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2020年 39卷 第6期
2020, 39(6): 821-828.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190217
摘要
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摘要:
超声振动磨削时的高温易导致碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的热损伤，为了分析超声振动磨削CFRP过程中的温度问题，借助有限元的方法对声振动磨削CFRP温度场进行了仿真。首先利用半人工热电偶在线测量了磨削温度，通过试验与仿真相结合的方法研究了传入0、45°、90°和135°纤维取向的单向CFRP中的热分配比。随后，根据超声振动磨削各单向CFRP的热分配比，建立了超声振动磨削多向CFRP磨削温度场仿真模型。最后，通过超声振动磨削试验对有限元模型的有效性进行了验证。
超声振动磨削时的高温易导致碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的热损伤，为了分析超声振动磨削CFRP过程中的温度问题，借助有限元的方法对声振动磨削CFRP温度场进行了仿真。首先利用半人工热电偶在线测量了磨削温度，通过试验与仿真相结合的方法研究了传入0、45°、90°和135°纤维取向的单向CFRP中的热分配比。随后，根据超声振动磨削各单向CFRP的热分配比，建立了超声振动磨削多向CFRP磨削温度场仿真模型。最后，通过超声振动磨削试验对有限元模型的有效性进行了验证。
2020, 39(6): 829-835.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190169
摘要:
为研究深海矿石输送设备输送特性，运用计算流体力学理论和Fluent软件对设备内固液两相流进行三维仿真，研究喷射速度、泵水速度、喷射高度和颗粒粒径对出料质量流量和出口处颗粒平均速度的影响规律。研究结果表明：随喷射速度的增加，出料质量流量先增大后减小，存在最佳喷射速度，出口处矿石平均速度基本呈线性增加；随泵水速度增加，出口处矿石颗粒平均速度大致呈直线上升，出料质量流量变化不大；随喷射高度增加，出料质量流量先上升后下降，在喷射高度为500 mm时最大，而出口处矿石平均速度基本不受影响；随颗粒粒径的增大，出料质量流量先急剧增大，当粒径超过15 mm时缓慢上升，最后缓慢下降，出口处颗粒平均速度基本不受粒径的影响。
为研究深海矿石输送设备输送特性，运用计算流体力学理论和Fluent软件对设备内固液两相流进行三维仿真，研究喷射速度、泵水速度、喷射高度和颗粒粒径对出料质量流量和出口处颗粒平均速度的影响规律。研究结果表明：随喷射速度的增加，出料质量流量先增大后减小，存在最佳喷射速度，出口处矿石平均速度基本呈线性增加；随泵水速度增加，出口处矿石颗粒平均速度大致呈直线上升，出料质量流量变化不大；随喷射高度增加，出料质量流量先上升后下降，在喷射高度为500 mm时最大，而出口处矿石平均速度基本不受影响；随颗粒粒径的增大，出料质量流量先急剧增大，当粒径超过15 mm时缓慢上升，最后缓慢下降，出口处颗粒平均速度基本不受粒径的影响。
2020, 39(6): 836-843.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190214
摘要:
为减弱过约束机构中严格的运动副轴线间几何约束关系，降低机构的装配误差和难度，提出一种引入消极运动副的单闭环非过约束机构构型设计方法。给出了引入消极运动副的非过约束机构自由度分析方法、非过约束机构的设计原理及设计流程。针对过约束Goldberg机构，通过在同一转动副中添加2个消极运动副R，得到非过约束Goldberg机构RSRRR。通过螺旋理论证明了过约束/非过约束Goldberg机构在运动学上完全等效，并对非过约束Goldberg机构输入输出运动参数求解，从而验证了本文提出的单闭环非过约束机构构型设计方法的正确性。
为减弱过约束机构中严格的运动副轴线间几何约束关系，降低机构的装配误差和难度，提出一种引入消极运动副的单闭环非过约束机构构型设计方法。给出了引入消极运动副的非过约束机构自由度分析方法、非过约束机构的设计原理及设计流程。针对过约束Goldberg机构，通过在同一转动副中添加2个消极运动副R，得到非过约束Goldberg机构RSRRR。通过螺旋理论证明了过约束/非过约束Goldberg机构在运动学上完全等效，并对非过约束Goldberg机构输入输出运动参数求解，从而验证了本文提出的单闭环非过约束机构构型设计方法的正确性。
2020, 39(6): 844-851.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190162
摘要:
提出一种改进的CMA-ES算法：将原算法随机生成初始均值点，改为由佳点集中优秀个体加权求和得到；增加越界敏感因子和步长缩放系数，用于新个体存在越界行为时，修正步长更新。以7自由度仿人臂为例，用改进的CMA-ES算法求逆运动学解，结果表明改进的CMA-ES算法可实时、高精度地求解：在点对点运动中，改进的算法单次求解时间约为9.7 ms，适应度函数稳定在10−8级别；在工作空间的连续轨迹中，位置跟踪误差稳定在10−5 mm级别，单次平均求解时间约为14.1 ms。
提出一种改进的CMA-ES算法：将原算法随机生成初始均值点，改为由佳点集中优秀个体加权求和得到；增加越界敏感因子和步长缩放系数，用于新个体存在越界行为时，修正步长更新。以7自由度仿人臂为例，用改进的CMA-ES算法求逆运动学解，结果表明改进的CMA-ES算法可实时、高精度地求解：在点对点运动中，改进的算法单次求解时间约为9.7 ms，适应度函数稳定在10−8级别；在工作空间的连续轨迹中，位置跟踪误差稳定在10−5 mm级别，单次平均求解时间约为14.1 ms。
2020, 39(6): 926-936.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190226
摘要:
提出了一种基于机器学习中Stacking模型的电池充电能量预测方法，该方法通过对充电数据进行数据探索、特征工程和模型筛选，选取RMSE作为预测结果的评价指标，最后采用Stacking模型对充电能量作出预测。为了验证Stacking模型的预测结果，将Stacking模型与采用单个算法模型的预测结果进行对比，以确保方案的可行性。其结果表明，采用该模型进行预测时，其预测结果的RMSE分值为0.104 1，实现了比单个算法模型更好的预测效果。
提出了一种基于机器学习中Stacking模型的电池充电能量预测方法，该方法通过对充电数据进行数据探索、特征工程和模型筛选，选取RMSE作为预测结果的评价指标，最后采用Stacking模型对充电能量作出预测。为了验证Stacking模型的预测结果，将Stacking模型与采用单个算法模型的预测结果进行对比，以确保方案的可行性。其结果表明，采用该模型进行预测时，其预测结果的RMSE分值为0.104 1，实现了比单个算法模型更好的预测效果。
2020, 39(6): 858-864.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190152
摘要:
为探究加载力、超声功率百分比等因素对硬脆材料的旋转超声微细孔加工质量与效率的影响，采用正交试验设计法设计试验方案，以铁氧体和石英玻璃为工件材料，运用超声加工系统和具有加载力控制功能的气浮负载匹配系统进行旋转超声微细孔加工试验。分析并比较加载力、超声功率百分比、游离磨料等参数对不同材料加工后的微细孔直径和孔深的影响规律。试验结果表明，加载力过大会导致加工效率较低；加工过程中能量输入以声能为主；超声的影响区域略大于刀具本体；过大地游离磨料颗粒不易进入加工区域，过小颗粒无法携带足够能量，所以游离磨料直径过大或过小都会导致加工质量和效率都较低。
为探究加载力、超声功率百分比等因素对硬脆材料的旋转超声微细孔加工质量与效率的影响，采用正交试验设计法设计试验方案，以铁氧体和石英玻璃为工件材料，运用超声加工系统和具有加载力控制功能的气浮负载匹配系统进行旋转超声微细孔加工试验。分析并比较加载力、超声功率百分比、游离磨料等参数对不同材料加工后的微细孔直径和孔深的影响规律。试验结果表明，加载力过大会导致加工效率较低；加工过程中能量输入以声能为主；超声的影响区域略大于刀具本体；过大地游离磨料颗粒不易进入加工区域，过小颗粒无法携带足够能量，所以游离磨料直径过大或过小都会导致加工质量和效率都较低。
2020, 39(6): 865-872.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190167
摘要:
为了改善主轴式滚磨光整加工对大中型盘类零件的加工效果，提出垂直交叉主轴式滚磨光整加工工艺并进行了理论分析。通过详述该工艺的加工原理，建立数学模型，推导出盘类工件上任意一点的切削速度、切削角公式，并采用MATLAB软件和控制变量法分析工件在垂直交叉主轴式滚磨光整加工工艺下转动时切削速度和切削角的变化规律。结果表明，工件上任意一点切削速度随着滚筒转速、工件转速、滚筒回转轴线到工件中心距离的增大而增大，而切削角的变化主要受两个摆角的摆动幅度和摆动频率的影响，且外圆表面切削角的峰值随着两个摆动幅度的增大而增大。
为了改善主轴式滚磨光整加工对大中型盘类零件的加工效果，提出垂直交叉主轴式滚磨光整加工工艺并进行了理论分析。通过详述该工艺的加工原理，建立数学模型，推导出盘类工件上任意一点的切削速度、切削角公式，并采用MATLAB软件和控制变量法分析工件在垂直交叉主轴式滚磨光整加工工艺下转动时切削速度和切削角的变化规律。结果表明，工件上任意一点切削速度随着滚筒转速、工件转速、滚筒回转轴线到工件中心距离的增大而增大，而切削角的变化主要受两个摆角的摆动幅度和摆动频率的影响，且外圆表面切削角的峰值随着两个摆动幅度的增大而增大。
2020, 39(6): 879-883.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190172
摘要:
根据超声振动抛光原理分析了弹塑性材料抛光过程中的材料去除方式；建立了弹塑性材料的材料去除模型，给出了磨粒速度、冲击载荷和工件表面受力变形的数学表达式；分析讨论了抛光过程和抛光参数的影响并用已有实验验证了该模型的合理性。
根据超声振动抛光原理分析了弹塑性材料抛光过程中的材料去除方式；建立了弹塑性材料的材料去除模型，给出了磨粒速度、冲击载荷和工件表面受力变形的数学表达式；分析讨论了抛光过程和抛光参数的影响并用已有实验验证了该模型的合理性。
2020, 39(6): 884-890.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190219
摘要:
针对采用五刀法进行小模数螺旋锥齿轮加工时效率较低，采用两刀法加工时接触区不易于保证的问题，提出了采用双滚法进行小模数螺旋锥齿轮切齿的方法。设计了数控双滚加工流程，建立了刀位计算模型和自动对刀的相位补偿模型；开发了双滚加工数控软件，实现了在一个切齿加工循环中通过两次滚切完成齿轮副凹凸两面的加工，无需进行手动对刀处理。开展了切齿实验及滚动检查实验，验证了应用双滚加工方法进行小模数螺旋锥齿轮加工可在保证良好的接触状态的同时获得较高的加工效率。
针对采用五刀法进行小模数螺旋锥齿轮加工时效率较低，采用两刀法加工时接触区不易于保证的问题，提出了采用双滚法进行小模数螺旋锥齿轮切齿的方法。设计了数控双滚加工流程，建立了刀位计算模型和自动对刀的相位补偿模型；开发了双滚加工数控软件，实现了在一个切齿加工循环中通过两次滚切完成齿轮副凹凸两面的加工，无需进行手动对刀处理。开展了切齿实验及滚动检查实验，验证了应用双滚加工方法进行小模数螺旋锥齿轮加工可在保证良好的接触状态的同时获得较高的加工效率。
2020, 39(6): 891-897.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190170
摘要:
为了满足下肢康复外骨骼造型美观化与结构轻量化的双重要求，提出一种造型设计与结构优化互补的综合设计方法。运用感性工学理论和设计美学原则，归纳出下肢康复外骨骼造型设计的一般特征，并应用于下肢康复外骨骼的造型设计中，然后采用7点标度的语义差异量表挑选造型方案。为了验证造型方案结构的合理性，利用SolidWorks软件对优选方案进行三维建模和有限元分析，同时在不改变优选方案造型轮廓美观性的基础上，使用拓扑优化方法对其进行轻量化设计。最终设计得到的造型方案不论是在造型美观性方面还是结构性能方面都比较突出，表明了该方法的有效性。
为了满足下肢康复外骨骼造型美观化与结构轻量化的双重要求，提出一种造型设计与结构优化互补的综合设计方法。运用感性工学理论和设计美学原则，归纳出下肢康复外骨骼造型设计的一般特征，并应用于下肢康复外骨骼的造型设计中，然后采用7点标度的语义差异量表挑选造型方案。为了验证造型方案结构的合理性，利用SolidWorks软件对优选方案进行三维建模和有限元分析，同时在不改变优选方案造型轮廓美观性的基础上，使用拓扑优化方法对其进行轻量化设计。最终设计得到的造型方案不论是在造型美观性方面还是结构性能方面都比较突出，表明了该方法的有效性。
2020, 39(6): 898-903.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190163
摘要:
快速标定斜角切削力系数的方法在切削力建模中得到了广泛应用，但该方法忽略了系数辨识过程中的不确定性因素。针对此问题，提出了一种基于贝叶斯推断的切削力系数辨识方法。推导了镶齿面铣刀铣削力解析模型，给出了快速标定斜角切削力系数的线性回归方法。通过马尔科夫链蒙特卡罗方法从切削力系数的后验分布中生成样本，然后基于贝叶斯推断方法评价切削力系数的变化。在给定的实验条件下，分别用线性回归方法和贝叶斯推断方法进行切削力系数辨识，将计算得到的铣削力与实验铣削力值进行对比，结果表明贝叶斯推断方法具有更高的预测精度。
快速标定斜角切削力系数的方法在切削力建模中得到了广泛应用，但该方法忽略了系数辨识过程中的不确定性因素。针对此问题，提出了一种基于贝叶斯推断的切削力系数辨识方法。推导了镶齿面铣刀铣削力解析模型，给出了快速标定斜角切削力系数的线性回归方法。通过马尔科夫链蒙特卡罗方法从切削力系数的后验分布中生成样本，然后基于贝叶斯推断方法评价切削力系数的变化。在给定的实验条件下，分别用线性回归方法和贝叶斯推断方法进行切削力系数辨识，将计算得到的铣削力与实验铣削力值进行对比，结果表明贝叶斯推断方法具有更高的预测精度。
2020, 39(6): 910-918.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190211
摘要:
为提高粗糙接触界面的声耦合性能，对超声波与粗糙界面间的相互作用进行研究。通过界面分形模型的建立，得到含分形参数的接触刚度表达式，并结合界面声学模型分析不同耦合条件下声反射系数的变化；搭建超声干耦合实验平台，通过实验测得粗糙铝板表面轮廓，利用结构函数法对分形维数进行测定，并对不同分形维数的粗糙铝板进行受压条件下的反射系数测量。结果表明：对粗糙接触界面施加一定载荷有利于超声波在界面处的传播，且分形维数较大的粗糙铝板达到良好声耦合效果所需的载荷更小，更便于超声干耦合检测的实施。
为提高粗糙接触界面的声耦合性能，对超声波与粗糙界面间的相互作用进行研究。通过界面分形模型的建立，得到含分形参数的接触刚度表达式，并结合界面声学模型分析不同耦合条件下声反射系数的变化；搭建超声干耦合实验平台，通过实验测得粗糙铝板表面轮廓，利用结构函数法对分形维数进行测定，并对不同分形维数的粗糙铝板进行受压条件下的反射系数测量。结果表明：对粗糙接触界面施加一定载荷有利于超声波在界面处的传播，且分形维数较大的粗糙铝板达到良好声耦合效果所需的载荷更小，更便于超声干耦合检测的实施。
2020, 39(6): 948-953.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190216
摘要:
以某微型纯电动汽车为研究对象，分析其高压电气系统的结构特点，对高压线束进行细化建模，建立了含高压电气系统部件的整车有限元分析模型，选取后部追尾和柱撞两种碰撞工况进行仿真。结果表明，纯电动汽车在后部碰撞工况下高压线束受到破坏以及高压电部件存在安装支架强度不足的问题。进行改进设计后根据碰撞时高压电气系统的损伤情况，确立了纯电动汽车碰撞断电保护控制条件，制定了高压电安全防护控制策略，确保整车的高压电安全。
以某微型纯电动汽车为研究对象，分析其高压电气系统的结构特点，对高压线束进行细化建模，建立了含高压电气系统部件的整车有限元分析模型，选取后部追尾和柱撞两种碰撞工况进行仿真。结果表明，纯电动汽车在后部碰撞工况下高压线束受到破坏以及高压电部件存在安装支架强度不足的问题。进行改进设计后根据碰撞时高压电气系统的损伤情况，确立了纯电动汽车碰撞断电保护控制条件，制定了高压电安全防护控制策略，确保整车的高压电安全。
2020, 39(6): 954-959.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200091
摘要:
在一阶剪切变形理论和哈密顿原理的基础上，利用Haar小波离散方法，提出了一种简单、有效的评估一般弹性边界条件下复合材料层合梁振动特性的分析模型。结构位移变量及其相关导数的基函数分别采用Haar小波及其积分表示。在此基础上，利用边界条件求出积分过程中的常数，进而将层合梁的运动方程和边界条件进一步转化为一组线性代数方程。通过求解该线性代数方程，可得到复合材料层合梁的自由振动特性。通过数值算例对比验证了本文模型的正确性。此外，给出了复合材料层合梁的一些新的计算结果，可作为基准解为后续数值方法或解析法提供对比数据。
在一阶剪切变形理论和哈密顿原理的基础上，利用Haar小波离散方法，提出了一种简单、有效的评估一般弹性边界条件下复合材料层合梁振动特性的分析模型。结构位移变量及其相关导数的基函数分别采用Haar小波及其积分表示。在此基础上，利用边界条件求出积分过程中的常数，进而将层合梁的运动方程和边界条件进一步转化为一组线性代数方程。通过求解该线性代数方程，可得到复合材料层合梁的自由振动特性。通过数值算例对比验证了本文模型的正确性。此外，给出了复合材料层合梁的一些新的计算结果，可作为基准解为后续数值方法或解析法提供对比数据。
