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2017年 36卷 第5期
2017, 36(5): 657-664.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0501
摘要
PDF 1361KB
摘要:
为了研究风力机叶片参数化集成表达的方法，基于翼型型线集成理论与Bezier曲线拟合方法，建立了风力机叶片翼型、弦长和扭角分布集成表达的控制参数模型。通过风力机气动和噪声计算模型，研究了拟合风力机叶片的气动和噪声收敛特性。结果表明，本方法所得到的控制参数对应表达的拟合风力机叶片在功率、载荷和噪声等变化曲线与原风力机吻合一致，满足收敛的精度要求。
为了研究风力机叶片参数化集成表达的方法，基于翼型型线集成理论与Bezier曲线拟合方法，建立了风力机叶片翼型、弦长和扭角分布集成表达的控制参数模型。通过风力机气动和噪声计算模型，研究了拟合风力机叶片的气动和噪声收敛特性。结果表明，本方法所得到的控制参数对应表达的拟合风力机叶片在功率、载荷和噪声等变化曲线与原风力机吻合一致，满足收敛的精度要求。
2017, 36(5): 665-669.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0502
摘要:
共振式消声器是改善进排气噪声的重要措施。基于计算流体动力学（CFD）的方法对共振式消声器声学特性进行计算，并通过有限元技术验证了模型与计算结果的准确性。研究流速及温度变化对共振式消声器传递损失的影响规律，结果表明：随流速增加，共振频率处峰值减小，通过频率处传递损失逐渐接近共振峰峰值，消声器频率特性向高频移动，整体消声量下降；随温度增加，共振频率向高频移动，峰值减小，带宽增加；流速、温度对低频处传递损失的影响大于高频。
共振式消声器是改善进排气噪声的重要措施。基于计算流体动力学（CFD）的方法对共振式消声器声学特性进行计算，并通过有限元技术验证了模型与计算结果的准确性。研究流速及温度变化对共振式消声器传递损失的影响规律，结果表明：随流速增加，共振频率处峰值减小，通过频率处传递损失逐渐接近共振峰峰值，消声器频率特性向高频移动，整体消声量下降；随温度增加，共振频率向高频移动，峰值减小，带宽增加；流速、温度对低频处传递损失的影响大于高频。
2017, 36(5): 670-678.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0503
摘要:
提出一类新的四自由度并联机构，设计一种共用驱动的3D打印机器人，这种3D打印机器人一次可以打印两个或多个相同的产品。分析四自由度并联机构的运动学，工作空间，雅可比矩阵，奇异位形，得到用于设计3D打印机器人最优结构；给定动平台的运动轨迹，仿真分析驱动关节与动平台的实时位置关系；利用并联机构的控制特性，对设计的样机进行试验分析。结果表明，由于这种四自由度并联机构的特性，3D打印机器人控制简单，可以在倾斜表面上进行打印，在特定的条件下打印的物体具有更高的表面精度。
提出一类新的四自由度并联机构，设计一种共用驱动的3D打印机器人，这种3D打印机器人一次可以打印两个或多个相同的产品。分析四自由度并联机构的运动学，工作空间，雅可比矩阵，奇异位形，得到用于设计3D打印机器人最优结构；给定动平台的运动轨迹，仿真分析驱动关节与动平台的实时位置关系；利用并联机构的控制特性，对设计的样机进行试验分析。结果表明，由于这种四自由度并联机构的特性，3D打印机器人控制简单，可以在倾斜表面上进行打印，在特定的条件下打印的物体具有更高的表面精度。
2017, 36(5): 679-684.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0504
摘要:
螺旋理论求解并联机构时，运动螺旋通常采用6个坐标表示。但是，对于某些并联机构，其所有的运动螺旋存在相同的恒为零的坐标。求解这些特殊的并联机构时，可将这些恒为零的坐标去掉，对坐标进行简化。用简化后的坐标表示运动螺旋求解并联机构，相当于对问题进行了降维处理，从而简化了求解过程。转动副的特殊轴线方向以及移动副的特殊移动方向会使得表示它们的运动螺旋中某些坐标恒为零，根据运动螺旋中恒为零的坐标数以及恒为零的坐标次序不同，对运动副进行分类。对这些运动副进行组合，构成单开链，进而综合出所有的可简化成3个坐标表示的三自由度并联机构，给出了这些机构的运动螺旋的简化坐标及反螺旋计算公式，并给出了部分机构的简图。采用简化后的坐标求解这些并联机构，可有效地简化分析过程，降低求解难度。
螺旋理论求解并联机构时，运动螺旋通常采用6个坐标表示。但是，对于某些并联机构，其所有的运动螺旋存在相同的恒为零的坐标。求解这些特殊的并联机构时，可将这些恒为零的坐标去掉，对坐标进行简化。用简化后的坐标表示运动螺旋求解并联机构，相当于对问题进行了降维处理，从而简化了求解过程。转动副的特殊轴线方向以及移动副的特殊移动方向会使得表示它们的运动螺旋中某些坐标恒为零，根据运动螺旋中恒为零的坐标数以及恒为零的坐标次序不同，对运动副进行分类。对这些运动副进行组合，构成单开链，进而综合出所有的可简化成3个坐标表示的三自由度并联机构，给出了这些机构的运动螺旋的简化坐标及反螺旋计算公式，并给出了部分机构的简图。采用简化后的坐标求解这些并联机构，可有效地简化分析过程，降低求解难度。
2017, 36(5): 685-689.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0505
摘要:
分析了制动液粘度、温度、吸水性、气阻等因素对制动拖滞的影响，总结了制动液粘度与制动拖滞间的关系。运用MSC.EASY5液压仿真软件对制动系统进行了虚拟建模，实现对制动过程的虚拟仿真，从活塞位移的角度对制动拖滞进行了分析。结合现有的试验台架，选取了与现用油沸点相近的几种型号制动液进行了拖滞力矩试验，其中重点分析了制动液粘度对制动拖滞的影响。归纳总结出制动液相关参数对制动拖滞的影响规律。
分析了制动液粘度、温度、吸水性、气阻等因素对制动拖滞的影响，总结了制动液粘度与制动拖滞间的关系。运用MSC.EASY5液压仿真软件对制动系统进行了虚拟建模，实现对制动过程的虚拟仿真，从活塞位移的角度对制动拖滞进行了分析。结合现有的试验台架，选取了与现用油沸点相近的几种型号制动液进行了拖滞力矩试验，其中重点分析了制动液粘度对制动拖滞的影响。归纳总结出制动液相关参数对制动拖滞的影响规律。
2017, 36(5): 690-696.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0506
摘要:
针对大位移井和水平井钻柱与井壁摩阻大的问题，提出一种具有轴向振动减摩作用的水力振荡器。在水力振荡器结构设计、工作原理分析的基础上，建立其运动方程和力学特征模型，确定马达转子和动阀板运动关系，进行马达转子和阀片部分的受力分析，并建立水力振荡器在水平井的振动方程。通过算例分析得到过流面积变化频率与流量成正比，过流面积随静阀孔直径增大而增大，总轴向力随静阀孔直径增大而减小，振动位移随静阀孔直径、安装位置和井壁摩擦系数的增大而减小。现场试验表明，水力振荡器的使用可以减小井壁摩擦，改善钻压传递，钻井提速效果明显。
针对大位移井和水平井钻柱与井壁摩阻大的问题，提出一种具有轴向振动减摩作用的水力振荡器。在水力振荡器结构设计、工作原理分析的基础上，建立其运动方程和力学特征模型，确定马达转子和动阀板运动关系，进行马达转子和阀片部分的受力分析，并建立水力振荡器在水平井的振动方程。通过算例分析得到过流面积变化频率与流量成正比，过流面积随静阀孔直径增大而增大，总轴向力随静阀孔直径增大而减小，振动位移随静阀孔直径、安装位置和井壁摩擦系数的增大而减小。现场试验表明，水力振荡器的使用可以减小井壁摩擦，改善钻压传递，钻井提速效果明显。
2017, 36(5): 697-703.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0507
摘要:
针对下肢瘫痪患者的康复训练需求，设计了一种下肢外骨骼助行康复机器人。描述了外骨骼机器人的机械结构。设计了基于关节角位移的闭环控制系统，将VICON运动捕捉系统采集的正常人体下肢运动关节角作为参考输入信息，控制受试者穿戴外骨骼进行行走、上下台阶动作。完成系统调试后，采用VICON运动捕捉系统捕捉受试者在该控制系统下的步态，并与正常人体步态作对比，验证了控制算法的正确性。定义了下肢康复评价标准RMP，使用设计的外骨骼康复机器人进行患者跟踪康复训练实验，验证了助行康复机器人的有效性。
针对下肢瘫痪患者的康复训练需求，设计了一种下肢外骨骼助行康复机器人。描述了外骨骼机器人的机械结构。设计了基于关节角位移的闭环控制系统，将VICON运动捕捉系统采集的正常人体下肢运动关节角作为参考输入信息，控制受试者穿戴外骨骼进行行走、上下台阶动作。完成系统调试后，采用VICON运动捕捉系统捕捉受试者在该控制系统下的步态，并与正常人体步态作对比，验证了控制算法的正确性。定义了下肢康复评价标准RMP，使用设计的外骨骼康复机器人进行患者跟踪康复训练实验，验证了助行康复机器人的有效性。
2017, 36(5): 704-710.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0508
摘要:
为揭示油液压缩性对轴向柱塞泵容积效率的影响机理，在考虑由于压缩性引起的困油和压缩容积损失的基础上，建立了描述柱塞泵容积效率的数学模型。基于建立的数学模型利用FLUENT对柱塞泵内部流场进行了仿真分析，分析结果表明：困油与压缩容积损失随着压力和转速的升高而增大，因油液压缩损失的容积效率在总容积效率损失中的比重随着转速和负载的增大而增大。仿真与实验结果基本吻合，相对误差小于2.1%，验证了机理的正确性。
为揭示油液压缩性对轴向柱塞泵容积效率的影响机理，在考虑由于压缩性引起的困油和压缩容积损失的基础上，建立了描述柱塞泵容积效率的数学模型。基于建立的数学模型利用FLUENT对柱塞泵内部流场进行了仿真分析，分析结果表明：困油与压缩容积损失随着压力和转速的升高而增大，因油液压缩损失的容积效率在总容积效率损失中的比重随着转速和负载的增大而增大。仿真与实验结果基本吻合，相对误差小于2.1%，验证了机理的正确性。
2017, 36(5): 711-716.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0509
摘要:
针对基本遗传算法解决移动机器人路径规划问题存在收敛速度慢等不足，对遗传算法进行了改进，提出了一种改进自适应遗传算法。根据进化过程中个体适应度值的大小自动调节交叉概率和变异概率，从而使算法能够跳出局部最优解，克服早熟的缺点。同时采用栅格法对机器人工作空间进行建模。对移动机器人路径规划进行仿真实验，对比结果表明：该改进的遗传算法是有效可行的，能够有效的提高机器人路径规划的质量。
针对基本遗传算法解决移动机器人路径规划问题存在收敛速度慢等不足，对遗传算法进行了改进，提出了一种改进自适应遗传算法。根据进化过程中个体适应度值的大小自动调节交叉概率和变异概率，从而使算法能够跳出局部最优解，克服早熟的缺点。同时采用栅格法对机器人工作空间进行建模。对移动机器人路径规划进行仿真实验，对比结果表明：该改进的遗传算法是有效可行的，能够有效的提高机器人路径规划的质量。
2017, 36(5): 717-721.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0510
摘要:
组合转子作为燃气轮机的核心部件，结构特殊，受力情况复杂，目前其动力学特性研究基本依赖于有限元模型，难以对其深层机理进行系统研究。从难度较大的弯曲振动入手，建立了组合转子的铁木辛柯梁（Timoshenko beam）集中参数模型。根据组合转子非连续性的结构特点，将组合转子以轮盘为单元进行集中参数化，建立弯振解析模型；利用MATLAB对该集中参数模型进行固有频率、振型计算以及谐响应分析，将其计算结果与有限元模型结果进行对比。结果表明：该集中参数模型能较为准确地反映出组合转子的固有特性，可以适用于组合转子的动力学分析与研究。相比于有限元模型，该模型能更为直观地反映组合转子的内部机理，并且将计算机运算时间缩短了3个数量级以上。
组合转子作为燃气轮机的核心部件，结构特殊，受力情况复杂，目前其动力学特性研究基本依赖于有限元模型，难以对其深层机理进行系统研究。从难度较大的弯曲振动入手，建立了组合转子的铁木辛柯梁（Timoshenko beam）集中参数模型。根据组合转子非连续性的结构特点，将组合转子以轮盘为单元进行集中参数化，建立弯振解析模型；利用MATLAB对该集中参数模型进行固有频率、振型计算以及谐响应分析，将其计算结果与有限元模型结果进行对比。结果表明：该集中参数模型能较为准确地反映出组合转子的固有特性，可以适用于组合转子的动力学分析与研究。相比于有限元模型，该模型能更为直观地反映组合转子的内部机理，并且将计算机运算时间缩短了3个数量级以上。
2017, 36(5): 722-728.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0511
摘要:
面向机器人移动系统对高精度、高速及大行程传动装置的需求，针对次摆线滚轮齿条传动的齿形理论及啮合特性进行了综合研究。首先，依据次摆线生成原理，综合考虑滚柱-次摆线齿啮合规律，建立了次摆线理论齿形方程、实际齿形方程及齿形曲率方程、曲率半径方程；其次，基于次摆线齿形曲率半径变化规律，结合滚柱与摆线齿啮合过程分析，推导出齿廓不根切条件、压力角及传动重合度计算公式；最后，给出算例，通过三维建模与啮合仿真，验证了前述理论推导的正确性。研究结果表明，采用次摆线齿形，合理选择结构参数，可有效解决摆线滚轮齿条传动的齿廓根切问题，增大传动重合度。
面向机器人移动系统对高精度、高速及大行程传动装置的需求，针对次摆线滚轮齿条传动的齿形理论及啮合特性进行了综合研究。首先，依据次摆线生成原理，综合考虑滚柱-次摆线齿啮合规律，建立了次摆线理论齿形方程、实际齿形方程及齿形曲率方程、曲率半径方程；其次，基于次摆线齿形曲率半径变化规律，结合滚柱与摆线齿啮合过程分析，推导出齿廓不根切条件、压力角及传动重合度计算公式；最后，给出算例，通过三维建模与啮合仿真，验证了前述理论推导的正确性。研究结果表明，采用次摆线齿形，合理选择结构参数，可有效解决摆线滚轮齿条传动的齿廓根切问题，增大传动重合度。
2017, 36(5): 729-735.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0512
摘要:
高速电主轴的动态特性受轴承和高频谐波电磁力矩的共同影响，为了将两者的特征频率分离以便采取相应的控制方法，从气隙磁场的波形出发，利用傅里叶变换求出各次谐波磁动势，进而导出稳态谐波电磁转矩和脉动谐波电磁转矩的计算公式，得出稳态谐波转矩只影响主轴的转矩输出能力，脉动谐波转矩会导致系统产生周期性振动，且脉动频率为6的整数倍基波频率的结论。据此不仅可轻易分辨出由轴承运动和谐波电磁转矩所产生的振动频率及各自对系统动态性能的影响程度，而且可以根据系统的动态需求，采取有选择性的控制方法。最后以170MD15Y20型高速电主轴为例，对此结论进行了验证。
高速电主轴的动态特性受轴承和高频谐波电磁力矩的共同影响，为了将两者的特征频率分离以便采取相应的控制方法，从气隙磁场的波形出发，利用傅里叶变换求出各次谐波磁动势，进而导出稳态谐波电磁转矩和脉动谐波电磁转矩的计算公式，得出稳态谐波转矩只影响主轴的转矩输出能力，脉动谐波转矩会导致系统产生周期性振动，且脉动频率为6的整数倍基波频率的结论。据此不仅可轻易分辨出由轴承运动和谐波电磁转矩所产生的振动频率及各自对系统动态性能的影响程度，而且可以根据系统的动态需求，采取有选择性的控制方法。最后以170MD15Y20型高速电主轴为例，对此结论进行了验证。
2017, 36(5): 736-740.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0513
摘要:
针对旋转超声振动加工中接触式电能传输方式存在的弊端，提出了一种非接触电能传输系统。建立了非接触电能传输松耦合感应模型，理论分析了电能传输效率的影响因素，对松耦合变压器原/副边进行了阻抗匹配；仿真分析了系统电压增益、原/副边功率及传输效率随负载和松耦合变压器设计参数的变化规律；实验研究了系统传输效率和电源频率、磁芯间距之间的影响关系，证明了方案的可行性。
针对旋转超声振动加工中接触式电能传输方式存在的弊端，提出了一种非接触电能传输系统。建立了非接触电能传输松耦合感应模型，理论分析了电能传输效率的影响因素，对松耦合变压器原/副边进行了阻抗匹配；仿真分析了系统电压增益、原/副边功率及传输效率随负载和松耦合变压器设计参数的变化规律；实验研究了系统传输效率和电源频率、磁芯间距之间的影响关系，证明了方案的可行性。
2017, 36(5): 741-748.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0514
摘要:
为了提高三维CAD模型分割的效果及其对模型检索支持的有效性，提出一种面向三维CAD模型检索的模型分割方法。首先通过提取B-rep形式CAD模型的几何拓扑属性，将模型转换为属性邻接标记图；然后依据图中节点和连线的凸凹性将模型初步分割为凸凹性连续的局部区域，再以分割内聚度最大为目标，基于区域耦合度进行可合并区域的选择与优化合并；最后采用区域最优匹配的方法进行模型间的相似性比较和检索。实验结果表明，该模型分割方法能有效支持模型检索，可实现CAD模型的重用。
为了提高三维CAD模型分割的效果及其对模型检索支持的有效性，提出一种面向三维CAD模型检索的模型分割方法。首先通过提取B-rep形式CAD模型的几何拓扑属性，将模型转换为属性邻接标记图；然后依据图中节点和连线的凸凹性将模型初步分割为凸凹性连续的局部区域，再以分割内聚度最大为目标，基于区域耦合度进行可合并区域的选择与优化合并；最后采用区域最优匹配的方法进行模型间的相似性比较和检索。实验结果表明，该模型分割方法能有效支持模型检索，可实现CAD模型的重用。
2017, 36(5): 749-754.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0515
摘要:
利用Geobel模型对电子回旋共振离子推力器的离子源性能进行了计算，分析工质利用率与放电损耗的关系、电子温度与离子源性能的关系、离子源长度和栅极有效透明度对放电损耗和工质利用率的影响。采用Geobel模型对电子回旋共振离子推力器性能的计算结果为：20 cm ECRIT离子源在100 mm轴向长度、80%栅极有效透明度条件下，工质利用率为90%，放电损失为203 W/A；10 cm ECRIT离子源在40 mm轴向长度、80%栅极有效透明度条件下，工质利用率为86%，放电损失为300 W/A。结果表明：采用Geobel模型算法计算结果与国外文献数据的相对误差小于5%，利用该模型对电子回旋共振离子推力器离子源性能分析的方法有效、合理。
利用Geobel模型对电子回旋共振离子推力器的离子源性能进行了计算，分析工质利用率与放电损耗的关系、电子温度与离子源性能的关系、离子源长度和栅极有效透明度对放电损耗和工质利用率的影响。采用Geobel模型对电子回旋共振离子推力器性能的计算结果为：20 cm ECRIT离子源在100 mm轴向长度、80%栅极有效透明度条件下，工质利用率为90%，放电损失为203 W/A；10 cm ECRIT离子源在40 mm轴向长度、80%栅极有效透明度条件下，工质利用率为86%，放电损失为300 W/A。结果表明：采用Geobel模型算法计算结果与国外文献数据的相对误差小于5%，利用该模型对电子回旋共振离子推力器离子源性能分析的方法有效、合理。
2017, 36(5): 755-760.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0516
摘要:
应用CFD技术研究了椭圆螺旋流道内两相液体在充分发展条件下的混合效果。基于FLUENT软件，对混合性能进行了数值模拟研究，讨论了椭圆螺旋管道混合器的截面形状、曲率半径、螺距3种因素对该混合器混合效果的影响。模拟所得液相的流动状态与实验结果具有很好的一致性。提取相应截面液体的混合不均匀系数，分析结果表明：截面形状的变化会给螺旋管道混合器造成不同程度的狭小区域，对混合均匀性影响较大；增加螺距会对混合产生消极的影响；当曲径为某一特征值时，混合效果可达到最好状态；同时，通过仿真分析得出，液体流速的改变对混合器中液体的混合效果影响不大；通过对流场内部剪切速率、流线、质点速度场的分析，讨论了粒子无序运动是螺旋混合器内液体充分混合的关键因素。
应用CFD技术研究了椭圆螺旋流道内两相液体在充分发展条件下的混合效果。基于FLUENT软件，对混合性能进行了数值模拟研究，讨论了椭圆螺旋管道混合器的截面形状、曲率半径、螺距3种因素对该混合器混合效果的影响。模拟所得液相的流动状态与实验结果具有很好的一致性。提取相应截面液体的混合不均匀系数，分析结果表明：截面形状的变化会给螺旋管道混合器造成不同程度的狭小区域，对混合均匀性影响较大；增加螺距会对混合产生消极的影响；当曲径为某一特征值时，混合效果可达到最好状态；同时，通过仿真分析得出，液体流速的改变对混合器中液体的混合效果影响不大；通过对流场内部剪切速率、流线、质点速度场的分析，讨论了粒子无序运动是螺旋混合器内液体充分混合的关键因素。
2017, 36(5): 761-766.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0517
摘要:
车辆在不同附着系数路面上行驶时，转向回正力变化显著导致车辆回正时回正不足或回正超调。为克服路面附着系数变化对车辆回正性能的影响，研究了基于实际回正力估计的回正控制。建立了电动助力转向系统（Electric power steering system，EPS）模型，由车速和方向盘转角确定期望回正力矩。采用变内阻、变反电动势系数的电机模型估计电机转速，由估计的电机转速、电机电流，方向盘扭矩，估计车辆的回正力矩。根据期望回正力矩和估计的实际回正力矩对EPS回正补偿，采用分段PID（Proportional integral derivative）进行闭环控制。建立了EPS硬件在环试验台架，并对提出的控制算法进行试验验证，结果表明车辆在不同附着路面上均具有良好的回正性能。
车辆在不同附着系数路面上行驶时，转向回正力变化显著导致车辆回正时回正不足或回正超调。为克服路面附着系数变化对车辆回正性能的影响，研究了基于实际回正力估计的回正控制。建立了电动助力转向系统（Electric power steering system，EPS）模型，由车速和方向盘转角确定期望回正力矩。采用变内阻、变反电动势系数的电机模型估计电机转速，由估计的电机转速、电机电流，方向盘扭矩，估计车辆的回正力矩。根据期望回正力矩和估计的实际回正力矩对EPS回正补偿，采用分段PID（Proportional integral derivative）进行闭环控制。建立了EPS硬件在环试验台架，并对提出的控制算法进行试验验证，结果表明车辆在不同附着路面上均具有良好的回正性能。
2017, 36(5): 767-772.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0518
摘要:
传统转向系统对驾驶员误操作不能予以纠正，在驾驶过程中驾驶员需不断修正方向以消除外界或内部对车辆的扰动；主动前轮转向系统产生独立于驾驶员的附加前轮转角，改变车辆的横向受力状态克服传统转向系统不足。提出采用自抗扰技术的汽车主动前轮转向系统，根据系统的输入和输出动态跟踪理想参考横摆角速度，使车辆在横摆角速度安全裕度内运行。在MATLAB中实现了自抗扰控制器算法，控制CarSim车辆模型进行直线行驶抗扰试验和双移线试验，研究了自抗扰控制转向系统的抗扰动性能、路径跟踪性能以及对参数变化的鲁棒性，并与PID控制试验结果进行对比。试验结果表明，自抗扰控制的主动前轮转向系统改善了车辆操纵稳定性，具有抗干扰能力强、路径跟踪性能良好和鲁棒性强等优点，且各项性能优于PID控制器。
传统转向系统对驾驶员误操作不能予以纠正，在驾驶过程中驾驶员需不断修正方向以消除外界或内部对车辆的扰动；主动前轮转向系统产生独立于驾驶员的附加前轮转角，改变车辆的横向受力状态克服传统转向系统不足。提出采用自抗扰技术的汽车主动前轮转向系统，根据系统的输入和输出动态跟踪理想参考横摆角速度，使车辆在横摆角速度安全裕度内运行。在MATLAB中实现了自抗扰控制器算法，控制CarSim车辆模型进行直线行驶抗扰试验和双移线试验，研究了自抗扰控制转向系统的抗扰动性能、路径跟踪性能以及对参数变化的鲁棒性，并与PID控制试验结果进行对比。试验结果表明，自抗扰控制的主动前轮转向系统改善了车辆操纵稳定性，具有抗干扰能力强、路径跟踪性能良好和鲁棒性强等优点，且各项性能优于PID控制器。
2017, 36(5): 773-778.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0519
摘要:
由于零件几何误差、安装误差等存在，使实际硬点的位置具有一定的波动，存在不确定性，导致悬架K&C特性相对于标准K&C特性波动较大。针对该不确定性问题，依据刚体运动学理论应用刚体姿态坐标变换建立麦弗逊悬架数学模型，采用Sobol法对悬架K&C特性进行灵敏度分析，计算出对悬架定位参数影响大的硬点，应用区间分析对悬架结构进行参数优化，使悬架K&C特性相对于标准K&C特性波动减小进而提高悬架K&C的稳健性，结果表明该方法具有较高的稳健性以及工程实用性。
由于零件几何误差、安装误差等存在，使实际硬点的位置具有一定的波动，存在不确定性，导致悬架K&C特性相对于标准K&C特性波动较大。针对该不确定性问题，依据刚体运动学理论应用刚体姿态坐标变换建立麦弗逊悬架数学模型，采用Sobol法对悬架K&C特性进行灵敏度分析，计算出对悬架定位参数影响大的硬点，应用区间分析对悬架结构进行参数优化，使悬架K&C特性相对于标准K&C特性波动减小进而提高悬架K&C的稳健性，结果表明该方法具有较高的稳健性以及工程实用性。
2017, 36(5): 779-786.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0520
摘要:
相比于常规转向架，采用低轴箱纵向定位刚度，大锥度踏面轮对及附加轴间抗剪系统是自导向转向架的关键技术措施。以最佳曲线通过为目标，基于线性稳态解析详细论述Scheffel提出的轮对轴箱纵向定位刚度与其重力刚度间的匹配设计原理。结合我国25 t轴重转向架和轮轨参数，通过进行自导向转向架及其整车的非线性动态曲线通过数值分析，着重对比仿真和解析得到的轮对横移量、摇头角及轴间抗剪系统受力等结果，验证该轴箱纵向定位刚度设计方法的合理性。进一步考虑车辆其他运行性能要求，针对工程实践提出具体应用建议。
相比于常规转向架，采用低轴箱纵向定位刚度，大锥度踏面轮对及附加轴间抗剪系统是自导向转向架的关键技术措施。以最佳曲线通过为目标，基于线性稳态解析详细论述Scheffel提出的轮对轴箱纵向定位刚度与其重力刚度间的匹配设计原理。结合我国25 t轴重转向架和轮轨参数，通过进行自导向转向架及其整车的非线性动态曲线通过数值分析，着重对比仿真和解析得到的轮对横移量、摇头角及轴间抗剪系统受力等结果，验证该轴箱纵向定位刚度设计方法的合理性。进一步考虑车辆其他运行性能要求，针对工程实践提出具体应用建议。
2017, 36(5): 787-792.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0521
摘要:
为实现发动机冷却系统能量回收的回收利用，提出了基于数值计算对冷却系统能量回收温差发电器进行设计的方法，并利用发动机台架实验对该方法的可行性进行了验证。研究发现数值计算得到的散热系统温度和台架试验结果的偏差在3.5%以内，能量回收管阻力偏差为1.5%，这表明利用数值计算的方法对能量回收管和散热系统进行分析设计是可行的。进一步的实验表明，采用市售温差发电片对发动机冷却系统能量回收有一定的可行性，但是采用目前的结构形式使得温差发电器两端温差较小，导致其能量回收的经济性较差。
为实现发动机冷却系统能量回收的回收利用，提出了基于数值计算对冷却系统能量回收温差发电器进行设计的方法，并利用发动机台架实验对该方法的可行性进行了验证。研究发现数值计算得到的散热系统温度和台架试验结果的偏差在3.5%以内，能量回收管阻力偏差为1.5%，这表明利用数值计算的方法对能量回收管和散热系统进行分析设计是可行的。进一步的实验表明，采用市售温差发电片对发动机冷却系统能量回收有一定的可行性，但是采用目前的结构形式使得温差发电器两端温差较小，导致其能量回收的经济性较差。
2017, 36(5): 793-797.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0522
摘要:
在微观的环境下分析和研究压痕尺寸效应，可以为探索薄膜和微机械材料特性提供有力的理论基础和技术指导。用两种试验方法对厚度为100μm的3J21合金箔片进行纳米压痕试验，从试验中获得3J21合金箔片的力学性能参数。通过分析试验数据可知，3J21合金箔片压痕在微纳米级范围内存在明显尺寸效应。利用3种常用的压痕尺寸效应模型对3J21合金箔片的压痕尺寸效应进行描述和分析，结果表明这3种常用模型能够有效地描述3J21合金箔片的压痕尺寸效应，并且后两种模型能较为准确地预测其真实硬度值。
在微观的环境下分析和研究压痕尺寸效应，可以为探索薄膜和微机械材料特性提供有力的理论基础和技术指导。用两种试验方法对厚度为100μm的3J21合金箔片进行纳米压痕试验，从试验中获得3J21合金箔片的力学性能参数。通过分析试验数据可知，3J21合金箔片压痕在微纳米级范围内存在明显尺寸效应。利用3种常用的压痕尺寸效应模型对3J21合金箔片的压痕尺寸效应进行描述和分析，结果表明这3种常用模型能够有效地描述3J21合金箔片的压痕尺寸效应，并且后两种模型能较为准确地预测其真实硬度值。
2017, 36(5): 798-804.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0523
摘要:
为了研究一种商业化生产的泡沫铝力学性能并对其填充结构进行仿真模拟，基于材料的准静态压缩试验和材料本构模型进行了泡沫铝和铝合金材料参数反求，并采用试验数据验证了所得材料参数的正确性。运用有限元软件LS-DYNA进行数值分析，研究了壁厚、锥角和填充泡沫铝密度等设计参数对泡沫铝填充锥形薄壁管吸能特性的影响。结果表明，利用材料反求的方法可获得准确的材料参数；泡沫铝密度和壁厚对平均力的影响更为显著，相比于锥角更易控制能量吸收；管壁厚度是影响初始峰值力的主要因素；填充泡沫铝后不仅能够改善薄壁管的变形情况、增大比吸能，且对初始峰值力的影响较小。
为了研究一种商业化生产的泡沫铝力学性能并对其填充结构进行仿真模拟，基于材料的准静态压缩试验和材料本构模型进行了泡沫铝和铝合金材料参数反求，并采用试验数据验证了所得材料参数的正确性。运用有限元软件LS-DYNA进行数值分析，研究了壁厚、锥角和填充泡沫铝密度等设计参数对泡沫铝填充锥形薄壁管吸能特性的影响。结果表明，利用材料反求的方法可获得准确的材料参数；泡沫铝密度和壁厚对平均力的影响更为显著，相比于锥角更易控制能量吸收；管壁厚度是影响初始峰值力的主要因素；填充泡沫铝后不仅能够改善薄壁管的变形情况、增大比吸能，且对初始峰值力的影响较小。
2017, 36(5): 805-810.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0524
摘要:
为了提高机电作动器舵回路系统动态特性，以基于行星滚柱丝杠副的机电作动器舵回路系统为研究对象，建立一种采用一维伺服控制系统模型与三维机构动力学模型相结合的闭环耦合模型。通过变量信息实时交互实现联合仿真，进一步探究机电作动器中行星滚柱丝杠副摩擦力矩、刚度和间隙等非线性因素对舵回路系统的动态特性影响。结果表明：摩擦力矩是影响系统响应稳态值的主要因素；当系统输入阶跃信号时，刚度和间隙是造成系统振荡的主要原因；考虑摩擦力矩时，系统的跟踪精度降低，响应速度变慢；提高刚度可避免系统大幅振荡，能够保证系统稳定性；减小间隙量，可降低系统阶跃响应波动幅值，并加快系统调节时间。
为了提高机电作动器舵回路系统动态特性，以基于行星滚柱丝杠副的机电作动器舵回路系统为研究对象，建立一种采用一维伺服控制系统模型与三维机构动力学模型相结合的闭环耦合模型。通过变量信息实时交互实现联合仿真，进一步探究机电作动器中行星滚柱丝杠副摩擦力矩、刚度和间隙等非线性因素对舵回路系统的动态特性影响。结果表明：摩擦力矩是影响系统响应稳态值的主要因素；当系统输入阶跃信号时，刚度和间隙是造成系统振荡的主要原因；考虑摩擦力矩时，系统的跟踪精度降低，响应速度变慢；提高刚度可避免系统大幅振荡，能够保证系统稳定性；减小间隙量，可降低系统阶跃响应波动幅值，并加快系统调节时间。
2017, 36(5): 811-815.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0525
摘要:
针对飞机机体局部刚度偏弱导致的摆振问题，建立了一套分析模型。该模型可以分析机体局部弯曲刚度和扭转刚度对起落架摆振临界阻尼、动响应的影响。模型计算结果显示，机体局部弯曲、扭转刚度对起落架摆振临界阻尼影响很大，临界阻尼系数增大一倍以上。将某型飞机起落架参数代入分析模型计算机轮摆角动响应，不考虑机体局部刚度时振动收敛，而考虑机体局部刚度时振动就发散，这与试验结果相吻合，计算和试验结果表明飞机局部刚度偏弱可能导致起落架发生摆振。
针对飞机机体局部刚度偏弱导致的摆振问题，建立了一套分析模型。该模型可以分析机体局部弯曲刚度和扭转刚度对起落架摆振临界阻尼、动响应的影响。模型计算结果显示，机体局部弯曲、扭转刚度对起落架摆振临界阻尼影响很大，临界阻尼系数增大一倍以上。将某型飞机起落架参数代入分析模型计算机轮摆角动响应，不考虑机体局部刚度时振动收敛，而考虑机体局部刚度时振动就发散，这与试验结果相吻合，计算和试验结果表明飞机局部刚度偏弱可能导致起落架发生摆振。
2017, 36(5): 816-820.
doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0526
摘要:
针对超大规模变量结构优化中的敏度求解问题，深入系统地研究了全解析法高效位移敏度求解理论，推导了壳单元微分刚度矩阵的解析表达式，引入虚位移法解决了结构刚度矩阵求逆运算，进而给出了位移敏度全解析表达式。采用科学高效的程序流程组织方法在HAJIF系统平台上开发了超大规模变量结构位移敏度快速求解模块。与差分法和半解析法的对比结果表明：本文算法敏度结果具有较高的可靠性；超大规模变量位移敏度算例测试表明本文算法效率约为差分法的70余倍，敏度结果一致性较好，所开发的模块能够高效可靠的解决超大规模变量位移敏度求解问题。
针对超大规模变量结构优化中的敏度求解问题，深入系统地研究了全解析法高效位移敏度求解理论，推导了壳单元微分刚度矩阵的解析表达式，引入虚位移法解决了结构刚度矩阵求逆运算，进而给出了位移敏度全解析表达式。采用科学高效的程序流程组织方法在HAJIF系统平台上开发了超大规模变量结构位移敏度快速求解模块。与差分法和半解析法的对比结果表明：本文算法敏度结果具有较高的可靠性；超大规模变量位移敏度算例测试表明本文算法效率约为差分法的70余倍，敏度结果一致性较好，所开发的模块能够高效可靠的解决超大规模变量位移敏度求解问题。
