实例验证了所提方法的有效性与可行性。
纳米切削镍基单晶合金亚表面缺陷演化机理研究
刘娴萍, 郝兆朋, 娄在祯, 范依航
2022, 41(7): 1062-1069. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200445
摘要(446) HTML (279) PDF 3982KB(29)
摘要:
零件加工过程中亚表面缺陷的产生与演化直接影响其表面质量与使用寿命,一直是企业界与学术界关注的焦点。从缺陷演化和能量变化角度结合分子动力学的方法研究了氮化硅陶瓷刀具切削镍基单晶合金过程中亚表面缺陷演化机理。采用混合势函数描述切削镍基合金系统原子间的作用力。分析了各种位错,层错的形核、扩展和位错线类型的转化;深入探讨切削速度变化诱发的亚表面缺陷的种类、数量、深度与面积、体系势能、晶体结构变化等对加工表面质量的影响。研究结果表明:提高切削速度能够有效降低亚表面缺陷的数量与面积,改善加工零件的表面质量。
曲线齿锥齿轮加工中的应力及形变分析
王斌, 范明星, 闫晨宵, 曹雪梅, 李天兴
2022, 41(7): 1070-1075. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200634
摘要:
特大型曲线齿锥齿轮轮坯在切齿加工过程中的刚度变化,内应力重新分布导致轮坯加工后变形严重,切齿加工导致的变形量与轮坯的残余应力分布状态密切相关。针对这一问题,本文通过有限元软件进行仿真分析,提取轮坯表面及内部截面的应力云图,探究其整个加工过程中的应力分布演变规律,研究切齿过程中轮坯内应力演变的内在作用机理及对其变形产生的影响。最后,进行了剖分轮坯的实际切齿加工及变形测量实验。结果表明,仿真加工与加工实验的变形规律相吻合,轮坯变形特征与初始残余应力的变化规律相适应。
WPD和SVM-PSO在微铣刀磨损在线监测中的应用
王二化, 刘颉
2022, 41(7): 1076-1084. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200431
摘要:
为提高微铣刀磨损状态的预测精度和计算效率,本文提出了一种基于小波包分解(Wavelet packet decomposition, WPD)和支持向量机-粒子群优化(Support vector machine-particle swarm optimization, SVM-PSO)的微铣刀磨损在线监测方法。首先根据刀具使用时长和磨损程度将微铣刀磨损分为初始磨损、轻度磨损、中度磨损、重度磨损和刀具失效5种状态;接着对采集到的振动信号进行WPD变换,提取小波包关键节点的能量比和小波包系数峭度作为磨损特征,并分析了不同切削参数对这2个特征的影响;最后利用SVM-PSO模型进行微铣刀磨损状态分类与预测。研究结果表明,和网格搜索法相比,本文提出的微铣刀磨损在线监测方法在计算精度和效率方面具有综合优势,可以为其它刀具磨损监测提供必要的理论基础和实践指导。
仪器、仪表科学与技术
爬壁机器人固定/有限时间滑模轨迹跟踪控制研究
赖欣, 李嘉禾, 彭天宇, 张晨蕾, 王森
2022, 41(7): 1085-1094. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200435
摘要(223) HTML (116) PDF 2981KB(32)
摘要:
针对轮式爬壁机器人轨迹跟踪精度问题,本文提出一种利用固定/有限滑模变结构算法构建的双闭环轨迹跟踪控制系统。双闭环分别采用外环位置控制器输出期望线速度和内环姿态控制器输出期望角速度,根据爬壁机器人运动学方程和运动学误差方程分别设计了固定时间滑模和有限时间滑模控制来实现爬壁机器人跟踪轨迹,完成了直线、正弦、圆轨迹跟踪仿真测试。仿真结果表明固定/有限滑模在跟踪精度、收敛速度和收敛时间上优于普通滑模控制,提高了爬壁机器人的跟踪性能。
一种蚁群算法与自适应机制的路径规划算法优化
李奇才, 舒远仲, 洪宇轩
2022, 41(7): 1095-1101. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200426
摘要(137) HTML (101) PDF 1686KB(18)
摘要:
针对目前移动机器人的路径规划问题,提出一种新的自适应机制建立信息素更新策略,通过增加自适应阈值以及优化蚁群算法生成的路径,使得生成的路径符合真实运动轨迹,提高移动机器人在行走过程中对未知环境的适应性和高效性。首先建立栅格地图和输入初始信息素和设置算法参数,将蚂蚁置于起点并计算当前状态转移概率。然后将获取到的当前自适应阈值与状态转移概率进行比较,根据比较结果选择蚂蚁行走的下一节点,更新路径直到蚂蚁到达终点,直到这一代M只蚂蚁全部遍历。最后动态更新信息启发因子α、期望启发因子β和信息素,重复步骤直到迭代完成,对生成的路径进行优化处理并输出最优路径。实验和应用表明,该方法解决了移动机器人在路径规划开始时缺乏信息素的问题,加快收敛速度,更符合移动机器人行进的运动轨迹,适用于未知动态环境中移动机器人的路径规划。
改进鲸鱼优化算法的空间直线度误差评定
陈玉, 韩波, 许高齐, 阚延鹏, 赵转哲
2022, 41(7): 1102-1111. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200432
摘要:
空间直线度误差评定计算问题本质上属于非线性优化问题,采用传统的数学计算方法很难对其进行求解,且求解精度不高,而智能优化算法在求解该类问题具有较大的优势。因此,本文提出将改进鲸鱼优化算法应用于空间直线度误差评定,该方法满足最小区域条件。首先建立了空间直线度评定的最小区域法数学模型,得出空间直线度目标函数;其次阐述了基本鲸鱼优化算法的原理,并针对其不足,对鲸鱼优化算法的3方面进行改进,采用拉丁超立方体抽样方法初始化种群,增强了种群多样性,将非线性收敛因子取代基本鲸鱼优化算法中的线性收敛因子,并将非线性惯性权重引入鲸鱼优化算法中。通过仿真测试,该算法在收敛速度、精度和稳定性都得到了有效提高,最后,通过两个空间直线度误差评定实例进行验证,结果表明,改进的鲸鱼优化算法在评定精度上要比两端点连线法、鲸鱼优化算法、遗传算法和粒子群算法等算法都更具优势。
运载工程
GA-BP工况识别的增程式电动汽车能量管理策略优化
白书杰, 魏长银, 陈勇, 张建军
2022, 41(7): 1112-1120. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200439
摘要(124) HTML (104) PDF 4096KB(20)
摘要:
为了改善增程式电动汽车在复杂工况下的燃油经济性,提出一种利用遗传算法优化的反向传播神经网络(GA-BP)工况识别的规则能量管理策略。针对BP算法收敛速度慢、泛化能力差的问题,采用遗传算法优化BP神经网络。以中国工况中市区、市郊、高速作为工况类别,工况速度曲线为BP神经网络训练样本,构建遗传算法优化的BP神经网络识别器。在识别的工况下,以能耗费用为燃油经济性的评价指标,采用果蝇算法优化规则能量管理策略参数。仿真结果表明,使用遗传算法优化的BP神经网络识别正确率达到99.99%,优于未进行优化的神经网络识别;基于工况识别的能量管理策略,合理分配增程式电动汽车工作模式,有效的降低燃油消耗。
重型自卸车防侧翻模型预测控制研究
廖子文, 宫爱红, 胡明茂
2022, 41(7): 1121-1127. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200433
摘要(222) HTML (163) PDF 2320KB(24)
摘要:
针对重型自卸车在极限工况下的侧翻稳定性问题,提出一种基于模型预测控制(MPC)的差动制动控制算法。根据重型自卸车参考模型建立控制矩阵,以质心侧偏角、横摆角速度、侧倾角为决策依据,以横向载荷转移率作为侧翻评价指标,通过差动制动的方式为车辆提供附加稳定力矩从而达到提高汽车行驶稳定性的目的。采用MATLAB/Simulink与TruckSim联合仿真,在两种典型侧翻工况下进行仿真试验。结果表明,所设计的基于模型预测控制的防侧翻控制系统能有效地抑制汽车侧翻,保障行驶安全,提高了重型自卸车的侧翻稳定性。
材料科学
碳纤维/环氧树脂预浸料固化动力学建模研究
高腾龙, 余建虎, 许英杰
2022, 41(7): 1128-1135. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200430
摘要(140) HTML (454) PDF 4545KB(54)
摘要:
采用动态及等温的差示扫描量热法(DSC)对碳纤维/环氧树脂预浸料体系的固化过程进行了研究,分别建立了预浸料的玻璃化转变温度方程和固化动力学方程。通过n级反应动力学模型、自催化模型以及改进后的Kamal模型3种方法对预浸料体系固化动力学方程进行建模和对比,并通过等温DSC试验数据对模型进行验证。最终结果表明,预浸料的固化过程可以分为两个子反应,改进后的Kamal模型能够更为准确的描述该固化过程,拟合数据与动态和等温试验数据均能很好的吻合。
航空、宇航工程
径向管流扰动式旋转稳定弹丸气动特性研究
崔思林, 刘星, 姜寿山, 郭甲崇
2022, 41(7): 1136-1141. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220077
摘要:
为了研究一种具有管流结构的新型旋转稳定弹道修正弹的空气动力学特性,采用计算流体力学方法,对管流结构弹丸在不同马赫数及攻角下的流场进行研究。通过分析弹丸内、外流场的压力及速度分布,研究了管流结构弹丸的流场结构特征,得出了不同飞行条件下弹丸的气动特性变化规律。数值模拟结果表明:当弹丸飞行马赫数Ma 0.4~1.4,攻角在0~6°范围内,其迎面来流可以从管道顺利导出,可以产生径向扰动修正效果。与亚音速相比,超音速飞行时弹丸的阻力特性受马赫数影响更为突出,弹丸的气流通道入口处压力增大,有明显的阻塞效应。
典型航空翼面结构静气弹分析软件设计与实现
王晓辉, 常亮, 聂小华
2022, 41(7): 1142-1148. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220139
摘要:
静气动弹性问题是航空飞行器结构设计必须考虑的力学问题。SABRE软件系统求解功能覆盖静、动、热和气弹分析等。介绍了SABRE软件静气弹分析的基本理论方法,然后结合工程分析流程、基于Qt和C++开发框架、采用人机交互模式设计实现了一种高效的可支持静气弹分析的三维图形用户界面和方法,包含静气弹几何参数、气动分区自动生成、求解响应和二维曲线后处理模板等。本软件可方便快速地完成机翼结构静气弹分析模型的构建和分析评估。经过工程实例测试验证,该软件固化了静气弹分析流程,提高了分析效率且性能可靠。