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2019年  38卷  第9期

机械动力学
改进的CEEMDAN故障诊断算法及在加工装备中的应用
张兰, 王太勇, 王鹏, 乔卉卉
2019, 38(9): 1313-1318. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190009
摘要(511) HTML (381) PDF 1037KB(71)
摘要:
轴承的故障诊断是保证设备安全运行的重要手段。故障诊断的关键是振动信号解调的方法。自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)是一种自适应信号处理方法,在非线性非平稳信号中有较好的解调性能。本文提出一种基于峭度准则改进的CEEMDAN故障诊断算法。具体步骤如下:首先,采用基于峭度准则改进的CEEMDAN方法提取有用的模态分量信号;之后,将筛选出来的模态信号叠加并通过Teager能量算子得到输出的能量信号;最后,对信号进行包络谱分析提取故障特征频率,从而实现故障诊断。通过仿真和加工装备部件的试验验证,改进的方法在实际应用中具有一定的实用价值。
裂纹拉杆转子尺寸效应机理与动力学特性研究
徐文标, 王艾伦, 朱卓平, 廖泽雨
2019, 38(9): 1319-1326. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180317
摘要(374) HTML (274) PDF 1121KB(37)
摘要:
在利用相似规律设计不同尺寸拉杆转子时,由于尺寸变化,存在明显尺寸效应,含裂纹缺陷的转子尺度律机理尚不明确。本文基于量纲分析法,探究了裂纹扩展的尺寸效应机理。分析了不同尺寸机型,裂纹拉杆应力强度因子的分布规律与刚度变化规律;对比分析了不同尺寸机型对裂纹转子固有频率漂移现象的敏感性;最后提出了一种用拉杆预紧力的下降表征裂纹扩展过程的研究方法,通过实验比较了不同裂纹拉杆分布形式下转子固有频率的漂移现象。研究结论为拉杆转子的系列化设计与设备维护提供了理论基础。
无人直升机主减舱散热性能分析
鲍和云, 范永, 朱如鹏, 陆凤霞, 靳广虎
2019, 38(9): 1327-1334. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180315
摘要(262) HTML (276) PDF 1256KB(17)
摘要:
主减速器是无人直升机传动系统的重要组成部分,为防止高温影响其工作性能,针对某无人直升机主减速器,建立了主减速器舱三维模型;应用CFD(计算流体动力学)对其前飞状态下的主减速器舱流场及温度场进行了数值仿真,研究其流场和温度场分布,得到了提升主减舱散热效果的方法。结果表明:增大侧排气口能有效抑制侧排气口附近的涡流;调节风扇与主减速器的距离,将圆形导风罩改为方形导风罩加导风圈的形式及调节风扇与散热器之间的距离等方法均可以降低散热器散热的不均匀性,提高散热性能。
弹簧片式牵引器牵引锁止力学及结构优化研究
肖晓华, 王昆鹏, 赵建国, 曾杰, 杨亚强
2019, 38(9): 1335-1342. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180321
摘要(300) HTML (265) PDF 1079KB(16)
摘要:
为满足水平井井下工具的输送要求,本文提出了一种新的具备大牵引力、防卡堵的液压伸缩式井下牵引器;牵引器支撑机构能否保持与管壁锁止,是伸缩式牵引器能够向前爬行的关键。因此,本文建立了牵引器在负载力作用下的牵引锁止力学模型,通过计算得到支撑机构不同布局方式下的牵引锁止条件,同时以较小支撑缸的压力为评价标准,得到伸缩式牵引器的最佳布局方式;最后通过仿真分析验证了牵引器牵引锁止条件的正确性,本文的研究成果对伸缩式牵引器的设计具有一定指导意义。
仿人机器人大腿结构轻量化及其快速成型技术
单丽君, 吴斌, 关天民
2019, 38(9): 1343-1349. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180312
摘要(316) HTML (338) PDF 1025KB(19)
摘要:
在先进仿人机器人的研制中,结构轻量化是其设计的关键。本文基于仿生学原理,依据人体股骨的CT扫描曲面设计了一种仿生机器人大腿;在大腿内部建立了沿竖直应力线方向的非对称空间四面体网格结构以实现其轻量化,再根据实际工况的静力学仿真结果对空间网格的不同位置进行疏密优化;最后采用选区激光熔融技术,在其内部网格不放置支撑的情况下3D打印了机器人大腿下端,以验证实心与空间网格嵌合体结构的可制造性。优化后的腿部重量比实心体大为减少,内部优化网格结构的应力峰值较优化前显著下降。3D打印出的制件完整良好,达到设计要求。为仿人机器人设计与制造提供了一种新思路。
双转子系统联轴器不对中振动响应分析
蒋玲莉, 陈雨蒙, 李学军, 张宏献
2019, 38(9): 1350-1356. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190007
摘要(287) HTML (223) PDF 1118KB(14)
摘要:
针对双转子系统不对中普遍存在,影响系统振动特性的问题,对内转子含有联轴器不对中的双转子系统进行了动力学仿真及振动分析。以某型航空发动机双转子系统为对象,通过施加不对中引发的附加载荷,建立双转子系统联轴器不对中动力学有限元模型。对比分析了特定工况下转子系统随不对中量增加,内外转子振动的频谱特征及轴心轨迹的变化规律。结果表明:内转子联轴器不对中振动特性可通过中介轴承传递到外转子,外转子支撑位置及中介轴承对应位置均可监测到内转子联轴器不对中振动响应;一倍频对联轴器不对中故障不敏感,二倍频幅值随联轴器不对中量的增加而增加,且距离联轴器越近的支撑位置的不对中响应越敏感;轴心轨迹随联轴器不对中量的增加由"椭圆"形变为"内八字"形。
双稳态减速带能量捕获装置动力学特性研究
吴子英, 位强, 师文涵, 胡晨阳
2019, 38(9): 1357-1365. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180318
摘要(408) HTML (241) PDF 1290KB(17)
摘要:
提出了一种新型的双稳态减速带能量捕获装置,建立了其力学模型及动力学方程。在(前)后轮和前、后轮分别冲击减速带的情况下,分别选取常用的4种减速带进行对比,研究不同减速带参数下,双稳态振动发电系统的动力学响应特性,得出在第Ⅱ类减速带参数下,系统跨过势垒的次数最多,做大幅运动的时间较长,平均输出功率最大;在选取最佳减速带形状的情况下分别对不同车重下系统的发电量进行研究,得出车辆越重,发电量越大的规律。通过对外部负载电阻的研究,获得了最优电阻。上述研究结果可为减速带能量捕获系统的相关研究提供理论参考。
响应面法在自激脉冲喷嘴结构优化中的应用
邓嵘, 敬斌杰, 张文汀
2019, 38(9): 1366-1372. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180311
摘要(339) HTML (224) PDF 935KB(12)
摘要:
为了提高自激脉冲喷嘴的射流性能,利用CFD对自激脉冲喷嘴进行流场的数值分析,并与响应面法相结合对喷嘴结构进行全局优化。建立以喷嘴进口直径d1、出口直径d2、腔长Lc、腔径Dc为设计变量,以打击力F为目标函数的数学优化模型;通过对建立的数学模型进行分析,获得喷嘴结构的最优参数;最后对优化后的结构进行对比分析,得到优化后的喷嘴在射流性能上有显著的提高,其打击力提高约20%;并且通过分析因素交互作用图,得到各个结构参数对射流性能的影响规律。
Halbach永磁阵列型轴向调制永磁齿轮
肖磊, 张海, 许宝玉
2019, 38(9): 1373-1379. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180319
摘要(557) HTML (306) PDF 1208KB(34)
摘要:
本文提出了一种可输出高转矩的轴向调制永磁齿轮。在不改变轴向调制永磁齿轮整体尺寸的情况下,将主、从动磁极按照Halbach永磁阵列进行排列,利用Halbach永磁阵列的聚磁作用,增大主、从动侧气隙内耦合磁场的磁场强度,并使用有限元法对这种永磁齿轮进行了仿真分析。结果表明Halbach永磁齿轮比传统阵列永磁齿轮的输出转矩更大;对气隙磁通量密度的谐波分析表明,Halbach永磁齿轮和传统阵列永磁齿轮的气隙磁密谐波变化趋势一致,因此传动机理不变;对Halbach永磁齿轮的磁极的扇形角度进行优化处理后,可以进一步增大输出转矩。
应用多参量和高斯过程分类的故障诊断方法
王斌, 崔宝珍
2019, 38(9): 1380-1385. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180320
摘要(204) HTML (196) PDF 955KB(8)
摘要:
由于齿轮箱振动信号的非平稳非线性等问题加大了故障诊断的难度,本文提出了一种基于互补集合经验模态分解(CEEMD)和多尺度排列熵(MPE)、样本熵(SE)相结合的故障特征提取方法。首先对齿轮箱振动信号进行互补集合经验模态分解,并根据相关系数原则对各模态分量进行筛选和重构,再利用多尺度排列熵对筛选出的模态分量进行特征提取,同时对重构后的信号提取其样本熵作为特征值;最后将提取出的多种故障特征融合输入到高斯过程分类器中进行实验验证,实验结果表明该方法提取齿轮箱振动信号的故障特征是有效的,高斯过程分类能快速准确地分辨出故障结果。
热弹性结构全局应力约束拓扑优化设计
占金青, 龙良明, 刘敏
2019, 38(9): 1386-1392. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190005
摘要(367) HTML (257) PDF 968KB(27)
摘要:
针对静强度失效问题,提出一种基于全局应力约束的热弹性结构拓扑优化设计方法。考虑热载荷和机械载荷共同作用下,以结构的体积最小化为目标函数,利用应力松弛方法来消除奇异解现象,采用改进的P范数方法将所有的单元应力凝聚化为一个近似等于结构最大应力的全局应力,利用全局应力作为约束,建立热弹性结构全局应力约束拓扑优化模型,采用移动近似线算法进行拓扑优化问题的求解。数值算例表明热弹性结构全局应力约束拓扑优化设计方法是有效的。随着温度载荷增大,应力约束拓扑优化获得的拓扑结构不同,最优结构的用材有所增加。
并联双向偏转平台运动学与精度分析
陈纯, 徐永帅, 房舟, 魏碧辉, 徐慧茹
2019, 38(9): 1393-1400. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190144
摘要(245) HTML (204) PDF 955KB(12)
摘要:
本文提出一种新型并联驱动双向偏转平台。动平台通过在空间中呈正十字交错且同心的两个分支结构与底座相连接,该平台可以在XY两个方向上实现大角度偏转;建立了该平台的运动学方程,得出了Jacobian矩阵;对平台做了运动学仿真分析,对比了仿真结果与理论计算结果,验证了平台设计的可行性与运动的准确性;给出了平台所有的源误差,根据误差独立作用原理对不同类型的源误差分别采用蒙特卡洛法、瞬时臂法和全微分法做了误差分析、计算,得出了各局部误差。按照误差综合方法的均方法对各局部误差做了误差综合,得出了平台分别绕XY轴方向上的最大运动误差。
飞机某典型螺栓连接件的振动疲劳试验研究
李益萱, 王龙
2019, 38(9): 1401-1405. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190032
摘要(340) HTML (203) PDF 907KB(19)
摘要:
为确定不同螺栓连接形式与不同名义厚度的某典型结构连接件的振动疲劳极限寿命,并比较其振动疲劳性能,本文针对连接件要求考核部位的特殊性,提出了简支结构的夹具设计方法,在经过有限元模拟计算及在模态试验中进行了验证考核后,成功应用于正式试验中,另外,试验采用小量级振动条件下应变数值曲线拟合得到大量级振动条件下应变值,完成了试验应变-寿命曲线的绘制。通过此次试验研究表明:1)简支结构的夹具设计被证明适用于此类搭接结构的螺栓连接件,可以应用在此后类似的振动试验中;2)复材名义厚度为5 mm的单排双钉连接件,在同样的应变水平下,具有最长的振动疲劳寿命,即振动疲劳性能最好;3)4种不同形式的螺栓连接件,振动疲劳破坏位置均为金属部分,在下一步的设计中需更换金属材料,加强金属搭接板的动强度。
精密制造与加工
钛合金/CFRP叠层构件螺旋铣孔界面切削热研究
刘亚军, 李皓, 李士鹏, 唐心凯, 朱圣富, 张艳, 秦旭达
2019, 38(9): 1406-1413. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190004
摘要(269) HTML (187) PDF 1155KB(19)
摘要:
随着钛合金和复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)在航空航天制造业的应用比例逐渐增多,其叠层构件切削加工也成为研究热点。由于切削温度不仅影响刀具的磨损和耐用度,同时也会直接影响工件的加工精度和表面质量,本文在分析螺旋铣孔特点的基础上,对钛合金/CFRP叠层构件界面热传递机理进行了研究,建立了钛合金/CFRP叠层构件界面热传递模型,通过有限差分法对模型进行数值仿真求解;结合钛合金/CFRP螺旋铣孔实验,修正了刀具与工件的热传递系数以及工件界面温度传导率,通过钛合金/CFRP叠层构件螺旋铣孔切削热理论模型与试验结果对比,发现本文提出的理论模型分析结果和实验测量结果具有较高的一致性,能为钛合金/CFRP叠层螺旋铣孔加工工艺优化提供理论依据。
激光通信主镜结构多目标拓扑优化设计
姚玉刚, 李耀彬, 伞晓刚, 高世杰
2019, 38(9): 1414-1419. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190006
摘要(296) HTML (226) PDF 998KB(9)
摘要:
为提高激光通信主镜的质量,针对激光通信终端主镜进行优化设计。基于多目标拓扑优化和折衷规划法的理论,建立了一种考虑多工况结构刚度和质量最小化的多目标优化数学模型。利用Optistruct求解器对主镜进行优化设计,得到主镜新模型。对主镜结构进行详细设计和有限元分析,分析在主镜光轴水平和竖直工况时的镜面变形。结果表明主镜轻量化率为55.3%,与优化前相比主镜光轴竖直时主镜面形精度有较大提高,满足激光通信中对主镜性能指标的要求。与不同轻量化主镜结构进行对比,该方法得到的结构面形精度更高,验证了该方法的可行性。
汽车曲轴材料QT700-2高速精密磨削实验研究
郭力, 王艺, 李东超
2019, 38(9): 1420-1428. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190002
摘要:
使用CBN砂轮对表面淬火汽车发动机曲轴球墨铸铁QT700-2材料进行了高速精密平面磨削实验研究,实验研究了磨削参数、材料去除率和最大未变形切削厚度与磨削力及比磨削能的关系,得到了磨削力和比磨削能的经验公式;在实验基础上结合曲轴磨削加工的要求进行了QT700-2材料高速精密磨削参数的优选,为汽车曲轴高速精密磨削奠定了良好基础。
内置永磁体的磁流变阻尼器多目标优化设计方法
董致臻, 冯志敏, 侯振宁
2019, 38(9): 1429-1436. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180308
摘要(363) HTML (237) PDF 1016KB(24)
摘要:
为增加磁流变阻尼器(MRD)实用性,提出一种内置永磁体的MRD结构。依据SG-MRD60内部结构尺寸,通过离散化结构参数,获得全部设计方案;以提高复合结构MRD综合性能为优化目标,建立性能评价体系;根据等效磁路模型,整理性能指标函数,结合模糊综合评价法,筛选最优设计方案。仿真结果表明,新复合结构MRD在2 A电流且无永磁体磁场工况下,平均力学性能提高9.6%;在零电流工况下阻尼间隙磁感应强度为0.296 T,磁场分布均匀。±2 A电流对阻尼间隙磁感应强度调节范围为-58.4%到+59.1%,满足工程应用需要。
电流辅助钛合金L型材拉弯工艺研究
曹凤超, 曾元松, 刘宝胜, 王永军
2019, 38(9): 1437-1442. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190008
摘要(313) HTML (280) PDF 1082KB(10)
摘要:
钛合金型材弯曲构件由于性能优异而逐渐成为先进民用复合材料机身的主要承力构件,其成形质量直接关系到飞机的装配精度。本文针对OT4M钛合金L型材的拉弯成形工艺进行了研究,建立了拉弯过程的解析模型,并在不同的试验条件下进行了多组热单轴拉伸试验来探究型材的热变形行为,利用绝缘模具开展了钛合金型材的电热拉弯成形试验,结果表明,材料的塑性变形能力受变形温度和速度影响显著,拉弯成形时绝缘模具的应用可使钛合金型材保持在相对较高的温度490℃下成形,进而降低了回弹。
一种智能滚齿机成熟度评价方法
王星荣, 阎春平, 万露, 曹卫东
2019, 38(9): 1443-1450. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180309
摘要(244) HTML (206) PDF 938KB(6)
摘要:
掌握智能滚齿机的智能化状态,改进智能滚齿机的薄弱环节,是提升滚齿机智能化程度的重要途径。通过借鉴能力成熟度模型集成技术,构建智能滚齿机成熟度模型并给出其主要特征以描述滚齿机智能化发展进程,根据滚齿机的智能特性建立智能滚齿机成熟度综合评价指标体系。在此基础上,提出一种区间层次分析法和模糊综合评价相结合的智能滚齿机成熟度评价方法,其量化结果能合理地评估智能滚齿机成熟度,直观得到滚齿机智能化的改进方向。通过对企业某台智能滚齿机的评价,验证所提方法的有效性。
切削加工表面粗糙度组合预测模型研究
鲁娟, 张振坤, 廖小平, 马俊燕
2019, 38(9): 1451-1456. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180314
摘要(230) HTML (284) PDF 930KB(9)
摘要:
加工过程产生的粗糙度数据序列会包含多种特征,而单一的预测模型不能同时捕捉多种数据特征,难以提高预测精度。因此,从加工过程中粗糙度数据特征的复杂性出发,提出了一种基于支持向量机(SVM)和BP神经网络算法(BP)的组合预测模型,来同时捕捉数据的线性特征和非线性特征;在组合预测过程中为充分发挥两种预测算法的最佳性能,采用粒子群优化算法(PSO)对支持向量机的参数和BP神经网络中的权值进行优化。通过蠕墨铸铁的铣削实验,实现不同切削用量下的表面粗糙度精准预测,并与PSO-SVM、PSO-BP算法以及切削加工表面粗糙度理论模型进行对比,验证了该组合模型的优越性。
运载工程
超高速列车受电弓气动特性分析
赵萌, 刘晓禹, 贾彦, 王益鹤
2019, 38(9): 1457-1464. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190136
摘要(343) HTML (292) PDF 1274KB(12)
摘要:
基于超高速运行条件,通过建立单臂受电弓模型,在横风条件下采用分离涡模拟方法研究受电弓在不同工况下的非定常气动特性,分析其三维绕流场的涡量、流线、压力以及受电弓气动力、力矩系数的时程变化规律及频域特性,探讨了该型受电弓在高速与超高速运行时绕流特性的差异。结果表明:由于超高速运行导致受电弓气动荷载平均值和振幅增大、振荡周期减小以及对应频谱变宽,由非定常升力和横风的作用引起的俯仰力矩和侧偏力矩的作用显著,导致受电弓在垂直方向的振动加剧,故结构相对紧凑的单臂受电弓有利于减小纵向振动;但其底架高度较高,在相同的升弓角度下上臂与下臂的空间夹角减小,导致上臂与下臂连接处出现范围较大的低速尾流,小尺度分离涡的结构及分布复杂,研究结果对横风作用下受电弓气动特性研究及应用具有重要意义和价值。
材料科学
有限元仿真技术在刀具磨损研究中的应用
朱锐, 徐增丙, 王志刚
2019, 38(9): 1465-1469. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190001
摘要(343) HTML (386) PDF 887KB(36)
摘要:
采用有限元仿真的方法对刀具磨损进行研究,不仅可以全面获得切削过程中的各项参数,而且具有成本低、效率高等优点;分析了有限元技术在刀具磨损应用中的关键技术,包括材料的本构模型、接触类型和摩擦模型、磨损模型和磨损计算、ALE网格技术、分离准则和断裂准则,分析了目前研究存在的问题,并提出未来的发展方向,对于推动有限元技术在刀具磨损中的应用具有指导意义。
风电机组的机会成组更换维修策略
王达梦, 马志勇, 柳亦兵, 滕伟
2019, 38(9): 1470-1476. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190071
摘要(246) HTML (291) PDF 917KB(15)
摘要:
风电机组的维护成本居高不下,维修策略是影响维护成本的主要原因之一。当前风电场通常在固定时间间隔采取预防性更换维修,这样的策略不够灵活,没有充分利用各部件间的经济相关性。本文将机会成组更换维修策略应用于风电机组中,使用威布尔分布描述机组部件的可靠性;提出了统一的维修成本计算公式并细化了维修成本的组成;依据机会成组更换维修策略的原理,得出更换维修计划,并结合某风电场的历史故障数据及成本数据,给出了该策略在部件级的具体实施案例。结果显示,与传统预防性更换维修策略相比,机会成组更换维修策略减少了总维修次数,节省了总维修成本,从而验证了机会成组更换维修策略在风电机组中应用的有效性。