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2023年  42卷  第6期

机械动力学
递归特征消除与极端随机树在铣刀磨损监测中的研究
刘献礼, 秦怡源, 岳彩旭, 魏旭东, 孙艳明, 郭斌
2023, 42(6): 821-828. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220001
摘要(253) HTML (151) PDF 1804KB(33)
摘要:
针对金属铣削过程中刀具磨损监测问题,本文提出了一种基于递归特征消除和极端随机树相结合的刀具磨损监测模型。首先对力、振动和声发射信号的时域、频域特征进行提取,分别采用逻辑回归、分类与回归树、线性回归、线性判别分析作为递归特征消除的基模型进行特征降维。再利用处理后的特征对K近邻、支持向量回归、极端随机树模型进行训练,得出多种监测模型。通过对比刀具磨损拟合曲线图和分析评估结果的标准差,可得出基模型为分类与回归树的递归特征消除,与极端随机树算法相结合模型拟合度达到99.74%,评估结果的标准差为4.04。结果表明该方法能够实现对铣刀磨损的有效监测,从而提高零件加工质量。
折叠突变的列车脱轨理论研究与仿真
刘雨梦, 刘学文, 张文静
2023, 42(6): 829-834. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220017
摘要:
随着轨道交通的发展,列车成为出行货运的重要交通工具,所以找到有效的评价列车脱轨的方法成为研究重点。本文研究了直线道路上列车行驶过程的状态突变现象。将突变理论运用到列车脱轨研究分析中,基于初等突变理论里的折叠突变,考虑列车横向振动加速度以及重心偏转角对列车脱轨的影响,建立列车脱轨事故折叠突变模型。对直线上行驶的列车临近脱轨时受力分析,依据弹性势能不变值原理以及泰勒展开式,推导出列车脱轨事故的折叠突变势函数方程,通过分析突变模型的平衡曲线以及分叉集,给出了列车运行时脱轨的危险区。应用Simpack软件建立车辆轨道模型,施加不同类型的路面激励谱,将仿真结果与突变模型中的平衡曲线和分叉集进行分析对比,得到:当列车运行导致横向振动加速度由平衡曲线下半支跃升到上半支时,脱轨系数增大,列车脱轨风险增大。最终得到基于折叠突变理论的新的列车脱轨评价方法。
油气管道智能封堵机器人新型双球面连接器研究
唐洋, 刘祥, 吴杰, 王远, 熊浩宇
2023, 42(6): 835-841. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220025
摘要:
本文所设计双重球面抱合的球铰式可过线万向连接器,用于机器人各单元间的连接与通讯。并且介绍了该连接器的创新性与特点,采用多体动力学仿真分析其轴向载荷对转动角速度及转动力矩的影响;进行转弯实验,对比理论与实际转向角度,测试转动的力矩大小。结果表明:连接器的理论和实际的转向角度相差仅为5°,转向过程中,球头杆先转动到极限位置后接触到球壳体,然后球头杆和球壳体共同转动到达极限位置;转动实验所测的转动力矩与理论计算值较为接近。
一类碰撞振动系统混沌运动的QPSO-RBFNN控制
卫晓娟, 周方伟, 李宁洲, 丁旺才
2023, 42(6): 842-849. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220040
摘要:
针对难以建立精确数学模型时的碰撞振动系统混沌运动控制问题,提出一种采用QPSO算法优化RBFNN的参数反馈混沌控制方法。利用分岔图、Lyapunov指数谱图、Poincaré截面图和相图分析了混沌运动与系统特定参数条件间的关联关系及表现特征,基于RBFNN设计了参数反馈混沌控制器,并将最大Lyapunov指数作为加权项构建适应度函数,以引导QPSO算法优化控制器的参数并量化评价混沌控制效果。仿真研究中,进一步分析了QPSO算法的控制参数(即收缩扩张系数)对混沌控制效果的影响。
一种可变径轮腿式越障机器人的设计与研究
丁冬冬, 张守京
2023, 42(6): 850-856. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220014
摘要(144) HTML (432) PDF 2439KB(51)
摘要:
针对地面移动机器人在非结构化地形中越障存在的局限性,提出一种基于平面齿轮连杆杆组的可变径轮腿式越障机器人的设计方案。首先对越障机器人的变径机构在轮式和轮腿式两种模式之间的变换原理进行了介绍。当遇到障碍物时,变径机构可依据障碍物的高度来变换模式从而进行越障运动。在此基础上通过计算其变形比以及运动学分析仿真,验证了该变径机构设计的合理性、较强的越障能力和模式变换时的可靠性和稳定性。其次通过构建力学模型来分析两种模式下机器人的越障能力,得出其在不同模式下的极限越障高度。最后,基于ADAMS软件对机器人在单台阶、连续台阶以及复杂路面时的越障能力进行运动仿真。结果表明该越障机器人在面对不同工况时都具有较好的越障能力,验证了设计方案的可行性。
溢流管开缝对旋流器分离性能影响研究
张文华, 李东来, 刘秀林, 张宏斌, 郭建华
2023, 42(6): 857-865. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230192
摘要:
针对水力旋流器分离过程中溢流管内部流体高速旋转造成的大量能量损失,基于压降机理,增加溢流管过流量可降低旋流器内部流体动能损失,将直径为100 mm型号旋流器溢流管设计为:水平开缝、上倾开缝、下倾开缝的渐缩开缝型溢流管。选用多相流VOF模型和雷诺应力模型(RSM)计算不同型号旋流器的分离性能,对旋流器内部速度场、压力场进行了细致分析,并在相同实验条件下对改进前后的水力旋流器进行物料分离实验,研究新型水力旋流器节能效应。结果表明:压降降低主要与轴向速度、切向速度衰减、压强降低梯度有关。入口流量在880 ~1 000 mL/s范围内,溢流管水平开缝、上倾开缝、下倾开缝的旋流器与常规旋流器分离效率基本趋同,且在入口流量为980 mL/s时分离效率达到最高,此时相较于常规型水力旋流器压降降幅率分别为23.79%、11.65%、26.46%,节能效果显著。
机床主轴轴承热诱导预紧力自补偿方法
董艳方, 陈非凡, 卢团良, 邱明
2023, 42(6): 866-869. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220041
摘要:
针对高速机床主轴轴承在主轴转速、负载及初始预紧力影响作用下,产生附加热诱导预紧力的问题,提出一种基于分离式隔圈的机床主轴轴承热诱导预紧力自补偿方法,实现了主轴轴承热诱导预紧力自补偿。首先,建立了主轴单元热结构耦合分析模型,分析了不同温度及载荷下,分离式隔圈的轴向相对位移;其次,利用高速机床主轴轴承试验平台研究了补偿前后不同主轴转速和初始预紧力下主轴单元振动和轴承温升的变化规律。结果表明,隔圈相对位移随温度成线性变化,而初始预紧力对其几乎没有影响;且采用分离式隔圈相较于传统的一体式隔圈,主轴单元振动略有增加,但轴承温升显著减小,说明所设计分离式隔圈能够有效降低热诱导预紧力。
压缩感知等效源法对板件近场重构精度改进的研究
伍松, 魏晟弘, 吴小龙
2023, 42(6): 870-877. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220016
摘要:
为改进目前板件压缩感知等效源法近场声全息中存在的稀疏基稀疏度不足、适用范围小等问题,提出一种优化等效源面范围的方法。使用板件振动模态与声辐射模态对板件倏逝波分布区域进行联合研究。利用板件振动模态得到高波数倏逝波分布情况,结合声辐射模态得到等效源向量在波数域分布情况,提出减小等效源范围从而达到过滤高波数倏逝波,减小重建误差的效果。数值模拟实验结果表明,该方法增加了等效源向量的稀疏度,对重建精度有大幅度的改善作用,扩大了压缩感知等效源法的使用范围。
旋转式换向阀的动态响应特性及稳定性分析
赵国超, 周国强, 王慧, 李南奇
2023, 42(6): 878-882. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220026
摘要:
为了实现电液激振系统的高频振动,提出一种旋转式换向阀。推导了旋转换向阀的动力学方程并通过MATLAB对旋转换向阀的动态响应特性进行数值求解,分析了阻尼系数、转动惯量、液动力矩对旋转换向阀动态响应特性及稳定性的影响规律。研究结果表明:阻尼系数、转动惯量、液动力矩对旋转换向阀的响应速度、稳定性及工作带宽均有较大影响,其中液动力矩对旋转换向阀的影响程度最强,阻尼系数对旋转换向阀的影响程度最弱。研究结果可为提高旋转换向阀的动态响应特性及稳定性提供数据支撑和优化导向。
一种改进YOLOv4-tiny的带钢表面缺陷实时检测方法
邹旺, 吉畅
2023, 42(6): 883-889. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230034
摘要(189) HTML (100) PDF 7031KB(34)
摘要:
带钢表面缺陷检测是生产过程智能检测的重要任务。针对目前带钢表面缺陷检测算法效率低、实时性差的问题,本文提出了基于卷积神经网络的轻量级目标检测器。该方法以YOLOv4-tiny 模型为框架,针对带钢表面缺陷检测任务的特殊性,结合了多尺度检测与空间注意力机制的优化策略,在保证检测效率的同时提高了轻量级目标检测器的精度。实验证明,所提出的改进的YOLOv4-tiny模型能够精确地检测带钢表面缺陷,平均均值精度mAP(mean Average precision)为73.29%,并且每秒帧数FPS (Frames per second) 达到163,满足实际工业落地的实时性要求。
精密制造与加工
表面三维高度参数与最大Mises应力关联性研究
夏富佳, 唐进元, 杨铎, 温昱钦
2023, 42(6): 890-897. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220011
摘要:
为研究粗糙表面微观形貌特征参数与接触应力的关联性,选取粗糙度参数标准ISO25178中与接触变形密切相关的三维高度参数为研究对象。通过BP神经网络构建高度参数与最大Mises应力的关系模型,并分别采用Sobol和MIV敏感性分析法,基于220组实测超声磨削加工表面数据分析了高度参数对最大Mises应力的影响程度并筛选出了主要影响参数。利用统计学相关性原理和多项式回归分析方法,建立了主要影响参数和最大Mises应力的非线性回归模型。结果表明:1)7个高度参数对最大Mises应力的重要性由大到小为:算数平均高度Sa、均方根高度Sq、偏斜度Ssk、最大高度Sz、最大峰高Sp最大谷深Sv和峭度Sku;2)以90% 的总影响度为基准,筛选出主要影响参数为:SaSqSsk;3)回归模型相对于椭球微凸体接触算法,相对误差在10%以内,且计算效率更高,具有一定工程实用价值。
航空弧齿锥齿轮低敏感度齿面优化设计
董红涛, 任鸿飞, 游志伟, 薛成
2023, 42(6): 898-905. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220044
摘要(176) HTML (175) PDF 1942KB(25)
摘要:
为了降低弧齿锥齿轮的齿面接触印痕关于安装距偏差(又称安装误差)的敏感度,需要开展某航空弧齿锥齿轮的低敏感度齿面优化设计。在轮齿承载接触分析(Loaded tooth contact analysis,LTCA)技术中,引入齿轮副的安装误差,形成了计及安装误差的轮齿接触分析(Error loaded tooth contact analysis,ELTCA)方法,基于ELTCA建立了齿面接触印痕与安装误差间的内在关系;借助接触印痕的量化描述,获得了齿面接触印痕关于安装误差的敏感度矩阵;基于局部综合法建立敏感度关于齿面接触参数的优化设计目标函数,形成弧齿锥齿轮的低敏感度齿面优化设计模型;采用神经网络与遗传算法进行求解,获得了低敏感度齿面的切齿参数;算例结果表明,优化后的齿面接触印痕关于安装误差的敏感度较优化前降低了78.87%。
304不锈钢的微弧等离子体放电抛光机理与试验研究
赵智渊, 贾祯, 刘旭, 麻高领, 李淑娟
2023, 42(6): 906-913. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230191
摘要:
针对目前用于抛光不锈钢的方法普遍存在抛光质量差、抛光效率低以及环境污染严重的问题,本文以304不锈钢为加工对象,将电化学加工与放电加工相结合,提出了微弧等离子体放电抛光方法。基于电化学理论和流注理论对微弧等离子体放电抛光机理进行了研究。通过设计正交试验并采用田口分析法和方差分析法对试验结果进行了分析,找到了关于材料去除率和表面粗糙度的优化参数组合并进行了试验验证。结果表明,电源电压、抛光时间和电解液温度对材料去除率具有显著影响,抛光时间和电源电压对表面粗糙度具有显著影响。微弧等离子体放电抛光304不锈钢的材料去除率最大可以达到11.73 μm/min,表面粗糙度最小可以达到29.1 nm。
仪器、仪表科学与技术
变工况下管道堵塞识别的声纹模型研究
杨佳睿, 冯早, 朱雪峰
2023, 42(6): 914-922. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220037
摘要:
针对排水管道堵塞检测实际应用中训练样本所包含的工况类别受限导致新工况识别率低下的问题,提出一种基于精细复合多尺度散布熵(Refined composite multi-scale dispersion entropy,RCMDE)和高斯混合隐马尔可夫模型(Gaussian-mixed-model hidden Markov model,GMM-HMM)的管道堵塞声纹识别模型。首先,采用基于子带谱熵的单参数双门限端点检测算法对单一和复杂工况下降噪后整体声压信号进行端点检测和信号分割,得到对应管道内堵塞物、三通件和管道尾端的个体声压信号。然后,提取精细复合多尺度散布熵作为特征向量。最后,将单一工况下不同类别的声压信号的特征向量用于模型训练,训练好的模型用于复杂工况下的堵塞物、三通件以及管道尾端的识别。结果表明:所提出的声纹识别模型在训练样本工况类别受限的条件下能有效识别变工况下排水管道中的堵塞物,三通件以及管道尾端,综合识别率为93.75%。验证在不同工况下堵塞物对声波的影响具有共性,与三通件、管道尾端具有差异性,具有一定的工程应用价值。
改进箕舌线函数的LMS和BAS-LSSVM的衬板磨损状态预测
蔡改贫, 赵鑫, 李波波, 郁慧
2023, 42(6): 923-933. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220049
摘要:
针对破碎机衬板磨损难以预测的问题,提出一种改进箕舌线函数的LMS和BAS-LSSVM的衬板磨损状态预测方法。首先,在最小均方误差算法(LMS)的基础上,引入改进的箕舌线函数,提出改进箕舌线函数的LMS算法,将其用于衬板超声回波信号的声时(TOF)的计算中;其次,通过TOF计算出衬板厚度,并根据衬板磨损前后的厚度变化得出磨损量;最后利用天牛须算法(BAS)优化最小二乘支持向量机(LSSVM)的惩罚因子\begin{document}$\gamma $\end{document}和其核函数中的标准化参数\begin{document}$\sigma $\end{document},将磨损量作为预测模型的输入,衬板磨损阶段作为输出,建立BAS-LSSVM衬板磨损预测模型。结果表明,该方法对动锥衬板和定锥衬板的识别准确率分别达到了94.44%和95.56%,能够有效预测出衬板的磨损状态。
利用多传感器信号指标的风扇状态监测方法研究
吴川辉, 程华利, 陈英武, 李明超, 刘力源
2023, 42(6): 934-938. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220033
摘要(146) HTML (78) PDF 840KB(16)
摘要:
本文提出一种基于多传感器信号指标的风扇状态监测方法。首先使用多种常用的传感器对风扇进行拾取信号,采集不同状态下的多种传感器信号,并且计算出信号的指标;然后采用主成分分析法(PCA)对多传感器信号指标进行降维处理,提取可以表征风扇运行状态的主要成分指标;最后使用对非线性特征指标进行学习具有优势的循环神经网络(RNN)进行预测分析,实现对风扇状态的有效监测和故障识别,并通过实验验证了本文方法的有效性。
运载工程
结合模块化思维和PGA算法的船舶住舱布局优化研究
杨尧, 李由
2023, 42(6): 939-948. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230190
摘要(128) HTML (121) PDF 3704KB(14)
摘要:
船舶住舱环境对船员的心理状态及工作效率有着显著的影响,针对住舱的布局优化是能够提升舰队整体作战水平的重要方式之一。本文主要针对住舱空间的布局优化,提出模块化思维的划分方式,并利用模糊聚类分析将住舱模块进行划分,利用PGA算法进行多目标优化计算,从而引导遗传算法的演化结果更符合其工程实用性,来有效提升船员居住的舒适度,进一步提升海上长航工作的质量。最终通过重心排序的模糊综合评价对输出的优化方案进行验证。
能耗最优下轮式移动机器人作业路径规划的最优节点A*算法
江磊, 贾文友, 刘莉, 梁利东, 魏文涛
2023, 42(6): 949-955. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220038
摘要:
轮式移动机器人以蓄电池作为能源,能够提供的能量有限,以更省能量作为前提进行路径规划是一个热门研究方向。根据轮式移动机器人在运行时的能耗组成,综合电机效率、地面摩擦、地形、速度变化、转弯等多因素,建立了能耗模型;基于A*算法,利用最优节点的搜索方式,提出能耗最优下轮式移动机器人作业路径规划最优节点A*算法;通过仿真实验,与最短距离约束条件、能耗最优约束条件下A*算法路径规划结果进行对比,所提算法既实现在单位距离能耗降低,又缩短规划寻路时间,验证了所提算法的有效性。
航空、宇航工程
飞机结构静强度试验虚拟装配与干涉检查技术
万春华, 于哲峰, 吴存利, 聂小华, 常亮
2023, 42(6): 956-961. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220216
摘要:
地面试验是目前航空结构最重要的一种验证手段,为保障复杂杠杆加载系统在飞机大变形下的安全性,对飞机结构试验系统的虚拟装配技术进行了研究,建立了基于XML的虚拟装配模板,研发了可扩展的试验设备模型库,在CATIA平台下实现了试验加载与支持系统的虚拟装配。提出了一种杠杆加载系统运动平衡方程和迭代求解方法,根据飞机结构仿真变形计算得到各加载步加载设备的空间位置,并采用坐标转换实现加载设备在加载过程中的运动模拟,同时对加载运动过程中多加载通道之间、加载系统与支持系统之间进行碰撞检查。算例表明能够发现碰撞干涉问题,为试验设计与实施提供技术支撑,降低试验风险。
风力机叶片翼型俯仰与动尾翼耦合运动数值仿真
李松林, 朱卫军, 孙振业, 陶秋晗, 曾明伍
2023, 42(6): 962-968. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200563
摘要(112) HTML (108) PDF 3594KB(14)
摘要:
现代风力机叶片普遍采用变桨系统降低气动载荷。尾缘襟翼是实现飞机机翼载荷控制的一种可行方法,然而由于相关技术尚未成熟,动尾翼尚未实际应用在风力机叶片上。本文采用数值计算模拟和分析动尾翼与翼型俯仰耦合状况下的动态升力变化。采用结构化网格,对尾缘襟翼部分应用浸入边界方法,其余部分仍然沿用传统贴体网格算法,实现了动尾翼的仿真又保证了较高的计算效率。计算结果与风洞实验进行了详细对比,动态升力的变化趋势和大小均显示了较好的吻合,为包含动尾翼的智能叶片开发提供参考。
某动力涡轮转子连接圆弧端齿的优化设计
徐鲁兵, 廖明夫, 吕延军
2023, 42(6): 969-977. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220009
摘要(285) HTML (176) PDF 3806KB(37)
摘要:
针对圆弧端齿开设螺栓孔会破坏圆弧端齿齿形结构的完整性、产生局部应力集中等问题,建立了带有螺栓预紧的动力涡轮盘轴圆弧端齿连接转子优化模型,基于ANSYS优化平台进行了带螺栓孔的圆弧端齿结构优化设计。分析结果表明,螺栓孔的开设对圆弧端齿齿底的强度削弱作用要比对凹(凸)齿本身的大,且将螺栓孔径向分布在圆弧端齿的节圆直径附近有利于降低圆弧端齿结构的应力和改善应力分布;在满足其他应力约束条件下,优化后的圆弧端齿最大等效应力比原始方案降低9.1%,端齿工作面最大接触应力降低44.6%,改善了圆弧端齿齿根附近的应力分布状态,同时也没有对动力涡轮盘轴转子变形产生影响。
同心与非同心挤压油膜阻尼器减振特性对比试验研究
冯义, 邓旺群, 刘文魁, 袁胜, 胡廷勋
2023, 42(6): 978-984. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220085
摘要(149) HTML (113) PDF 3203KB(26)
摘要:
针对某小型涡扇发动机低压转子的减振设计问题,开展同心与非同心挤压油膜阻尼器(SFD)的减振特性对比试验研究。设计了与发动机低压转子主体结构和动力特性一致的低压模拟转子,在高速旋转试验器上,分别对带同心SFD与非同心SFD的低压模拟转子进行全转速范围内的动力特性试验,研究了油膜供油压力与不平衡量大小对SFD减振特性的影响。结果表明:非同心SFD会使转子系统临界转速降低;油膜供油压力对非同心SFD减振特性的影响比同心SFD更显著;同心SFD可承受比非同心SFD更大的转子不平衡量,但在较小的不平衡量范围内,非同心SFD的减振效果更好。