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2023年  42卷  第7期

机械动力学
维纳滤波器在燃烧噪声分离中的应用
董阳, 张良良, 高文志, 贺红, 付振
2023, 42(7): 985-992. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220053
摘要:
目前分离内燃机燃烧噪声常用的方法主要有传递函数法、多元线性回归法,这两种方法均将内燃机的总噪声分为燃烧噪声和机械噪声两部分,并且假设实验获得的倒拖噪声为机械噪声,以此达到分离燃烧噪声的目的。然而上述两种方法所得到的燃烧噪声中还包含活塞敲击所形成的间接燃烧噪声。本研究测取了某汽油机转速为4 500 r/min和2 000 r/min转速下多个负荷工况的总噪声、缸压和振动数据,并利用-15~85 ℃A ATDC的时间窗对测量信号进行了截取,基于倒拖法将机械噪声分离。利用缸压信号和燃烧噪声信号构建了维纳滤波器对燃烧噪声进行了滤波,实现了直接燃烧噪声和间接燃烧噪声的分离。计算结果表明该汽油机活塞敲击产生的间接燃烧噪声主要集中于500~8 000 Hz的频率段。
中心复合设计的水力旋流器结构优化与试验研究
张文华, 李东来, 刘秀林, 张宏斌, 郭建华, 陈淑鑫
2023, 42(7): 993-999. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230215
摘要:
水力旋流器分离过程难以实现低能耗高效率的操作,现提出一种锥形溢流管的开缝结构。通过研究试验与响应面模型,以旋流器分离效率与压降为目标函数,实现锥形溢流管开缝层数、开缝位置及开缝角度的优化设计分析。针对Ø100 mm型旋流器,采用中值粒径为41.52 μm的玻璃珠细粉测试,实验结果表明:在一定范围内开缝定位尺寸对旋流器分离性能影响较小;开缝角度和层数对旋流器分离性能影响显著。得出最优组合是溢流管开缝层数为3层、开缝定位尺寸为5.3 mm、开缝角度为58°的旋流器。较之常规型水力旋流器,经多次实验得出入口流量为920 mL/s,旋流器分离效率增幅率为0.26%,达到最高,压降降低率为24.88%,可见节能效果显著。
地下管道地质雷达检测机器人动力学仿真分析
李涛涛, 程志涛, 徐茂轩, 何宇, 陈宏华
2023, 42(7): 1000-1008. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220073
摘要:
地下管道地质雷达检测机器人有效解决了地下管道管内外病害综合检测问题,而机器人的动力学分析是实现机械结构优化和性能改善的基础。对600 mm地下排水管道地质雷达检测机器人开展Adams下的动力学仿真和仿真结果的实测试验验证,分析机器人工作在管道内壁有障碍物时,滚轮、扭簧、摇杆转轴和防护罩等关键部件的受力情况。结果表明:底部探测器关键部件的全程受力大小和过障碍物时的受力振幅均高于顶部探测器;底部探测器滚轮受力差异较大,偏上滚轮在未遇障碍物时不起作用,承载力集中在下侧滚轮;机器人受500 N水平牵引力作用,遇障物瞬间关键部件的受力呈3~60倍激增,防护罩承载达1 700 N冲击力。分析结果为地下管道地质雷达检测机器人优化设计,尤其是不同位置探测器的关键部件设计、选材和加工提供了依据。
支持式管母线风致振动数值仿真分析
施浩楠, 白英, 冯玉清, 耿小亮, 席婉婉, 李伟男
2023, 42(7): 1009-1015. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220072
摘要:
支持式管母线在野外长期服役期间经常遇到风致振动的问题。本文采用数值模拟方法,对支持式管母线抗强风振动特性及阻尼对振动的影响进行了分析。计算了管母线简化模型的固有频率和振型以及受到风荷载作用时的变形特征,采用静态算法和动态算法对比分析了阻尼线对管母线抗风振动所起到的作用。进而对支持式管母线全尺寸结构在风荷载作用下的动态特性进行了计算,分析了阻尼线及管母线结构阻尼对抗风振动的影响。结果表明,理想条件下,阻尼线能有效减小受风载后管母线简化模型的振动变形,但在真实全尺寸管母线结构中,由结构连接等形成的结构阻尼比阻尼线对管母线抗风振动的效果更为显著,有无阻尼线对真实结构振动特性不产生明显区别。
结合声发射和卷积神经网络的轴承RUL预测方法
杨正隆, 柳小勤, 伍星, 王之海
2023, 42(7): 1016-1020. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220003
摘要:
根据声发射信号具有对早期损伤敏感性高和频带宽等特点,提出一种结合声发射信号和卷积神经网络的方法,实现滚动轴承的RUL预测。该轴承RUL预测方法主要包括:对原始信号的分频段滤波和特征值提取得到高维特征集;将高维特征集组合成二维神经元作为卷积神经网络的输入,并构建和训练网络以达到预测剩余寿命的目的。通过从实验中得到的数据验证了该预测方法的可行性,并且具有较高的准确性。结合使用卷积神经网络后不但解决了特征值数量大和如何合理利用高维特征问题,而且还得到了较好的RUL预测效果。
双树复小波包与自适应排列熵在轴承故障诊断中的应用
谷穗, 王红, 陈禹州
2023, 42(7): 1021-1028. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220050
摘要:
针对滚动轴承信号存在大量噪声、故障特征难以提取,而双树复小波包可减少有用信息的丢失,提出双树复小波包与排列熵结合的轴承故障诊断方法。首先经双树复小波包与排列熵结合对不同层数的分量计算平均排列熵值,确定最佳分解层数;其次采用峭度值作为指标对加噪信号选取分解后的最佳分量;最后对最佳分量进行包络分析提取故障特征频率。双树复小波包与排列熵相结合确定最佳层数方法,避免了对原始信号的过分解和欠分解,从而有效应提取到故障特征。
深度在线小波极限学习在旋转机械故障诊断中的应用
王椿晶, 王海瑞
2023, 42(7): 1029-1034. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220046
摘要:
由于旋转机械故障诊断模型训练时间长,容易过拟合以及传统的极限学习机只能处理批量数据,实效性差等问题。提出一种基于深度在线小波极限学习机的旋转机械故障诊断方法。将自编码器的思想引入小波极限学习机中,堆叠形成WELM-AE,将底层的故障特征向更加抽象的高级特征转换。再采用在线极限学习机作为顶层分类器进行故障识别。实验结果验证:该算法在旋转机械故障诊断上的可行性,继承了极限学习机训练速度快的特点,相较于BP、SVM、SAE、CNN有更高的准确率。
新型分段定子开关磁阻电机转矩增强和径向力减小的分析研究
黄朝志, 段锦锋, 曹文盛
2023, 42(7): 1035-1043. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220061
摘要(134) HTML (181) PDF 5917KB(48)
摘要:
开关磁阻电机由于结构简单和启动转矩大等优点应用于许多领域,然而与永磁电机相比,其表现出较低的密度转矩和较大的振动噪声。文中提出一种新型分段定子开关磁阻电机,并在每个定子块两侧增设永磁体,构成分段定子混合励磁开关磁阻电机。首先介绍了拓扑结构和原理,磁路等效法证明了永磁体对气隙磁通加强作用,同时通过有限元仿真得出永磁体对转矩密度的影响并得出优化永磁体厚度。其次建立外转子齿顶开槽模型分析径向力减小的原理,同时对不同槽口宽度和深度模型仿真分析,得到优化尺寸。最后仿真表明,分段定子混合励磁开关磁阻电机的平均转矩提高了34.2%,转矩脉动下降了19.3%,定转子重叠区间的径向力波降低了12.5%,有效降低了径向力,改善了振动噪声。
应用故障特征指标相对比值的低转速下编码器信号太阳轮故障特征提取
李震焘, 郭瑜, 尹兴超, 华健翔
2023, 42(7): 1044-1049. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220064
摘要:
针对低转速下太阳轮齿根裂纹故障编码器信号特征阶次提取困难的问题,本文提出了一种基于故障特征指标相对比值的特征提取检测方法。首先,将获得的编码器信号通过向前差分处理成瞬时角速度(IAS)信号,按照1/3-二叉树对得到的IAS信号进行子频带划分;其次,对各窄带信号进行包络分析,分别求取正常和故障状态下的IAS信号各子频带的谐波显著性指标(HSI),由此可计算得到其相对比值r;再次,利用r值选取包含故障信息丰富的频带;最后,对处理后的信号在选择的子频带处进行带通滤波,并在提取包络后进行谱分析,提取故障特征。对太阳轮齿根裂纹故障的实测编码器信号进行分析,验证了该方法能有效提取太阳轮故障的特征。
地铁车辆钢弹簧断裂后的扭曲轨道通过安全性研究
张顺, 江超, 孙业聪
2023, 42(7): 1050-1054. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220057
摘要:
针对地铁车辆转向架常见的一系钢弹簧断裂故障,首先从理论上分析了钢弹簧断裂后的参数变化,然后建立了地铁车辆的动力学仿真模型,考虑弹簧端部支撑圈断裂和弹簧中部有效圈断裂两种故障类型,对比分析了故障车辆和正常车辆通过扭曲轨道的各项安全性指标。研究结果表明:钢弹簧断裂对车辆垂向相关的安全性指标影响明显,主要是轮重减载率和脱轨系数,对轮轴横向力影响很小;此外,不同的钢弹簧断裂类型对车辆的安全性指标影响规律类似,但是数值不同;虽然钢弹簧断裂会恶化车辆的安全性指标,但是各项安全性指标均小于相应的限值,满足标准要求。
精密制造与加工
采用灰色关联和D-S证据理论的压射工艺参数选择方法
刘辉, 张超勇, 蔡恒志
2023, 42(7): 1055-1062. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220010
摘要:
合理的压射工艺对于提高压铸生产效率和降低压铸件缺陷意义重大。本文针对压铸过程中的压射工艺参数的选择提出了基于灰色关联和D-S证据理论相融合的决策方法,摆脱了以往依托专家经验的试错法,使得压射工艺参数的选择更具有科学性。实验证明本文提出的方法在满足准确性的同时具有高效性。
磨料水射流铣削钛合金深度与表面粗糙度研究
杜航, 熊杰, 陈炜, 李登, 巫世晶
2023, 42(7): 1063-1069. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220045
摘要:
磨料水射流铣削技术柔性大、工艺参数复杂,其加工性能难以有效控制。针对这一问题,本文首先通过响应曲面法研究了磨料水射流铣削钛合金时典型工艺参数对铣削深度和表面粗糙度的影响,并采用传统回归方式建立了经验预测模型;其次在结合磨粒磨损理论、高斯轮廓模型和表面成形分析的基础上,进一步建立了铣削深度和表面粗糙度的半经验预测模型;然后利用实验数据进行了参数标定;最后通过实验验证和对比了两种模型。结果表明,两种预测模型的平均误差均小于15%,相比经验模型,半经验模型既可以解释参数影响和铣削机理,又可以保证预测的准确率和稳定性,对于控制铣削深度和表面质量具有重要价值。
在线评论中的用户需求识别及其演化趋势挖掘
王克勤, 高智姣, 乔亚楠, 李靖, 同淑荣
2023, 42(7): 1070-1080. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230241
摘要(145) HTML (279) PDF 4605KB(19)
摘要:
Web2.0环境下,越来越多的消费者在网络平台上购买商品,且将使用感受通过在线评论的形式表现出来,大量的在线评论数据蕴含着很多有价值的信息,企业可以利用在线评论来识别和分析用户需求,以便于后续的产品改进。本文以联想笔记本电脑的评论数据为研究对象,提出基于在线评论挖掘的用户需求识别与演化分析模型,利用SnowNLP模型、Kano模型与LDA模型,对用户评论进行分类、识别、特征情感对分析以及时间序列分析。结果表明: 根据情感趋势预测,顾客对类型一、类型二和类型三的情感值呈上升趋势,类型四的情感值呈下降趋势;此外,用户对产品外观与游戏体验的关注较多。研究从时间的角度对在线评论的研究方法和模型进行了改进,可为分析用户对产品需求以及预测用户对于产品的情感趋势等研究提供参考价值。
采用一维卷积神经网络的铣削振动状态识别
郑华林, 张冲, 何勇
2023, 42(7): 1081-1087. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220059
摘要:
由于铣削加工中发生颤振会极大地降低工件的加工质量,铣削振动状态的高效与精准辨识一直是颤振研究的热点问题之一。基于LetNet-5经典卷积网络提出一维卷积网络模型,直接对时域铣削力信号进行处理与识别,针对信号量较少与数据不均衡等问题,采用重叠-随机协同采样的方法对数据进行处理。应用T-分布随机邻域嵌入技术可视化模型在训练集上的学习进程并对端到端的学习目标进行验证。对比基于支持向量机与卷积神经网络识别策略,所提方案在测试集上取得了最高的96.17%准确率,识别结果表明: 该方法相较于对比方法过程简单、识别快速且辨识准确率高。
眼动联合脑电技术的产品形态感性认知特性研究
杨濮瑜, 林丽, 阳明庆, 郭主恩
2023, 42(7): 1088-1097. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220062
摘要:
为产品感性形态设计的认知特征提供客观生理层面的深入剖析。运用眼动、脑电技术,以家用充电桩形态为刺激对象,基于语义差异量表设计并实施眼-脑感性认知实验,并记录被试“极‘不符合’、有点‘不符合’、‘不确定是否符合’、有点‘符合’、极‘符合’用户感性期望”5种感性认知结果下的眼-脑生理信息,剖析认知特性。研究结果表明:在产品形态极“符合”用户感性期望时,被试行为反应时最短,首次注视时间最少,且能产生中央-顶区联合皮层和顶区较强烈的P3、LPP波幅。在产品形态极“不符合”用户感性期望时,被试行为反应时、首次注视时间增加,后颞N2成分幅值最大;在产品形态“不确定”是否符合用户感性期望时,被试中央区产生的N4波幅增大。从感性意象认知的神经加工机制出发,行为、眼-脑生理信息均能客观有效区分用户不同感性意象的认知状态,视觉、脑认知特性可为设计提供认知本源性的底层支持。
仪器、仪表科学与技术
广义旁瓣抵消器算法的轴承噪声信号增强研究
唐兴潮, 伍星, 柳小勤, 王之海
2023, 42(7): 1098-1102. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220002
摘要:
针对由于旋转机械故障噪声的复杂性,造成从传声器阵列所采集到的信息中很难提取到噪声源所包含的故障信息的问题, 利用波束成形对实验设备进行噪声源识别与定位,根据故障点位置信息将广义旁瓣抵消器算法(GSC)中的阻塞矩阵构造为具有指向性功能,而后利用其算法重构出故障点声信号,从该信号中提取故障信息,进行故障诊断。为验证该信号处理方法的有效性,通过仿真和实验得出该方法可以有效减少传统波束形成算法产生的信号泄露,提高输出信号的信噪比。
循环平稳相关熵轴承故障诊断方法
李辉
2023, 42(7): 1103-1108. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220004
摘要:
相关熵是一种基于信息理论学习和核函数的相似性度量方法,不仅能有效刻画信号的时间和统计特征,而且包含了信号的高阶统计量,因而,相关熵是处理非高斯、非线性信号的有效方法。将相关熵与循环平稳信号处理方法结合,提出了一种基于循环平稳相关熵的轴承故障诊断方法。首先,简述了相关熵的基本概念,推导了循环平稳相关熵函数和循环平稳相关熵谱密度函数公式;其次,分析了循环平稳相关熵轴承故障诊断流程;最后,将循环平稳相关熵应用于轴承内圈、外圈局部裂纹故障振动信号的分析与处理。实验结果表明:相关熵能有效提取轴承故障振动信号中的周期成分,循环平稳相关熵函数和循环平稳相关熵谱密度函数能有效刻画轴承故障的频谱特征,便于进行故障特征提取与识别,验证了提出方法的优越性。
麦克风阵列幅相误差校准的最小二乘系统辨识研究
高自跑, 柳小勤, 王之海
2023, 42(7): 1109-1113. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220087
摘要:
阵列幅相误差显著降低了麦克风阵列的声源定位算法性能,研究了一种麦克风阵列幅相误差有源宽带近场校准方法。该方法采用一个校准源,线性正弦扫频信号作为激励信号,它先对阵列接受到的信号进行幅值和相位补偿,以阵列中的一个阵元作为参考阵元,把参考阵元与待校准阵元当作单输入单输出线性系统,然后通过递推最小二乘(RLS)系统辨识算法获得用于通道校准的FIR滤波器。用三维声强探头阵列进行校准和声源定位实验,验证了所提出的校准方法实用有效。
运载工程
自紧式V形金属密封特性及悬臂结构影响
张大伟, 雷征, 闫方琦, 田冲, 王晨浩, 李智军
2023, 42(7): 1114-1119. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220079
摘要:
自紧式V形金属密封在液体火箭发动机中有广泛应用,然而不同使用环境下的结构形式、几何参数、材料选用等变化繁多。基于工况和空间约束设计了一种V形金属密封结构,并基于ABAQUS平台,建立V形金属密封装配-承压-卸载-拆卸全工作过程有限元模型,研究工作全过程的密封特性和可控几何参数影响。结果表明:密封唇高温承压后屈服变形并持续增加属塑性变形,密封悬臂处塑性变形先增加后保持不变,具备良好自紧特性,拆卸分离后密封唇处无明显局部压痕、密封件回弹率为88.4%,可保证密封性能和重复使用性;回弹率随两悬臂间内张角α和悬臂内外侧张角β增加而增加, β对接触压强和回弹率影响大于α;通过几何参数优化,可进一步提高回弹率。
柴油机螺旋进气道直流段的正交优化设计
张韦, 庞晨晨, 包广元, 陈朝辉, 陈永, 范吉文
2023, 42(7): 1120-1128. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220066
摘要:
通过构建YN33柴油机气道-气门-燃烧室计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)模型,以涡流比和进气量作为评价指标,对柴油机螺旋进气道直流段的直流段上偏角、直流段下偏角、直流段长度这3个关键结构参数进行正交优化设计。结果表明:直流段长度对缸内涡流比、进气量的影响最大;直流段上偏角、直流段下偏角及直流段长度3个参数,分别取值82°、85°和69 mm时,可使缸内涡流比和进气量相对原机分别提高26.02%与5.50%;在此条件下,放热率峰值和累积放热量与原机相比分别增加了4.92%和8.29%。
利用响应面法的高速齿轮轴多目标优化方法
黄柯, 文永蓬, 周贤周
2023, 42(7): 1129-1139. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220074
摘要(172) HTML (124) PDF 4763KB(35)
摘要:
以提升高速齿轮轴的运行安全性为目的,通过模态分析、参数灵敏度分析和实验设计,建立了高速齿轮轴参数化设计与响应面优化模型,利用多目标优化遗传算法对1阶、2阶临界转速及其对应最大振幅进行寻优,得到了Pareto最优解,实现了多参数耦合下的优化设计,得到了运行安全性较高的转子结构。结果表明:优化后1阶、2阶临界转速与工作转速的间隔降幅分别为22.9%,10.8%,满足转子安全设计要求;通过可靠性校验,1阶、2阶临界转速在优化后的可靠度分别为100%、99.02%,进一步证明了优化方法的正确性。
分布式电驱车路径跟踪分层协调控制方法研究
周枫林, 钦宇, 游雨龙, 邹腾安, 李光, 张智永, 常雨康
2023, 42(7): 1140-1149. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220012
摘要(186) HTML (156) PDF 4010KB(66)
摘要:
针对分布式电驱车路径跟踪问题,基于分层协调控制方法,提出了一种路径跟踪策略。由电驱车独立转向/驱动的结构优势,设计四轮阿克曼转向理论,以建立电驱车路径跟踪分层运动学模型,并应用到路径跟踪控制策略中。该策略分为上下两层控制。在上层控制中,将上层运动学模型作为模型预测控制算法的预测模型,通过设定最优目标函数和约束条件将未来控制增量的求解问题转换为二次规划的最优解问题,计算出最优转角和速度控制量。下层控制中,通过下层运动学,将上层控制得到的控制量映射到四轮的转角和速度控制量,应用模糊PID算法,实现电驱车的路径跟踪控制。在基于Carsim/Simulink的仿真平台上进行圆形路径跟踪仿真验证,结果表明,该控制器能够使分布式电驱车实现路径的准确跟踪;在实车试验中进行换道路径跟踪,简单MPC(模型预测控制算法)与分层协调控制数据结果对比表明分层协调控制方法能够有效的改善控制性能,提供路径跟踪的精确性和稳定性。
材料科学
LaNi5储氢合金吸氢过程热特性研究
田英, 柴牧, 谭家辉, 吴岱丰
2023, 42(7): 1150-1157. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230228
摘要:
建立了某金属氢化物反应器二维数值模型,并通过吸氢实验中反应器温度变化曲线验证了模型的准确性。对储氢反应器增加外部冷却槽,分析了不同冷却流体种类及流速下,反应器温度和储氢量的变化情况。结果表明:冷却水作用下,储氢罐中心区域的反应速率逐渐低于壁面区域,冷却水流速率越高,吸氢反应所需时间逐渐缩短至一个定值; 在相同流速下,冷却介质为水和油时,反应器温度与储氢量的变化特征相似,但水的冷却时间比油缩短约20%、储氢时间缩短约15%;当冷却介质为空气时,冷却槽内空气受热浮力影响,靠近壁面的空气流速降低且温度高于初始值,导致其与合金的温差缩小、传热能力降低,吸氢时间明显加长。
航空、宇航工程
采用K-SVD字典训练稀疏基的压缩感知叶尖间隙数据重构方法
吴军, 冯成斌, 宋丰成, 袁少博, 于之靖
2023, 42(7): 1158-1164. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220068
摘要(113) HTML (143) PDF 1987KB(26)
摘要:
航空发动机叶尖间隙是监控其运行状态的有效参数,现有间隙测量方法很难满足超高转速下间隙距离的奈奎斯特采样率,因此无法有效提取精确的叶尖间隙值。本文基于压缩感知原理,针对间隙距离数据特征提出一种采用K-SVD(K-singular value decomposition)字典训练稀疏基的数据重构方法,该方法首先构建出K-SVD字典稀疏基对数据进行稀疏化表示,然后使用m序列高斯随机矩阵对数据进行压缩观测,最后基于压缩欠采样观测值使用正交匹配追踪算法对数据进行重构,进而精确提取叶尖间隙值。实验结果表明,在欠采样条件下间隙距离数据可精确恢复重构,与高采样率下的间隙数据相比,重构误差不超过0.02 mm。
试验机大型改装结构静强度数值仿真与试验验证
鲜章林, 郝琳召
2023, 42(7): 1165-1170. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230194
摘要(150) HTML (109) PDF 3038KB(28)
摘要:
针对飞行试验对试验飞机大型改装结构提出的高安全性需求,设计了大型改装结构的静强度数值仿真与试验验证流程,分析了部段级装配结构进行数值仿真与静力试验的误差来源,采用以静强度试验结果为基准的基于灵敏度的多点搜索算法对有限元模型进行修正,以保证试验机在试验包线内的结构静强度满足要求。应用该流程与方法于某发动机试验短舱主承力结构设计中,开展了结构设计与优化、静强度试验设计与实施、数据处理与计算模型修正、非试验载荷工况的验算等工作,验证了上述流程与方法的有效性,实现了试验机大型改装结构静强度数值仿真与试验验证的全流程闭环。