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2019年  38卷  第1期

机械动力学
碳纤维增强复合材料钻孔加工表面影响层厚度研究
孙鸿洋, 李皓, 秦旭达, 李士鹏, 武卫洲, 吴强, 桂林景
2019, 38(1): 1-6. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180114
摘要(411) HTML (145) PDF 990KB(179)
摘要:
采用正交试验的方法,研究了钻孔过程中主轴转速、刀具进给速度、刀具磨损对碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)钻削表面影响层厚度的影响规律。结合不同的纤维切削角时复材切削机理,研究了不同纤维切削角对制孔表面影响层厚度的影响规律。结果表明:刀具磨损对表面影响层厚度影响最大,主轴转速次之,进给速度的影响最小;影响层厚度随刀具磨损的增大而增大,随主轴转速和进给速度的增大而减小;纤维切削角在90° < θ < 180°时,会产生严重的加工影响层,而在0 ≤ θ ≤ 90°时,不会产生明显的影响层。
量化特征多粒度模型在行星齿轮箱故障诊断中的应用
于军, 丁博
2019, 38(1): 7-14. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180092
摘要(388) HTML (155) PDF 895KB(173)
摘要:
传感器失灵、通讯迟滞或数据离散化等多种不确定因素会导致行星齿轮箱故障诊断信息不完备情况的发生,而现有的故障诊断方法已难于适用。为此,提出一种基于数据驱动量化特征多粒度模型的行星齿轮箱故障诊断方法。首先,采用数据驱动量化特征关系对行星齿轮箱的不完备故障诊断信息进行分析;其次,利用基于悲观数据驱动量化特征多粒度模型的属性约简算法提取故障诊断决策规则;最后,使用朴素贝叶斯分类器(Naive Bayesian classifier,NBC)推断待诊行星齿轮箱状态。实验研究表明,该方法可准确地判断实例间的不可分辨关系,降低计算复杂度,提高故障诊断准确率。
非惯性系下鳗鱼机器人动力学建模与仿真
张安翻, 李斌, 王明辉, 常建
2019, 38(1): 15-22. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180100
摘要(507) HTML (198) PDF 987KB(172)
摘要:
在惯性系下得到的鳗鱼机器人的动力学方程由于耦合度高、非线性强而不利于控制器的设计。本文受自主水下航行器(AUV)基于体坐标系的模型表示法的启发,定义了一个与鳗鱼机器人运动方向一致的非惯性系。在该非惯性系下,利用科里奥利定理获得鳗鱼机器人的二维运动学模型,并利用改进的牛顿第二定律和力矩平衡原理获得水下二维鳗鱼机器人在非惯性系下的动力学模型。该模型是解析的,可直接获得切向速度子动力学,更适合于基于模型的现代控制方案,与精确模型相比,其通过方向角参数解耦实现了模型的简化。最后,对一个9模块的机器人系统进行了数值仿真,并与已有的精确模型进行了对比分析,发现所建立简化模型和精确模型的几乎重合,从而验证了所建立简化模型的准确性。
转套式配流系统U型减振槽结构设计优化
姜晓天, 张洪信, 赵清海, 程前昌, 张延君
2019, 38(1): 23-29. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180102
摘要(371) HTML (70) PDF 980KB(172)
摘要:
转套式配流系统中减振槽结构参数对系统的流量脉动、压力冲击、工作噪声、工作寿命等具有重要影响。以转套式配流系统U型减振槽的厚度、高度和包角为设计变量,考虑流量倒灌约束,建立了以压力极值最小为目标的设计优化模型。以iSIGHT优化设计框架搭建了系统设计优化平台,完成了设计变量对优化目标的灵敏度分析和结构优化。优化后泵的容积效率基本不变,泵腔压力极值减小了8.3%,显著降低了压力超调现象引起的冲击、振荡等问题,提高了整个配流系统工作的稳定性。优化结果具有较强的稳健性,但额定工作转速设定值较大时还需要重新优化U型减振槽结构。
斜圈弹簧非线性刚度及其结构参数影响分析
王建平, 马世豪, 王东, 黄悦, 郭梦飞, 郝晨星
2019, 38(1): 30-36. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180104
摘要(426) HTML (163) PDF 1046KB(182)
摘要:
斜圈弹簧独特的非线性刚度特性是其在高压电力连接、高性能密封设备中广泛使用的关键所在。本文采用参数化建模思想,以单圈斜圈弹簧为研究对象,建立了一套有效的理论计算斜圈弹簧刚度方法。并对斜圈弹簧结构进行参数化分析,得出每个参数对结构刚度的影响。该理论计算弹簧刚度的方法对比于有限元方法计算效率高,并且有助于对斜圈弹簧的非线性机理的认知,对于斜圈弹簧的优化设计、生产与检测提供了理论指导。
EEMD和分形组合技术对ECS涡轮轴承故障特征提取的研究
李晨晨, 韩清鹏, 李天成, 朱瑞
2019, 38(1): 37-43. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180108
摘要(270) HTML (114) PDF 1109KB(172)
摘要:
针对飞机环控涡轮轴承运行时的非线性动力学特性,为了更加准确地分析轴承的故障,从振动信号分析的角度,提出基于EEMD和分形维数相结合的轴承状态特征量提取方法。先对轴承正常、内圈故障、外圈故障和保持架故障等不同运行状态下的振动信号进行EEMD分解,滤除噪声信号,提高信噪比,以减小背景噪声对分形的不利影响。然后对去噪信号再进行相空间重构,计算其关联维数并进行对比分析。实验结果表明:关联维数作为非线性几何不变量可以作为环控涡轮轴承运行状态的特征量;该方法能够准确有效地识别轴承的运行状态。
薄壁圆筒零件车铣复合加工稳定性分析
张政
2019, 38(1): 44-48. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180142
摘要(343) HTML (212) PDF 922KB(171)
摘要:
某靶弹控制仓壳体为镁合金材料薄壁圆筒类零件,相对于传统车削工艺,车铣复合加工工艺具有主轴转速高、切削力小及切削温度低的特点,能有效降低镁合金材料的切削温度、提高加工效率及保证加工质量。针对靶弹壳体车铣复合加工稳定性研究与参数优化,建立考虑变切深变切厚的铣削力模型,利用有限元模型分析工件不同加工阶段和加工位置的动力学响应特性,结合模态锤击法得到的刀具端频响函数,建立XYZ方向的车铣复合加工稳定性预测模型。通过全离散法求解得到不同加工阶段下的稳定性lobe图,结果表明不同加工阶段下具有不同的稳定性加工边界,通过分阶段优化加工参数,可以在稳定加工的前提下提高加工效率。
铝型线填充率对径向传力的影响研究
万建成, 江明, 刘晨, 杨磊, 彭飞
2019, 38(1): 49-56. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180145
摘要(357) HTML (75) PDF 1261KB(169)
摘要:
碳纤维复合芯导线由碳纤维复合芯棒和铝型线构成,型线铝股结构型式填充率高,与圆线铝股传力性能不同,目前针对碳纤维复合芯导线填充率对径向传力影响的相关研究空白。本文对卡线器夹嘴夹紧时导线的受力状态进行了有限元仿真模拟,利用ABAQUS软件建立不同填充率导线结构模型,仿真得到不同填充率下导线铝型线和芯棒的应力情况,仿真结果表明导线夹持受力状态下,铝型线填充率会对导线外部受力向芯棒传递造成一定影响,随着填充率减小,导线铝型线和芯棒压应力逐渐变大。研究结果可作为1 660 mm2碳纤维复合芯导线用卡线器夹嘴长度优化设计参考依据。
不确定性列车移动载荷激励下桥梁的振动分析
魏定池, 段民封, 李金武, 姜潮
2019, 38(1): 57-66. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180224
摘要(590) HTML (138) PDF 1037KB(171)
摘要:
通过引入区间过程模型,提出了一种针对受列车移动载荷激励的桥梁的不确定振动分析方法,可以得到列车经过时桥梁振动挠度响应的上下边界曲线。将单节列车用两个等间隔轮载荷的子系统来模拟,一个包含前轮部分,另一个包含后轮部分。将桥梁简化为简支梁模型,用区间过程来描述列车对桥梁的不确定性移动载荷激励。基于区间过程模型和模态叠加理论,得到桥梁挠度响应的中值函数和半径函数,从而得到挠度响应的上下边界函数。通过数值算例说明本文方法的有效性。
精密制造与加工
杯形砂轮磨削熔融石英玻璃机理与实验研究
苏蕴华, 林彬, 曹中臣
2019, 38(1): 67-72. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180110
摘要(402) HTML (143) PDF 1035KB(173)
摘要:
熔融石英玻璃是一种工程领域常用的光学玻璃材料。针对在陶瓷材料端面快速磨削中具有广泛应用的杯形砂轮,综合考虑了磨削过程中的脆性断裂和对材料造成的冲击效应,基于单颗粒磨削理论对砂轮运动轨迹和去除效率理论建模分析。在此基础上,对熔融石英玻璃材料进行多参数的单颗粒金刚石刻划实验,以验证理论预测模型,实际测得的磨削力数值与刻划后三维表面形貌,与理论分析结果吻合。结果表明,这一理论模型可以用于预测磨削力数值和优化加工参数。
航空发动机薄壁叶片加工误差补偿迭代学习建模方法
丛靖梅, 莫蓉, 张莹, 王奇
2019, 38(1): 73-79. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180167
摘要(382) HTML (142) PDF 1037KB(172)
摘要:
航空航天复杂薄壁件在数控铣削的过程中,由于实际加工结果与理论尺寸的不一致,导致了加工误差的存在,从而降低了零件的精度,进而直接影响其使用性能。针对航空发动机薄壁叶片在加工时产生的以弹性变形为主的综合误差,研究了航空发动机薄壁叶片加工误差补偿迭代学习建模方法。基于弹性变形理论、泰勒展开建立误差补偿模型,根据前次加工后的数据通过学习迭代算法,计算出下一次切削误差补偿量并重构叶片模型,生成新的数控加工程序,最终使加工误差满足公差要求。通过迭代学习算法对补偿模型的计算,可以有效减少补偿次数,提高补偿加工效率。
以生产趋势预测为基础的主动式调度方法
蒋丹鼎, 周竞涛, 赵颖, 蒋腾远
2019, 38(1): 80-89. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180299
摘要(414) HTML (66) PDF 1062KB(171)
摘要:
为应对自适应制造需求由被动式调度向主动式调度的转变,提出一种以生产趋势预测为基础的主动式调度。该方法首先构建了实时状态模型,从制造资源、制造资源组合以及生产任务3个层面对生产过程的历史信息和实时状态进行建模,形成了具有时间序列的生产过程状态信息;针对生产过程的不确定性特征,采用贝叶斯网络推理方法,以生产过程状态信息作为输入,获取生产趋势的预测结果;将获取的异常趋势作为主动式调度的触发条件,通过扩展蒙特卡洛树搜索算法,利用其序贯决策能力生成以生产趋势预测为基础的主动式调度方案,从而实现生产过程的自适应制造。将提出的方法应用在某航天机加车间的实时生产过程调度中,验证了方法的有效性。
应用变量优选的PLSR分析直线进给轴热扭曲行为
吴倩倩, 林献坤
2019, 38(1): 90-95. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180106
摘要(278) HTML (147) PDF 990KB(170)
摘要:
为了探索直线电机驱动的高速直线进给轴热扭曲变形的影响因素,在试验的基础上,给出应用向前变量智能自筛选的偏最小二乘线性回归模型(Partial least squares regression,PLSR)分析影响进给轴热扭曲行为关联因素的分析方法。通过在自构建的进给轴试验平台,建立进给轴扭曲变形的测试系统,给出直线进给轴在发热过程和强冷却作用过程的热扭曲变形采样与进给轴温度动态采集方案。应用周期大变异的遗传算法为偏最小二乘回归参数的自检验方法,给出分析方法的具体实现步骤。通过实验和回归识别计算,分析了进给轴的温度分布及其对热扭曲行为的影响规律。结果表明,给出的变量自筛选偏最小二乘线性回归分析方法,可有效的筛选复相关的温度测点变量,并保持较高的回归识别精度,给出的方法与全变量PLSR和向后变量筛选的Bootstrap方法进行了比较,进一步表明了给出的回归分析方法的优越性。
辛普森积分法在双NURBS曲线随动插补中的应用
江本赤, 王建彬, 苏学满
2019, 38(1): 96-103. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180099
摘要(374) HTML (70) PDF 1047KB(171)
摘要:
提出一种精确计算插补步长的双NURBS曲线随动插补算法。首先由曲面数控加工的离散刀位数据分别拟合出刀尖点和刀轴点NURBS曲线,并建立两条曲线插补参数间的随动关系模型; 然后采用辛普森积分法计算出曲线的总弧长,进行插补运动的加减速规划; 再以刀尖点NURBS曲线为基准确定插补参数,采用辛普森法确定各插补周期的进给步长及插补点坐标; 最后依据随动关系模型获得刀轴点NURBS曲线对应的插补参数,完成曲面加工刀路规划的刀具位姿插补。仿真实验表明,与同一参数插补法相比,参数随动法可以获得更加稳定的等距效果,便于实时控制插补过程中的刀轴位置和姿态。
熔融沉积成型工艺中构建时间的研究
李俊美, 黄子帆
2019, 38(1): 104-107. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180098
摘要(325) HTML (115) PDF 815KB(168)
摘要:
为了解决熔融沉积成型制造中存在零件原型构建时间过长的问题, 本文在研究了零件原型构建时间产生机理的基础上, 给出了构建时间的理论计算方法并分析了影响构建时间的因素。以不同边长的实心立方体为例, 通过理论计算得到的构建时间与实验所用构建时间相对比, 分析了产生时间差值的影响因素, 得出了零件原型体积与构建时间的数学关系式, 进一步为缩短零件原型构建时间提供了研究方向。
仪器、仪表科学与技术
一种地铁转向架的多柔体动力学建模方法研究
王胜泽, 唐华平, 李云召, 姜永正
2019, 38(1): 108-114. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180101
摘要(649) HTML (221) PDF 1034KB(171)
摘要:
为更加系统真实的研究地铁转向架动力学性能,从多柔体动力学角度出发,以某B型转向架为例,建立了包含转向架、车体及轨道的多柔性动力学模型,研究了全新的非线性空气弹簧动力学模型建立方法和部件间运动耦合定义方法,使用轮轴转速驱动和轮轨接触方式进行速度加载,采用显示动力学计算方法,得到动态运行下平稳性指标和动应力并与实验进行对比,结果表明:实验与仿真结果基本一致,该建模方法准确可靠,能为转向架动力学研究提供是一种新的思路。
材料科学
碳纤维复合材料层合板损伤的压电阻抗法检测研究
曲皓, 李成, 段玥晨, 侯玉亮
2019, 38(1): 115-120. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180144
摘要(388) HTML (127) PDF 907KB(169)
摘要:
为了验证压电阻抗(Electro-Mechanical impedance,EMI)技术在复合材料结构无损检测中的适用性,搭建损伤检测实验平台,设置不同的工况,测量不同损伤状态下PZT的电导曲线。利用均方根偏差RMSD对电导曲线进行分析,得出了损伤程度、损伤位置与RMSD值之间的关系:损伤程度增大,PZT测得电导曲线的偏移量增大,体现为RMSD值增大;与损伤位置间距越小的PZT测得电导曲线的RMSD值越大。验证了压电阻抗法应用于复合材料结构的适用性,并利用损伤距离与RMSD值之间的关系进行初步定位实验,得到精度较高的定位拟合曲线。
航空、宇航工程
采用多点逼近遗传算法的屈曲约束下桁架拓扑优化
崔慧永, 黄海, 安海潮
2019, 38(1): 121-128. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180103
摘要(342) HTML (168) PDF 956KB(168)
摘要:
基于线弹性屈曲理论,讨论了杆单元建模及欧拉单杆失稳判据在桁架结构稳定性分析中的缺陷。为更精确地获得桁架屈曲响应,建议以梁单元进行有限元建模,并利用特征值屈曲分析来获取结构各阶失稳载荷因子及屈曲模态。分析了从基结构法出发求解特征值屈曲约束下桁架拓扑优化问题所存在的求解困难与奇异性。为有效求解该类问题,采用了多点逼近遗传算法,对离散拓扑变量和连续尺寸变量进行了联合优化。同时,通过屈曲模态识别、删除杆件屈曲模态过滤、局部约束临时删除等措施,特征值约束下的求解困难和删除杆件在优化过程中的不利影响也得到了克服。数值算例验证了本文结构建模及优化方法的有效性,同时也表明了该方法具有较高的效率,能够凭借较少的结构分析次数来获得优化解。
伞状膜式反射面的型面设计
秦云敏, 赵明, 王俊鹏, 马小飞, 华岳, 张桥, 范叶森, 文立华
2019, 38(1): 129-133. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180111
摘要(279) HTML (54) PDF 849KB(157)
摘要:
针对支撑肋、反射膜面及索构成的伞状空间天线反射面,发展了一种新型、高效的型面精度调整以及形态设计的优化分析方法。首先,通过调整索牵引技术调整反射面形状,设计了索的布置方案,并基于支持向量机代理模型和遗传算法优化了调整索的索力值,将反射面型面误差RMS值减小到0.6 mm以下;其次,充分考虑肋的变形,采用复位平衡法得到了肋的应力分布,通过应力释放获得肋的初始形状,确保肋变形后为反射面形状保持所需形状。
载荷发生频次和超载迟滞的耐久性载荷谱编制方法研究
殷之平, 沈亚强, 种晖, 李斌潮
2019, 38(1): 134-141. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180143
摘要(334) HTML (245) PDF 926KB(151)
摘要:
国内所编制的所有型号飞机的载荷谱,均是代表机队平均使用情况的疲劳载荷谱,而未编制耐久性载荷谱,解决这些问题无论是对我国新一代飞机的研制,还是对旧型飞机使用延寿都迫在眉睫。本文在研究与总结现有载荷谱编制方法及载荷谱处理的关键技术基础上,提出了两种耐久性载荷谱的编制方法:1)对各级载荷发生频次进行概率统计,增大各级载荷发生频次,进而形成较为严重的耐久性载荷谱,即基于载荷发生频次的耐久性载荷谱编制方法;2)将载荷谱中的高载降低为较低级载荷,削弱其对后续小载荷的迟滞效应,使得所编制的载荷谱偏严重,即基于超载迟滞效应的载荷谱编制方法。根据上述两种耐久性载荷谱的编制思想,编制了基准载荷谱和两种耐久性载荷谱,并对这两种载荷谱进行对比试验。通过试验结果证明,本文提出来的两种编制方法均可以达到预期的严重效果,满足耐久性载荷谱的编制要求。
90°弯管的三段弯曲式管形优化设计
刘伟, 张展
2019, 38(1): 142-151. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180109
摘要(295) HTML (65) PDF 1245KB(138)
摘要:
90°弯曲导管是航空管路系统的常见形式,但是传统一段弯曲方式,在高压高速流体流经时,会产生较大的涡流区,易引发流体噪音和管道结构振动。本文以肘形导管为例,研究了三段弯曲式管形优化设计。首先,根据涡流区和二次流的产生位置,提出三段弯曲方式的两种肘形导管设计方案。然后,以减小弯曲段和出口段涡流平均值为目标,采用线性近似约束优化算法(COBYLA),对三段弯曲肘形导管对应的4个管形参数进行尺寸优化。优化结果表明,三段弯曲方式涡流减少6.29%,截面二次流最大速率降低51.97%,流经弯曲段的压力损失降低12.64%。最后,讨论了管径、压力、流速等因素对优化结果的影响,给出最优管形参数的取值范围。该设计为航空管路的弯管设计和消脉减振提供了技术手段。
大型空间可展开薄膜反射面天线刚柔耦合动力学仿真
赵明, 秦云敏, 王俊鹏, 马小飞, 华岳, 张桥, 范叶森, 文立华
2019, 38(1): 152-155. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180112
摘要(435) HTML (129) PDF 854KB(143)
摘要:
膜-梁混合结构的动力学仿真分析是工程应用中一个十分重要、但却极具挑战性的课题,目前国内外还没有十分有效的方法。本文基于能量原理和最小二乘法,发展了一种针对薄膜结构的新型弹簧-质点模型刚度系数求解方法,并将其与通用多体动力学仿真软件ADAMS结合,实现了大型空间可展开薄膜反射面天线刚柔耦合系统的动力学仿真,且准确求解出了薄膜应力。
航空发动机外部管路振动模态试验研究
黄燕晓, 王轩, 苗万青
2019, 38(1): 156-164. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180159
摘要(393) HTML (74) PDF 1036KB(135)
摘要:
为分析不平衡振动对航空发动机外部管路结构影响,构建管路的真实与简化模型,通过双应变片传感器测试管路振动模态试验方法研究两端固支长薄壁管路的振动特征,并对管路模型有限元仿真计算比较。结果表明:简化与真实模型的试验结果基本一致;两种模型主振型均为1弯、2弯、3弯;两种模型固有频率除第1阶管路两端不能完全固支约束差异大外,后2阶在10%误差内;试验结果与仿真结果保持一致。振动模态试验方法对材料参数不全构件振动特征分析,助于管路结构优化与特征精确预测。