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2017年  36卷  第10期

机械动力学
用于汽油机余热回收的蒸发器计算与试验研究
何王波, 高文志, 王志强, 武聪山
2017, 36(10): 1477-1483. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1001
摘要:
针对基于朗肯循环的汽油机尾气余热回收系统的特点,采用一种多层螺旋管式换热器作为蒸发器。根据蒸发器的结构和工作特点,在MATLAB中建立了计算模型,得到蒸发器各阶段的换热情况。模拟结果表明,工质流量的增加会导致工质与尾气在蒸发器出口处的温度降低,同时提高了废气利用率。工质的流量与过热度的增加会受换热面积的限制。为了进一步验证蒸发器的性能,建立并运行了朗肯循环余热回收试验。试验结果显示,该款蒸发器的效率最大为89.33%,实际的废气利用率最大为41.93%。
多向振动压电发电关键技术的研究
顾亚雄, 张同
2017, 36(10): 1484-1490. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1002
摘要:
环境中振动能量收集效率低的问题是当前压电发电技术研究的焦点。为了提高环境中振动能量的收集效率,研究了一种可以收集环境中多个方向振动能量的压电发电关键技术。首先,利用压电发电技术的基础理论建立压电悬臂梁的数学模型,并对其进行振动力学分析;然后利用ANSYS对压电悬臂梁进行有限元仿真分析,优化结构使其固有频率与环境振动频率相符;最后制作多向压电发电装置,对其进行理论分析和实验测试。实验结果证明,多向振动压电发电关键技术可以有效地提高环境中振动能量的收集效率。
雷诺数和半径比对90°圆弧弯管流动特性的数值研究
李静, 杨俊红, 黄涛, 韩奎, 高琳
2017, 36(10): 1491-1497. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1003
摘要:
运用FLUENT软件中的RNG k-ε模型对不同雷诺数Re和不同半径比Rc/D下90°圆弧弯管内的流体流动进行了数值模拟,分析了管内流体的速度场分布、压力场分布以及二次流现象,考察了不同雷诺数Re(1×104≤Re≤1×106)和不同半径比Rc/D(0.6≤Rc/D≤2)组合下72种工况的局部阻力系数以及局部阻力影响长度。结果表明:同一Re下,Rc/D越大,局部阻力系数ξ越小。Rc/D一定时,当Re≤6×105时,局部阻力系数ξ随Re的增大迅速减小;当Re≧6×105时,局部阻力系数ξ随Re的变化很小,几乎趋于不变值。同一Re下,Rc/D越大,局部阻力影响长度越短。局部阻力影响长度随Re的增大先减小后趋于定值,且Rc/D越小,局部阻力影响长度越延后趋于定值。
钻井柴油机二级涡轮增压系统性能分析
钟功详, 徐运来, 穆伯峰
2017, 36(10): 1498-1504. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1004
摘要:
油气钻井工程中钻井柴油机燃油消耗占钻井成本30%以上,尾气是主要污染源。为了积极响应国家节能减排,降低钻井柴油机燃油成本,对钻井柴油机进行二级涡轮增压改造。以济柴190系列柴油机真实尺寸和实验数据为基准,建立了柴油机二级涡轮增压器整体模型,对比分析、确定二级涡轮增压器的布置方案。通过对柴油机整机性能进行模拟、分析结果表明:改进后的柴油钻机二级涡轮增压系统与原机型相比动力性能、加速性能、排放性能、燃油经济性、涡轮增压器运行效率均有显著改善。
采用EKF状态观测器及滑模算法结合的半车主动悬架控制
邱香
2017, 36(10): 1505-1511. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1005
摘要:
针对主动悬架控制可能面临的平顺性、悬架动挠度及车轮动载性能冲突,以及考虑参数不确定与外界干扰带来的鲁棒性问题,论文基于非线性滤波方法设计了滑模控制器以综合改善悬架性能;根据控制算法所需实时而准确的车辆状态信息需求,采用扩展卡尔曼滤波方法设计了状态观测器。分别进行随机路面激励、正弦路面激励和凸块路面激励仿真分析,结果显示所设计控制器具有良好的路面适应性,在不牺牲悬架动挠度的情况下,可以有效改善车辆平顺性及轮胎抓地力,有利于综合提升车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性。
刮板输送机载荷谱模拟新方法及模拟系统开发
毛君, 谢春雪, 刘治翔, 谢苗
2017, 36(10): 1512-1520. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1006
摘要:
为了解决常规刮板输送机载荷谱计算方法的计算过程复杂,规律性差,不易于实现和推广到任意时刻、任意位置等问题,借助计算机的数值方法,研究一种计算刮板输送机载荷谱的新型数学模型。该方法使用一维数组模拟刮板输送机,通过数组中各个元素的数值变化模拟刮板输送机对应位置货载量随采煤机位置的变化而变化。使用matlab软件对刮板输送机载荷谱模拟系统软件平台进行开发,避免了繁琐的数据输入过程。通过计算机模拟,将本文研究方法与常规方法进行对比,验证本文研究方法可行性和优势。使用此方法能够极大简化刮板输送机载荷谱的计算过程,可获得任意时刻、任意位置刮板输送机的货载分布,对研究刮板输送机动态特性、张力变化与实时调节等提供了运行阻力数据依据。
一种改进的势场法路径规划算法
胡小平, 李泽玉
2017, 36(10): 1521-1529. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1007
摘要:
在应用传统人工势场法的移动机器人路径规划问题中,机器人对移动障碍物避障效率较低,路径中存在局部极小点。针对这些缺陷,构建了一种基于势流理论的势场模型。在该模型中,势流理论中的概念与路径规划中的概念一一对应,修正函数解决了势流理论中与路径规划问题的矛盾之处,如点汇处速度无穷大等。为了保证对移动障碍物避障的可靠性,应用茹科夫斯基变换对势场分布及函数进行了改进。模型经改进后,为解决局部极小问题,本文进一步使用了点涡的概念,此后又加入虚拟点源以优化轨迹。最后,讨论了多障碍物势场加权叠加方法。仿真实验中,在多种避障情景下对比了改进前后的势场法。仿真结果表明,改进势场能够引导机器人对移动障碍物进行灵活避障,在避免局部极小点时较传统方法更为有效。
一种新型管道机器人的运动学及静力学分析
于晶晶, 路懿
2017, 36(10): 1530-1535. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1008
摘要:
提出一种采用并联机构作为移动载体,连杆式腿足机构作为行走装置的管道机器人。创建机器人的三维实体模型,阐明了它的工作原理及行走特点;运用矢量法和虚功原理建立了机器人的运动学模型和静力学模型,得到腿部驱动力与并联机构的驱动力/约束力之间的映射关系。最后,给出数值算例验证所建理论模型的正确性。该机器人具有良好的越障、承载能力和管道适应性。
时域压缩特征提取及压缩感知在设备状态评估中的应用研究
杨堂锋, 刘畅, 伍星, 柳小勤, 刘韬
2017, 36(10): 1536-1541. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1009
摘要:
压缩感知是一种新的信号采集与处理框架,其框架中压缩采样过程能够直接获取"压缩"的采样数据。本文中研究了如何利用这些压缩数据提取特征并用于设备的状态评估。首先在压缩感知框架下研究压缩采样数据的特点,研究压缩数据的压缩性与信号的稀疏性的对应关系;接着提出一种时域压缩特征计算方法,用于提取压缩数据的特征信息;最后以滚动轴承为对象,使用时域压缩特征对滚动轴承的运行状态进行评估。使用滚动轴承全寿命周期数据进行实验分析,实验结果表明,时域压缩特征能够准确的判断轴承的运行状态。
相似理论在泡沫铝冲击吸能过程的应用分析
王春华, 刘影
2017, 36(10): 1542-1549. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1010
摘要:
为解决大型泡沫铝元件实体冲击试验成本较高,数值模拟计算量大的问题,基于相似理论按尺寸比3:1建立三种(圆台、四棱台及六棱台型)泡沫铝元件大、小模型,应用量纲分析法推导对应模型冲击吸能量的相似比,并进行有限元仿真及小模型实体冲击试验。结果表明,冲击试验吸能量与其有限元仿真结果误差较小,验证了有限元仿真对泡沫铝轴向冲击过程的可行性。三种元件大、小模型的有限元仿真吸能量比值分别为26.51,27.18,26.73,与依量纲分析法所得吸能量相似比27:1相近,表明可基于相似理论对泡沫铝元件轴向冲击过程的吸能特性进行分析。
精密制造与加工
300M超高强度钢高速切削过程仿真研究
张慧萍, 刘壬航, 李珍灿, 张庆宇
2017, 36(10): 1550-1555. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1011
摘要:
针对300M超高强度钢切削加工性较差的问题,通过有限元仿真技术对300M钢的高速切削过程进行研究。在相关试验数据的基础上,创建高速切削仿真模型,研究切削过程中切屑形态、切削区的应力分布,以及切削速度、刀具几何角度的变化对切削力、切削温度的影响规律。仿真结果分析表明:仿真数据与试验数据的变化趋势基本相同,切削速度增大,切削温度随之升高,切削力先升高后下降;前角角度增大,切削力和切削温度都较大程度下降,应力向刀尖与工件接触区集中;后角增大,切削力和切削温度略有下降,但变化幅度较小。
三维椭圆振动辅助切削装置设计与优化研究
宋云, 张臣, 卢明
2017, 36(10): 1556-1561. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1012
摘要:
三维椭圆振动辅助切削(EVAC)是一种具有广阔应用前景的加工方法,三维EVAC能否在实际加工中表现出最佳性能,取决于三维EVAC装置的性能。目前已研制的三维EVAC装置存在产生椭圆轨迹形式单一、椭圆轨迹范围可调性差等问题,为此,本文对多种椭圆振动轨迹并存的三维EVAC装置进行了研究,从装置布局和尺寸优化方面探索了所设计装置的性能优化方法。首先采用三个相互垂直且结构形式相同的子链和柔性铰链放大结构的形式进行三维EVAC装置的设计,输出轨迹可调的三维椭圆振动,分析了产生三维椭圆振动轨迹;其次运用有限元方法对设计的装置进行了静力校核和动力瞬态分析,验证了刀尖轨迹多种输出方式;最后根据有限元分析的结果,从布局和尺寸方面建立三维EVAC装置的柔性铰链优化模型,对设计装置的尺寸参数和结构布局参数进行了分析和优化,得到装置最优参数。
金属板料单点渐进成形自适应螺旋线轨迹生成研究
周建宇, 杨明顺, 李言, 徐青
2017, 36(10): 1562-1569. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1013
摘要:
等高线成形轨迹是现行板料渐进成形的主要加工方式。针对等高线成形方式易产生局部凹陷或破裂等问题,提出了一种基于STereo Lithography(STL)三角面片法向矢量的自适应螺旋线轨迹的生成算法。利用顶点偏置法偏置STL三角面片模型,对偏置后的模型采用自适应分层算法求取分层面与模型的交点,得到与XY平面平行的系列轮廓线,并将各层轮廓线离散成等数点,再对相邻轮廓上点的插值得到自适应螺旋线轨迹。算法实例表明,螺旋线成形轨迹能缩短成形时间,可避免等高线成形中刀位点集中造成的质量缺陷等问题。此外,双成角成形件不同区域表面粗糙度的一致性,说明自适应螺旋线轨迹在变成形角成形件上能避免等高线成形件表面粗糙度的多样性,在统一变成形角成形件表面粗糙上具有广阔的运用前景。
阶梯盘超声辐射声场指向性研究
闫秀丽, 贺西平, 李娜, 高洁
2017, 36(10): 1570-1574. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1014
摘要:
指向性是衡量声源性能的重要参数。本文中研究了阶梯盘指向性与阶梯数目之间的关系。设计了频率和基底厚度一定的1~4阶阶梯盘。计算了4个阶梯盘以及与阶梯盘对应的同频率、同半径的活塞盘的指向性。结果表明,阶梯盘与和它同频率同半径的活塞盘的指向性主瓣同,但前者的旁瓣比后者多。频率、基底厚度一定时,阶梯数目越多(对应的半径也越大),指向性也越尖锐。实验测试与理论计算结果相符。
灰色关联分析在SPIF表面粗糙度优化中的应用
李韩博, 杨明顺, 李言, 袁启龙, 姚梓萌
2017, 36(10): 1575-1581. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1015
摘要:
成形件表面质量差是制约单点增量成形(SPIF)应用的主要因素之一,其中表面粗糙度是评价表面质量的一项重要指标。以45°方锥台为研究对象,采用基于灰色关联分析的方法,进行成形件表面质量多目标控制的成形参数优化。为了采用较少的实验次数搜寻到最佳的表面质量特性的成形参数,采用田口正交表进行实验设计,通过灰色关联分析中得到的灰色关联度决定优化的成形参数,同时通过成形参数的最大与最小的灰色关联度差值得到了对表面质量影响较显著的因子。实验结果表明:利用本文提出的方法,可以使成形件的纵向和横向表面粗糙度得到有效的改善。
仪器、仪表科学与技术
机械故障的稀疏流形聚类与嵌入诊断方法
王江萍, 段腾飞
2017, 36(10): 1582-1588. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1016
摘要:
传统流形学习算法中邻域尺寸是固定的,在故障诊断中并不恰当。本文中提出了一种基于新型流形学习算法稀疏流形聚类与嵌入(SMCE)的机械故障诊断方法来解决这个问题。SMCE通过求解稀疏优化问题自动确定邻域的大小,将传统流形学习中邻域尺寸选择变为优化问题的惩罚系数选择,进而从高维非线性观测数据中提取流形结构。利用SMCE从轴承和齿轮振动信号中提取特征进行诊断,实验表明,所提方法可以较好的提取故障信号内在的几何结构,应用无监督的谱聚类和有监督的支持向量机进行诊断准确率均高于98%。
均匀设计试验法在溢流阀锥阀芯优化中的应用
杨波波, 李淑智, 杨旭, 胡宇
2017, 36(10): 1589-1593. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1017
摘要:
针对溢流阀在线检测系统中,锥阀芯材料为紫铜时,阀芯力学性能不满足设计要求的问题,提出通过优化部分机械结构参数,进而提升阀芯力学性能的研究方法。设计了一种基于均匀设计试验法的阀芯力学性能的仿真试验方案,借助于有限元法、均匀设计试验、动态响应模型等研究方法,分析了各参数对结构优化影响的敏感度,求解了多指标函数与结构参数之间的动态响应模型。最后,利用指标图谱和遗传算法对结构参数进行了优化计算,对比了均匀设计试验法和指标图谱法的优化结果。结果表明,均匀设计试验和指标图谱优化结果十分接近,均匀设计试验法适用于阀芯力学性能的优化设计。
一种交叉遗传优化MHW的风电机组微弱特征提取方法
李冠瑾, 刘文艺, 高钦武
2017, 36(10): 1594-1597. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1018
摘要:
针对变速变载、闪电雷击、雨雪冰雹等恶劣工作环境干扰下风电机组微弱特征的提取困难问题,提出了一种基于交叉遗传优化MHW的微弱特征提取方法。该方法通过变形参数调整对MHW小波形状进行拟合匹配,并通过交叉遗传优化算法对该变形参数进行优化,进而通过连续小波变换提取匹配波形优化的微弱特征。通过风电场风电机组齿轮箱振动数据分析,验证了该方法可以较好地抑制强背景噪声干扰,提取风电机组微弱故障特征。
运载工程
车身地板制造偏差对前轮定位参数的影响分析
刘军, 卢从坚, 刘丽娜, 王华
2017, 36(10): 1598-1603. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1019
摘要:
汽车的前轮定位参数包括前束角,外倾角,主销内倾角,主销后倾角等。主要以某车型为对象,借助三维偏差仿真软件VSA及机械系统动力学分析软件Adams,建立底盘前悬的偏差分析模型以及机构运动学模型,分析白车身、底盘前悬零部件的制造偏差对其转向轮定位参数的影响。通过分析零部件制造偏差对转向轮定位参数的影响关系,找出了主要影响因素,对合理优化关键零部件制造偏差,控制整车制造成本,提升整车性能具有很好的指导和实践意义。
受电弓状态反馈线性化主动控制方法研究
庄哲, 施莹, 彭飞, 林建辉
2017, 36(10): 1604-1610. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1020
摘要:
在三元弓网耦合动力学模型基础上,利用非线性系统的微分几何理论,通过微分同胚映射,建立弓网耦合振动系统全局输入-输出线性化模型,提出一种基于状态反馈线性化的弓网系统全局线性化主动控制策略。该控制策略的整定参数集可以通过经典零极点配置控制理论进行优化设计,克服了既有主动控制策略对关键参数经验估计和经验知识积累依赖的不足。同时,研究对比表明,相较于LQR最优控制策略,全局线性化主动控制策略作用下的弓网接触压力标准差下降了30%以上,并且对期望弓网接触压力均值的有更好的跟踪效果,验证了该控制策略的优越性。
材料科学
细观力学模型预测复合材料横向强度性能研究
彭湃, 赵美英, 王文智
2017, 36(10): 1611-1618. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1021
摘要:
为了研究纤维增强复合材料在横向拉压载荷下的力学性能,采用细观力学有限元法与随机扰动法建立了表述复合材料微观结构的纤维随机分布代表性体积单元。对于界面脱粘与基体塑性变形这两种主要的损伤模式,分别用界面内聚力单元模型、基体Drucker-Prager弹塑性模型模拟,并结合塑性失效准则模拟基体的初始损伤与断裂,得出了材料在外载作用下的渐进损伤过程,并与试验结果进行了对比验证。此外,还总结了界面刚度、界面强度、界面断裂能等细观参数对损伤本构的影响规律。
应用响应曲面法优化影响Zr-4锆合金管坯表面粗糙度的磨削工艺参数
张明德, 苏占领
2017, 36(10): 1619-1625. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1022
摘要:
为优化影响锆合金管坯外表面粗糙度的磨削工艺参数,提高Zr-4锆合金包壳管的耐腐蚀性能,首先采用中心组合设计方法,在多次抛磨试验结果的基础上,利用Design-Expert 8.0软件建立了与主要磨削工艺参数(砂带线速度、磨削压力、砂带进给速度及管坯旋转速度)具有映射关系的表面粗糙度分析模型;次之,对所建模型进行了优化及可靠性验证;最后通过研究工艺参数间的交互效应对管坯表面粗糙度的影响规律,得到了各工艺参数间的最优组合。试验表明,采用优化后的工艺参数组合进行磨削加工,可将锆合金管坯表面粗糙度有效控制在0.46 μm以下。
圆锥台单点增量成形件残余应力研究
张敬冲, 李言, 杨明顺, 袁启龙, 姚梓萌, 张成兴
2017, 36(10): 1626-1632. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1023
摘要:
单点增量成形过程中残余应力分布与成形件的尺寸精度有着密切的联系。该文以圆锥台件为例,采用1060铝板,首先对残余应力方向进行定义,然后分别通过ABAQUS有限元仿真和实验验证对成形件的等效塑性应变和残余应力进行研究,并根据残余应力分布将成形件沿高度方向进行分区研究。结果表明:采用三维实体模型能准确模拟成形件的残余应力分布,成形件中残余应力主要集中在成形区,且垂向残余应力值较小;弯曲过渡区、平面伸长区和底部变形区的横向残余应力的性质由内到外依次为拉-压、压-拉、拉-压,纵向残余应力则均呈拉应力-压应力的变化。
航空、宇航工程
间隙补偿及液体垫片参数对层合板单层与层间应力的影响
蒋麒麟, 安鲁陵, 云一珅, 高国强, 肖睿恒
2017, 36(10): 1633-1640. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.1024
摘要:
在飞机装配中,一般采用液体垫片对复合材料层合板构件之间较小的装配间隙进行补偿。以复合材料层合板机械连接中典型的单螺栓连接为对象,考虑强迫装配(未实施间隙补偿)与采用液体垫片实施间隙补偿两种情况,设计了层合板应变测量实验;其次,利用ABAQUS建立有限元模型并进行计算验证,有限元模型计算结果与实验测量数据的吻合度较好。根据建立的模型,研究了间隙补偿及不同液体垫片参数下,层合板的单层面内应力与层间应力的变化。有限元分析结果表明:相对于强迫装配,随着间隙的增大,液体垫片对于改善层合板的应力分布、减小应力幅值、增强抗分层能力的作用愈加显著;三代液体垫片对层合板各单层面内应力与层间应力的影响差异非常微小;大幅增加垫片弹性模量后,单层面内应力的影响效果将明显提升。