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2021年  40卷  第3期

机械动力学
燃烧噪声传递函数的改进遗传算法计算及分析
魏招毅, 黄立, 王维, 高文志, 付振, 贺红
2021, 40(3): 329-336. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200073
摘要:
为改善传统的多元线性拟合传递函数方法所具有的局限性,更准确地进行内燃机燃烧噪声分析与预测,本文采用改进的遗传算法对燃烧噪声传递函数和机械噪声进行寻优计算。首先在相同工况下改变喷油策略计算得到燃烧噪声传递函数,并通过实验验证了燃烧噪声传递函数的不同负荷下的一致性规律;随后根据这一规律,在负荷特性下计算燃烧噪声传递函数,并结合缸压数据预测不同喷油策略下发动机总噪声水平。结果表明:改进遗传算法在计算燃烧噪声传递函数方面更具优势,通过负荷特性数据进行计算能够准确得到燃烧噪声传递函数和机械噪声,并且对总噪声的预测偏差均小于2%。
一种新型电磁吸附式爬壁机器人的研制
洪晓玮, 陈勇
2021, 40(3): 337-343. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200065
摘要:
针对永磁吸附式爬壁机器人机动性与吸附性相矛盾这一问题,提出了一种电磁铁轮流通断电机构,并基于该机构设计了一种履带式爬壁机器人。为了防止机器人出现滑移、倾覆和翻转失稳状况,对机器人进行了力学分析,利用COMSOL软件对电磁铁进行磁场仿真分析,完成了电磁铁的设计及机器人整机的制作。结果表明, 机器人能够以任意姿态在不同角度壁面上爬行,验证了电磁铁轮流通断电机构的可靠性。该机器人在大型钢结构巡检等方面有较好的应用价值。
冗余约束绳驱并联机器人的张力分配研究
陶冶, 张尚盈, 王彦伟
2021, 40(3): 344-349. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200061
摘要:
提出一种改进的二次规划方法求解冗余约束绳驱并联机器人的绳索张力分配问题。建立一般冗余约束绳驱并联机器人运动学模型,对机构进行受力分析,得到一般冗余约束绳驱并联机器人的动力学方程。结合力封闭的思想,引入参考力的概念,改进传统的二次规划方法,得到了适用于冗余约束绳驱并联机器人的绳索张力分配优化模型。以八绳六自由度绳驱并联机器人为例,利用MATLAB/Simulink/xPC工具进行实时仿真实验,实现该并联机器人在两种典型空间运动轨迹下的动态运行,分别运用改进的二次规划算法、传统二次规划算法和Closed-form算法求解绳索张力分配问题,比较3种张力分配算法的仿真结果,验证了改进的二次规划算法求解绳索张力分配的合理性。
一种密度约束的拓扑优化方法
闫晓磊, 谢露, 陈佳文, 花海燕, 黄晓东
2021, 40(3): 350-355. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200077
摘要:
拓扑优化方法是改善结构性能、实现结构创新设计的有效手段。本文采用浮动映射技术,提出了一种密度约束的拓扑优化(Density-constrained topology optimization, DCTO)方法。该方法不同于SIMP方法,采用线性无惩罚材料插值模型,通过准则优化,首先找到结构的最优“厚度”(材料相对密度)分布,然后通过浮动映射函数不断对材料相对密度施加约束,使其逐渐趋于0/1分布。所提出拓扑优化方法的材料相对密度直接代表了材料在结构中的“厚度”分布,其求解原理与SIMP方法有着本质区别。数值算例表明,该方法得到的拓扑结构边界更清晰、光滑,且可避免材料插值模型选取问题。
振动机械滚动轴承的故障尺寸量化研究
康津浩, 郭宝良
2021, 40(3): 356-363. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200072
摘要:
针对振动机械滚动轴承故障尺寸量化的问题,通过对振动机械滚动轴承故障特征的分析,基于Hertz接触理论考虑局部单一故障尺寸对接触变形的影响,引入载荷分布区,建立振动机械滚动轴承外环单一局部损伤故障双冲击现象动力学模型。根据此模型进行仿真并在圆振动筛上对两组不同缺陷尺寸的轴承进行了实验研究。结果表明,因滚动体滚过缺陷而产生的双冲击信号,依据双冲击信号的时间间隔对轴承故障宽度尺寸进行量化,平均准确率达96%以上,验证了模型的正确性及此方法应用于振动机械滚动轴承故障尺寸量化的可行性。
月面探测器路径规划优化算法研究
赵迪, 于丽平, 胡梦雅, 陈小利, 何克勤
2021, 40(3): 364-370. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200076
摘要:
针对复杂环境下的月面探测器路径搜索困难的问题,建立多约束的栅格地图模型,研究了一种改进的蚁群算法用于全局路径规划方法。在蚁群算法中加入了参数自适应调整和双向搜索并行策略以提高蚂蚁搜索路径的成功性,并对路径进行了拐角处理,使规划的全局路径更加平滑、安全,使探测器有效地在大规模地图里避开障碍物。仿真试验结果表明,该方法结合全局规划的特点,使探测器可以沿着一条尽可能短而平滑的最优路径快速、安全地到达目标点。
爬壁机器人解析动力学建模与仿真
刘佳, 蔡文霞, 孙宏强
2021, 40(3): 371-376. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200067
摘要:
针对爬壁机器人的动力学建模问题,通过构造虚拟机构将爬壁机器人转换为具有固定基的开链系统,基于旋量理论并借助传统的拉格朗日建模方法给出了爬壁机器人未受约束时的动力学方程。借助Udwadia-Kalaba理论的建模思想,获得了爬壁机器人在预定轨迹下的解析动力学方程,避免了传统拉格朗日方程对于拉格朗日算子的依赖。数值仿真结果证明了该方法的有效性。
海底观测仪耐压壳体强度特性研究
汪静, 王伟奇, 朱晓培, 黄兴
2021, 40(3): 377-381. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200018
摘要:
以1 000 m水深某海底观测仪耐压壳体为研究对象,运用有限单元法,对比分析经典公式计算结果,分析经验公式的局限性;通过线性屈曲和非线性后屈曲分析得到不同长径比模型临界载荷的变化规律和极限强度以及后屈曲行为的变化特点;通过多工况的有限元计算分析,推导加筋圆柱壳的临界失稳载荷公式,最终得到重量减轻14.8%加筋圆柱壳结构。
精密制造与加工
曲面零件磨抛的材料去除模型及参数标定
李鼎威, 陈霖, 杨吉祥
2021, 40(3): 382-387. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200026
摘要:
影响磨抛质量的工艺参数较多使得叶片的材料去除量难以控制。针对圆柱形磨头,在已有材料去除模型的基础上,建立了新的材料去除模型。其中接触力的二分之一次幂、切触速度的倒数以及主轴转速与单位面积材料去除量成正比,并将其他不可控因素建模为材料去除系数; 以棒料作为实验对象,考虑工艺参数对单位面积材料去除量的影响,进行多组单因素实验。根据实验数据,利用最小二乘法对模型进行参数标定; 再通过多组多因素实验对材料去除模型进行验证。结果表明,所提出的材料去除模型准确可靠。
滚磨光整加工中新型磨液对7075铝合金加工效果的影响分析
高志森, 石慧婷, 王嘉明, 李秀红, 李文辉, 杨胜强
2021, 40(3): 388-393. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200060
摘要:
通过配制不同浓度的滚磨光整加工磨液,对7075铝合金试件进行滚磨光整加工实验。加工50 min后,在磨液仅为去离子水的情况下,试件表面光亮度最差、表面划痕较多、表面粗糙度值变化率和材料去除率最小,粗糙度值Ra从1.233 μm减小到0.406 μm,材料去除率MRR为0.043 mm3/min;当磨液中Na2SiO3·9H2O与CH4N2S配比为1∶1的时,滚磨光整后表面光亮度最好,表面无划痕,表面粗糙度值变化率最大,粗糙度值Ra从1.290 μm减小到0.169 μm;在添加有化学剂的磨液作用下,试件表面组织出现晶粒细化现象,晶粒的平均尺寸减小且数量增多。在滚磨光整加工中磨液对7075铝合金试件的表面光亮度、表面粗糙度、材料去除率具有重要影响,能够显著提高试件的表面质量;在Na2SiO3·9H2O和CH4N2S为1∶1的比例时加工效果最佳,磨液成分与试件表面晶粒细化具有一定关系。
混凝土数控机床支承件组合结构设计与优化研究
黄华, 李典伦, 邓文强, 刘强
2021, 40(3): 394-402. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200062
摘要:
作为数控机床的基础件,支承结构在很大程度上决定了机床的性能,然而基于传统材料的机床结构的优化几乎已接近极值。针对这种情况,提出了一种基于混凝土的组合结构并应用在支承件中。以床身为对象,采用外部钢板、内部填充混凝土制作“三明治”式组合结构,并对导轨进行预埋和稳定性增强设计。首先对铸铁床身以及混凝土床身结构进行动、静力学分析和比较;其次以导轨的静变形为约束条件,对导轨的支撑结构进行优化设计以增强结构稳定性;然后对组合结构床身进行稳态和瞬态热分析验证其热性能。最后,将该方法应用到某卧式加工中心的床身设计与优化中。仿真结果表明:混凝土组合结构床身与原铸铁床身的静刚度基本接近,但动态性能、热性能有了显著提高,并且降低了成本,证明了该结构的可行性。
四位双通电热气动微阀的工作特性分析
刘云, 龙威, 魏先杰, 赵娜
2021, 40(3): 403-409. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200031
摘要:
本研究提出的四位双通电热气动微阀是在传统气动微阀的基础上,对阀通道结构和控制方法进行创新设计,采用封闭气腔内设置电热片的方式,通过控制电热片的通电与否和电流强度,实现了4个工作位双向导通的控制作用,并根据需要调整压力的阈值; 运用COMSOL软件对电热气动微阀的传热过程、流场特性和阀膜片的受力情况进行数值分析,通过对气腔内部的电流-压力特性、膜片的应力应变特征、流体通道内的速度和压力分布的分析,从而对电热气动微阀的各方面进行分析。研究发现:四位双通电热气动微阀内部膜片的应力主要集中在膜片与气室接触位置和阻流障碍位置;流体通道内的速度和压力变化主要集中在阻流障碍与膜片之间的通道内;当电热器通相应的电流强度时,温度在1 s内可以达到85 ℃左右。
ELID磨削预修锐与氧化膜成膜的影响因素
万林林, 罗晔, 邓朝晖, 李乐
2021, 40(3): 410-416. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200028
摘要:
设计了蓝宝石ELID(在线电解修整)磨削工艺的实验装置和实验方案。基于电化学理论,建立了蓝宝石ELID磨削预修锐氧化膜形成的数学模型,定性分析了氧化膜的成膜过程,并通过磨削实验,研究了极间间隙、电压等工艺参数对预修锐时间的影响规律,揭示了氧化膜厚度和生长速率的变化规律,提出了基于厚度、粘附力和孔隙率,并考虑预修锐时间的氧化膜状态的评价表征方法,对极间间隙、脉冲频率、电压和砂轮转速等ELID电解加工参数进行了优化。实验获得最佳加工条件为极间间隙0.5 mm,脉冲频率90 kHz,电压120 V,砂轮转速1 500 r/min。
仪器、仪表科学与技术
不同海拔下配电网接地电阻器温升研究
张梁, 赵振刚, 王海林, 罗川, 张大骋, 李川
2021, 40(3): 417-422. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200059
摘要:
高原环境下接地电阻器的热生成与热传导与平原相比差异巨大,从而导致电阻器故障频发,无法保证配电网系统的正常运行。本文对电阻器的热生成与热传导进行分析,建立了接地电阻器与周围环境的对流换热系数模型;并对0~5 km不同海拔条件下电阻器温升进行有限元分析,得出了接地电阻器温升与海拔高度间的线性关系。对高原环境下配电网的故障诊断做出有效的判断,减少电阻器的维护成本。
深度迁移学习在柔性末端执行器端点检测的应用
龚炷任, 翟敬梅
2021, 40(3): 423-427. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200276
摘要:
针对在工业领域中难以利用小样本数据集训练出准确深度学习模型的问题,提出一种基于迁移学习的深度学习目标点检测方法,对小样本数据集下的柔性末端执行器端点检测。首先利用残差网络(ResNet)构建目标点检测网络;然后利用领域自适应迁移方法构建适应网络,将预训练ResNet-50网络参数转移到柔性末端执行器端点检测模型的训练中,降低深度学习模型训练的难度。实验结果表明,该模型在500张图像训练下就已经具有较好的检测效果,对末端点的定位精度为1.675 mm。
气动量仪测头流场对发动机连杆测量稳定性的影响分析
魏先杰, 龙威, 邓伟, 王继尧, 吴蜜蜜
2021, 40(3): 428-434. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200064
摘要:
现有气动量仪在使用过程中出现测量数值不稳定、工件测量磨损等现象。本文分析了气动量仪测量工作原理,对发动机连杆大头孔与大头测头之间的内部流场进行了数值计算和实验测量,发现现有连杆测头的导向面没有形成有效支撑气膜,且在排气槽中气流紊乱,导致测量过程稳定性差,喷嘴端面附近的排气槽边缘会产生局部高压区,导致气阻增大,从而影响测量精度,从而明确了气动量仪测量过程中气膜流场均匀性对测量稳定性的决定性作用。提出了测量稳定性和可靠性更好地双E型排气槽结构测头,通过分析双E型测头内部流动特征,采用双E型排气槽结构测头的压力和流场分布更均匀,气流波动收敛至稳定值,测量波动幅值是现有测头的1/5,有效提高了的测量精度和测量稳定性。
运载工程
自动驾驶横向运动控制的改进LQR方法研究
高琳琳, 唐风敏, 郭蓬, 何佳
2021, 40(3): 435-441. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200066
摘要:
针对自动驾驶横向运动控制问题,提出一种带有前馈控制的改进LQR横向运动控制方法。首先,利用二自由度车辆动力学模型构建了路径跟踪误差动力学模型,设计了自动驾驶LQR控制器以及前馈控制器。随后,针对LQR控制器参数进行分析,提出一种基于路径跟踪误差的参数计算方法和一种基于车-路位置关系的参数调整规则,以此实现LQR控制器的改进,提高控制器的适应性与控制精度。最后,通过Matlab/Carsim联合仿真测试设计的控制器。结果表明,不论是双移线工况还是连续换道工况,设计的控制器均能较好地跟踪目标路径,且能够将距离偏差和航向偏差控制在较小范围内。
多轮独立电驱动车辆横摆稳定性滑模控制研究
马晓军, 王科淯, 张征
2021, 40(3): 442-447. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200074
摘要:
以某型多轮独立电驱动车辆为研究对象,针对车辆稳定性问题,提出了基于横摆角速度和质心侧偏角联合控制的横摆力矩滑模控制方法。控制器采用分层控制结构,控制器上层基于滑模控制理论,首先分别独立控制质心侧偏角和横摆角速度,分别得出附加力矩目标值,而后加权求和得到附加横摆力矩目标值,其中加权函数能够动态反映车辆行驶状态;控制器下层考虑电机输出约束和地面附着约束进行力矩优化分配。实验仿真结果表明, 相比经典PID控制方法,上述控制方法有效提高了车辆的稳定性。
导磁型径向流磁流变阀的结构优化及性能研究
陈文, 吴张永
2021, 40(3): 448-455. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200027
摘要:
针对典型径向流磁流变阀电源能耗过大的问题,使用不同软磁材料对阀芯进行分割式组合,提出并设计导磁型径向流磁流变阀结构。由于软磁材料的导磁性能不同,将软磁材料进行排列组合,从而使得阀芯处的磁能损耗降低,同时诱导磁场进入环形轴向间隙内,增加磁场对磁流变液的作用面积。采用拉格朗日乘子法结合拟牛顿法,对阀体基本结构进行优化设计,并且利用Maxwell对优化后的导磁型径向流磁流变阀进行仿真,仿真结果与理论结果接近,充分证明优化结果的可靠性。实验结果表明:导磁型径向流磁流变阀的电源能耗比典型径向流磁流变阀降低33.3%,并且在最大压降值为1.8 MPa时,体积减少37.7%。
材料科学
单个边缘微观损伤对铝合金材料蚀坑应力集中效应的影响研究
刘治国, 李旭东, 陈川
2021, 40(3): 456-462. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200075
摘要:
为获取边缘微观损伤对铝合金蚀坑产生的应力集中效应的影响及影响规律,采用ANSYS有限元方法,构建7B04铝合金半椭球体简化蚀坑模型、单个半椭球体包含一个边缘微观损伤的蚀坑模型,并基于线弹性断裂力学,开展两种蚀坑模型的应力集中效应计算分析。研究发现:边缘微观损伤对半椭球体蚀坑应力集中效应的数值大小、作用区域以及作用区域大小影响明显。包含与不包含边缘微观损伤的半椭球体蚀坑产生的应力集中系数最大值分别为Kt, max=3.359和Kt, max=2.24;包含边缘微观损伤的半椭球体蚀坑其应力集中效应明显的区域集中在边缘微观损伤与半椭球体蚀坑交汇位置的侧边;边缘微观损伤对点蚀损伤应力集中效应的影响与其表面尺寸、深度以及方位有关,应力集中系数随其深度与长度的比值(h/l)增加而增加,且Kt, θ=45°>Kt, θ=0
5083铝合金带吻接FSW接头疲劳强度分析
米鹏, 王瑞杰, 杨庆鹤
2021, 40(3): 463-469. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200030
摘要:
针对具有吻接缺陷的5083铝合金板搅拌摩擦焊(FSW)对接接头试件,探索了吻接缺陷对搅拌摩擦焊对接接头疲劳强度的影响。使用维氏显微硬度仪测量了试件接头焊缝横截面硬度分布,测试结果显示,硬度值分布大致呈W趋势。采用MTS809疲劳测试机对试件进行疲劳测试,得到了不同吻接深度拉伸式样的名义应力-寿命关系。对疲劳断口进行SEM扫描并测量了接头吻接缺陷深度,发现疲劳裂纹均起源于吻接缺陷区域。通过有限元软件ABAQUS对不同吻接深度试件进行了应力应变分析,分别采用缺口应力法和局部应力应变法对试件进行了疲劳寿命预测。预测结果表明,缺口应力法在低周疲劳预测时效果较好。
超声强化对高强钢疲劳性能的影响
丛家慧, 徐永臻, 王磊, 回丽, 周松
2021, 40(3): 470-474. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200063
摘要:
超声强化技术可用来改善材料表面完整性以提高其疲劳性能。本文针对超声滚压强化对低合金高强钢疲劳性能的影响进行研究,通过分析超声强化的强化机理及疲劳试样实验,采用金相显微镜、微观硬度仪及扫描电镜对30CrMnSiNi2A疲劳试样进行微观结构及显微硬度的测试,结果表明,经过超声强化后试样表面出现一层强化层,组织更为细密,显微维氏硬度与未表面强化的试样相比提高了9.8%。在1 400 MPa应力作用下,30CrMnSiNi2A高强钢试样的疲劳寿命较传统抛光下的试样增加了38.4%。
微滴喷射工艺参数与液滴形态关系的数值模拟
高翔宇, 杨伟东, 王媛媛, 屠熹远, 张争艳
2021, 40(3): 475-480. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200011
摘要:
以微滴喷射的增材制造技术为研究对象,采用守恒水平集方法建立了液滴喷射过程的数值仿真的物理数学模型。通过仿真实验分析了液滴喷射的流场分布,采用曲面响应法的中心复合设计建立了拟合模型并进行了修正,提出了液滴喷射过中液滴成球距离和断裂高度分别与入口处压强脉冲的幅值与脉宽的拟合关系式。模拟结果表明:在液滴喷射过程中喷嘴入处的压强脉冲的幅值与脉宽和液滴形态之间有密切的关系,压强幅值与脉宽之间存在一个临界关系,当不满足这个关系时液滴无法从喷嘴口喷出,只有当压强幅值与脉宽满足这个临界条件时,液滴才能够克服喷嘴口处的表面张力顺利喷出;在满足喷射条件的情况下压强幅值与脉宽时间越大,喷出的液滴成球距离越远;压强幅值与脉宽时间越小,喷出的液滴成球距离越近。
30CrMnSiA螺栓开裂原因分析
罗志轩, 王宇魁
2021, 40(3): 481-486. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200294
摘要:
本文针对某型飞机上的断裂螺栓和开裂螺栓进行了宏微观形貌分析、微区成分分析、金相组织检查及硬度测试,并进行了同批次螺栓氢含量和夹杂物测定、螺栓窝现场检查,结合断口氧化腐蚀情况获得了没有阶段性扩展痕迹、剪切唇(月牙区)等客观证据,对断裂源区的沿晶特征给出了新的解释,判断该螺栓为三向应力作用下的过载开裂。
航空、宇航工程
利用精细有限元模型实现大型机翼尺寸优化设计
艾森, 聂小华, 王立凯, 吴存利
2021, 40(3): 487-492. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200180
摘要:
在虚拟试验构建的精细有限元模型基础上,开展了大型机翼尺寸优化设计技术的研究。通过对不同工况模型中的载荷进行转换,构建了统一的优化模型;采用翼梁、翼肋的站位,将机翼主翼盒自动划分为不同的设计区域,并根据每个设计区域特点定义了优化变量和设计约束。利用满应力优化算法对机翼进行了尺寸优化设计,达到13.3%的减重效果。算例表明,利用精细有限元模型进行尺寸优化的方案是可行的,由此产生的优化模型构建问题可通过相关模型处理技术得以解决。