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当期目录

机械动力学
考虑齿面闪温的风电齿轮箱裂纹故障特征分析
张旭, 钟家欣, 李伟
2024, 43(2): 187-196. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220212
摘要:
为了研究齿面闪温对风电齿轮箱裂纹故障时系统动力学响应的影响,利用Blok闪温理论分析齿轮啮合时的齿面温度,应用热变形公式计算齿廓形变,进而通过Hertz接触理论获得计及齿面闪温影响的轮齿刚度。考虑齿面闪温、阻尼、时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙,建立含有高速级齿轮齿根裂纹的齿轮箱扭转动力学模型。通过时域图、频谱图、相图和Poincaré截面分析不同裂纹长度下系统振动特性随齿面闪温变化的规律,并比较裂纹故障仿真与实验的时频域结果。结果表明:齿面闪温使时域图上裂纹产生的冲击幅值增大、频域图中故障边频结构更为复杂、相图曲线向外扩展以及Poincaré截面离散点增多,且变化均随裂纹长度的增加越为明显。研究结论可为齿轮裂纹故障状态的诊断与监测提供依据。
无人车辆横向跟踪控制研究
李伯雄, 王立勇, 孙鹏, 季文龙
2024, 43(2): 197-202. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220204
摘要:
使用传统模型预测控制对车辆轨迹进行跟踪时,模型中的路面附着系数往往为特定工况下的经验数值。当车辆在未知路面行驶时,现有控制算法难以对路面附着系数进行及时修正,并调整预测控制模型内的约束,进而导致车辆横向失稳。针对此种情况,提出一种考虑实时路面附着系数估计的横向跟踪控制策略,用于实现车辆横向轨迹跟踪。该算法针对路面附着系数未知的工况,利用车辆当前横纵向加速度、横摆角速度、前轮转角等状态量,通过扩展卡尔曼滤波预测路面附着系数后,再对控制模型中的侧偏角约束量进行实时调整,以保证车辆在未知路面工况下的行驶安全,使车辆跟随预期轨迹行驶。实验表明,将扩展卡尔曼滤波法与模型预测控制结合的控制算法具有可行性,且有效提高了车辆在不同附着系数路面行驶时横向轨迹跟踪的稳定性及鲁棒性。
混合动力汽车功率分流传动系统扭转振动及其影响因素研究
王欢, 葛帅帅, 姜艳军, 张志刚, 郭栋, 李明
2024, 43(2): 203-211. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220233
摘要:
针对某款混合动力汽车,综合考虑发动机、电机、复合行星齿轮机构、离合器、减速器、差速器和半轴等部件,采用集中质量法建立功率分流传动系统动力学模型。在此基础上,分析不同运行工况下传动系统固有频率和振型,分别研究电机和发动机激振频率与传动系统固有频率之间的关系,仿真分析扭转减振器刚度对传动系统固有频率的影响规律,通过改变扭转减振器刚度从而使得传动系统共振转速远离发动机常用工作区。
轮式起重机驾驶室俯仰控制策略设计研究
王全伟, 高晓慧, 文豪, 黄金, 张国鹏
2024, 43(2): 212-217. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220306
摘要:
在面临超大服役空间的起升高度场合进行作业时,轮式起重机的驾驶室需要适时调整上仰下俯动作以适应升降变化。为获得稳定的驾驶室空间变化,采用物理拓扑结构解耦,构建液压系统的数学模型,并提出鲸鱼算法优化分数阶控制器(WOA-FOPID)的控制策略,重点分析对比控制策略优化前后的动态响应性和抗干扰性。结果表明,WOA-FOPID控制策略可以对驾驶室的俯仰进行准确、快速、稳定的控制,提高了驾驶室的舒适性和宜人性。
平地行走模式下肌骨参数对肌肉代谢的影响
帅俊峰, 吴豪豪, 殷宝麟, 马常友, 颜兵兵
2024, 43(2): 218-224. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220234
摘要:
面向老年人日常行走助力方案及锻炼方式的关注度日益提升。本文针对不同肌肉骨骼参数,构建了适用于中国人体质的肌肉骨骼模型,利用OpenSim分别获取平地行走模式下衰老因素、身高与体重对人体下肢肌肉代谢及各关节扭矩的变化情况,探究肌骨参数对下肢运动的影响规律,并以下肢运动代谢为评价指标,通过正交试验综合评价相关肌骨参数对其影响程度。上述研究方法及结果为外骨骼助力行走装置的方案设计及科学运动锻炼的拟定提供了理论参考与数据支撑。
精密制造与加工
高速重载弧齿锥齿轮齿面多目标优化设计
任鸿飞, 王三民, 陈鹏, 张旭阳, 张全清
2024, 43(2): 225-231. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220185
摘要:
以提高弧齿锥齿轮强度性能和减振降噪为出发点,基于TCA(Tooth contact analysis)、LTCA(Load tooth contact analysis)及局部综合法建立高重合度与低啮合转换处传动误差幅值的齿面多目标优化设计模型;利用带精英策略非支配排序遗传算法(NSGA-II)优化3个齿面2阶接触参数,根据目标函数重要程度从Pareto最优解集中选择最终优化解。结果表明:给定工况下,优化后的2阶参数使得弧齿锥齿轮副重合度增加了16.69%,啮合转换处传动误差幅值降低了87.33%;同时承载传动误差均值、齿面接触应力均值与大小轮齿根弯曲应力均值分别降低了11.82%、0.25%、12.32%和13.61%,改善了齿轮副的强度性能和啮合性能,实现了减振降噪的效果。
摇动半径与中心抬刀对电火花加工效果影响的试验研究
李殿新, 刘建勇, 张慧杰, 杨晓宇
2024, 43(2): 232-237. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220200
摘要:
为了提升电火花加工系统的性能,开发出基于PC平台、能够实现高速复杂抬刀、多轴联动摇动加工的电火花成形加工数控系统。在中心抬刀模式下,加入摇动半径分别为30 μm、60 μm、90 μm的摇动模式,对比了不同模式下的试验结果。在90 μm摇动模式下,对比了中心抬刀与非中心抬刀下的试验结果。结果表明:随着摇动半径的增大,加工时间变长、加工蚀除率下降、加工后孔的直径和深度变大但孔的直径偏差变小、底部圆角半径变小、电极损耗率下降,但表面粗糙度基本相同;中心抬刀会延长加工时间、降低加工蚀除率、减小孔直径并降低孔的直径误差、减小电极损耗率,对底部圆角直径、加工深度、表面粗糙度的影响不大。
3D矢量空间和最优最劣法在绿色产品设计决策方法中的应用
裴卉宁, 谭昭芸, 杨冬梅, 黄雪芹, 郭任哲
2024, 43(2): 238-248. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220236
摘要:
为了解决目前绿色产品设计方案中产品基础属性考虑欠缺,以及缺乏可视化比较方法的问题,提出一种基于3D矢量空间和最优最劣法(Best worst method,BWM)的绿色产品设计多属性决策方法。通过功能、外观和可持续3个维度为绿色产品设计的基础属性构建3D矢量空间,并对每个维度扩充其包含的下级属性;利用间隔方法优化的BWM获得三个维度及各维度下级属性的权重分配;通过3D矢量空间求得各备选方案的总体评价得分,实现客观科学的绿色产品设计多属性决策。以电动汽车的绿色产品设计方案为例,验证了所提方法的可行性和有效性。
热处理温度对SLM成形316L不锈钢组织性能影响研究
姚宇荃
2024, 43(2): 249-257. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230390
摘要:
使用选区激光熔化(SLM)技术制备316L不锈钢试样以及残余应力样件,采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM,配备电子背散射衍射探头EBSD)、显微硬度计等研究不同热处理工艺对SLM成形316L的显微组织、显微硬度、力学性能以及残余应力的影响,得到最优热处理工艺。结果表明SLM制备制件组织致密,在最优热处理1 000 ℃、保温2 h制度下,试样的性能稳定,显微硬度及拉伸性能各向异性差异小,残余应力小。此研究为SLM 成形316L不锈钢的力学性能优化及显微组织调控提供了强有力的基础。
仪器、仪表科学与技术
压电式超声雾化降尘系统设计及其试验研究
曹帅, 韩光超, 徐林红, 江进国, 卢禄华, 彭清围
2024, 43(2): 258-264. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220229
摘要:
通过传送带传送物料是散料工业运输的主要方式,对运输过程中产生的粉尘进行治理是散料工业运输亟需解决的问题,目前应用比较多的方法为雾化降尘法。为了提升雾化降尘的效果,设计了一种30 kHz喇叭型压电式超声雾化装置和配套的雾化降尘试验系统,并采用单因素试验研究入口水流量、风速、粉尘种类、颗粒直径、喷嘴安装角度等工艺参数对雾化降尘效率的影响规律。结果表明,当入口水流量为30 L/h时,对煤粉粉尘降尘效率为75.9%;当风速为2.1 m/s时,对煤粉粉尘降尘效率为61.1%;相比较于煤粉和沙子,黄土的降尘效率略高;该喷嘴对粒径为107 ~ 180 μm范围内的煤粉粉尘降尘效率最高为73.9%;当喷嘴安装角度为0时,对煤粉粉尘降尘效率最高为81%。
SE-KSD优化的FRFT-VMD轴承故障诊断方法
韦明辉, 江丽霞, 涂凤秒, 姜蓬勃
2024, 43(2): 265-273. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220202
摘要:
提出了一种基于样本熵(SE)和峭度均方差(KSD)优化的分数阶变分模态分解(FRFT-VMD)的故障特征提取方法,同时结合随机森林(RF)分类器对故障进行自动识别分类。针对分数阶傅里叶变换中阶次选择对于数据可分性影响较大的问题,提出利用搜寻样本熵最小值来得到分数阶最优阶次,使得数据中重叠交叉部分在分数域内能更好分离。同时利用峭度均方差准则寻找变分模态分解最优参数使变分模态分解效果更好。通过数据库和实测数据的研究结果表明,该方法提取的信号包含更多和更明显的故障特征频率,大幅度提高了滚动轴承不同状态的故障诊断准确率。
考虑小波包-灰度共生矩阵的高压断路器弹簧疲劳故障程度诊断研究
张艳飞, 邵阳, 公维炜, 张昭维, 武建文
2024, 43(2): 274-281. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220199
摘要:
弹簧操动机构作为高压断路器(High voltage circuit breakers, HVCBs)分合闸操作的储能单元,其可靠性对电力系统的安全运行具有重要意义。本文以六氟化硫高压断路器的弹簧操动机构为研究对象,分析分合闸弹簧的动作机理,对弹簧进行不同程度的故障设置。介绍了振动、声音传感器设备及采集参数,针对小波包时频分析法的缺点,提出一种基于小波包-灰度共生矩阵(Gray level co-occurrence matrix, GLCM)的特征提取方法。从诊断速度和诊断准确度两方面对比了支持向量机(Support vector machine, SVM)、决策树(Decision tree, DT)、朴素贝叶斯、K近邻(K nearest neighbors, KNN)4种诊断模型。实验结果表明,在模拟实际应用场景中,选用K近邻算法对分合闸弹簧故障进行深度诊断能够准确判断故障类型及故障程度,对高压断路器安全可靠运行具有实际应用价值。
在单片机中应用卷积神经网络实现故障诊断
张岷涛, 廖文豪, 卿朝进
2024, 43(2): 282-290. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220228
摘要:
作者利用深度神经网络进行滚动轴承的智能故障诊断(IFD),将人工智能在低成本小型化平台上实现了应用。作者在文章中优化改进了二维神经网络(CNN2D)的神经网络架构,并将其部署到STM32H743VI单片机,实现了轴承故障振动信号的识别和分类。网络的训练和验证使用凯斯西储大学(CWRU)轴承故障数据集,并获得其中的包含10种故障类型的数据。使用基于Tensorflow深度学习框架的Keras工具对CNN2D的神经网络进行训练。验证可知该改进模型对故障识别准确度可以达到98.90%。利用CubeAI工具将网络部署至单片机内。通过串口与电脑进行通信获取随机轴承数据,实测每次诊断运行时间为约为19 ms。
三维声强与振速波束形成结合的声源识别方法研究
方夫民, 柳小勤, 伍星, 郭祥
2024, 43(2): 291-296. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220305
摘要:
针对难以准确分离同频率双声源及计算声功率值的问题,提出三维声强矢量与质点振速的常规波束形成技术结合的声源识别方法,应用于同频率双声源的定位与声功率分离中。利用三维声强矢量特性求解各探头中心处质点振速与声强值;将质点振速引入常规波束形成对各声源定位;将定位结果代入三维声强矢量分解法中,构建声强、声功率的非线性方程组,求解得各声源声功率值。在半消声室内进行实验,实验结果表明:质点振速波束形成的声源定位方法可行,三维声强矢量方程组求解各声源声功率值误差在5%以内。
增强现实环境下装配操作感知方法研究
梁剑斌, 何汉武, 吴悦明, 胡兆勇, 徐梓麒
2024, 43(2): 297-304. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220217
摘要:
现有的自然虚拟装配操作交互模型对双手协同操作和单步操作工作量的表达存在不足,针对这个问题,提出增强现实装配操作感知模型,实现机械装配操作参数化表达。提出基于装配运动特征的虚拟物体位姿计算方法,建立模型的真实手部元素与被操作虚拟物体元素的运动关联,满足模型对虚拟物体位姿求解的需求。提出基于模型元素的模型关键状态计算方法,满足模型运行需求。开发了应用案例,实验表明,模型可表达五种常见装配操作,满足装配培训需求。
机翼弯曲模拟系统的建模与仿真研究
赵孟文, 樊泽明
2024, 43(2): 305-311. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230337
摘要:
某型飞机在飞行过程中,机翼将产生最大可达3米的变形,该变形将严重影响安装在飞机机翼上钢索传动装置的操控性能,同时考虑操控性能在真实飞行过程中的成本、难度、风险问题,构建了地面机翼弯曲模拟系统。首先,构建了由16套机构组成的全机翼半物理仿真模型,各机构均安装有一套位移伺服控制系统和一套角度伺服控制系统。然后对系统的角度控制及位移控制进行了建模、仿真研究,提出了有效的前馈和模糊控制相结合的控制策略。最后搭建了实验验证系统并进行了验证。结果表明:该系统设计合理,实用性强,满足钢索在机翼弯曲变形下的操控性能测试。
运载工程
动力集中动车组车体司机室结构优化设计
柳占宇, 于德壮, 杨帆, 李冬园, 张威, 张昭
2024, 43(2): 312-317. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220195
摘要:
动力集中动车组司机室结构对保证司机人员安全有重要作用,在确保结构安全的基础上,设置合理的传力路径进行结构补强,可以实现碰撞工况下的司机室角柱和防撞柱及相关结构的轻量化,对高速重载要求下的动机集中动车组设计有重要意义。采用拓扑优化方法对某型动力集中动车组车体司机室结构进行拓扑优化设计,寻求角柱和防撞柱的最优布局,以此为基础,重构司机室结构并进行尺寸优化。计算结果表明,通过拓扑优化和几何尺寸优化的一体化设计,在满足原始设计结构的设计强度的条件下,基于拓扑构型所设计的司机室结构重量明显减小,其中重构的防撞柱构型和重构的角柱构型总重量相对于初始设计减重67.5%,减重效果明显。
数据驱动的新能源公交车能耗预测
胡杰, 杨光宇, 何陈, 朱雪玲
2024, 43(2): 318-324. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220303
摘要:
鉴于现有电动车能耗预测多基于实验室条件,存在结果过于理想化或预测准确度不足的问题。本文基于北京市51路公交车的实车运行数据,分析能耗影响因素,通过时钟循环编码优化时间信息、使用箱线图设置阈值以构造行驶工况、建立基于熵权法的驾驶行为评价体系对驾驶行为与工况状态进行辅助分析,最后,对聚类后的4类典型工况片段分别建立引入注意力机制的LSTM能耗预测模型,并将其与传统LSTM及LGBM等多种预测模型进行对比分析,验证结果表明引入注意力机制的LSTM预测模型性能显著高于其他模型。
分布式驱动电动汽车自适应巡航控制策略研究
胡胜利, 张缓缓, 江忠顺, 常笑宇
2024, 43(2): 325-335. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220211
摘要:
以分布式驱动汽车为研究对象,针对多目标协同的自适应巡航问题,应用非线性可变车头时距模型,对坡道、弯道工况设计了间距补偿策略,提高实际车间距离信号的准确性;综合考虑车辆行驶安全性,舒适性,节能性,设计了基于模型预测控制(Model predictive control,MPC)算法、分层控制的自适应巡航控制(Adaptive cruise control, ACC)系统。基于变步长离散化的方法改进ACC系统多目标协同上层控制算法,在保证较长预测时域的基础上提高系统的精确性和实时性。下层控制器中建立逆驱动系统模型、逆制动系统模型,制动/驱动切换逻辑,以车辆整体驱动效率最优为目标设计了期望力矩分配策略。在CarSim/Simulink搭建仿真环境验证了所设计策略的有效性。
复合电源电动汽车双模糊控制能量管理策略设计
杨磊, 白志峰, 王娟, 黄琳
2024, 43(2): 336-343. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220238
摘要:
为增强对复合电源电动汽车锂电池峰值电流抑制作用,加强对锂电池的保护,提出双模糊控制能量管理策略。基于AVL CRUISE软件平台搭建了整车模型,在MATLAB/Simulink中建立了能量管理控制策略模型,通过联合仿真验证控制策略的有效性。与基于规则和基于单一模糊控制能量管理策略对比,本文所提出控制策略有效降低了锂电池峰值电流,同时兼顾了高低功率区间的锂电池电流波动抑制目标,使得超级电容在汽车各需求功率区间内放电功率更加合理,更好地保护了锂电池。
采用轮轨振动加速度信号对车轮扁疤的识别研究
杨丽蓉, 和振兴, 王开云, 刘旭麒, 曹子勇
2024, 43(2): 344-350. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220206
摘要:
实现车轮扁疤损伤的早期识别,并跟踪其发展过程,是研发轨道交通故障智能识别系统的重要内容。目前相关研究着重于分析车轮扁疤激励对车辆和轨道系统相关部件的影响,以及如何在确保行车安全的条件下确定扁疤的安全限值,缺乏通过钢轨振动响应识别车轮扁疤机理的研究。因此基于车辆-轨道耦合动力学理论,通过动力学仿真计算得到车轮扁疤激励下,车辆系统和轨道系统的动力学响应。采用小波包分解算法,提取不同部件的垂向振动加速度的能量值作为评判指标,从能量特征的角度研究车轮扁疤冲击响应的评价方法。考虑了轮轨之间平顺、随机不平顺、以及叠加粗糙度3种激励状态,对车体、构架、轴箱、轮对以及钢轨的加速度时域信号特征和能量特征进行了对比分析。研究发现钢轨小波包能量值与扁疤深度之间具有线性递增关系,车轮扁疤冲击仅影响同侧钢轨的小波包能量值,因此可以利用钢轨振动响应的小波包能量值进行车轮扁疤检测。
尾气温差发电系统建模及影响规律分析
马宗正
2024, 43(2): 351-357. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220224
摘要:
为了能够利用温差发电技术对高温发动机尾气中蕴含的能量进行回收利用,建立了温差发电系统能量计算方程,在基于实验结果验证的基础上对影响温差发电系统输出功率的系统参数及其规律进行了研究。结果表明,随着外部负载的增加,输出功率呈现先增加后下降的趋势;塞贝克系数的影响规律基本一致,输出功率也呈现先增加后降低的趋势;内阻值与输出功率呈类二次方关系,随着内阻值的增大,输出功率降低;导热系数的变化对于温差发电输出功率影响较大,当导热系数变大后,输出功率降低;冷热端散热系数对温差发电模块输出功率的影响基本一致,输出功率随散热系数的增加而增加。
材料科学
跨尺度结构智能优化方法与快速设计
霍树林, 江和昕, 宋贤海, 周恩临, 何智成
2024, 43(2): 358-365. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220237
摘要:
跨尺度拓扑优化设计极大激发了结构轻量化潜力,在先进装备的开发中具有重要作用。然而基于传统有限元的结构拓扑优化算法难以适应产品快速迭代的需求。为此,本文提出了一种基于耦合深度学习的跨尺度拓扑优化方法,通过集成残差神经网络(Resnet)、U-net架构及SEnet中的注意力机制,建立快速生成双尺度拓扑结构的深度学习模型。模型训练数据利用双向渐进结构优化算法产生,并用一组全新的数据对模型进行测试。数值算例表明,本文提出的深度学习模型可以高效且准确的生成基于各种边界下的宏观材料分布与微观拓扑结构。
航空、宇航工程
T型截面铝合金型材零件成组加工技术研究与应用
陈东东, 邓涛, 门向南, 仝朋艳, 王永军, 张建
2024, 43(2): 366-372. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220189
摘要:
针对目前飞机T型材零件单件弯曲成形效率低成形精确差的问题,提出了T型材弯曲件成组拉弯成形的成组加工方法。基于截面尺寸、引导线的曲率半径等信息建立了成组分析算法,对T型材进行分组,使用长型材拉弯成形后切割分段得到符合精确外形要求的T型材零件。通过理论计算、模拟分析和拉弯试验,验证了T型材拉弯成形成组加工技术的可行性,该方法提高了零件的制造效率和成形精度,可以大幅度降低人工矫正的工作量和加工成本。