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2023年  42卷  第5期

机械动力学
地铁车辆蜂窝式防爬器的结构设计及优化
陈佳明, 朱涛, 肖守讷, 阳光武, 杨冰
2023, 42(5): 657-664. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200632
摘要(265) HTML (197) PDF 1655KB(87)
摘要:
为研究某型地铁车辆蜂窝式防爬器的吸能特性,根据轨道车辆耐撞性标准,对其吸能区域的结构进行合理设计,进而研究了不同薄壁壳厚度和蜂窝厚度下蜂窝式防爬器的吸能特性。利用四次多项式响应面代理模型拟合出其压缩力效率,并运用多岛遗传算法对其压缩力效率最大值进行寻优。结果表明:多级蜂窝式防爬器的比吸能和压缩力效率都明显优于相同质量下的单级蜂窝式防爬器和圆管式防爬器;薄壁壳壁厚对多级蜂窝式防爬器的撞击力影响较铝蜂窝壁厚更为显著;通过使用四次多项式响应面法和多岛遗传算法在设计空间中寻找到其最优的壁厚组合,压缩力效率比优化前提高了6.03%,相较圆管式防爬器提高了60.96%;该防爬器在压缩力效率和比吸能方面具有明显优势,应用于地铁车辆的吸能防爬环节将发挥其重要的作用。
托辊非接触式故障识别方法研究
郝洪涛, 苏耀瑞, 丁文捷, 冯宝忠
2023, 42(5): 665-672. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220008
摘要(202) HTML (120) PDF 1968KB(28)
摘要:
因托辊故障引发的远程带式输送机事故越来越多,而传统的人工巡检已不能满足需求,且现有接触式加速度信号检测方式存在传感器需求量大及数据收集难的问题,所以有必要通过智能巡检机器人搭载拾音器进行非接触式巡检。托辊运行环境嘈杂,为剔除信号中的噪声,提出基于完全噪声辅助集合经验模态分解(CEEMDAN)、主成分分析(PCA)和鲁棒性独立分量分析(RobustICA)的单通道盲源分离(SCBSS)去噪方法;托辊信号具有非平稳、非线性的特点,仅用梅尔倒谱系数(MFCC)不能完美刻画信号特征参数,提出基于CEEMDAN、PCA、MFCC、MFCC的1阶差分系数和Delta值的自适应特征参数提取方法;最后采用支持向量机(SVM)作为分类器进行故障识别,识别率达到97.2%。
电动商用车车架疲劳寿命模拟与优化
王源绍, 严斯, 张继元, 迟英姿, 乔克婷
2023, 42(5): 673-678. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220031
摘要:
为精确预测电动商用车车架疲劳寿命,通过建立车架有限元模型并进行强度仿真,确定疲劳失效危险位置。采集危险位置载荷谱,分析疲劳损伤值,采用Miner疲劳损伤理论和雨流计数法将应力谱时域信号转化成雨流矩阵,最终建立车架台架实验与道路试验疲劳寿命间的当量折算关系。设计实验方法并制作实验台架,对比道路试验与台架实验结果,验证了所建立当量折算关系的准确性。表明所建立的实验方法可提高车架疲劳寿命预测精度与可靠性,缩短道路疲劳试验周期。
折叠翼无人机集群发射装置设计与仿真
庞欢, 王道成, 石东阳, 刘敬一
2023, 42(5): 679-686. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220108
摘要(261) HTML (141) PDF 3753KB(55)
摘要:
为了充分发挥无人机集群作战的优势,能够在复杂环境和多样任务下快速、可靠地完成无人机集群发射任务,设计了一种折叠翼无人机集群发射装置。首先通过分析无人机发射过程主要性能指标,进行群发原理研究及装置总体布置。以发射技术指标作为输入,确定装置的动力匹配方案,基于几何学和运动学关系完成各机构的详细设计,利用偏心块组件和间歇机构的协调配合,将电机的动力分时分段传输给发射机构和输送机构,储能弹簧循环弹射无人机。最后利用LMS Virtual.Lab软件进行多体动力学建模仿真,仿真结果表明:电机功率、无人机发射速度和发射频率满足设计要求,设计方案具有可行性。
畸变进气条件下矿用对旋主通风机旋转失速机理研究
陈庆光, 邢振想, 姜忠瑞, 徐聪聪
2023, 42(5): 687-693. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220042
摘要:
为了揭示畸变进气条件下压入式矿用对旋风机的旋转失速机理,基于分离涡模拟方法与节流阀模型,对旋风机内部的非定常流动开展了数值模拟与分析。结果表明:对旋风机两级叶轮内的失速起始扰动均为“突发型”,均首先发生于叶顶区域,但前级叶轮较后级叶轮更早地进入旋转失速状态。后级叶轮叶根区域也同样出现了扰动,但该处扰动是独立产生和发展的。另外,两级叶轮内失速团的传播均是通过相邻叶片通道流入的反流与本叶片通道流出的反流所引起的失速团扰动强度沿叶轮周向的变化来实现的,前级叶轮内失速起始扰动与失速团的传播速度分别为叶轮转速的60.9%和35%,后级叶轮内二者的传播速度分别为叶轮转速的55%和46%。
旋转牵引式降落伞弹射系统动力学仿真与分析
阳碧慰, 王敏
2023, 42(5): 694-701. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220021
摘要(221) HTML (160) PDF 3354KB(27)
摘要:
为了缩短降落伞开伞时间,对无人机降落伞弹射系统进行了研究。通过高速旋转方式,采用牵引球将降落伞伞口牵引开,增大伞口初始面积,加速气流进入伞内。使用Solidworks进行三维建模后,导入Adams进行运动学仿真,对仿真结果进行分析。结果发现,牵引球在弹射出仓后做斜抛运动,在4个方位散开,其运动方式和运动轨迹符合设想。结果表明:增大电机转速可以增大牵引球在水平方向的速度和位移,增大弹簧刚性系数可以增大牵引球在竖直方向上的速度和位移;理想状态下,最佳电机转速为2000 °/s,弹簧刚度系数为80 N/m;与以往系统相比,该无人机回收伞降系统开伞时间仅为1.4033 s,开伞用时至少缩短了0.5 s。
改进混沌麻雀搜索算法及其在冗余机械臂逆运动学求解中的应用
于权伟, 李光, 谢楚政, 吴陈诚, 薛晨慷
2023, 42(5): 702-708. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200624
摘要:
针对冗余机械臂不满足Pieper准则,无法获得逆运动学封闭解的问题,提出一种自适应混沌麻雀搜索算法(ACSSA)。首先,利用佳点集均匀分布特性生成初始化种群;其次,引入自适应动态权重,用于平衡全局和局部搜索能力,提高种群多样性,改善陷入局部最优的问题;最后,引入高斯变异,加强局部搜索能力,同时产生Tent混沌序列,防止陷入局部最优。将ACSSA应用到冗余机械臂逆向运动学求解中,分别对空间点到点运动和空间连续轨迹跟踪两种工况进行仿真,并与CSSA和SSA进行对比。结果表明:在第一种工况下,ACSSA在收敛精度上提高了2个数量级,在算法稳定性上比CSSA、SSA分别高出2、3个数量级;第二种工况下,在计算值与理论值的绝对误差精度和稳定性这两个评定指标上,ACSSA 较CSSA提高了1个数量级,较SSA提高了6个数量级。充分说明了ACSSA具有精度高、收敛速度快的特性。
遗传算法优化的非线性悬架系统仿真研究
刘涛, 张勇
2023, 42(5): 709-714. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220013
摘要:
以四分之一汽车模型为研究对象,通过线性减振弹簧构建非线性Duffing振子,提出一种切实可行的非线性悬架系统构建方法。利用增维精细积分法求解非线性悬架系统动力学模型;以车身总加权加速度均方根值最小为优化目标,汽车偏频取值为约束条件,建立非线性悬架系统的优化模型,引入遗传算法,确定非线性悬架最优的弹簧刚度和阻尼系数;进行SIMULINK仿真,对比非线性悬架系统相与传统线性悬架系统的减振效果,进一步证明了所构建的非线性悬架系统的可行性和优越性,为非线性悬架方面的研究提供了一种新方法。
精密制造与加工
一种1D-CNN与多传感器信息融合的液压系统故障诊断方法
陈书辉, 章猛, 刘辉, 张超勇
2023, 42(5): 715-723. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220028
摘要(334) HTML (229) PDF 8037KB(174)
摘要:
针对液压信号复杂且难以诊断的难点,提出一种多尺度一维卷积神经网络与多传感器信息融合的深度神经网络模型(MS1D-CNN-MSIF)对液压泵与蓄能器进行故障诊断。在提出方法中,采用不同大小的卷积核对故障信号进行多尺度特征提取;然后使用多传感器信息融合策略将多个传感器的特征信号进行融合,最后使用Softmax进行分类识别。诊断蓄能器压力状态与液压泵泄漏状态的实验结果表明,与支持向量机、堆栈自编码、深度置信网络比较,提出模型具有更好的故障诊断性能,蓄能器识别精度可达99.50%,液压泵识别精度可达99.73%。
机器人气囊抛光位置误差建模及补偿
毛记祥, 倪磊, 向北平, 舒龙飞
2023, 42(5): 724-729. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220023
摘要(238) HTML (219) PDF 2260KB(25)
摘要:
针对机器人气囊抛光中抛光压力波动的问题,分析影响抛光压力稳定的因素,提出误差补偿法来降低抛光压力波动对加工面形的影响。首先,分析气囊抛光的运动过程,根据Preston方程建立材料去除函数模型,使用MATLAB对去除函数进行仿真分析。然后针对由机器人末端位置波动引入的系统误差,提出网格式误差补偿法,根据误差数据模型对加工点位进行即时修正,从而降低由机器人引入的抛光压力波动误差。实验数据表明:补偿后机器人末端位置XY方向误差波动值分别下降了86.2%,67.6%,机器人末端位置精度明显提高,最终加工面形精度的RMS为0.118λ。证明了该方法能够有效的减小抛光压力的波动,改善加工面形质量。
AMPSO与SVR相结合的铣刀寿命预测研究
罗丹, 惠记庄, 丁凯, 张泽宇, 邵树军, 杜超
2023, 42(5): 730-735. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220036
摘要(142) HTML (74) PDF 622KB(15)
摘要:
针对支持向量回归机在预测铣刀寿命时惩罚参数 和核函数参数 难确定、不同的参数设置对预测效果影响较大的问题,提出了自适应变异粒子群算法。在支持向量回归算法的基础上,引入AMPSO优化SVR参数,建立AMPSO与SVR相结合的数控铣刀寿命预测模型。通过硬质合金钢铣刀铣削的实验验证表明,相比于网格搜索法和神经网络算法,AMPSO-SVR算法在测试样本集的平均相对预测误差低至0.72%,相较前两者预测误差更小,可准确预测数控铣刀寿命,为数控加工过程中的换刀决策提供依据。
复杂曲面慢刀伺服加工刀具半径补偿算法
周玮, 康敏, 郭航言
2023, 42(5): 736-746. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220018
摘要:
为提高复杂曲面元件的面形加工精度,进行了慢刀伺服车削刀具路径规划,研究了刀具半径补偿算法。本文通过分析法向补偿算法和Z向补偿算法的不足,提出一种基于弦长垂线的刀具补偿算法,以环曲面为例进行仿真、车削加工验证该算法的可行性。仿真结果表明弦长垂线刀具补偿算法下所求刀位点精度较高,可实现X轴匀速运动。试验结果表明弦长垂线刀具补偿算法下面形加工精度优于法向补偿算法和Z向补偿算法,表面粗糙度受刀具补偿算法影响较小。
脑电结合行为指标的汽车内饰色彩感性评价
邓雅倩, 林丽, 郭主恩, 尹鑫, 蔡婉欣
2023, 42(5): 747-754. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220024
摘要(130) HTML (113) PDF 1072KB(12)
摘要:
为准确获取用户对色彩感性的评价信息,提高汽车内饰设计的成功率与效率,引入脑电技术,在解析用户的内隐感性信息基础上,对汽车内饰色彩样本进行感性评价研究。首先收集与汽车内饰色彩相关的形容词汇,通过聚类分析获得代表性意象词汇。其次由汽车内饰图片归纳出内饰代表性色相及其空间布局,两两组合形成新内饰色彩样本。接着,内饰色彩样本与代表性词汇建立基于脑电的感性认知实验,并实施感性评价实验。然后,将收集的原始脑电数据与行为数据进行异常值剔除与正向归一化处理,获取标准化数据。最后基于标准化数据应用熵权TOPSIS法,为不同指标进行赋权,并计算样本与意象之间的相对贴近度,得出不同意象下的最佳色彩样本排序。排序结果经专家小组讨论证明客观指标筛选出的方案具有有效性,可作为汽车内饰色彩设计的设计参考。
一种改进质量屋模型分析产品服务系统技术特性的方法研究
任杉, 赵欣, 王晋, 王闯
2023, 42(5): 755-764. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230113
摘要:
针对当前通过传统质量屋进行用户需求向技术特性转化的方法对自相关矩阵的非对称性、技术特性间的自相关关系等处理能力较差的问题,提出一种基于改进质量屋模型的产品服务系统(Product service system, PSS)技术特性分析方法。采用功能特性交互图模型识别技术特性,然后将传统质量屋自相关矩阵的三角结构修改为矩形结构解决技术特征间的不对称问题,进而引入多粒度混合语言变量构建质量屋评价矩阵,实现技术特性相关关系的综合评估。案例分析结果表明:该方法在不丢失决策信息的前提下,有效解决了技术特性的冲突问题,也使质量屋的计算更加简便。
电弧增材单道多层应力场数值模拟与变形分析
潘宇, 吕彦明, 赵鹏, 白少昀, 黄强, 刘昊程
2023, 42(5): 765-771. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220022
摘要(184) HTML (204) PDF 7857KB(28)
摘要:
利用Simufact Welding有限元分析软件,采用生死单元法对镍基高温合金GH4169钨极惰性气体(TIG)保护焊电弧增材单道多层应力场进行数值模拟。采用盲孔法测试选取的基板上垂直于焊缝中垂线上各点残余应力,得到实测值与模拟值误差在10 MPa内,误差百分比约为2.8%。对增材工件进行变形分析,结果表明:重复热循环作用使得成形件内应力不断骤升骤降,且应力峰值逐层递减。成形卸载后,残余应力主要集中于成形件起弧与熄弧处底端。成形件冷却至室温后总变形量呈对称分布且在横向方向上翘曲程度最大,总变形量达到1.82 mm。
考虑磨削热变形的表面微观形貌建模与仿真
胡宁, 陈海锋
2023, 42(5): 772-778. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220019
摘要(179) HTML (130) PDF 2249KB(20)
摘要:
针对磨削热引起的工件热胀冷缩效应对磨削后的工件表面微观形貌的影响,提出一种考虑磨削热变形影响的磨削表面微观形貌建模方法。假设磨粒为正四面体建立砂轮形貌;根据磨削运动学原理,建立考虑磨削热变形效应的单颗磨粒三维切削轨迹,并结合砂轮形貌与单颗磨粒轨迹,建立磨削表面微观形貌预测模型,通过磨削实验对仿真结果进行验证,结果为该模型最小误差仅0.135%,最大误差为13.31%,验证了在磨削热变形效应影响下的仿真结果的准确性。
仪器、仪表科学与技术
时序溯源的嵌入式数控系统软件可靠性研究
游达章, 许文俊, 张业鹏
2023, 42(5): 779-784. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220029
摘要(138) HTML (116) PDF 894KB(15)
摘要:
嵌入式数控软件的可靠性是一个重要问题,由于其包含电机驱动、插补中断等诸多模块,程序运行逻辑复杂,软件各模块的执行顺序具有随机性,软件系统可靠性评估困难。采用马氏链模型开展嵌入式数控软件的可靠性评估,提出时序溯源的方法,重溯程序运行时序图,构建运行剖面,量化转移概率;采用时间补偿的程序运行逻辑恢复方法,消除关键点数据的监测、输出对系统运行实时性影响,还原CPU在时间轴上的运行逻辑顺序。最后通过实例验证该方法的可行性。
混合特征集与MK-SVM的带钢表面缺陷辨识
陈法法, 邓斌, 刘莉莉, 陈保家, 肖文荣
2023, 42(5): 785-792. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230143
摘要:
针对带钢表面缺陷难以有效辨识的问题,设计基于混合域特征集与多核支持向量机的带钢表面缺陷分类辨识方法。首先基于灰度特征、纹理特征计算带钢表面缺陷的图像特征指标量,构造混合域特征集,再将混合域特征集输入给多核支持向量机实现带钢表面缺陷的分类辨识。实验结果表明,该方法能够有效提取带钢表面缺陷的低维敏感特征,辨识精度高,泛化能力强,可以应用于工程企业带钢表面缺陷的分类辨识。
运载工程
具有多工作模式的电机式主动横向稳定器控制策略研究
张旗, 严天一, 赵燕乐
2023, 42(5): 793-801. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220015
摘要:
为兼顾不同工况下侧倾稳定性及平顺性,并考虑驾驶员驾驶习惯的差异性,本文提出并研究具有多工作模式的电机式主动横向稳定器(Electric active anti-roll stabilizer,EAAS)模糊控制策略。首先利用MATLAB/Simulink和Vehicle Network Toolbox建立具有EAAS的九自由度整车动力学仿真模型,然后采用Mamdani模糊控制方法,构建具有多工作模式的EAAS模糊控制策略,并利用角阶跃工况和鱼钩工况分别开展离线仿真,最后设计出EAAS电子控制单元及其半实物仿真台架,并通过半实物仿真进一步验证了EAAS模糊控制策略的有效性,主要研究结果表明,基于多工作模式的EAAS模糊控制策略能够有效提高车辆侧倾稳定性。
材料科学
采用统一性能衰退轨迹模型的润滑和密封材料加速寿命预测
吕向飞, 陈进
2023, 42(5): 802-807. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200628
摘要(178) HTML (102) PDF 2264KB(15)
摘要:
润滑和密封材料寿命评估和预测方法是工程研究中亟待突破的瓶颈问题。为了在保证加速寿命评估精度的同时,提高加速寿命评估的效率,在传统的加速寿命评估方法的基础上,提出基于时间尺度优化的加速寿命评估方法。首先,建立含时间尺度的性能衰退轨迹统一模型,以均方误差最小化为优化目标,获取最优时间尺度因子;其次,通过非线性最小二乘法识别出轨迹模型的参数,进而建立起衰退速率的加速模型,对常温下的衰退速率进行外推估计;最后,建立老化时间-温度-性能衰退量的三维模型,通过与实测数据的对比,验证了模型的准确性。
随机风沙冲蚀叶片涂层的数值模拟研究
刘士毅, 岑海堂, 刘光友
2023, 42(5): 808-813. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200622
摘要:
为了研究风机叶片涂层在随机风沙下的失效形式,本文对随机风沙冲蚀叶片进行数值模拟。以内蒙古为例,利用威布尔分布模型建立随机风速模型,并通过EDEM与Fluent耦合进行风沙冲蚀仿真,分析流固耦合面FSI动态压力的时间历程数据以及沙粒冲击叶片涂层的冲击载荷,最后利用有限元方法将所得的随机载荷施加到叶片模型进行分析。结果显示:知流固耦合面FSI的动压介于20~140 Pa之间,沙粒的冲击载荷介于0.4~7.9 N之间,均具有显著的随机性,叶片涂层的最大应力响应为2.79 MPa,位于叶片尖端前缘及其侧面附近。
航空、宇航工程
模糊贝叶斯网络在启动系统可靠性中的应用
钱存华, 张洋洋
2023, 42(5): 814-820. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220027
摘要(122) HTML (90) PDF 919KB(23)
摘要:
飞机涡轮风扇发动机的组成结构极其精密复杂,且启动系统的健康状态对发动机的影响尤为重大,因此对发动机启动系统的可靠性评估不管是对航空工程的安全性和稳定性,都有着举足轻重的作用。为提高系统可靠性分析的准确性,将原始故障数据进行梯形模糊处理,并结合专家经验进行两种重要度分析和后验概率计算,完成对涡扇发动机启动系统可靠性评估的建模。通过实例验证,对某型航空涡扇发动机的启动系统进行可靠性评估,计算系统中各组件的不同状态对启动系统产生的影响及其重要程度,找出系统易出故障的薄弱环节,为提高整个发动机系统的安全性和可靠性寻找思路与方法。