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2019年  38卷  第4期

机械动力学
一种多自由度振动系统动载荷识别的时域方法
樊懿葳, 朱涛, 王明猛, 杨冰, 阳光武, 肖守讷
2019, 38(4): 493-498. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180216
摘要(504) HTML (75) PDF 965KB(216)
摘要:
为了解决复杂机械结构输入载荷难以直接测量的问题,基于结构动力学理论,应用Duhamel积分,推导了一种单自由度振动系统动载荷时域识别方法;在此基础上,通过模态坐标变换法,将多自由度振动系统运动方程解耦,以系统加速度响应作为输入,建立了一种多自由度振动系统动载荷识别的时域方法与模型。以一个多自由度的弹簧阻尼系统为对象,研究了载荷识别模型同时在正余弦组合激励、随机激励、三角脉冲激励等三种载荷形式下的稳定性和精确性。研究结果表明:在测量响应无噪声的情况下,载荷识别模型对三种激励的识别均具有很高的精度,识别结果与原始载荷相关系数达到0.99;在测量响应含有30%随机噪声的情况下,三种载荷的识别结果依然有很高的识别精度,相关系数均在0.97以上。
永磁吸附轮式爬壁机器人受力及功耗分析
唐东林, 龙再勇, 袁波, 汤炎锦, 潘峰
2019, 38(4): 499-506. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180213
摘要(539) HTML (84) PDF 1015KB(205)
摘要:
为从减少大型原油储罐检测分区和节约功耗的角度合理规划爬壁机器人运动方式和路径,对大型原油储罐缺陷检测爬壁机器人在垂直壁面运动的受力和功耗问题进行研究。首先对机器人匀速直线运动和转向运动进行受力分析,得出机器人在竖直直线运动、水平直线运动、大半径转向运动以及小半径转向运动时的受力和功率消耗情况;通过仿真分别对比分析两种匀速直线运动和两种转向运动的功率消耗情况;搭建爬壁机器人样机实验平台,进行功耗验证实验;仿真和实验一致得出竖直直线运动的功耗小于水平直线运动,大半径转向功耗小于小半径转向的结论。
滚动轴承故障诊断的自适应包络谱谱峰因子算法
张龙, 毛志德, 熊国良, 崔路瑶
2019, 38(4): 507-514. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180244
摘要(1017) HTML (149) PDF 1226KB(216)
摘要:
表征滚动轴承故障特征的周期性冲击,特别是在故障早期阶段,常常被噪声和其它结构振动所淹没,从而难以辨别。共振解调被广泛用于滚动轴承故障冲击特征提取,但其滤波频带的参数选择常需要一定的先验知识。针对现有的频带优化方法的不足,本文提出一种基于包络谱谱峰因子和复平移Morlet小波滤波的自适应共振解调方法-自适应包络谱谱峰因子算法。包络谱谱峰因子(Crest factor of envelope spectrum,CE)定义为包络谱在一定范围内的最大值和有效值之比,能有效度量信号中周期性冲击强弱,结合粒子群优化算法的寻优特性,对Morlet小波滤波器中心频率和带宽参数进行优化。将包络谱谱峰因子作为适应度函数来比较不同参数组合下的滤波效果,根据适应度函数值最大原则选取Morlet小波滤波器参数。仿真信号、实验信号以及工程实际信号分析验证了该方法在共振解调最优频带选取中的有效性和优越性。
双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流外部流场的数值模拟
戚美, 王立夫, 赵见龙, 鞠永恒, 付琪琪
2019, 38(4): 515-521. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180222
摘要(839) HTML (118) PDF 1334KB(200)
摘要:
以单腔室自激振荡脉冲喷嘴为基础,采用串联方式建立双腔室自激振荡脉冲喷嘴,应用FLUENT软件对其外部流场进行数值模拟,分析入射压力、靶距、腔长比、腔径比的改变对外部流场的影响。结果表明:当入射压力在1.1 MPa~4.4 MPa间变化时,空化程度随着压力增大而减小,同时压力每增加一倍时,靶面处最大速度增长约20~76 m/s;当靶距在100 mm~400 mm范围内变化时,空化程度随靶距增大而增大,但当靶距达到400 mm时,会因靶距太远气泡在空中溃灭空化程度骤减;当腔长比为0.67时或腔径比为1.2时,腔室内的涡环结构对称性好,有利于脉冲和空化的产生;同时具有较高的动能,当腔长与腔径同时取最佳值时,脉冲性最佳具有较好的清洗效果。
大型液压机负载口独立调平控制系统研究
刘凯磊, 李兴成, 陈菊芳, 殷正瑞, 周宇
2019, 38(4): 522-529. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180198
摘要(387) HTML (56) PDF 1095KB(183)
摘要:
针对传统大型液压机的调平控制系统在四角调平的过程中,无法实现两对角液压缸输出力的独立控制,结合负载口独立控制技术,设计了基于负载口独立控制的大型液压机调平控制系统,并对其控制特性、液压缸的输出力特性进行了理论分析,利用AMESim建立了大型液压机负载口独立调平控制系统仿真模型,在优化PID调节参数后,进行了系统仿真。仿真结果表明:通过闭环调节四个二位二通比例阀的开口度大小,以及进、出口阀口开口度的比例关系,不仅可以实现活动横梁的自动调平控制,而且能够实现两对角液压缸输出力的独立控制,从而提高了控制系统的准确性和稳定性。
风场环境下四旋翼飞行器抗干扰研究
赵元魁, 王耀力
2019, 38(4): 530-537. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180184
摘要(317) HTML (45) PDF 1056KB(183)
摘要:
针对四旋翼在室外飞行时易受到气流干扰,难以实现精准控制的问题,首先对四旋翼在室外飞行时的风场环境进行建模,将风场影响添加到四旋翼动力模型当中;其次,设计了自适应扩展卡尔曼滤波器(Adaptive extended kalman filter,AEKF),通过实时调整噪声协方差的自适应因子提高飞行器姿态数据的滤波精度,并将数据反馈给PID位置控制器对飞行器进行控制。实验表明,建立的模型能够有效反映四旋翼在风场环境下的运动规律,采用PID与AEKF相结合的控制策略可以提高系统的抗干扰能力,实现在风场环境下对四旋翼的精准控制。
多时域特征与SVM的隔膜泵单向阀故障诊断
熊鹏博, 王晓东
2019, 38(4): 538-543. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180200
摘要(377) HTML (61) PDF 988KB(171)
摘要:
针对隔膜泵单向阀故障机理分析不足的问题,提出了一种基于多时域特征与SVM的单向阀故障诊断方法。信号的时域特征是最早应用且最为简洁实用的特征参数,对单向阀的时域振动信号进行简要分析,并介绍几种信号时域指标与特征,根据单向阀振动信号的特点选取出三种时域指标与特征作为故障诊断的特征值;将特征值构成训练集输入到SVM分类器训练诊断模型;用测试样本进行故障诊断实验。实验证明,本文中提出的方法对高压隔膜泵单向阀的故障诊断准确率为98%,具有所需样本信号长度较短的优点。
精密制造与加工
制造过程中的广义碳排放计量方法研究
刘朝晖, 张为民, 金希, JürgenFleischer, 肖忠跃, 孙嘉彬
2019, 38(4): 544-550. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180219
摘要(343) HTML (57) PDF 914KB(156)
摘要:
本文拟在综合广义火用计量和传统碳排放方法的基础上,构建广义碳排放计量模型,将其应用于制造系统的环境效益评价中,其值由要素消耗量与相应广义排放因子乘积后累加得到。首先,通过人均基本碳排放量、人口总量、年工作时数、工资总量及广义货币M2等,构建模型并求解得到劳动力和资本的广义碳排放因子。其次,基于物料、能源、产品和废弃物等的碳排放因子得到相应广义碳排放因子,实现制造系统全要素的广义碳排放因子建模。最后,通过监测所有要素的消耗量,由消耗量与广义碳排放因子乘积累加得到制造系统的广义碳排放值。板材切割加工工艺案例表明,广义碳排放计量方法实现了对制造要素统一计量,有利于避免对劳动密集型和资本密集型制造业的环境效益最优的误判,可作为可持续制造的判断依据。
双机器单缓冲区制造系统节能运行研究
王强, 肖喜彬, 于蒙, 曹小华
2019, 38(4): 551-557. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180202
摘要(226) HTML (42) PDF 946KB(128)
摘要:
为研究双机器单缓冲区系统节能运行情况,从而制定出相应节能运行策略,实现节能减排。利用马尔科夫链建立双机器单缓冲区制造系统工作模型,确定双机器单缓冲区系统在机器阻塞或饥渴条件下不同机器停机节能时间窗口及其表达式。在此基础上,利用MATLAB求解出不同情况下的停机节能时间。最后将所求时间运用至Plant Simulation模型中进行仿真并进行数据处理得到相关结论。仿真结果表明:在接受一定的产量损失下,系统采用最优的控制策略时其节能量可以达到10%以上。
考虑曲面特性的凸曲面铣削稳定性研究
王广越, 南月冲, 马晶, 冯磊
2019, 38(4): 558-565. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180206
摘要(234) HTML (234) PDF 1124KB(119)
摘要:
在凸曲面模具铣削加工过程中,由于曲面特性复杂,刀-工接触关系沿切削轨迹不断变化,刀具刃口受到交变载荷加剧了铣削过程刀具磨损的程度,使得模具加工效率大幅度降低。针对上述问题综合考虑曲面曲率以及刀具前倾角对铣削稳定性的影响,并建立了考虑曲面曲率、刀具前倾角的瞬时切屑厚度模型,在求解铣削系统稳定性时运用计算效率更高的基于龙格库塔法的全离散法,深入研究了曲面特性对铣削稳定域的影响。得到以下结论:随着曲率半径的增加,极限切深减小,铣削稳定性降低;随着刀具前倾角的增加,稳定性叶瓣图整体向左移动。基于凸曲面铣削试验,对实验结果进行时域、频域分析验证了铣削稳定性预测的准确性。
SLM实时预熔/重熔的新型成型工艺研究
刘志远, 钱波, 李培, 张剑睿, 池敏, 李腾飞
2019, 38(4): 566-570. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180197
摘要(329) HTML (65) PDF 972KB(100)
摘要:
SLM(Selective laser melting)工艺是增材制造领域发展较为迅猛的一种工艺,其在复杂金属结构零件的制造领域具有极大的优势。为了降低SLM工艺的孔隙率,获得更高的致密度,以及更好的机械性能(硬度),提出了一种新型工艺,先对粉末层进行低激光功率的预熔处理,然后使用高功率的激光再次熔化,实现逐层重熔。8组对比试验结果表明:与只经过单熔处理的零件相比,经过预熔与重熔两次熔化后的零件,孔隙率从0.186%减少到0.039%,硬度从237.5 HV提高到264.3 HV,组织均匀性提高,组织呈马氏体结构。由此说明,SLM实时预熔重熔成型工艺在复杂金属结构零件的制造领域,具有较好的应用前景。
针对耳机定制设计的人耳甲腔曲面形态层级聚类算法研究与应用
朱兆华, 吉晓民, 高瞩, 胡钢
2019, 38(4): 571-581. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180217
摘要(519) HTML (121) PDF 1217KB(105)
摘要:
为实现耳机大规模定制设计且满足用户使用舒适性需求的目标,提出人耳甲腔网格曲面自动重构的方法。将310个样本的耳甲腔网格曲面均重构为由795个型值点组成的NURBS曲面;进一步提出耳甲腔曲面形态层级聚类改进算法,并通过与传统分类算法结果的对比,论证改进算法的优势;其次依据分类的结果将人耳甲腔曲面形态分为29组别,从而构建针对耳机设计的耳甲腔共性特征曲面形态数据库,并通过曲面误差分析论证了数据库的可靠性;最终对耳机进行定制设计,提出基于有限元仿真分析的耳机佩戴舒适度的客观评价方法。
仪器、仪表科学与技术
超磁致伸缩电静液作动器输出流量影响因素分析
王振宇, 朱玉川, 李宇阳, 罗樟
2019, 38(4): 582-586. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180212
摘要(293) HTML (72) PDF 971KB(75)
摘要:
首先对作动器的工作原理进行分析,随后建立了作动器系统的数学模型,通过仿真分析得到超磁致伸缩执行器输出位移与驱动频率的关系,泵腔内活塞直径、泵腔高度与作动器输出流量的关系以及系统偏压与作动器输出流量的关系。对超磁致伸缩执行器进行实验和仿真对比,验证了仿真模型的正确性。对影响超磁致伸缩电静液作动器输出流量的几种因素进行总结,给出了这些影响因素在超磁致伸缩作动器设计与优化中的选取准则。
橡胶双轴拉伸试验机的研制与试验研究
刘晓明, 杨晓翔, 周华森
2019, 38(4): 587-593. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180195
摘要(479) HTML (151) PDF 1154KB(64)
摘要:
基于国内外双轴拉伸试验机的研究现状与橡胶材料双轴拉伸试验的需求,自主研制了一台集成了高精度应变测量系统的橡胶双轴拉伸试验机。通过对试验机的总体设计进行分析,设计了双轴拉伸试验机的主机结构及试验机的测控系统,最后将试验机主机与测控系统进行集成调试,完成整个橡胶双轴拉伸试验机的研制工作。利用所开发的双轴拉伸试验机对哑铃状炭黑填充天然橡胶试件进行多次X向和Y向的单轴拉伸试验,将试验结果与万能试验机的结果进行对比,验证了试验机的两轴拉伸性能的一致性、重复性与准确性;对所设计的十字形橡胶试件进行了等双轴拉伸试验,通过对结果的分析证明了试验的准确性。
双渐消Kalman滤波补偿六维力传感器矩形板噪声模型误差
何飞, 双丰, 许玉云, 胡广宇
2019, 38(4): 594-600. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180207
摘要(313) HTML (67) PDF 979KB(51)
摘要:
六维力传感器能够通过应变片及板梁结构实时检测空间六方向的力信息,但其输出信号不可避免地被噪声干扰所污染。为改善这一现象,同时针对过程噪声模型不精准致使经典卡尔曼滤波器性能差的问题,设计了一种双因子渐消卡尔曼滤波器。算法研究了加性噪声信号的统计特性,建立了矩形板主振型增广状态方程,分析了两种过程噪声模型偏差对滤波性能的影响。在经典卡尔曼滤波器的基础上,基于新息正交性原理,依据Sage开窗估计原理与最小二乘准则,构造了双渐消因子的解析式,阐述了滤波器的工作原理。研究表明:双渐消卡尔曼滤波器稳定性强,能够有效削弱噪声模型偏差的影响;对比抗差卡尔曼滤波器,精度提升38.66%。
运载工程
等离子高温无氧燃料重整装置的开发及试验研究
陈凡, 苏万华, 李明
2019, 38(4): 601-607. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180201
摘要:
设计开发了新型的高温无氧燃料重整装置及试验系统,该高温无氧重整利用发动机废气加热及等离子辅助加热的方式来实现,装置结构设计简单紧凑且无须催化剂的介入。等离子加热易于控制、传热面积小易于保温绝热,可减少能量损失。将正庚烷的重整产物引入发动机中成功实现了RM-HCCI(Reformed molecule homogeneous charge compression ignition,RM-HCCI)燃烧,将RM-HCCI和汽油均质压燃(Gasoline HCCI,G-HCCI)燃烧进行对比研究。研究表明,重整后的小分子燃料可延迟着火,传热损失率和排气损失率更低,可以获得更高的指示热效率。
分布式驱动越野汽车驱动防滑控制
郭存涵, 苏小平
2019, 38(4): 608-612. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180215
摘要(224) HTML (128) PDF 967KB(35)
摘要:
分布式驱动越野汽车具有动力性能好、路面适应力强等优点,发展前景很好,但是四轮车速不一致会导致控制方法复杂度高。针对这一问题,基于四个车轮不同的加速度,首先计算最大驱动扭矩,建立基于加速度信息的滑转率观测器,然后以最大驱动扭矩为界限,控制各个电机的输出扭矩,使滑转率维持在最佳滑转率附近,从而达到驱动防滑的目的。最后与Carsim进行了联合仿真,结果表明控制方法能够快速显著地降低汽车车轮的滑转率,验证了控制方法的有效性。
增压器引起的车内哨声产生机理及控制研究
张良良
2019, 38(4): 613-617. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180218
摘要(254) HTML (137) PDF 1067KB(26)
摘要:
针对搭载涡轮增压汽油机的某车型在急加速(tip-in)时车内产生的哨声异响进行了测试与分析,确定了异响是由增压器的同步噪声引起,因此根据同步噪声产生的原因对转子系统的动平衡进行优化,优化后同步噪声改善明显;但是,又出现了次同步噪声,同样在车内造成口哨声,然后对此次同步噪声的产生机理进行分析,并提出了一种在增压器浮动轴承内表面加槽的方案对次同步噪声进行控制,最后对改善方案进行了试验验证,试验表明采取上述措施后,车内口哨声消除。
集中驱动式电动物流车质量比对车辆垂向性能的影响
吉志勇, 王铁, 李国兴, 李蒙
2019, 38(4): 618-625. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180214
摘要:
为分析集中驱动式电动物流车质量比对车辆垂向性能的影响,基于某电动物流车整车动力学模型,以车辆动力电池和电机质量作为变量,采用均方根值和频域分析法,研究簧上与簧下部分质量比变化下车辆各垂向性能指标的变化趋势和质量匹配的有利区域,以及车轮相对动载荷和电机垂向振动的幅频特性。并在综合分析质量比与阻尼比和刚度比对整车垂向性能影响的基础上,提出集中驱动式电动物流车悬架阻尼比和刚度比的选取原则。研究表明,增大质量比能够有效的改善整车动态特性,但会加剧驱动电机的垂向振动,为电动物流车动力电池和电机质量的匹配设计以及悬架阻尼比和刚度比的选取提供指导。
稳健性和轻量化在车门结构优化设计中的应用
王栋, 王丽娟, 陈宗渝, 吴晓东, 张沈生
2019, 38(4): 626-633. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180204
摘要(153) HTML (244) PDF 1090KB(31)
摘要:
目前多数的轻量化研究,通常基于尺寸、形状、位置等某一单方面的设计因素展开,而忽略了各因素之间的交互性。另外,设计变量在制造生产过程中不可避免的存在一定范围内的波动。针对现有车门产品,结合多种类的设计因素,并考虑设计变量的波动对产品性能的影响,采用试验设计方法构造高精度的响应面模型,结合多岛遗传算法、蒙特卡罗模拟技术,对车门结构进行6σ稳健性与轻量化改进设计。结果表明,本研究在减轻车门质量的同时显著提高了产品性能及性能的稳健性。
材料科学
E319铸铝合金热机械疲劳行为研究
钱春华, 崔海涛, 高超
2019, 38(4): 634-638. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180203
摘要(336) HTML (186) PDF 1263KB(20)
摘要:
对E319铸铝合金进行了等温疲劳及热机械疲劳试验研究,并对E319铸铝合金断口进行扫描电镜(SEM)分析。结果表明:热机械疲劳时E319铸铝合金的平均应力呈压应力。等温疲劳时断口为微孔聚集型断裂,热机械疲劳时断口表现为准解理断裂,热机械疲劳寿命远低于等温疲劳寿命。与镍基高温合金、钛铝合金相比,E319铸铝合金表现出不同的热机械疲劳循环应力应变特性和循环应力响应特性,由于温度和应力松弛的影响,迟滞回线的两端出现"弯勾"形状,并且在断裂前出现强烈的循环硬化行为。
压痕轮廓信息在材料本构关系反演测量中的应用
闫鹏, 郭伟超, 李淑娟, 李言
2019, 38(4): 639-645. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180199
摘要(110) HTML (38) PDF 978KB(15)
摘要:
金属材料的力学性能,如本构关系可以利用纳米压痕技术反演测量得到,但是测量结果存在不准确、不唯一的问题。为了解决该问题,本文中提出同时利用载荷-位移曲线和压痕轮廓信息来提高本构关系中材料参数的测量精度。利用ANSYS建立了纳米压痕数值模型,通过对比数值模拟和实验获得的载荷-位移曲线,验证了数值模拟的可行性和可靠性;反演测量需要优化迭代来缩小数值模拟与实验的差距,由于ANSYS在优化算法上存在不足,利用MATLAB强大的编程能力,编制了对应的优化求解算法,并且和ANSYS联合求解完成材料本构关系的反演测量。最后,通过实例证明引入压痕轮廓信息可以提高材料本构关系反演测量的准确性和唯一性。
薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响
聂晓梦, 李继军, 郎风超, 张伟光, 赵春旺, 邢永明
2019, 38(4): 646-651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180211
摘要:
为了研究薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响规律,利用纳米压痕技术及有限元模拟方法对不同厚度的Si基SiO2薄膜材料进行测试,分析了不同厚度薄膜的硬度及弹性模量等力学性能,讨论了不同压深膜厚比对不同厚度薄膜弹性恢复率的影响,并在试验的基础上,建立了有限元模型,模拟了不同厚度薄膜在相同压深下的载荷位移关系,分析了薄膜的弹性恢复性能。结果表明:SiO2薄膜越厚其弹性模量越小,而薄膜的硬度在薄膜较薄时压痕的尺寸效应更明显,并利用模拟进一步分析得出薄膜越薄弹性恢复性能越好。
航空、宇航工程
某型航空发动机燃油喷嘴三维尺寸检测及工艺改进
卢燕, 高兴勇
2019, 38(4): 652-656. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180209
摘要(155) HTML (58) PDF 990KB(20)
摘要:
燃油喷嘴的结构尺寸是影响其喷雾性能的重要因素,由于喷嘴结构复杂、体积小、尺寸精度要求高,传统的测量方法已经无法满足。采用X射线断层扫描复合式三坐标测量系统和Geometry Qualify三维造型软件对某型航空发动机燃油喷嘴展开三维尺寸测量,主要测量喷口-旋流器的内外部尺寸和分析副油路装配后的状态。经测量后发现喷口-旋流器内锥面尺寸超差严重,特别是内部喷口处外形尺寸失真;副油路装配后锥面还存在间隙。针对以上问题展开工艺改进工作,经工序集中和采用专用刀具后内锥面尺寸超差问题得到有效改善;通过手工研磨改善内锥面表面粗糙度和内锥面贴合不严的问题。