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当期目录

机械动力学
计及接触线脉动风激励的受电弓主动控制研究
王英, 焦玉伟, 陈小强
2021, 40(8): 1149-1157. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200192
摘要:
针对外部环境脉动风激励对弓网耦合系统动态耦合性能造成的影响,提出了一种受电弓变论域模糊分数阶PID主动控制方法。修正了脉动风激励下的简化弓网模型,分析了脉动风激励在接触线产生的抖振力,得到了不同风攻角和风速下的弓网系统接触压力。将接触压力误差及误差变化率作为变论域模糊分数阶PID控制的输入,实时调整PID参数。利用论域伸缩因子调整模糊控制论域,提高了模糊控制精确性。利用Oustafod滤波器有理化了分数阶微积分算子,提高了PID控制器灵活性。仿真结果表明,设计的控制器在脉动风环境下能有效减小接触压力波动,降低弓网离线率,提高了系统的鲁棒性。
改进三次样条插值在机械臂轨迹规划中的应用
刘宝, 狄鑫, 韩丽华
2021, 40(8): 1158-1163. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200196
摘要:
针对传统三次样条插值在机械臂轨迹规划过程中关节轴易产生残余振动的问题,提出了一种三阶导数连续的改进三次样条轨迹规划方法。该方法在每一个三次样条插值的分段区间内都加入了一个修正因子,在第一个分段区间内的修正因子是五次修正函数,使关节轴起始加速度为零,其余分段区间均为六次修正函数,使关节轴运动轨迹的三阶导数连续和终止位置的加速度为零。本文对六关节轴机械臂选取了20个节点进行轨迹规划仿真,结果表明改进的样条插值方法在机械臂轨迹规划中得到了连续的三阶导数轨迹,有效减小了关节轴的残余振动。
一种表面微观形貌的主动重构方法
周炜, 肖罡, 唐进元
2021, 40(8): 1164-1170. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200200
摘要:
基于随机过程理论对机械零件表面微观形貌重构,所得形貌在全局上满足高度与自相关两统计分布,但不能对局部形貌进行预测与控制,给界面性能有效预测带来了困难。针对此难题,提出基于高度与自相关分布等效原理,以兴趣点作为目标点、兴趣点相邻点作为普通点,以目标表面斜率、曲率等为约束条件,通过交换目标点高度、对普通点进行高度重排,实现对随机形貌样本的主动重构。研究了两种具体实施算法及其效果,展示了所提方法在接触分析中的潜在应用。
机械臂的改进固定时间滑模控制方法设计
吴定会, 肖仁, 欧阳洪才, 张秀丽
2021, 40(8): 1171-1176. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200247
摘要:
当机械臂末端对给定轨迹进行跟踪控制时,跟踪误差收敛速度容易受初始跟踪误差大小的影响,针对这一问题设计了一种适用于机械臂模型的改进固定时间滑模轨迹跟踪控制策略。在快速终端滑模面的基础上,设计了一种固定时间滑模面,从而使得控制器具有固定时间收敛特性并给与证明;针对滑模控制伴随抖震的特性,对滑模控制器的趋近律进行了抑制抖振的改进,使得趋近律具有一定的自适应性。通过对二自由度机械臂的仿真实验,验证了在系统含有未知扰动的情况下,设计的改进固定时间滑模控制器能够在固定时间内使得机械臂末端轨迹跟踪误差快速收敛,且通过控制器参数的调整能够达到更快的收敛速率。通过仿真对比,验证了论文设计方法的收敛速率要快于快速终端滑模控制方法。
2-SPR/RCU并联机构的运动性能与灵巧度分析
王庆峰, 李虹, 王新宇, 路伟笑, 马春生
2021, 40(8): 1177-1185. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200321
摘要:
对一种自由度为2R1T的新型非对称并联机构2-SPR/RCU进行性能分析,判断其能否应用于医疗康复领域。首先采用闭环矢量法算出该机构的运动学反解,并利用粒子群算法验证了结果的正确性;接着利用一阶影响系数法求出其速度关系式及速度雅可比矩阵,并应用ADAMS软件进行了运动性能仿真分析,其仿真出的位移、速度、加速度变化曲线光滑平稳;最后以局部条件数LCI为评价指标对灵巧度进行了分析,得到了该机构关于局部条件数LCI的灵巧度性能图谱。结果表明,该机构的运动性能与传递性能优良,在精度要求高、位置累计误差要求小的医疗康复领域具有一定的应用前景,具体为一种人体颈椎康复机构。
动力稳定装置道床耦合系统动态特性理论模拟与试验研究
李佳奇, 王立华, 严波
2021, 40(8): 1186-1192. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200195
摘要:
针对动力稳定装置与轨道复杂的耦合特性,基于键合图理论建立动力稳定装置-轨道耦合系统。为更加贴切动力稳定装置的实际工作状态,对动力稳定装置持续作业期间的自由度问题,轮轨间Hertz非线性接触特性与轮轨接触角度问题以及轮轨间间隙传动问题做出具体分析。并结合键合图理论与Euler梁理论建立动力稳定装置与轨道耦合系统完整的键合图模型。经动力稳定车现场作业试验数据计算机仿真结果在时域与频域上对比分析,验证理论模型的正确性,可以被应用于不同激振频率的动力稳定装置动态特性分析。
单闭链全R副多模式全向地面移动机器人
蒋新星, 张春燕, 刘香玉, 卢晨晖
2021, 40(8): 1193-1203. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200201
摘要:
为解决移动机器人运动过程中因翻倒、失稳而失去运动能力的问题,提出一种具有可变形结构的多模式全向地面移动机器人。以单环全R闭链为单元,通过分时控制其转动副可实现三方向几何变形,使两闭链正交形成的4-RRRRRR并联移动机器人具有四种不同滚动模式,且各模式可相互切换,机器人运动过程中一旦翻倒、失稳,可变形为其他模式继续移动。通过对机构进行自由度、步态规划、运动可行性分析及各模式虚拟样机仿真,结果表明,机器人可实现各运动模式且能在各模式间相互切换,并具有良好的越障能力。
柴油机抗结晶短距螺旋混合结构设计与研究
侯晓澄, 张超锋, 卢凯
2021, 40(8): 1204-1209. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200208
摘要:
以尿素为还原剂的选择性催化还原技术在处理柴油机尾气中的氮氧化物有较好的应用,但结晶问题始终存在。为有效解决尿素结晶问题,设计了一款新型短距螺旋混合结构。首先通过仿真来对新旧混合器结构的尿素分解能力和抗结晶性能进行分析。其次,进一步对新型混合器结构的结晶性能进行实验验证。结果表明新型混合结构能有效提高抗结晶性能,同时还具有较高的无结晶风险尿素临界喷射量。
碟形弹簧低温特性曲线测试与研究
邹大军, 马斌, 马东平, 孟礼成
2021, 40(8): 1210-1213. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200203
摘要:
为满足低温风洞设计与选型需要,研究了温度为110 K条件下碟形弹簧的特性曲线。通过有限元分析,确定了试验方案;以电子万能试验机为基础,设计构建了具有保温功能的低温测控试验平台;测量获得了几种碟形弹簧在常温与低温条件下的特性曲线。试验结果表明,加载时碟形弹簧的低温负荷较常温负荷更大,卸载时碟形弹簧的低温负荷先高于后低于其常温负荷。为碟形弹簧在低温风洞及其它低温环境中的应用提供了依据。
应用卡尔曼滤波的激振力时域识别方法研究
马也驰, 刘晓昂, 周志革
2021, 40(8): 1214-1224. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200211
摘要:
激振力识别属于结构动力学中的第二类反问题,为识别振动系统的激励力,本文基于卡尔曼滤波器和最小方差估计的方法,分别建立了以系统位移和加速度为输入参数的激振力时域识别方法。推导了两种方法的识别公式,并对两种方法的识别结果和识别结果的稳健性进行了仿真分析。仿真结果表明,两种方法对噪声方差初值的设定均不敏感;以加速度幅值为输入的方法识别精度优于以位移幅值为输入的方法;以位移幅值为输入的方法识别结果稳健性较好。最后采用力锤敲击试验验证了识别方法的有效性和精度。
保险杠动态谐振机理分析和怠速抖动控制研究
展新, 许恩永, 何水龙
2021, 40(8): 1225-1232. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200198
摘要:
针对某型商用车保险杠怠速异常振动问题,研究了保险杠结构特性和动态谐振响应机理, 通过拆除试验和关联振动传递路径上的振动数据提取分析,确定了保险杠异常抖动原因。基于偏频隔振和减振设计指标分析,对保险杠结构进行适应性改进设计,以增强保险杠结构的避频解耦和振动能量损耗能力。开展保险杠结构模态分析和实车试验,结果表明改进后共振频率偏移显著且保险杠各测点振动响应衰减明显,验证了方案的有效性和模型准确性。
精密制造与加工
多传感器信息融合的滚动轴承振动性能研究
米月花, 霍国涛
2021, 40(8): 1233-1239. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200197
摘要:
在变工况和多传感器条件下,分析滚动轴承振动性能的主要影响因素并进行排序。对采集到的数据样本进行均值归一化处理,运用最大熵法计算归一化样本的概率密度函数;基于概率密度函数交集法,求解载荷、转速等数据样本与振动数据样本的概率密度函数的重合面积;融合灰自助法和最大熵法,分析4个工位温度数据样本对轴承振动性能的综合影响度,最终求解出滚动轴承振动性能的主要影响因素。试验研究结果表明,滚动轴承C276909NK2W1在服役过程中,径向载荷、轴向载荷、转速和温度对其振动性能的影响度分别为0.744 6、0.291 0、0.290 3、0.243 6,即该轴承的振动性能的主要影响因素为径向载荷,然后依次为轴向载荷、转速和温度。
慢走丝电火花线切割加工钨钢刀具实验研究
杨盼盼, 王燕青, 马虎亮, 贾建宇, 杨胜强
2021, 40(8): 1240-1246. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200202
摘要:
在慢走丝机床加工平台上搭建了由伺服控制系统控制的主轴系统,进行了刀具的制作研究。通过实验研究了三种不同加工路径、加工路径不同分段进给速度对刀具制作效率的影响,研究不同平移距离对刀具球头形状的影响,通过实验研究刀具削边加工路径对球头直径的影响并分析了原因。分析了加工过程中效率和精度优化的原因。通过本文的研究所搭建的加工平台和加工策略为加工微小型刀具提供了一种方法,加工效率和加工精度的改善为此类刀具制造提供了方法借鉴。
双排孔静压止推气体轴承的静动态特性研究
刘锐, 吴星宇, 刘鑫莲, 钟良
2021, 40(8): 1247-1256. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200204
摘要:
针对双排孔供气的静压止推气体轴承,设计周向环形均压槽以提高轴承的承载力和静刚度,建立气膜模型并对其进行Fluent仿真,研究其结构参数对静态特性的影响规律。仿真结果表明:当气膜厚度h=10 μm时,供气孔数n=16,孔排间距△d=25 mm,外、内径比值C=4.0,均压槽槽宽d1=6 mm,槽深h1=0.02 mm,节流孔孔径d2=0.11 mm,孔深h2=1.4 mm时能保证轴承获得较好的静特性。采用稳态与瞬态仿真结合的方法,分析承载面做谐振动时,得到不同过渡尺寸下的承载力响应曲线和对振幅的影响规律。仿真结果表明:在相同的载荷变化下,增大d1、减小h1、减小d2、增大h2均能在一定程度上抑制微振动的振幅,从而提高轴承的稳定性。
SPA散布熵和GK聚类相结合的滚动轴承故障诊断
葛红平, 刘晓波, 熊小明
2021, 40(8): 1257-1263. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200199
摘要:
为充分利用振动信号的特征信息进行故障辨识, 提出一种平滑先验分析(SPA)散布熵和GK聚类相结合的滚动轴承故障诊断方法。首先对滚动轴承振动信号进行SPA分解得到趋势项和波动项; 然后分别计算趋势项和波动项的散布熵值构建特征向量; 最后将特征向量输入至GK分类器中进行聚类识别。将该方法应用到不同工况下的滚动轴承实验数据中, 分析结果表明, 与传统的基于经验模态分解(EMD)散布熵和GK聚类的故障诊断方法相比, 所提方法能够更加准确地实现轴承的故障判别。
仪器、仪表科学与技术
一种四稳态数字执行器阵列的基因遗传优化设计
呼延鹏飞, 代海风, 黄雨霖, 李鹏超
2021, 40(8): 1264-1271. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200440
摘要:
为了满足四稳态数字电磁执行器阵列具有稳定、独立性及均一性的紧凑化设计需求, 提出了一种基于基因遗传算法的多目标优化设计方法。应用MATLAB建立了执行器阵列的静态磁场分析模型, 并将其用于优化阵列, 使用单目标遗传算法和多目标遗传算法分别对执行器阵列进行了优化并进行优化数据对比, 最后确定了执行器阵列的最终优化设计参数。优化结果表明: 与现有的执行器阵列相比, SRZ目标值提高了38.33%, IF目标值将低了5.78%, VF目标值降低了1.08%。
运载工程
磁致伸缩材料驱动的电静液作动器设计方法及性能研究
李波, 张烨恒, 舒亮, 朱彦超, 邓宏碧
2021, 40(8): 1272-1278. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200206
摘要:
M-EHA(Magnetostrictive electro hydrostatic actuator)是以GMM材料为驱动元件的一种适用于多应用场合的电静液作动器, 其性能影响因素较多, 理论分析较复杂。为能够对时间域下作动器的动态输出位移进行研究, 提出了一种新型的M-EHA的设计方法并研制了原理样机; 针对作动器试验测试过程中所涉及的相关要求, 对作动器相关结构进行了优化设计, 搭建了实验平台; 提出了一种新型的簧片阀腔体结构, 能够有效提高整个阀门性能; 设计了一种球头螺栓式预应力施加装置, 既保护了驱动单元, 又能够测试M-EHA在不同预应力下的输出性能; 在不同工作频率下对M-EHA的输出位移特性进行了试验研究, 在不同的偏置压力下对作动器的输出速度特性进行了试验研究。
车轮扁疤状态下的铁路货车动力学表征研究
丁春嵘, 彭莘宇, 汪群生
2021, 40(8): 1279-1284. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200205
摘要:
为研究货车车轮扁疤状态下的动力学表征, 为车轮扁疤的间接识别提供理论支撑, 建立了配置有转K6转向架的C80铁路货车动力学模型, 并推导了扁疤对钢轨的垂向冲击力公式及振动加速度公式, 研究了车轮扁疤故障状态下的车轮轮轨力响应、承载鞍振动响应情况, 并分析了故障状态下车轮扁疤长度与轮轨垂向力对应关系, 为扁疤的故障检测和识别提供基础支撑。结果表明: 扁疤故障状态下, 轮轨垂向力与扁疤长度呈正比例关系, 且轮轨力最大值随车辆运行速度增大而呈现先增大后缓慢减小的趋势, 承载鞍振动加速度变化趋势与轮轨垂向力基本保持一致。
多种代理模型在汽车座椅轻量化设计中的应用研究
龙江启, 胡俊
2021, 40(8): 1285-1292. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200194
摘要:
针对汽车座椅传统轻量化方法存在计算周期长, 提出一种基于多种代理模型的汽车座椅轻量化设计方法。首先, 建立某乘用车座椅子系统碰撞台车试验的仿真模型, 并经台车试验验证。然后, 结合优化拉丁超立方试验设计, 以6个座椅部件厚度和3种材料类型为设计变量, 通过多种代理模型对样本点进行近似拟合。最后, 以质量最小、1阶频率最大为目标, 以假人最大下潜量、靠背转角为约束, 采用粒子群算法进行多目标优化。结果表明: 相比Kriging代理模型优化结果, 基于多种代理模型优化, 汽车座椅多减重0.74 kg, 提高了36%, 1阶模态频率提高1.39 Hz, 计算周期缩短80%。
材料科学
壁面开孔蜂窝结构异面压缩的力学性能研究
龚曙光, 肖前程, 谢桂兰
2021, 40(8): 1293-1298. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200193
摘要:
为探讨壁面开孔蜂窝在准静态异面压缩下的平均压缩应力, 基于简化的超折叠单元理论, 以开孔"Y"型单胞为研究对象, 推导了壁面开孔蜂窝结构的平均压缩应力计算式。通过建立不同孔边比的有限元模型, 研究了平均压缩应力计算式中延展面积的影响因子, 在尺度因子为1的情况下, 延展面积影响因子与孔边比成线性关系。通过对具有不同厚边比的壁面开孔蜂窝平均压缩应力的数值计算, 验证了理论计算式的准确性, 并探讨了孔形状和尺度因子对平均压缩应力的影响。结果表明, 壁面开孔蜂窝结构的平均压缩应力主要受绞线的变化及延展面积的影响, 平均压缩应力随孔边比的增大而减小, 当尺度因子增大时, 其延展面积会减小, 与尺度因子为1时相比, 当尺度因子增大到使压缩过程较稳定时, 平均压缩应力下降40%左右。
简支梁金属橡胶本构模型
侯军伟, 原霞, 杨伟, 马艺霖, 徐少男
2021, 40(8): 1299-1304. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200460
摘要:
依据金属橡胶细观接触作用特点及受力变形特征为基础, 对金属橡胶准静态压缩情况进行分析。从金属橡胶的微单元体出发, 以单匝螺旋卷为基本受力单元, 根据单匝螺旋卷与简支梁的几何关系, 及单元体内螺旋卷的串并联关系, 提出了简支梁金属橡胶本构模型, 并用不同工艺参数的金属橡胶试件对所建模型进行试验验证, 同时与悬臂梁模型、多孔模型作误差对比分析。结果表明: 与悬臂梁模型和多孔模型相比, 简支梁模型与实验数据拟合误差更小, 所以简支梁本构模型可以更好的反映金属橡胶的静态力学性能, 同时该模型可以反映丝径、丝材、螺旋卷直径、相对密度等因素对金属橡胶非线性力学性能的的影响。
BFPC固定结合面虚拟材料参数识别
徐平, 曹泉, 于英华, 沈佳兴, 郑思贤
2021, 40(8): 1305-1312. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200207
摘要:
为了准确识别玄武岩纤维树脂混凝土(Basalt fiber folymer concrete, BFPC)固定结合面虚拟材料参数, 基于两自由度弹簧-阻尼动力学模型建立了BFPC固定结合面动态模型, 在此基础上辅以实验测试方法确定了9组不同表面粗糙度和结合面压下的BFPC结合面动态特性参数。基于横观各向同性、赫兹接触理论和分形理论建立了BFPC结合面虚拟材料的动态特性参数数学模型, 结合实验结果识别不同表面粗糙度和结合面压下的虚拟材料参数。通过对比含有BFPC结合面的组件模态振型和固有频率理论分析和有限元仿真分析结果, 证明了BFPC结合面虚拟材料参数识别方法的正确性。