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机械动力学
EWT-多尺度模糊熵-VPMCD融合算法的轴承故障识别分类应用
车守全, 江伟, 包从望, 朱广勇
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200230
摘要:
针对振动信号提取轴承故障特征及识别分类的研究方式,提出了一种结合EWT-多尺度模糊熵-VPMCD的方法。首先,运用经验小波变换提取振动信号的模态分量。其次,引入信息论中的模糊熵算法,并加以多尺度粗粒度划分得到多尺度模糊熵特征描述。然后,用VPMCD对特征向量进行自适应选择预测模型训练。最终通过实验表明:模态分量多尺度模糊熵能够有效描述故障特征;VPMCD在少训练样本情况下获得了最低90%的分类准确率,相较一些常用的分类方法有着更好的性能表现。
转子式高压供油泵凸轮轴全周期扭矩计算方法
杨显锋, 王敏, 武文佳, 姜伟, 李汝宁
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200221
摘要:
为提高高压共轨系统常用的转子式高压供油泵峰值扭矩的计算准确性,提出一种凸轮轴全周期扭矩计算方法。计算包含柱塞的液压力、摩擦力、弹簧力和惯性力,根据座圈所受的合力方向,在偏心轮坐标系中确定座圈与偏心轮接触点的位置,并通过坐标变换,得到凸轮轴坐标系下该接触点的坐标,进而计算出不同转角下的凸轮轴扭矩。当只考虑柱塞所受的液压力时,该方法与常用的流量倒推法计算结果相同。计算结果表明,高压供油泵的峰值扭矩可按流量倒推法结果的1.3倍计算;当理论排量和供油压力一定时,峰值扭矩随柱塞直径的增大小幅增大、随着柱塞个数的增多而降低,但柱塞数超过3时,数量增多对峰值扭矩降低的效果减弱。
降低制动摩擦振动的制动器结构拓扑优化设计
袁琼, 唐鹏, 李仕生
, doi: 110.13433/j.cnki.1003-8728.20200227
摘要:
本文建立起某车型盘式制动系统三维有限元模型,分析了该制动系统的摩擦振动噪声特性,并基于ABAQUS/Optimization模块对该制动系统进行结构拓扑优化设计,在满足轻量化的目标要求下改善摩擦振动噪声问题。结果表明:制动系统在摩擦力作用下可能出现四种振动模态,且产生频率为3 632.4 Hz的振动噪声的倾向和强度最大。产生该频率摩擦振动噪声的原因是由于制动钳的第4阶模态频率与制动盘的第11阶模态频率非常接近,在摩擦力作用下容易产生共振。通过对制动钳进行结构拓扑优化设计,移除制动钳两侧区域的材料,使其在满足重量最小的目标前提下将第4阶模态频率降低到2 804 Hz,从而避免与制动盘发生共振,且制动钳的重量减轻了17.1%。进一步采用复特征值分析对结构优化后的制动系统进行摩擦振动噪声特性预测,结果表明制动系统仅有两组相邻模态出现模态耦合现象,且原始制动系统出现的3 632.4 Hz的振动噪声频率已经消失,制动系统摩擦振动噪声问题得到显著改善。
入口结构对粒径重构旋流器分离性能影响分析
马骏, 何亚其, 白健华, 孙超, 赵宇, 杨磊, 张爽, 宋民航
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200231
摘要:
为提高水力旋流器对细小油滴的分离效率,对旋流器入口结构进行分析,发现弯管形式入口对不同粒径油滴具有重构和聚结的功能,即不同粒径油滴经弯管入口后分布在入口截面的不同位置,结合弯管入口结构设计了一种可实现油滴粒径重构的油水分离旋流器。采用群体平衡模型(Population balance model,PBM)模拟油滴破碎与聚结,对粒径重构旋流器内部流场特性进行数值模拟。对比分析了旋流器在不同角度弯管下的油滴粒度、湍动能、速度、油相体积分数及分离效率变化情况,并开展了室内试验。结果表明:粒径重构旋流器能够提高对细小油滴的分离效率,且180°弯管下分离性能最佳,旋流器总体效率达到97.31%,相对于优化前的旋流器提高了2.85%,内外层入口处油滴粒径分别达到0.36 mm和0.33 mm,呈现出较好的聚结效果。数值模拟结果与试验结果吻合良好,验证了数值模拟的准确性及优化结构的高效性。
主动悬架的二阶滑模容错控制研究
孙晋伟, 刘秋, 顾亮
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200219
摘要:
针对主动悬架执行器故障,基于终端滑模和二阶超螺旋滑模算法,研究不同路面激励及不同执行器故障下悬架系统特性,实现主动悬架容错控制的目的。首先建立了七自由度悬架模型和非线性液压执行器模型,将悬架系统分为簧载质量运动的内部动力学和含有执行器子系统的外部动力学;然后引入非奇异快速终端滑模控制器来抑制簧载质量运动加速度,并利用超螺旋滑模控制器来跟踪终端滑模产生的期望控制力,使主动悬架在外部干扰及执行器故障工况下仍能保持期望性能;最后利用Lyapunov方程证明了超螺旋滑模控制器的稳定性。仿真结果表明:控制算法能有效提升车辆振动系统的性能;相比于传统的H控制,二阶滑模能更有效地提升系统的可靠性。
10支链Stewart衍生型并联机构的位置正解及工作空间
叶鹏达, 尤晶晶, 仇鑫, 王林康, 茹煜
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200220
摘要:
冗余驱动具有刚度大、承载能力强和运动特性好等优点,设计了10-6、10-5两类构型的10支链Stewart衍生构型,构建了一种数值法和解析法相结合的位置正解半解析算法,并分析了两类构型的工作空间。通过引入虚拟支链,两类构型可进一步衍生为同一种12支链台体型拓扑构型。推导了12支链构型的协调方程,并运用Newton-Raphson法得到虚拟支链的数值解;构建了12支链构型位置正解的全解析数学模型。进一步的,运用区间分析法研究了两类构型的位置工作空间和姿态工作空间,结果表明,10-5构型的工作空间较规则,且具有良好的对称性。研究结论为后续的奇异位形分析和结构参数优化奠定了理论基础。
超临界CO2透平机主轴冷却装置静动态特性分析
郑培培, 李伦, 李济顺, GurgenciHal, 李俊, 陈稳, 许世钰
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200213
摘要:
以超临界二氧化碳(SCO2)透平机主轴冷却装置为研究对象,基于流体域圆柱曲面展开法建立了流体域压力分布的数学模型,推导出压力分布及承载力的函数表达式;采用CFD分析方法,针对进气压力、主轴转速、偏心率等不同条件下的流场压力、承载力、刚度进行了分析研究。研究结果表明:主轴低速对气膜压力影响极小,轴向压力以冷却装置轴向中心截面呈对称分布;相同偏心率下,承载力随进气压力的提高而增大;进气压力恒定条件下,气膜承载力随偏心率的增大逐渐增大;冷却装置刚度与偏心率呈非线性关系,随偏心率的增大,冷却装置刚度增大,到达极值点后开始减小,极值点出现在偏心率0.35位置。
OpenSim环境下人体下肢行走生物力学特性研究
郭超, 何育民, 孙朝阳, 汪朝晖
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200225
摘要:
为了分析人体以不同速度和不同负重行走工况下的下肢生物力学特性,基于生物力学分析软件OpenSim建立一种人体下肢肌肉骨骼模型。利用逆向动力学,以地面支反力和运动控制点坐标为驱动,完成了人体以不同速度和负重工况下的步态行走仿真。得到人体以相同速度不同负重和相同负重不同速度行走工况下,踝关节、膝关节和髋关节的力矩变化曲线,分析了行走速度和负重与关节力矩之间的变化关系,得出行走速度和负重与关节力矩的变化呈正相关关系;给出了比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的肌肉活性变化曲线,讨论了行走速度和负重与肌肉活性之间的联系,得出肌肉活性随着行走速度和负重的增加而增加。
缝纫机器人工作空间分析
王晓华, 王育合, 王文杰, 王进, 陶庆
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190260
摘要:
为确定符合缝纫机结构条件的缝纫机器人工作空间,提高机器人缝纫作业前的规划效率,应用旋量法建立运动学模型,并使用Adams软件验证了所建运动学模型的正确性。采用蒙特卡洛法结合控制变量法分析具有区域限制性的工作空间,确定出机器人各关节在实际工作环境中最佳的转角范围。利用MATLAB仿真得到机器人自由与受限情况下的工作空间云图,对比结果表明所确定的关节转角范围满足机器人实际的工作空间要求。
4-URPU多模式移动并联机构运动学与多目标优化
张春燕, 谢明娟, 卢晨晖
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190255
摘要:
为适应多重地形特征环境,本文提出一种集四足步行、蠕动和“全姿态”滚动等运动模式为一体的4-URPU多模式移动并联机构。利用螺旋理论分析了机构在各模式下的运动可行性,求解各模式下机构的位置解及速度雅可比矩阵,并建立多目标优化模型,得到一组相对最优解的集合。结果表明,行走过程中的速度性能指标的最大值低于机构在滚动过程中的速度性能指标,不同的工作环境有不同的最优解决方案。最后对机构进行样机试验,验证了该机构的理论正确性以及运动可行性。所提出的机构可应用于核电事故、野外、自然灾害等具有多重地形特征的地理环境中,有一定的应用前景。
改进狼群算法的SCARA机械臂自适应迭代学习控制
张长胜, 马泽楠, 李宽, 陈标发, 李伟, 杨俊
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190227
摘要:
针对减小机器人重复运动的位置、速度跟踪误差的问题,给出一种基于狼群算法优化的机械臂自适应迭代学习控制策略。根据SCARA(Selective compliance assembly robot arm)机械臂驱动方程,设计动力学系统的迭代学习控制律。引入自适应步长的狼群算法,使狼群能够根据猎物气味浓度动态调整移动步长,提高了算法的收敛速度和精度。该策略对机械臂控制器参数KPKD进行寻优时,得到了良好的控制效果,实现了对期望轨迹的有效跟踪。实验结果表明,该算法灵活性好,对系统期望轨迹具有较高的跟踪精度,有效降低了双关节机械臂的位置、速度跟踪误差,具有较强的可行性与有效性。
转子调磁式磁力齿轮设计与分析
李开元, 朱姿娜, 吴鹏, 吴迪
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190254
摘要:
针对传统磁力齿轮高速运转时转子永磁体会破坏的缺点,提出没有永磁体的转子调磁式磁力齿轮。根据磁场调制原理建立了输入输出转矩与气隙磁场间的关系,使用二维有限元法分析其转矩传递能力;使用参数化扫描对不同的转子尺寸参数组合进行优化分析,得到输出转矩与转子尺寸间的关系,并探究各转子尺寸参数对输出转矩影响的原因。仿真结果表明:输出转矩与转子的尺寸参数有直接关系,存在最优尺寸使输出转矩达到最大值;优化后输出转矩增加了81.2%,低速转子尺寸对输出转矩影响最大。最后对气隙中磁密进行谐波分析,结果表明优化前后主要谐波的变化与转矩变化一致,验证了转子调磁式磁力齿轮设计分析的有效性。
精密制造与加工
超声雾化辅助切削钛合金的表面质量和刀具磨损
黄丙琪, 孟建兵, 胡益忠, 栾晓声, 董小娟, 徐汝锋
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200222
摘要:
为了减轻钛合金干式切削时的刀具磨损,提高试件表面质量,提出了一种水基切削液超声雾化辅助切削的方法。首先,以TC4钛合金为切削对象,进行了钛合金干式切削试验。然后,以纳米级水溶性油基切削液与去离子水混合后形成的乳化液为雾化介质,由超声雾化器转化为微小液滴并作用于刀工界面,进行了超声雾化辅助切削试验。最后,对比分析了超声雾化辅助前后,TC4工件表面粗糙度、刀具磨损、元素扩散和切屑形貌等情况。实验结果表明:与干式切削相比,超声雾化辅助切削后的钛合金表面粗糙度降低47.6%、后刀面刀具磨损值最大降低36 μm、刀具表面Ti、O元素含量分别从78.72%、6.32%减少到75.49%、1.85%。
先进高强钢DP780板料温成形本构参数识别
王凯迪, 李迪, 冷杨松, 付秋涛, 徐家川, 姜宁
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200232
摘要:
先进高强双相钢板料温成形的本构模型参数识别,是提高塑性变形行为仿真准确度的关键。通过建立基于拉丁超立方抽样法和Spearman秩相关性分析法的本构模型参数敏感度分析方法,进而实现了参数敏感度的整体性分析。然后结合敏感度分析结果、DP780钢单向拉伸试验以及拉伸过程有限元模拟,构建了不同温度下的距离函数和材料本构参数之间的响应面模型。将本构参数识别问题归结为求解最小距离函数问题,利用遗传算法进行优化计算,最终获得了不同温度下的DP780钢井上胜郎本构模型参数。结果表明,建立的本构参数识别方法较好地满足本构模型精度要求。
均匀T网格样条曲面的半规范局部细分算法
胡海涛, 纪小刚, 张溪溪, 栾宇豪, 张建安
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200229
摘要:
为解决T样条曲面造型中控制点插入的半规范问题,提出了一种基于均匀T网格样条曲面的半规范局部细分算法。首先根据T样条曲面定义,将B样条曲面转换为均匀T网格样条曲面;然后在任意单一网格上进行控制点插入,或将网格进行嵌套细分。为满足曲面局部特征细分要求,建立超定方程组,用神经网络求解额外系数,添加于特定控制点上,以保证T样条曲面的半规范性;最后,通过额外系数计算新的混合函数,并构造最终曲面。并通过实例证明该算法的可行性,与现有的T样条的相比,曲面在达到相同精度时,该算法减少了多余控制点。
轴套长度对被连接件压缩变形体形状影响的研究
车承牮, 阳光武, 肖守讷, 朱涛, 杨冰, 柯新
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200215
摘要:
螺栓连接结构在其夹紧区域内压缩变形量的计算会受到压缩变形体形状的影响。为了探究更适宜的压缩变形体等效方式,基于压应力4次分布理论修正了与轴套接触的被连接件内压缩变形体的最小外径,得到被连接件轴向压缩变形量的修正解析式。对有限元仿真的节点应力进行曲线拟合和数值积分计算,得到螺栓的轴向压缩变形量。结果表明:螺栓连接结构夹紧区域内压缩变形体为平头圆锥、圆柱与双平头圆锥的组合形式更为恰当,与轴套接触的被连接件内压缩变形体的最小外径修正为轴套外径与螺栓头支承面直径平均值的1.4倍时,其相对误差不超过7.49%;采取正确的压缩变形体等效方式并引入被连接件压缩变形体最小外径的修正有利于计算含有轴套的螺栓连接结构的轴向压缩变形量。
改进的交互式卡尔曼滤波对雷达数据处理技术研究
刘全周, 贾鹏飞, 李占旗, 王启配, 王述勇
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200111
摘要:
为了减少车载毫米波雷达数据中的噪声影响,本文采用了改进的交互式卡尔曼滤波算法对采集数据进行了处理,得到了目标运动状态的最优值。依据目标车辆的运行轨迹构建了运动状态方程,确定了不同状态下的状态矩阵和观测矩阵,同时设计了交互式多模型滤波器,借助于dSPACE场景仿真软件建立了虚拟交通场景,利用硬件在环技术实现了运动目标的数据采集,分析计算了雷达数据噪声,在滤波过程中,利用遗传算法对过程噪声和量测噪声进行在线优化,得到噪声的最优组合。通过激光雷达对目标的探测结果对算法的滤波性能进行了验证,滤波算法求得的数据平均误差小于0.1 m,对数据的噪声起到一定的抑制作用,提高了对目标车辆的定位与追踪能力。
航空、宇航工程
接触载荷对铝合金隔水管摩擦学性能的影响
毛良杰, 何鑫, 蔡明杰, 王国荣
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200228
摘要:
通过用7075铝合金销盘和G105钢销钉在UTM摩擦试验机上研究了的实验接触载荷对铝合金隔水管摩擦学性能的影响机理。结果表明:随着接触载荷增加,摩擦系数先大幅减小后略有增大;磨损率先缓慢下降再急剧上升;在10~30 N接触载荷下,主要磨损机制为磨料磨损;在50 N接触载荷下,主要磨损机制为氧化磨损;在70 N接触载荷下,主要磨损机制为分层磨损;50 N为由轻微磨损向严重磨损转变的临界载荷。研究证明了在铝合金隔水管的运用过程中,应该避免高载接触引发严重磨损而导致材料失效。
几何参数对微型压缩机柔性板弹簧性能影响
周伟楠, 朱海峰, 陈雷, 丁磊, 刘少帅, 蒋珍华
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200217
摘要:
板弹簧技术是线性压缩机驱动的微型斯特林制冷机长寿命、高可靠运行的关键技术之一。本文中设计了3款不同形式的微型压缩机用柔性板弹簧,并基于有限元法展开了不同板簧厚度、涡旋槽宽度、涡旋臂数目这3个几何参数对板弹簧性能的影响分析,最后总结出几何参数对板弹簧性能影响规律。
全激励FE-SEA法在驾驶室噪声预测中的应用
王洪龙, 高云凯
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200224
摘要:
根据某型挖掘机驾驶室噪声的频谱特性,确定其主要噪声成分为中频噪声。为了准确模拟该噪声水平,采用有限元-统计能量混合分析方法,建立FE-SEA仿真模型;通过计算,获取子系统的模态密度、内损耗因子及耦合损耗因子。利用试验方法测量驾驶室外声场的声压数据及悬置振动数据,作为激励施加在混合模型的相应子系统上。仿真计算驾驶室内部噪声,在200 ~ 1000 Hz中频范围内仿真误差仅为2.38%,验证了混合模型的准确性以及FE-SEA方法对中频噪声问题的适用性。据此结果,进一步分析驾驶室板件的噪声贡献度,找到驾驶室的声学薄弱部位,为优化改进指明方向。
海底电缆张力弯曲试验装置结构受力有限元分析
乐彦杰, 郑新龙, 黄崇武, 吕安强, 卢正通, 敬强
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200226
摘要:
为了测试在大拉力载荷下,海底电缆张力弯曲试验装置是否能正常工作,本文利用有限元分析方法对鼓轮与海缆进行了建模与仿真,并对整个有限元模型进行了应力、应变和位移分析。结果表明,该张力弯曲试验装置在2×106 N的拉力载荷下,应力最大值达到1.05×108 Pa,并未超过碳钢的屈服强度,没有发生大变形,能够正常工作,装置设计方案合理。
材料科学
纳米粉体连续高压分散装置的特性研究
袁方洋, 崔政伟
, doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190270
摘要:
搭建了一种超微颗粒连续分散装置,实验发现纳米颗粒经连续喷射分散可被分散至初级粒径范围。为探讨该装置的机理及高压分散特性,数值模拟了纳米粉体的二级喷射分散过程。结果表明,数值与实验结果的压力动态曲线相符,颗粒数密度沿流动方向降低,实验数据较模拟结果更低。颗粒高压分散的喷嘴不宜过长,以避免颗粒在喷嘴内流动过程中再次团聚,喷嘴长径比在2.5左右可在射流出口产生最大的剪切率,获得最佳的颗粒分散效果。