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2022年  41卷  第9期

机械动力学
温度效应对MRD动力性能影响的仿真及试验
赵洪洋, 冯志敏, 孙捷超, 胡海刚, 张刚, 梁旭
2022, 41(9): 1313-1320. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200515
摘要:
探究一种温度效应对磁流变减振器(MRD)阻尼动力学性能的影响规律。基于Bingham力学模型和磁路等效原理,建立MRD样机的参数化模型,利用ANSYS仿真研究温度对MRD阻尼力特性、可调系数和响应时间的影响机理和规律;搭建MRD温度-动力学测控试验平台,开展不同输入电流、激振频率和振幅下温度效应对MRD动力学性能影响的试验,分析研究阻尼力-位移特性、可调系数及响应时间的动态变化规律。结果表明:温度对阻尼力和响应时间的影响呈负相关,对可调系数的影响呈正相关,仿真与试验结果保持一致。研究结果对MRD的温度补偿设计和性能优化具有参考价值。
缸内直喷氢气发动机液压式氢气喷射系统仿真
曹兴达, 李勇, 高文志, 张攀, 付振, 叶奕翔
2022, 41(9): 1321-1326. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200494
摘要:
为研究与缸内直喷氢气发动机相匹配的液压式氢气喷射系统特性,采用AMESim软件建立了缸内直喷氢气发动机液压式氢气喷射系统仿真模型,利用所建立的模型模拟分析了氢气喷射系统工作的动态过程,采用单因素分析方法研究了液压管路结构参数、液压油绝对黏度和供油压力、复位弹簧预紧力和弹簧刚度对氢气喷射系统针阀响应延时的影响规律。最终决定选取复位弹簧预紧力210 N、弹簧刚度190 N/mm、供油压力10 MPa、液压管道a直径4 mm、液压油绝对黏度51 cp作为缸内直喷氢气发动机匹配的氢气喷射系统的结构参数,为电控液压式氢气喷射系统的设计提供了参考。
EHB用无刷直流电机齿槽转矩电流补偿控制策略研究
刘金刚, 张聪悦, 傅兵, 孟步敏, 胡余良
2022, 41(9): 1327-1333. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200485
摘要(177) HTML (260) PDF 3747KB(43)
摘要:
电子液压制动系统现已普遍使用无刷直流电机,但其齿槽转矩会影响电机伺服控制品质,进而阻碍EHB综合性能的提升。为此,开展EHB用无刷直流电机齿槽转矩的电流补偿控制策略研究。首先,通过解析分析和有限元方法获取齿槽转矩变化规律;其次,根据齿槽转矩与转子位置的映射关系,提出基于电机位置信号的转矩实时电流补偿控制策略;最后,搭建电机的控制模型和有限元模型,并进行联合仿真。研究结果表明:加入电流补偿控制策略后,电机转速和转矩波动明显降低,位置伺服精度得到提升,有效抑制了齿槽转矩对电机伺服控制品质的影响。
双程SMA丝驱动的柔性弯曲关节设计与测试
吕雨微, 芦吉云, 王宜耀
2022, 41(9): 1334-1339. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200503
摘要:
本文设计了一种柔性弯曲关节,由铝合金圆环、超弹性形状记忆合金(SMA)以及双程形状记忆合金丝构成,其中超弹性SMA作为支撑杆,双程SMA丝作为驱动机构,通过电流驱动双程SMA收缩,实现了柔性关节自主弯曲,电流卸载后关节可恢复至初始状态。搭建了双程SMA丝驱动收缩特性测试平台,当电流为2.1 A时,收缩率为4.02%,建立了ABAQUS模型仿真。建立了弯曲关节的3D运动学模型,获得了不同加载条件下,两段关节弯曲角度的理论值。通过对比理论模型和实验结果,表明:采用超弹性SMA可有效增加弯曲角度,两段关节最大弯曲角度分别为43.1°与22°。
超声冲击45钢表面完整性多目标参数优化
寇英涛, 李艳洁, 汪云燕, 周征
2022, 41(9): 1340-1345. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200504
摘要(137) HTML (101) PDF 1742KB(26)
摘要:
为获得超声冲击45钢轴表面完整性工艺波动性和最佳工艺参数。对45钢开展超声冲击正交试验。采用信噪比方法,分析了转速、进给速度和过盈量对表面完整性(表面粗糙度、表面硬度和表面残余应力)影响的显著程度;结合灰关联度方法进行多目标参数优化,得到超声冲击45钢表面完整性最优工艺参数组合。试验结果表明:工艺参数影响表面完整性的重要程度依次为:转速,过盈量,进给速度;最优工艺参数为转速45 r/min,进给速度0.18 mm/r,过盈量0.025 mm。使用优化参数对工件开展验证试验发现能够显著降低表面粗糙度、提高表面硬度和表面残余压应力,进一步证明了优化参数的可靠性。
多关节仿手指结构的灵活软体执行器
韩子轩, 郝天泽, 马豪, 张超, 肖华平
2022, 41(9): 1346-1351. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200505
摘要:
在目前的研究中心,软体夹持执行器一般采用气动的形式进行控制,具有延展性的优点。在这一特征的改进与提升下,通过模仿人手多关节的特点,开发了一种由多种软复合材料构成的新型软体执行器,通过围绕空腔缠绕的细线施加的环向束缚,提高驱动部分的径向驱动力。因此在保持原有柔软性的前提下,可以通过提高主体部分的弯曲角实现夹持性能的提高。并建立D-H运动学模型,对本结构的位姿进行了较为准确的描述。最后通过实验测量了各关节的弯曲角与机构的夹持性能,证明该结构设计在实际应用中是可被广泛应用的。
全轮转向移动底盘设计及运动控制研究
芮宏斌, 张森, 闫修鹏, 解晓琳, 黄川, 曹伟, 李路路
2022, 41(9): 1352-1361. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200497
摘要(558) HTML (238) PDF 2711KB(77)
摘要:
为实现轮式移动机器人灵活运动的同时提升其环境适应能力,本文提出一种移动底盘结构,采用双功率差速系统实现不同模式动力的分配;采用特殊结构完成四轮独立转向,使底盘转向更加轻松,并实现了转向过程的纯滚动;采用平衡摇臂调整机构来调整底盘摆臂与本体的运动,利用摆臂转动来实现对起伏路面的自适应,加强了底盘的越障能力;分析了移动底盘原理,据此设计对应控制策略,在此基础上加入偏差耦合控制模块,提高多电机转向时的同步协调性能,利用MATLAB仿真验证了控制模块所起到的作用,并对实验样机及控制系统进行了搭建与测试。测试结果表明,本文所提出的结构原理正确可行,底盘越障能力较强,在野外环境也有很强的适应能力。
动力稳定装置耦合系统机械特性研究
王立华, 赵泽民, 李佳奇, 王炯力, 蒋维
2022, 41(9): 1362-1368. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200524
摘要:
针对动力稳定装置中液压油缸的工作压强及液阻系数对作业效果的影响等问题,对动力稳定装置的轮轨接触特性、液压油缸工作原理以及钢轨的受力特征等进行研究。在刚性钢轨动力稳定装置-轨道横向耦合系统键合图模型的基础上,提出一种基于Euler梁理论的柔性钢轨动力稳定装置-轨道横向耦合系统键合图模型。基于此模型进行轨枕振动特性分析,并将分析结果与实验结果对比分析,验证了模型的准确性。分析了夹钳油缸工作压强、液压油缸进出油口的液阻参数和轮轨接触角对轮轨间能量传递效率与作业效果的影响。通过分析得到:当轮轨间能量传递效率保持在95%以上,轮轨角度应保持在0 ~ 40°;在轮轨间隙消除时(即夹钳油缸工作压强为7 MPa时),轮轨间能量传递效率会从之前的30%激增到99%左右,提升了69%。
考虑驱动索柔性的网状天线展开动力学分析
杨癸庚, 卫鑫鹏, 李鹏阳, 汤奥斐, 孔令飞
2022, 41(9): 1369-1375. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220188
摘要(176) HTML (101) PDF 1321KB(23)
摘要:
为综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性对环形桁架式网状可展开天线展开过程的影响,建立了包含驱动绳索-滑轮的环形桁架天线系统动力学模型。采用基于位置控制的展开策略对天线的展开过程进行运动规划,实现展开角加速度的峰值最小化,并获取驱动绳索的最优输入轨迹;采用Bushing力法建立驱动绳索的动力学模型,并将索网张力等效为作用在桁架铰链上的时变外载荷,进而得到天线整体系统的动力学模型。仿真案例结果表明,驱动绳索的柔性、展开时间等参数会对展开过程中的展开角加速度和驱动索力产生显著影响,可为实际工程中环形桁架天线的展开过程控制提供参考。
限矩型液力偶合器气液两相环流特性仿真
王阳, 李志鹏, 唐欣怡
2022, 41(9): 1376-1380. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200476
摘要:
为了研究限矩型液力偶合器内部气液两相分布规律和转矩特性,以YOX500型限矩型液力偶合器为分析模型,采用流体体积法VOF(Volume of fluid)两相流模型,Realizable k-ε湍流模型和压力隐式算子分裂(Pressure-implicit with splitting of operators, PISO)压力耦合算法对不同充液率、不同工况下的偶合器内部流场进行瞬态模拟。结果表明:随着转速比的降低,偶合器内部环流逐渐由小环流变为大环流,80%充液率的条件下,泵轮叶片吸力面与压力面上的气液两相分布与试验结果基本一致,证明了该方法的有效性。在高转速比时,转矩特性与试验一致,低转速比时误差较大,该方法不再适用。
双金属锯条激光焊接机焊缝轨迹跟踪控制模型构建
关景新, 朱韶平
2022, 41(9): 1381-1386. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200475
摘要:
以提升双金属锯条激光焊接机焊缝轨迹跟踪精度为目的,构建双金属锯条激光焊接机焊缝轨迹跟踪控制模型。采用基于自适应感兴趣区域的方法预处理焊缝轨迹图像,利用水平投影法获取焊缝轨迹中心线,根据焊缝位置处激光条纹有间断的特点,经由扫描激光条纹中心线可以获取焊缝的特征信息,由此确定焊缝轨迹。考虑非完整约束性,利用Lagrange动力学方法描述双金属锯条激光焊接机的动力学模型,基于动力学模型,根据跟踪过程中焊枪点与焊缝轨迹中心线的距离和横向滑块的极限长度间的相关性,制定不同的焊缝跟踪控制策略,考虑双金属锯条激光焊接机的惯性、工件表面不平度等因素,设计基于移动焊接机器人动力学和十字滑块协调控制的滑模变结构控制模型。应用测试结果显示该模型控制下,研究对象焊缝轨迹跟踪结果与实际轨迹基本重合。
精密制造与加工
多源耦合剃齿齿形中凹误差的预测模型
蔡安江, 王瑞远
2022, 41(9): 1387-1393. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200495
摘要(133) HTML (102) PDF 1083KB(20)
摘要:
为提高剃齿齿形中凹误差的预测能力,以轴向剃齿方法为例,提出多源耦合剃齿齿形中凹误差预测模型。该模型在考虑安装误差的同时,对剃齿重合度和机床运动等因素进行了耦合。为分析安装误差对剃齿加工的影响,首先,建立含有轴交角误差、中心距误差和高速轴同步误差的剃齿分析模型;然后,基于剃削原理将影响剃齿加工的多源因素耦合成啮合点单次切削面积,在遗传算法改进BP神经网络(GA-BP)的基础上建立了剃齿齿形中凹误差预测模型,并揭示了啮合点单次切削面积对齿形中凹误差的影响规律,实现了多因素耦合的齿形中凹误差的定量预测及其机理的研究。实验结果表明:在考虑安装误差的情况下,剃齿啮合点的单次切削面积过大是导致剃齿齿形中凹误差的主要成因。
不等圆Packing问题的多策略优化方法
梁利东, 何东, 朱良恒
2022, 41(9): 1394-1402. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220143
摘要(173) HTML (193) PDF 7188KB(27)
摘要:
基于拟物算法思想及性能分析,提出一种求解不等圆Packing问题的高性能启发式算法。该方法以定步长序列梯度下降拟物算法为基础,运用相对势能作为排样布局的约束函数以消除图形尺寸的影响,并采用变邻接系数的邻接矩阵加速方法提升运算效率。在优化策略中,首先提出了改进分支搜索方法,以延长分支长度来扩大搜索范围实现对优胜劣汰策略的拓展;在迭代后期通过领域算子进行多重模拟退火来提升个体多样性和避免局部最优。在不同形状容器算例以及国际公开算例集上的大量实验表明,该算法是一种高效、稳定的不等圆Packing算法
电主轴参数化及结合响应面法的多目标优化
王洪申, 连亚东, 黄忠金
2022, 41(9): 1403-1408. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200490
摘要(110) HTML (230) PDF 2827KB(36)
摘要:
以某电主轴为对象,通过Solidworks对模型进行二次建模,导入到Workbench中并进行参数化传递。在完成静态和模态有限元分析的基础上,以电主轴的前后轴承组跨距、悬伸量、主轴前端半径、前端内孔半径为设计变量,以最大总体变形最小、1阶固有频率最大、质量最轻为优化目标,对设计参数进行敏感性分析,建立响应面优化模型并进行优化分析。优化结果表明,采用上述方法进行优化后,其静刚度提高了4.2%,1阶固有频率增大了7.4%,质量减少了5.3%,达到了最初的优化目的。
采用Taguchi方法的铝合金拼焊板成形性能比较研究
伍杰, 钱佑臣, 赵晨阳
2022, 41(9): 1409-1413. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220149
摘要:
本论文研究了不同焊接方法、接触配置和厚度差异对铝合金拼焊板成形性能极限拱顶高度(Limiting dome height,LDH)值的影响,并采用Taguchi方法对3种影响因素进行了分析。结果表明:对于异种厚度的铝合金拼焊板,Face配置时的LDH值要小于Root配置时的LDH值,与焊接方法无关;激光焊接的LDH值要小于搅拌摩擦焊接的LDH值,与配置方式无关。对于同种厚度的铝合金拼焊板,LDH值都大于异种厚度时的LDH值,与配置方式无关;且Face配置时的LDH值仍然小于Root配置时的LDH值。厚度差异是影响铝合金拼焊板LDH值最主要的因素,接触配置对LDH值的影响较小,对LDH值影响最小的是焊接方法。
工艺参数对TC4钛合金喷丸强化影响的仿真分析
周兆锋, 洪捐
2022, 41(9): 1414-1419. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200487
摘要(135) HTML (176) PDF 2251KB(24)
摘要:
利用有限元法针对TC4钛合金的喷丸强化过程,建立了数值模型。首先,运用Abaqus建立的TC4钛合金喷丸强化的有限元模型,分别计算喷丸速度分别为40、60、80、100 m/s的模型,结果表明:当喷丸速度逐渐增大的过程中,表面残余应力,最大残余压应力和残余压应力层厚度都逐渐增大;其次,建立的TC4钛合金喷丸强化的有限元模型,分别计算了垂直入射、入射角为10°和入射角为20°的模型,结果表明:随着入射角的增大,靶材的表面粗糙度并没有显著变化,但对残余压应力的影响不可忽视,主要体现在最大残余应力由607.3 MPa逐渐减小为504.4 MPa,降幅20.4%,残余压应力层的厚度由158.5 μm降低到145.2 μm,降幅8.4%。入射角度控制在0 ~ 10°之间最合适时可以使得喷丸强化效果最优。
仪器、仪表科学与技术
CNN融合PCA-DT模型的金属缺陷识别研究
唐东林, 周立, 吴续龙, 宋一言, 秦北轩
2022, 41(9): 1420-1427. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200478
摘要(184) HTML (158) PDF 3865KB(17)
摘要:
针对金属缺陷识别分类,传统机器学习需要人工提取特征,而深度学习需要大量样本的问题,本文针对中小规模缺陷数据集提出了一种基于浅层的卷积神经网络(CNN)和决策树(DT)的金属缺陷分类方法。利用卷积神经网络提取特征,通过决策树分类,实现缺陷分类。引入主成分分析(PCA)方法对特征向量降维,减小过拟合并提升算法识别分类效率。为验证本文方法的通用性,除图像缺陷数据外还引入非图像缺陷数据。实验结果表明,本文方法除了能分类图像缺陷也能分类非图像缺陷,且在识别率等3个评价指标上本文方法优于传统机器学习方法,与深度学习方法持平,但在分类消耗时间上少于深度学习。
数控机床几何误差预测的GA-SVR模型
杨洪涛, 马群, 李莉, 张宇, 汪珺
2022, 41(9): 1428-1435. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200498
摘要(165) HTML (110) PDF 3696KB(24)
摘要:
为了统一数控机床在机测量系统不同几何误差建模方法,并建立更精确的几何误差模型。仅考虑速度和空间位置对机床误差的影响,提出一种遗传算法优化支持向量回归机(GA-SVR)建模方法。以X轴为例,利用BP、GA-BP、SVR和GA-SVR算法建立误差模型,进行了建模精度比较。试验结果表明,基于GA-SVR算法的3种几何误差建模精度更高,定位误差、直线度误差和角度误差预测值与实测真值的最大残差分别为0.179 6 μm、0.067 57 μm和0.019 2",更适合于机床3种几何误差精确建模和误差补偿。
运载工程
纯电动汽车制动能量回收策略优化研究
王永鼎, 裴开雅
2022, 41(9): 1436-1441. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200500
摘要(275) HTML (691) PDF 1233KB(72)
摘要:
为了提高纯电动汽车续航里程及能源转化率,以某纯电动汽车为研究对象,提出基于ECE法规曲线、I曲线和f曲线的汽车前后轴制动力分配策略。同时又考虑到存在电机和电池最大充电功率约束,在完善电机再生力矩、限制再生制动最大值后,采用模糊控制方法,根据不同制动强度确定机械制动力和再生制动力比例由此制定能量回收控制策略。在MATLAB/Simulink里建立起再生制动控制策略模型并将其与AVL-Cruise进行联合仿真分析本策略的优化效果。仿真结果表明所提出的控制策略能够在满足制动安全性基础上充分利用电机制动转矩,使得制动能量回收率与系统自带策略相比有显著提高,在一定程度上有效缓解了纯电动汽车续航问题。
电动汽车微型燃气轮机增程器向心涡轮设计方法研究
李超, 郭志平, 郭浩
2022, 41(9): 1442-1449. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200506
摘要(192) HTML (187) PDF 3927KB(29)
摘要:
本文首先通过匹配计算确定了微型燃气轮机增程器的主要性能指标,并通过模型分析得到微型向心涡轮的设计参数;其次根据向心涡轮工作过程建立损失模型,将遗传算法融入设计方案,编制了设计流程和计算程序;最后依据设计结果完成了微型向心涡轮结构设计,并利用CFD方法进行数值模拟计算。仿真计算结果表明:所设计的微型向心涡轮的轮周效率、轴效率以及输出功率均达到了设计要求,同时内部流场模拟结果显示涡轮也具有较好的气动性能,说明所采用的设计方法是可靠的。
材料科学
强噪声下碳纤维复合材料疲劳损伤概率成像方法研究
孔琼英, 邓为权
2022, 41(9): 1450-1457. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200492
摘要(181) HTML (118) PDF 3648KB(26)
摘要:
基于主动Lamb波的结构健康监测方法在实际应用中受结构振动、服役环境强噪声等干扰,使得损伤定位不准确。针对上述问题,提出了一种在强噪声背景下基于改进损伤因子的碳纤维复合材料疲劳损伤概率成像方法。本文方法利用局部加权散点平滑(Locally weighted scatterplot smoothing,LOWESS)算法对经希尔伯特变换(Hilbert transform,HT)后的含噪信号包络进行平滑处理,获得每条传感通道的飞行时间(Time of flight,ToF);然后根据有无损伤情况下的ToF获得改进的损伤因子,并结合损伤概率成像方法实现碳纤维复合材料板内部疲劳损伤定位成像。实验结果表明,在强噪声环境下本文方法能够有效定位结构内部疲劳损伤,提高损伤定位准确性,且本文方法的损伤定位误差较现有损伤概率成像方法误差至少降低了63.7%。
航空、宇航工程
考虑柔性车架的无杆飞机牵引系统平顺性研究
祝恒佳, 吕晓, 张柏枝, 张威
2022, 41(9): 1458-1467. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220187
摘要(254) HTML (180) PDF 2966KB(16)
摘要:
无杆飞机牵引车(TLTV)通过车架上抱轮机构将飞机前机轮夹紧、抱起,形成飞机牵引系统,通过牵引车提供动力将飞机牵引至指定地点。考虑无杆飞机牵引车柔性车架作用,基于牛顿第二定理和梁的弯曲变形理论推导无杆飞机牵引刚柔耦合系统振动微分方程,对比分析低速与高速牵引作业时,随机、脉冲机场路面激励输入工况下牵引车座椅平面、牵引车质心、飞机机体等关键测点的平顺性,研究飞机牵引系统准静态和动态力学模型的时域振动特性差异。进一步研究高速牵引作业时,飞机质量、车架柔性、牵引车质心及座椅位置对飞机牵引系统平顺性的影响规律,结果表明适当改变牵引系统关键参数可提高飞机牵引系统的平顺性。
典型飞机机翼结构爆炸冲击毁伤数值分析研究
张宇, 王彬文, 白春玉
2022, 41(9): 1468-1474. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200473
摘要:
基于经验证的ALE建模方法,通过LS-DYNA有限元软件建立典型飞机机翼爆炸冲击毁伤模型,分析爆炸当量、爆炸间距以及爆炸方位等对典型飞机机翼在爆炸冲击波毁伤下的影响。结果表明:在爆炸冲击波作用下,蒙皮首先出现局部凹陷变形,随后变形程度迅速扩大,但内部长桁/翼肋结抑制沿蒙皮变形,随蒙皮进一步变形,在长桁/翼肋交接处产生初始撕裂裂纹,并迅速扩展;爆炸当量、爆炸距离和爆炸方位等对机翼的损伤范围及损伤模式都有较大的影响;随着TNT当量增加/爆炸距离减小,机翼蒙皮越早产生变形,且变形程度越大;爆炸点位于机翼前侧,导致机翼前缘结构大变形,影响气动特性;爆炸点位于机翼后侧,可能导致操纵面失效。
新征程上必须坚持党的全面领导
2022, 41(9): 1475-1476.
摘要: