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2016年  35卷  第11期

机械动力学
框架结构松动EEMD损伤识别实验研究
周文强, 肖黎, 屈文忠
2016, 35(11): 1641-1644. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1101
摘要:
针对连接结构在振动环境下易发生松动的问题,进行了框架结构模型连接松动损伤识别实验研究。根据螺钉在不同扭矩下的结构稳态响应信号,分析了信号功率谱差异和松动损伤引起的非线性特征,对响应信号进行了总体平均经验模式分解(EEMD),利用第1阶固有模式函数(IMF)构造能量损伤指标进行螺钉连接松动识别。结果表明,基于高频固有模式函数所构造的能量损伤指标可以有效表征不同扭矩下的连接松动所引起的结构非线性损伤,能够较好地反映螺钉连接结构的松动情况。
以过约束配置为基础的悬架导向机构创新设计
罗玉宝, 黄勇刚, 秦伟, 张伟, 耿庆松
2016, 35(11): 1645-1651. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1102
摘要:
以机构学中的拓扑图表示方法为基础,分析了常用独立悬架导向机构的拓扑构造特性。依据导向机构的设计需求和限制条件以及机构的过约束特性,以导向运动自由度为目标,构造出一类基本回路数为3的新型独立悬架导向机构的拓扑图,并对其进行了功能结构化设计。在此基础上,运用螺旋理论分析了一种新型导向机构的自由度与过约束特性,根据悬架导向机构的设计需求及空间限制,利用ADMAS软件对这种新型导向机构进行虚拟样机建模,并进行了运动学特性仿真分析。分析结果表明,设计出的新型导向机构满足悬架基本性能要求,间接验证了此设计方法的有效性和可行性。
工业机器人可视化运动仿真的研究
张铁, 黄晓霞
2016, 35(11): 1652-1656. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1103
摘要:
为实现工业机器人运动过程的可视化仿真,以OpenGL技术作为图形支撑,在VC++环境下进行编程,对机器人的运动仿真展开研究。详细研究了仿真系统中轨迹生成的步骤及其具体实现方法,并重点对轨迹规划算法进行了分析。为消除机器人运动过程中连续轨迹的连接点对运动平滑性的影响,探讨了通过Bezier曲线均匀插值实现笛卡尔空间中连续轨迹平滑过渡的轨迹规划算法,并通过仿真与实验对可视化运动仿真系统进行了验证。
白噪声激励下含线性振子的双稳态能量捕获器动力学特性研究
牛峰琦, 吴子英, 李孙猛
2016, 35(11): 1657-1664. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1104
摘要:
目前,将环境振动直接转换为电能已成为能量捕获器研究的热点。对附加线性振子的双稳态电磁式能量捕获系统建立了动力学方程,从数值仿真的角度研究了白噪声激励下含线性振子的双稳态能量捕获器的动力学行为,分析了噪声强度、系统质量比和频率比对发电性能的影响。计算结果表明,随着噪声强度、质量比和频率比的增大,双稳态发电振子的运动幅值在不断增大,并且会产生大幅混沌运动,同时系统的输出电压也在不断增大,为双稳态电磁式能量捕获系统的相关研究提供了理论基础。
一种步态康复训练机器人设计
倪文彬, 瞿志俊, 张建云, 陶卫军, 刘涛
2016, 35(11): 1665-1672. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1105
摘要:
针对下肢运动障碍的患者数量逐年增多,提出并设计了一种步态康复训练机器人。根据步态康复训练的要求,完成了机器人的整体结构设计和控制系统设计,制作了机器人样机,并利用INSENCO人体步态分析系统,进行了大量的人体实验,测量和记录人体步态参数。实验结果表明,所设计的步态康复训练机器人实现了自由移动和体重支承,且体重支承机构高度可调、体重支承拉力大小可调,可以达到康复训练目的。
KZ-28型可控震源振动器平板性能有限元分析
黄志强, 李刚, 丁雅萍, 陶知非, 郝磊
2016, 35(11): 1673-1678. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1106
摘要:
可控震源已成为目前绿色勘探的主要装备,振动器平板是整个装备的核心部件之一,其结构与性能直接影响输出信号品质,是决定油气勘探质量的关键。为研究KZ-28型可控震源振动器平板在动载荷作用下的性能特性,根据有限元分析相关理论,建立振动器-大地模型,利用LS-DYNA软件采用振动器结构安全、平板与大地的互作用机理、平板变形、平板脱耦、平板与大地接触力、平板能量传递率这5个评价指标分析KZ-28型可控震源振动器平板性能。分析表明,平板在动载荷作用下存在弯曲变形,平板与大地的接触力分布很不均匀,并且平板与大地会发生脱耦。
解耦混联机构的构型综合
秦友蕾, 曹毅, 陈海
2016, 35(11): 1679-1685. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1107
摘要:
为综合得到解耦混联机器人构型,基于GF集理论提出一种简单而有效的解耦混联机构型综合方法及其构型法则。首先阐述GF集的概念及运算法则;其次通过GF集元素组合和转动轴线迁移定理构造混联拓扑结构,并给出机构输入运动副选择原则和解耦分支设计准则,确保了混联机构运动解耦性;然后根据该构型综合原理,完成2T2R四自由度解耦混联机构型综合具体过程;最后,针对所综合的解耦混联机构,运用混联机构末端分析方法求解其机构的自由度,同时求得其雅克比矩阵,验证了该机构的解耦特性,进一步证明了该构型方法的有效性。
舰载机前起落架突伸性能分析与验证
刘冲冲, 崔荣耀
2016, 35(11): 1686-1690. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1108
摘要:
舰载机弹射起飞对前起落架突伸性能要求严格,针对双气腔油气式起落架进行突伸动力学建模,编制程序分析起落架的突伸动态过程。设计了一套弹射起落架突伸试验方案,成功地对前起落架突伸动态性能进行了测试与验证,并对试验过程中的现象进行了分析。分析结果与试验结果符合性好。研究了缓冲器内部结构、充填参数变化对突伸性能的影响,通过优化回油孔直径、缓冲器充气压力、轮胎压力,高低压腔体积比、油针尺寸等参数,可以提高起落架突伸性能。
快速上浮脱险加压控制策略研究及实现
方聪, 邹军, 刘冰, 曹碧华
2016, 35(11): 1691-1697. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1109
摘要:
为解决大深度快速上浮脱险压力曲线控制问题,设计了一种基于模糊自适应PID控制算法的模拟脱险试验装置气加压系统。对快速加压系统进行了理论分析,采用AMESim+Simulink联合仿真平台进行数字建模。分析了不同控制策略、气动调节阀延迟、阀芯特性和压力测量误差对加压系统控制效果的影响。运用模糊自适应PID控制策略提高了控制系统的动态响应速度、控制精度和鲁棒性,并保持系统的稳定性。计算机仿真试验和模拟脱险装置实物验证试验结果证实了该控制策略的可行性和有效性。
精密制造与加工
磁齿轮啮合型电机齿槽转矩影响因素分析
任超, 曹家勇, 梁庆华, 代欣, 张婧茹
2016, 35(11): 1698-1702. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1110
摘要:
磁齿轮啮合型电机是一种具有新颖电磁结构的永磁驱动元件,其具有转矩密度高、低速转矩大等优点。在分析所研究磁齿轮啮合型电机工作原理和齿槽转矩表达式后,得出了影响磁齿轮啮合型电机齿槽转矩的几个因素,利用有限元的方法建立了电机二维模型,对影响电机齿槽转矩及其波动的各种因素进行了仿真分析,得到了齿槽转矩及波动与电机结构尺寸和永磁体材料的变化关系。
弱刚性CFRP/Ti叠层结构钻削层间缺陷分析及抑制
骆彬, 张开富, 程晖, 刘书暖
2016, 35(11): 1703-1708. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1111
摘要:
针对弱刚性CFRP/Ti叠层结构钻孔过程,求解引起叠层结构层间间隙的钻削轴向力,提出抑制层间缺陷的临界压脚力预测模型,设计以工件刚度和进给率为变量的钻削实验,研究层间缺陷形式及其与实验变量间的关系。层间缺陷形成于切屑在层间间隙的扩展和累积过程中,表现为层间积屑和复材表面划伤,随进给率增加和工件刚度减小而增加。相关性分析表明层间缺陷与层间间隙间存在正线性关系。压脚力能有效减小层间间隙、抑制层间缺陷,当其等于临界值时层间缺陷几乎不存在。
大型曲面柔顺抛光材料去除的理论建模及实验研究
韩强, 詹建明, 徐克品, 丁烨
2016, 35(11): 1709-1714. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1112
摘要:
针对大型曲面柔顺抛光过程中的材料去除问题,重点对柔顺抛光工具与工件表面接触区域的材料去除量进行建模,并推导出影响材料去除量的主要因素是摩擦系数。基于柔顺抛光工具系统和数控铣床建立实验平台,进行了大型曲面柔顺抛光过程的摩擦系数实验和电机电流监测实验。结果表明,接触区域内随着抛光工具驻留时间的延长摩擦系数呈增大趋势,电机电流与抛光力之间存在实时对应的关系。理论与实验相结合,验证了摩擦系数对材料去除量的影响。
Kriging模型并行加点策略的多目标优化方法
韩鼎, 郑建荣, 周骏彦
2016, 35(11): 1715-1720. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1113
摘要:
针对复杂机械装备多学科多目标优化设计成本高、周期长等问题,提出一种近似模型与并行加点策略相结合的多目标优化方法。基于Kriging模型,将添加更新样本点定义为同时考虑Pareto最优解和预测误差的动态多目标优化问题,应用改进NSGA-II优化算法和极大极小距离准则,确定最优的并行更新样本点,在提高Kriging模型精度的同时实现多目标优化。测试函数验证和实例结果表明,该方法可有效提高复杂系统多目标优化效率,同时获得收敛性和分散性俱佳的Pareto最优解。
三次NURBS曲线的Obrechkoff参数化插值算法
董本志, 张小燕, 于鸣, 任洪娥
2016, 35(11): 1721-1726. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1114
摘要:
针对工程实践中对复杂曲线曲面零件高精度加工的要求,提出一种基于单步四阶Obrechkoff参数化法的三次非均匀有理B样条(NURBS)曲线的插值算法。该算法通过后向差分代替微分的方法,对Obrechkoff法求解微分方程的参数化插值算法进行了合理的简化,降低了计算复杂度,有效地保证了计算的精度和插值的实时性。考虑参数化算法对插值曲线的光顺性影响,在MATLAB上与累计弦长参数化法和阿当姆斯参数化法进行仿真比较。结果表明,该算法对应的插值曲线平均曲率最小,光顺性最好。
自适应的EEMD及其在滚动轴承故障诊断中的应用
林旭泽, 蔡艳平, 王新军
2016, 35(11): 1727-1732. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1115
摘要:
为解决总体集成经验模态分解(EEMD)算法中存在的白噪声参数需要人为选择的问题,同时考虑到现实中难以获得大量典型故障样本的实际情况,提出了一种基于自适应总体集成经验模态分解(AEEMD)与支持向量机(SVM)的滚动轴承故障诊断法。首先在信号处理上使用AEEMD将原始振动信号分解成具有不同特征时间尺度的本征模态分量(IMF),对于不同的轴承故障来说,在不同频带内的信号能量会发生改变,因此可通过计算各个IMF的能量来实现故障特征提取;然后把IMF的能量特征值作为输入来构建支持向量机分类器模型;最后利用建立的模型对轴承的状态类型做出判别。在轴承故障实例中将AEEMD算法与EEMD算法进行对比,证明了AEEMD的分解效果更好;选用BP神经网络与SVM的诊断效果进行对比分析,表明本文中提出的方法能够更加快速准确地诊断出轴承的故障。
一种AR模型的稀疏模态参数估计方法
李仙果, 周宇, 叶庆卫, 王晓东
2016, 35(11): 1733-1737. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1116
摘要:
基于自回归模型(autoregressive,AR)的模态参数估计方法需要进行阶次估计,阶次确定错误会使结果中包含虚假模态或者遗漏模态。针对这种情形,通过将模态选择的问题转化为带有稀疏约束的振型系数问题,提出了一种基于AR模型的稀疏模态参数估计方法。先假设一个较大的系统阶次,采用基于AR模型的估计方法计算模态参数,然后构造振型系数的稀疏优化模型,多次稀疏求解后用统计和聚类的方法对结果进行校正,最后根据振型系数鉴定对应模态的真假。这种无需提前确定阶次的估计方法既避免了定阶次引起的误差,又能有效地将噪声模态分离,适合复杂环境下的参数估计。在斜拉索桥模型上验证结果表明,该方法具有良好的识别效果。
仪器、仪表科学与技术
多功能摩擦传动实验机研制与实验研究
王剑, 耿玉旭, 程志涛, 孟凡明, 刘忠, 王战江, 王茜
2016, 35(11): 1738-1744. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1117
摘要:
针对目前摩擦学实验台接触形式单一、实验范围狭窄及边界条件不统一等问题,设计了一种新型多功能摩擦传动实验机。通过采用两个可在径向载荷作用下作可控相对运动的独立电机驱动主轴,实现多种接触形式的试件装卡,从而在高度统一的边界条件下进行摩擦磨损、传动性能测试及疲劳寿命检测等多种实验。实验结果表明:该实验机可为滑滚接触条件下典型零部件的摩擦与润滑机理研究、传动系统性能检测与动力学分析等提供可靠的实验平台,满足设计要求。
运载工程
某重型自卸车不同工况下车架的疲劳寿命分析
唐华平, 唐海红, 袁夏丽
2016, 35(11): 1745-1750. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1118
摘要:
为研究某重型电动轮自卸车车架疲劳寿命,根据其实际作业情况,采用惯性释放法对车架进行了各工况的有限元静力学分析。在此基础上通过准静态应力分析获得了车架关键部位应力响应因子,结合车架材料的S-N曲线。根据线性累积损伤理论及各工况载荷比重对车架进行了全寿命分析,并估算了车架总的疲劳寿命。结果表明:各工况的最大应力均未超出车架材料的屈服极限,应力的仿真数值和试验值误差在12%内,满足静强度要求。满载状态下车架的疲劳寿命大于16 814 h,基本能满足使用寿命要求。
HEV传动系统多目标优化研究
邓涛, 林椿松, 李亚南, 卢任之
2016, 35(11): 1751-1755. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1119
摘要:
针对当前混合动力研究主要集中在燃油经济性等单目标上,对多目标研究较少的情况,提出一种基于非支配排序的多目标优化算法(multi-objective evolutionary algorithm,MOEA)。以装备5档手动变速器的并联混合动力汽车为对象,研究传动系速比匹配对燃油经济性与排放性的影响。结果表明:相比优化前,优化后燃油经济性提升了3.09%,排放性综合指标提升17.92%;得到的Pareto解集具有良好的分布性与收敛性,不仅优化了目标,更体现出目标间的冲突情况,说明提出的多目标优化算法能够体现混合动力多目标优化的本质;对解集进一步挖掘,理论上能搜寻到的全局最优解集,为混合动力多目标权衡控制策略提供了理想的控制基础。
分时四驱汽车用分动器多目标优化设计
孟娇婵, 郑泉, 陈黎卿
2016, 35(11): 1756-1760. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1120
摘要:
针对分时四驱汽车用分动器的优化研究问题,提出基于多种群遗传算法的分动器多目标优化设计方法。建立以最大爬坡度、燃油经济性以及齿轮重合度为目标的分动器多目标优化数学模型,基于多种群遗传算法进行优化设计,运用AVL-Cruise软件进行整车虚拟仿真模型,并对优化前后结果进行虚拟实验。结果表明:优化后车辆最大爬坡度降低2.78°,燃油消耗量降低12.52%,行星齿轮重合度提高8.62%;实验结果与优化结果相吻合,验证优化结果的正确性。
动力学与瞬时转向中心求解下的4WIS车辆的转向控制方法
来鑫, 陈辛波, 武晓俊, 梁栋
2016, 35(11): 1761-1767. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1121
摘要:
为了提高四轮独立转向(4WIS)车辆的转向控制性能,建立4WIS车辆的二自由度动力学模型,求解4个车轮与参考轮之间的转向角关系。在车辆坐标系中建立车轮的运动学模型,通过对车辆瞬时转向中心(ICR)的求解得出各车轮的实时运动学误差表达式,在此基础上提出了一种“动力学-运动学”复合控制策略:依据动力学计算,得出4个车轮的转向角与参考轮之间的约束关系,通过构建网络控制系统,各车轮同时跟踪目标运动轨迹,提高转向控制系统的响应速度;实时运动学误差将各车轮转向角进行虚拟连接,4个车轮协同运动提高了转向控制的平稳性与鲁棒性。仿真结果表明,该控制策略对各车轮进行协调控制,使车辆运动实时满足动力学与运动学要求,具有运算简单、响应速度快、鲁棒性强等特点。最后通过实车实验验证了控制策略的有效性。
电机与缓速器联合制动性能研究
张焱, 张兰春, 何仁, 韩冰源
2016, 35(11): 1768-1773. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1122
摘要:
为了考察电机与缓速器联合制动时对汽车制动性能的影响,以理想的汽车前、后制动器制动力分配曲线为基础,导出引入电机制动力和缓速器制动力的新的前、后制动器制动力分配曲线。将反映制动性能的制动力利用率作为评价指标,针对某型客车,分析了在多种路面上、联合制动的制动力利用率与电机转速的关系。研究结果表明:当缓速器工作在低档,在湿滑路面上制动时,制动力利用率与电机转速成正比,在干燥良好路面上制动时,制动力利用率与电机转速成反比;当缓速器工作在高档,在所有路面上、制动力利用率与电机转速成反比。
航空、宇航工程
航空发动机吸鸟适航验证关键参数分析方法
罗刚, 陈伟, 赵振华, 杨杰, 周泽友, 刘璐璐
2016, 35(11): 1774-1779. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1123
摘要:
发展了一种确定航空发动机风扇叶片吸鸟适航验证用关键参数的分析方法。首先分析关键参数,提出用综合关键撞击参数SCIP评估鸟撞击叶片损伤效果及确定试验用关键吸鸟参数CIP的方法,建立SPH法鸟撞旋转风扇叶片有限元模型,进行鸟撞击数值模拟,分析鸟速、风扇转速、撞击位置等参数对鸟撞击数值模拟结果的影响,得出各个状态下综合损伤参数。结果表明,在CIP=F(72 m/s,70%,100%)试验条件下,鸟撞击叶片的综合损伤最为严重,并据此确定一组吸鸟适航验证用关键吸鸟参数。
航天服等张力体关节有限元动力学分析模型的建立与验证
刘奇林, 刘向阳, 李猛
2016, 35(11): 1780-1784. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1124
摘要:
研究航天服等张力体关节的活动特性,并提供关节优化设计的方法。在前人对关节有限元分析基础上,根据柔性单关节测试设备的原理,运用Lsdyna软件建立了航天服等张力体关节的有限元模型,分析了关节运动形态,计算得到了关节力矩-角度关系,并进行实验验证。等张力体关节有限元模型的精度相比于前人的模型有所提高,该模型能够准确反映关节实际运动过程中的几何形态变化,其力矩-角度关系与实验测得的数据基本一致,在测试的0~80°运动范围内,关节力矩值较小。等张力体关节具有良好的活动性能,且建立的有限元模型可用于进一步对关节特性分析及优化设计。
轴对称矢量喷管喉道运动学精确建模研究
李有德, 赵志刚, 孟佳东, 汪建鸿, 张纯杰
2016, 35(11): 1785-1790. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1125
摘要:
轴对称矢量喷管中喉道面积大小影响战斗机的喷管性能,研究通常是以收敛调节片末端的内切圆表示其面积,该种表示在调节片数量不同的情况下导致存在不同程度的误差,不利于进一步进行定量分析。首先研究了喉道截面多边形的变化规律,建立了精确的喉道面积计算通用表达式;其次结合凸轮反转法和坐标转换,推导了适用于一般曲线截面的凸轮滚子喉道控制的运动学模型;最后建立实际算例,进行数值计算和虚拟仿真的验证。研究表明,数值计算与虚拟仿真结果吻合度较高,最大相对误差为0.79%,说明建立的运动学模型正确反映了喉道的运动规律。
偏馈式构架反射器构型设计与展开协调性分析
黄志荣, 宋燕平, 郑士昆, 朱佳龙, 宋剑鸣
2016, 35(11): 1791-1796. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1126
摘要:
针对偏馈式构架天线应用需求,提出一种侧边约束的构架反射器实现方案。结合构架反射器曲面六边形几何特点,进行了反射器整体几何构型设计,并采用局部坐标法完成了桁架零部件的具体构型设计,形成系统的偏馈式构架反射器构型设计方法。根据某型号天线具体参数要求,完成了5.5 m偏馈式构架反射器样机构型设计;通过仿真分析和地面试验对样机展开协调性进行研究,进一步论证了所提出反射器构型设计方法的正确性。
舰载机多体动力学建模与弹射起飞模拟
黎伟明, 马晓利
2016, 35(11): 1797-1804. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1127
摘要:
考虑航母扰动以航母为参考系,建立了考虑机体弹性以及支柱弹性的舰载机弹射起飞多体动力学模型,将舰载机动力学方程推广到非惯性参考系下;通过增加自由停机和张紧停机过程,构建了弹射起飞全过程的数值模拟能力,并通过算例对建模可靠性进行了验证。算例结果准确模拟了牵制杆拉断后前起落架垂向的不稳定振荡现象、弹射力卸载后前起落架的快速突伸现象,以及起落架离舰效应等物理过程。算例结果表明:借助于起落架的突伸,飞机离舰前的升降舵偏角产生的抬头力矩能有效增加离舰的俯仰角和俯仰速度,提高弹射起飞性能;离舰后升降舵偏转控制律在提高飞机迎角建立速度的同时,还能控制最大飞行迎角,有利于离舰飞行安全;飞机离舰时航母舰艏的垂直速度、俯仰速度以及抛射角对飞机的离舰飞行性能有影响,航母运动会危及舰载机弹射起飞安全,且以纵摇和横摇运动的影响最为显著。