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2018年 37卷 第4期
2018, 37(4): 493-500.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0401
摘要
PDF 1158KB
摘要:
随着大型风力机叶片尺寸增大，其柔性也越来越大，在运行中更容易出现大变形现象，进而导致叶片结构的几何非线性变形、流体的非定常特性以及独特的流固耦合现象，需要采用更准确的模型进行分析。该文采用基于几何精确梁方法和自由涡尾迹方法的流固耦合模型，研究了大尺寸叶片的耦合特性。针对叶片柔性变大、质量变轻的特点，分别采用缩小叶片刚度和质量的方法，研究叶片大变形和质量变轻对耦合响应的影响，结果表明刚度降低会大幅增大叶片变形和载荷，而质量降低对叶片变形和载荷的影响并不明显。当刚度和质量同时降低时，叶片在叶轮平面外变形量大幅增加，使叶轮功率下降。对叶片尺寸变大带来的影响也进行了研究，发现大尺寸叶片的根部应力和载荷波动会较明显高于小尺寸叶片。
随着大型风力机叶片尺寸增大，其柔性也越来越大，在运行中更容易出现大变形现象，进而导致叶片结构的几何非线性变形、流体的非定常特性以及独特的流固耦合现象，需要采用更准确的模型进行分析。该文采用基于几何精确梁方法和自由涡尾迹方法的流固耦合模型，研究了大尺寸叶片的耦合特性。针对叶片柔性变大、质量变轻的特点，分别采用缩小叶片刚度和质量的方法，研究叶片大变形和质量变轻对耦合响应的影响，结果表明刚度降低会大幅增大叶片变形和载荷，而质量降低对叶片变形和载荷的影响并不明显。当刚度和质量同时降低时，叶片在叶轮平面外变形量大幅增加，使叶轮功率下降。对叶片尺寸变大带来的影响也进行了研究，发现大尺寸叶片的根部应力和载荷波动会较明显高于小尺寸叶片。
2018, 37(4): 501-504.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0402
摘要:
在结构二次二阶矩可靠性指标计算方法的基础上，结合包络面的思想，提出了基于包络面的结构可靠性界限计算方法。该方法在最可几失效域以旋转抛物面作为结构极限状态曲面的内外包络面，通过计算包络面的失效概率确定结构可靠性界限区间，并通过两个算例验证了该方法的可行性和计算精度。算例结果表明，该方法计算结果最接近蒙特卡洛方法的结果，相对误差小，计算精度高，具有工程实用价值。
在结构二次二阶矩可靠性指标计算方法的基础上，结合包络面的思想，提出了基于包络面的结构可靠性界限计算方法。该方法在最可几失效域以旋转抛物面作为结构极限状态曲面的内外包络面，通过计算包络面的失效概率确定结构可靠性界限区间，并通过两个算例验证了该方法的可行性和计算精度。算例结果表明，该方法计算结果最接近蒙特卡洛方法的结果，相对误差小，计算精度高，具有工程实用价值。
2018, 37(4): 505-509.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0403
摘要:
为提高锂电池浆料制备的效率与质量，在现有工艺方案的基础上，设计了一种自动化程度较高的从锂离子动力电池原材料预处理工艺到涂布工艺的真空连续制浆工艺方案。并运用几何加权AHP法对应用比较广泛的三种制浆工艺方案与设计的真空连续制浆工艺方案进行方案评价。结果表明：影响浆料质量的关键因素分别是制浆系统自动化程度、混合分散工艺以及原材料预处理工艺；该工艺方案与现有的工艺方案相比具有一定的优势。以几何加权AHP法的结论为依据，对真空连续制浆关键设备进行了设计研究，最终得出了真空连续浆料制备系统原理图。
为提高锂电池浆料制备的效率与质量，在现有工艺方案的基础上，设计了一种自动化程度较高的从锂离子动力电池原材料预处理工艺到涂布工艺的真空连续制浆工艺方案。并运用几何加权AHP法对应用比较广泛的三种制浆工艺方案与设计的真空连续制浆工艺方案进行方案评价。结果表明：影响浆料质量的关键因素分别是制浆系统自动化程度、混合分散工艺以及原材料预处理工艺；该工艺方案与现有的工艺方案相比具有一定的优势。以几何加权AHP法的结论为依据，对真空连续制浆关键设备进行了设计研究，最终得出了真空连续浆料制备系统原理图。
2018, 37(4): 510-518.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0404
摘要:
3-RPUU是一种含UU支链的对称六自由度并联机构，通过计算其瞬时运动螺旋，分析了该机构的奇异位形。首先根据机构几何参数、输入量与动平台输出量计算了支链运动螺旋；然后采用封闭式矢量法，并结合各运动副回转轴线的几何关系，求出机构的位置反解与回转轴线的方向角，进而确定了动平台任意位姿时各运动副的瞬时运动螺旋；最后，根据瞬时运动螺旋推导了机构的奇异位形产生条件，并通过实例证明其适用性。
3-RPUU是一种含UU支链的对称六自由度并联机构，通过计算其瞬时运动螺旋，分析了该机构的奇异位形。首先根据机构几何参数、输入量与动平台输出量计算了支链运动螺旋；然后采用封闭式矢量法，并结合各运动副回转轴线的几何关系，求出机构的位置反解与回转轴线的方向角，进而确定了动平台任意位姿时各运动副的瞬时运动螺旋；最后，根据瞬时运动螺旋推导了机构的奇异位形产生条件，并通过实例证明其适用性。
2018, 37(4): 519-524.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0405
摘要:
采用CFD/CAA分布耦合仿真方法，在额定工况下对发动机冷却风扇叶片吸力面是否设置凸起楔形结构的两种方案的流场与声场进行三维数值模拟，研究了楔形结构对冷却风扇气动性能和噪声性能的影响。结果表明，该楔形结构对冷却风扇气动性能影响较小，而对其噪声性能影响显著；设置了楔形结构后冷却风扇进出风口噪声值分别下降8.8%和8.9%，风量略有增加。通过分析冷却风扇流场及声场的分布情况，可知楔形结构在叶片吸力面起到了"涡流发生器"的作用，促进边界层提前转捩，进而大大降低了叶片表面气流过早分离引起的涡流噪声，因此总声压级也明显下降。
采用CFD/CAA分布耦合仿真方法，在额定工况下对发动机冷却风扇叶片吸力面是否设置凸起楔形结构的两种方案的流场与声场进行三维数值模拟，研究了楔形结构对冷却风扇气动性能和噪声性能的影响。结果表明，该楔形结构对冷却风扇气动性能影响较小，而对其噪声性能影响显著；设置了楔形结构后冷却风扇进出风口噪声值分别下降8.8%和8.9%，风量略有增加。通过分析冷却风扇流场及声场的分布情况，可知楔形结构在叶片吸力面起到了"涡流发生器"的作用，促进边界层提前转捩，进而大大降低了叶片表面气流过早分离引起的涡流噪声，因此总声压级也明显下降。
2018, 37(4): 525-531.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0406
摘要:
在足式机器人作业时，由于环境因素而导致腿部缺失的现象时常发生。单腿缺失的机器人按照原有的控制方式将无法继续行走甚至站立。为了提高机器人应对实际复杂环境的可持续工作能力，在无附加装置的条件下，提出一种调整后腿侧摆关节，增加稳定相的控制方法。通过对受损后的机器人进行静力学分析计算，得到机器人腿部侧摆关节旋转角度的最优解为21°。按一定梯度选取相邻系列角度值进行仿真试验对比，发现侧摆关节角度为21°时机器人的翻滚角始终在-2°~2°之间变化，并且增加稳定相后机器人的翻滚角变化幅值在16个步态周期后衰减了10.8%，从而验证了所提控制方法的有效性与正确性。
在足式机器人作业时，由于环境因素而导致腿部缺失的现象时常发生。单腿缺失的机器人按照原有的控制方式将无法继续行走甚至站立。为了提高机器人应对实际复杂环境的可持续工作能力，在无附加装置的条件下，提出一种调整后腿侧摆关节，增加稳定相的控制方法。通过对受损后的机器人进行静力学分析计算，得到机器人腿部侧摆关节旋转角度的最优解为21°。按一定梯度选取相邻系列角度值进行仿真试验对比，发现侧摆关节角度为21°时机器人的翻滚角始终在-2°~2°之间变化，并且增加稳定相后机器人的翻滚角变化幅值在16个步态周期后衰减了10.8%，从而验证了所提控制方法的有效性与正确性。
2018, 37(4): 532-536.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0407
摘要:
现有的2D阀用电-机械转换器从磁路原理和结构而言均较为复杂，本文设计了一种单相励磁的轴向不对称磁路，并根据该磁路提出了一种新型的单相永磁力矩马达。首先通过磁路解析法推导了马达的力矩转角特性方程，随后建立有限元模型分析了该马达的磁场分布和力矩转角特性。基于数值模拟结果加工了样机，建立了测试台架对其作了力矩转角特性的测试。测试结果与模拟结果较为符合，表明该马达的电磁力矩较大，其力矩-转角特性曲线呈上升的线性关系，力矩幅值随励磁电流而增加，适合作为2D三通阀及其他类似元件的电-机械转换器。
现有的2D阀用电-机械转换器从磁路原理和结构而言均较为复杂，本文设计了一种单相励磁的轴向不对称磁路，并根据该磁路提出了一种新型的单相永磁力矩马达。首先通过磁路解析法推导了马达的力矩转角特性方程，随后建立有限元模型分析了该马达的磁场分布和力矩转角特性。基于数值模拟结果加工了样机，建立了测试台架对其作了力矩转角特性的测试。测试结果与模拟结果较为符合，表明该马达的电磁力矩较大，其力矩-转角特性曲线呈上升的线性关系，力矩幅值随励磁电流而增加，适合作为2D三通阀及其他类似元件的电-机械转换器。
2018, 37(4): 537-544.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0408
摘要:
针对高压隔膜泵单向阀的早期故障振动信号信噪比（SNR）低，故障特征提取困难的问题，本文提出一种自适应随机共振和微分经验模态分解（DEMD）的早期故障诊断方法。首先对原信号进行预处理，设置压缩比进行变尺度处理；然后将SNR作为自适应度函数，利用粒子群（PSO）算法优化随机共振（SR）系统参数，将优化后参数及处理后的信号输入SR系统中；最后对系统输出的信号进行DEMD算法分解，对各分量进行频谱分析，选取含特征频率的分量合成进行包络分析，以提取故障特征信息。经仿真分析与工程实验表明，该方法能够较好地提取出单向阀的早期故障特征信息。
针对高压隔膜泵单向阀的早期故障振动信号信噪比（SNR）低，故障特征提取困难的问题，本文提出一种自适应随机共振和微分经验模态分解（DEMD）的早期故障诊断方法。首先对原信号进行预处理，设置压缩比进行变尺度处理；然后将SNR作为自适应度函数，利用粒子群（PSO）算法优化随机共振（SR）系统参数，将优化后参数及处理后的信号输入SR系统中；最后对系统输出的信号进行DEMD算法分解，对各分量进行频谱分析，选取含特征频率的分量合成进行包络分析，以提取故障特征信息。经仿真分析与工程实验表明，该方法能够较好地提取出单向阀的早期故障特征信息。
2018, 37(4): 545-552.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0409
摘要:
对叶片裂纹进行准确定位，对于实现准确维修延长其工作寿命具有重要的意义。针对叶片裂纹定位问题，提出一种高频激励下利用多位置点振动响应非线性估计的叶片裂纹定位方法，并给出了系统非线性估计的定义和相应的计算方法。在叶片上多位置特征点采集非线性振动信号组成矩阵形式信号，再利用正交分解方法求解其线性近似矩阵信号，通过量化两者之间的误差得到叶片各点振动响应信号的非线性程度估计值。计算相同激励输入下健康状态和含裂纹叶片各点振动响应非线性度估计值的误差，寻找误差绝对值最大点实现裂纹的准确定位。通过在有限元软件中建立健康和含裂纹损伤的叶片有限元模型，在多种激励频率下进行瞬态动力学仿真验证，分析结果表明该方法具有很好的裂纹定位效果。
对叶片裂纹进行准确定位，对于实现准确维修延长其工作寿命具有重要的意义。针对叶片裂纹定位问题，提出一种高频激励下利用多位置点振动响应非线性估计的叶片裂纹定位方法，并给出了系统非线性估计的定义和相应的计算方法。在叶片上多位置特征点采集非线性振动信号组成矩阵形式信号，再利用正交分解方法求解其线性近似矩阵信号，通过量化两者之间的误差得到叶片各点振动响应信号的非线性程度估计值。计算相同激励输入下健康状态和含裂纹叶片各点振动响应非线性度估计值的误差，寻找误差绝对值最大点实现裂纹的准确定位。通过在有限元软件中建立健康和含裂纹损伤的叶片有限元模型，在多种激励频率下进行瞬态动力学仿真验证，分析结果表明该方法具有很好的裂纹定位效果。
2018, 37(4): 553-559.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0410
摘要:
下肢外骨骼助力机器人是一种可以拓展人体关节机能，并可在特殊环境下作业的人机共融型机器人。基于人体下肢生物力学特点，阐述了下肢外骨骼助力机器人的机构设计原理及过程，分析了外骨骼机构的运动学关系，通过ADAMS匹配外骨骼与关节驱动范围并进行了机构优化，可以完成人体的代表性深蹲动作，为外骨骼助力行走留有较大的关节运动裕量，虚拟样机联合仿真也验证了外骨骼助力机器人的设计可行性。
下肢外骨骼助力机器人是一种可以拓展人体关节机能，并可在特殊环境下作业的人机共融型机器人。基于人体下肢生物力学特点，阐述了下肢外骨骼助力机器人的机构设计原理及过程，分析了外骨骼机构的运动学关系，通过ADAMS匹配外骨骼与关节驱动范围并进行了机构优化，可以完成人体的代表性深蹲动作，为外骨骼助力行走留有较大的关节运动裕量，虚拟样机联合仿真也验证了外骨骼助力机器人的设计可行性。
2018, 37(4): 560-567.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0411
摘要:
针对碳纤维复合材料（CFRP）铣削提出了一种切削力精确建模方法，即考虑刀具底刃切削作用的铣削力机械模型，通过实验识别底刃和侧刃的切削力并分析了切削力变化规律，建立了切削力系数关于瞬时切削厚度、纤维切削角及切削速度的BP神经网络模型，进一步实现了对铣削力的预测。单向板和多向板的铣削验证实验表明考虑刀具底刃因素可以提高切削力预测的准确性，同时也验证了BP神经网络在CFRP切削力建模中的可行性。
针对碳纤维复合材料（CFRP）铣削提出了一种切削力精确建模方法，即考虑刀具底刃切削作用的铣削力机械模型，通过实验识别底刃和侧刃的切削力并分析了切削力变化规律，建立了切削力系数关于瞬时切削厚度、纤维切削角及切削速度的BP神经网络模型，进一步实现了对铣削力的预测。单向板和多向板的铣削验证实验表明考虑刀具底刃因素可以提高切削力预测的准确性，同时也验证了BP神经网络在CFRP切削力建模中的可行性。
2018, 37(4): 568-574.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0412
摘要:
机械加工对于模具结构的要求日益复杂，导致在模具自由型面上存在大量沟槽、凸凹等结构，容易出现磨损严重、拉毛拉裂等问题。对于模具不同位置所需要的应力特征不同，多采用镶块式模件拼接后整体铣削加工。而拼接处存在铣削力的突变导致刀具磨损过快和型面精度不高问题。本文通过阐述球头刀铣削凸曲面拼接模具表面形成机理，分析了铣削过程中不同位置的刀具-工件的接触关系；并且以球头铣刀加工不同硬度的淬硬钢Cr12MoV凸曲面拼接模具试验为对象，揭示切削深度、切削速度、每齿进给量及刀具铣削方向对拼接处铣削力突变的影响规律；以铣削力突变最小为目标进行正交试验研究，得到考察指标的主次影响规律和最优参数组合。
机械加工对于模具结构的要求日益复杂，导致在模具自由型面上存在大量沟槽、凸凹等结构，容易出现磨损严重、拉毛拉裂等问题。对于模具不同位置所需要的应力特征不同，多采用镶块式模件拼接后整体铣削加工。而拼接处存在铣削力的突变导致刀具磨损过快和型面精度不高问题。本文通过阐述球头刀铣削凸曲面拼接模具表面形成机理，分析了铣削过程中不同位置的刀具-工件的接触关系；并且以球头铣刀加工不同硬度的淬硬钢Cr12MoV凸曲面拼接模具试验为对象，揭示切削深度、切削速度、每齿进给量及刀具铣削方向对拼接处铣削力突变的影响规律；以铣削力突变最小为目标进行正交试验研究，得到考察指标的主次影响规律和最优参数组合。
2018, 37(4): 575-580.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0413
摘要:
工业机器人视觉系统在校准和标定过程中需要对成像质量进行客观评价，而在参考图像已知的情况下，现有图像质量评价方法无法有效表征图像局部结构差异，难以充分考虑像素级差异对局部结构的影响。针对上述问题，提出了一种基于视觉显著性的全参考图像质量评价方法。其中，设计了一种基于梯度图的差异度表征方法，利用相位一致性和梯度图来描述图像局部结构和像素级的差异，进而提出了基于视觉显著性的图像质量评价方法，通过利用像素级差异对图像局部结构进行权重赋值，从而提高算法对图像进行质量评价时的性能。实验结果表明，本文方法和其他四种典型图像质量评价算法相比，能够在三个标准图像数据库上取得更高的质量评价分数。
工业机器人视觉系统在校准和标定过程中需要对成像质量进行客观评价，而在参考图像已知的情况下，现有图像质量评价方法无法有效表征图像局部结构差异，难以充分考虑像素级差异对局部结构的影响。针对上述问题，提出了一种基于视觉显著性的全参考图像质量评价方法。其中，设计了一种基于梯度图的差异度表征方法，利用相位一致性和梯度图来描述图像局部结构和像素级的差异，进而提出了基于视觉显著性的图像质量评价方法，通过利用像素级差异对图像局部结构进行权重赋值，从而提高算法对图像进行质量评价时的性能。实验结果表明，本文方法和其他四种典型图像质量评价算法相比，能够在三个标准图像数据库上取得更高的质量评价分数。
2018, 37(4): 581-585.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0414
摘要:
为揭示泡沫镍夹层结构自冲铆接头的成形特征及失效机理，本文制备了以AA5052铝合金为基板，泡沫镍为夹层的自冲铆接头；采用理论分析与微观组织观察相结合的方法对夹层结构接头成形特征进行系统研究，通过拉伸-剪切试验研究接头的静失效载荷及失效位移，探究了接头的失效机理。结果表明：泡沫镍夹层可增大接头的钉脚张开度，并改善应力分布；铆接过程中泡沫镍能在铆接界面间形成牢固的自润滑物理吸附膜，可提高接头的耐腐蚀性；1mm泡沫镍夹层使接头静失效载荷增加了8.9%；随着泡沫镍夹层厚度的增加，接头的抗拉强度呈降低趋势；泡沫镍夹层结构自冲铆接头的失效模式为铆钉脱离下板，上板主要承受拉伸载荷，下板承受压缩载荷。
为揭示泡沫镍夹层结构自冲铆接头的成形特征及失效机理，本文制备了以AA5052铝合金为基板，泡沫镍为夹层的自冲铆接头；采用理论分析与微观组织观察相结合的方法对夹层结构接头成形特征进行系统研究，通过拉伸-剪切试验研究接头的静失效载荷及失效位移，探究了接头的失效机理。结果表明：泡沫镍夹层可增大接头的钉脚张开度，并改善应力分布；铆接过程中泡沫镍能在铆接界面间形成牢固的自润滑物理吸附膜，可提高接头的耐腐蚀性；1mm泡沫镍夹层使接头静失效载荷增加了8.9%；随着泡沫镍夹层厚度的增加，接头的抗拉强度呈降低趋势；泡沫镍夹层结构自冲铆接头的失效模式为铆钉脱离下板，上板主要承受拉伸载荷，下板承受压缩载荷。
2018, 37(4): 586-591.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0415
摘要:
考虑磨粒排布方式对砂轮磨削效率和性能有重要影响，设计制备磨粒无序和有序排布的加压内冷却砂轮，利用砂轮表面形貌检测和图像识别技术，建立砂轮磨削GH4169高温合金的三维有限元模型。采用不同磨粒排布的砂轮开展磨削GH4169高温合金的实验研究，对比分析磨削力、磨削温度、加工表面粗糙度以及表面微观形貌，研究磨粒无序和有序两种排布方式对砂轮磨削性能的影响。结果表明：对于加压内冷却砂轮而言，相对磨粒无序排布，磨粒有序排布方式能获得更优良的加工表面质量，磨削力、磨削温度和表面粗糙度均降低，且工件表面形貌更加规则完整。
考虑磨粒排布方式对砂轮磨削效率和性能有重要影响，设计制备磨粒无序和有序排布的加压内冷却砂轮，利用砂轮表面形貌检测和图像识别技术，建立砂轮磨削GH4169高温合金的三维有限元模型。采用不同磨粒排布的砂轮开展磨削GH4169高温合金的实验研究，对比分析磨削力、磨削温度、加工表面粗糙度以及表面微观形貌，研究磨粒无序和有序两种排布方式对砂轮磨削性能的影响。结果表明：对于加压内冷却砂轮而言，相对磨粒无序排布，磨粒有序排布方式能获得更优良的加工表面质量，磨削力、磨削温度和表面粗糙度均降低，且工件表面形貌更加规则完整。
2018, 37(4): 592-598.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0416
摘要:
极片的厚度一致性对动力锂离子电池组的容量、循环寿命和安全性等有重要的影响。针对极片在实际辊压中存在厚度一致性差和辊压宽度窄的问题，采用有限元软件建立了二辊辊压机和四辊辊压机的轧辊有限元模型，借助实验的方法验证了所建有限元模型的准确性。得到了相同辊压工艺条件下与二辊辊压机Ø500×500等效的四辊辊压机辊系模型；分析了四辊辊压机工作辊辊径、支撑辊辊径、辊身长度及弯辊力的变化对极片厚度一致性的影响规律。研究结果表明：四辊辊压机代替二辊辊压机辊压动力锂离子电池极片具有可行性；随着四辊辊压机工作辊辊径和支承辊辊径的增加，极片沿宽度方向的厚度一致性有所提高；随着四辊辊压机辊身长度的增加，极片沿宽度方向的厚度一致性变差；随着对工作辊施加弯辊力的增加，极片沿宽度方向的厚度一致性提高，同时极片辊压宽度也有所增加，可以改善目前实际生产中极片辊压宽度过窄的问题。
极片的厚度一致性对动力锂离子电池组的容量、循环寿命和安全性等有重要的影响。针对极片在实际辊压中存在厚度一致性差和辊压宽度窄的问题，采用有限元软件建立了二辊辊压机和四辊辊压机的轧辊有限元模型，借助实验的方法验证了所建有限元模型的准确性。得到了相同辊压工艺条件下与二辊辊压机Ø500×500等效的四辊辊压机辊系模型；分析了四辊辊压机工作辊辊径、支撑辊辊径、辊身长度及弯辊力的变化对极片厚度一致性的影响规律。研究结果表明：四辊辊压机代替二辊辊压机辊压动力锂离子电池极片具有可行性；随着四辊辊压机工作辊辊径和支承辊辊径的增加，极片沿宽度方向的厚度一致性有所提高；随着四辊辊压机辊身长度的增加，极片沿宽度方向的厚度一致性变差；随着对工作辊施加弯辊力的增加，极片沿宽度方向的厚度一致性提高，同时极片辊压宽度也有所增加，可以改善目前实际生产中极片辊压宽度过窄的问题。
2018, 37(4): 599-606.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0417
摘要:
针对机械臂三维运动仿真及在线实时控制，提出了一种高效开放式的机械臂3D虚拟仿真平台快速构建方法。该方法以具有强大数据处理能力的MATLAB软件为构建平台，充分将SolidWorks专业实体建模软件、Robotics Toolbox中的实用建模函数、MATLAB的GUI交互设计和MATLAB 3D动画及显示技术等功能结合并应用到机器人虚拟仿真平台构建中，构建可视化程度高、高效运行且具有强大输入输出功能、模型细节显示逼真的机械臂3D虚拟仿真平台。以笔者所在课题组构建的雄克六自由度模块化机器人手臂为例，深入详细地阐述了所提出的仿真平台快速构建方法的实施步骤，最终得到一个开放程度高、可视化程度逼真的该机械臂3D虚拟仿真平台。最后给出了仿真平台的部分显示效果图，测试结果表明，使用该方法能够实现机械臂3D虚拟仿真平台的快速构建，并且该平台具有良好的实用性和可操作性，能够满足科研和教学的需要，验证了本方法的有效性。
针对机械臂三维运动仿真及在线实时控制，提出了一种高效开放式的机械臂3D虚拟仿真平台快速构建方法。该方法以具有强大数据处理能力的MATLAB软件为构建平台，充分将SolidWorks专业实体建模软件、Robotics Toolbox中的实用建模函数、MATLAB的GUI交互设计和MATLAB 3D动画及显示技术等功能结合并应用到机器人虚拟仿真平台构建中，构建可视化程度高、高效运行且具有强大输入输出功能、模型细节显示逼真的机械臂3D虚拟仿真平台。以笔者所在课题组构建的雄克六自由度模块化机器人手臂为例，深入详细地阐述了所提出的仿真平台快速构建方法的实施步骤，最终得到一个开放程度高、可视化程度逼真的该机械臂3D虚拟仿真平台。最后给出了仿真平台的部分显示效果图，测试结果表明，使用该方法能够实现机械臂3D虚拟仿真平台的快速构建，并且该平台具有良好的实用性和可操作性，能够满足科研和教学的需要，验证了本方法的有效性。
2018, 37(4): 607-613.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0418
摘要:
针对随机共振（Stochastic resonance，SR）在处理轴承故障信号时需要满足小参数（信号频率、幅值、噪声强度远小于1）这一条件以及轴承故障特征难以提取的问题，提出基于自适应变尺度随机共振与总体局部均值分解（Ensemble local mean decomposition，ELMD）的轴承故障诊断方法。首先，对实测的信号按照一定的频率进行压缩，使其满足随机共振小参数的要求，然后，通过遗传算法（Genetic algorithm，GA）对变尺度随机共振双稳系统中的结构参数a，b进行优化，最后将随机共振输出信号进行ELMD分解，通过各PF分量的频谱图寻找轴承故障特征频率。对实测轴承故障信号的实验分析，结果表明本文提出的方法可有效地应用于轴承的故障诊断中。
针对随机共振（Stochastic resonance，SR）在处理轴承故障信号时需要满足小参数（信号频率、幅值、噪声强度远小于1）这一条件以及轴承故障特征难以提取的问题，提出基于自适应变尺度随机共振与总体局部均值分解（Ensemble local mean decomposition，ELMD）的轴承故障诊断方法。首先，对实测的信号按照一定的频率进行压缩，使其满足随机共振小参数的要求，然后，通过遗传算法（Genetic algorithm，GA）对变尺度随机共振双稳系统中的结构参数a，b进行优化，最后将随机共振输出信号进行ELMD分解，通过各PF分量的频谱图寻找轴承故障特征频率。对实测轴承故障信号的实验分析，结果表明本文提出的方法可有效地应用于轴承的故障诊断中。
2018, 37(4): 614-622.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0419
摘要:
针对车辆在极限转向工况下出现侧翻与失稳的问题，本文基于电子稳定程序（ESP）建立了混杂切换控制模型。由于ESP对车辆侧翻与失稳的控制是通过差动制动方式实现的，考虑到车轮在制动时由于抱死而影响控制效果，集成了防抱死系统（ABS）。为防止ESP与ABS的控制冲突，设计了差动制动协调器来满足各系统的控制要求。最后，通过双移线与鱼钩工况对提出的控制系统进行仿真试验。仿真结果表明，基于混杂控制的ESP系统能根据车辆不同工况有效控制车辆的失稳与侧翻，提高车辆的操纵稳定性与行驶安全性。
针对车辆在极限转向工况下出现侧翻与失稳的问题，本文基于电子稳定程序（ESP）建立了混杂切换控制模型。由于ESP对车辆侧翻与失稳的控制是通过差动制动方式实现的，考虑到车轮在制动时由于抱死而影响控制效果，集成了防抱死系统（ABS）。为防止ESP与ABS的控制冲突，设计了差动制动协调器来满足各系统的控制要求。最后，通过双移线与鱼钩工况对提出的控制系统进行仿真试验。仿真结果表明，基于混杂控制的ESP系统能根据车辆不同工况有效控制车辆的失稳与侧翻，提高车辆的操纵稳定性与行驶安全性。
2018, 37(4): 623-628.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0420
摘要:
为了消除传统Time to Rollover侧翻预警算法中，方向盘与汽车动态响应之间的滞后性以及质心高度变化对算法精度的影响，本文中提出了方向盘转角TTR和动态质心高度预警算法。建立三自由度的动态模型，用Maple求解出方向盘转角与各个运动参量的关系，接着将数学模型导入动力学软件TruckSim中，在数个典型工况下进行仿真实验。对比传统算法的运动参量和改进算法的TTR，并将仿真的质心高度和理论算法计算结果比较。仿真实验结果表明，动态模型计算结果准确，改进后的侧翻预警算法提前于传统算法，有效改善了TTR算法的滞后问题，提前了预警时间，研究成果具有工程应用前景。
为了消除传统Time to Rollover侧翻预警算法中，方向盘与汽车动态响应之间的滞后性以及质心高度变化对算法精度的影响，本文中提出了方向盘转角TTR和动态质心高度预警算法。建立三自由度的动态模型，用Maple求解出方向盘转角与各个运动参量的关系，接着将数学模型导入动力学软件TruckSim中，在数个典型工况下进行仿真实验。对比传统算法的运动参量和改进算法的TTR，并将仿真的质心高度和理论算法计算结果比较。仿真实验结果表明，动态模型计算结果准确，改进后的侧翻预警算法提前于传统算法，有效改善了TTR算法的滞后问题，提前了预警时间，研究成果具有工程应用前景。
2018, 37(4): 629-634.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0421
摘要:
利用多目标粒子群算法研究了车辆传动系参数优化问题。首先根据目标车辆的结构搭建了整车模型，通过台架试验对整车模型进行验证；其次以车辆传动系参数作为设计变量，以车辆动力性和经济性作为优化目标，建立多目标优化模型；然后运用多目标粒子群算法对传动系参数进行优化计算，得到Pareto最优解集；最后运用基于信息熵的多属性决策方法，确定了最优传动系参数。研究结果表明：优化后的整车的动力性能和燃油经济性均得到提升，其中燃油经济性提高了4.83%，全负荷0~100 km/h加速性能提升了2.03%。
利用多目标粒子群算法研究了车辆传动系参数优化问题。首先根据目标车辆的结构搭建了整车模型，通过台架试验对整车模型进行验证；其次以车辆传动系参数作为设计变量，以车辆动力性和经济性作为优化目标，建立多目标优化模型；然后运用多目标粒子群算法对传动系参数进行优化计算，得到Pareto最优解集；最后运用基于信息熵的多属性决策方法，确定了最优传动系参数。研究结果表明：优化后的整车的动力性能和燃油经济性均得到提升，其中燃油经济性提高了4.83%，全负荷0~100 km/h加速性能提升了2.03%。
2018, 37(4): 635-640.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0422
摘要:
采用试验的方法分析了密度、金属丝直径、螺旋卷直径及温度对环形金属橡胶径向刚度的影响，以悬臂曲梁为基本单元，分析了金属橡胶的受力变形情况，结合温度对金属丝弹性模量及接触曲梁的影响，建立了包含主要制备参数及温度影响的金属橡胶径向力学模型。同时，依据试验结果，对力学模型的参数进行拟合求解，确定了模型的具体表达式。通过将模型计算结果与试验结果对比后发现，力学模型有较高的精度，可以比较全面地反映环形金属橡胶的径向刚度特性，为金属橡胶的实际应用提供了理论参考。
采用试验的方法分析了密度、金属丝直径、螺旋卷直径及温度对环形金属橡胶径向刚度的影响，以悬臂曲梁为基本单元，分析了金属橡胶的受力变形情况，结合温度对金属丝弹性模量及接触曲梁的影响，建立了包含主要制备参数及温度影响的金属橡胶径向力学模型。同时，依据试验结果，对力学模型的参数进行拟合求解，确定了模型的具体表达式。通过将模型计算结果与试验结果对比后发现，力学模型有较高的精度，可以比较全面地反映环形金属橡胶的径向刚度特性，为金属橡胶的实际应用提供了理论参考。
2018, 37(4): 641-645.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0423
摘要:
针对机翼内外翼连接区域的结构特点，建立了内外翼连接区域螺栓连接的有限元计算模型。利用有限元软件进行了螺栓连接应力分析，获得了连接区域螺栓的钉载大小，并对螺栓布局参数进行灵敏度分析，确定了布局参数对钉载分布的影响规律。运用黄金分割法对螺栓布局参数进行了优化，使得最严重工况下的螺栓钉载值下降了18.61%，提高了结构的承载效率，为某型战机机翼内外翼连接区域螺栓设计提供了依据。
针对机翼内外翼连接区域的结构特点，建立了内外翼连接区域螺栓连接的有限元计算模型。利用有限元软件进行了螺栓连接应力分析，获得了连接区域螺栓的钉载大小，并对螺栓布局参数进行灵敏度分析，确定了布局参数对钉载分布的影响规律。运用黄金分割法对螺栓布局参数进行了优化，使得最严重工况下的螺栓钉载值下降了18.61%，提高了结构的承载效率，为某型战机机翼内外翼连接区域螺栓设计提供了依据。
2018, 37(4): 646-651.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0424
摘要:
SpiderFab型空间机械臂是一种典型的漂浮基空间机械臂系统。为了定量的认识机械臂在运动过程中对基体的扰动影响，并以此为依据设计浮动基体的位姿控制系统，建立了系统的运动学、动力学方程。根据系统动量守恒条件显式的表达出基体与机械臂之间的速度耦合关系，并由此说明基体的位姿变化不仅与机械臂实时关节速度有关，还与机械臂的历史关节路径有关。为了更进一步说明系统内存在的动力学耦合问题，针对一个漂浮基三自由度空间机械臂系统，设计了三组仿真试验。三组不同的关节速度曲线作为输入条件，求解基体关节所受的扰动量。仿真结果证明了计算方法的正确性。
SpiderFab型空间机械臂是一种典型的漂浮基空间机械臂系统。为了定量的认识机械臂在运动过程中对基体的扰动影响，并以此为依据设计浮动基体的位姿控制系统，建立了系统的运动学、动力学方程。根据系统动量守恒条件显式的表达出基体与机械臂之间的速度耦合关系，并由此说明基体的位姿变化不仅与机械臂实时关节速度有关，还与机械臂的历史关节路径有关。为了更进一步说明系统内存在的动力学耦合问题，针对一个漂浮基三自由度空间机械臂系统，设计了三组仿真试验。三组不同的关节速度曲线作为输入条件，求解基体关节所受的扰动量。仿真结果证明了计算方法的正确性。
2018, 37(4): 652-656.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0425
摘要:
在进行某型飞机机翼翼梁设计时，在翼梁拓扑优化中，基于有限元分析方法建立了以翼梁腹板的最小柔顺度为目标函数、以体积分数为约束条件、腹板单元密度为设计变量的数学模型，通过对翼梁腹板进行拓扑优化获得了翼梁刚度提升的结构形式；在翼梁尺寸优化中，建立了以翼梁体积最小为目标函数、以梁的许用应力为约束条件、单元厚度为变量的数学模型，并进行了主梁/后梁结构的尺寸优化。优化后主梁、后梁结构减重分别达26.5%及27.7%，一阶频率分别从1.17 Hz和4.34 Hz增加至2.26 Hz和4.59 Hz。初步实现了机翼翼梁结构的轻量化设计目标。
在进行某型飞机机翼翼梁设计时，在翼梁拓扑优化中，基于有限元分析方法建立了以翼梁腹板的最小柔顺度为目标函数、以体积分数为约束条件、腹板单元密度为设计变量的数学模型，通过对翼梁腹板进行拓扑优化获得了翼梁刚度提升的结构形式；在翼梁尺寸优化中，建立了以翼梁体积最小为目标函数、以梁的许用应力为约束条件、单元厚度为变量的数学模型，并进行了主梁/后梁结构的尺寸优化。优化后主梁、后梁结构减重分别达26.5%及27.7%，一阶频率分别从1.17 Hz和4.34 Hz增加至2.26 Hz和4.59 Hz。初步实现了机翼翼梁结构的轻量化设计目标。
