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2023年  42卷  第2期

机械动力学
结合域对抗自适应的刀具磨损预测方法
董靖川, 谭志兰, 王太勇, 武晓鑫
2023, 42(2): 165-172. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200614
摘要(201) HTML (249) PDF 1982KB(75)
摘要:
数控加工中存在刀具几何误差及安装误差、刀具及工件材料性能的随机波动等因素,导致刀具之间的磨损过程与监测信号上存在较大差异的问题,使得刀具磨损值难以精确预测。为此,本文提出了一种结合域对抗自适应的多尺度分布式卷积长短时记忆网络模型(Multiscale time-distributed convolutional long short-term memory,MTDCLSTM)。将加工过程中采集到的多传感器信号作为模型输入,通过域分类器与预测器之间的对抗学习,提取出可有效表征刀具磨损且与域无关的多尺度时空特征,经预测器的非线性映射,实现对刀具磨损值的精确预测。实验结果表明,结合域对抗自适应的MTDCLSTM模型预测性能明显优于分布式卷积神经网络、长短时记忆网络、卷积神经网络与支持向量机模型。与基于迁移成分分析的支持向量回归模型相比,本文模型的均方根误差与平均绝对误差分别降低了59.8%和62.5%,决定系数提高了66.1%,可有效缩小刀具个体之间的差异,提高磨损值预测精度。
计及陀螺效应的高速齿轮轴系涡动现象及临界转速分析
程浩, 张爱强, 倪德, 钟团结
2023, 42(2): 173-180. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200597
摘要(142) HTML (147) PDF 4852KB(36)
摘要:
高速齿轮轴系由于不平衡量等因素受陀螺效应会产生较大弯矩存在潜在共振危险,计及转轴及齿轮轮体陀螺效应,分别采用梁单元法和有限元法建立某型共轴高速直升机传动系统高速输入轴系模型,系统研究高速齿轮轴系不同振型的涡动现象,结合临界转速坎贝尔图,对比自由与约束模态和约束模态下不同轴承刚度对临界转速数值影响。结果表明:高速齿轮轴系扭转和伸缩振型在自由及约束模态均不会产生涡动,弯曲、节径等横向振型产生明显涡动现象,且在约束模态下涡动现象减弱;临界转速数值随约束模态轴承刚度增加呈增大趋势。在高速齿轮轴系临界转速准确计算中,轴承刚度及陀螺效应影响不可忽视。
形状记忆合金驱动的仿人腕关节机构理论与运动控制
尹海斌, 薛欢, 章志大, 李玉峰
2023, 42(2): 181-189. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200566
摘要(185) HTML (106) PDF 9695KB(48)
摘要:
为提高仿人腕关节的运动性能,设计了一款形状记忆合金驱动的仿人腕关节样机,采用拮抗驱动方式实现对仿人腕关节的位置控制,并在相关理论和仿真分析的基础上,通过实验证明该系统模型具有一定的精度。通过样机运动控制实验,研究了拮抗驱动方式对系统运动性能的影响。结果表明,在拮抗驱动方式的不同频率信号跟踪实验中,对于单向正弦信号,跟踪误差最小为[−0.5°, 1°],最大为[−1.5°, 1.5°];对于双向正弦信号,腕关节能实现双向连续偏转,且当信号频率为1/15 Hz时,位置误差均小于[−1.5°, 1.5°]。相比于采用单根形状记忆合金丝驱动,拮抗驱动方式有利于提升位置控制精度和双向偏转能力。
水润滑轴承加载装置动态磁热耦合机理研究
王楠, 袁哲, 赵一帆, 梁应选, 岳晓奎
2023, 42(2): 190-197. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200608
摘要:
针对水润滑轴承动态试验研究中电磁加载装置发热以及电磁力不稳定等现象,为了给轴承研究提供准确载荷,对电磁加载装置动态下的磁热耦合机理进行研究。首先建立了电磁加载装置能量损耗数学模型,对能量损耗进行理论分析;其次,构建了电磁加载装置物理模型,进行磁热耦合仿真分析,得到了磁感应强度、铜损耗以及铁损耗的变化规律;最后,进行电磁加载装置能量损耗试验。研究结果表明:动态下电磁力不稳定的主要原因是加载装置存在能量损耗,且以铜损耗与铁损耗为主;能量损耗与轴转速、加载装置激励电流以及初始温度有关,在激励电流1 ~ 3 A、转速0 ~ 1800 r/min以及温度22 ~ 50 ℃工况下,电磁力试验值与仿真值最大误差为4.7%。
机械臂气动关节柔性抓取操控
贺道坤, 李明
2023, 42(2): 198-202. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230058
摘要(186) HTML (133) PDF 7222KB(43)
摘要:
针对机械臂不便于从物件上方直接进行抓取的情况,提出一种机械臂气动关节柔性抓取操控技术。分析机械臂常规抓取方式,剖析机械臂与物件接触间的几何约束关系,开展物件一边被抬起的受力情况。在此基础上,分析气动关节曲率和内压之间的线性关系,构建控制关节内压的机械臂柔性抓取操控技术。通过实物测试验证,采集物件曲率变化所对应手指内压变化情况,获取不同曲率下抓握平衡所需摩擦系数变化情况,通过手指和地面“相互对抗”,使纸条曲率变大且重心右移,从而成功实现了机械臂柔性抓取柔软物件,达到设计目标要求。
运用综合设计法的多功能转子-轴承试验平台设计及实验研究
黄逢超, 付豪, 贾海峰, 张悦, 罗跃纲
2023, 42(2): 203-211. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200561
摘要:
以大型旋转机械转子系统为研究对象,利用综合设计法设计模拟试验装置。功能优化设计通过编写试验台任务书,确认系统的功能,通过二级模糊评价方法确认总体设计方案。动态优化设计完成基于ANSYS Workbench仿真分析软件对四跨转子系统进行模态分析与谐响应分析,获得前六阶固有频率及振型。研究不同支撑刚度对转子系统临界转速的影响,通过坎贝尔图观察随着转速的升高,转子系统的固有频率的变化情况,还通过谐响应分析得出在不同载荷下转子系统的振幅规律。智能优化设计完成了平行不对中与偏角不对中实验装置的设计,可以精确控制不对中量。试验研究偏角不对中做了不对中量为1°与2°两组试验研究;平行不对中做了不对中量为1 mm与2 mm两组试验研究。系统不仅会有工频还会出现二倍频,随着偏角不对中量的增加二倍频成分也更加明显,幅值会增大;轴心轨迹出现″8″字形与内凹形。出现平行不对中时系统二倍频占主要成分且出现明显的三倍频。
精密制造与加工
FDM制备晶格点阵结构体的一种卡扣式打印方法的研究
李振华, 王健, 石学智
2023, 42(2): 212-217. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200599
摘要:
熔融沉积技术(Fused deposition modeling,FDM)打印晶格点阵结构时,存在着打印件机械性能差、支撑材料难去除的问题。针对这些问题,本文将晶格结构体分解成数个二维模型,通过FDM进行分体打印然后利用卡扣配合重新组装。利用这种分体打印工艺深入探索了BCC、BCC-Z、F2CC和F2CC-Z这4种典型结构类型的晶格体结构的表面形貌和机械性能,并与传统一体式打印进行对比。发现该卡扣式分体方法实现了打印物体表面质量的改善、打印时间和打印材料的节省以及抗压性能的提升。该研究为实现3D打印制备晶格结构体提供了一种途径,并为选择合适的晶格类型提供了参考。
五轴电火花机床加工空间斜孔的电极定位参数研究
李康康, 夏庆国, 万坤
2023, 42(2): 218-222. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200574
摘要:
空间斜孔的加工实质上是电火花机床电极沿孔的轴线的运动。对于由3个坐标轴旋转变换得到的空间斜孔,可通过五轴电火花机床沿3个坐标轴方向上的平移运动和绕两个坐标轴方向的旋转运动,使机床电极轴线与空间斜孔轴线重合,为此需要求解加工空间斜孔的电极定位参数。分析了通过坐标系旋转平移变换得到空间斜孔轴线的过程。根据空间斜孔的空间角度和几何参数求解空间斜孔轴线矢量的坐标变换矩阵,以建立空间斜孔轴线的矢量模型。得到了五轴数控电火花机床加工空间斜孔的电极摆角和电极定位坐标,使电极轴线与空间斜孔轴线重合。并制作了根据空间斜孔几何参数自动求解数控电火花机床的电极摆角和电极坐标的计算软件。
航天器X型整体壁板加工变形控制技术研究
刘相柱, 陈沛, 刘晓, 张游
2023, 42(2): 223-230. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200602
摘要(114) HTML (127) PDF 4223KB(30)
摘要:
针对航天器X型整体壁板在铣削过程中产生加工变形导致结构尺寸超差的问题,提出一种利用有限元仿真预估零件加工变形程度的方法来优化加工工艺方案。对壁板加工过程中的受力状态进行研究,给出了一种利用铣削轨迹获取各个方向铣削力的方法,并利用铣削力有限元仿真来预估整体壁板的加工变形程度。同时,根据优化后的工艺方案设计了分腔式真空吸附工艺装备。通过实例加工验证了该方法控制铣削变形的有效性。
微小尺寸等壁厚不锈钢螺旋管充液压制成形方法研究
邓娟, 王澳, 李金平, 石昌帅
2023, 42(2): 231-240. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200572
摘要:
为了解决常规螺杆钻具寿命短与微小尺寸螺杆钻具等壁厚定子难加工的问题,本文采用充液压制成形工艺加工微小尺寸等壁厚螺旋管,基于304不锈钢拉伸实验,建立了充液压制成形等壁厚螺旋管有限元模型,用数值模拟方法研究管件外径、壁厚、液压力大小、液压力加载路径、压制速度、摩擦系数对螺旋管质量的影响。结果表明,管件外径为51.8 mm,壁厚为5.3 mm时,螺旋管质量较好,最大液压力为650 MPa,液压力加载路径为路径5,模具挤压速度为0.429 m/s,摩擦因数不超过0.125时,螺旋管加工质量较好,导程误差近似为0,壁厚误差小于8%,平均厚度为5 mm,螺旋管中部壁厚误差小于3%。研究结果可为生产实际中微小尺寸等壁厚不锈钢螺旋管的成形工艺提供参考。
铝合金锻件残余应力和变形关系分析探讨
罗喜东, 陈龑斌
2023, 42(2): 241-245. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230106
摘要(177) HTML (63) PDF 597KB(36)
摘要:
铝合金锻件在锻造、切削、热处理等加工过程会产生残余应力,当金属内部残余应力平衡时,金属组织性能较高,当金属内部残余应力失衡时,金属内应力发生释放产生变形现象,金属组织性能将有所下降。本文以变形铝合金锻件为研究对象,对残余应力和变形之间的关系分析,并提出预防措施和消除变形的方法。
仪器、仪表科学与技术
一种改进灰狼算法优化LSSVR的混凝土泵车砼活塞剩余寿命预测方法研究
胡锴沣, 孟祥印, 李召鑫, 赖焕杰
2023, 42(2): 246-251. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200595
摘要(131) HTML (76) PDF 987KB(18)
摘要:
为了解决混凝土泵车砼活塞因无法及时更换导致设备停机的问题,提出一种改进灰狼算法优化最小二乘支持向量回归(LSSVR)的剩余寿命预测方法,该方法使用差分算法(DE)优化原始灰狼算法(GWO),解决了其容易陷入局部最优解的问题,提高了收敛速度,使用优化后的算法优化最小二乘支持向量回归的两个参数,建立剩余寿命预测模型。通过真实的砼活塞寿命监测数据,使用3种评估指标对比LSSVR、GWO-LSSVR、DE-GWO-LSSVR这3个模型的预测效果,并与相关研究的结果进行对比。实验表明,DE-GWO-LSSVR模型拥有最高的预测精度,可以为砼活塞的预测性更换以及机械零件的故障诊断提供指导意义。
无线视频传感器网络全视角弱栅栏构建算法
郭新明, 林德钰, 陈伟
2023, 42(2): 252-259. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230038
摘要:
针对利用无线视频传感器网络(WVSN)全视角弱栅栏进行入侵行为检测的问题,建立了一种WVSN全视角弱栅栏覆盖几何模型,采用网格化方法将其离散化,把WVSN最优全视角弱栅栏覆盖问题表示成整数规划形式,并证明其是NP-hard的,进而提出了一个网格厚度优先的WVSN弱栅栏覆盖的启发式算法GTPFWBC。为验证该算法的有效性,进行了大量仿真实验。实验结果显示GTPFWBC算法能较好地解决WVSN的全视角弱栅栏覆盖问题,其全视角栅栏构造成功率明显优于W-GraProj、SP和DP1算法,且生成WVSN栅栏的平均节点数分别比W-GraProj和SP大约节省30.6%和59.4%,另外GTPFWBC的时间复杂度远小于W-GraProj、SP和DP1,因此在能量受限、实时性要求较高的WVSN中GTPFWBC算法的效果更佳。
运载工程
独立驱动电动汽车质心侧偏角融合估计方法
武小兰, 卢相璇, 白志峰
2023, 42(2): 260-266. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200580
摘要:
针对传统质心侧偏角估计精度低、实时性差等问题,把四轮独立驱动电动汽车作为研究对象,提出一种基于强跟踪卡尔曼滤波及无迹卡尔曼滤波融合估计的质心侧偏角估计方法。由于汽车在侧向加速度较小时车辆动力学特性基本呈线性变化,此时通过强跟踪卡尔曼滤波快速估计,当汽车侧向加速度较大时车辆动力学特性趋于非线性变化,通过无迹卡尔曼滤波准确估计。最后将两种估计方法的数据融合,完成不同车速不同工况下对车辆质心侧偏角的估计。搭建Simulink-Carsim联合仿真平台对提出的方法进行验证,结果表明该方法在保证估计精度的同时具有较好的实时跟踪效果及鲁棒性。
材料科学
硬质聚氨酯泡沫材料制备与成型工艺的研究进展
刘磊, 郭琰, 段飞, 赵丹阳
2023, 42(2): 267-281. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230074
摘要(211) HTML (1511) PDF 5530KB(88)
摘要:
硬质聚氨酯泡沫材料凭借其优秀的理化性能和机械性能,广泛应用于国民生产和国防军工等多个领域,具有不可替代的重要作用。同时,随着材料成型技术的进步,又发展出一些性能增强的新型硬质聚氨酯复合材料。本文综述了硬质聚氨酯泡沫材料的原料体系、成型工艺及阻燃聚氨酯泡沫、材料增强方法的最近研究进展,详细分析了异氰酸酯、多元醇和多种纤维和粒子增强材料对硬质聚氨酯泡沫性能的增强机理及影响规律。最后,对硬质聚氨酯泡沫材料的未来研究和发展方向进行了展望。
粘接剂对酸性环境中自冲铆接头静力学性能的影响
周路, 邢保英, 何晓聪, 曾凯, 靳文豪
2023, 42(2): 282-286. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200559
摘要:
以AA5052-AA5052自冲铆接头(MJ)和AA5052-AA5052粘-铆复合接头(ZM)为研究对象,0.02 mol/L的NaHSO3溶液作为腐蚀液,通过干湿周浸实验、静力学测试和能谱分析,对失效载荷、失效形式以及形貌变化进行分析,对比两组接头的静力学性能。结果表明:粘接剂的使用,对接头静强度有一定的促进作用;由于腐蚀产物的影响,接头静强度均呈现先减小后增大的趋势;粘接剂减小接头的能量吸收值,腐蚀时间对接头缓冲吸震的能力未产生较大影响;MJ失效形式均为T型失效,ZM分为T型和C型失效,接头失效形式也受粘接剂的影响;板材表面成分和铆钉腐蚀后也发生明显变化。
超声疲劳试样动态应变测量及应力检定方法
彭文杰, 吴圣川, 薛欢, 彭周, 刘冬
2023, 42(2): 287-293. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200606
摘要:
超声疲劳试验技术是实现超高周疲劳测试的有效手段。然而,目前超声疲劳测试缺少应力检定方法,难以保证测试结果的可靠性与准确性。本文首先给出了超声疲劳测试中不同形状试样的设计方法和应力分布理论公式;然后,利用高速动态应变仪和高速相机对不同形状超声疲劳试样的动态应变进行测量,并将测试值和理论值进行了对比分析,证明了超声疲劳试样应变测量的可行性与准确性。在此基础上,提出了基于应变测量结果的超声疲劳试验检定方法,利用测得的应变值对应力值进行校核或修约,有效保证了超声疲劳测试的可靠性和准确性。
球形铸造碳化钨对PDC钻头喷焊层冲蚀性能的影响
幸雪松, 张会增, 胡正惠, 刘君
2023, 42(2): 294-300. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200570
摘要:
本研究采用氧乙炔喷焊方法制备了不同含量的球形碳化钨和多角状碳化钨颗粒增强的镍基喷焊涂层,研究了钢体PDC钻头碳化钨喷焊层的抗冲蚀性能。结果表明:随着球形碳化钨含量的降低,喷焊层的显微硬度降低,断裂韧性增加,孔隙率先增大后趋于稳定;喷焊涂层的抗冲蚀性随球形碳化钨含量的降低呈先降低后升高的趋势,耐腐蚀性是影响喷焊涂层抗冲蚀性最主要的因素。当球形碳化钨含量为30%时,样品抗泥浆腐蚀性能最差,腐蚀—冲蚀互作用最强,导致样品受冲蚀磨损最严重。建议球形碳化钨含量不低于40%,可以保持喷焊层较高的硬度和抗冲蚀性能。
航空、宇航工程
一种考虑多任务的无人机集群“一站式”维修策略
朱文金, 王罗昊佶, 白光晗, 许贝, 税浩轩
2023, 42(2): 301-308. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200560
摘要(151) HTML (132) PDF 1364KB(19)
摘要:
多架无人机通过协同配合、能力互补和行动协调,实现整体作战效能提升,因此研究战场环境下无人机集群维修具有重要意义。对于执行多次任务的无人机集群,在任务间隙进行维修维护是提高集群作战的稳定性的重要手段。研究战场环境下无人机集群维修,有效地修复无人机的故障模块,短时间内迅速恢复集群战斗力水平,对执行多次连续任务的集群具有重要意义。本文针对无人机集群的特殊性,基于不同维修规模、到达方式和信息可用情况的不同假设,建立基本的维修模型;基于作战环境的特殊要求和约束,提出针对战场环境下大批快速抢修 “一站式”维修策略。以在规定的时间内完成最多的无人机维修数量为目标进行优化,为连续任务的执行提供保障。
四参数变弯度翼型的气动特性分析与优化设计
保女子, 彭叶辉, 冯和英, 杨成浩
2023, 42(2): 309-320. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200605
摘要(225) HTML (168) PDF 2937KB(36)
摘要:
针对NACA 0012翼型,在马赫数为0.176的来流条件下,首先利用数值模拟研究了翼型前缘下弯角度、前缘偏转位置、后缘下弯角度和后缘偏转位置等因素对翼型气动性能的影响规律;其次,以升阻比为目标,上述4个因素为设计变量,利用神经网络建立升阻比与4个设计变量间的预测模型;然后,充分考虑优化精度和神经网络训练数据库的计算量,构造了一种翼型优化过程与神经网络预测耦合的迭代优化策略,基于该优化策略得到最优变弯度翼型构型。对比优化翼型和原始翼型,升阻比提高约22%,较大程度改善了翼型的气动特性;并且通过远场噪声分析,发现优化翼型表现出了较好的声学性能,在1 000 Hz附近单音噪声最大可降低12 dB。
波浪结构对圆柱-翼型湍流干涉噪声的影响研究
王大庆, 冯和英, 彭叶辉, 仝帆
2023, 42(2): 321-328. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200584
摘要(172) HTML (144) PDF 2297KB(20)
摘要:
为探究波浪翼型的降噪效果,采用大涡模拟(LES)和边界元法(BEM)相结合的混合方法对3种不同波浪翼型进行模拟,并通过试验验证了仿真模型的可行性,进一步分析了3种不同波浪翼型(表面波浪Wavy airfoil-A、前缘波浪Wavy airfoil-B和前缘+表面波浪Wavy airfoil-C)对圆柱-翼型湍流干涉噪声的影响。研究结果表明:3种模型都能在一定程度上降低翼型湍流干涉噪声,其中Wavy airfoil-C模型降噪效果最好,降噪频率范围最广,其垂直流向方向总声压级降噪量可达6.7 dB;Wavy airfoil-C模型不仅能有效地降低翼型表面压力脉动、各截面上的湍流强度、升阻力系数波动、功率谱密度,还能利用其前缘波浪结构有效地减少前缘主声源区域的面积,且能利用其表面波浪结构的导流作用降低翼型后缘的声源振动幅值。