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2024年  43卷  第1期

机械动力学
结合Cokriging模型和单目标函数的随机模型修正
彭珍瑞, 张雪萍, 张亚峰
2024, 43(1): 1-8. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220191
摘要:
将Cokriging代理模型技术和单目标函数进行结合,提出了一种随机模型修正方法。该方法将不确定性模型修正问题转化为较简单的待修正参数统计特征的修正问题,能够在保证模型修正精度的同时,有效缓解模型修正中由于分步修正和多目标修正造成的计算成本高的问题。首先,假设待修正参数和响应均服从高斯分布,采用拉丁超立方抽样获取训练集样本,构造满足精度要求的Cokriging模型以替代复杂的有限元模型参与迭代计算。然后,建立有限元模型计算响应统计特征与试验响应统计特征的加权残差目标函数,引入土狼优化算法最小化该单目标函数来得到待修正参数的统计特征。最后,通过二维和三维桁架结构验证了所提方法的可行性。
不确定检测环境下强化学习覆盖路径规划研究
李彦征, 刘银华, 赵文政, 孙芮
2024, 43(1): 9-15. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220203
摘要:
机器人扫描测量系统在汽车质量检测领域获得广泛应用,尤其数模环境下基于仿生优化算法的视点采样与路径规划研究取得较大进展。然而,基于名义数模环境的路径规划结果难以适用实际不确定性检测环境。为此,本文提出基于改进的蒙特卡洛树搜索的视点自适应采样方法,在线生成工业机器人运动轨迹。通过车门内板案例的对比分析,验证本文方法的有效性,为实现不确定制造环境下工艺路径的在线规划提供理论依据。
准零刚度隔振平台的冲击响应及能量分析
刘彦琦, 顾黄森, 宋春芳, 汪新, 邓二杰, 王友会
2024, 43(1): 16-22. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220197
摘要:
本文对准零刚度(Quasi-zero stiffness, QZS)隔振平台进行了冲击响应及能量分析,详细分析了系统的时域冲击响应以及系统能量损耗特性。首先建立了冲击激励下系统的非线性动力学方程,数值分析了QZS隔振平台系统的时域冲击响应,并与相应的线性系统进行对比分析。之后以系统能量损耗速度作为系统缓冲性能的评价指标,分析了阻尼及结构参数对系统缓冲性能的影响。研究表明:QZS系统的位移响应幅值高于相应的线性系统,但QZS隔振系统位移响应的衰减速度快于线性系统,衰减所需的周期数少于线性系统。另外,阻尼有助于提高系统的缓冲效果,刚度比和倾斜角并不会对系统缓冲性能造成较大影响。
面向电流信息与模态分析的工业机器人关节振动求解研究
赖泽浪, 王之海, 柳小勤, 李佳慧, 冯正江
2024, 43(1): 23-30. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220226
摘要:
在工业机器人健康监测中,针对需采用振动传感器对机器人各关节逐一检测而引起测试成本剧增问题,提出一种基于电流信息与模态分析的关节振动求解方法,该方法可由关节电流经模态转换直接获取关节振动信息。首先,将关节电流信息引入,建立基于关节电流的工业机器人振动模型。然后,由有限元法进行模态分析获取机器人前6阶振型,便于后续模态试验优化测点布置。接着,在力锤激励试验中,基于优化后的测点,测取工业机器人系统质量、刚度等模态参数。之后,将驱动力矩与模态参数带入该模型进行龙格库塔数值求解,得到机器人各关节振动响应。最后,在指定关节转角运行的关节单动与联动实测振动数据验证了本文提出算法的正确性。
改进MoblieNet网络在轴承轻量化诊断中的应用
朱富, 刘畅, 王贵勇, 杨永灿
2024, 43(1): 31-38. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220208
摘要:
近年来,基于神经网络的故障诊断方法在诊断的准确性、效率等方面展现出巨大的优势,然而呈指数增长的模型参数量限制了神经网络在工程实际中的应用。针对这一问题,本文提出了一种基于一维卷积神经网络改进的MobileNet网络用于实现滚动轴承的故障诊断;改进的网络能够直接应用于一维振动信号,有效降低系统硬件资源的要求,实现网络的轻量化部署;使用西储大学轴承数据集和QPZZ-Ⅱ型故障模拟试验台数据集对所提方法进行验证,本文提出的模型准确率均达99.8%以上,参数量为标准卷积神经网络的1/2。本文所提方法为在轻资源嵌入式系统中实现智能诊断提供了一种新的方法和思路。
小波包与遗传算法优化BP神经网络相结合的井架钢结构损伤识别
韩东颖, 田伟, 黄岩, 朱国庆
2024, 43(1): 39-44. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220215
摘要:
井架钢结构损伤影响其承载安全性,为快速、准确对损伤位置进行识别,提出小波包与遗传算法优化BP神经网络相结合的井架钢结构损伤识别方法。首先利用小波包处理非平稳振动信号的优良性能对原始振动信号进行特征提取,获得表征井架钢结构损伤的信息;再通过特征参数建立数据集训练并测试井架钢结构损伤识别模型,该模型结合遗传算法自身特点改善了传统BP神经网络的不足。本文识别方法不需要损伤前的数据特征进行对比,便可对损伤位置进行确定。经过对石油井架钢结构模型实验验证:该方法对井架钢结构损伤识别准确率超过90%,相对于BP网络识别准确率以及识别速度均有所提高。
进气歧管喷水对发动机燃烧性能的试验研究
叶坦, 王雷, 曹永
2024, 43(1): 45-53. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230324
摘要:
为研究进气歧管喷水技术对汽油发动机热效率的提升潜力,基于一台研究型单缸汽油发动机,采用试验的手段对比研究了不同的喷水比例、不同的负荷工况及不同的压缩比下进气歧管喷水对发动机燃烧性能的影响。结果表明,采用进气歧管喷水技术可有效降低发动机的爆震趋势,随着喷水比例的增加,CA50逐渐提前,燃料的滞燃期及燃烧持续期增加,同时伴随着传热损失逐渐增加。相比于无喷水(w/o PWI)的结果,喷水的引入虽然导致未燃损失增加,但有利于排气能量损失大幅降低,最终反应到经济性的表现为热效率随着喷水比例的增大呈先增加后降低的趋势,油耗率的表现同热效率的结果相反;此时最佳的净指示热效率(GITE)为43.1%,相比于w/o PWI的结果升高了2.5%;最佳的净指示油耗率(GISFC)为197.9 g/(kW·h),相比于w/o PWI的结果降低了11.8 g/(kW·h)。高负荷运用喷水技术将达到更显著的热效率改善及油耗改善效果;同时,喷水技术的引入使得发动机高压缩比的应用成为可能。
精密制造与加工
一种S型加减速组合的速度规划算法
李甍材, 赵东标, 冯胜利
2024, 43(1): 54-63. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220198
摘要:
针对传统NURBS曲线插补S型加减速的改进难以在加工柔性和加工效率上同时兼顾的问题,提出一种将多种S型加减速组合的速度规划算法。选取分别在加工柔性和加工效率上单独改进的两种S型加减速,并设计了一种兼顾柔性和效率的新改进S型加减速。在速度规划中,根据简化后的4种加减速形式,灵活组合这3种S型加减速,并采取合并曲线分段的速度平滑方式,减少了曲线段间的速度波动。仿真结果表明: 该算法能在提高加工效率的同时满足加加速度的连续,最终实现加工柔性和加工效率的兼得。
C70600白铜空心锭立式连铸工艺参数对凝固过程的影响
蔡军, 杨清相, 乔柯, 王文, 王快社
2024, 43(1): 64-72. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220207
摘要:
为了获得Ø260 × Ø80 C70600白铜空心锭立式连铸合理的工艺参数,通过数值模拟定量分析了各种工艺参数对温度场和应力场的影响。结果表明: 浇铸温度每提高20 ℃, 液穴深度增加10 mm; 拉坯速度每提高10 mm/min,液穴深度增加20 mm; 液穴深度随着石墨芯管冷却强度的增大而减小。基于正交试验和方差分析发现,FAF0.01(3, 3),FBFDF0.1(3, 3),FCF0.1(3, 3),因此,拉坯速度对液穴深度的影响最显著,一冷强度对其影响不显著。根据模拟结果提出了合理工艺参数为:一冷强度24 m3/h、拉坯速度80 mm/min、浇铸温度1 280 ℃、芯管采用空冷。在此基础上成功试制出了合格的C70600白铜空心锭成品。
机器人曲面零件抛光粗糙度预测模型研究
韩天勇, 陈满意, 朱义虎, 朱自文
2024, 43(1): 73-80. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220201
摘要:
为提高抛光后曲面零件的表面质量,应建立粗糙度模型选取合理工艺参数,因此本文提出一种基于支持向量机(SVM)的建模方法。通过对机器人抛光过程及抛光工艺参数的研究,将刀具转速、抛光力、行间距、机器人进给速度等作为输入量,粗糙度作为输出量。结合粒子群算法(PSO)与SVM建立曲面零件抛光粗糙度预测模型,并与回归分析方法作对比。试验结果表明: 回归分析方法的预测误差较大,而基于SVM建立的曲面零件抛光粗糙度预测模型与试验结果高度吻合,试验测量值与预测值间的平均相对误差为2.84%。最后,通过全局寻优获得最佳工艺参数组合,该模型为合理选择抛光工艺参数提供了依据。
材料挤出式3D打印制备功能梯度材料过渡距离研究
马硕, 韩硕, 王世杰, 韩晓伟, 王龙, 段国林
2024, 43(1): 81-89. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220210
摘要:
近年来随着3D打印技术的飞速发展,材料挤出成型工艺制备功能梯度材料成为研究热点。材料之间的过渡是影响最终成型质量的关键因素。目前, 国内外学者只研究了两种独立材料之间相互转变的过渡距离,对不同组分材料之间的转变研究较少。采用双料筒打印机研究了不同组分材料之间的过渡距离,并通过实验探究不同进给量对过渡距离的影响,在保证打印质量的前提下得到了过渡距离最小的进给量。以Visual Studio 2019为开发平台提出一种新的进料策略缩短过渡距离,在路径规划中对切片得到点的材料信息进行判断,对组分增大的材料根据变化值计算其进给量并输出生成新型G代码。最终,采用新型G代码进行打印实验,缩短了材料过渡距离得到了理想的材料过渡曲线。
多点点焊件疲劳寿命分析
覃秋雷, 王瑞杰, 武陇岗
2024, 43(1): 90-95. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220193
摘要:
根据ST12钢的双点及三点拉剪电阻点焊试件的恒幅疲劳测试结果,分别使用缺口应力法和等效结构应力法进行疲劳寿命预测。在使用缺口应力法时,按试件的实际尺寸和国际焊接学会(International institute of welding, IIW)推荐标准,分别建立了双点和三点拉剪试件的三维实体有限元模型进行弹性应力分析,从有限元分析结果提取von Mises最大应力变化值,结合IIW推荐标准中的S-N曲线对试件进行疲劳寿命分析预测; 在使用结构应力法时则采用梁壳混合单元进行有限元应力分析,并且根据主S-N曲线进行疲劳寿命预测。结果表明,在低周疲劳范围内,缺口应力法和等效结构应力法预测的结果相对于试件的实际寿命有较好地相关性,其中等效结构应力法的结果更接近实验寿命结果。
薄壁结构件毛坯去应力分析与铣削加工变形有限元模拟研究
徐飞飞, 刘其广, 吕杰, 金鑫
2024, 43(1): 96-102. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230287
摘要:
薄壁件在航空航天领域应用广泛,其制造精度直接决定了装备的服役性能。然而,由于热处理的影响,导致薄壁件在加工之前存在残余应力。如果控制不当极易导致零件超差。因此,本文以7075铝合金板材为研究对象,分析了残余应力在板料淬火与预拉伸时产生的原理。进一步,采用有限元方法作为工具,对7075毛坯在淬火和预拉伸法过程中残余应力的产生进行了模拟。通过模拟发现,当毛坯件被拉伸约3%,塑性应变量约为2.4 %时,淬火残余应力消除可达91.2 %。在降低残余应力的基础上,本文建立了薄壁结构件铣削加工仿真模型,模拟了多因素耦合作用下的铣削加工变形,并通过铣削实验验证了仿真结果的正确性。
航空齿轮薄辐板车削加工变形预测及切削参数优化研究
宦海祥, 王孟雄, 张可
2024, 43(1): 103-109. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230389
摘要:
为了满足直升机传动系统轻量化的需求,作为直升机关键零部件的传动齿轮具有薄壁的显著特征,在切削加工中容易出现变形严重和尺寸精度难以保证的问题。本文以高强度中合金渗碳钢齿轮薄辐板为研究对象,基于ABAQUS有限元分析软件,开展了切削加工仿真研究,通过建立三维动态切削仿真模型,分析了加工过程中工件所受的切削力与切削参数之间的关系;并运用静态仿真分析了切削力和夹紧力叠加对薄辐板加工变形的影响,对仿真结果进行了极差分析。最后,通过开展试验对仿真结果进行了验证。结果表明: 齿轮薄辐板加工变形量静力学分析显示齿轮辐板轴向变形量最大,径向变形在轮毂处最大;极差分析发现,切削速度为150 m/min、进给量为0.06 mm/r、切削深度为1.8 mm为最优切削参数,最大变形量的预测误差小于10%。
仪器、仪表科学与技术
声学超材料和亥姆霍兹共振结构的自供能传感器
马珂婧, 陈虎越, 张文明
2024, 43(1): 110-116. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220235
摘要:
随着物联网的发展,自供能声学传感器得到了广泛关注。然而,压电传感器的灵敏度等关键指标难以进一步提升。声学超材料能以传统材料无法实现的方式操控声波,为新型声学传感器的设计提供了新思路。本文设计了一种声学超材料和亥姆霍兹谐振结构的自供能声学传感器,并验证了具有缺陷的声学超材料能够聚焦声能;此外,亥姆霍兹谐振器能将聚焦在声学超材料缺陷处的能量进一步放大,传输比超过40 mV/Pa,能满足小型传感器的自供能需求。实验结果表明: 与仅有局部缺陷的声学超材料传感器相比,基于亥姆霍兹谐振器的声学超材料传感器具有更高的灵敏度和信噪比。
运载工程
动车组空心车轴应力强度因子研究
余海峰, 吴兴文, 梁树林, 池茂儒
2024, 43(1): 117-124. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220144
摘要:
为研究动车组空心车轴应力强度因子,首先分析了车轴应力强度因子的影响因素,建立了含裂纹车轴有限元模型,并使用叠加法求解不同载荷下的应力强度因子。然后采用应力外推法和位移外推法计算了应力强度因子,并将计算结果与文献形状因子公式法进行对比。最后根据应力强度因子的一般解析式和位移外推法的计算结果,使用五次多项式对形状因子函数进行拟合,通过设置不同的裂纹深度和载荷验证了形状因子函数和解析式的适用性。结果表明该方法对于求解同一载荷模式下的车轴应力强度因子具有一定的参考价值。
动车组应急蓄电池箱的多目标优化
李娅娜, 高佳威
2024, 43(1): 125-129. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220232
摘要:
针对动车组的应急蓄电池箱的安全问题和轻量化设计要求,综合多个优化目标对其进行优化分析。将主要部件的厚度作为设计变量,以应急蓄电池箱的总质量和和恶劣工况下的应力最小为优化目标,以其第1阶固有频率为约束函数,使用Box-Behnken设计方法获取样本数据。利用样本数据建立低阶多项式响应面模型,结合第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行多目标优化。结果表明: 相较于单一的响应面法或遗传算法,本文采用的响应面法与遗传算法结合的方式,使得优化后的参数更加合理,轻量化和安全性均得到了保障。
改进的LQR横向路径跟踪控制器
马思群, 王兆强, 韩博, 赵佳伟
2024, 43(1): 130-140. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220218
摘要(131) HTML (150) PDF 5081KB(18)
摘要:
路径跟踪在自动驾驶中起着至关重要的作用。为了保证控制器的实时性并提高路径跟踪控制器的稳定性和自适应性,提出了一种基于改进的LQR算法的横向路径控制策略。首先将汽车的动力学模型拆解为横向误差动力学模型,并以此模型设计了前馈+反馈的离散LQR控制器。然后采用模糊控制方法实时根据车辆状态调整LQR的权重系数。此外,为了降低控制器的计算量,设计了基于余弦相似度的更新机制。最后,通过Simulink-Carsim平台对改进的LQR控制器进行双移线路况测试。结果表明,该控制算法在跟踪精度和计算效率方面得到了较大的改善。
运用路径动态预览模型的低速智能汽车侧向跟踪控制研究
王丽娟, 关龙新, 张明华, 时乐泉, 王爱春, 吴晓建
2024, 43(1): 141-149. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220186
摘要:
采用速度自适应的动态预瞄距离是提高智能车侧向跟踪控制效果的有效办法。针对目前基本采用基于当前车速的预瞄距离自适应策略,提出一种结合规划路径和规划速度信息的动态预瞄距离跟踪控制算法以提高智能车在低速侧向跟踪控制的精确性。本文以几何学纯跟踪算法为基础,推导了前行和倒车时的侧向跟踪控制律;依据实时规划的路径和速度信息,设计了预瞄距离动态调整方法,最终获取具有速度自适应性的前视距离-车辆前轮转角关系。最后,在CarSim-MATLAB/Simulink联合仿真环境下验证了算法的有效性和准确性,并通过实车测试,验证了所提出的方法较基于动力学模型的LQR算法具有更低计算消耗和更高跟踪精度。
考虑轮胎侧偏刚度在线更新的智能电动汽车状态估计
付越胜, 李韶华, 王桂洋
2024, 43(1): 150-158. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220190
摘要(175) HTML (104) PDF 3207KB(20)
摘要:
实时准确地估计车辆行驶状态是汽车智能化发展的前提,而现有的研究通常忽略了轮胎侧偏刚度的时变特性,在整车模型中引入线性轮胎模型严重影响到极限工况下车辆状态的估计精度。基于此,提出了一种轮胎侧偏刚度在线更新的智能电动汽车纵向车速、横摆角速度和质心侧偏角的估计算法。基于模糊自适应扩展卡尔曼滤波算法(FAEKF) 建立了车辆状态估计模型,采用模糊控制器对扩展卡尔曼滤波中含观测噪声协方差的卡尔曼增益矩阵进行实时调节,达到算法的自适应效果。以带遗忘因子递推最小二乘法(FFRLS) 为基础建立了轮胎侧偏刚度估计模型。将两种算法以嵌入式的方式结合提出FAEKF+FFRLS算法,更好地实现了状态与参数联合估计和互相校正,通过Trucksim和MATLAB/Simulink联合仿真对算法进行了验证。结果表明: 相比于标准的EKF算法,所提出的状态估计算法具有更高的精度,更好的稳定性和鲁棒性。
含网络攻击的智能网联汽车路径跟踪状态估计与控制
易星, 曹青松
2024, 43(1): 159-165. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220205
摘要:
智能网联汽车具有信息物理系统(Cyber-physical systems, CPS)的特征,运行中容易受到网络攻击的不利影响,造成通信数据的异常交互,降低行车安全。建立智能网联汽车路径跟踪动力学模型和两自由度汽车操纵动力学模型,分析车辆路径跟踪控制系统信息架构,考虑系统响应存在网络攻击,将连续系统状态空间方程进行离散化处理。根据线性二次估计设计一种递归状态估计器。仿真研究网络攻击对智能网联汽车路径跟踪的影响,状态估计器对网络攻击下车辆路径跟踪控制的效果及鲁棒性。结果表明: 网络攻击会导致智能网联汽车路径跟踪效果变差,验证了状态估计器能够有效改善网络攻击对车辆跟踪控制的不利影响,且当网络攻击程度λ、协方差P初值的不同,状态估计器表现出较好的鲁棒性。本研究能够保证网络攻击下智能网联汽车数据信息的可靠交互,有利于改善智能网联汽车跟踪行驶的性能。
材料科学
考虑多种失效模式耦合的复合材料损伤分析
何易周, 张凝, 尹硕辉
2024, 43(1): 166-172. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220192
摘要(233) HTML (109) PDF 2900KB(25)
摘要:
复合材料的损伤失效形式是多样的, 其损伤失效形式包括层合板损伤、胶体裂纹扩展和界面脱黏。为了探讨层合板损伤、胶体裂纹扩展、界面脱黏3种损伤失效之间的内在联系, 先利用ABAQUS/Explicit软件建立混合型弯曲(MMB)断裂有限元模型, 通过数值仿真结果与实验结果的比较, 从而证明MMB模型的准确性。然后结合Hashin失效准则、扩展有限元法(XFEM)和内聚力模型(CZM)来研究3种失效模式的内在联系。结果表明: 层合板损伤不仅可以影响界面脱黏失效发生时间, 同时也能影响胶体中裂纹扩展路径, 为复合材料损伤问题数值分析提供了一定的参考。
新型3D负泊松比多孔材料胞元的弹性性能研究
邓先溥, 班宝旺, 郄彦辉
2024, 43(1): 173-179. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220194
摘要:
空间负泊松比多孔材料优异的多向能量吸收和体积变化可调特性, 使其在航空航天和军工设备等领域具有广阔的应用前景。论文设计了一种正交各向同性的新型空间负泊松比多孔材料的胞元结构(REC胞元), 并对其进行了增强设计。利用有限元仿真方法研究了胞元z向单轴压缩时的弹性力学行为, 详细分析了几何参数对胞元无量纲弹性模量和泊松比的影响, 并利用一组3D打印胞元试样的压缩试验对仿真结果进行了验证。所得结果可以为负泊松比多孔材料的功能设计和增强提供依据。
航空、宇航工程
限流孔板在飞机空调管道的噪声分析及优化设计
赵海宇, 周强, 宋经远, 王青山
2024, 43(1): 180-186. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220220
摘要:
为分析限流孔板在飞机空调管道系统中的噪声特性以及对限流孔板进行降噪优化设计, 本文首先运用CFD方法对含限流孔板的直管进行稳态流场数值计算, 探究气流流经限流孔板的流动状态; 然后基于大涡模拟法和FW-H方程, 对管道进行瞬态流场以及声场计算, 分析限流孔板在飞机驾驶舱监测点的流致噪声特性; 最后, 对比分析不同通流孔径的限流孔板对驾驶舱监测点噪声的影响规律, 从而提出较优的限流孔板低噪声结构设计形式。研究结果表明: 增大通流孔径可提高降噪效果, 但压降性能降低, 限流孔板降噪需结合其压降性能综合考虑。