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2016年  35卷  第5期

机械动力学
改进的小波包能量指标在结构损伤识别中的应用
刘习军, 孙良, 张素侠, 施睿智, 商开然
2016, 35(5): 657-661. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0501
摘要:
小波包分析采用时域和频域结合的方法对振动信号进行分析,在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。大量研究成果表明小波包能量和模态柔度都对局部损伤变化非常敏感,通过离散小波包分解对冲击荷载作用下结构振动响应加速度信号进行各频带的分解与重构,在模态柔度曲率差思想的基础上,定义相对小波能量柔度曲率差损伤指标,对损伤进行定位。通过连续梁的数值模拟及连续梁的试验验证,并与仅基于相对小波包能量曲率差的方法进行比较,进一步说明该方法的可行性。
机械系统中粘滑摩擦研究进展
刘丽兰, 刘宏昭, 赵会荣, 姚美倩
2016, 35(5): 662-671. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0502
摘要:
以两类机械系统中的粘滑摩擦为出发点,结合具体的研究对象,从力学模型、问题侧重点和研究方法上,分析了诱发粘滑摩擦的原因,系统地阐述了不同机械系统中粘滑摩擦的研究情况,并从控制补偿的角度总结了消减机械系统中粘滑摩擦的控制方法。针对当前机械系统粘滑摩擦建模及控制方面存在的不足提出了几点展望。
不同足部轨迹对人体下肢主要肌肉疲劳程度影响的研究
张爱光, 项忠霞, 金腾, 赵明
2016, 35(5): 672-677. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0503
摘要:
随着患有下肢运动障碍人数的日益增多,下肢康复逐渐成为多领域专家和学者的研究热点。为了能够研究不同足部轨迹对人体下肢主要肌肉疲劳程度的影响,首先设计了能够实现三种不同运动轨迹的机构,并采用SolidWorks进行三维建模;其次,根据特定身体参数在LifeMOD软件中建立对应的人体模型;然后在ADAMS动力学仿真软件中建立人-机耦合系统模型并实现该系统的运动仿真,得到特定人体按照不同足部轨迹运动时下肢主要肌肉伸缩量的变化情况。仿真结果表明:足部轨迹的不同对下肢肌肉伸缩量的影响较大,亦即对人体下肢肌肉疲劳程度的影响较大。因此,设计满足人体运动需求的具有合理运动轨迹的机构非常重要。
移动机器人全局路径规划的模拟退火-教与学优化算法
吴宗胜, 傅卫平
2016, 35(5): 678-685. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0504
摘要:
提出一种新的基于模拟退火-教与学优化(SA-TLBO)算法的移动机器人全局路径规划方法。进行环境地图建模,通过坐标变换在路径的起点与目标点之间建立新的环境地图;引入模拟退火思想对基本的教与学优化算法进行改进;利用改进的算法对路径目标函数进行优化得到一条全局最优路径。仿真实验结果表明,该方法具有极快的收敛速度和较高的搜索精度,以及较好的全局寻优能力,能有效解决机器人全局路径规划的优化问题。
用于智能结构振动主动控制的改进自适应PD算法
马天兵, 杜菲, 钱星光, 张建君
2016, 35(5): 686-689. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0505
摘要:
针对压电智能结构,引入对参考模型具有良好跟踪效果的自适应PD算法来抑制其振动。鉴于传统自适应PD控制算法在外界快速扰动下缺乏稳定性,尤其在随机扰动情况下该问题尤为突出,因此,在传统自适应PD的基础上耦合速度负反馈控制算法,形成了一种改进的自适应PD算法,并通过Lyapunov方法证明了改进后控制系统的稳定性。根据缩小因子法确定参考模型,分析比较了正弦或随机扰动激励下的改进自适应PD与传统自适应PD算法的控制效果。仿真结果表明,改进的自适应PD控制算法具有更好的鲁棒性和稳定性。
极小子样下参数随机分布的电主轴可靠性分析
李文丽, 原大宁
2016, 35(5): 690-695. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0506
摘要:
对某型号电主轴进行了极小子样下的可靠性分析,将虚拟增广法和Boot-strap法结合,对原始试验样本虚拟扩展,建立了参数服从随机分布的退化模型和电主轴可靠度函数,并利用Bayes验前分布,对该随机系数下电主轴可靠度函数进行修正,得到修正后的可靠度函数。将修正后随机系数下电主轴可靠度函数曲线与伪寿命下得到的可靠度函数曲线进行对比。结果表明,随机系数法得到的可靠度函数具有更高的精度,同时也避免了将模型参数看作固定值即采用伪寿命法进行可靠性评估时产生的误差。进一步说明根据极小子样试验数据可以通过该方法得到同类产品的退化特征,具有一定的适用性。
挖掘机动臂焊接残余变形的热弹塑性有限元分析
吴振, 王发展, 安高灵, 刘太平, 丁蒲刚
2016, 35(5): 696-700. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0507
摘要:
采用建立的以温度为控制参数的分段移动温控型热源模型作为焊接热源,利用一系列加速收敛、减少增量步数等技术,在保证高精度的前提下,高效的完成了挖掘机动臂热弹塑性有限元分析,预测了挖掘机动臂残余变形量,并与实际测量值进行比较分析。结果表明,残余变形在垂直方向呈收缩,水平方向前侧拉伸、后侧压缩,整体存在翘曲现象,与测量结果十分吻合。模拟结果准确预测了残余变形演变规律。分段移动温控型热源模型具有操作简便、计算效率高、模拟精度高的特点。
点阵夹芯圆筒扭转稳定性的参数化分析
孙士平, 余乐权
2016, 35(5): 701-705. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0508
摘要:
针对扭转载荷作用的四面体点阵夹芯圆筒,以基于等质量圆壳结构的性能增强系数为评价指标,利用有限元数值方法,对点阵杆截面形状、圆筒蒙皮厚度、单胞相对密度、单胞数目及单胞构型对结构扭转稳定性的影响进行了参数化分析。结果表明:结构扭转稳定性能受单胞相对密度和蒙皮厚度变化显著影响,但不同截面形状的等截面积实心杆点阵结构的扭转屈曲性能基本相同,包含更多的点阵单胞有利于增强结构扭转稳定性,而较小相对密度时杆长短的点阵单胞夹芯圆筒扭转性能更具优势。计算结果对点阵夹芯圆筒的设计具有指导意义。
一种冗余自由度机械臂逆运动学解析算法
王鹏程, 沈惠平, 孟庆梅, 邓嘉鸣, 骆敏舟
2016, 35(5): 706-710. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0509
摘要:
针对7自由度机械臂逆运动学求解问题,在考虑了空间构型的复杂性和冗余自由度机械臂自运动流形的基础上,提出了一种逆运动学的位置解析算法,即参照"自由度模块化"的概念,进而将仿人机械臂的7自由度划分为两个4自由度的模块化单元。通过控制自由度模块化单元,将复杂的空间构型转化为平面构型,减少了计算的复杂性;同时基于"锚点"和"虚拟连杆"的概念,实现冗余自由度机械臂的位姿参数化,从而实现了机械臂逆运动学快速求解。
空化水喷丸工艺中喷嘴几何参数对空化行为影响的研究
韩冰, 赵刚, 王梓卉敏
2016, 35(5): 711-716. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0510
摘要:
空化水喷丸是利用微小空泡群在固体边界附近溃灭时产生的冲击波压力和微射流来强化金属材料表面,而这些空泡群则是由缩放型喷嘴产生的空化射流所提供。因此,缩放型喷嘴的空化性能可直接影响喷丸效果。利用FLUENT计算软件对缩放型喷嘴产生的淹没式空化水射流进行计算机模拟,并模拟分析了喷嘴喉部直径和喷嘴扩张角对流场中空化行为的影响,同时使用Fujifilm压敏试纸对垂直于空化水射流轴线的截面上的冲击压力场进行测量。结果表明,随着喷嘴喉部直径的增大或喷嘴扩张角的减小,流场中的整体汽含率会升高,试验测得的最高冲击压力高达300 MPa。
精密制造与加工
利用数值模拟估算TBM刀具磨损量的方法
高少磊, 韩美东, 蔡宗熙
2016, 35(5): 717-721. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0511
摘要:
采用有限元方法建立滚刀与岩石相互做作用模型。模拟了单刀破岩过程中盘形滚刀的受力与运动情况。并依据体积磨损量与摩擦能量之间的关系建立方程,对刀具磨损量以及刀具寿命进行了估算。研究结果表明:利用数值模拟得到的垂直力、滑移量估算刀具使用寿命的方法可行;对于同一种地质条件,滚刀存在一个最佳贯入度使得磨损量最小;安装半径与刀盘转速的增大会使刀具磨损量增大;同条件下单轴抗压强度越大的岩石对刀具磨损越严重。
元动作装配单元的故障维修决策
张根保, 杨兴勇, 李冬英, 李磊
2016, 35(5): 722-728. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0512
摘要:
为快速确定故障部位,缩短维修时间,提出一种基于元动作装配单元的故障维修决策方法。首先,提出元动作装配单元的概念,并介绍其特点和划分原则,然后,采用模糊集理论和灰色关联理论将元动作装配单元故障进行风险性分析并排序,进而对各故障灰色关联度进行归一化处理并用主次图法确定关键故障,最后利用灰色聚类分析法对关键故障进行聚类分析,选择出元动作装配单元关键故障的合理维修方式。通过对某加工中心某元动作装配单元进行实例分析,证明了该方法的有效性。
冷却条件对Ti-6Al-4V铣削表面完整性影响研究
贺英伦, 任成祖, 杨晓勇, 李军
2016, 35(5): 729-733. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0513
摘要:
通过实验对比研究TC4钛合金铣削加工过程中不同冷却条件对其加工表面完整性的影响规律。研究结果表明:在相同的铣削参数下,乳化液冷却条件下加工表面的粗糙度值和显微硬度值均比在干切削条件下小;在乳化液冷却和干切削两种条件下的加工表面残余应力均为压应力;随着铣削速度、每齿进给量和铣削宽度的增加,在乳化液冷却条件下的残余应力绝对值逐渐增大,而在干切削条件下,残余应力绝对值逐渐减小;在乳化液冷却和干切削两种条件下,铣削参数中铣削深度对表面完整性的影响最小。
小管径涡流管三维数值模拟及热力学过程分析
李龙, 何望云, 李言, 杨明顺, 袁启龙
2016, 35(5): 734-739. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0514
摘要:
为了探究小管径涡流管的工作机制,建立了其内流场的三维数值计算模型,并采用Standard k-ε湍流模型进行了数值模拟。根据数值计算所得结果,结合工质的流动特点,将其内部流动过程分为三个特征区域,分析各区域所得相关物理量的分布情况,给出了小管径涡流管工作过程中工质的热力学变化过程,同时通过对比实验和模拟所得的出入口数据,验证了所用数值模拟方法的可行性。以此对小管径涡流管工质及温度的分离现象做出一定解释。
数控系统小线段平滑过渡算法的半硬件仿真与验证
高体红, 林立峰, 周凯汀, 郑力新
2016, 35(5): 740-746. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0515
摘要:
为了满足数控系统中加工精度和速度的要求,提出了小线段平滑过渡算法。首先建立小线段平滑过渡的数学模型,并求取过渡圆弧参数和旋转方向;然后以加工平台的机械特性来限制其进给速度,采用半硬件仿真系统测试其运动轨迹,在误差允许的范围内,仿真轨迹与实验加工图形一致;最后搭建测试平台测试其运动速度,在保证加工精度和加工平台机械特性的情况下,该算法能够较大程度地提高加工效率。
三次S曲线加减速算法研究
赵翔宇, 蔡慧林
2016, 35(5): 747-751. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0516
摘要:
针对直线加减速和指数加减速算法中加速度不连续,易对机床产生冲击的问题,提出了一种三次S曲线加减速算法,给出了相应的加加速度、加速度、速度和位移的计算表达式。利用最优化原理,对加减速控制中可能出现的各种情况进行了速度规划。仿真结果表明:该算法能保证加速度和加加速度的平稳变化,避免产生大的冲击,提高了数控系统的运动稳定性;算法简单智能,可根据路径长度自适应地重新规划速度,提高了加工效率。
仪器、仪表科学与技术
考虑边缘和寄生电容的微加速度计的非线性误差研究
何江波, 谢进, 何晓平, 杜连明, 周吴
2016, 35(5): 752-757. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0517
摘要:
为了使微加速度计满足线性度指标,准确计算微加速度计的非线性误差是非常必要的。在考虑边缘和寄生电容的前提下,提出了计算微加速度计的非线性误差的方法。首先根据表芯结构的电容分布特点建立了其等效电路模型,并推导了微加速度计的输出电压与检测电容和寄生电容之间的关系式,其中检测电容包含了边缘电容;其次,基于有限元法,分别提出了计算微加速度计的寄生电容和检测电容的方法;最后建立了微加速度计的输出电压与输入加速度之间的关系式,并基于三次多项式拟合,推导出微加速度计的非线性误差的计算公式。通过对比分析非线性误差的理论计算结果与实验测量结果,提出的方法的正确性得到了验证。
发动机活塞窜气量试验与分析
姜自才, 吴长水, 李启杰, 何良
2016, 35(5): 758-761. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0518
摘要:
活塞窜气量试验作为可以评定活塞、活塞环、气缸套间配合状态的一种有效手段,是发动机性能试验的重要组成部分。在某发动机循环负荷试验运行100 h后,对其进行活塞窜气量试验,分析活塞活塞环的配合状况。通过对试验数据进行分析,得到了窜气量随转速、平均有效缸内压力的变化规律,以及燃油消耗率和有效热效率随活塞窜气量的变化规律。结合试验结果,对活塞窜气通道进行分析,得到了活塞活塞环的配合情况、发动机转速、缸内平均有效制动压力和发动机排量是影响发动机活塞窜气量的主要因素。
运载工程
静动态工况下的自卸车车厢轻量化设计
刘钊, 朱平, 籍庆辉
2016, 35(5): 762-767. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0519
摘要:
由于自卸车的车厢自重大,因此降低其重量以提高燃油经济性,成为自卸车企业急需解决的问题。通过对自卸车车厢进行有限元建模,评价其静态和动态工况下的刚度和强度性能。在不改变原车厢结构的前提下,以车厢部件的材料和板厚作为设计变量,运用有限元分析及近似模型技术,进行静态工况以及动态冲击工况的优化设计。在满足设计性能要求的同时,实现减重23.72%。
驾驶室ROPS性能非概率可靠性分析
李伟平, 孔剑, 陶祺臻, 马腾飞
2016, 35(5): 768-773. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0520
摘要:
采用非线性有限元分析方法对安全驾驶室翻车保护装置(ROPS)进行强度计算并对其进行可靠性分析。利用超椭球凸模型理论量化材料的弹性模量、泊松比、密度的不确定性。针对极限状态函数复杂或为隐式函数的问题, 采用薄板样条插值高维模型(TPS-HDMR)作为近似模型进行非概率可靠度分析,最后运用改进一次二阶矩算法(iHL-RF)求解非概率可靠度指标。结果表明:在材料参数的不确定范围内,该驾驶室可靠性满足设计要求。
LNG牵引汽车动力传动系统正交优化匹配
姚鹏华, 王铁, 申晋宪, 郝明刚, 刘伦伦
2016, 35(5): 774-777. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0521
摘要:
LNG汽车具有清洁、高效、经济的特点。以某LNG牵引车为目标车型,应用CRUISE软件建立LNG牵引汽车仿真模型,对其动力性和经济性进行了分析。然后应用正交试验对其变速器和主减速器速比进行匹配优化选出最优匹配方案,得到优化方案。与原车型方案相比,整车爬坡性能、加速性能略有降低,但最高车速提升了10.08%,重型载货车六工况燃气消耗降低了17.72%,经济性能有较大改善。
多级可调阻尼半主动空气悬架的天棚控制研究
康耀东, 庞辉, 刘凯, 杨剑, 柴星
2016, 35(5): 778-783. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0522
摘要:
以某重卡汽车阻尼多级可调的电子控制空气悬架系统为研究对象,基于Matlab/Simulink模块分别建立1/4车辆悬架系统模型、理想天棚和实际天棚控制模型,给出阻尼可调的天棚控制器设计方法。该方法分析车身加速度az、悬架动挠度fd和轮胎动载荷tl随阻尼系数的变化规律,对该车辆悬架系统的平顺性(az,fd)和道路友好性(tl)目标进行加权优化处理,得到不同控制策略下使悬架获得最优综合性能的悬架阻尼系数。仿真结果表明:采用优化后的天棚阻尼控制器能够有效改善车辆平顺性和道路友好性。
材料科学
复合材料桥梁防撞护舷碰撞特性研究
付远超, 方明霞, 蒋超
2016, 35(5): 784-789. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0523
摘要:
采用试验和计算机仿真相结合的方法,研究复合材料防撞护舷在冲击荷载作用下的动力学特性。首先进行防撞护舷试样冲击试验,获得试样不同工况下的动力学响应;然后采用有限元法对试样进行数值模拟,通过与试验结果对比,获得相对精确的有限元计算模型,为实际结构参数的合理选取提供依据;最后运用ANSYS/LS-DYNA平台进行显式非线性分析,研究防撞护舷实际结构在碰撞过程中能量变化、接触响应和损伤变形等特征,得到了防撞护舷能量吸收和变形响应特性,各项数据均达到国家技术要求,为今后防撞护舷结构的优化设计提供理论支持。
高压气体微孔射流对堆积粉料的破散性试验研究
龚曙光, 隆香花, 刘克俭, 何峰
2016, 35(5): 790-794. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0524
摘要:
针对堆积粉料的破散性问题,在设计和构建高压气体射流冲击试验装置的基础上,开展了射流形态、射流喷距和射流冲击实验,探讨了射流压强、喷距、时间、喷嘴形式及喷嘴个数对堆积粉料的破散效果。试验结果表明,当微孔喷嘴直径为0.5 mm时,相同条件下9孔喷嘴的冲击坑体积约为单孔喷嘴的5倍、穿透深度约为单孔的1.5倍。在综合考虑冲击性能、经济成本等因素时,对于孔径为0.5 mm的单孔喷嘴,其最佳工艺参数为喷距20 mm、压强0.5 MPa;最后采用Fluent模拟了单孔喷嘴的冲击过程,得到的仿真结果与实验结果两者之间非常吻合。
镀锌钢板圆筒拉深件表面损伤行为的研究
林启权, 殷望, 董文正, 臧莉, 杨雪峰
2016, 35(5): 795-799. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0525
摘要:
采用不同凹模圆角半径下的圆筒拉深实验,对热镀锌钢板DC53D+Z和合金化热镀锌钢板DC53D+ZF拉深成形工件表面损伤行为进行研究。实验结果表明,在不同凹模圆角半径下,DC53D+Z 表面损伤有熨平纹和表面划痕两种形式,而DC53D+ZF的表面损伤则有镀层龟裂和表面划痕两种形式;随着凹模圆角半径的减小,DC53D+Z熨平纹现象增加,DC53D+ZF垂直拉深方向的裂纹增加。利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立基于界面结合的镀锌板圆筒拉深有限元模型,对镀锌钢板拉深过程进行模拟。模拟结果表明,随着凹模圆角半径的减小,镀层沿拉深方向的第一主应变增加。数值模拟结果与实验结果对比表明,镀层沿拉深方向的第一主应变是影响表面损伤程度的主要原因。
利用声音信号能量比在线识别钢材材质
秦志英, 刘尧, 董桂西, 赵月静
2016, 35(5): 800-804. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0526
摘要:
针对在铁塔加工过程中角钢在冲孔时会发出一定的声音,提出一种利用声音信号能量比在线识别Q235和Q345两种材质角钢的方法。搭建实验系统,现场采集加工Q235和Q345两种材质角钢的声音信号,分析不同型号角钢对应声音信号的频谱特征,计算信号在特定高频频带与低频频带的能量比值,以及能量比均值和标准差,找到其区别两种材质的能量比取值范围。并且现场采集一定量的信号样本,根据统计学原理并经过试验验证,识别两种钢材材质的正确率可达到95%以上。
航空、宇航工程
用于飞机战伤抢修切割的微量润滑装置开发及切削润滑试验
高昆, 齐乐华, 罗俊, 钟宋义
2016, 35(5): 805-808. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0527
摘要:
微量润滑(minimum quantity lubrication, MQL)是提高战伤飞机钛合金结构损伤原位切割效率的有效技术方案。针对现有微量润滑装置无法适应战场环境的问题,开发了可用于战伤抢修的微量润滑集成箱,实现了纯气动的微小流量发生、调整和显示功能。通过钛合金切削润滑对比试验表明,在供气压力0.3 MPa、用油量80 mL/h,用水量200 mL/h时,润湿范围不超过40 mm,刀具耐用度比干切削提高228%。
月球车凹面轮特性分析
文桂林, 宋仲良, 卿启湘
2016, 35(5): 809-814. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0528
摘要:
载人月球车作为深空探测必不可少的工具,受到广泛而深入地研究。其中,月球车车轮结构及轮壤相互作用的力学特性对月球车的性能有着重要的影响。结合国内外探测器车轮的特点,提出凹面轮的概念,并建立了凹面轮的轮地相互作用模型。以沉陷、牵引力和驱动力矩作为评价指标,应用ABAQUS软件对凹面轮进行仿真分析,得出凹面轮宽度和凹进深度等结构参数对各评价指标的影响。将凹进深度与凸起高度相同的凹面轮和普通凸面轮进行对比,得出凹面轮在侧倾稳定性和防扬尘特性以及三个评价指标上的优势。
齿轮试验台多路变压力分油装置压力和流量仿真分析
王丹, 冯金, 覃琨, 张伟伟
2016, 35(5): 815-820. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.0529
摘要:
根据齿轮驱动风扇构型的航空发动机试验时风扇驱动齿轮箱试验件各滑油喷嘴精确供油要求,在液压加载式功率流封闭齿轮试验台供油路上加装了一个可以多路变压力分油的分油装置,分油装置内腔设计多条油路支路,在支路上安装有节流元件,通过调节节流内孔孔径和长度控制节流元件压降,向试验齿轮箱各滑油喷嘴提供多路不同压力的滑油,使得试验齿轮箱滑油喷嘴流量和流速精确达到试验要求。采用Flowmaster软件对试验台滑油供油系统进行了一维稳态仿真分析,分析了节流元件内孔长度和孔径对试验齿轮箱滑油喷嘴流量和流速的影响作用。结果表明:节流内孔孔径对节流元件压降的影响远大于节流内孔长度对节流元件压降的影响,特别是当节流内孔孔径在1 mm至3 mm之间时,节流元件对滑油供油流路压力具有明显的调节作用。